岩石的分类及性质清楚明了

石油工程岩石力学PetroleumEngineeringRockMechanics

教师：李相臣电子邮箱：li_xiangchen@126.com课程回顾一个意义：为什么学习岩石力学？两个定义岩石力学的定义岩石的定义一个特点：岩石力学研究对象的特点一个方法：研究岩石力学的方法主要内容第一节岩石的分类第二节岩石的物理性质第三节岩石的非均质性和各向异性第一节岩石的分类地球的岩石圈：地球表面的固体部分。由地壳和上地幔顶部岩石组成的地球外壳固体圈层。地球圈层分为地球外圈和地层内圈。地球外圈包括大气圈、水圈、生物圈和岩石圈。岩石的组构特征1.岩石的物质组成粘土矿物硅酸盐类矿物碳酸盐类矿物氧化物类矿物组成岩石的矿物组成岩石的矿物成分及其相对含量在一定程度上决定着岩石的力学性质2.岩石的结构岩石的结构：岩石内矿物颗粒的大小、形状、排列方式及微结构面发育情况与粒间连结方式等反映在岩块构成上的特征。其中，粒间连结分结晶连结与胶结连结。颗粒形状强度：粒状、柱状＞片状＞鳞状颗粒大小强度：细粒＞粗粒排列形式强度：等粒＞不等粒岩石的组构特征微结构面：指存在于矿物颗粒内部或矿物颗粒间的软弱面或缺陷，包括矿物解理、晶格缺陷、粒间空隙、微裂隙、微层理及片理面、片麻理面等①降低岩石强度②导致岩石力学性质各向异性岩石的微结构面岩石的组构特征裂缝性地层套管损坏Elf公司的岩石力学专家Maury和Sauzy在研究裂缝性地层套管损坏时首先提出了井眼周围裂缝岩体的剪切位移理论并应用于井壁稳定性分析裂缝性地层裂缝性地层扰动产生剪切位移造成套管变形裂缝岩体的剪切位移造成井眼缩径现象剪切位移引起的井眼形状变化XYX方向井径降低Y方向井径增加剪切错动方向不同剪切位移方向的井眼形状井下电视测井观测到：

裂缝岩体的剪切位移造成井眼缩径现象井下电视测井显示的破碎性地层在井眼周围产生的剪切位移的情况剪切位移造成井眼缩径的实例（现场实测结果）2002年，BP美国公公司在在墨西西哥湾湾遇到到钻井井中井井壁稳稳定问问题。。井眼与与地层层层理理面夹夹角不不同（（井斜斜角不不同）），井井壁垮垮塌程程度、、垮塌塌岩石石大小小、形形状不不同。。Dusseault研究破破碎性性地层层井壁壁稳定定性时时发现现井壁壁是否否稳定定与井井眼尺尺寸有有关，，井眼眼尺寸寸越大大井壁壁越不不稳定定。在研究究层理理发育育的各各向异异性地地层井井壁稳稳定性性时发发现井井壁稳稳定性性与井井眼轴轴线和和地层层层理理面的的夹角角有关关，认认为应应尽可可能以以垂直直与层层理面面的方方式进进入地地层，，才能能保持持井壁壁稳定定性。。裂缝发发育的的破碎碎性地地层层理发发育的的各向向异性性地层层各向异异性地地层加拿大大科学学家的的研究究结果果基底型型：彼此不不发生生接触触的矿矿物颗颗粒埋埋在玻玻璃体体中，，这种种情况况下胶胶结程程度很很高，，岩石石强度度与胶胶结物物有关关。接触型型：仅仅在在颗粒粒的接接触点点存在在胶结结物，，这种种胶结结程度度低，，岩石石强度度也不不大。。间隙型型：矿物颗颗粒彼彼此直直接接接触，，而颗颗粒的的孔隙隙被胶胶结物物充填填。溶蚀型型：胶结物物不仅仅充填填在矿矿物颗颗粒之之间，，而且且进入入到矿矿物颗颗粒本本身中中，胶胶结强强度很很高。。