岩石力学论文岩石力学在地下采场中的利用

岩石力学的发展是与人类的生产活动紧密联系的。在原始社会，人类就利用岩石制作工具和武器。后来逐渐学会在岩石中开采矿石，利用岩石作建筑材料。但是，作为一门学科，岩石力学是近几十年才发展起来的。近年来，世界上建成的大坝，高度已达300米，地下工程的开挖深度已超过3000米，而且更巨大和复杂的岩石工程还在日益增加，从而有力地促进岩石力学的发展。1951年在奥地利萨尔茨堡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。1962年，由奥地利地质力学学会发起，成立了国际岩石力学学会（ISRM），迄今已成功举办12届国际岩石力学大会和许多次区域性专业学术会议，是最活跃的国际学术组织之一。中华人民共和国成立后不久就开始了岩石力学的研究工作。但系统、全面地发展，并把岩石力学作为一门学科进行研究是从1958年开始的，当年成立了三峡岩基组，开展大规模室内和室外科学实验和理论分析工作，研制出一批仪器设备〈如岩石静力和动力三轴仪），培养出一批骨干力量，为中国岩石力学的发展奠定了基础。此后，成功地解决了长江葛洲坝、大冶露天铁矿等许多巨大工程中的岩石力学问题。在理论方面，中国学者把流变理论应用于岩石力学，并在三峡进行岩体流变试验。后来又发展了岩石蠕变，应力松弛、扩容理论，提出了关于岩石应力的来源和释放的新观点。近年来为了开展对地壳和上地幔的研究（地球动力学的研究对象），中国科学院地球物理研究所研制成高温高压岩石三轴流变仪。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，1982年成立了中固岩石力学与工程学会（筹备组），第二年出版了《岩石力学与工程学报》。

张 旭1，2，3 蒋廷学1（中国石化石油工程技术研究院，北京 100101；中国石油大学，北京 102249；中国石化石油勘探开发研究院，北京 100083）摘 要 随着石油工业的发展，石油钻井过程经常钻遇火山岩地层，因此火山岩岩石力学性质及破坏机理是目前石油工业的难点及热点问题。本文结合大庆徐家围子地区火山岩地层，根据现场声波测井资料及岩心资料，通过室内实验及回归分析建立了声波测井资料与火山岩岩石力学特性预测模型，并综合应用莫尔-库仑与格里菲思破裂准则，建立了适用于地下火山岩破裂的判断准则；结合主成分分析法，对大庆徐家围子地区钻头进行了优选，结果表明，钻头效果参数排序变化趋势与期望一致，完全符合工程要求。关键词 火山岩 岩石力学 破坏准则Application of Mechanical Properties of Volcanic Rocksin Petroleum EngineeringZHANG Xu1，2，3，JIANG Tingxue1（SINOPEC Research Institute of Petroleum Engineering，Beijing 100101 ，China；China University of Petroleum，Beijing 102249，China；SINOPEC Exploration ＆Production Research Institute，Beijing 100083，China）Abstract With the development of petroleum engineering，volcanic rock formations always are encountered in Thus，mechanical properties of volcanic rocks and their failure mechanism are very important for This paper studies the failure mechanism and mechanical features of volcanic rock formation in X By using acoustic logging data and core data，a mathematic model for describing the relationship between them has been established by regression analysis and Moreover，failure mechanism have been built up according to the theory of Mohr -Coulomb