岩石力学作业及答案.pdf

岩石力学作业 1 岩石力学作业 1 1.对于碎屑质沉积岩，简述岩石的强度与矿物颗粒、胶结类型与程度的关系。1)岩石的强度与矿物颗粒的关系岩石的强度与矿物颗粒的关系包括两个方面：一是结晶程度和颗粒大小结晶程度和颗粒大小，岩石的结晶程度和颗粒大小对其抗压强度的影响是显著的。一般来说，结晶岩石比非结晶岩石强度高，细粒结晶的岩石比粗粒结晶的岩石强度高。二是矿物成分矿物成分，不同矿物组成的岩石，具有不同的抗压强度，这是由于矿物本身的特点。2)岩石的强度与胶结类型与程度的关系岩石的强度与胶结类型与程度的关系：对沉积岩来说，胶结程度类型和胶结物类型对强度的影响很大。在胶结程度类型方面胶结程度类型方面，分为基质胶结、接触胶结和孔隙胶结。基质胶结，岩石颗粒彼此不直接接触，完全受胶结物的包围，岩石强度取决于胶结物的性质；接触胶结，只有岩石颗粒接触的地方才有胶结物胶结，胶结一般不牢固，岩石强度低，透水性强；孔隙胶结，胶结物完全或部分的充填于岩石颗粒之间孔隙中，胶结一般较牢固，岩石强度和透水性主要视胶结物性质和其充填程度而定。在胶结物类型方面胶结物类型方面，石灰质胶结的岩石强度较低，而硅质胶结的具有很高的强度，泥质胶结的岩石强度最低。2.碎屑质沉积岩具有非均质性与各向异性，简单分析其对岩石力学性质的影响。答：非均质性指组成不同，非均质岩石的力学特性由细观单元力学特性和其非均质特性共同决定，岩石的非均质性对其极限强度具有弱化影响；各向异性指储层岩石沿各个方向的物性、电性、热力学性质等不同。由于碎屑质沉积岩的各向异性明显，所以不能用常规的单轴抗压实验来测定岩石力学性态，而必须在一定的围压下（必要时还要考虑温度的作用）进行试验测定，通常采用的是三轴抗压试验。(此题答案需进一步商议)3.对于砂岩，简述压力（围压）、液体介质对于其强度的影响。答：对于砂岩，随着围压的增加，岩石的杨氏弹性模量、剪切模量和泊淞比均有一定程度的提高。液体介质的存在，减弱了岩石的胶结，从而降低了岩石的强度。4.简单分析钻井工程中牙轮钻头与 PDC 钻头破岩时岩石的破坏形式。答：牙轮钻头：冲击压力（动载）的作用下，岩石的三向压缩状态下发生剪切破坏，形成破碎坑；PDC 钻头：钻压作用下切削吃入岩石，扭矩作用下的岩石发生剪切破坏。岩石力学作业 2 岩石力学作业 2 1、弹性变形、塑性变形与蠕变的定义；答：弹性变形弹性变形：弹性是指在一定的应力范围内，物体受外力作用产生变形，而去除外力（卸荷）后能够立即恢复其原有的形状和尺寸大小的性质。其产生的变形称为弹性变形。审批2 0 14.0 1.0 5石工创意社塑性变形塑性变形：塑性是指物体受力后，在应力超过屈服应力时仍能继续变形而不即行断裂，撤去外力（卸荷）后，变形又不能完全恢复的性质。不能恢复的那部分变形称为塑性变形，或称永久变形、残余变形。蠕变：指在恒定荷载作用条件下，变形随时间逐渐增长的现象 2、蠕变的过程（典型蠕变阶段划分）；答：根据应力状态的变化可将此蠕变过程划分为四个阶段。（1）、瞬时变形：即常应力刚刚作用于岩石试件上就出现的弹性应变e ；（2）、初始蠕变或阻尼蠕变，也称第一蠕变阶段：对应着区域。在此区域应变 最初随时间增长较快，但增长速率随时间逐渐降低。这个过程可能伴随着“稳定的”微裂隙以逐渐减小的速率慢慢扩展;（3）、稳态蠕变或等速蠕变，也称第二蠕变阶段：对应着区域。在此区域曲线有近似常数的斜率，即应变随时间呈近于等速的增长；（4）、加速蠕变（第三蠕变阶段）：对应着区域。