第一章鉆井工程地質(zhì)條件

第一章鉆井的工程地質(zhì)條件地下壓力特性巖石的工程力學(xué)性質(zhì)第一章鉆井的工程地質(zhì)條件

第一節(jié)地下壓力特性一、地下各種壓力的概念（一）靜液壓力（hydrostaticpressure）靜液壓力是由液柱自身的重力所引起的壓力。

ph=0.00981ρH式中：ph—

靜液壓力,MPa；

ρ—

液體的密度,g/cm3；

H—

液柱的垂直高度，m。壓力梯度，表示靜液壓力隨高度或深度的變化。Gh＝

ph/H＝0.00981ρ淡水或淡鹽水，Gh=0.00981MPa/m；鹽水，Gh=0.0105MPa/m。第一章鉆井的工程地質(zhì)條件

第一節(jié)地下壓力特性（二）上覆巖層壓力（Oveburdenpressur）地層某處的上覆巖層壓力是該處以上地層巖石基質(zhì)和巖石孔隙中流體總重力所產(chǎn)生的壓力，用p0表示。

式中：p0—

上覆巖層壓力，MPa；

H—

地層垂直深度,m；

φ—

巖石孔隙度，%；

ρma—

巖石骨架密度，g/cm3；

ρ—

孔隙中流體密度，g/cm3。第一章鉆井的工程地質(zhì)條件

第一節(jié)地下壓力特性

上覆巖層壓力隨深度增加而增大。沉積巖的上覆巖層壓力梯度一般為0.0227兆帕/米。

式中：G0—

上覆巖層壓力梯度，Mpa/m；

poi—

第i層段的上覆巖層壓力，MPa；

Hi

—

第i層段的厚度，m。

ρoi—

第i層段的平均密度，g/cm3。上式計(jì)算的是上覆巖層壓力梯度的平均值。第一章鉆井的工程地質(zhì)條件

第一節(jié)地下壓力特性（三）地層壓力（formationpressue）地層壓力是指巖石孔隙中的流體所具有的壓力，也稱(chēng)地層孔隙壓力（formationporepressue），用pp表示。石鉆

異常地層壓力地層壓力大于或小于正常地層壓力。超過(guò)正常地層靜液壓力的地層壓力(pp>ph)稱(chēng)為異常高壓。而低于正常地層靜液壓力的地層壓力(pp<ph)稱(chēng)為異常低壓。第一章鉆井的工程地質(zhì)條件

第一節(jié)地下壓力特性（四）基巖應(yīng)力（matrixstress）基巖應(yīng)力是巖石顆粒間相互接觸支撐的那一部分上覆巖層壓力，亦稱(chēng)有效上覆巖層壓力、骨架應(yīng)力或顆粒間壓力。上覆巖層壓力、地層壓力和基巖應(yīng)力之間的關(guān)系是：

第一章鉆井的工程地質(zhì)條件

Po

、Pp

和σ之間的關(guān)系可用下圖表示第一章鉆井的工程地質(zhì)條件

第一節(jié)地下壓力特性（五）異常壓力的成因異常低壓和異常高壓統(tǒng)稱(chēng)為異常壓力（abnormalpressure）。

1．異常低壓（abnormallowpressure）壓力梯度小于9.81kPa／m（即正常地層壓力梯度）的是異常低壓。產(chǎn)生異常低壓的原因（1）生產(chǎn)多年而又沒(méi)有壓力補(bǔ)充的枯竭油氣層。（2）地下水位很低。2．異常高壓（abnormalhighpressure）壓力梯度大于10.5千帕／米的是異常高壓。異常高壓的形成是多種因素綜合作用的結(jié)果，這些因素與地質(zhì)作用、構(gòu)造作用和沉積速度有關(guān)。目前人們公認(rèn)的成因有：第一章鉆井的工程地質(zhì)條件

