中国石油大学岩石力学模拟试题

绪 论

一、名词解释 1.岩石力学

岩石力学是研究岩石和岩体力学性能的理论和应用的科学，它是力学的一个分支，是探讨岩石和岩体对其周围物理环境中力场的反应。 2.静岩压力

地球内部在不同深度处单位面积地球内部岩石压力基本上保持平衡，类似于静水压力；其数值与该处上覆岩石的总重量相等，称为静岩压力，其大小可用P=ρgh来表达，即静岩压力（P）等于某一深度（h）、该处上覆物质平均密度（ρ）与平均重力加速度（g）的乘积。 二、简答题

1 岩石具有哪三种特性？

①非均质性；②不连续性。岩体不但有微观的裂隙，而且有层理、片理、节理以至于断层等不连续面；③各向异性。 2 怎样理解岩石的多相体？

岩石是由岩石骨架和孔隙组成。岩石骨架是固体，孔隙里面充满了流体，流体包括油气水。所以，岩石是由固体和流体组成的，是固液两相或固液气三相，所以岩石是多相体。

3. 岩石力学的复杂性体现在什么地方？

岩石力学的复杂性表现在：⑴岩石具有局部破坏特性；⑵尺寸效应；⑶抗拉强度比较小；⑷地下水的影响；⑸风化；⑹岩体外载的不确定。 4. 钻井中有哪些问题与岩石力学有关？

①井壁稳定问题，包括井眼缩径、井壁坍塌、井漏等；②岩石破碎问题，包括岩石的剪切破坏与抗压破坏等。

第一章 应力与应变

一、选择题

1、在地下，岩石所受到的应力一般为（ B ）。

A、拉应力 B、压应力 C、剪应力 二、名词解释

1、什么是面力？什么是体力？

所谓面力指的是作用在物体表面上的力，如压力、摩擦力等。 体力指布满在物体内部各质点上的力，如重力 、惯性力、电磁力等。 2、什么是正应力？什么是剪应力？

作用力与受力面的关系可以呈任意方向，如果作用力是沿着受力面的法线方向，作用力就称为法向力，除以受力面的面积得到的值就是正应力值。如果作用力与受力面的法线方向垂直，即与受力面平行，作用力就称为剪切力，除以受力面的面积得到的值就是剪应力值。 三、简答题

1、应力的正负是怎样规定的？

岩石力学中，①正应力以压应力为正，拉应力为负；②剪应力以使物体发生逆时针转动为正，反之为负；③θ角以x轴正向沿逆时针方向转动所形成的夹角为正，反之为负。

2、一个点的平衡状态需满足哪两个平衡？ 一是满足力的平衡，二是满足力矩的平衡。 3、怎么理解受力单元体？

由于岩石的破坏具有局部性的特点，所以采用受力单元体的方式来进行分析，找到受力单元体破坏的方位，从而对整体岩石的破坏进行分析。 4、应力的两个下标各表示什么含义？

应力的第一个下标表示应力所在面的外法线方向；第二个下标表示应力的方向。由于正应力的两个下标一样，所以可用一个下标来表示。 5、画出二维应力受力体的受力图。

所谓二维应力状态，是指与第三角标有关的应力分量皆为零的状态，即

33 =

32 = 31 = 0

这也就是通常所指的平面应力状态。

6、什么是剪应力互等定理？

在两个互相垂直的平面上，两个相反的剪应力必然成对存在，且大小相等，方向相反。

7、什么是主应力和主平面？

面元上只有正应力，剪应力等于零时，面元的法线方向称为主方向，相应的正应力称为主应力，主应力所在的平面称为主平面。 8、什么是莫尔应力圆？

莫尔应力圆由莫尔（Mohr）于1914年提出。以正应力（σ）和剪应力（τ）为直角坐标系的圆上各点表示点在不同方位上的应力状态。其圆心为［(σ1+σ3)/2,0］，半径为(σ1-σ3)/2，与σ轴交于两点，即σ1和σ3。不同的应力状态可用一系列的圆来表示。 四、计算题

1、如果知道了地下岩石某一点的平面应力状态如下：x20MPa,

y10MPa, xy10MPa

(1)画出应力莫尔圆； (2)计算 1 ,max

(1)应力莫尔圆

σ τ

(2)如图可知： maxr12xyxyyx2212201021010211.2(MPa)

1xY2r201011.226.2(MPa) 22、如果知道了地下岩石某一点的平面应力状态如下：x20MPa,

y10MPa, xy10MPa

（1）画出应力莫尔圆； （2）计算 1,2,max 解： (1)应力莫尔圆

(2)如图可知：

σ τ maxr1212xyxyyx2212201021010211.2(MPa)

xY2xY2rr201011.226.2(MPa) 2201011.23.8(MPa) 2

第二章 岩石组成与岩石物理性质

一、填空题

1、沉积岩按沉积类型可分为（碎屑沉积岩）、（结晶沉积岩）、（生物沉积岩）。 二、选择题

1、下列关于孔隙度的大小排列正确的是（ C ） A、绝对孔隙度>流动孔隙度>连通孔隙度 B、流动孔隙度>连通孔隙度>绝对孔隙度 C、绝对孔隙度>连通孔隙度>流动孔隙度

2、由于岩石的抗压强度远大于它的抗拉强度。所以岩石属于（D） A脆性材料 B延性材料

C 坚硬材料 D脆性材料，但围压较大时，会呈现延性特征 3、岩体的尺寸效应是指（ C）。

A. 岩体的强度和弹性模量与试件的尺寸没有什么关系 B. 岩体的强度和弹性模量随试件的增大而增大的现象 C. 岩体的强度和弹性模量随试件的增大而减少的现象 D. 岩体的强度比岩石的小 三、判断改错题

1、砂岩中存在四种基本孔隙结构：粒间孔隙、溶蚀孔隙、微孔隙和裂隙，其中微孔隙和裂隙属于次生孔隙。

×。把“其中微孔隙”改为“其中溶蚀孔隙”。

2、岩石分为沉积岩、变质岩、火成岩三类，化石存在于这三类岩石中。 ×。把“这三类岩石”改为“沉积岩”。

3、以下三种孔隙度的关系为：绝对孔隙度〉连通孔隙度〉流动孔隙度。 √。

4、岩体的渗透率是表征岩体介质特征的函数，与流体性质无关。 √

四、名词解释 1、重力密度

重力密度(γ)是指单位体积中岩石的重量，通常简称为重度。这个指标通常由密度乘上重力加速度而得，其采用的单位为kN/m3。 2、岩石的孔隙比和孔隙度

岩石的孔隙比(e)指孔隙的体积Vv与固体体积Vs之比。其公式为eVv

Vs

岩石的孔隙度（Φ）指孔隙的体积Vv与试件总体积V的比值，以百分率表

示。其公式为

Vv100 （%） V孔隙比和孔隙率存在如下关系：e

13、岩石的渗透性

在压力作用下，岩石允许流体通过的性质称为岩石的渗透性。它间接地反映了岩石中裂隙间相互连通的程度。 4、岩石

岩石是由一种或几种矿物按一定方式结合而成的天然集合体，如：花岗岩是由石英、长石、和云母颗粒组成的。 5、砂岩的双孔隙

砂岩的双孔隙包括原生孔隙和次生孔隙。 6、岩石的粒度组成

岩石的粒度组成是指构成岩石的各种大小不同的颗粒含量，以百分数表示。 7、岩石的比表面积

岩石比表面积是指单位体积的岩石内颗粒的总表面积。 五、简答题

1、按照孔隙度值来划分或评价储集层，其标准是什么？ 按照孔隙度值来划分或评价储集层，其标准是： φ<5% 极差储层 5%<φ<10% 差储层 10%<φ<20% 良好储层 φ>20% 特好储层 2、怎样判别侵入岩和喷出岩？

