海洋石油钻井岩石力学研究及应用1.ppt

课程提纲课程提纲岩石力学简介岩石力学简介o岩石力学及其研究对象的特点岩石力学及其研究对象的特点o岩石力学的研究内容岩石力学的研究内容o岩石力学在海洋钻井工程中的任务岩石力学在海洋钻井工程中的任务第1页/共37页一、岩石力学及其研究对象的特点一、岩石力学及其研究对象的特点岩石力学岩石力学是运用力学原理和方法来研究岩石的是运用力学原理和方法来研究岩石的力学以及与力学有关现象的一门新兴科学。它力学以及与力学有关现象的一门新兴科学。它不仅与国民经济基础建设、资源开发、环境保不仅与国民经济基础建设、资源开发、环境保护、减灾防灾有密切联系，具有重要的实用价护、减灾防灾有密切联系，具有重要的实用价值，而且也是力学和地学相结合的一个基础学值，而且也是力学和地学相结合的一个基础学科科岩石力学研究的现状和未来岩石力学研究的现状和未来第2页/共37页研究对象：研究对象：岩石是构成地壳的基本材料，是经过岩石是构成地壳的基本材料，是经过地质作用而天然形成的（一种或多种）矿物集合地质作用而天然形成的（一种或多种）矿物集合体，具有一定的强度。体，具有一定的强度。分类：分类：岩石通常按地质成因分为岩浆岩、沉积岩岩石通常按地质成因分为岩浆岩、沉积岩和变质岩等三种类型。和变质岩等三种类型。一、岩石力学及其研究对象的特点一、岩石力学及其研究对象的特点第3页/共37页玄武岩玄武岩玄武岩第4页/共37页大理石大理石片麻岩片麻岩第5页/共37页第6页/共37页第7页/共37页不连续性不连续性：岩石物理力学性质呈现不连续变化的性质。：岩石物理力学性质呈现不连续变化的性质。不均匀性不均匀性：指天然岩体的物理、力学性质随空间位置不：指天然岩体的物理、力学性质随空间位置不同而异的特性。同而异的特性。各向异性各向异性：是指天然岩体的物理力学性质随空间方位不：是指天然岩体的物理力学性质随空间方位不同而异的特性，具体表现在它的强度及变形特性等各方同而异的特性，具体表现在它的强度及变形特性等各方面。面。渗透性渗透性：有压水可以透过岩石的孔隙、裂隙而流动，岩：有压水可以透过岩石的孔隙、裂隙而流动，岩石能透过水的能力称为岩石的渗透性。石能透过水的能力称为岩石的渗透性。赋存环境赋存环境：地应力、水、温度：地应力、水、温度一、岩石力学及其研究对象的特点一、岩石力学及其研究对象的特点第8页/共37页二、岩石力学的研究内容二、岩石力学的研究内容1.1.岩石的组构特征岩石的组构特征2.2.岩石的物理、水理、热学性质岩石的物理、水理、热学性质3.3.岩石的变形破坏规律岩石的变形破坏规律4.4.岩石的水动力学性质岩石的水动力学性质5.5.岩石中的初始应力岩石中的初始应力第9页/共37页1 1）岩石的物质组成）岩石的物质组成粘土矿物粘土矿物硅酸盐类矿物硅酸盐类矿物碳酸盐类矿物碳酸盐类矿物氧化物类矿物氧化物类矿物组成岩石的矿物组成岩石的矿物组成岩石的矿物成分及其相对含量在一定程度上组成岩石的矿物成分及其相对含量在一定程度上决定着岩决定着岩石的石的力学性质力学性质1 1、岩石的组构特征、岩石的组构特征第10页/共37页物质组成对力学性质的影响物质组成对力学性质的影响o一般硅酸盐矿物有石英、长石、角闪石、辉一般硅酸盐矿物有石英、长石、角闪石、辉石、橄榄石（粒状）及云母和粘土矿物（片石、橄榄石（粒状）及云母和粘土矿物（片状）等状）等o含硬度大的粒状矿物愈多，岩石强度高花含硬度大的粒状矿物愈多，岩石强度高花岗岩、闪长岩、玄武岩岗岩、闪长岩、玄武岩o含硬度小的片状矿物愈多，岩石强度愈低含硬度小的片状矿物愈多，岩石强度愈低粘土岩、泥岩粘土岩、泥岩第11页/共37页o碳酸盐类矿物主要包括石灰岩和白云岩类，碳酸盐类矿物主要包括石灰岩和白云岩类，岩石的物理力学性质取决于岩石中的岩石的物理力学性质取决于岩石中的CaCOCaCO3 3及酸不溶物的含量及酸不溶物的含量oCaCOCaCO3 