《石油工业概论》教案-岩石的机械特性

知行结合崇尚实践知行结合崇尚实践授课章节第二章授课方式理论课√实践课□习题课□其他□授课时间周节授课内容1、岩石的机械特性计划课时2教学目标与要求知识目标：通过授课使学生掌握岩石的机械特性（力学性质），如强度、硬度、脆性和塑性等；能力目标明确钻井条件下影响岩石机械特性的因素；素质目标在钻井施工中能够判断岩石的机械性质，帮助钻头选型。教学重点与难点重点：岩石的机械特性（力学性质）、钻井条件下影响岩石力学性质的因素分析。难点：岩石在复杂应力条件下的力学性质。处理方法：采用讲解法、实验法、对比法、举例法、图解法、图片展示法教学资源教材、图片、电子课件、视频、网络资源教学过程主题/任务/活动教学方法/教具时间分配1、课前考勤、课程导入讲述法10min2、有关岩石的机械特性讲述法、举例法、分组讨论20min3、钻井条件下影响岩石力学性质的因素分析讲述法、举例法20min4、岩石的脆性、塑性讲述法、举例法、分组讨论、案列教学法40min5、本节小结、思考题及答疑板书10min作业/技能训练影响岩石强度的因素有哪些？三轴应力条件下岩石强度变化的特点主要是什么？岩石按硬度分类有哪些？教学评估内容较多，与现场钻井生产结合紧密教学设计检查学生课前预习情况，查阅资料情况，确定本节课程授课方法和难易程度通过启发式教学、案列教学引入本次课程内容介绍本节课程的教学内容、重点和难点内容组织同学课堂讨论了解岩石机械性质的主要意义教师引导学生思考，并派学生代表发言，陈述自己对于岩石强度、硬度等概念的理解教师对学生发言进行点评举例说明岩石的力学性质分析复杂应力条件下岩石的力学性质补充说明三轴应力条件下岩石强度的变化规律★补充内容▲重点提示●了解内容导入新课：钻头的工作对象主要是岩石，为了提高钻头破岩的效率，必须对岩石的机械性质有所了解。石油及天然气大都储藏在沉积岩中，本节主要讨论与钻井有关的沉积岩部分机械性质。知识链接：油气的勘探与开发离不开机械设备，石油机械又为石油全行业服务。油气田的开采过程，机械服从于工程，工程服从于地质，地面服从于井下。设备的好坏直接影响到油气田的探明率和采收率（我国的探明率仅为38.9%）。随着油田的不断开采，科技的不断进步，油田逐渐趋向深井、超深井，高温、高压、高产井，这就对设备提出了更高的要求，本章主要介绍钻井工具。讲授新课：岩石的机械特性一、地层岩性（一）岩石的组成1.岩石是矿物颗粒的集合体，颗粒之间或者靠直接接触面上的作用力联结，或者由外来的胶结物胶结。大多数岩石由两种以上的矿物成分组成。2.矿物是具有固定的化学成分和确定的物理性质的天然无机化合物。除了硫、碳的矿物及少数金属外，绝大多数矿物是由两种以上元素组成的化合物。（二）岩石的类型岩石可分为三大类：火成岩（岩浆岩）—由岩浆（硅酸盐）容体冷凝而成。如：花岗岩、玄武岩、橄榄岩、安山岩等。变质岩—火成岩和沉积岩等由于高温高压作用或外来物质的加入，改变了原来的成分、结构，变成新的岩石。如:花岗岩→片麻岩，石灰岩→大理岩，石英砂岩→石英岩等。沉积岩—母岩风化后的产物经过搬运、沉积和成岩作用而形成的岩石。石油及天然气大都储藏在沉积岩中。如：泥岩、砂岩、石灰岩、白云岩、石膏、岩盐。原油大都储存在沉积岩中。（三）岩石的层理—岩石一层层迭起来的现象。倾斜的层状结构是沉积岩的主要构造特征。也就是说岩石的物理、化学性质不同，岩石就会出现不均质性的。形成层理的原因：①颗粒大小在纵向上的变化②岩石成分在纵向剖面上的变化③某些矿物颗粒的定向排列二、岩石的物理机械特性（一）岩石的机械性质（力学性质）1.