一般说来，细粒火成岩大都是喷出岩，它们的温度先是急剧下降，然后至地面进行冷却；而粗粒火成岩多是侵入岩，它们的温度是逐渐冷却的。所以可以用颗粒的粗细来判别侵入岩和喷出岩。 3、沉积岩是经过哪些作用形成的？

沉积岩是经过母岩风化、剥蚀、搬运、沉积作用后，又经过胶结、压固、重结晶、交代作用形成的。

4、什么是岩石的变质作用？

在地球内部高温或高压的情况下，先已存在的岩石发生各种物理、化学变化使其中的矿物重结晶或发生交互作用，进而形成新的矿物组合。这种过程一般称之为变质过程，相应的这一作用叫做变质作用。 5、什么是成岩旋回？

由火成岩、沉积岩和变质岩的形成过程可以看出它们之间有着密切的联系，它们都是活动着的地球过程的产物，同时，随着地球上主要地质过程的演变，这三类岩石之间可以互相转变。

成岩旋回图

6、岩石的物理性质主要由哪三个方面的因素决定的？

一般说来，岩石的物理性质主要由三个方面的因素决定：

第一，岩石的组成，包括组成岩石的矿物成分，岩石内部的孔隙度，岩石的饱和状态和孔隙流体的性质等；

第二，岩石内部的结构，包括矿物颗粒的大小、形状及胶结情况，岩石内部的裂隙和其它不连续界面等；

第三，岩石所处的热力学环境，包括温度、压力和地应力场等。 7、什么是沉积岩的碎屑结构？举例说明

碎屑岩是由单个颗粒通过胶结物胶结而成的，其中有大量的孔隙，常见的胶结物有钙质、硅质、泥质等，像砂岩等。 8、什么是沉积岩的结晶结构？举例说明

结晶沉积岩的结构是由沉积过程中生成的晶体决定的，晶体形成一种紧密排

列结构，原生孔隙小，如碳酸盐岩、盐膏岩等。 9、什么是变质岩的片状结构？

变质岩的片状结构是在高温高压下，由重结晶作用和各种矿物的分离作用而造成的明暗矿物间互带，如片麻岩。

10、碎屑沉积岩不同胶结物的胶结强度是怎样一个顺序？

对于碎屑沉积岩来说，其胶结物对强度影响程度最大，即其强度主要取决于矿物颗粒间的连接强度。不同胶结物的连接强度不同：硅质〉铁质＞钙质＞泥质。 六、计算题

1、假定岩石由半径为1mm的矿物小球按立方堆积（下图）组成，计算其孔隙度和孔隙比表面积。再假定岩石由半径为1cm的矿物小球按立方堆积组成，计算其孔隙度和孔隙比表面积。并讨论尺度效应。

解：①对于半径为1mm的矿物小球立方堆积的岩石，取其边长为2mm的正方体，正好容纳1个矿物小球：

43131310.520.4848% 2412SSA31.57(mm2/mm3)

22②对于半径为1cm的矿物小球立方堆积的岩石，取其边长为2cm的正方体，正好容纳1个矿物小球：

43131310.520.4848% 2412SSA31.57(cm2/cm3)0.157mm2/mm3

22③经计算可知，对于半径不同的相同粒径的矿物小球按立方堆积时，其孔隙度都为48%，但孔隙比表面积却不一样。岩石的颗粒越细，孔隙比表面积越大。

第三章 岩石的力学性质及其影响因素

一、填空题

1、围压影响着岩石的残余强度。随着围压加大，岩石的（抗压强度）、（弹性模量）、（残余强度）、（延性）都跟着增加。

2、如果将岩石作为弹性体看待，表征其变形性质的基本参数是（弹性模量）和（泊松比）。

3、当岩石孔隙度增大时，岩石强度（降低）；当围压增大时，岩石强度（增加）。 4、岩石的破坏取决于物理环境，包括（围压、温度、应变率、中间主应力及孔隙、孔隙压力）等，在低温、低围压及高应变率条件下，岩石往往表现为（脆性破坏）；而在高温、高围压及低应变率的条件下，岩石往往表现为（延性破坏或延性流动）。

5、垂直于岩石层面加压时，其抗压强度(大)，弹性模量(大)；顺层面加压时的抗压强度(小)，弹性模量(小)。

6、通常情况下，岩石的峰值应力及弹性模量随着应变率降低而（下降），而破坏前应变则随着应变率降低而（增加）。 二、选择题

1、围压增加，岩石的弹性模量（ A ）。

A、增大 B、减小 C、不变 2、岩石的峰值强度随围压的增加而（ A ）。

A、增大 B、减小 C、不变 3、岩石的变形能力越大，岩石的（ B ）越大。 A、脆性 B、塑性 C、刚性 4、剪胀(或扩容)表示（D） A岩石体积不断减少的现象 B裂缝逐渐闭合的一种现象 C裂缝逐渐涨开的一种现象

D岩石的体积随压应力的增大逐渐增大的现象 5、剪胀(或扩容)发生的原因是（D）

A岩石内部裂隙闭合引起的 B压应力过大引起的

C岩石的强度大小引起的 D岩石内部裂隙逐渐张开的贯通引起的 6、岩石的抗压强度随着围岩的增大（A）

A 而增大 B而减小 C保持不变 D 会发生突变

7、下列那个不是水对岩石力学性质的影响（A）。

A. 连接作用 B. 润滑作用 C. 孔隙水压力作用 D. 弱化作用 8、在岩石抗压试验中，若加载速率增大，则岩石的抗压强度（A）

A增大 B减小 C不变 D无法判断 9、岩石的割线模量和切线模量计算时所对应的应力取值为（B） A σB/2 B σc/2 C σD D σ50 10、岩石的本构关系是指( C)。 A. 应变－时间关系 B. 应力－时间关系

C.应变与应力等其他函数的关系 D. 应力－应变－时间关系

11、在应力应变全过程变化曲线的四个阶段中，应变硬化现象发生在哪一阶段（ C ）

A、微裂隙的压密阶段 B、线弹性变化阶段 C、微破裂阶段 D、破坏阶段 三、判断改错题

1、在围压一定的条件下，孔隙压力越高，岩石的变形越大。 √。

2、随着围压的增大，岩石的弹性极限显著减小。（ A） ×。“显著减小”改为“增大”。 3、围压越高，岩石的变形能力越大。 √。

4、围压用来描述岩石在地下所受的压力环境。 √。

5、围压增加，岩石的弹性模量增大。 √。

6、岩石中的孔隙和裂隙越多，岩石的力学性质越好。（A ）

×。把“越好”改为“越差”

7、沉积岩在常温和200℃下的力学性质基本一致。 ×。把“基本一致”改为“不一致”。

8、岩石的力学性质主要是指岩石的变形特征和强度特征。 √。

9、岩石在常温常压下的变形特征与深层一致。 ×。把“一致”改为“不一致”。

10、岩石应力应变的全过程曲线可以通过在常规试验机上进行单轴压缩试验得到。

×。改成常规试验机改成刚性试验机或者改成岩石应力应变的全过程曲线不能通过在常规试验机上进行单轴压缩试验得到。 四、名词解释 1、岩石的本构方程

岩石的本构方程表示岩石的应变与应力、围压、应变率、孔隙度等函数之间的关系。

2、岩石的弹性参数

任何固体在外力作用下都要发生形变，当外力的作用停止时，形变随之消失，这种形变叫弹性形变。岩石的杨氏弹性模量（E）、切变（刚性）模量（G）、体积模量（K）和泊松比（ν）等是描述岩石弹性形变、衡量岩石抵抗变形能力和程度的主要参数。岩石最基本的弹性参数是弹性模量与泊松比。 3、岩石的静态弹性参数

