岩石的力学性质

发布时间: 2022-03-30       分类:  地质学基础 石油地质学

首先补充一下,本油田内部区块岩石约为:白色盐岩,灰褐色油浸泥岩,深灰色泥岩,深灰色膏质泥岩,灰色泥岩,灰色泥质粉砂岩,灰色砂质泥岩,灰色膏质泥岩,灰色泥质盐岩,白色盐质泥岩,褐灰色油迹泥质粉砂岩,褐灰色油迹粉砂岩。

岩石力学性质主要是指岩石的变形特征及岩石的强度。影响岩石力学性质的因素很多,例如岩石的类型,组构,围压,温度,应变率,含水量,载荷时间以及载荷性质等等。

由于下面的内容,在资料1中(作者:专业教科书)中有详细的描述,这里就没有出现的结论做简单的介绍。大家可以参照教科书加深了解。

在一定的形式的应变情况下,拉伸应力的作用愈大,则在这种应力状态下岩石的强度会愈小。因此,岩石的抗剪强度大于抗弯强度,更大于抗拉强度,而岩石的抗压强度最大。

当有外力作用于物体使其变形时,这种分子间作用力便阻碍其变形。待物体因受外力而变形至某一程度,分子间的作用力适与外力相等而成平衡。此时物体便处于平衡状态。当除去外力,物体能回复原来状态的特性,称为弹性。当除去外力,物体不能恢复原状的特性,称为塑性,有的也称受范性。除了残余变形(非弹性变形)属于塑性的现象以外,松弛,后效,蠕变,疲劳等也属于塑性的变形现象。

第一种类型为弹性变形,由加载直至破坏应力-应变曲线近似线性特征,例如玄武岩,石英岩,辉绿岩,白云岩和坚硬的石灰岩等。

第二种类型为弹一塑性变形,应力一应变曲线在接近破坏载荷时出现连续的非弹性变形。例如软弱的石灰岩,粉砂岩和凝灰岩等。

第三种类型为塑弹性变形,应力一应变曲线在低应力下表现出向上弯曲的现象,随后近似线性关系,直到破坏,例如砂岩,花岗岩。

第四种类型及第五种类型为塑一弹一塑性变形,应力一应变曲线均呈现S形曲线。这两种曲线不同之点:前者近似直线部分较陡,且初始阶段压缩性较小,例如变质岩中大理石和片麻岩。后者直线部分较缓,表示同样应力下变形量较大,且初始阶段具有高度压缩性。它们之间的共同特点是在接近破坏时均显示出不同程度的非弹性变形。

第六种类型为弹一塑一孺变变形,曲线的直线部分很短,随后产生非弹性变形和连续蠕变,例如盐岩和软泥等。

岩石强度的含义是值岩石不致产生破坏而能抵抗的最大应力,而岩石力学中常将破坏应力定义为岩石强度。单轴强度是指岩石试件在单轴载荷下达到破坏时的最大应力,一般分成抗压,抗拉,抗剪强度等等。

我们知道岩石的力学性质取决于组成晶体,颗粒和胶结物之间的相互作用以及裂缝,节理,层面和断层的存在。在研究岩石的力学性质时,一方面,很难根据它的组成颗粒的性质来说明该岩石的力学性质,特别是它的强度;另一方面,由于裂缝,节理,层面和断层的分布如此多变,以至于受这种分离影响的大块岩石的力学性质,对于任何其它大块岩体来说很少有共同的联系。因此在确定岩石的最基本的力学性质时,应包含足够数量的组成颗粒,同时要排除较大的结构不连续性,使试件具备大致均匀的性质,尺寸为几到几十厘米的岩样一般适用于此要求,并且可以很方便地在实验室进行试验。

岩石抗拉强度远远低于抗压强度,一般前者为后者的1/10到1/20,甚至1/50。其抗拉强度低的原因主要是出于岩石内部孔隙的影响,一般情况由于岩石内部微裂隙,孔孔较为发育,这种缺陷以抗拉强度降低尤为敏感,在拉应力作用下具有削弱岩石强度的效应。岩石的抗拉强度还受到岩石本身内部组分的影响,例如矿物成分,颗粒间胶结物的强度都影响岩石的抗拉强度。另外,岩石的抗拉强度一般随着加载速率的增加而增大。岩石的抗拉强度随着俄温度,湿度及孔隙度增加而降低。这个结论与抗压强度相同,但增加或减低的幅度却并不一样。

抗剪试验表明,剪切面上所受的正应力越大,试件被剪破坏前剪切面上所能承受的剪应力也越大,因为剪切破坏发生前一要克服粘结力(内聚力),二要克服剪切面上的摩擦力,正应力越大,摩擦力也越大。

由于强度不仅仅是材料本身的一种力学性质,而且与材料内部的应力状态有关。如直接剪切试验,虽然强制它在预定剪切面上产生剪切破裂,但有时预定剪切面未必是最容易剪裂的方向,这与剪切面上的力分布有关。大多数岩石达到强度极限,岩石呈现出各向异特征,岩石内部具有一定的应力梯度,所以要真了解岩石的抗剪强度,目前还有一定困难。

