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岩石的工程力学性质

日期:2014-07-09  作者:admin  点击:
导读:岩石的工程力学性质,尊龙凯时物料专题 岩石是矿物颗粒的集合体,颗粒之间或者靠直接接触面上的作用力联结,或者由外来的胶结物胶结。大多数岩石由两种以上的矿物成分组成。,矿物是具有固定的化学成分和确定的物理性质的天然无机化合物。除了硫、碳的矿物及少数金属外,绝大多数矿物是由两种以上元素组成的化合物。

1.岩石的组成(矿物颗粒与胶结物)
2.岩石三大类(火成岩、变质岩、沉积岩)
3.沉积岩类型(碎屑沉积岩、化学沉积岩)
4.沉积岩的特点(结构特点、构造特点)
5.岩石各向异性的概念
6.岩石的力学性质(受力表现出来的变形特性和强度特性)。
7.岩石的强度(抗拉强度<抗弯强度≤抗剪强度<抗压强度)
8.岩石在三轴应力条件下的强度与变形特性
*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
9.有效应力与各向压缩效应的概念;
10.岩石硬度和塑性系数的概念、计算
11.岩石硬度和塑性分级(硬度:6类,12级,塑性3类,6级)
12.岩石的可钻性和研磨性

岩石的工程力学性质
 
岩石的工程力学性质

一、岩石的类型及结构特点

1.岩石的组成, 岩石是矿物颗粒的集合体,颗粒之间或者靠直接接触面上的作用力联结,或者由外来的胶结物胶结。大多数岩石由两种以上的矿物成分组成。矿物是具有固定的化学成分和确定的物理性质的天然无机化合物。除了硫、碳的矿物及少数金属外,绝大多数矿物是由两种以上元素组成的化合物。主要造岩矿物一览表。

主要造岩矿物一览表
 

2. 岩石的类型,岩石可分为三大类:火成岩(岩浆岩)—由岩浆(硅酸盐)容体冷凝而成。如花岗岩、玄武岩、橄榄岩、安山岩等。

岩石三大类1
 
岩石三大类2
 
岩石三大类3
 

变质岩—火成岩和沉积岩等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。如:花岗岩→片麻岩,

石灰岩→大理岩
 
石英砂岩→石英岩
 
石英砂岩
 

沉积岩—母岩风化后的产物经过搬运、沉积和成岩作用而形成的岩石。如泥岩、砂岩、石灰岩、白云岩、石膏、岩盐。

沉积岩—母岩
 

沉积岩类型

(1)碎屑沉积岩,母岩风化后的物质经尊龙凯时沉积作用后形成的岩石。碎屑颗粒(岩石碎屑、矿物碎屑)由胶结物(泥质、铁质、钙质、硅质)胶结在一起。
砾岩:颗粒大于1mm。主要是火成岩、变质岩碎屑,碎屑间由胶结物充填。
砂岩:颗粒0.1~1mm。石英、长石、辉石、角闪石、云母等矿物颗粒+胶结物
粉砂岩:介于砂岩和泥岩之间的一类岩石,颗粒尺寸0.1~0.01mm。泥岩:颗粒小于0.01mm。主要成分为粘土矿物,并含有部分碎屑物质(石英、长石、云母等)。

(2) 化学沉积岩(结晶沉积)母岩风化后的溶解物质经化学沉积作用后形成晶质岩石。 碳酸盐岩—石灰岩,主要成分为石灰石(CaCO3)
白云岩,主要成分为白云石(MgCa(CO3)2)
硫酸盐岩—石膏(CaSO4) 
岩盐—石盐(NaCl)在沉积岩中:泥岩—60%,砂岩—30%,碳酸盐岩居第三位。

3. 沉积岩的特点

(1)结构特点,结构指岩石的微观组织特征,包括矿物成分、颗粒大小、形状及排列方式、颗粒间的联结情况等。
特点:矿物成分不确定、颗粒大小不等、颗粒形状多样、颗粒分布不均匀、胶结强度有强有弱。

(2)构造特点,构造指岩石的宏观组织特征,是指岩石组分的空间分布及其相互间的位置关系。如层理、页理、节理(裂隙)、孔隙度等。
层理—岩石一层层迭起来的现象。
倾斜的层状结构是沉积岩的主要构造特征。形成层理的原因:
①粒大小在纵向上的变化
②岩石成分在纵向剖面上的变化
③某些矿物颗粒的定向排列

沉积岩构造特点
 

(3)各向异性和非均质性

各向异性:如果物体的某一性质随方向的不同而不同,则称物体具有各向异性。
1,岩石一般具有各向异性的性质。如在垂直于和平行于层理面的方向上,岩石的力学性质(弹性、强度等)有较大的差异。
2,岩石的各向异性性质是由岩石的构造特点所决定的。
3,结晶矿物颗粒的定向排列、层理、片理、节理等使得岩石具有各向异性的特点。
不均质性如果物体中不同部分的物理、化学性质不同,称该物体是不均质的。
1,岩石一般为非均质体。这是由岩石成分、颗粒大小、颗粒间的联结强度、孔隙度(密度)的不均匀性所造成的。
2,测定岩石的力学性质时,不同部位的实验结果常存在很大的差异。因此,应采用统计学理论,取合适的均值作为代表。

