１７４ 西部探矿工程 ２０１２年第ｌ１期 深层岩石力学性质的影响因素分析 张永清 ，张 阳 ，赵小龙 ，李 洪 ，陈春宇 （１．西南石油大学，四川成都６１０５００；２．青海油田炼油厂，青海格尔木８１６０００） 摘要：随着油气需求量的增大，我国的油气勘探开发不断向深部地层发展，而深层岩石处于高围压、 高孔隙压力、高温度的环境中，其力学性质、破坏特征和浅层岩石有所不同。从围压、温度、中间应力 三个方面入手，分析了其对深层岩石力学性质的影响，给出了深层岩石在高应力的岩石力学参数表达 式，并分析了深层岩石的破坏特征。 关键词：深层岩石；力学性质；中间应力；破坏特征 中图分类号：ＴＥｌ２文献标识码：Ａ文章编号：１００４－－５７１６（２０１２）１ｌ一０１７４一Ｏ３ 石油和天然气作为战略资源对国家经济安全及 国民经济的可持续发展有着重大的影响，目前我国 油气的对外依存度越来越大，迫切需要在勘探开发 上取得重大突破，于是勘探开发的目标由浅层逐渐 走向深层。 系［。 ；泊松比随围压的增加而增加，两者有较好的对数 关系 。 对于深层碳酸盐岩而言，其抗压强度和围压有较好 的乘幂关系；弹性模量随围压的增加而增加，两者有较 好的线性关系；泊松比随围压的增加而增加，两者有较 好的对数关系［ｎ］。 综上可知：对于石油工程领域常见的深层岩石，其 西北部盆地是我国油气资源的主要接替区，其资源 量的７３ 埋藏在深层［ ；四川盆地及松辽盆地的钻井 也多向深层发展＿２］。石油工程的工作对象是岩石＿３］，只 有较好地掌握岩石的力学性质及规律，才能安全、高效 地进行勘探和开发，而深层岩石的变形和强度都有别于 水利水电工程、地下巷道工程等浅部地层的岩石＿４］，因 此，有必要对深层岩石力学性质的影响因素进行研究和 抗压强度和围压一般呈乘幂关系；弹性模量随岩石的压 密程度而变化：岩石压密性不强时，弹性模量随围压呈 线性关系，压密性好时，弹性模量随围压的变化变化不 大；泊松比和围压一般呈对数关系。内摩擦角和围压呈 较好的对数关系。 总结，以更好地为油气勘探开发服务。 １ 围压对深层岩石力学性质的影响 １．１ 围压对深层岩石强度特性的影响 强度参数和围压的关系如下： 抗压强度（Ｓｃ）和围压（Ｐ）的关系： Ｓｃ—ＡＰ。 （１） 深层岩石虽然处于围压、高温度和高孑Ｌ隙压力的环 境中，但高地应力对岩石的特性影响较大，在高地应力 条件下岩石的力学性质也十分特殊。其强度特征、变形 特征等都和浅层岩石有较大的不同。 对于深层大理岩而言，其抗压强度随围压的增加而 弹性模量（Ｅ）和围压（Ｐ）的关系： Ｅ—ＡＰ＋Ｂ（欠压密、裂缝性岩石） Ｅ≈常数（压密性好的岩石） 泊松比（ ）和围压（Ｐ）的关系： －（２） （３） 增加，两者有较好的乘幂关系；弹性模量基本不随围压 的变化而变化［５－６］，而变形模量随围压的增大则有先增 大后减小的趋势；泊松比（饱和岩石）随围压的增加而增 加，两者有较好的对数关系［５］。 ＡｌｎＰ＋Ｂ 内摩擦角（ ）和围压（Ｐ）的关系： 一一ＡｌｎＰ＋Ｂ （４） 对于深层砂岩而言，其抗压强度和围压有较好的乘 式中：Ａ、Ｂ——正数参数。 １．２围压对深层岩石破坏（变形）特性的影响 幂关系；内摩擦角随围压的增加呈对数关系减小＿７ ］。 弹性模量随围压的增加而增加，两者有较好的线性关 ＊收稿日期：２０１２—０３—３１修回日期：２０１２—０３—３１ 在低围压下表现为脆性的岩石在高围压下可能表 第一作者简介：张永清（１９８５一），男（汉族），河南洛阳人，西南石油大学在读硕士研究生，研究方向：岩石力学及测井资料在工程中的应用。 １７６ 西部探矿工程 ２０１２年第１１期 通过高温高压下的岩石力学实验可知：温度比围压 应力都对深层致密岩石的力学性质和破坏特征有较大 的影响，因此，在研究井壁稳定时，把三者的影响都考虑 更容易影响岩石的力学性质，当温度达到特定值时力学 特性曲线就会发生弯曲和形状变化，岩石的种类不同转 换点不同，虽然温度的影响规律目前还不太清楚，然而 可以明确知道的是：温度对岩石力学性质的影响是明显 的ＥＭ］。此外，有学者还认为，温度是控制岩石蠕变或流 变的主要因素＿１ 。 进去将更有利于提高预测井壁稳定性的精度。 参考文献： ［１］马开华，刘修善．深井超深井钻井新技术研究与应用［Ｍ］． 中国石化出版社，２００５． 