第一節(jié)地下壓力特性異常高壓的成因

（1）沉積物的快速沉降，壓實(shí)不均勻。從沉降壓實(shí)的原理來(lái)看，在正常壓實(shí)的地層，隨著深度的增加，巖石越致密，密度越大，孔隙度越小，強(qiáng)度越高。欠壓實(shí)地層的巖石密度低，孔隙度大。（2）水熱增壓。（3）滲透作用。（4）構(gòu)造作用。異常高壓必然是一個(gè)被圈閉的密封系統(tǒng)，即它的頂部是一個(gè)致密的蓋層。這個(gè)蓋層阻礙了流體的散逸，導(dǎo)致欠壓實(shí)和異常高壓。地層沉降壓實(shí)的機(jī)理

地層的壓縮過(guò)程是由上覆沉積層的重力引起的。隨著上覆沉積物不斷地增加，下覆巖層就逐漸被壓實(shí)。如果沉積物沉積速度較慢，地層內(nèi)的巖石顆粒就有足夠的時(shí)間重新緊密地排列，并使孔隙度減小，孔隙中的過(guò)剩流體被擠出.如果是“開(kāi)放”的地質(zhì)環(huán)境，被擠出的流體就沿著阻力小的方向，或向著低壓高滲透的方向流動(dòng)，于是便建立了正常的靜液壓力環(huán)境。地層水自上而下形成連續(xù)的正常的靜液壓力系統(tǒng)。地層壓實(shí)能否保持平衡，主要取決于四個(gè)因素：（1）上覆巖層沉積速度的大小，（2）地層滲透率的大小，（3）孔隙減小的速度，（4）排出孔隙流體的能力。第一章鉆井的工程地質(zhì)條件

第一節(jié)地下壓力特性地層欠壓實(shí)現(xiàn)象的形成

如果沉積物沉積速度很快，地層中巖石顆粒沒(méi)有足夠的時(shí)間去重新排列，孔隙內(nèi)的流體的排出受到限制，基巖無(wú)法增加它的顆粒與顆粒之間的壓力，即無(wú)法增加它對(duì)上覆巖層的支撐能力。由于上覆巖層繼續(xù)沉積，負(fù)荷增加，而下面基巖的支撐能力沒(méi)有增加，孔隙中的流體必然開(kāi)始支撐部分上覆巖層壓力。若周?chē)徊粷B透地層圈閉起來(lái)，使得高壓流體無(wú)法流出，就會(huì)造成孔隙增大，地層不能被壓實(shí)到正常壓實(shí)程度，即形成地層欠壓實(shí)現(xiàn)象，從而導(dǎo)致地層異常高壓。異常高壓第一章鉆井的工程地質(zhì)條件

第一節(jié)地下壓力特性二、地層壓力評(píng)價(jià)地層壓力評(píng)價(jià)的方法可分為兩類(lèi)：預(yù)測(cè)和監(jiān)測(cè)。用鄰近井資料進(jìn)行壓力預(yù)測(cè)，建立地層壓力剖面；根據(jù)所鉆井的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行壓力監(jiān)測(cè)，以掌握地層壓力的實(shí)際變化規(guī)律。

（一）地層壓力預(yù)測(cè)常用的地層壓力預(yù)測(cè)的方法有地震法、聲波時(shí)差法和頁(yè)巖電阻率法等。地震法一般是采用縱波勘探。縱波的傳播速度取決于傳播介質(zhì)的密度ρ，密度ρ越大，傳播速度Vp越快，否則傳播速度越慢。第一章鉆井的工程地質(zhì)條件

第一節(jié)地下壓力特性依據(jù)是地層壓實(shí)理論或地層欠壓實(shí)理論正常壓力地層： H↗→↗，↘→VP↗；異常高壓層：由于地層欠壓實(shí)，↗，↘→VP↘。聲波時(shí)差法：聲波在地層中傳播的快慢常以通過(guò)單位距離所用的時(shí)間來(lái)衡量。即（1-6）式中：T—

