1、1 岩石及其工程力学性质岩石及其工程力学性质1.1 岩石的组成与分类1.2 岩石的结构与构造1.3 岩石的工程力学性质21.1 岩石的组成与分类一、 岩石的物质成分 岩石一种或多种造岩矿物颗粒的集合体。颗粒之间或者岩石一种或多种造岩矿物颗粒的集合体。颗粒之间或者由直接接触面上的联系力联结，或者由外来的胶结物胶结。由直接接触面上的联系力联结，或者由外来的胶结物胶结。 由单一矿物组成的岩石称为由单一矿物组成的岩石称为单矿物岩石单矿物岩石，如石灰岩、白，如石灰岩、白云岩、硬石膏等；由数种矿物组成的岩石称为云岩、硬石膏等；由数种矿物组成的岩石称为多矿物岩石多矿物岩石。 1. 岩石 31.1 岩石的组成
2、与分类一、 岩石的物质成分 2. 造岩矿物 l 矿物: 地壳中的化学元素（氧、硅、铝、铁、钙、钠、钾、镁） 在各种地质作用下形成的自然产物（单体和化合物）。具 有固定的化学成分和确定的物理性质，多为晶体结构。l 造岩矿物：构成岩石主要成分的矿物，称为造岩矿物。 目前人类已发现的矿物有3000多种，但造岩矿物种类却少，仅有2030种，常见的造岩矿物只有10余种。 l 莫氏硬度标：滑石(1)、石膏(2)、方解石(3)、萤石(4)、磷灰石(5)、 长石(6)、石英(7)、 黄玉(8)、 刚玉(9)、金刚石(10) 还可用指甲(22.5)、铜钥匙(3)、小钢刀(5.5)、玻璃(6)等常见物刻划矿物的大
3、致硬度等级。4 分 类 名 称化 学 成 分密度莫氏硬度硅酸盐类 正长石KAlSi3O82.576斜长石NaAlSi3O82.626石英SiO22.657白云母KAl3SiO10(OH)22.73.122.5黑云母K(Mg,Fe)3AlSi3O10(OH)22.83.22.53角闪石Ca2(Mg,Fe,Al)5(AlSi)8O22(OH)23.256辉石Ca(Mg,Fe,Al)(Al,Si)2O63.23.456橄榄石(Mg,Fe)2SiO43.24.16.5碳酸盐类 方解石CaCO32.723.0白云石CaMg(CO3)22.853.54硫酸盐类 石膏CaSO42H2O2.322硬石膏CaS
4、O42.933.5氧化物 赤铁矿Fe2O35.186粘土类高岭土Al4(Si4O10)(OH)82.6522.5其它岩盐NaCl2.16 2.5主要造岩矿物一览表1.1 岩石的组成与分类5正长石斜长石白云母黑云母角闪母方解石白云石硬石膏赤铁矿橄榄石辉 石主要造岩矿物标本1.1 岩石的组成与分类61. 火成岩（岩浆岩） 由岩浆（硅酸盐熔体）冷凝而成的岩石。其主要矿物成分是长石、其次是石英、辉石、橄榄石和云母。 二、 岩石分类岩石按成因可分为岩石按成因可分为火成岩火成岩、变质岩变质岩和和沉积沉积岩三大类。岩三大类。按岩浆活动方式分侵入岩喷出岩（火山岩）:玄武岩、安山岩、凝灰岩深成岩：花岗岩浅成岩：
5、橄榄岩、辉长岩、花岗班岩根据SiO2含量分超基性岩，SiO2含量65%，花岗斑岩，花岗岩1.1 岩石的组成与分类7二、 岩石分类 1. 火成岩 安山岩花岗岩橄榄岩玄武岩正长岩凝灰岩1.1 岩石的组成与分类8二、 岩石分类 2. 变质岩 火成岩、沉积岩由于高温高压作用或外来物质的加入，改变了原来的成分、结构，变成新的岩石。 常见变质岩类型：l 大理岩：由石灰岩或白云岩经重结晶变质而成，主要矿物成 分为方解石，遇稀盐酸强烈起泡。 l 石英岩：由较纯的石英砂岩变质而成，主要矿物成分石英。 l 板 岩：由粘土岩、粉砂岩或凝灰岩经区域低温动力变质作 用形成的板状劈理发育的变质岩。l 片麻岩：由酸性或中性