综上所述，在温度达到一定值后，温度的增加将导 Ｅ２］阎铁，李士斌．深部井眼岩石力学理论与实践［Ｍ］．石油工 业出版社，２００２． 致岩石强度下降、转变为延性破坏，且会加剧岩石的不 稳定，因此在评价深井、超深井的井壁稳定时需适当考 虑温度效应。 ３中间主应力的影响 在常规三轴试验中，西＞ 一吼即中间主应力和围 压相等，而在实际情况下 一般不等于 且大于 ， 为了更好地研究深层岩石的稳定性就需要研究中间主 应力对深层岩石力学性质的影响。 岩石中普遍存在着中间主应力效应，中间主应力效 应可使岩石的极限抗压强度提高；但是中间主应力效应 是具有区间性的，即在 为定值的情况下，岩石的极限 抗压强度随 值的增加刚开始是逐步提高的，当其达 到某一峰值后，随着ｃｒ３值的增加而下降［１ ，这一临界 点目前研究较少。 有学者研究表明，中间主应力对致密岩石和疏松岩 石的影响是不同的：岩石越致密坚硬，中间主应力效应 越大，岩石越疏松，强度越低，中间主应力效应越小，且 中间应力效应小于围压效应Ｌ１ 。 然而有学者对水泥石进行真三轴试验时发现，随着 中问主应力的增加，水泥石从延性脆性转变＿２。。。 综上所述：中间主应力对岩石强度的影响具有区间 性，岩石强度随中间应力的增加先增大后减小；岩石越 致密中间应力效应越大，岩石越疏松中间应力效应越小 中间应力会改变岩石的变性特征。 ４结束语 随着国民经济的发展，能源的需求量越来越大。石 油和天然气是能源结构中的主要部分，而我国目前较多 的石油天然气都赋存与深部地层，开采深部资源的最大 难度就在于深层岩石所处的环境十分复杂，岩石的力学 性质及破坏机理尚未完全清楚。 本文针对石油工程领域常见的深层岩石，从围压、 温度、中间应力三个方面分析了这些因素对其力学性质 的影响并分析了其破坏特征，同时还给出了岩石力学参 数与围压的关系。从本文的综述可知，围压、温度、中间 Ｅ３］ 陈勉，邓金银，吴志坚．岩石力学在石油工程中的应用 ［Ｍ］．石油工业出版社，２Ｏ０６． Ｅ４］陈勉，邓金银，金衍．石油工程与深层岩石力学进展［Ｍ］． 石油工业出版社，２００８． Ｅ５］黄书岭．高应力下脆性岩石的力学模型与工程应用研究 ［Ｄ］．中国科学院武汉岩土力学研究所，２００８． Ｅ６］蔡朋．高应力条件下岩石力学试验及强度研究ＥＤ］．长江科 学院，２ＯｌＯ． ［７］孙国文，李树刚，余果．不同围压下砂岩剪切面倾角的实验 研究［Ｊ］．西安科技大学学报，２００９，２９（４）：４３３—４３５． Ｅ８］刘建，李建朋．砂岩高应力峰前卸围压试验研究［Ｊ］．岩石 力学与工程学报，２０１ １，３０（３）：４７３－４７９． Ｅｇ］赖勇．围压对杨氏模量的影响分析［Ｊ］．重庆交通大学学 报，２００９，２８（２）：２４７—２４９． ［１０］黄荣樽，庄锦江．围压对岩石泊松比影响的试验研究［Ｊ］． 华东石油学院学报，１９８５（１）：３４—４６． ［１１］张旭东，薛承瑾，张烨．塔河油田托普台地区岩石力学参 数和地应力试验研究及其应用ＥＪ］．石油天然气学报， ２０１１，３３（６）：１３２—１３４． Ｅ１２］ Ｓｉｎｇｈ Ｊ．Ｓｔｒｅｎｇｔｈ ｏｆ ｒｏｃｋｓ ａｔ ｄｅｐｔｈ．Ｒｏｔｔｅｒｄａｍ：八八 Ｂａｌｋｅｍａ．１９８９：３７—４４． Ｅ１３］林卓英，吴玉山，关伶俐．岩石在三轴压缩下脆一延性转 化的研究ＥＪ］．岩土力学，１９９２，１３（２）：４５—５３． ［１４］李剑光．温度对深部软岩蠕变特性的影响研究［Ｄ］．辽宁 工程技术大学，２００７． Ｅｌ５］ 曾春雷．高温、高压和渗流耦合作用下软岩力学行为的研 究ＥＤ］．青岛科技大学，２００７． Ｅ１６］孙天泽．高围压条件下岩石力学性质的温度效应ＥＪ］．地 球物理学进展，１９９６，１１（４）：６３—７Ｏ． Ｅｌ７］周宏伟，谢和平，左建平．深部高地应力下岩石力学行为 研究进展＿Ｊ］．力学进展，２００５，３５（１）：９１—９７． Ｅｌ８］徐德欣．岩石中间主应力效应的理论分析ＥＪ］．山地学报， ２ｏｏ３，２１（２）：２４６—２５１． Ｅ１９］李小春，许东俊．中间主应力对岩石强度的影响程度和规 律ｒＪ］．岩土力学，１９９１（１）：９－１６． Ｅ２ｏ］刘汉东，曹杰．中间主应力对岩体力学特性影响的试验研 究口］．人民黄河，２００８，３ｏ（１）：５９—６０．