聲波在單位距離內(nèi)的傳播時(shí)間；

ρ—

巖石的密度；

μ—

巖石的泊松比；

E—

巖石的彈性模量。第一章鉆井的工程地質(zhì)條件

第一節(jié)地下壓力特性聲波在地層中傳播的快慢與巖石的密度和彈性系數(shù)等有關(guān)，而巖石的密度和彈性系數(shù)又取決于巖石的性質(zhì)、結(jié)構(gòu)、孔隙度和埋藏深度。根據(jù)聲波時(shí)差的數(shù)據(jù)，可在半對(duì)數(shù)坐標(biāo)紙上繪出曲線(xiàn)，依據(jù)是地層壓實(shí)理論或地層欠壓實(shí)理論正常壓力地層： H↗→↗，↘→VP↗→Δt↘；異常高壓層：地層欠壓實(shí)，↗，↘→VP↘→Δt↗。第一章鉆井的工程地質(zhì)條件

第一節(jié)地下壓力特性（二）地層壓力監(jiān)測(cè)常用的地層壓力監(jiān)測(cè)的方法是dc指數(shù)法。dc指數(shù)法實(shí)質(zhì)上是在機(jī)械鉆速法基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的。機(jī)械鉆速法：利用泥頁(yè)巖壓實(shí)規(guī)律和井底的泥漿柱壓力與地層壓力之差，對(duì)機(jī)械鉆速的影響的理論來(lái)檢測(cè)地層壓力的。鉆遇異常高壓地層：巖石孔隙度突然增大，孔隙壓力突然增加，壓差減小，機(jī)械鉆速突然加快

壓持效應(yīng)：在在鉆進(jìn)過(guò)程中，井內(nèi)始終存在壓差，在該壓差作用下，井底巖屑難以離開(kāi)井底，造成鉆頭重復(fù)破碎的現(xiàn)象。第一章鉆井的工程地質(zhì)條件

第一節(jié)地下壓力特性d指數(shù)法是在賓漢鉆速方程的基礎(chǔ)上建立的。賓漢在不考慮水力因素的影響下提出的鉆速方程為：

Vpc＝Kne(W/db)d(1―13)式中：Vpc

—

機(jī)械鉆速；K—

巖石可鉆性系數(shù)；

n—

轉(zhuǎn)速；e—

轉(zhuǎn)速指數(shù)，取e＝1；

W—

鉆壓；db

—

鉆頭直徑；d—

鉆壓指數(shù)。假設(shè)鉆井條件和巖性不變，即K=1，e=1，則方程（1-13）被簡(jiǎn)化為：

Vpc＝n(W/db)d(1―14)對(duì)上式兩邊取對(duì)數(shù)，并整理后得：

(1—15)第一章鉆井的工程地質(zhì)條件

第一節(jié)地下壓力特性若采用常用公制單位，上式變?yōu)?/p>

(1-16)式中：Vpc

—

機(jī)械鉆速，m/h；

n—

轉(zhuǎn)速，r/min；

W—

鉆壓，kN；

db

—

鉆頭直徑,mm；

d—

鉆壓指數(shù),無(wú)因次。第一章鉆井的工程地質(zhì)條件

第一節(jié)地下壓力特性d指數(shù)與機(jī)械鉆速也成反比，所以d指數(shù)與壓差的大小有關(guān)，因此d指數(shù)可用來(lái)檢測(cè)異常高壓。在正常地層壓力，機(jī)械鉆速隨井深增加而減小，d指數(shù)隨井深增加而增大。進(jìn)入壓力過(guò)渡帶和異常高壓地層后，實(shí)際的d指數(shù)較正?；€(xiàn)偏小。d指數(shù)法的前提之一是保持泥漿密度不變，為消除鉆井液密度的變化對(duì)d指數(shù)的影響，提出了修正的d指數(shù)法，即dc指數(shù)法。dc指數(shù)法

（1-17）式中：dc

—

修正的d指數(shù)；

ρn—

正常地層壓力當(dāng)量密度（即地層水的密度），g/cm3；

ρd

—

實(shí)際鉆井液密度，g/cm3

。根據(jù)dc指數(shù)法計(jì)算地層壓力的方法有兩種：直接計(jì)算和等效深度法計(jì)算。直接計(jì)算法：(1)在高壓層頂部以上至少300米的純泥頁(yè)巖井段，按一定深度間隔取點(diǎn)記錄每點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的鉆速、鉆壓、轉(zhuǎn)速、鉆頭直徑、地層水密度和實(shí)際泥漿密度等六項(xiàng)參數(shù)。(2)根據(jù)記錄的數(shù)據(jù)計(jì)算d指數(shù)和dc指數(shù)。(3)在半對(duì)數(shù)坐標(biāo)紙上一一作出dc指數(shù)和相應(yīng)的井深所確定的點(diǎn)。(4)根據(jù)正常地層壓力井段的數(shù)據(jù)引dc指數(shù)的正常趨勢(shì)線(xiàn)，圖1-5。(5)計(jì)算地層壓力。根據(jù)dc指數(shù)的偏離值計(jì)算相應(yīng)的地層壓力的公式是（1-18）ρp