根据岩样在施加载荷条件下的应力一应变关系，可以确定岩石的各弹性模量和泊松比，这样得到的岩石的各弹性模量和泊松比，称为岩石的静态弹性模量和静态泊松比，统称静态弹性参数。 4、岩石的动态弹性参数

弹性模量和泊松比不仅可以根据岩样在施加载荷条件下的应力一应变关系得到，而且也可以利用弹性波的传播关系，由测量的弹性波速度和体积密度计算得到。由此得到的岩石的弹性模量和泊松比称为动态弹性模量和动态泊松比，统称动态弹性参数。

5、岩石的杨氏模量和刚性模量

杨氏弹性模量是岩石弹性强弱的标志。设长为L，截面积为A的岩石，在纵向上受到力F作用时压缩ΔL，则纵向压应力（F/A）与纵向应变（ΔL/L）之比

EFALL

值即为静态杨氏弹性模量（E），即：

各向同性物体受到简单的剪应变作用时，沿剪切平面（方向和形状不变的平面）就会产生一定的剪应力。这一平面上的剪应力与剪应变之比即为刚性模量。

G

6、岩石的体积模量和压缩模量

一弹性体受到静岩压力增量∆P的作用时会引起体积应变Q，静岩压力增量与体积应变的比值为体积模量。

KPPQ123

岩石的压缩模量就是岩石的体积模量的倒数。 7、岩石的泊松比

泊松比（ν）表示为横向相对伸长与纵向相对压缩之比。设长为 L，直径为 d 的圆柱形岩石，在受到压缩时，其长度缩短ΔL ，直径增加Δd，则泊松比（ν）

表示为：8、应变硬化

ddLL

在岩石力学中将B点的应力称为屈服应力。卸载后再重新加载，则沿曲线O1R上升到与原曲线BC相联结，这样造成了一个滞回环，在R点以后随着载荷继续增加仍沿曲线ＢＣ上升到该曲线最高点C。如果在R点以后再卸载又会出现新的塑性应变，它似乎把弹性极限从B点提高到R点，这种现象称为应变硬化。

9、岩石的剪胀(或扩容)

从岩石微破裂阶段，岩石试件不断产生微破裂以及在粒内或粒间产生滑移，岩石的体积随压应力的增加而逐渐增大的现象，这就是岩石破坏前所具有的明显非弹性变形，这种现象称为扩容。 10、应变软化

应变软化是指在岩石破坏阶段，岩石卸载后，进一步变形所需的应力比原来的要小，即应变后岩石变软的现象。 11、岩石的抗压强度

岩石的抗压强度是指岩石所能承受的最大压力，指把岩石的加压至破裂所需要的应力。又可分为岩石的单轴抗压强度和三轴抗压强度。 12、有效应力

Terzaghi (1933 )分析饱和土时首先提出孔隙压力及有效应力的概念。 当施加载荷时，土体内的压应力由两部分承担，即颗粒接触点的有效压应力与孔隙中饱和水产生的孔隙压力P(假设孔隙水不能自由排出)。 所以饱和土中任一点应力为：

'P

有效应力为：

'P

所以说有效应力指的是岩石的骨架所承受的应力值。 五、简答题

1、围压对岩石性质有什么影响？

①随着围压的增加，岩石逐渐从脆性转化为延性。

②围压还影响着岩石的残余强度。若围压为零或很低时，应力值达到峰值后，

其曲线迅速下降为零，说明岩石在这种条件下不存在残余强度。但随着围压加大，岩石的残余强度逐渐增加，直到产生延性流动。

③岩石强度及破坏前应变均随着围压的增加而增加。大多数岩石随着围压的增加其破坏前应变可达10％以上。

④围压对岩石的弹性模量的影响一般可分两种情况：对坚硬低孔隙的岩石影响较小，而对软弱高孔隙的岩石影响较大。总的来说，随着围压增加，岩石的弹性模量及泊松系数等都有一定程度的提高。 2、温度对岩石性质有什么影响？

①岩石在一定围压下，随着温度的升高，无论是拉伸或压缩，其屈服应力与强度均要降低，其影响程度随着岩石种类及受力状态的不同而各异。

②在一定围压条件下，随着温度的升高，岩石由脆性向延性转化。温度升高产生延性的原因是：由于岩石内部分子的热运动增强，削弱了它们之间的内聚力，使晶粒面容易产生滑移。

③随着温度升高，岩石的弹性模量值逐渐减小。 3、应变率对岩石性质有什么影响？

应变率是指应变的变化速率，即单位时间内应变变化量，通常用以(或dε/dt)表示。

在一定围压、温度下，应变率对岩石变形特征、弹性模量及强度均有较大影响。通常情况下，岩石的峰值应力（强度）及弹性模量随着应变率降低而下降，而破坏前应变则随着应变率降低而增加。弹性模量随着应变率增加而增大。 5、判断脆性破坏和延性破坏的标准是什么？

对于岩石而言，破坏前永久应变在3％以下可作为脆性破坏，5％以上作为延性破坏，3-5％为过渡情况。

6、三轴压机中，为什么要对实验岩心进行密封包裹？

由于施加围压的介质是流体。不对实验岩心进行密封包裹，流体就会充满实验岩心，使得岩心在围压方向上的有效围压为零。所以要对实验岩心进行密封包裹。

7、试分段说明典型岩石应力－应变全过程曲线的基本特征。

岩石应力－应变全过程曲线只有在刚性试验中才能做出，如图所示，典型岩

•石应力－应变全过程曲线一般可以分为四个阶段来描述其性质：

①OA阶段，通常被称为裂隙闭合阶段。其特征是应力－应变曲线呈上凹型，即应变随应力的增大而减小，形成这一特性的主要原因是：存在于岩石内部的微裂隙在外力作用下发生闭合所致。

②AB阶段，弹性变形阶段。这一阶段的应力－应变曲线基本呈直线。 ③BC阶段，微破裂阶段。当应力值超出屈服应力之后，随着应力的增大曲线呈下凹状，明显的表现出应变增大的现象。进入了塑性阶段，岩石将产生不可逆的塑性变形。

④CD阶段，为破裂阶段。虽然此时已超出了峰值应力，但岩石仍具有一定的承载能力，而这一承载力将随着应变的增大而逐渐减小，表现出明显的软化现象。

8、刚性压机有什么优点？

普通压力机加压（贮存弹性应变能）岩石试件达峰点强度（释放应变能）导致试件崩溃。普通试验机得到峰值应力前的变形特性，多数岩石在峰值后工作。 刚性压机就是与普通压力机相比，刚性模量比较大，所以储存的应变能比较小，岩石试件达峰点强度（释放应变能）不会导致试件崩溃。刚性压机可以得到峰值应力后的变形特性。 六、计算题

1、某地层岩样做单轴强度实验，应力应变关系曲线如图所示，岩样的直径为25.4mm，高度为50mm，试确定此岩心的杨氏模量、体积模量和泊松比？

解：E1001667(MPa) 6%10000PP3K1667(MPa) Q1230.060.020.02 R2%0.33 A6%2、在实验室中，3小时完成岩石试样10%的应变，请计算应变率是多少？如果换成1年又是多少？ 解：••d10%105/s dt33600 d10%10%3.1109/s 7dt3652436003.210第四章 岩石的强度与室内测定