在没有考虑其它因素影响情况下,各种强度大小的顺序为:三轴抗压强度>单轴抗压强度>抗剪强度>单轴抗拉强度。岩石的三轴抗压强度最高,而单轴抗拉强度最低。单轴抗拉强度为单轴拉强度的10-50倍,而为抗剪强度的3-10倍左右。

岩石试件在载荷的作用下,试件内部首先产生微裂隙压密高变形,当载荷逐渐增加,达到屈服极限时,就开始产生微破裂(有微破裂面),随着微破裂逐渐扩展。当达到破坏强度时,宏观破裂面已逐渐形成,最后导致试件完全破裂成几块。

因此,变形,破裂时相互依存的两个不同发展过程,在变形达到一定阶段,既包含着破裂的因素,而破坏阶段的到来也是变形不断发展的结果,所以,破坏实质上是破裂从量变到质变的一个过程。

岩石在常温常压下一般产生脆性破坏,但深埋地下的岩石却表现为明显的延性,岩石这一性质的变化时由于所处物理环境改变造成的。所谓脆性与延性至今尚无十分明确的定义,一般所谓脆性破坏是指由弹性变形发生急剧破坏,破坏后塑性变形较小。延性是指弹性变形之后产生较大的塑性变形而导致破坏,或者接发展为延性流动。所谓延性流动是指有大量的永久变形而不至于破坏的性质。对于岩石而言,破坏前永久应变在3%以下可作为脆性破坏,5%以上作为延性破坏,3-5%为过渡情况。

岩石在地下一般处于三向应力状态,为了模拟这种状态下的力学性质,一般在室内进行岩石三轴应力试验。

 

 

一般来说,压力对砂岩,花岗岩强度的影响要比对石灰岩,大理岩大。另外压力对强度的影响程度,不是在所有压力范围内都是一样的。在开始增大围压时,岩石的强度增加比较明显;在继续增加围压时,相应的强度增量就变得越来越小;最后当压力很高时,有些岩石(例如石灰岩)的强度便趋于常数。

在三轴应力作用下,岩石机械性质的另一个显著的变化,就是随着围压的增大,岩石表现出从脆性到塑性的转变,并且围压越大,岩石破坏前所呈现的塑性也越大。

围压对岩石的弹性模量的影响一般可分两种情况;对坚硬低孔隙的岩石影响较小,而对软弱高孔隙的岩石影响较大。

总的来说,随着围压的增大,岩石的抗压强度显著增加;随着围压的增大,岩石的变形显著增大;随着围压的增大,岩石的弹性极限显著增大;随着围压的增大,岩石的应力一应变曲线形态发生明显改变。岩石的性质发生了变化;由弹脆性一弹塑性一应变硬化。

在来说说岩石的抗压入破碎强度。钻井时岩石的破碎过程是异常复杂的,这不单是由于钻头破碎工具的形状是多种多样的,而且载荷也不是静载荷而是动载,载荷的大小及方向又随着时间而改变。此外,在井底岩石上还作用有岩石压力(纵向和侧向),洗井液的压力,从钻头喷嘴射出的射流的动压以及地层本身孔隙中存在着的液体或气体的压力等等(如果必要,还要考虑井底温度的作用)。对这样复杂的问题,要完全从纯理论上进行分析几乎是不可能的,因此,人们都设法对实际井底的情况进行适当的模拟,以便在试验室条件下去掌握各种因素对岩石破碎的作用和影响,从而提出对钻井实践有意义的合理建议以改善或提高钻井效率。

对钻井过程中岩石破碎的特点进行的分析表明,”压入的破碎”在破碎过程中起主要作用,例如牙轮钻头的齿在纵向载荷作用下压入岩石(一般是冲击的动载荷过程),使齿面下的岩石产生体积破碎,形成坑穴;然后由于齿沿井底的滚辗作用使破碎的坑穴扩大,再加上钻头的水力作用不断剥离清除钻屑,冲蚀并扩大岩石的破碎体积(对某些岩石甚至可实现水力直接破岩)。对于切削或磨削型的钻头(刮刀或金刚石),既有在钻压作用下对岩石的压入,又有在钻头扭力的作用下对岩石的切削。由于这两种作用的综合过程,使岩石破碎所需的纵向压力大大减少。试验证明,大约只相当于静压入破岩时的1/6到1/14。

由此看来,各种钻头破岩的过程是相当复杂的。为了研究能反映钻头破岩时的岩石力学特性,如果把破岩的工程进行简化,并把一些条件理想化,仅仅抓住”静压力破碎”这个特点进行分析还是有可能的。为此,苏联学者史立涅尔分析了具有圆柱形的平底压头静压入岩石时在岩石中产生的应力状态并提出了确定岩石”硬度”(即抗压入强度)和塑性性质的一套方法。

由于压入时岩石的破碎特点,对石油钻井时岩石的破碎过程具有一定的代表性,所以用压入法所测定的岩石力学特性在一定程度上能相对地反映钻井时岩石抗破碎的能力。

脆性岩石开始屈服时便达到了脆性的破碎,而塑性岩石的屈服极限则出现于破碎发生之前。

由于脆性破坏和塑性破坏的性质差别很大,与钻井过程中所用工具(钻头)的设计,选用有很大的关系。因此了解岩石脆性塑性及其转变压力是很重要的。