1、石油工程岩石力学石油工程岩石力学主讲人：陈 勉绪 论岩石力学及其发展历史岩石力学的研究对象研究方法与现状岩石力学及其发展历史岩石力学及其发展历史岩石力学的研究对象岩石力学的研究对象研究方法与现状研究方法与现状什么是力学？墨子：“力者形之奋也”Mechanics：力学、机械、工具中国大百科全书：力学是研究物质机械运动的科学力学的历史一、古代力学公元500年以前生产力工程技术体力劳动滑轮、斜面、杠杆力学理论：静力学、杠杆原理、重心、匀速运动代表性人物：阿基米德、亚里士多德（公元前300前后）力学的历史中世纪力学（5001600）黑暗时期封建社会发展慢，直到文艺复兴时期（13001600）达 芬奇（
2、14521519）飞行原理、斜抛运动、平衡、合力。后期：哥白尼、开普勒力学的历史三、经典力学建立时期（16401800）黄金时代伽利略、牛顿自然哲学之数学原理（1687）拉格朗日：分析力学，哈密顿原理机械唯物主义力学的历史四、经典力学发展时期（18001910）数学柯西：弹性力学，纳维：流体力学工程莫尔圆、图解静力学但是没有联系水利工程经验公式、理想流体力学的历史五、近代力学（19101960）普朗特、冯卡门（航空、军事）升力线理论、附面层理论中国：周培源、钱学森、钱伟长力学的历史六、现代力学（1960）理性力学有限元理论岩石力学1962年，由奥地利地质力学学会发起，建立了国际岩石力学学会19
3、79年起，中国成立了国际岩石力学学会中国小组。1985年成立了中国岩石力学与工程学会.1997年成立了以石油工程为主要研究对象的深层岩石力学专业委员会 岩石力学的定义岩石力学是力学的一个分支。在中国大百科全书力学卷中对岩石力学的定义为：“岩石力学是运用力学和物理学的原理研究岩石的力学和物理性质的一门科学，目的在于充分掌握和利用岩石的固有性质，解决和解释生产建设中的实际问题”。岩石力学的定义美国科学院岩石力学委员会1966年曾给岩石力学下过定义，认为：“岩石力学是研究岩石力学性能的理论和应用的科学，是探讨岩石对其周围物理环境中力场的反应的力学分支”。应该指出，第二个定义更加强调岩石材料全部赋存于
4、地质环境中，这些材料的自然特征决定于其形成的方式和周围的地质作用。岩石力学的历史人类与岩石的交往也许起源于7020万年前，“北京猿人”所生活的周口店龙骨山岩石洞穴。人类对岩石最早的认识也许不过是抛掷石块射杀猎物，或做成锐器砍剁动物骨肉。岩石力学的历史人类与岩石的亲密情感，大概是从在岩石上刻画开始。公元2000年考古家在埃及南部一处荒谷的岩壁上发现刻有古埃及象形文字铭文，据查这些石刻距今已有4000年之久。岩石力学的历史公元595605年，隋朝工匠李春主持建造了世界上现存最古老的石拱桥-赵州桥（又称安济桥）。古时人们对于岩石的力学性质所知甚少，唐中书令张嘉贞著安济桥铭中记载：“赵州蛟河石桥，隋匠
5、李春之迹也，制造奇特，人不知其所以为”。那时，岩石给人们的印象是恒久不变。岩石力学的历史关于岩石的流变性，我们在莎士比亚十四行诗中发现这样的诗句：“当岩石，无论多么险固，或钢扉，无论多坚强，都要被时光熔化”。岩石力学的历史雨果在其名著悲惨世界还有关于水力破岩的比喻：“人心和岩石一样,也可以有被水滴穿的孔”。岩石力学的历史岩石力学的发展是与人类活动紧密联系的。但是，作为一门学科，岩石力学是近五十年才发展起来的。岩石力学的历史目前，在水电建设中，大型电站的坝高可达三百米，石油地质钻井深度已达10000米以上，最深的水平井已达6000米以上，而研究地壳变形时，涉及到的深度达五、六十公里、温度在100