一、填空题

1、岩石的力学性质取决于组成晶体、颗粒和（胶结物）之间的相互作用以及诸如（裂缝、节理、层面和较小断层）的存在。

2、在岩体中存在大量的结构面（劈理、节理或断层），由于地质作用，在这些结构面上往往存在着软弱夹层；其强度（远低于岩体本身的强度）。这使得岩体有可能沿软弱面产生（剪切滑移）。

3、抗剪强度一般有两种定义：一种是指（试件在法向载荷作用下，岩石剪切破坏面上的最大剪应力）；另一种定义为（纯剪切时（即没有法向载荷），剪切破坏面上的最大剪应力）。前者考虑到剪切破坏时岩石中包含（粘聚力）和（内摩擦角）；后者仅仅取决于（粘聚力）。因此，亦有人称前者为（抗剪强度），称后者为（抗切强度）。确定岩石抗剪强度的室内实验常采用（直接剪切试验），从岩石三轴实验可知，当围压较低时，岩石剪切破裂线近似为（直线）；但当围压较高时则为（曲线）。

4、岩石的抗拉强度是指（试件在单轴拉伸条件下达到破坏时的极限应力）。可采用（巴西劈裂试验）方法来测定岩石的抗拉强度，若试件破坏时的压力为P，圆柱岩心的直径为d，长度为l，则试件的抗拉强度可用式子（

2p）表示。 dl5、在单向压缩荷载作用下，岩石试件发生圆锥形破坏的主要原因是（试件两端与实验机压板之间的摩擦力）。 二、选择题

1、岩石的抗拉强度一般通过（ C ）实验获取。

A、直接拉伸 B、三轴实验 C、巴西实验 2、一般情况下，岩石的抗拉强度（ B ）抗压强度。

A、等于 B、小于 C、大于 3、库伦-摩尔准则表征岩石的（ B ）破坏形式。

A、拉伸 B、剪切 C、压缩 4.劈裂试验得出的岩石强度表示岩石的（B）

A抗压强度 B抗拉强度 C单轴抗拉强度 D剪切强度 5、格里菲斯准则认为岩石的破坏是由于（A） A拉应力引起的拉裂破坏 B压应力引起的剪切破坏 C压应力引起的拉裂破坏 D剪应力引起的剪切破坏

6、在岩石单向抗压强度试验中，岩石试件长与直径的比值h/d和试件端面与承压板之间的摩擦力在下列哪种组合下，最容易使试件呈现锥形破裂。（B） A h/d较大，摩擦力很小 B h/d较小，摩擦力很大 C h/d的值和摩擦力的值都较大 D h/d的值和摩擦力的值都较小 7、岩体的强度小于岩石的强度主要是由于（A）。 A. 岩体中含有大量的不连续面 B. 岩体中含有水 C. 岩体为非均质材料

D. 岩石的弹性模量比岩体的大

8、在缺乏试验资料时，一般取岩石抗拉强度为抗压强度的（B）

A 1/2-1/5 B 1/10-1/50 C 2-5倍 D 10-50倍 三、判断改错题

1、岩石抗压强度实验要求岩心长径比小于2。 ×。把“小于2”改成“2~3”。

3、实验室对岩石的抗拉强度的获取分为直接法和间接法两种。其中直接法俗称巴西劈裂实验法。 ×。 直接法改成间接法

四、名词解释 1、岩石强度

是指岩石不致产生破坏而能抵抗的最大应力。 2、岩石实验的端面效应

由于压力机压头与试件端面间的摩擦大小不同，造成岩石试件破裂型式的不同。若在接触面间涂上石蜡等润滑油以减少其摩擦，则岩石试件破坏时产生平行压力方向的张性破裂；若直接在压力机上加载则岩石试件呈剪切破裂或对顶锥形破裂。

3、巴西劈裂实验

间接法一般采用劈裂法，又称巴西实验法。将岩石试件切割成圆柱体，沿圆柱体直径方向施加均布载荷，将试件横置于压力机压头上，在试件上下承压板上各放置一条钢条，然后施加压力至试件沿直径方向劈裂为止，若假设材料为均匀、各向同性的弹性体，用弹性理论即可得出抗拉强度为：

t2Pd1

式中，d为试件直径，1为试件厚度，P为破坏载荷。 五、简答题

1、分析影响岩石试件单向抗压强度的主要外在因素。

影响岩石试件单向抗压强度的主要外在因素：①试验机加载端铁板的刚度；②试件的形状；③试件的尺寸；④试件的高径比；⑤实验加载速度。

2.、试分析圆柱形岩石试件进行单向抗压强度实验时，出现圆锥形破坏的主要原因并指出消除这种破坏形式的基本措施。

①圆锥形破坏形状是由于试件两端与试验机承压板之间摩擦力增大造成的。；

②消除这种破坏形式的基本措施：消除岩石试件两端面的摩擦力或加长试件。

3、为什么采用直接法测岩石拉伸强度比较麻烦？

直接法在原理上类似于金属的拉伸破坏实验。但最大的困难是如何使岩石试件夹紧在拉力机中，同时又要使载荷平行于试件的轴线；使岩石试件处于均匀分

布的拉应力状态之中，而不使试件产生弯曲或扭转。

若试件破坏时的拉力为Pt ，则试件的抗拉强度Pt可用下式表示：因此，一般采用间接法进行拉伸破坏实验。 5、楔形简单剪切仪测定抗剪强度的原理是什么？

tPtA

楔形简单剪切仪，主要装置如下图所示，将长方柱体（10×10×15cm )试件放置在剪切仪中，在压力机上施加压力进行剪切破坏试验。

简单剪切仪装置图

当载荷P达到一定值时，试件沿ab截面剪断，一般在剪切装置上下与压力板之间装有滚轴，并加上滑润油，在加载过程中可以消除压力板与剪切仪之间的摩擦阻力。当试件产生剪切破坏时，破裂面上的剪应力及正应力分别为：

TpsinAANPNcosAA

上式中，P为试件产生剪切破坏时的载荷； T为作用在剪切破坏面上的剪力； N为作用在剪切破坏面上的压应力； A为剪切破坏面面积；

α为水平面与剪切破坏面之间的夹角。

剪切破坏实验时，同一种岩石采用多个岩石试件，分别以不同角度α进行实验。

当剪切破坏时，对应每一个α值可以得到一对σ及τ值，在σ~τ坐标系中绘出不同α值的一系列点，用光滑曲线连接这些点，此曲线即为某种岩石剪切破坏时的强度曲线（图中三条曲线表示三种岩石的强度曲线）。

岩石剪切强度曲线

6、三轴实验测定抗剪强度的原理是什么？

岩石抗剪强度的三轴实验采用图所示三轴实验仪，将岩石试件放置在压力室内，施加一定的侧向压力(σ3)，然后施加垂直压力（σ1），直到岩石破坏。这样可得到岩石破坏时σ1及σ3值。

三轴应力仪装置图

1一压力室； 2一密封装置； 3一球面底座； 4一压力输入口； 5一排气口； 6一侧向压力； 7一试件； 8一压力机施加垂直压力

于是在σ~τ坐标系中可画出一个破坏应力圆。用相同岩石的试件进行不同侧向压力σ3及垂直压力σ1的破坏实验，这样可得到一系列不同的σ1及σ3值，可画出一组破坏应力圆，如图所示。这组破坏应力圆的包络线，即为岩石抗剪强度