6、喷出岩、浅成岩、长石砂岩、泥质岩 经区域变质作用形成的具明显片麻状构造的变质岩。 主要矿物成分由石英、长石、云母、角闪石等。 1.1 岩石的组成与分类9二、 岩石分类 2. 变质岩 1.1 岩石的组成与分类大理岩石英岩板 岩片麻岩10二、 岩石分类 3. 沉积岩 母岩风化后产物经过搬运、沉积及成岩作用而形成的岩石。主要造岩矿物为：长石、石英、云母、粘土矿物、碳酸盐、硫酸盐和岩盐矿物。按成因分碎屑岩：由母岩风化后的碎屑物质经机械沉积作用形成。 由碎屑颗粒与胶结物胶结而成。包括砾岩、砂 岩、粉砂岩、泥岩等。 化学岩: 由母岩风化后的溶解物质经化学沉积作用形成。 包括石灰岩、白云岩、石膏、岩盐和生物
7、化学 岩等。1.1 岩石的组成与分类11二、 岩石分类 3. 沉积岩 （1）砾岩及角砾岩 由50以上大于2mm的粗大碎屑胶结而成，胶结物的成分有钙质、泥质、铁质及硅质等。 砾岩：由浑圆状砾石胶结而成，岩性成分比较复杂，常由多种岩石的碎屑和矿物颗粒组成。 角砾岩：由棱角状的角砾胶结而成，岩性成分比较单一，主要成分为石英和燧石。渤海湾馆陶底砾岩1.1 岩石的组成与分类12二、 岩石分类 3. 沉积岩 （2）砂岩 由50以上粒径介于20.1mm的砂粒胶结而成。按砂粒的矿物组成，可分为石英砂岩、长石砂岩和岩屑砂岩等。按砂粒粒径的大小，可分为粗砂岩、中砂岩和细砂岩。根据胶结物的成分。又可将砂岩分为硅质砂
8、岩、铁质砂岩、钙质砂岩及泥质砂岩几个亚类。 1.1 岩石的组成与分类13二、 岩石分类 3. 沉积岩 （3）粉砂岩 主要由50%以上的粒径为0.10.01毫米的粉砂碎屑组成。按碎屑成分划分为石英粉砂岩、长石粉砂岩、岩屑粉砂岩（少见）和它们间的过渡类型。根据胶结物成分划分为泥质粉砂岩、铁质粉砂岩、钙质粉砂岩和白云质粉砂岩等。 1.1 岩石的组成与分类14二、 岩石分类 3. 沉积岩 （4）页 岩 由粘土脱水胶结而成，以粘土矿物为主，大部分有明显的薄层理，呈页片状。可分为硅质页岩、粘土质页岩、砂质页岩、钙质页岩及炭质页岩。除硅质页岩强度稍高外，其余岩性软弱，易风化成碎片，强度低，与水作用易于软化而
9、丧失稳定性。 1.1 岩石的组成与分类15二、 岩石分类 3. 沉积岩 （5）泥 岩 一种由泥巴及粘土固化而成的沉积岩，其成分和页岩相似，但页理不明显。可分为粉砂质泥岩，钙质泥岩、硅质泥岩、铁质泥岩、炭质泥岩。 颗粒粒径小于0.01mm. 1.1 岩石的组成与分类16 3. 沉积岩 （6）石灰岩二、 岩石分类 简称灰岩。矿物成分以方解石为主，其次含有少量的白云石和粘土矿物。常呈深灰、浅灰色，纯质灰岩呈白色。结晶结构，晶粒极细。由生物化学作用生成的灰岩，常含有丰富的有机物残骸。石灰岩中一般都含有一些白云石和粘土矿物，当粘土矿物含量达2550时，称为泥灰岩；白云石含量达2550时，称为白云质灰岩。
10、1.1 岩石的组成与分类17 3. 沉积岩 （7）白云岩二、 岩石分类 是一种沉积碳酸盐岩。主要由白云石组成，常混入石英、长石、方解石和粘土矿物。呈灰白色，性脆，外貌与石灰岩很相似，但强度比石灰岩高，遇稀盐酸缓慢起泡或不起泡 。按结构可分为结晶白云岩、残余异化粒子白云岩、碎屑白云岩、微晶白云岩等。 1.1 岩石的组成与分类18第第1 1讲讲 岩石及其工程力学性质岩石及其工程力学性质1.1 岩石的组成与分类1.2 岩石的结构与构造1.3 岩石的工程力学性质19一、 岩石的结构1.2 岩石的结构与构造 岩石的结构是由组成岩石的矿物结晶程度、颗粒大小及形状、连结方式和微结构面所决定的微观组织特征。结
11、构对岩石工程力学性质的影响：1）颗粒愈细，岩石强度及硬度愈高；2）颗粒间连结强度愈大，岩石强度及硬度愈高；3）微结构面愈发育，岩石强度愈低。201.2 岩石的结构与构造一、 岩石的结构1.岩石颗粒间的连结方式根据颗粒间的连结方式不同，可将岩石分为结晶结构和胶结结构。 （1）结晶结构 颗粒通过结晶相互嵌合在一起，结构致密。按结晶程度分按晶粒大小分全晶质结构半晶质结构玻璃质结构粗晶结构（1mm）中晶结构（10.1mm）隐晶结构（0.10.01mm ）微晶结构（0.010.02mm ）21（2）胶结结构 岩石颗粒通过胶结物胶结在一起。按胶结物成分泥质胶结钙质胶结铁质胶结硅质胶结按胶结形式分基底胶结孔
