海洋石油鉆井巖石力學(xué)研究及應(yīng)用1

課程提綱—巖石力學(xué)簡(jiǎn)介巖石力學(xué)及其研究對(duì)象的特點(diǎn)巖石力學(xué)的研究?jī)?nèi)容巖石力學(xué)在海洋鉆井工程中的任務(wù)第1頁(yè)/共37頁(yè)一、巖石力學(xué)及其研究對(duì)象的特點(diǎn)巖石力學(xué)是運(yùn)用力學(xué)原理和方法來(lái)研究巖石的力學(xué)以及與力學(xué)有關(guān)現(xiàn)象的一門(mén)新興科學(xué)。它不僅與國(guó)民經(jīng)濟(jì)基礎(chǔ)建設(shè)、資源開(kāi)發(fā)、環(huán)境保護(hù)、減災(zāi)防災(zāi)有密切聯(lián)系，具有重要的實(shí)用價(jià)值，而且也是力學(xué)和地學(xué)相結(jié)合的一個(gè)基礎(chǔ)學(xué)科—《巖石力學(xué)研究的現(xiàn)狀和未來(lái)》第2頁(yè)/共37頁(yè)研究對(duì)象：巖石是構(gòu)成地殼的基本材料，是經(jīng)過(guò)地質(zhì)作用而天然形成的（一種或多種）礦物集合體，具有一定的強(qiáng)度。分類(lèi)：巖石通常按地質(zhì)成因分為巖漿巖、沉積巖和變質(zhì)巖等三種類(lèi)型。一、巖石力學(xué)及其研究對(duì)象的特點(diǎn)第3頁(yè)/共37頁(yè)玄武巖玄武巖第4頁(yè)/共37頁(yè)大理石片麻巖第5頁(yè)/共37頁(yè)第6頁(yè)/共37頁(yè)第7頁(yè)/共37頁(yè)不連續(xù)性：巖石物理力學(xué)性質(zhì)呈現(xiàn)不連續(xù)變化的性質(zhì)。不均勻性：指天然巖體的物理、力學(xué)性質(zhì)隨空間位置不同而異的特性。各向異性：是指天然巖體的物理力學(xué)性質(zhì)隨空間方位不同而異的特性，具體表現(xiàn)在它的強(qiáng)度及變形特性等各方面。滲透性：有壓水可以透過(guò)巖石的孔隙、裂隙而流動(dòng)，巖石能透過(guò)水的能力稱(chēng)為巖石的滲透性。賦存環(huán)境：地應(yīng)力、水、溫度一、巖石力學(xué)及其研究對(duì)象的特點(diǎn)第8頁(yè)/共37頁(yè)二、巖石力學(xué)的研究?jī)?nèi)容巖石的組構(gòu)特征巖石的物理、水理、熱學(xué)性質(zhì)巖石的變形破壞規(guī)律巖石的水動(dòng)力學(xué)性質(zhì)巖石中的初始應(yīng)力第9頁(yè)/共37頁(yè)1）巖石的物質(zhì)組成粘土礦物硅酸鹽類(lèi)礦物碳酸鹽類(lèi)礦物氧化物類(lèi)礦物組成巖石的礦物組成巖石的礦物成分及其相對(duì)含量在一定程度上決定著巖石的力學(xué)性質(zhì)1、巖石的組構(gòu)特征第10頁(yè)/共37頁(yè)物質(zhì)組成對(duì)力學(xué)性質(zhì)的影響一般硅酸鹽礦物有石英、長(zhǎng)石、角閃石、輝石、橄欖石（粒狀）及云母和粘土礦物（片狀）等含硬度大的粒狀礦物愈多，巖石強(qiáng)度高－花崗巖、閃長(zhǎng)巖、玄武巖含硬度小的片狀礦物愈多，巖石強(qiáng)度愈低－粘土巖、泥巖第11頁(yè)/共37頁(yè)碳酸鹽類(lèi)礦物主要包括石灰?guī)r和白云巖類(lèi)，巖石的物理力學(xué)性質(zhì)取決于巖石中的CaCO3及酸不溶物的含量CaCO3含量愈高，如純灰?guī)r、白云巖強(qiáng)度高泥質(zhì)含量高的，如泥質(zhì)灰?guī)r、泥灰?guī)r等力學(xué)性質(zhì)差物質(zhì)組成對(duì)力學(xué)性質(zhì)的影響第12頁(yè)/共37頁(yè)碎屑巖的力學(xué)性質(zhì)與膠結(jié)物成分的關(guān)系：強(qiáng)度上：硅質(zhì)>鐵質(zhì)>鈣質(zhì)>泥質(zhì)物質(zhì)組成對(duì)力學(xué)性質(zhì)的影響第13頁(yè)/共37頁(yè)第14頁(yè)/共37頁(yè)泥頁(yè)巖的粘土礦物組成蒙脫石伊利石綠泥石高嶺石伊蒙混層粘土礦物力學(xué)性質(zhì)