曲线。

o三轴实验的剪切强度曲线



图中，包络线上任意点的纵坐标即代表在一定围压及垂直压应力作用下，沿剪切破裂面的抗剪强度；任意点的切线与横坐标之间夹角，代表相应剪切面上的内摩擦角；切线与纵坐标相交的截距，即为该剪切破坏面的粘聚力C 。 六、计算题

1、某均质岩石的强度线fctg，其中c=400Kpa，φ=30°。试求此岩体在侧向围岩压力σ3=200Kpa的条件下的极限抗压强度Rc，并求出破坏面的方位。 解：

（1）在σ-τ直角坐标系中画出岩石的强度曲线，并在轴上选取σ3=200Kpa； （2）作一个通过A点并与强度曲线I相切与M点的极限应力圆CI；

（3）圆CI与σ交与B点，根据莫尔应力圆的概念，线段OB长度等于岩体在围岩应力σ3条件下的极限强度Rc，可得：Rc=2000Kpa；

（4）连接AM线段，得α=60°，此角为岩体内破坏面与σ3方向的夹角； （5）在岩体上以σ3方向为基准，逆时针方向转动α/2，因为由σ轴转往切点M是逆时针方向，即得破坏面SS’。

2、大理岩的抗剪强度试验，当n16Mpa，n210Mpa时，n119.2Mpa，

n222Mpa。该岩石作三轴抗压强度试验时，当侧向应力30时，该岩体的强度为c100Mpa。当侧压应力36Mpa时，试求其三轴抗压强度?（20分）

1、计算内摩擦角

n1Cn1tg由题意得：

n2Cn2tg联立求解得：tgn2n12219.20.7 350

n2n11061sin1sin3503.7 2、计算系数 1sin1sin3503、计算三轴抗压强度

1c31003.76122.2Mpa

第五章 岩石流变特性

一、填空题

1、在物理环境不变的条件下，若盐岩颗粒较大，则蠕变应变率（相对减小）。岩石蠕变应变率随着湿度的增加而（增大）。 二、选择题

1、下列研究岩石弹性、塑性和粘性等力学性质的理想力学模型中，哪一种被称为凯尔文模型（C）

A 弹性元件 B 粘性元件

C 弹性元件与粘性元件并联 D弹性元件与粘性元件串联 三、名词解释 1、岩石的蠕变

岩石在恒定载荷持续作用下，其变形随时间逐渐缓慢地增长现象称为蠕变。 2、岩石的应力松弛

若控制变形保持不变，应力随时间的延长而逐渐减少的现象称松驰或称应力松驰。

3、岩石的滞弹性

由于卸载后应力立刻消失，而应变却随时间逐渐恢复，所以应力与应变的恢复不是同步的，即应变总是落后于应力。具有这种特性的弹性变形称为滞弹性或弹性后效。 4、压溶

压力溶解简称压溶，是多晶体在压应力作用下产生物质扩散迁移的一种方式。在非静力应力条件下，由于多晶体中正应力随颗粒边界的方位而变化，因而，在不同方位晶面上溶解度也不相同。晶粒边界间的正应力梯度产生的化学势梯度，驱动物质从高应力边界向低应力边界扩散。 四、简答题

1、为了精确描述岩石的复杂蠕变规律，许多学者定义了一些基本变形单元，分别为弹性元件（弹簧）、粘性元件（阻尼器）和塑性元件（摩擦块）。将上述基本元件采用不同的组合方式可得到三种不同模型，写出这三种模型并给出这三种模型的元件组合方式。

麦克斯韦尔模型 弹簧和阻尼器串联而成 凯尔文模型 弹簧和阻尼器并联而成

柏格斯模型 麦克斯韦尔模型和凯尔文模型串联而成 2、简述蠕变与应力松弛的区别。

岩石在恒定载荷持续作用下，其变形随时间逐渐缓慢地增长现象称为蠕变。 若控制变形保持不变，应力随时间的延长而逐渐减少的现象称应力松弛。 3、典型的蠕变曲线分为哪三个阶段？ 典型的蠕变曲线如图 5-1 所示。

一般可将蠕变变形分成三个阶段：过渡蠕变阶段、稳定蠕变阶段、加速蠕变阶段。 （1）过渡蠕变阶段

过渡蠕变阶段是蠕变过程中的第一阶段：图5-1中的AB段。

在这个阶段内，蠕变曲线为向下弯曲的形状，也就是说曲线的斜率逐渐变小，相当于应变率处于本阶段的最小值。这一阶段的完成时间因岩石种类、温度及应力大小而各异，可达数小时或数千小时。

若在这一阶段之中（曲线上某一点E）进行卸载，则应变沿着曲线EFG下降，最后应变为零。其中EF曲线为瞬时弹性应变 之恢复曲线，而FG曲线表示应变随时间逐渐恢复为零。

（2）稳定蠕变阶段

稳定蠕变阶段是蠕变过程中的第二阶段：图 5-1 中的BC段。蠕变曲线近似一倾斜直线，即蠕变应变率保持常量，一直持续到C点。

若在这一阶段中进行卸载，则应变沿曲线HIJ逐渐恢复趋近于一渐近线，最后保留一定永久应变 。

(3)加速蠕变阶段

加速蠕变阶段是蠕变过程中的第三阶段：图 5-1 中的CD 段。 这一阶段中，应变率由C点开始迅速增加，达到D点，岩石即发生破坏。

这一阶段完成时间较短，严格地说，这一阶段可分为两个区间： a.发育着延性变形但尚未引起破坏的阶段(CP段）；

b.微裂隙剧烈发展导致变形剧增和引起破坏的阶段(PD段）。 4、表征岩石蠕变的基本元件有哪些？

为了精确描述岩石复杂的蠕变规律，许多学者定义了一些基本变形单元，然后将这些变形单元进行不同的组合，用以表示不同的变形规律。这些基本单元有线弹性元件（弹簧）、粘性元件（阻尼器）和塑性元件（摩擦块）。 5、应变硬化的微观机制是什么？

位错发育到一定程度，其传播受阻，形成网络和缠结，需增大应力才能继续传播—即“应变硬化”效应，使晶体变脆。

位错受阻的原因：低温；晶体内部的杂质；不同方向不同滑移面上的位错相互制约。

当应力大到一定量，晶体会发生破碎，因此单纯的位错滑动，不能形成大的塑性应变量。

第六章 岩石强度破裂准则

一、填空题

1、Griffith理论说明了裂缝（何时开始破裂），但不能说明裂缝（是如何扩展和传播的）。 二、选择题

1、格里菲斯强度准则不能作为岩石的宏观破坏准则的原因是（ C ） A、该准则不是针对岩石材料的破坏准则 B、该准则没有考虑岩石的非均质的特性 C、该准则忽略了岩石中裂隙的相互影响

2、按照库伦-摩尔强度理论，若岩石强度曲线是一条直线，则岩石破坏时破裂面与最大主应力作用方向的夹角为（B）

A 45° B 45°+ φ/2 C 45°－φ/2 D 60° 3、按照格里菲斯强度理论，脆性岩体破坏主要原因是（A）

A受拉破坏 B受压破坏 C弯曲破坏 D剪切破坏 三、判断改错题

1、根据库伦——纳维尔破坏准则破裂面外法线方向与最大主应力之间的夹角为

45O。 245O45O2改为2

×。

四、名词解释 1、什么是八面体？

八面体有八个面，是一个棱锥体，每个面都是一个等边三角形。正如立方体一样，八面体的这八个面均为全等的正多边形。这些多边形相接的角和边在各处均为相同。正是由于存在这样的规则性，所以各个多边形所在的平面出现的可能性均等。