and GAt last，this paper selects drilling bit according to principal component The practice shows that this result can successfully reflect the change of rock formation and offer guidelines of selecting Key words volcanic rock；mechanical properties；failure mechanism研究表明［1～5］，在地表15km内，95％为火山岩，虽然火山岩本身不具备生油条件，但是火山岩杨氏模量高、脆性强，在构造应力作用下容易形成构造裂缝和收缩裂缝，成为有效的储集空间和渗流通道。因此对具有油气储集能力的火山岩的研究目前已经成为油气勘探开发的热点和难点［6］。国家重大专项《复杂地层储层改造关键技术研究》（2011ZX05005-006-005）本文对大庆徐家围子地区火山岩地层岩石力学特性与破岩机理进行了研究，得到了火山岩岩石力学特性参数预测模型及火山岩破坏判断准则，并根据大庆徐家围子地区钻头使用情况对钻头进行了优选，结果表明，钻头效果参数排序变化趋势与期望一致，完全符合工程要求。1 火山岩岩石力学性质研究1 火山岩岩性特征大庆徐家围子地区火山岩是一套晚侏罗世-早白垩世（J3-K1）的火山岩系。火山岩不整合于石炭纪-二叠纪（C-P）变质岩系基底之上，又被中生代下白垩统登娄库组（K1d）和泉头组（K1q）沉积岩系地层不整合所覆盖。根据徐家围子地区深层火山岩地层的实际情况，按照 “测井特征相近，地质意义相同” 的原则，将该地区火山岩划归为玄武岩、安山岩、英安岩、流纹岩、凝灰岩、角砾岩6种岩石类型（图1）。图1 徐家围子地区常见的火山岩类型（部分）2 岩心岩石力学实验结果我们收集了徐家围子地区11口深井的测井资料和录井资料，以及该地区具有广泛代表性的22块火山岩岩心（表1），在实验室内分别测定了它们的岩石力学特性参数。表2给出了部分岩心抗钻实验结果，表3给出了岩石三轴应力实验结果，表4为各块岩心黏聚力和内摩擦角实验结果。表1 岩心资料综合（部分）表2 岩心实验结果（部分）表3 岩石三轴应力实验结果（部分）表4 岩心黏聚力和内摩擦角实验结果（部分）从实验数据结果分析可知，该地区火山岩可钻性值相对较高，硬度较大，塑性系数较低，泊松比较低，表现出明显的脆性和弹性特征，具体如下：流纹岩：岩性坚硬致密，可钻性级值在0级以上，岩石抗压强度和硬度分别在110～150MPa之间和5000MPa左右。安山岩：岩石可钻性差，其级值分布在5～2之间。地层硬度较高，在2000～4000MPa间；抗压强度变化范围较大，在90～130MPa之间。凝灰岩：地层坚硬致密，岩石可钻性差，级值介于0～0之间，最高达到2级。地层硬度较高，在1800～3200MPa之间；抗压强度在90～130MPa之间。角砾岩：岩石硬度高，抗压强度不均匀。地层抗压强度为60～90MPa，可钻性在8～7间，硬度在1000～2000MPa之间。玄武岩：岩性坚硬致密，可钻性极差，在0级左右；地层硬度在4000～4300MPa间，抗压强度在130MPa左右。英安岩：岩石可钻性差，可钻性级值在7级左右。地层硬度高，在3000MPa以上；抗压强度在100MPa左右。3 火山岩岩石力学参数预测模型大量理论研究表明，声波在岩石中的传播速度与岩石的硬度、可钻性、抗压强度等存在着较好的相关关系，因此声波测井资料能较好地体现岩石的力学特性［7］。以大庆徐家围子地区20口深井声波时差测井资料及该区块内不同深度、不同层位、不同岩性等具有广泛代表性的32块岩心，通过室内实验及回归分析建立了该地区地层岩石力学解释模型，其方程为：油气成藏理论与勘探开发技术：中国石化石油勘探开发研究院2011年博士后学术论坛文集4用此解释模型，根据各井的声波测井资料，得到火山岩岩石力学参数值。2 火山岩破坏准则研究研究表明岩石裂缝往往不以单一的形态出现，有张裂缝、共轭剪裂缝和介于两者之间的张剪缝。库仑-莫尔准则和格里菲斯准则广泛应用于岩石力学中，但各自存在应用条件，因此对于地下复杂的火山岩破裂不能简单地用一个准则加以判断。图2是根据实验结果绘制出的凝灰岩包络线形态。图3显示包络线形态由两段莫尔-库仑曲线组成。当围压小于某值时，内摩擦角φ较大， 岩石以张性破裂为主；围压大于某值时，内摩擦角φ变小，破裂角增大，张性破裂逐渐变成张剪性至压剪性破裂。