6、0以上，必需考虑的时间效应为几百万年。而且更巨大和复杂的岩石工程还在日益增加，从而有力地促进了岩石力学的发展。岩石力学的历史1951年在奥地利成立了国际上第一个地区性的地质力学学会-奥地利地质力学学会。自1957年法国J.Talobre的岩石力学专著出版以来，有关岩石力学的著作如雨后春笋，不断涌现。岩石力学的历史1962年，由奥地利地质力学学会发起，建立了国际岩石力学学会（International Society for Rock Mechanics,简称ISRM）。岩石力学的历史1965年，由美国地球物理联合会(AGU)、矿冶研究所(AIMMP)、土木学会(ASCE)、材料学会(ASTM)
7、、地质学会(GSA)、矿业学会(AIME)等单位联合组成岩石力学学会委员会(Intersociety Committee for Rock Mechanics,简称ICRM)，后改称联邦岩石力学委员会(U.S.National Committee for Rock Mechanics,简称USNC/RM)，把岩石力学在各个领域中取得的成果进行交流推广，之后又成立了美国岩石力学协会，进一步推动了岩石力学的发展，并从1965年起每年举行一次全美岩石力学学术大会，至今没有间断过。岩石力学的历史1966年国际岩石力学学会在里斯本召开了第一届国际岩石力学学术大会。在这个时期岩石力学作为一个独立的学科开始
8、进入了新的阶段。国际岩石力学学会出版了岩石力学（季刊）和国际岩石力学及矿业科学学报，并附有岩土力学文摘（International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences Geomechanics Abstract）。岩石力学的历史在我国，五十年代开始，随着国民经济建设的发展，陆续建立了一些岩石力学的研究机构，如中国科学院岩土力学研究所等。1979年起，中国以团体会员国名义参加了国际岩石力学学会并成立了国际岩石力学学会中国小组。1985年成立了中国岩石力学与工程学会，由中国科学院学部委员陈宗基教授任第一任理事长。岩石力学的历史1997年在黄荣
9、樽教授的倡议下，中国岩石力学与工程学会成立了以石油工程为主要研究对象的深层岩石力学专业委员会，黄荣樽教授任首届主任委员，2001年后由陈勉教授担任主任委员。岩石力学的历史在与石油工程有关的岩石力学研究中，所涉及的地层深度大多在1000-8000米范围内，研究对象以沉积岩层为主体，岩石处于较高的围压（可达200MPa）、较高的温度（可达200）和较高的孔隙压力（可达200MPa）作用下。岩石力学的历史这与水电站的坝基设计、高边坡稳定、隧道和巷道的开挖及支护、建筑的桩基工程、地下洞室以及城市地铁建造等不超过1000米深度的地表或浅层问题不同，也不同于以火成岩和变质岩为研究主体、深度超过万米的下地壳
10、与上地幔岩石物理力学问题。岩石力学的历史石油工程岩石力学所涉及的围压可达200MPa。事实上，地层的围压来源于非均匀的原地应力场，若垂向应力源于地层自重，那么应力梯度平均为0.023MPa/m，多数地区最大水平应力往往大于垂向应力，且两个水平地应力梯度的比值常达到1.41.5以上。在山前构造带地区，不但地应力梯度高，最大和最小水平地应力的比值也很大。岩石力学的历史因此在研究地应力分布规律（包括数值大小及主方向）时，主要依靠水压致裂、岩石声发射试验、岩石剩磁分析、差应变分析、地震和构造资料反演、测井资料解释等间接方法。岩石力学的历史石油工程岩石力学所涉及的温度可达200。一般的地温梯度是3/10