岩石的的主要要胶结结类型型：岩石的的组构构特征征基底型型接触型间隙型溶蚀型3岩石的构造造岩石的构造造：岩石的构造造是指岩石石组成成分分在空间上上相互排列列及所占的的位置。岩浆岩的构构造：块状构造、、流纹状构构造、气孔孔状构造、、杏仁状构构造沉积岩的构构造：层理构造变质岩的构构造：片理构造岩石的组构构特征流纹岩气孔状构造造杏仁状构造造沉积岩中的的层理构造造白云钾长片片麻岩岩石的地质质类型划分分1.岩浆岩：是是由岩浆凝凝结形成的的岩石。2.变质岩：矿矿物成分、、结构发生生变化形成成的岩石。。3.沉积岩：搬搬运、沉积积、成岩作作用而形成成的岩石。。母岩转变过程产生的岩石岩浆岩沉积岩变质岩风化作用热和压力熔融作用沉积岩变质岩岩浆岩沉积岩的分分类碎屑沉积岩岩：砾岩、、砂岩、粉粉砂岩、泥泥页岩化学沉积岩岩：石灰岩岩、白云岩岩、燧石、、蒸发岩生物沉积岩岩：煤、石石灰岩岩心照片砾岩岩心照片致密细砂岩岩岩心照片泥岩岩心照片硬脆性泥页页岩盐膏岩岩心照片4岩石的工程程分类以工程实用用为目的的的岩石类型型划分叫岩石的工程程分类(岩体的工程程分类)。主要目的的是指导工工程技术人人员合理选选择工程布布局及技术术处理方法法。完整岩块的的工程分类类编号类别单轴饱和抗压强度(MPa)代表性岩石I硬质岩>80中细粒花岗岩，花岗片麻岩，闪长岩，辉绿岩，安山岩，流纹岩，石英砂岩，硅质灰岩，硅质胶结砾岩II中等坚硬岩30-80灰岩，大理岩，白云岩，砂岩，钙质砾岩，板岩III软质岩<30泥质岩，泥质灰岩，部分凝灰岩，绿泥石片岩，千枚岩《岩土工程勘勘察规范》分类坚硬程度坚硬岩较硬岩较软岩软岩极软岩饱和单轴抗压强度，MPa>6030-6015-305-15<5岩体的工程程分类岩石：是固态矿矿物或矿物物的混合物物，由一种种或多种矿矿物组成，，具有一定定结构、构构造的集合合体。岩体：含有结构面的原生地质质体，是由由处于一定定地质环境境中的各种种岩性和结结构特征岩岩石所组成成的集合体体。特点：显著著的不连续续性。岩石质量指指标RQD岩石质量指指标RQD(RockQualityDesignation):长度大于10cm的岩心长度度之和与钻钻孔总进尺尺的百分比比。(迪尔，1964.)RQD求取的经验验方法1)RQD与裂隙频率率Kd之间存在以以下关系：：2)RQD与单位体积积岩石中的的节理总数数Jv之间存在以以下关系：：当Jv<4.5时，RQD取100。根据RQD的岩体质量量分级RQD<2525-5050-7575-90>90岩石质量描述很差差一般好很好等级IIIIIIIVV岩石的物理理性质：物理性质：：物质不需需要经过化化学变化就就表现出来来的性质叫叫做物理性性质。颜色、气味味、形态、、熔点、硬硬度、导电电性等岩石的物理理性质：指指岩石的力力学、热学学、电学、、声学、放放射学等特特性参数和和物理量。。第二节岩岩石的物理理性质岩石的物理理性质岩石和土一一样，也是是由固体、、液体和气气体组成的的多相体系系。物理性质是是指岩石由由于三相组组成的相对对比例关系系不同所表表现的物理理状态。1.岩石的密度度2.岩石的孔隙隙性3.岩石的水理理性(一)岩石的密度度1.