、ρn

—

分別為所求井深處的地層壓力當(dāng)量密度和正常地層壓力當(dāng)量密度，g/cm3

；dcn、dca

—

所求井深處的正常dc指數(shù)值和實(shí)測(cè)dc指數(shù)值。第一章鉆井的工程地質(zhì)條件

第一節(jié)地下壓力特性等效深度法求地層壓力：dc指數(shù)反映了泥頁(yè)巖的壓實(shí)程度，若地層具有相等的dc指數(shù)，則可視其骨架應(yīng)力相等用等效深度法求地層壓力的公式是

pp＝GoD-(Go-Gpm)De(1-19)pp

—

所求深度處的地層壓力，MPa；

Go

—

上覆巖層壓力梯度，MPa/m；

D—

所求地層壓力點(diǎn)的深度，m；

Gpn—

等效深度處的正常地層壓力梯度，MPa/m；

De

—

等效深度，m。

圖1-6dc指數(shù)的等效深度12第一章鉆井的工程地質(zhì)條件

第一節(jié)地下壓力特性dc指數(shù)值的發(fā)散現(xiàn)象，其原因主要有以下幾個(gè)方面(1)巖性變化：dc指數(shù)取決于基巖強(qiáng)度，巖性不同，骨架強(qiáng)度也不同。在巖性發(fā)生變化的地層，dc指數(shù)的規(guī)律也將發(fā)生變化，例如砂、頁(yè)巖交錯(cuò)的地層。

(2)水力參數(shù)：水力參數(shù)發(fā)生大的變化時(shí)，射流對(duì)地層的破碎作用不同，dc指數(shù)的規(guī)律也將發(fā)生變化。(3)鉆頭類(lèi)型：鉆頭類(lèi)型不同，其破巖機(jī)理不同。所以鉆頭類(lèi)型的變化會(huì)引起正常趨勢(shì)線(xiàn)的移動(dòng)。另外，在糾斜吊打、用刮刀鉆頭和取芯鉆頭鉆進(jìn)，鉆頭的跑合期和磨損的后期、井底不干凈、鉆遇斷層裂縫等特殊鉆進(jìn)情況下都不宜取點(diǎn)計(jì)算dc指數(shù)值。第一章鉆井的工程地質(zhì)條件

第一節(jié)地下壓力特性三、地層破裂壓力（formationfracturepressure）在井下一定深度處裸露的地層，承受流體壓力的能力是有限的，當(dāng)液體壓力達(dá)到一定數(shù)值時(shí)會(huì)使地層破裂，這個(gè)液體壓力稱(chēng)為地層破裂壓力（一）休伯特和威利斯(Hubbert&Willis)法地下應(yīng)力狀態(tài)是以三維不均勻主應(yīng)力狀態(tài)為特征的，且三個(gè)主應(yīng)力互相垂直。最大主應(yīng)力為垂直方向，大小等于基巖應(yīng)力，最小主應(yīng)力和中間主應(yīng)力在水平方向上互相垂直。最小主應(yīng)力的大小等于最大主應(yīng)力的1/3～1/2。地層破裂條件：

pf＝pp+σ3＝pp+（1/3—1/2）σ1(1-20)第一章鉆井的工程地質(zhì)條件

第一節(jié)地下壓力特性而σ1＝po-pp

故pf＝pp+（1/3～1/2）(po-pp)(1-21)