其应变速率加快并迅速导致破坏。这个过程可能伴随着“不稳定”的微裂隙的快速张开。3、蠕变对于钻井工程的影响（井径缩小的影响及其措施钻柱遇阻、下套管遇阻；安全施工时间段加速蠕变前完成下套管、注水泥作业；套管抗外挤载荷的确定考虑上覆岩层压力为最大外挤载荷）。岩石力学作业 3 岩石力学作业 3 1、岩石的主要弹性常数？三轴应力试验方法？答：岩石的主要弹性常数（杨氏弹性模量、泊松比）；三轴应力试验方法（模拟地层应力环境、温度条件下的试验测试，获得地层条件下的岩石力学性质，强度特征，变形特征。课本 12 页）2、岩石力学：摩尔强度准则 答：如右图，材料在极限状态下，剪切面上的剪应力就达到了随法向应力和材料性质而定的极限值时，发生破坏。也就是说，当材料中一点可能滑动面上的剪应力超过该面上的剪切强度时，该点就产生破坏，而滑动面的剪切强度又是作用于该面上法向应力的函数。三向压应力作用下，岩石出现剪切破坏，且仅与最大、最小主应力相关；最大最小主应力差值到达极限，摩尔园与强度曲线相切，出现破坏；强度曲线滑动面的剪切强度是作用于该面上法向应力的函数。3.岩石力学：库伦摩尔强度准则 答：三向应力作用下，岩石出现剪切破坏，且仅与最大最小主应力有关 如右图所示，岩石内任一点发生剪切破坏时，破坏面上的剪应力()应等于或大于材料本身的固有强度(C)（也称之为凝聚力）和作用于该面上由法向应力引起的摩擦阻力(tg)之和。岩石力学作业 4 岩石力学作业 4 1.地应力来源与计算：应用密度测井的垂直地应力计算中如何考虑地层压力的影响？水平地应力的来源与计算？出现最大、最小水平地应力的原因？答：垂直地应力来源于上覆岩层压力，还受地层压力的影响。voverburdenporePP 其中为系数，一般为 0.9 左右。水平地应力：垂直地应力作用下岩体受到位移约束（不能产生水平方向变形）,产生水平地应力分量，且与泊淞比（表征岩石垂向、水平方向力学性质的各向异性）有关。还受到构造应力的影响。水平地应力为两者的矢量和。2.地应力测量方法：水力压裂试验测试方法及其结合典型测试曲线确定最小水平地应力、抗拉强度的方法？答：水力压裂裂缝面垂直于最小主应力；对于垂直裂缝面，破裂压力为水力压裂试压时的最高压力；已经压开地层形成人工裂缝后，停泵再次压开地层的压力为闭合压力，其等于最小水平地应力；破裂压力=闭合压力+岩石的抗拉强度 （5.2.1）所示为一典型的现场破裂压力试验曲线，从中可以确定以下应力值：1）破裂压力fp，压力最大之点，反映了液压克服地层的抗拉强度使其破裂，形成井漏，造成压力突然下降。2）延伸压力prop，压力趋于平缓的点，为裂隙不断向远处扩展所需的压力。3）瞬时停泵压力sp，当裂缝延伸到离开井壁应力集中区，即6倍井眼半径以外时（估计从破裂点起约历时1-3分钟），进行瞬时停泵，记录下停泵时的压力sp。由于此时裂缝仍开启，sp 应与垂直与裂缝的最小水平地应力h相平衡，即有：shP 此后，随着停泵时间的延长，泥浆向裂缝两边渗滤，使液压进一步下降。此时由于地应力的作用，裂隙将闭合。4）裂缝重张压力rp，瞬时停泵后重新开泵向井内加压。使闭合的裂缝重新张开。由于张开闭合裂缝所需的压力rp 与破裂压力fp 相比不需克服岩石的拉伸强度，因此可以认为破裂层的拉伸强度等于这两个压力的差值，即有:tfrSpp 因此，只要通过破裂压力试验测得地层的破裂压力、瞬时停泵压力和裂缝重张压力，结合地层孔隙压力的测定，利用(1)、(2)、(3)式即可以确定出地层某深处的最大、最小水平主地应力：.