岩石的颗粒密度岩石固体部部分的质量量与其体积积的比值。。它不包含含孔隙在内内，因此其其大小仅取取决于组成成岩石的矿矿物密度及及其含量。。颗粒密度固体部分质质量固体部分体体积(一)岩石的密度度2.岩石的块体密度是指岩石单单位体积内内的质量，，按岩石的的含水状态态，又有干干密度（ρd）、饱和密密度（ρsat）和天然密密度（ρ）之分，在在未指明含含水状态时时一般指岩岩石的天然然密度。d=drysat=saturated常见岩石的的密度岩石名称密度(g／cm3)岩石名称密度(g／cm3)花岗岩2.52～2.81石灰岩2.37～2.75闪长岩2.67～2.96白云岩2.75～2.80辉长岩2.85～3.12片麻岩2.59～3.06辉绿岩2.80～3.11片岩2.70～2.90砂岩2.17～2.70大理岩2.75左右页岩2.06～2.66板岩2.72～2.84(二)岩石的孔隙隙特性孔隙度：岩石中孔隙隙体积与岩岩石总体积积之比(多用百分数数表示)。裂隙率：岩石中各种种节理、裂裂隙的体积积与岩石总总体积之比比称裂隙率率。孔隙度与裂裂隙率含义义相同，孔孔隙度多用用于相对松松散土、石石，裂隙率率多用于结结晶连接的的坚硬岩石石。一般岩石的的孔隙度在在10%-35%之间。孔隙比：岩石中孔隙隙的体积与与固体颗粒粒体积之比比称岩石的的孔隙比(多以小数表表示)。(二)岩石的孔隙隙特性孔隙比和孔孔隙度可以互相换换算：密度是实验验指标，只只有通过实实验才能得得到具体数数值，而孔孔隙度和孔孔隙比是计计算指标。。孔隙比孔隙度岩石的饱和和密度为2.65g/cm3，干密度为为2.49g/cm3，计算岩石石的孔隙比比和颗粒密密度。例题：岩石在水溶液作用下表现现出来的性性质，称为为水理性质。主要包括括：(三)岩石的水理理性质吸水性软化性抗冻性膨胀性崩解性1.岩石的吸水水性岩石在一定定的实验条条件下吸收水分的能力，称为岩石的吸水水性。吸水率(Wa)：岩石试件在在大气压力力和室温条条件下自由由吸入水的的质量(mw1)与岩样干质质量(ms)之比，用百百分数表示示。1.岩石的吸水水性岩石的饱和和吸水率(Wp)：是指岩石试试件在高压压(一般压力为为15MPa)或真空条件件下吸入水水的质量(mw2)与岩样干质质量(ms)之比，用百百分数表示示。岩石的吸水水率(Wa)与饱和吸水水率(Wp)之比，称为为饱水系数。它反映了了岩石中大大、小开空空隙的相对对比例关系系。2.岩石的软化化性岩石浸水饱饱和后强度降低的性质，称称为软化性软化系数(KR)为岩石试件件的饱和抗抗压强度(σcw)与干抗压强强度(σc)的比值岩石中含有有较多的亲水性和可溶性矿物，大开开空隙较多，岩石石的软化性性较强，软软化系数较较小。KR＞0.75，岩石的软软化性弱，，工程地质质性质较好好KR＜0.75，岩石软软化性较较强，工工程地质质性质较较差常见岩石石的软化化系数弹性模量量随含水水量的变变化情况况泊松比随随含水量量的变化化情况粘聚力随随含水量量的变化化情况内摩擦角角随含水水量的变变化情况况3.岩石的抗抗冻性岩石抵抗抗冻融破破坏的能能力，称称为抗冻性。抗冻系数数(Rd)：岩石试试件经反反复冻融融后的干干抗压强强度(σc2)与冻融前前干抗压压强度(σc1)之比，用用百分数数表示。。