中国石油大学钻井工程第1章岩石的工程力学性质讲解.ppt

如果材料是各向同性的，则有： 物体在弹性变形阶段，剪切变形同样也服从虎克定律，即 τ=Gγ  式中： τ——剪应力； γ——剪应变； G——切变模量(或剪切弹性模量)。 对于同一材料，三个弹性常数E、G和μ之间有如下的关系： 常见岩石的弹性模量与泊松比 四、岩石的抗压入强度（硬度）（formation hardness） 岩石的硬度是岩石抵抗其它物体表面压入或侵入的能力。 硬度与抗压强度区别： 前者只是固体表面的局部对另一物体压入或侵入时的阻力，而后者则是固体抵抗固体整体破坏时的阻力。 前者反映岩石颗粒的硬度，其对钻进过程中工具的磨损起重大影响； 后者反映岩石的组合硬度，其对钻进时岩石破碎速度起重大影响。 测量岩石硬度的方法 静压入法、冲击回弹法、研磨法。石油工业主要是利用静压入的方法测量岩石硬度（岩石的压入硬度是前苏联史立涅尔提出的，也称史氏硬度） 。 石油钻井中，常用的硬度有两种：史氏硬度和摩氏硬度。 要求：岩样的长度为30～50mm，直径40～50mm，两端面光滑且相互平行； 岩石的脆性和塑性 三类：脆性岩石（brittle rock）、塑性岩石（plastic rock）和塑脆性岩石（brittle-plastic rock。 在外力作用下，岩石只改变其形状和大小而不破坏自身的连续性，这种情况称为塑性的；岩石在外力作用下，直至破碎而无明显的形状改变，这种情况称为脆性的；介乎于两者之间的是脆塑性岩石。 脆性和脆塑性岩石的硬度为：  式中： P——产生脆性破碎时压头上的载荷(牛顿)； S——压头的底面积(毫米2)； 对塑性岩石，取产生屈服(即从弹性变形开始向塑性变形转化)时的载荷P0代替P，即： 用岩石的塑性系数KP作为定量表征岩石塑性及脆性大小的参数。 塑性系数：岩石破碎前耗费的总功AF与岩石破碎前弹性变形功AE的比值。 对于塑脆性岩石： 脆性岩石K=1；塑性岩石，KP=∞。 内压胀裂实验： 对圆筒状岩样施以均匀内压，直到圆筒胀裂的试验方法。通过运用拉梅厚壁圆筒应力理论，可确定岩样的抗拉伸强度。 巴西劈裂实验： 这一试验是将一个薄圆盘试件沿其直径方向上加载，在沿着加载直径上分布着垂直于加载方向拉伸应力如图所示。 间接抗拉伸强度试验 内压胀裂实验 巴西劈裂实验 间接测量 圆盘的破裂是从圆的中心开始,并沿着加载直径向上下两个方向扩展开来。当拉应力达到岩样的抗拉强度时，试件在加载点连线上呈现清晰的破裂。岩石的抗张强度可按下式计算(r半径，t厚度) 1. 常规三轴试验 常规三轴试验是最为常用的一种三轴应力试验方法。首先用液压p使其四周处于三向均匀压缩的应力状态，然后保持此压力（围压）不变，对岩样加载，直到使其破坏。可以进行三轴压缩试验(σ1＞σ2=σ3=p)，也可以进行三轴拉伸试验。 三、复杂应力条件下的岩石强度 (a)液压作用下的压（拉）试验（常规三轴试验） σ1 σ2 = σ3 (b)用三个液缸的柱塞进行的三面压缩试验（真三轴试验） σ1 σ2 σ3 三轴应力作用下岩石机械性质的变化 两方面显著变化 岩石在三轴应力条件下的强度明显增加。随着围压的增大，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。 摩氏硬度：表示材料的相对硬度。测量方法是用两种材料互相刻划，在表面留下擦痕者则硬度较低。 用10种矿物为代表，作为摩氏硬度的标准，依次为：滑石(1度)、石膏(2度)、方解石(3度)、萤石(4度)、磷灰石(5度)、长石(6度)、石英(7度)、黄玉(8度)、刚玉(9度)、金刚石(10度)。 岩石矿物的摩氏硬度是选择破岩工具的重要参考依据，若在岩石中占一定比例的矿物的摩氏硬度达到或接近破岩工具工作部位材料的硬度，则工具磨损很快。 下面介绍史氏硬度的测量方法。 试验仪器：岩石压入硬度测试仪。 岩石级别及岩石硬度的关系 7000 6000 ～ 7000 5000 ～ 6000 4000 ～ 5000 3000 ～ 4000 2000 ～ 3000 1500 ~ 2000 1000 ～ 1500 500 ～ 1000 250 ～ 500 100 ～ 250 100 压入硬度,MPa 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 岩石级别 极硬 坚硬 硬 中硬 中软 软 岩石类别 * * 第1章 岩石的工程力学性质 1.1 岩石的类型及结构特