以σ1、σ2、σ3的方向为坐标轴的几何空间，称为主向空间。在主向空间中的上半空间（xy平面以上，即z的正方向）可构成四个主平面，在下半空间（xy平面以下，即z的负方向）也可构成四个主平面，共有八个。这八个面组成了一个正八面体，其中每一个面称为八面体平面。 五、简答题

1、什么是最大拉应力强度理论？

该理论认为岩石破坏取决于岩石的拉伸强度。因此，作用于岩石的三个正应力中，只要有一个主应力达到岩石的单轴抗拉强度，岩石便被破坏。

1破裂准则：c或3t

2、什么是莫尔-库伦准则？

库伦—纳维尔破坏准则是：f0fn

其中：f为岩石剪切面的抗剪强度；0为岩石固有剪切强度，它与粘聚力C相当，fn为剪切面上的摩擦阻力，而n为剪切面上的正应力；f为岩石内摩擦系数ftg。

这个准则认为岩石沿某一面发生剪切破裂，不仅与该面上剪切力大小有关，而且与该面的正应力有关。岩石并不沿着最大剪应力作用面产生破坏，而是沿着其剪应力与正应力达到最不利组合的某一面产生破裂。 3、什么是Drucker-Prager强度准则？

Drucker-Prager强度准则是Von-Mises准则的推广。Von-Mises准则认为，八面体剪应力或平面上的剪应力分量达到某一极限值时，材料开始屈服，在主应力空间，Mises准则是正圆柱面，但岩石具有内摩擦性，因此，Drucker-Prager强度准则在主应力空间是圆锥面，具体形式如下：

J2H1H2J1

Drucker-Prager强度准则计入了中间应力的作用，并考虑了静水压力对屈服过程的影响，能够反映剪切引起的膨胀（扩容）性质，在模拟岩石材料的弹塑性特征时，得到了广泛的应用。

4、格里菲斯强度理论的基本要点是什么？ 答：（1）在脆性材料的内部存在着许多裂纹。

（2）根据理论分析可知，随着作用的外力的逐渐增大，裂纹将沿着与最大拉应力成直角的方向扩展。

（3）格里菲斯认为：当作用在裂纹尖端处的有效应力达到形成新裂纹所需的能量时，裂纹开始扩展，其表达式为

2E2t()

c式中，—裂纹尖端附近所作用的最大拉应力； ρ—裂纹的比表面能 c—裂纹长半轴的长度

1第七章 原 地 应 力

一、选择题

1、初始地应力主要包括（ C ） A、自重应力和残余应力 B、构造应力和残余应力 C、自重应力和构造应力

2、原地应力状态与工程施工的关系是（ B ）。

A、有关 B、无关 C、不确定

3、在原地应力的水平和垂直应力中一般来讲比较大的应力是（ B ） A、垂直应力分量 B、最大水平主应力分量 C、最小水平主应力分量 二、名词解释 1、什么是原地应力？

指钻井、油气开采等活动进行之前，地层中地应力的原始大小。 2、什么是分层地应力？

分层地应力是指按地层分层分别给出不同层位的地应力值，非常重要的是给出相邻地层的应力差。 3、什么是包体？

包体指在原岩岩体的岩层之间生成的岩石单元。 4、什么是残余应力？

残余应力指除去外力作用以后，尚残存在岩石中的应力。这种残余应力很小，往往只有零点几兆帕，所以常忽略不计。 5、滞弹性应变恢复法

滞弹性应变恢复法是利用岩石的弹性后效，从现场取出岩心后，当岩心的恢复应变稳定后，测量岩心不同方位的应变释放量，这种应变增加可以延续几十个小时，被称为滞弹性应变恢复。 三、简答题

1、原地应力分布的基本规律有哪些？

原地应力分布的基本规律有：地壳中主应力为压应力，方向基本上是铅垂和水平的；水平应力分布比较复杂；在一个相当大的区域内，最大主应力方向是相对稳定的；高应力地区岩心饼化与地应力差有关，导致井眼等地下结构不稳定。 2、简述高应力地区的表现特征。

利用勘探工程揭露出来的一些现象可以判断该地区原地应力的高低。 （1）岩芯饼化与地应力差有关。如果钻探取芯呈烧饼状，一片片地破坏，这是高地应力的产物。岩芯饼化主要与地应力差有关，垂直于钻进方向的应力差越大，饼化就越严重。

（2）导致井眼等地下结构不稳定。由于高应力区的存在，在钻井过程中会出现岩石的脆性破坏，集聚在岩石中的应变能由于突然释放而产生剥离现象。对于软弱岩层会出现缩径现象。 3、构造应力是怎样产生的？

由构造运动在岩体中引起的应力叫构造应力。在地质力学中常把构造应力叫做地应力，是指导致构造运动、形成各种构造形迹的那部分应力。 4、什么是差应变法？

地层中的岩石处在三向地应力作用下而处于压缩状态下，进行取心时，岩心脱离应力作用环境，产生弹性应力释放，伴随应力的释放在应力最大的方向上变形最大，而在应力最小的方向上变形最小。把已发生应力释放的岩心，在垂直平面和两个水平平面上（夹角90度）贴上应变片，并放置于高压容器中，在σ1=σ2=σ3的应力条件下，进行恢复性的加载，在加载的过程中，三个方向的应变量出现差异，在原始应力最大的方向应变量最大；在原始应力最小的方向应变量最小。通过测试上述岩心各方向的应变之差，就可知道这块岩心在地层中所受的应力状态。

5、什么是波速各向异性法？

地层中的岩石是处在三向应力作用状态下的，当钻井取心时岩石脱离应力作用状态，自身将产生应力释放，在应力释放过程中岩石会产生许多十分微小的裂隙，由于在最大水平地应力方向上岩心的松弛变形最大，因此，这些小裂隙将垂直最大水平主应力方向，裂隙被空气所充填，声波在岩石中传播的速度远远大于在空气中传播的速度，由于岩心中微小裂隙的存在使得声波在岩心的不同方向上

传播的速度不同，有明显的各向异性特征。岩石在原地层中所受应力大的方向上声波传播速度慢，反之在所受应力较小的方向上，声波传播速度则较快。 6、现场测定地应力的方法是什么？

现场测试以水力压裂为主。近些年利用井壁崩落反演地应力呈现出良好的发展前景。

对深层地应力的求测，水力压裂测定技术是公认的最准确的和有效的方法，井壁崩落可给出较可靠的地应力方位；其它技术多为间接测定方法。 7、有限单元法进行地应力模拟的基本原理？

有限单元法是将复杂的地质体划分为足够小的、数目有限的小块体（有限单元），对每个互不重叠的单元体来说，它是均匀、连续的弹性体。单元体之间以节点连接，这样就组成了一个以单元集合体代替复杂地质体的模型。首先计算每个单元体的构造应力场，然后将这些单元综合起来再计算整个地质体的构造应力场。此即应用有限单元法的基本思路。

有限单元法可根据研究区域的几何外形、作用方式等条件，经过一定的处理程序，以线性代数方程组的形式表达应力应变位移之间的内在联系，最后求解方程组，得出应力分布状态。

8、写出造成岩体内部产生残余应力的原因。

①由于岩体的非均匀冷却，或者虽然是均匀冷却但与其相邻的岩石单元的热膨胀系数不同。

②岩石介质中各种局部的矿物变化也会引起残余应力的产生。 ③岩体中的局部再结晶过程可能产生体积应变。 ④矿物几何体含水量的变化，也会产生应变和残余应力。 四、计算题