根據(jù)式（1-20）可求得地層破裂壓力梯度：

(1-22)式中：Gf

—

井深H處的地層破裂壓力梯度，兆帕／米；

pf

—

井深H處的地層破裂壓力，兆帕；

pp

—

井深H處的地層壓力，兆帕；

po

—

井深H處的上覆巖層壓力，兆帕；

H—

井深，米。

（二）馬修斯和凱利（Mathews&Kelly）法選擇最小破裂壓力等于地層壓力，最大破裂壓力等于上覆巖層壓力。如果實(shí)際破裂壓力大于地層壓力，則認(rèn)為是由于克服骨架應(yīng)力所致。骨架應(yīng)力的大小與地層壓實(shí)程度有關(guān)引入骨架應(yīng)力系數(shù)根據(jù)地層破裂壓力與地層壓力和骨架應(yīng)力之間的關(guān)系，有（1-23）式中：Ki

—

骨架應(yīng)力系數(shù)，無(wú)因次；σh—水平應(yīng)力，MPa；

σ—

骨架應(yīng)力（垂直應(yīng)力），MPa。Ki是井深的函數(shù)，與巖性有關(guān)，通常泥質(zhì)含量高的砂巖比一般砂巖的應(yīng)力系數(shù)要高。在正常地層壓力情況下，Ki隨井深增加而增加。如遇異常高壓，地層的壓實(shí)程度降低，地層壓力增大，則Ki減小。第一章鉆井的工程地質(zhì)條件

第一節(jié)地下壓力特性（三）伊頓（Eaton）法把上覆巖層壓力梯度作為一個(gè)變量來(lái)考慮，一般來(lái)說(shuō)，橫向應(yīng)變和縱向應(yīng)變之間的比值被定義為泊松比。然而伊頓的泊松比不是作為巖石本身特性的函數(shù)，而是作為區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)的函數(shù)來(lái)考慮。伊頓的泊松比即為水平應(yīng)力與垂直應(yīng)力之比值.水平應(yīng)力和垂直應(yīng)力之間的關(guān)系，即（1-24）將上式引入地層破裂壓力梯度計(jì)算公式（1-23），即（1-25）μ—

巖石的泊松比。第一章鉆井的工程地質(zhì)條件

第一節(jié)地下壓力特性（四）計(jì)算地層破裂壓力的新方法（1-26）式中：K—

構(gòu)造應(yīng)力系數(shù)，無(wú)因次；

St—

巖石的抗拉強(qiáng)度，兆帕。新模式與前述三個(gè)模式相比有兩個(gè)顯著特點(diǎn)：(1)地應(yīng)力一般是不均勻的，模式中包括了三個(gè)主應(yīng)力的影響。(2)地層的破裂是由井壁上的應(yīng)力狀態(tài)決定的。深部地層的水壓致裂是由于井壁上的有效切向應(yīng)力達(dá)到或超過(guò)了巖石的抗拉強(qiáng)度。巖石抗張強(qiáng)度St是利用鉆取的地下巖心在室內(nèi)采用巴西實(shí)驗(yàn)求得的。構(gòu)造應(yīng)力系數(shù)K對(duì)不同的地質(zhì)構(gòu)造是不同的，但它在同一構(gòu)造斷塊內(nèi)部是一個(gè)常數(shù)，且不隨深度變化。第一章鉆井的工程地質(zhì)條件

第一節(jié)地下壓力特性（五）破裂壓力的液壓實(shí)驗(yàn)液壓實(shí)驗(yàn)法也稱(chēng)漏失試驗(yàn)，液壓實(shí)驗(yàn)法的步驟如下：(1)循環(huán)調(diào)節(jié)泥漿性能，保證泥漿性能穩(wěn)定，上提鉆頭至套管鞋內(nèi)，關(guān)閉防噴器。(2)用較小排量0.66～1.32L/s向井內(nèi)注入泥漿，并記錄各個(gè)時(shí)期的注入量及立管壓力。(3)做立管壓力與累計(jì)泵入量的關(guān)系曲線(xiàn)圖，如教材中圖1-8所示。(4)從圖上確定各個(gè)壓力值，漏失壓力為PL，即開(kāi)始偏離直線(xiàn)點(diǎn)的壓力，其后壓力繼續(xù)上升；即為開(kāi)裂壓力Pr，壓力升到最大值；傳播壓力Prro，最大值過(guò)后壓力下降并趨于平緩，（5)求地層破裂壓力當(dāng)量密度ρfρf＝ρm＋pL/(0.00981H)(1-27)ρm—