12、隙胶结接触胶结胶结强度：硅质铁质钙质泥质1.2 岩石的结构与构造一、 岩石的结构1.岩石颗粒间的连结方式22 微结构面（或缺陷），是指存在于岩石中矿物颗粒内部、矿物颗粒及矿物颗粒集合体之间微小的弱面及空隙。包括矿物的解理、晶格缺陷、晶粒边界、粒间空隙、微裂纹等。 岩石为微结构面发育的多孔介质。微结构面对岩石力学性质有着重要的影响： 大大降低岩石的强度 微结构面具有方向性时，常导致岩石的各向异性。 1.2 岩石的结构与构造一、 岩石的结构2.微结构面（缺陷）23 岩石的构造是由岩石组分在空间上的分布方式及相互间的位置关系所决定的宏观组织特征。典型的构造特征有：流纹构造、层理、片理、节理和孔隙度等
13、。 1.2 岩石的结构与构造二、 岩石的构造构造对岩石工程力学性质的影响：1）流纹构造、层理和片理等常造成岩石的各向异性；2）岩石孔隙度愈大，其强度和硬度愈低；241. 火成岩的构造特征l 块状构造： 矿物分布杂乱无章，呈致密块状。如花岗岩等。l 流纹状构造：由于熔岩流动，由一些不同颜色条纹和拉长气孔等定 向排列所形成的流动状构造。仅出现于喷出岩中，如 流纹岩等。l 气孔状构造：岩浆凝固时，挥发性气体未能及时逸出，在岩石中留 下许多圆形、椭圆形或长管形的孔洞。l 杏仁状构造：岩石中的气孔被后期矿物（如石英、方解石等）填充 所形成的形似杏仁的构造。如某些玄武岩和安山岩。l 条带状构造：矿物颗粒呈
14、条带状分布。1.2 岩石的结构与构造二、 岩石的构造251. 火成岩的构造特征1.2 岩石的结构与构造二、 岩石的构造26片理发育是变质岩的典型构造特征片麻岩片岩板 岩2. 变质岩的构造特征1.2 岩石的结构与构造二、 岩石的构造27层理和孔隙度是沉积岩的典型构造特征。 层与层之间的界面，称为层面。上下两个层面间成分基本均匀一致的岩石，称为岩层。它是层理最大的组成单位。一个岩层上下层面之间的垂直距离称为岩层的厚度。 在短距离内岩层厚度的减小称为变薄；厚度变薄以至消失称为尖灭；两端尖灭就成为透镜体；大厚度岩层中所夹的薄层，称为夹层。3. 沉积岩的构造特征1.2 岩石的结构与构造二、 岩石的构造2
15、8第第1 1讲讲 岩石及其工程力学性质岩石及其工程力学性质1.1 岩石的组成与分类1.2 岩石的结构与构造1.3 岩石的工程力学性质291.简单应力条件下岩石的变形特性一、 岩石的力学性质1.3 岩石的工程力学性质YPo典型岩石的应力应变曲线 岩石从开始受力到最终破坏经历了弹性变形阶段（OY段）、弹塑性变形阶段（YP段）和脆性破坏阶段（P点以后）。 在弹性变形区(OY段)，应力只引起岩石中孔隙、微裂纹的压密和骨架的压缩变形，应力卸除后全部变形得以恢复。弹性应变的量级很小，一般在0.005以下。 OY段的斜率是常数或接近常数，其斜率定义为岩石的杨氏弹性模量，应力应变关系服从虎克定律。301.3
16、岩石的工程力学性质1.简单应力条件下岩石的变形特性 在弹塑性变形阶段(YP)。岩石内部产生新裂纹并不断扩展，当细小裂纹越来越多并互相连通，最终形成较大的贯穿裂缝时，即将达到岩石的强度极限。 在YP段，岩石的变形是不可逆的，应力卸除后变形得不到完全恢复。从弹性到发生塑性行为的过渡点Y，通常称为屈服点，相应的应力称为屈服应力。峰值点P的应力值称为强度极限，简称强度。 在脆性破坏阶段(P点以后)，岩石的变形主要是贯穿岩样内裂缝（破裂面）两侧的岩块沿破裂面滑移和张开，应力迅速下降，岩石解体。一、 岩石的力学性质311.3 岩石的工程力学性质1.简单应力条件下岩石的变形特性一般规律：1）当岩石受力很小因