1、设某花岗岩埋深1000米，其上覆地层的平均容重为γ=26KN/m3，花岗岩处于弹性状态，泊松比μ=0.25。试求该花岗岩在自重作用下的初始垂直应力和水平应力。（10分）

v26100026(Mpa) 0.25hv268.6667(Mpa)10.75

五、该图是一个正断层受力图，请在图中标示出σ1、σ3。

解：

第八章 井 壁 稳 定

一、选择题

1、钻井过程中地层发生剪切破坏时，发生（ A和C ）。 A、井塌 B、井漏 C、缩径 二、名词解释 1、破裂压力

如果泥浆密度过高，井壁上将产生拉应力，当拉应力大于岩石的抗拉强度时，将产生拉伸破坏（井漏），此时的临界井眼压力定义为破裂压力。 2、孔隙压力

岩石粒间流体对颗粒将产生一种压力，这种压力与颗粒表面垂直，称为孔隙压力。 3、坍塌压力

如果泥浆密度过低，井壁应力将超过岩石的抗剪强度而产生剪切破坏（表现为井眼坍塌扩径或屈服缩径），此时的临界井眼压力定义为坍塌压力。 三、简答题

1、井壁失稳的原因是什么？

在钻井之前，深埋在地下的岩层受到上覆岩层压力、最大水平地应力、最小水平地应力和孔隙压力的共同作用，处于平衡状态。

打开井眼后，井内的岩石被取走，井壁岩石失去了原有的支持，取而代之的是泥浆静液柱压力，在这种新条件下，井眼应力将产生重新分布，使井壁附近产生很高的应力集中，如果岩石强度不够大，就会出现井壁失稳现象。 2、井壁剪切破坏的表现形式是什么？

井壁失稳时岩石的破坏类型主要有两种：拉伸破坏、剪切破坏。 剪切破坏又分为两种类型：

一种是脆性破坏，导致井眼扩大，这会给固井、测井带来问题。这种破坏通常发生在脆性岩石中，但对于弱胶结地层由于冲蚀作用也可能出现井眼扩大； 另一种是延性破坏，导致缩径，发生在软泥岩、砂岩、岩盐等地层，在工程上遇到这种现象要不断地划眼，否则会出现卡钻现象。

拉伸破坏或水力压裂会导致井漏，严重时可造成井喷。

实际上井壁稳定与否最终都表现在井眼围岩的应力状态。如果井壁应力超过强度包线，井壁就要破坏；否则井壁就是稳定的。 3、井壁一周的周向应力分布有什么规律？

随角度变化按余弦规律变化，对于直井而言：

'(Hh)2(Hh)cos2PfPp

斜井有类似的规律。

4、如何计算坍塌压力？

我们把发生井壁失稳时钻井液的当量密度称为井壁坍塌压力。已知井眼的应力分布规律后，根据一定的强度准则，就可以判断井壁是否发生失稳破坏。井壁

坍塌时，井壁上发生的是剪切破坏，常用的破坏准则有Mohre-Coulomb准则。

1'2Ccos1sin'3

1sin1sin式中：σ1为有效最大主应力，MPa；

σ3为有效最小主应力，MPa。 φ 为内摩擦角 C 为内聚力，Mpa

由于剪切破坏是由于钻井液柱压力较小引起的的，故σr最小应力，分一下两种情况：

当轴向主应力σv为最大主应力时，将σ1=σv ，σ3=σr带入上式通过计算得到钻井液柱压力，进而得到坍塌压力当量密度； 对于垂直井眼，有VPp2Ccos1sin(PwPp)

1sin1sin当周向主应力σθ为最大主应力时，将σ1=σθ，σ3=σr带入上式通过计算得到钻井液柱压力，进而得到坍塌压力当量密度。

对于垂直井眼，有3HhPwPp2Ccos1sin(PwPp)

1sin1sin式中Pw为地层坍塌压力，换算成当量泥浆密度为：w5、如何计算破裂压力？

Pw100 H岩石的抗拉强度只有抗压强度的几分之几甚至十几分之几，因此在拉伸应力的作用下，很容易被拉伸破坏。对于井眼结构来说，当井内钻井液液柱压力过高时，在井壁处会出现拉应力，当拉应力超过地层的抗拉强度时，就会出现拉伸破坏，发生井漏事故。

按最大拉应力理论，井壁应力满足以下等式时，井壁岩石将处于张性极限平衡状态：

minSt 式中：St为岩石的抗拉强度。 对于垂直井而言，有：

Pf3hHPpSt

式中Pf为地层破裂压力，换算成当量泥浆密度为：

f3hHPpStH100

6、当坍塌压力大于破裂压力时，应怎样选择泥浆密度？

一般而言，钻井液存在一个合适的密度窗口，即ρ坍塌<ρ钻井液<ρ破裂, 由钻井液密度所产生的液柱压力要小于地层的破裂压力。）

因为如果钻井液密度所产生的液柱压力大于地层的破裂压力，将把地层压漏，必须进行堵漏处理。井壁出现了坍塌，可以通过及时地循环钻井液而把岩屑携带上来。

7、简述钻井过程做破裂压力试验求取原地应力的过程？

地层破裂压力试验包括地层的破裂、裂纹的延伸、瞬时停泵裂缝闭合及裂缝重张等环节。瞬时停泵压力即为最小水平主地应力，破裂压力与重张压力的差为抗拉强度，由破裂压力公式可进一步求出最大水平主地应力。 8、影响井眼围岩应力状态和破坏准则的因素有哪些？

概括起来，影响井眼围岩应力状态和破坏准则的因素可分为四大类：（1）地质力学因素，原地应力状态、地层孔隙压力、原地温度、地质构造特征等。这些因素是不可改变的，只能准确地确定它们。（2）岩石的综合性质，岩石的强度和变形特征、孔隙度、含水量、粘土含量、组成和压实情况等。（3）钻井液的综合性质，化学组成、连续相的性质、内部相的组成和类型、与连续相有关的添加剂类型、泥浆体系的维护等。特别是对于泥页岩和泥质胶结的砂岩，钻井液对它们的物理力学性质的影响非常大。（4）其它工程因素，包括打开井眼的时间、裸眼长度、井身结构参数（井深、井斜角、方位角）、压力激动和抽吸等。这些因素和参数之间相互作用、相互影响，使井壁稳定问题变得非常复杂。

第九章 水力压裂

一、填空题

1、在加压过程中，井眼的切向或垂向的有效应力可能变成拉应力，当此拉应力达到地层的（抗拉强度）时，井眼发生破裂。此时的压力称为（破裂压力）。当

裂缝扩展到（3）倍的井眼直径后停泵，并关闭液压系统，形成（“瞬时停泵”压力Ps），当井壁形成裂缝后，围岩被进一步连续地劈开的压力称为（传播压力Ppro）。如果围岩渗透性很好，停泵后裂缝内的压力将逐渐衰减到（地层孔隙压力Pp）。 二、判断改错题

1、一般情况下裂缝沿垂直于最小主地应力的方向扩展。由于最小主地应力一般都是水平方向的，因此裂缝一般都是垂直的。 √。

2、泥浆密度过低，井壁应力将超过岩石的抗剪强度而产生剪切破坏（表现为井眼坍塌扩径或屈服缩径），此时的临界井眼压力定义为破裂压力。 ×。把破裂压力改为坍塌压力。 三、简答题