試驗(yàn)用泥漿密度，g/cm3；H—

試驗(yàn)井深，m。第一章鉆井的工程地質(zhì)條件

第一節(jié)地下壓力特性注意：（1）計(jì)算地層破裂壓力時(shí)，以漏失壓力為準(zhǔn)；（2）計(jì)算深度H是指套管下入深度，而不是井深；（3）破裂處地層承受的壓力應(yīng)該等于表現(xiàn)在立管上的壓力與井內(nèi)液柱形成的壓力之和。PRro圖1-8液壓試驗(yàn)曲線(xiàn)第一章鉆井的工程地質(zhì)條件

第二節(jié)巖石的工程力學(xué)性質(zhì)一、巖石的機(jī)械性質(zhì)（一）沉積巖（sedimentaryrock）沉積巖是地殼表層在常溫常壓下的破碎物經(jīng)搬運(yùn)、沉積、壓實(shí)形成的巖石。常見(jiàn)的沉積巖石有：石灰?guī)r、泥頁(yè)巖、砂巖等。組成巖石的主要元素有八種，氧（46.7%）、硅（27.7%）、鋁（8.1%）、鐵（5.0%）、鈣（3.6%）、鈉（2.8%）、鉀（2.6%）、鎂（2.1%）、共占地殼成分的98.6%。沉積巖可分為結(jié)晶沉積巖和碎屑沉積巖兩大類(lèi)。結(jié)晶沉積巖是鹽類(lèi)物質(zhì)從水溶液中沉淀或在地殼中發(fā)生化學(xué)反應(yīng)而形成的，包括石灰?guī)r、白云巖、石膏等。碎屑沉積巖則是由巖石碎屑經(jīng)沉積、壓縮及流經(jīng)沉積物的溶液中沉淀出的膠結(jié)物的膠結(jié)作用而形成的，包括砂巖、泥巖、礫巖等，膠結(jié)物通常有硅質(zhì)、石灰質(zhì)、鐵質(zhì)和泥質(zhì)幾種。第一章鉆井的工程地質(zhì)條件

第二節(jié)巖石的工程力學(xué)性質(zhì)巖石的構(gòu)造是指巖石在大范圍內(nèi)的結(jié)構(gòu)特征，沉積巖：層理和片理。層理是指沉積巖在垂直方向上巖石成分和結(jié)構(gòu)的變化。它主要表現(xiàn)為不同成份的巖石顆粒在垂直方向上交替變化沉積，巖石顆粒大小在垂直方向上有規(guī)律的變化，某些巖石顆粒按一定方向的定向排列等。片理是指巖石沿平行平面分裂為薄片的能力，它與巖石的顯微結(jié)構(gòu)有關(guān)。(二)巖石的彈性（elasticityofrock）物體在外力作用下產(chǎn)生變形，外力撤除以后，變形隨之消失，物體恢復(fù)到原來(lái)的形狀和體積的性質(zhì)稱(chēng)為彈性變形。當(dāng)外力撤除后，變形不能消失的稱(chēng)為塑性變形。產(chǎn)生彈性變形的物體在變形階段，應(yīng)力與應(yīng)變的關(guān)系服從虎克定律：