17、而变形很小时，可以看作是弹性体，基本服 从虎克定律。常用杨氏弹性模量E、泊松比、剪切弹性模量 G和体积弹性系数K等参数来表征岩石的弹性性质。2）当岩石中的应力超过其屈服应力后，岩石成为弹塑性体，其应 力应变关系呈非线性，不再服从虎克定律。3）在简单应力条件下，岩石的破坏为脆性破坏，即在变形量很小 （小于3%）时就发生破裂。一、 岩石的力学性质321.3 岩石的工程力学性质2.三轴应力条件下岩石的变形特性3=03=23.53=5003=8503=16503=3260XXXX3=03=27.53=55.53=1553=217.51-3，MPa1-3，MPa三轴应力条件下岩石的应力应变曲线 随着围压
18、的增大，岩石表现出由脆性到塑性的转变，并且围压越大，岩石破坏前所呈现的塑性也就越大。岩石由脆性转变为塑性的围压，称为“脆-塑转化临界围压”。一、 岩石的力学性质33（1）抗压强度抗剪强度抗弯强度抗拉强度（2）随着围压的增加，岩石强度增大。1.3 岩石的工程力学性质3. 岩石的强度特性典型岩石抗压强度抗剪强度抗弯强度抗拉强度花岗岩砂 岩石灰岩1110.090.10.120.150.030.060.20.060.10.020.040.020.050.040.1岩石抗压强度与其它强度的比值一、 岩石的力学性质34 岩石可钻性是指岩石被钻碎的难易程度，表征岩石抵抗钻进的能力。1.3 岩石的工程力学性质
19、二、 岩石可钻性1.概念岩石可钻性在钻井工程中的应用（1）破岩工具设计（2）钻井破岩方法和钻头类型优选（3）钻速度和周期预测（4）钻井生产定额编制35关于岩石可钻性的两种种观点：u 观点1：岩石可钻性是岩石的固有属性，是岩石的坚固性在 钻孔方面的表现。该观点认为，难破碎的岩石用各种 方法都难破碎，可以用一个统一的指标表征岩石在各 种破碎条件下的抗破碎能力，不受钻井破岩方式和技 术条件等因素的限制。u 观点2：岩石可钻性不仅取决于岩石的物理力学性质，而且还 与钻井破岩方法、钻进技术条件等因素有关。钻进破 岩方式不同，岩石破碎难以程度也就不同。“确定可钻 性的唯一方法是在岩石中实际钻进”。 1.3
20、 岩石的工程力学性质2.评价方法二、 岩石可钻性36p 力学性质法 利用岩石力学性质(强度、硬度等)评价岩石可钻性。p 比功法 用破碎单位体积岩石所消耗的能量评价岩石可钻性。p 微钻法 用微型钻头在微钻实验台上模拟钻进测定岩石可钻性。p 实钻法 用现场一定技术条件下的实际钻进速度表示岩石可钻性。1.3 岩石的工程力学性质1.3 岩石的工程力学性质2.评价方法二、 岩石可钻性37（1）岩石力学性质法u实验装置：50100t材料实验机u实验岩样：u 加载速度：0.5MPa/s（MPa）岩石单轴抗压强度实验机1.3 岩石的工程力学性质2.评价方法 抗压强度抗压强度二、 岩石可钻性38普氏（普洛托奇雅
21、可诺夫，1926）坚固性系数：抗压强度MPa20015020080 15050 8030 5015 308 156 85 635普氏系数2015 208 155 83 51.5 30.8 1.50.6 0.80.5 0.60.3 0.5等级类别最坚固很坚固坚固较坚固中等较软弱软弱土质岩石松散岩石流砂岩石普氏分级（1）岩石力学性质法1.3 岩石的工程力学性质2.评价方法 抗压强度抗压强度二、 岩石可钻性39 l 试验岩样：505050mm；4060H3050l 压头：15mm2平底圆柱形工具钢或硬质合金 材料局部抵抗硬物压入其表面的能力。（1）岩石力学性质法1.3 岩石的工程力学性质2.评价方法