蒙脫石含量高→軟，易變形，易水化伊利石含量高→硬脆，不易變形，不易水化第15頁(yè)/共37頁(yè)2）巖石的結(jié)構(gòu)巖石的結(jié)構(gòu)：巖石內(nèi)礦物顆粒的大小、形狀、排列方式及微結(jié)構(gòu)面發(fā)育情況與粒間連結(jié)方式等反映在巖塊構(gòu)成上的特征。其中，粒間連結(jié)分結(jié)晶連結(jié)與膠結(jié)連結(jié)1、巖石的組構(gòu)特征顆粒形狀強(qiáng)度：粒狀、柱狀>片狀>鱗狀顆粒大小強(qiáng)度：粗粒<細(xì)粒排列形式強(qiáng)度：等粒>不等粒第16頁(yè)/共37頁(yè)2）巖石的結(jié)構(gòu)微結(jié)構(gòu)面：存在于礦物顆粒內(nèi)部或礦物顆粒間的軟弱面或缺陷，包括礦物解理、晶格缺陷、粒間空隙、微裂隙、微層理及片理面、片麻理面等①降低巖石強(qiáng)度②導(dǎo)致巖石力學(xué)性質(zhì)各向異性1、巖石的組構(gòu)特征第17頁(yè)/共37頁(yè)2）巖石的結(jié)構(gòu)結(jié)晶連結(jié)：礦物顆粒通過(guò)結(jié)晶相互嵌合在一起，它是通過(guò)共用原子或離子使不同晶粒緊密接觸－巖漿巖、變質(zhì)巖、沉積巖中的碳酸巖膠結(jié)連結(jié)：礦物顆粒通過(guò)膠結(jié)物連結(jié)在一起－碎屑巖1、巖石的組構(gòu)特征第18頁(yè)/共37頁(yè)3）巖石的構(gòu)造巖石的構(gòu)造：巖石的構(gòu)造是指巖石組成成分在空間上相互排列及所占的位置。巖漿巖的構(gòu)造：塊狀構(gòu)造、流紋狀構(gòu)造、氣孔狀構(gòu)造、杏仁狀構(gòu)造沉積巖的構(gòu)造：層理構(gòu)造變質(zhì)巖的構(gòu)造：片理構(gòu)造1、巖石的組構(gòu)特征巖石的組構(gòu)特征給出巖石力學(xué)的定性性質(zhì)，從而保障我們的研究不出現(xiàn)方向性的錯(cuò)誤第19頁(yè)/共37頁(yè)2、巖石的物理、水理、熱學(xué)性質(zhì)第20頁(yè)/共37頁(yè)2、巖石的物理、水理、熱學(xué)性質(zhì)第21頁(yè)/共37頁(yè)巖石在水溶液作用下表現(xiàn)出來(lái)的性質(zhì)，稱(chēng)為水理性質(zhì)。主要有：

1.吸水性

2.軟化性

3.膨脹性

4.崩解性2、巖石的物理、水理、熱學(xué)性質(zhì)第22頁(yè)/共37頁(yè)①空隙壓密階段(OA)②彈性變形階段(AB)③微裂隙穩(wěn)定發(fā)展階段(BC)④微裂隙非穩(wěn)定發(fā)展階段(CD)⑤破壞后階段(DE)oABCDE峰前峰后