σ=E(1-28)式中：σ——應(yīng)力；

——應(yīng)變；E——彈性模量。第一章鉆井的工程地質(zhì)條件

第二節(jié)巖石的工程力學(xué)性質(zhì)如果材料是各向同性的，則有：物體在彈性變形階段，剪切變形同樣也服從虎克定律，即

τ=Gγ(1-30)式中：τ——剪應(yīng)力；

γ——剪應(yīng)變；

G——切變模量(或剪切彈性模量)。對(duì)于同一材料，三個(gè)彈性常數(shù)E、G和μ之間有如下的關(guān)系：

(三)巖石的強(qiáng)度（strengthofrock）1.巖石強(qiáng)度的概念是巖石在一定條件下抵抗外力破壞的能力。巖石強(qiáng)度的大小取決于巖石的內(nèi)聚力（礦物顆粒與膠結(jié)物之間的連接力）和巖石顆粒間的內(nèi)摩擦力（顆粒之間的原始接觸狀態(tài)即將破壞而要產(chǎn)生位移時(shí)的摩擦阻力）。堅(jiān)固巖石和塑性巖石的強(qiáng)度主要取決于巖石的內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦力，松散巖石的強(qiáng)度主要取決于內(nèi)摩擦力。影響巖石強(qiáng)度的因素：巖石本身特性（內(nèi)因）和破碎時(shí)的工藝技術(shù)因素（外因）。內(nèi)因：巖石的礦物成分，膠結(jié)物的成分和比例（沉積巖）；礦物顆粒的尺寸；巖石的密度和孔隙度。巖石的強(qiáng)度一般情況下隨著埋藏深度的增加而增加。外因：巖石的受載方式；巖石的應(yīng)力狀態(tài)，外載作用的速度，液體介質(zhì)性質(zhì)等。

2.簡(jiǎn)單應(yīng)力條件下巖石的強(qiáng)度簡(jiǎn)單應(yīng)力條件下巖石的強(qiáng)度指巖石在單一的外載作用下的強(qiáng)度，包括單軸抗壓強(qiáng)度、單軸抗拉強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度及抗彎強(qiáng)度。表1-4巖石的抗壓、抗拉、抗剪和抗彎強(qiáng)度第一章鉆井的工程地質(zhì)條件

第二節(jié)巖石的工程力學(xué)性質(zhì)一般說(shuō)來(lái)，巖石的強(qiáng)度有以下順序關(guān)系：

抗拉<抗彎≤抗剪<抗壓表1－5巖石各種強(qiáng)度間的比例關(guān)系3.復(fù)雜應(yīng)力條件下巖石的強(qiáng)度(1)三軸巖石試驗(yàn)方法三軸應(yīng)力試驗(yàn)是在復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下定量測(cè)試巖石機(jī)械性質(zhì)的可靠方法。是在巖石樣品的三個(gè)方向上分別施加應(yīng)力進(jìn)行測(cè)試。圖1-9A表示了四種三軸試驗(yàn)的方案，其中a是最常見(jiàn)的一種，稱(chēng)為常規(guī)三軸實(shí)驗(yàn)。施力方案是12=3=p

圖1-9A三軸巖石實(shí)驗(yàn)方法通常在巖石樣品的一個(gè)方向上施加一個(gè)最大應(yīng)力，是最大主應(yīng)力，在與之垂直的兩個(gè)方向上用液壓施加應(yīng)力，稱(chēng)謂圍壓（見(jiàn)圖1-9B）圖1-9B常規(guī)三軸實(shí)驗(yàn)第一章鉆井的工程地質(zhì)條件

第二節(jié)巖石的工程力學(xué)性質(zhì)(2)三軸應(yīng)力條件下巖石的強(qiáng)度變化特點(diǎn)巖石在三軸應(yīng)力條件下的強(qiáng)度明顯增加。不同巖石，隨著圍壓增加幅度不同；同一種巖石，圍壓對(duì)強(qiáng)度的影響程度并不是在所有壓力范圍內(nèi)都是一樣的，開(kāi)始時(shí)，巖石的強(qiáng)度增加比較明顯，再繼續(xù)增加圍壓時(shí)，相應(yīng)的強(qiáng)度增量就變得越來(lái)越小，最后當(dāng)壓力很高時(shí)，有些巖石(例如石灰?guī)r)的強(qiáng)度便趨于常量。第一章鉆井的工程地質(zhì)條件

第二節(jié)巖石的工程力學(xué)性質(zhì)其原因：巖石不同于鋼鐵材料，其內(nèi)部存在著大量的微裂紋、裂隙，在圍壓的作用下，裂紋、裂隙閉和，巖石變得致密，強(qiáng)度增加。裂紋、裂隙全部閉和后，巖石強(qiáng)度基本穩(wěn)定；另外，圍壓會(huì)限制巖石的橫向變形。Ⅰ—OilCreak石英砂巖，Ⅱ—Hasmark白云巖