3含量愈高，如纯灰岩、白云岩强度高含量愈高，如纯灰岩、白云岩强度高o泥质含量高的，如泥质灰岩、泥灰岩等力学泥质含量高的，如泥质灰岩、泥灰岩等力学性质差性质差物质组成对力学性质的影响物质组成对力学性质的影响第12页/共37页o碎屑岩的力学性质与胶结物成分的关系：碎屑岩的力学性质与胶结物成分的关系：o强度上：硅质强度上：硅质 铁质铁质 钙质钙质 泥质泥质物质组成对力学性质的影响物质组成对力学性质的影响第13页/共37页第14页/共37页泥页岩的粘土矿物组成泥页岩的粘土矿物组成o蒙脱石蒙脱石o伊利石伊利石o绿泥石绿泥石o高岭石高岭石o伊蒙混层伊蒙混层粘土矿物粘土矿物力学性质力学性质 蒙脱石含量高蒙脱石含量高软，易变形，易水化软，易变形，易水化 伊利石含量高伊利石含量高硬脆，不易变形，不易水化硬脆，不易变形，不易水化第15页/共37页2 2）岩石的结构）岩石的结构岩岩石石的的结结构构：岩岩石石内内矿矿物物颗颗粒粒的的大大小小、形形状状、排排列列方方式式及及微微结结构构面面发发育育情情况况与与粒粒间间连连结结方方式式等等反反映映在在岩岩块块构构成成上上的的特特征征。其其中中，粒粒间间连连结结分分结结晶晶连连结结与胶结连结与胶结连结1 1、岩石的组构特征、岩石的组构特征颗粒形状颗粒形状 强度：强度：粒状、柱状粒状、柱状片状片状鳞状鳞状颗粒大小颗粒大小 强度：强度：粗粒粗粒 不等粒不等粒第16页/共37页2 2）岩石的结构）岩石的结构微微结结构构面面：存存在在于于矿矿物物颗颗粒粒内内部部或或矿矿物物颗颗粒粒间间的的软软弱弱面面或或缺缺陷陷，包包括括矿矿物物解解理理、晶晶格格缺缺陷陷、粒粒间间空隙、微裂隙、微层理及片理面、片麻理面等空隙、微裂隙、微层理及片理面、片麻理面等 降低岩石强度降低岩石强度 导致岩石力学性质各向异性导致岩石力学性质各向异性1 1、岩石的组构特征、岩石的组构特征第17页/共37页2 2）岩石的结构）岩石的结构结结晶晶连连结结：矿矿物物颗颗粒粒通通过过结结晶晶相相互互嵌嵌合合在在一一起起，它它是是通通过过共共用用原原子子或或离离子子使使不不同同晶晶粒粒紧紧密密接接触触岩浆岩、变质岩、沉积岩中的碳酸岩岩浆岩、变质岩、沉积岩中的碳酸岩胶胶结结连连结结：矿矿物物颗颗粒粒通通过过胶胶结结物物连连结结在在一一起起碎屑岩碎屑岩1 1、岩石的组构特征、岩石的组构特征第18页/共37页3 3）岩石的构造岩石的构造岩石的构造岩石的构造：岩石的构造是指岩石组成成分在空岩石的构造是指岩石组成成分在空间上相互排列及所占的位置。间上相互排列及所占的位置。岩浆岩的构造岩浆岩的构造：块状构造、流纹状构造、气孔状块状构造、流纹状构造、气孔状构造、杏仁状构造构造、杏仁状构造沉积岩的构造沉积岩的构造：层理构造层理构造变质岩的构造变质岩的构造：片理构造片理构造1 1、岩石的组构特征、岩石的组构特征o岩石的组构特征给出岩石力学的定性性岩石的组构特征给出岩石力学的定性性质，从而保障我们的研究不出现方向性质，从而保障我们的研究不出现方向性的错误的错误第19页/共37页2 2、岩石的物理、水理、热学性质、岩石的物理、水理、热学性质第20页/共37页2 2、岩石的物理、水理、热学性质、岩石的物理、水理、热学性质第21页/共37页岩石在岩石在水溶液水溶液作用下表现出来的性质，称为作用下表现出来的性质，称为水理性质。主要有：水理性质。主要有：1.1.吸水性吸水性 2.2.软化性软化性 3.3.膨胀性膨胀性 4.4.崩解性崩解性2 2、岩石的物理、水理、热学性质、岩石的物理、水理、热学性质第22页/共37页 空隙压密阶段空隙压密阶段(OA)弹性变形阶段弹性变形阶段(AB)微裂隙稳定发展阶段微裂隙稳定发展阶段(BC)微裂隙非稳定发展阶段微裂隙非稳定发展阶段(CD)破坏后阶段破坏后阶段(DE)oABCDE峰前峰前峰后峰后3 3、岩石的变形破坏规律、岩石的变形破坏规律 第23页/共37页3 3、岩石的变形破坏规律、岩石的变形破坏规律 o岩石的变形和应力受时间因素的影响。在外部条件岩石的变形和应力受时间因素的影响。在外部条件不变的情况下，岩石的应力或应变随时间变化的现不变的情况下，岩石的应力或应变随时间变化的现象叫流变。