因此本文在莫尔-库仑与格里菲思破裂准则的基础上，结合岩石力学实验，综合建立了适用于地下火山岩破裂判断的准则：图2 凝灰岩莫尔应力包络线1）流纹岩：抗压强度在110～150MPa之间，围压大于12MPa时，用库仑-莫尔破坏准则，内摩擦角φ＝13°，破裂角θ＝435°；围压小于12MPa时，用格里菲斯破坏准则。图3 两段式莫尔-库仑曲线2）凝灰岩：抗压强度在90～130MPa之间，围压大于23MPa时，用库仑-莫尔破坏准则，内摩擦角φ＝01°，破裂角θ＝995°；围压小于20MPa时，用格里菲斯破坏准则；围压在20MPa～23MPa之间时，两个破坏准则均适用。3）安山岩：抗压强度为90～130MPa，围压大于16MPa时，用库仑-莫尔破坏准则，内摩擦角φ＝5°，破裂角θ＝75°；当围压小于14MPa时，用格里菲斯破坏准则；围压在14MPa～16MPa之间时，两个破坏准则均适用。4）角砾岩：抗压强度为60～90MPa，围压大于7MPa时，用库仑-莫尔破坏准则，内摩擦角φ＝47°，破裂角θ＝265°；当围压小于7MPa时，用格里菲斯破坏准则。5）玄武岩：抗压强度在130MPa左右，单轴压缩实验样品呈张性破裂，用格里菲斯破坏准则。6）英安岩：抗压强度在100MPa左右，单轴压缩实验样品呈张性破裂，用格里菲斯破坏准则。3 应用表5为牙轮钻头在徐家围子深部地层的使用情况。表5 损坏较严重的牙轮钻头使用情况统计（部分）从表5可以看出，在已完钻的11口深井中有8口井在营城组牙轮钻头磨损严重，主要表现为：钻头牙齿、壳体磨损严重；断齿、掉齿、掉牙轮尖严重；钻头外径磨损严重。钻井工程投资巨大，风险性高，在油气开发勘探中，如何以最小投入、最低风险和最快速度钻成一口井，一直是钻井界人士着力研究、解决的问题。而钻头的合理评价与选型对提高钻井速度、降低钻井成本起着非常重要的作用。本文利用前面得到的火山岩岩石力学预测模型及火山岩破坏准则，并结合主成分分析法，提出了一种新型的钻头选型方法。1 基本原理在处理钻头数据时，如果有n只钻头，表征每只钻头的参数（或指标或属性）有m个，如钻压、转速、进尺、地层岩性、岩石泊松比、岩石抗压强度、岩石破坏方式等，那么可以用一个矩阵来表示这n只钻头的数据：油气成藏理论与勘探开发技术：中国石化石油勘探开发研究院2011年博士后学术论坛文集4如果从钻头数据多元统计的角度去分析，钻头选型的实质就是依据钻头的效果指标优选钻头，然后寻求该指标下最优的钻头工作条件。假设从总体X中获得了n个样品，每个样品有p个属性，则有：油气成藏理论与勘探开发技术：中国石化石油勘探开发研究院2011年博士后学术论坛文集4显然，如果p个指标是互相独立的，则可以把问题化为p个单指标来处理。主成分分析正是解决把原来多个指标化为少数几个互不相关的综合指标（用y1…yk表示）的一种统计方法，可以达到数据简化、进而揭示变量之间的相互关系和进行统计解释的目的，具体方法见相关文献。2 应用结果使用Visual Basic 0开发了主成分方法钻头优选模块。对大庆油田徐家围子地区侏罗纪地层101只共计21类不同类型的钻头进行了优选分析（具体数据省略）。优选的结果如表6所示。结合5部分钻头使用情况统计分析的结果，优选出的钻头与该地区已钻井钻头中使用效果最好的钻头型号符合率达100％。4 结 论1）火山岩可钻性级值相对较高，硬度较大，抗压强度不均匀。2）测井响应特征参数声波时差能够很好地体现火山岩岩石力学特性参数，从而得到火山岩地层岩石力学特性参数（抗压强度、弹性模量、泊松比、黏聚力和内摩擦角）预测模型。表6 钻头选型系统的优选结果3）综合应用莫尔-库仑与格里菲思破裂准则，建立了适用于地下火山岩破裂的判断准则。4）利用火山岩岩石力学预测模型及火山岩破坏准则，并结合主成分分析法，可以优选钻头类型。参考文献［1］侯启军，赵志魁，王立武火山岩气藏［M］北京：科学出版社，2009：5～［2］陈岩克拉玛依油田一区石炭系火山玄武岩油藏剖析［J］新疆石油地质，1988，9（29）：17～［3］高知云，章谦澄黄骅盆地新生代火山岩与油气［M］北京：石油工业出版社，1999：80～［4］刘泽容，信全麟，王永杰，等山东惠民凹陷西部第三纪火山岩油藏形成条件与分布规律［J］地质学报，1988，62（3）：210～［5］杨新明闵桥油田火山岩油藏储层特征研究［J］江苏油气，1993，4（3）：24～［6］杨明合徐家围子地区火山岩地层岩性识别及抗钻特性评价方法研究［D］北京：中国石油大学，石油与天然气工程学院，［7］楼一珊，金业权岩石力学与石油工程［M］北京：石油工业出版社，2006，94～