巖石力學與井壁穩(wěn)定

巖石力學與井壁穩(wěn)定教師：蔚寶華聯(lián)系電話子郵箱：yubaohua73@126.com提綱巖石力學及其研究對象的特點巖石力學的研究內(nèi)容巖石力學在井壁穩(wěn)定中的任務(wù)一、巖石力學及其研究對象的特點巖石力學是運用力學原理和方法來研究巖石的力學以及與力學有關(guān)現(xiàn)象的一門新興科學。它不僅與國民經(jīng)濟基礎(chǔ)建設(shè)、資源開發(fā)、環(huán)境保護、減災(zāi)防災(zāi)有密切聯(lián)系，具有重要的實用價值，而且也是力學和地學相結(jié)合的一個基礎(chǔ)學科—《巖石力學研究的現(xiàn)狀和未來》研究對象：巖石是構(gòu)成地殼的基本材料，是經(jīng)過地質(zhì)作用而天然形成的（一種或多種）礦物集合體，具有一定的強度。分類：巖石通常按地質(zhì)成因分為巖漿巖、沉積巖和變質(zhì)巖等三種類型。一、巖石力學及其研究對象的特點玄武巖玄武巖大理石片麻巖不連續(xù)性：巖石物理力學性質(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性質(zhì)隨空間方位不同而異的特性，具體表現(xiàn)在它的強度及變形特性等各方面。滲透性：有壓水可以透過巖石的孔隙、裂隙而流動，巖石能透過水的能力稱為巖石的滲透性。賦存環(huán)境：地應(yīng)力、水、溫度一、巖石力學及其研究對象的特點二、巖石力學的研究內(nèi)容巖石的組構(gòu)特征巖石的物理、水理、熱學性質(zhì)巖石的變形破壞規(guī)律巖石的水動力學性質(zhì)巖石中的初始應(yīng)力1）巖石的物質(zhì)組成粘土礦物硅酸鹽類礦物碳酸鹽類礦物氧化物類礦物組成巖石的礦物組成巖石的礦物成分及其相對含量在一定程度上決定著巖石的力學性質(zhì)1、巖石的組構(gòu)特征物質(zhì)組成對力學性質(zhì)的影響一般硅酸鹽礦物有石英、長石、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，巖石強度高－花崗巖、閃長巖、玄武巖含硬度小的片狀礦物愈多，巖石強度愈低－粘土巖、泥巖碳酸鹽類礦物主要包括石灰?guī)r和白云巖類，巖石的物理力學性質(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、白云巖強度高泥質(zhì)含量高的，如泥質(zhì)灰?guī)r、泥灰?guī)r等力學性質(zhì)差物質(zhì)組成對力學性質(zhì)的影響碎屑巖的力學性質(zhì)與膠結(jié)物成分的關(guān)系：強度上：硅質(zhì)>鐵質(zhì)>鈣質(zhì)>泥質(zhì)物質(zhì)組成對力學性質(zhì)的影響泥頁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)特征顆粒形狀強度：粒狀、柱狀>片狀>鱗狀顆粒大小強度：粗粒<細粒排列形式強度：等粒>不等粒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降低巖石強度②導(dǎo)致巖石力學性質(zhì)各向異性1、巖石的組構(gòu)特征2）巖石的結(jié)構(gòu)結(jié)晶連結(jié)：礦物顆粒通過結(jié)晶相互嵌合在一起，它是通過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)：礦物顆粒通過膠結(jié)物連結(jié)在一起－碎屑巖1、巖石的組構(gòu)特征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)特征給出巖石力學的定性性質(zhì)，從而保障我們的研究不出現(xiàn)方向性的錯誤2、巖石的物理、水理、熱學性質(zhì)2、巖石的物理、水理、熱學性質(zhì)巖石在水溶液作用下表現(xiàn)出來的性質(zhì)，稱為水理性質(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、熱學性質(zhì)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

3、巖石的變形破壞規(guī)律巖石的變形和應(yīng)力受時間因素的影響。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)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)定的標準巖石應(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、巖石的水動力學性質(zhì)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俯沖三、巖石力學在井壁穩(wěn)定中的任務(wù)制定保持井壁力學穩(wěn)定的泥漿密度窗口進行井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化確定合理泥漿密度確定井壁失穩(wěn)的機理優(yōu)化泥漿性能制定合理鉆井對策最小水平主地應(yīng)力若井內(nèi)泥漿密度較小，不能對井壁提供足夠的支撐，將使井壁巖石所受的應(yīng)力超過其本身的強度產(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σHσhσHσh井眼坍塌破壞形狀最大水平主地應(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)）