11、0m，高的可超过4/100m，具体的地温梯度往往需要实际测定。当温度超过150后，温度对岩石性质的影响将变的十分明显。岩石力学的历史石油工程岩石力学所涉及的沉积岩层的孔隙和裂隙中的高压流体（包括各种液体和气体）的孔隙压力可达200MPa。常规的静水孔隙压力梯度为0.01MPa/m，而异常高压可超过0.02MPa/m。岩石力学的历史石油工程岩石力学所研究的地层力学是在高围压、高温度和高孔隙压力状态下，其性质已完全不同于浅部地层，它可能经过脆塑性转变变成塑性，也可能由于高孔隙压力的作用呈现脆性破坏。因此，石油工程岩石力学具有与传统岩石力学不同的研究特点。岩石破碎岩石破碎力学力学钻井工程钻井工程岩石
12、力学岩石力学1985钻井工程钻井工程岩石力学岩石力学岩石破碎岩石破碎力学力学采油工程采油工程岩石力学岩石力学1992油藏工程油藏工程岩石力学岩石力学1996岩石破碎岩石破碎力学力学发展规律由浅入深、由具体到一般静力学运动学动力学，材料力学，弹性力学历史与教学生物学：人体胚胎的生长米勒、海克尔“重演律”教学不是对于历史的均匀压缩中世纪的大学：百位数的加法问题中国力学的发展墨子（亚里士多德）：杠杆原理，材料性质，运动分类。特点：与其他科学技术综合在一起中国力学的发展赵州桥（隋朝600）中国力学的发展山西应县木塔（1056）中国力学的发展沈括梦溪笔谈中国的世界领先地位英国皇家学会第一任会长 胡克（1
13、686）中国文字、语言和推测：“要重视中国的科学技术，挖掘中国的成就，一旦成功，将出现一个神话般的学术王国”中国的世界领先地位莱布尼兹：二进位算法。传教士：中国的八卦、易经中国的世界领先地位拉普拉斯：宇宙体系论（1796）提及：祖冲之、郭守敬中国没有形成科学体系的原因中国现有的力学是利玛窦等传教士在明朝末期（1600）带来的。中国没有形成科学体系的原因比较：天工开物（宋应星，1637）：综合性，没有专门的力学理论两门新科学的对话（伽利略，1638）：定量的这是两个不同的科学体系西方学术体系输入中国历经200年16001723 翻译，康熙时代后期开始闭关锁国1850 开始重新考虑力学理论1858
14、 李善兰翻译重学力学重学；静力学净重学；动力学动重学；流体力学水学、气学天体力学天重学1903 严文炳翻译马格纳力学课编科学思想分析与综合 思想方法的两个范畴，思维的两个方面，缺一不可。在处理具体问题时，一个阶段可能以分析为主，另一个阶段可能以综合为主。亚里士多德VS墨子杠杆平衡：亚里士多德：A物体重量减半，则B物体重量也减半；A物体重量加倍，则B物体重量也加倍；墨子：本短标长。如果两边加上相同的重量，杆会转动。科学思想阿基米德：数学化，力学用公理体系讲，重心有七个公理，例如：公理七：如果平面图形是凸的，则重心必在图型之内。科学思想伽利略对话：梁的承载能力与梁的直径立方成正比宋应星天工开物：明