岩石的机械性质（力学性质）——在外力作用下，岩石从变形到破坏所表现出的性质。如强度、硬度、脆性和塑性等。▲2.岩石的强度（▲重点）强度——岩石在外力作用下发生破坏时所能承受的最大应力。其单位:MP抗拉强度—岩石单纯受拉伸应力作用时的强度。抗压强度—岩石单纯受压缩应力力作用时的强度。抗剪强度—岩石单纯受剪切应力作用时的强度。抗弯强度—岩石单纯受弯曲应力作用时的强度。★弹性——岩石在外力作用下产生变形，外力撤除后变形随之消失，恢复到原来的形状和体积的性质称为弹性。相应的变形称为弹性变形。塑性——岩石在外力作用下产生变形，外力撤除后变形不能完全恢复的性质。相应的残余变形称为塑性变形。脆性——岩石在外力作用下变形量很小（小于3%）时就发生破坏的性质。相应的破坏称为脆性破坏。3.影响岩石强度的因素：1）自然因素2）工艺技术因素（1）简单应力条件下岩石的力学性质●简单应力条件：岩石受单一外载（压、拉、剪、弯）作用。经试验结果表明，在简单应力条件下，对同一岩石加载方式不同，岩石的强度也不同。一般来说，规律是：抗拉强度＜抗弯强度＜抗剪强度＜抗压强度。★岩石的层里是岩石各方向强度不同。垂直于地层层面方向的岩石强度＞平行于地层层面方向的岩石强度。（2）复杂应力条件下岩石的力学性质●三轴应力试验。三轴应力试验视在三向载荷作用下定量测试岩石机械性质的有效方法。三轴应力条件下岩石强度变化的特点。岩石在三轴应力条件下的强度明显增加。随着围压（各向受压）的增大，岩石强度增大。★随着围压的增大，岩石由脆性向塑性转变，且围压越大，岩石破坏前呈现的也塑性越大。岩石从脆性向塑性转变的压力（围压）称为临界压力。不同的岩石，临界压力不同。★在各向均匀压缩状态下，岩石永远不会破坏。4.岩石的硬度（▲重点）硬度的概念：岩石抵抗其它物体表面压入或侵入的能力。石油工业中的岩石硬度是压入硬度，也称为史氏硬度，是由前苏联史立涅尔提出的。2）岩石硬度的影响（1）对晶质岩石，由硬度较高的矿物组成的岩石，其硬度也较高。（2）砂岩的强度随着石英含量的增加而增大；硅质胶结＞钙质＞铁质＞泥质。（3）同种岩石孔隙度增大，密度降低，强度降低。因此，岩石的强度一般随埋藏深度的增加而增大。5.硬度与抗压强度区别：硬度是岩石表面的局部抵抗另一物体压入或侵入破碎时的能力，抗压强度则是岩石整体抗压碎能力。6.脆性岩石硬度和塑性岩石硬度PY——岩石的硬度，MP;p——产生脆性破坏时压头上的载荷，N；POY----产生塑性破坏时压头上的载荷，N；S——压头的底面积，mm27.岩石的层里是岩石各方向硬度不同。垂直于地层层面方向的岩石硬度小于平行于地层层面方向的岩石硬度。这一点对掌握井斜规律和定向钻井中利用地层规律造斜具有重要意义。（二）岩石的塑性和脆性（▲重点）当外力超过弹性限度后会出现两种情况，一是立即破碎，二是永久变形（塑性变形）。塑性变形——岩石在外力作用下产生塑性变形的性质叫岩石的塑性。2.岩石的脆性——指当外力超过弹性极限后即破坏，不成永久变形。绘出平底圆柱压头压入脆性岩石、塑脆性岩石、塑性岩石时的典型三种变形曲线。4.塑性参数：表征岩石塑性和脆性大小的参数。（二）钻井条件下影响岩石机械性质的因素1.井底各种压力对岩石性能的影响地应力的影响重点提示：如果井内钻井液密度过小，一些松软岩层就会产生剪切破坏而坍塌或出现塑性流动使井眼产生缩径；如果井内钻井液密度过大，又会使一些地层造成破裂（压裂）；地层的破裂压力取决于井壁上的应力状态，而这个应力状态又和地应力的大小紧密相关。孔隙流体的压力影响重点提示：产生各项压缩效应液柱压力的影响重点提示：在一定液