1、水力压裂有哪些基本用途？

概括起来，水力压裂有如下基本用途：（1）克服近井地带污阻，目前的钻井技术不可避免地造成近井地带的污染，它包括钻井液的液相污染和固相污染。这些污染常使油气从地层流入井内的能力大为减弱。水力压裂可以在污染带以外建立良好的油流通道。因此压裂后的产量可增加几倍到几十倍。（2）压开深远裂缝，提高井的产能。利用深穿透裂缝可以从一般油层中采出更多的石油，使油井的控制面积增大。对于渗透性极低、能慢慢渗油的地层提供大的泄油面积，从而最大限度地利用油藏能量。使原来被认为无开采价值的地区，现在也能进行有经济意义的开采。同时，深穿透裂缝能够恢复并延长油井寿命。（3）协助二次采油。压裂对于二次采油的油田有两个重要作用：一是在一定压力下提高注水井的吸水量；二是为生产井提供高流通能力的通道，增大注气或注水效率。（4）排出油田盐水。油井大量产出盐水，严重限制了原油的生产。通过水力压裂可以在任何一个地方打出低压高注水量的井，供回注盐水使用。 2、水力压裂裂缝的方位是怎样的？

裂缝总是沿着最有利的方向扩展和传播，一般的情况下裂缝沿垂直于最小主地应力的方向扩展。由于最小主地应力一般都是水平方向，因此裂缝一般是垂直缝，对于直井，裂缝如下图所示。

直井水力压裂垂直裂缝

井眼中，水力压裂会在垂直于最小地应力的方向产生两个对称的裂缝翼。如果两个水平地应力相等，裂缝方向就很难确定。 3、如何通过水力压裂得到岩石的最大主应力值？

(1)一般来讲σz=γh作为主地应力之一。我们可以将σz与σ2h作比较，若σz≥σ2h ，则可以肯定此时σ2h为最小主应力；进一步将σz 与σ1h作比较，也就可以以此确定地应力的三个主应力。

因为开裂点方位或开裂裂缝方向可以确定σ2h的方位或σ1h的方向，所以三个地主应力的方位也就可以相应确定。

(2)如果σ2h≥γh，并且孔壁开裂后孔内岩体出现水平裂缝，则此时σz=γh为最小地应力，σ2h 与σ1h各为中间主应力及最大地主应力，垂直开裂方向即为最大地应力方向。

5、黄荣樽法预测地层破裂压力的公式是什么？

在上世纪80年代，石油大学黄荣樽教授提出了新的预测地层破裂压力(fracture pressure )的方法，其基本假设如下： （1）地层处于非均匀构造应力的作用之下； （2）井眼附近存在应力效应；

（3）井壁破裂的原因是井壁应力超过岩层抗拉强度。

在上述假设条件下，考虑井眼的应力集中，得出直井的破裂压力表达式：

Pf3hHaPpt其中：

H1w1(vaPp)aPp

 h1w2(vaPp)aPp

式中，w1、w2分别为H方向和h方向的构造应力关系数。 根据上两式，可以把黄荣樽法的表达式改写为：

2PfPpk1vPpt

其中 K132

6、瞬时停泵压力ISIP有什么意义？

考虑致密，非渗透性地层，水力压裂曲线如图所示。在形成裂缝之前产生峰值压力，称为破裂压力。裂缝形成后压力将保持恒定或略有增加，此时的压力是裂缝传播压力。如果此时停泵并关井，压力下降到一定水平与地应力平衡，此时的压力称为瞬时停泵压力(instantaneous shut in pressure)ISIP，从原理上讲裂缝闭合时，裂缝内流体压力是可以测量的。一般认为瞬时停泵压力(ISIP)等于裂缝闭和压力。

致密地层的压裂曲线图

第十章 油井生产出砂

一、填空题

1、地层砂可以分为两种，（充填砂）和（骨架砂），其中（充填砂）并不是防治的对象。 二、判断改错题

1、对于砂岩来说，不同胶结物的连接强度不同，他们的大小顺序是：铁质〉硅质〉钙质〉泥质。

×。把“铁质〉硅质〉钙质〉泥质”改为“硅质〉铁质〉钙质〉泥质”。 2、砂岩中存在三种胶结类型，它们的强度大小为：基底胶结〉接触胶结〉孔隙胶结。

×。把“基底胶结〉接触胶结〉孔隙胶结”改为“基底胶结〉孔隙胶结〉接触胶结”。 三、简答题

1、出砂给生产带来的危害有哪些？ (1)井下、井口采油设备的磨损和腐蚀

产液中带砂使各种采油泵、管线受到磨损，大大缩短了它们的寿命。对于输油管线由于砂粒磨损加快了腐蚀速度；

(2)井眼稳定问题

由于出砂使井眼失稳而导致套管挤毁、油井报废。通过对胜利油田某疏松砂岩区块资料分析发现：随着出砂的加剧和原地层压力的降低，套损井逐年增加，疏松砂岩储层油井套管损坏严重，总数已占10％以上，个别区块已达30％以上。 （3）出砂会导致减产或停产作业

油井出砂磨损泵筒与柱塞，降低泵效，甚至损坏采油泵，造成油井减产或停产。

2、防砂的主要对象是什么？

地层砂可分为两种：松散砂和骨架砂。

当流体的流速达到一定值时，首先使得充填于油层孔道中的未胶结的砂粒发生移动，油井开始出砂，这类充填砂的流出是不可避免的，而且起到疏通地层孔隙通道的作用；反之，如果这些充填砂留在地层中，有可能堵塞地层孔隙，造成渗透率下降，产量降低。因此充填砂不是防治的对象。

当流速和生产压差达到某一数值时，岩石所受的应力达到或超过它的强度，造成岩石结构损坏，使骨架砂变成松散砂，被流体带走，引起油井大量出砂。

防砂的主要对象就是骨架砂，上述情况是在生产过程中应尽量避免的。 3、出砂的控制因素有哪些？

影响油井出砂的因素很多，概括起来可分为三大类：

①地质力学因素，包括：原地应力状态（垂直地应力与原始水平地应力）、

孔隙压力、原地温度、地质构造等；

②砂岩储层的综合性质

井深、砂岩的强度和变形特征、孔隙度、渗透率、泄流半径、流体的组成（油、气、水的含量及分布等）、粘土含量、岩石组成、颗粒尺寸和形状及压实情况等；

③工程因素，包括完井类型、井身结构参数（井深．井斜、方位、井径）、完井液的性能、增产措施（压裂、酸化等）、生产工艺参数（流速、生产压差及流量）、油层损害（表皮系数增大）、放油或关井方案、人工举升技术、油藏衰竭、累计出砂量等。 4、什么是主动防砂法？

主动防砂法包括砾石充填、绕丝筛管、化学固结和地层预强化等方法。砾石充填是比较重要的一种方法。

主动防砂法的共同点： 一是价格昂贵；

二是会降低油层的渗透率，从而降低油井的生产能力。 5、什么是稳定砂拱法？

稳定砂拱法是用水力封隔器将井眼附近地层机械压实的方法。其目的是改善地层颗粒之间的桥堵能力。

6、如何用破坏准则对出砂进行分析？

岩石的破坏形式主要有两种： 剪切破坏和拉伸破坏。

通常认为剪切破坏是大多数现场出砂的基本机理。若油层发生剪切破坏，便产生了破裂面，同时由于产液流动的拖曳力，将破裂面上的砂子携带出来。 拉伸破坏是岩石出砂的另一个机理。该破坏机理认为由于产液流速过大，引起的径向拉应力超过岩石的抗拉强度时，就会导致拉伸破坏。

实际上两种机理同时起作用并相互影响。

从微观上看，出砂是由于地层流体对岩石颗粒的冲蚀而引起的。流体流经砂体的小孔隙时，产生摩擦和压降。当压力降很大且砂粒的胶结物少或缺少胶结物时，单个砂粒开始移动并进入井筒。

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