象叫流变。岩石变形规律的研究就是要建立应力岩石变形规律的研究就是要建立应力-应变应变关系，为求解应力状态提供基础关系，为求解应力状态提供基础第24页/共37页岩石试样的破坏形式岩石试样的破坏形式 劈裂破坏劈裂破坏 剪切破坏剪切破坏 延性破坏延性破坏3 3、岩石的变形破坏规律、岩石的变形破坏规律 岩石破坏规律的研究就是要建立应力作用下岩石破坏规律的研究就是要建立应力作用下岩石是否稳定的标准岩石是否稳定的标准第25页/共37页岩石应力状态变化，可能导致裂缝面上的剪岩石应力状态变化，可能导致裂缝面上的剪应力增加，微小的剪应力变化即可在裂缝面应力增加，微小的剪应力变化即可在裂缝面产生剪胀效应产生剪胀效应4 4、岩石的水动力学性质、岩石的水动力学性质 第26页/共37页一般情况下一般情况下主地应力表示方法主地应力表示方法H地地表表垂直主应力垂直主应力v v水平最大主应力水平最大主应力H H水平最小主应力水平最小主应力h h5 5、岩石中的初始应力、岩石中的初始应力第27页/共37页西南：印度板块向西南：印度板块向NNE挤压挤压东部：太平洋板块向东部：太平洋板块向W俯冲俯冲北部：西伯利亚板块阻挡北部：西伯利亚板块阻挡南部：菲律宾板块向南部：菲律宾板块向N俯冲俯冲第28页/共37页三、三、岩石力学在海洋石油工程中的任务岩石力学在海洋石油工程中的任务o井壁稳定性分析井壁稳定性分析o出砂预测及防砂设计出砂预测及防砂设计o地层可钻性预测钻头优选地层可钻性预测钻头优选o水力压裂水力压裂o定向射孔定向射孔o套管损坏机理套管损坏机理o地面沉降地面沉降第29页/共37页井壁失稳的危害井壁失稳的危害o引起井下复杂或事故引起井下复杂或事故n恶性卡钻恶性卡钻n严重漏失严重漏失井喷井喷o严重影响钻探速度，造成经济损失严重影响钻探速度，造成经济损失o影响测井、固井质量影响测井、固井质量o对储层产生损害，影响勘探成功率对储层产生损害，影响勘探成功率第30页/共37页三、岩石力学在井壁稳定中的任务三、岩石力学在井壁稳定中的任务o制定保持井壁力学稳定的泥浆密度窗口制定保持井壁力学稳定的泥浆密度窗口n进行井身结构优化进行井身结构优化n确定合理泥浆密度确定合理泥浆密度o确定井壁失稳的机理确定井壁失稳的机理n优化泥浆性能优化泥浆性能n制定合理钻井对策制定合理钻井对策第31页/共37页最小水平最小水平主地应力主地应力若井内泥浆密度较小，不能对井壁提供足够的支撑，将使井壁岩石所受的若井内泥浆密度较小，不能对井壁提供足够的支撑，将使井壁岩石所受的应力超过其本身的强度产生剪切破坏而造成井壁坍塌。应力超过其本身的强度产生剪切破坏而造成井壁坍塌。损坏区损坏区坍塌坍塌最大水平主地应力最大水平主地应力ar=3 a=1 r最大水平主地应力最大水平主地应力形成的椭圆形井眼长轴在形成的椭圆形井眼长轴在最小水平主地应力方向最小水平主地应力方向泥浆密度低泥浆密度低r泥浆密度低导致井壁岩石发生剪切破坏而坍塌掉块泥浆密度低导致井壁岩石发生剪切破坏而坍塌掉块第32页/共37页H Hh hH Hh h井眼坍塌破坏形状井眼坍塌破坏形状第33页/共37页最大水平主地应力最大水平主地应力最小水平主地应力最小水平主地应力泥浆密度高泥浆密度高泥浆密度过大：泥浆密度过大：地层剪切破坏产地层剪切破坏产生大量径向微裂生大量径向微裂缝形成剪切破碎缝形成剪切破碎带（造成泥浆的带（造成泥浆的大量侵入使井壁大量侵入使井壁失稳）失稳）剪切破碎带，使得泥浆更易渗入井壁剪切破碎带，使得泥浆更易渗入井壁ra=3 r=1 a第34页/共37页p以孔隙弹塑性力学为基础的均质地层井壁稳定性以孔隙弹塑性力学为基础的均质地层井壁稳定性分析理论和计算方法基本成熟分析理论和计算方法基本成熟地应力地应力本构模型本构模型给定的泥浆密度给定的泥浆密度井周应力应变井周应力应变破坏准则破坏准则提高泥浆密度提高泥浆密度结束结束稳定稳定失稳失稳安全泥浆密度的计算方法安全泥浆密度的计算方法第35页/共37页第36页/共37页本节结束本节结束欢迎讨论！欢迎讨论！第37页/共37页