22、 压入硬度（史氏硬度）压入硬度（史氏硬度）二、 岩石可钻性40（1）岩石力学性质法1.3 岩石的工程力学性质2.评价方法 压入硬度（史氏硬度）压入硬度（史氏硬度）二、 岩石可钻性41类别软中软中硬硬坚硬极硬级别1 12 23 34 45 56 67 78 89 9101011111212硬度MPa7000岩石压入硬度分类表（1）岩石力学性质法1.3 岩石的工程力学性质2.评价方法 压入硬度（史氏硬度）压入硬度（史氏硬度）二、 岩石可钻性42（2）微钻法（尹宏锦，石油行业标准)2.评价方法1.3 岩石的工程力学性质微钻头实验装置1。岩心； 2。微钻头； 3。岩屑杯； 4。涡轮涡杆5。杠杆； 6。
23、砝码； 7。钻深表； 8。调平丝杠9。岩心座； 10。压紧丝杠二、 岩石可钻性43p 试验条件钻压：890N转速：55rpm钻头直径：31.75mm钻孔深度：2.4mmp 可钻性指标： 钻孔时间T，秒； 系统误差修正公式： 可钻性级值：（2）微钻法（尹宏锦，石油行业标准)2.评价方法1.3 岩石的工程力学性质二、 岩石可钻性44级 别钻时s级值22334455667788991010名 称一级二级三级四级五级六级七级八级九级十级类别 极软 软中软中中硬硬极硬油矿地层可钻性分级标准（石油行业标准）（2）微钻法（尹宏锦，石油行业标准)2.评价方法1.3 岩石的工程力学性质二、 岩石可钻性45 大庆
24、油田： 胜利油田： 中原油田： 河南油田： 长庆油田： 四川油田：1.3 岩石的工程力学性质3.岩石可钻性的预测方法二、 岩石可钻性（1）区域经验公式法46 抗压强度与测井资料的相关关系1.3 岩石的工程力学性质二、 岩石可钻性（2）测井资料预测法4.岩石可钻性的预测方法47 压入硬度与测井资料的相关关系1.3 岩石的工程力学性质二、 岩石可钻性（2）测井资料预测法4.岩石可钻性的预测方法481.3 岩石的工程力学性质二、 岩石可钻性（2）测井资料预测法 可钻性级值与测井资料的相关关系4.岩石可钻性的预测方法49岩石磨损工具能力称为岩石的研磨性。 岩石研磨性在钻井工程中的应用： 预测钻头寿命
25、钻头设计 钻头选型和钻进参数优选 制定材料消耗定额和编制工程与预算1.3 岩石的工程力学性质三、 岩石研磨性1.概念50 （1）摩擦磨损 两个相互接触的物体，在外力作用下发生相对运动，在接触面上产生局部压碎、剪切、梨沟、热损伤、疲劳破坏等而造成的物质损失。（2）冲蚀磨损 含有硬质颗粒的液体束冲击工具表面所造成的磨损。 1.3 岩石的工程力学性质三、 岩石研磨性2.岩石对钻头的磨损作用51（1）矿物颗粒的硬度l 组成岩石的矿物颗粒的硬度越大，岩石研磨性越强。l 晶质岩石的研磨性与其组成矿物的硬度成正比。l 碎屑岩的研磨性与其石英含量成正比。 1.3 岩石的工程力学性质三、 岩石研磨性3.影响岩石
26、研磨性的因素52（2）颗粒粗糙度岩石颗粒越细，研磨性越弱；岩石颗粒越粗大，研磨性性越强。1.3 岩石的工程力学性质三、 岩石研磨性3.影响岩石研磨性的因素53（3）胶结强度 对碎屑岩，矿物组成相同时，胶结越弱，岩石研磨性越强。1.3 岩石的工程力学性质三、 岩石研磨性3.影响岩石研磨性的因素54 （4）矿物组成 由软硬不同的几种矿物组成的岩石，其研磨性比单一矿物组成的岩石大。结晶矿物比非结晶矿物的研磨性为大，如石英的研磨性约为硬度相近的燧石的两倍。 1.3 岩石的工程力学性质三、 岩石研磨性3.影响岩石研磨性的因素（5）技术条件l 磨损速度与正压力和摩擦速度成正比；l 磨损体积与摩擦路程成正比；l 有效冷却和润滑，磨损速度降低 。55 岩石的内摩擦角 1.3 岩石的工程力学性质三、 岩石研磨性4.评价方法按照地层的研磨性进行分类：（根据内摩擦角的大小)(1) 36属于高研磨性地层;(4) 42属于极高研磨性地层。