3、巖石的變形破壞規(guī)律第23頁(yè)/共37頁(yè)

3、巖石的變形破壞規(guī)律巖石的變形和應(yīng)力受時(shí)間因素的影響。在外部條件不變的情況下，巖石的應(yīng)力或應(yīng)變隨時(shí)間變化的現(xiàn)象叫流變。巖石變形規(guī)律的研究就是要建立應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系，為求解應(yīng)力狀態(tài)提供基礎(chǔ)第24頁(yè)/共37頁(yè)巖石試樣的破壞形式

劈裂破壞剪切破壞延性破壞

3、巖石的變形破壞規(guī)律巖石破壞規(guī)律的研究就是要建立應(yīng)力作用下巖石是否穩(wěn)定的標(biāo)準(zhǔn)第25頁(yè)/共37頁(yè)巖石應(yīng)力狀態(tài)變化，可能導(dǎo)致裂縫面上的剪應(yīng)力增加，微小的剪應(yīng)力變化即可在裂縫面產(chǎn)生剪脹效應(yīng)4、巖石的水動(dòng)力學(xué)性質(zhì)第26頁(yè)/共37頁(yè)一般情況下主地應(yīng)力表示方法H地表垂直主應(yīng)力σv水平最大主應(yīng)力σH水平最小主應(yīng)力σh5、巖石中的初始應(yīng)力第27頁(yè)/共37頁(yè)西南：印度板塊向NNE擠壓東部：太平洋板塊向W俯沖北部：西伯利亞板塊阻擋南部：菲律賓板塊向N俯沖第28頁(yè)/共37頁(yè)三、巖石力學(xué)在海洋石油工程中的任務(wù)井壁穩(wěn)定性分析出砂預(yù)測(cè)及防砂設(shè)計(jì)地層可鉆性預(yù)測(cè)鉆頭優(yōu)選水力壓裂定向射孔套管損壞機(jī)理地面沉降……第29頁(yè)/共37頁(yè)井壁失穩(wěn)的危害引起井下復(fù)雜或事故惡性卡鉆嚴(yán)重漏失—井噴嚴(yán)重影響鉆探速度，造成經(jīng)濟(jì)損失影響測(cè)井、固井質(zhì)量對(duì)儲(chǔ)層產(chǎn)生損害，影響勘探成功率第30頁(yè)/共37頁(yè)三、巖石力學(xué)在井壁穩(wěn)定中的任務(wù)制定保持井壁力學(xué)穩(wěn)定的泥漿密度窗口進(jìn)行井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化確定合理泥漿密度確定井壁失穩(wěn)的機(jī)理優(yōu)化泥漿性能制定合理鉆井對(duì)策第31頁(yè)/共37頁(yè)最小水平主地應(yīng)力若井內(nèi)泥漿密度較小，不能對(duì)井壁提供足夠的支撐，將使井壁巖石所受的應(yīng)力超過(guò)其本身的強(qiáng)度產(chǎn)生剪切破壞而造成井壁坍塌。損壞區(qū)坍塌最大水平主地應(yīng)力

a

r=3

a=1

r最大水平主地應(yīng)力形成的橢圓形井眼長(zhǎng)軸在最小水平主地應(yīng)力方向

泥漿密度低r泥漿密度低導(dǎo)致井壁巖石發(fā)生剪切破壞而坍塌掉塊第32頁(yè)/共37頁(yè)σHσhσHσh井眼坍塌破壞形狀第33頁(yè)/共37頁(yè)最大水平主地應(yīng)力最小水平主地應(yīng)力泥漿密度高泥漿密度過(guò)大：地層剪切破壞產(chǎn)生大量徑向微裂縫形成剪切破碎帶（造成泥漿的大量侵入使井壁失穩(wěn)）剪切破碎帶，使得泥漿更易滲入井壁

r

a=3

r=1