Ⅲ—Blain硬石膏，Ⅳ—Yule大理巖

Ⅴ—Barns砂巖及Marianna石灰?guī)r（曲線(xiàn)重合）

Ⅵ—Muddy頁(yè)巖，Ⅶ—鹽巖

(四)巖石的硬度（formationhardness）巖石的硬度是巖石抵抗其它物體表面壓入或侵入的能力。硬度與抗壓強(qiáng)度區(qū)別：硬度只是固體表面的局部對(duì)另一物體壓入或侵入時(shí)的阻力，抗壓強(qiáng)度則是固體抵抗固體整體破壞時(shí)的阻力。巖石硬度的測(cè)量：莫氏硬度和巖石的壓入硬度1.莫氏硬度（Mohsscale）巖石或其它材料的相對(duì)硬度。2.巖石的壓入硬度巖石的壓入硬度是蘇聯(lián)的史立涅爾提出的，也稱(chēng)史氏硬度。要求：（1）巖樣的長(zhǎng)度為30～50mm，直徑40～50mm，兩端面光滑且相互平行；

（2）壓頭用高強(qiáng)度鋼或硬質(zhì)合金制成。壓頭有平底圓柱形和截錐形兩種。對(duì)于致密均質(zhì)巖石，采用1～2mm2的壓頭；顆粒大于0.5mm且硬度不高的巖石宜使用3mm2的壓頭；多孔低強(qiáng)度巖石用5mm2的壓頭。硬度小于25千巴的巖石，多采用平底圓柱形高強(qiáng)度鋼壓頭；硬度大于25～30千巴的巖石，多采用平底圓柱形硬質(zhì)合金鋼壓頭；硬度大于40～50千巴的巖石，多采用截錐形硬質(zhì)合金鋼壓頭；

1—液缸缸體；2—液缸柱塞；3--巖樣；4—壓頭5—壓力機(jī)上壓板；6—千分表；7—柱塞導(dǎo)向桿圖1-12巖石硬度實(shí)驗(yàn)裝置

6777第一章鉆井的工程地質(zhì)條件

第二節(jié)巖石的工程力學(xué)性質(zhì)脆性和脆塑性巖石的硬度為：式中：P——產(chǎn)生脆性破碎時(shí)壓頭上的載荷(牛頓)；

S——壓頭的底面積(毫米2)；對(duì)塑性巖石，取產(chǎn)生屈服(即從彈性變形開(kāi)始向塑性變形轉(zhuǎn)化)時(shí)的載荷P0代替P，即：表1-9巖石按硬度的分類(lèi)第一章鉆井的工程地質(zhì)條件

第二節(jié)巖石的工程力學(xué)性質(zhì)（五）巖石的脆性和塑性

可把巖石分為脆性巖石（brittlerock）、塑性巖石（plasticrock）和塑脆性巖石（brittle-plasticrock）三大類(lèi)。

在外力作用下，巖石只改變其形狀和大小而不破壞自身的連續(xù)性，這種情況稱(chēng)為塑性的；巖石在外力作用下，直至破碎而無(wú)明顯的形狀改變，這種情況稱(chēng)為脆性的；介乎于兩者之間的是脆塑性巖石。第一章鉆井的工程地質(zhì)條件

第二節(jié)巖石的工程力學(xué)性質(zhì)用巖石的塑性系數(shù)KP作為定量表征巖石塑性及脆性大小的參數(shù)。塑性系數(shù)為巖石破碎前耗費(fèi)的總功AF與巖石破碎前彈性變形功AE的比值。對(duì)于塑脆性巖石：（1-33）脆性系數(shù)K=1；塑性巖石，KP=∞。表1-7巖石按塑性系數(shù)的分類(lèi)

在三軸應(yīng)力條件下，巖石機(jī)械性質(zhì)的一個(gè)顯著變化的特點(diǎn)就是隨著圍壓的增大，巖石表現(xiàn)出從脆性向塑性的轉(zhuǎn)變，并且圍壓越大，巖石破壞前所呈現(xiàn)的塑性也越大。表1-8巖石在圍壓下的塑性變形第一章鉆井的工程地質(zhì)條件

第二節(jié)巖石的工程力