15、朝造船术。船在水中的性质，好像在风中的草差不多，舵与船身的宽度一样。因为太短，力量不够；太长，舵可能被水下的土胶住。科学思想中国：笼统，综合中医（阴阳五行）西方：细致分析西医科学思想综合方法亦有优势：恩格斯自然辩证法：达芬奇是一个艺术家、科学家、工程师，后来社会分工细了，科学家只知道一个领域，其他所知很少，可能是只注意分析，综合注意得不够。科学思想维纳（控制论的创始人）：拓扑学家数学家，用综合的观点，不同学科交流，控制论形成。科学思想梅纽因（著名小提琴家）崇拜老子科学思想汤川秀树（日本人，诺贝尔获得者）：在国际高能粒子学术研讨会上，庄子：“判天地之美，析万物之本”岩石力学及其发展过程岩石力学及
16、其发展过程岩石力学的研究对象岩石力学的研究对象研究方法与现状研究方法与现状岩石力学的研究对象岩石岩石力学的研究内容：如何破碎岩石如何使岩体结构保持主要研究范围包括 深部地层工程地质特征研究,地应力测量技术,地 层环境下的岩石力学性质 深层岩石中天然裂缝的形态、分布和预测理论 岩石应力、渗透性的声学响应特性及岩石物理力学 性质的地球物理解释 人工裂缝的起裂、延伸及水力压裂工程设计 固液耦合理论及在油藏工程中的应用；井壁围岩稳定性研究；岩石破碎机理研究；地层错动、蠕变与套管损坏问题；数值方法在石油工程岩石力学中的应用研究；石油工程岩石力学的物理模拟技术研究。岩石力学及其发展历史岩石力学及其发展历史
17、岩石力学的研究对象岩石力学的研究对象研究方法与现状研究方法与现状岩石力学问题的研究思路不同外载作用下不同外载作用下岩石受力大小的岩石受力大小的计算计算测定地层的变形测定地层的变形特性及强度特性及强度岩石的强度岩石的强度破坏准则破坏准则判断井壁岩石是否判断井壁岩石是否破坏及计算变形量破坏及计算变形量 研究方法 科学实验 理论分析室内试验现场试验实地观察弹性理论塑性理论松散连续介质力学理论科学实验全尺寸钻井试验架MTS-816 岩石力学实验机岩石力学实验机大尺寸真三轴模拟试验架大尺寸真三轴模拟试验架水力压裂模拟试验水力压裂模拟试验液压稳压源WY-300/Locan AT 声发射仪压力板岩样密封注液
18、管声发射探头MTS 伺服增压器供 气供 液反 馈MTS 控制器MTS 液压源排 量压 力微 机空气压缩机油水隔离器真三轴模拟压裂试验架图 3-1 模 拟 压 裂 试 验 流 程 图伺服控制油水（一）、深层岩石力学参数的室内实验测定 强度参数 岩石的力学特性参数 弹性参数测定主要有两种方法：静态法和动态法静态法是通过对岩样进行加载试验测得其变形从而得其相关参数的方法，所得参数为岩石静态力学特性参数 动态法是通过测定超声波穿过岩样的速度得到其特性参数的方法，所得参数为岩石动态力学特性参数。研究现状涉及的参数主要为抗压强度、内摩擦力、内摩擦角、泊松比和杨氏模量（二）、全尺寸钻井模拟试验装置的建立（三
19、）、井壁稳定力学机理与应用研究 井壁失稳是指钻井过程中井眼喷、漏、塌、卡 井壁稳定力学研究应从三个方面入手：岩石力学参数 原地应力场 井壁稳定力学模型研究 主要失稳机理是井壁的张性破裂和剪切破坏 基 础根本原因解决井壁稳定的有效途径 我国井壁失稳现象十分严重，在我国井壁失稳现象十分严重，在大庆、大庆、新疆、南海、大港、四川、中原、江苏新疆、南海、大港、四川、中原、江苏等油田都存在严重的井壁失稳问题等油田都存在严重的井壁失稳问题，是是目前制约西部勘探开发速度的最主要因目前制约西部勘探开发速度的最主要因素素（四）、水力压裂力学研究 水力压裂至今一直是低渗透油气层改造和高中渗 透油气层解堵增产最有效的战略性措施 岩石力学在控制水力压裂裂缝几何形状方面起着重要的作用 区域地应力可以影响水力裂缝方位的走向 不同大小的水平及垂直应力对裂缝的影响如图所示 层间地应力差异可以明显地影响裂缝形状