二、岩石的尊龙凯时性质(力学性质)

1.几个概念

岩石的力学性质—石受力后表现出来的变形特性和强度特性。
弹性——岩石在外力作用下产生变形,外力撤除后变形随之消失,恢复到原来的形状和体积的性质称为弹性。相应的变形称为弹性变形。
塑性——岩石在外力作用下产生变形,外力撤除后变形不能完全恢复的性质。相应的残余变形称为塑性变形。
脆性——岩石在外力作用下变形量很小(小于3%)时就发生破坏的性质。相应的破坏称为脆性破坏。
强度——岩石在外力作用下发生破坏时的最大应力。
抗拉强度—岩石单纯受拉伸应力作用时的强度。
抗压强度—岩石单纯受压缩应力力作用时的强度。
抗剪强度—岩石单纯受剪切应力作用时的强度
抗弯强度—岩石单纯受弯曲应力作用时的强度。

2. 简单应力条件下岩石的力学性质

简单应力条件:岩石受单一外载(压、拉、剪、弯)作用。
(1)试验方法

抗压抗拉实验
 
抗剪抗弯
 
破坏实验
 

(2)一般规律:

①在简单应力条件下,大部分岩石都接近弹性脆性体,岩石的破坏表现为脆性破坏。
②岩石的弹性模量与所加载荷大小及应变种类有关。当载荷较小时,弹性模量接近常数,且各种应变情况下的弹性模量相差不大。当载荷较大时,在受压缩的情况下,弹性模量将随载荷的增大而增大;在受拉伸的情况,弹性模量则随载荷的增大而减小。
③在动外力(如声波)作用下,大多数岩石服从直线虎克定律。
④一般情况下抗拉强度<抗弯强度≤抗剪强度<抗压强度。
⑤垂直于地层层面方向的岩石强度>平行于地层层面方向的岩石强度。

3. 复杂应力条件下岩石的力学性质

(1) 三轴岩石试验

三轴岩石试验1
 
三轴岩石试验2
 

(2)一般规律

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。
在各向均匀压缩状态下,岩石永远不会破坏。

三轴岩石试验3
 

4.岩石的硬度和塑性系数

a 硬度的概念:岩石抵抗其它物体表面压入的能力。石油工业中的岩石硬度是压入硬度,也称为史氏硬度,是由前苏联史立涅尔提出的。
b 硬度与抗压强度区别:硬度是岩石表面的局部抵抗外力压入的能力,抗压强度则是岩石整体抗压的能力。
c 塑性系数:表征岩石塑性和脆性大小的参数。

岩石的硬度和塑性系数
 
三、影响岩石力学性质的因素分析

1.岩石结构

(1)对晶质岩石,由硬度较高的矿物组成的岩石,其硬度也较高。如玄武岩(斜长石、辉石,6)>白云岩(4)>石灰岩(3)。
(2)砂岩的强度随着石英(7)含量的增加而增大;硅质胶结>钙质>铁质>泥质。
(3)同种岩石孔隙度增大,密度降低,强度降低。因此,岩石的强度一般随埋藏深度的增加而增大

岩石结构分类
 
岩石的硬度分类
 

2. 井底各种压力

(1)有效应力(外压与内压之差)越大,岩石强度越大,塑性越大。(各向压缩效应)。
(2)井内液柱压力与孔隙压力之差越大,岩石强度越大,塑性越大。

3. 载荷性质的影响

岩石对动载的抗力要比静载大得多。随着冲击速度增大,硬度增大,塑性系数减小。但在冲击速度小于10米/秒时,岩石硬度和塑性系数变化不大,接近于静载时的数值。
在10000米深度范围内:
强度:岩盐<泥页岩<石灰岩<石膏<白云岩;砂岩强度取决于胶结物及胶结程度。
塑性:岩盐>石灰岩>泥页岩>石膏>白云岩>石英岩

四、岩石的可钻性和研磨性

1. 岩石可钻性(RockDrillability)

(1)概念:岩石可钻性可理解为岩石破碎的难易性,它反映了是岩石抵抗钻头破碎的能力。
(2)评价方法在钻压889.7N(200磅)、转速55r/min的固定条件下,用直径31.75mm(1-1/4in)的微型钻头在岩心上钻孔,以钻进2.4mm孔深所需要的时间td,作为岩石可钻性指标,由此把岩石分为易钻的和难钻的。为应用方便,常用Kd=Log2td作为可钻性指标,称为可钻性级值。
2. 岩石研磨性(RockAbrasiveness)岩石磨损钻头切削刃材料的能力称为岩石的研磨性。至今尚没有统一的测定岩石研磨性的方法和分级标准。

可钻性分级
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