质量损失失率(Km)：冻融试试验前后后干质量量之差(ms1－ms2)与试验前前干质量量(ms1)之比，以以百分数数表示。。Rd＞75％，Km＜2％，抗冻性高高吸水率Wa＜5％、软化化系数KR＞0.75，饱水系系数小于于0.8的岩石，，抗冻性性高。3.岩石的抗抗冻性4.岩石的膨膨胀性膨胀性：岩石吸水水后体积积增大引引起岩石石结构破破坏的性性能称膨膨胀性。。一般含有有粘土矿矿物的岩岩石均具具有—定的膨胀胀性，特特别是含含有蒙脱石类类矿物的岩石膨膨胀性最最大。在铁路建建设中，，膨胀岩岩地段路路堑边坡坡坍滑将将造成严严重危害害。钻井工程程中，钻钻遇膨胀胀性岩石石容易导导致井眼眼缩径、、井壁坍坍塌等问问题。5.岩石的崩崩解性崩解性：岩石被水水浸泡，，内部结结构遭到到完全破破坏呈碎碎块状崩崩开散落落的性能能。具有有强烈崩崩解性的的岩石和和土，短短时间内内即发生生崩解。。我国西北北地区的的黄土，，在水中中浸泡一一天左右右即崩解解，西南南某地风风化钙泥泥质粉砂砂岩置于于水中仅仅十多分分钟就全全部崩解解了。(四)岩石的热热理性质质岩石的热热理性是指岩石石温度发发生变化化时所表表现出来来的物理理性质。。（热胀冷缩缩）温度升高高体积膨胀胀强度降低低变形特性性改变体胀系数数与线胀胀系数体胀系数数：温度度上升1℃所引起的的体积增增量与初初始体积积的比值值。线胀系数数：温度度上升1℃所引起的的长度增增量与初初始长度度的比值值。岩石的导导热率岩石的导导热率是度量岩岩石的热热传导能能力的参参数，是是指当温温度上升升1℃时，热量量在单位位时间内内传递单单位距离离的损耗耗值。岩石导热热率的影影响因素素：矿物组成成、结构构构造以以及赋存存环境。第三节岩岩石石的各向向异性和和渗透性性岩石的不不连续性性岩石的不均匀性性岩石的各向异性性岩石的渗透性1.岩石的不连续性性岩石中普遍存在在的结构面，无论是物质分异面还是物质不连续面，都会使结构面面两侧附近的岩岩石物理力学性质呈现不连续变化化。对于裂隙性岩石石，通常采用裂裂缝率作为定量量评价岩石被裂裂隙切割后破碎碎程度的指标。。岩石中的裂隙单向裂隙(或裂裂隙频率)单向裂隙指一组结构面的的法线方向上每每单位长度(m)内，法线与结构面的的交割数目，以Kd(1/m)表示。即单向裂裂隙率的倒数为为成组结构面之之间的平均间距距，以d表示。式中：Kd—单向裂隙（1/m）d—结构面间平均间间距(m)平面裂隙率平面裂隙率Ka是指岩石单位面面积上诸裂隙所所占有的面积总总与总面积的比比值。式中：li—第i条裂隙面长度(m)；ti—第i条裂隙面的宽度度(m)；A—被测量的岩石总总面积(m)。不均匀性：是指天然岩体的的物理、力学性性质随空间位置置不同而异的特特性。分析现场场岩体试验资料料时可采用综合合性的统计特征征—偏差系数V(%)来估算岩体的不不均匀性。标准差估计值各观测值xi的算术平均值2.岩石的不均匀性性3.岩石的各向异性性岩石各向异性是指天然岩体的的物理力学性质质随空间方位不不同而异的特性性，具体表现在在它的强度及变形特性性等各方面。在天然岩体条件件下，使岩体具具有各向异性的的基本原因是由由于岩石内普遍遍存在着层理、片