(1).(2)3.(3)tfrhsHhfptSpppppS 3声发射（凯塞尔）实验测试与确定地应力的原理与方法？答：原理：岩石在历史地应力作用下产生了微裂隙，实验加载到岩石受过的历史应力时，岩石会产生明显的声发射现象，该应力即为历史地应力。方法：通过定向取心，古地磁定向等，测试岩心水平面不同方向的凯塞尔应力点即可确定最大、最小水平地应力。也可以通过水平面与垂直面凯塞尔实验测试确定三个地应力的大小。3.声波测井资料确定计算确定地应力的原理与方法？答：声波传播速度与岩石的弹性常数有关，可获得岩石的动态弹性常数（声波传播相当于动载作用条件）；水力压裂中液压力相当于静载作用于岩石，所以通常要求做动静态参数转换，静态参数为压裂设计需要的参数。岩石力学作业 5 1、对于泥页岩地层，井壁失稳通常是指井径严重缩小（井眼缩径），进而出现井壁垮塌。主要影响因素有？坍塌压力（应力）对于井壁稳定的重要性在于？岩石力学作业 5 1、对于泥页岩地层，井壁失稳通常是指井径严重缩小（井眼缩径），进而出现井壁垮塌。主要影响因素有？坍塌压力（应力）对于井壁稳定的重要性在于？（泥页岩地层岩石强度低，抗剪切强度很低；水基泥浆为常用泥浆体系，粘土水化膨胀外来液体作用促使岩石强度进一步降低、膨胀促使局部压应力增大；井壁岩石的应力状态发生变化，地应力最大主应力大于原始地应力，由于是非渗透泥页岩，地应力最小主应力为井筒内的液柱压力，最大、最小主应力差增大，在三向压应力作用下可能出现剪切破坏。影响因素：水化膨胀是主因泥页岩粘土含量与成份、泥浆的抑制性；力学方面泥浆密度、井内波动压力的影响等）（坍塌应力是指水基泥浆钻井条件下，泥页岩地层保持井壁稳定所需要的最小泥浆液柱压力，通常用当量密度表示。坍塌应力的确定需要考虑井壁应力条件下岩石的抗剪切强度，通常最大主应力为垂直地应力或最大水平地应力，井筒形成后对于非渗透的泥页岩地层，井壁岩石最小主应力为井筒液柱压力，从力学角度，为防止井壁岩石发生三向压缩状态下的剪切破坏，实际泥浆密度应大于坍塌应力的当量密度）。岩石力学作业 6 1.水力压裂中，砂岩地层破裂压力与地应力、岩石强度的关系？（考虑：破裂压力、地应力、破坏形式、岩石强度）地层中形成人工水力裂缝（岩石产生拉伸破坏）是在液压力达到地层破裂压力条件下产生的。破裂压力即为开始产生人工裂缝所需要的最小井壁液压力。一般来说破裂压力等于最小水平地应力与岩石抗拉强度之和。闭合压力是指压开人工水力裂缝后，井筒液压力下降到一定值已经张开的裂缝开始闭合，即为闭合压力，对于深井储层垂直人工裂缝，等于最小水平地应力。2.对于砂岩地层，如前期出砂少或不出砂，开发后期由于地层压力降低，可能在低强度地层出砂的原因？地层压力降低，相应的垂直地应力增大、水平地应力相应增大，垂直地应力产生的水平地应力分量与岩石的泊松比有关，由于地层压力下降导致的水平地应力增量小于垂直地应力增量，构造应力对水平地应力贡献仍然为矢量叠加关系。因此，地层压力降低会导致最大、最小主应力差增大，岩石可能出现三向压缩状态下的剪切破坏。作业 7 作业 7 1、地层天然裂缝与地应力的关系 答：天然裂缝通常是指由于构造运动，在历史地应力作用作用下，地层岩石产生破坏形成的裂缝。一般可以分为：显裂缝，微裂缝，成岩缝，层理缝。形式上可以分为：垂直缝、高角度缝、低角度缝、水平缝。现今地应力与历史地应力相关，多为垂直缝和高角度缝，天然裂缝面也通常垂直于最小水平地应力。