岩石力学实验及地层压裂设计

t
Pt A
将岩石两端固定，拉伸
式中：P为试件承受最大的载荷 A垂直拉应力的横截面积
将岩石加工成特殊形状
3
P（d
2 2
d12）
d
2 1
1 2 P
2）间接法
由于直接法技术复杂，要求高。故而各种间接法被人们所应用。如巴西劈
裂法。
试验方法：采用圆柱体和立方体试
件。沿着圆柱体直径方向施加集中
荷载（通过垫条实现）。试件受力 后就可能沿着受力的直径裂开。
得的极限破坏强度，也就是说将岩石试验放在压力机的上下压板之间
进行加压，直至试样被压坏时测得的压力强度值。
p
P最大 压力点
2r0
单轴抗压试验原理示意图
单轴抗压应力-应变图
单轴抗压强度计算
P A
—岩石单轴抗压强度（Mpa） P—最大破坏载荷（N） A—垂直于加载方向的试样横截面积（mm2）
岩石单轴抗压强度试验机
4）长度测量
4）
4、结果处理 得到岩石单轴压缩应力应变曲线。
2、岩石三轴压缩强度：
三轴抗压强度：指在三向压缩载荷下岩石所能承受的最大压应力。三 轴实验可分为真三轴和常规三周实验。柱塞样只能做常规三轴实验
1
2
3 （1）
（1）真三轴 （2）常规三轴
1 2 3
岩石三轴剪切破坏
1910年摩尔（Mohr）提出材料 的破坏是剪切破坏，并指出在 破坏面上的剪应力 是为该面 上法向应力的函数，即
)3
)
1.5
2）密度
3）泥质含量
4）各计算公式（需实验得到的参数） 抗压强度计算公式 抗拉强度计算公式 抗剪强度计算公式 断裂韧性计算公式 动静转换公式
测井资料的应用
2、岩石弹性参数的计算
根据纵、横波波速及密度得到岩石的弹性参数
• 泊松比： • 剪切模量： • 体积模量： • 杨氏模量： • Biot系数：
需要实验室测定的参数
0.0045与0.0035两系数可能 在不同区域适用性不同
岩石力学实验
室 单轴压缩实验
内
测
三轴压缩实验
试 抗剪强度实验
项
目
抗拉强度试验
（巴西劈裂实验）
声波实验
单轴抗压强度、杨氏模量、 泊松比 抗压强度、杨氏模量、泊松 比、剪切模量、剪切强度
剪切强度
抗拉强度
动态杨氏模量、泊松比、剪切模量
其他（如点荷载实验、断裂韧性试验、声波实 验）
1、单轴压缩试验
岩石单轴抗压强度：是指试样只在一个方向受压（无围压）时所
用岩石抗剪强度参数（ϕ，Co）表 示岩石的岩石单轴抗压强度
当 3 0时 c 2C octg(45o / 2）
3、岩石抗拉强度
岩石的抗拉强度远下于岩石的抗压强度，以岩体中一旦出现拉应力区，往 往该区先破坏。岩石抗拉强度室内测试方法分为两类：一类是直接法；另一类 是间接法。
1）直接拉伸实验
受力状态
抗剪强度 定义：在剪切荷载作用下，岩块抵抗剪切破坏的最大剪应力，称为剪切强度。 组成： 内聚力C+内摩擦力σtgφ
1---直接剪切实验
实 验 类 型
2----变角剪切 实验
3----三轴实验
5、岩石韧性试验
6、动静力学参数
岩石力学参数：岩石在弹性极限以内的轴向压力作用下，其轴向应力 和应变之比称为弹性模量。横向应变与纵向应变之比称为泊松比。
t
2Pt DL
t
2Pt a2
式中：P为破坏时的荷 载
D为岩样的直径 L为岩样的长度
式中：P为破坏时的荷 载
d为岩样的直径 a，h为试件边长
实验步骤
1）端面磨平 2）尺寸测量
直径50mm 高径比0.5-1 3）加载实验 放置试件
开始试验，加载速率
0.2mm/min 记录数据
试件破坏停止
4、岩石抗剪强度
压 裂 相 关
测井资料的应用
资料输入
1）纵、横波波速
纵、横波在弹性力学中具有重要地位。但常
规测井的声波测井只测量纵波速度，横波资料
的获取较为困难。
1）阵列声波测井可以同时获得纵横波资料。
2）根据经验公式应用纵波速度Biblioteka Baidu算横波速
度。
t s
=
1
t p
1.15*(1.0/b +(1.0/b
e1.0/b
d
0.5
ts2
t
2 p
ts2
t
2 p
G
0.929 *105
b
ts2
K
G
3
ts2
4
t
2 p
3
t
2 p
Ed
G
3 ts2 ts2
4
t
2 p
t
2 p
1.0 b (3*Vp2 4*Vs2 ) ma (3*Vm2ap 4 *Vm2as )
式中：
tp 为纵波时差（s / ft ）；
ts 为横波时差（s / ft ）； b 为密度测井值（g / cm）3 ；
p
D
横向应变 ε2=ΔL2/D
纵向应变 ε1=ΔL1/H
H
单轴抗压试验原理示意图
岩石形变实验记录曲线
计算杨氏模量和泊松比
E a a
r a
式中： E-岩石杨氏模量（MPa） μ-岩石泊松比 Δσa-为轴向应力增量 Δεa-为轴向应变增量 Δεr-为径向应变增量
6、动静力学参数
声波实验
岩石的纵横波 速度受其本身的弹 性参数影响。根据 纵横波速度可以得 出岩石的动态弹性 参数。
动静连测装置
d
0.5
ts2
t
2 p
ts2
t
2 p
Ed
G
3
ts2 ts2
4
t
2 p
t
2 p
动、静态参数转换
岩样的动、静态弹性参数呈相同的变化趋势。通 过进行回归计算，得到动静态参数转换公式。其系数 需要进行试验确定。
静态杨氏模量 静态泊松比
E静 0.6435 E动 0.4396 静 0.250动 0.1268
试验步骤：
1、试件断面打磨，直至两 端平整且垂直于试件轴线
3、加载实验
1）设置加载速率 0.5~0.8MPa/s 2）实时记录数据 （如应力、应变) 3）试件破坏后停 止
2、测试件尺寸
试件高径比2.0-2.5。
1）
2）
1）垂直角度
2）端面平行度，不平行度
<0.05mm
3）
3）直径测量,误差<0.3mm
VP 为纵波速度（m/s）； VS 为横波速度（m/s）； Vmas 为骨架横波速度（m/s）；
Vmap 为骨架纵波速度（m/s）。
测井资料的应用
3、岩石固有强度参数
1）D.U.Deere和R.P.Miller根据大量的室内 试验结果建立了砂泥岩的单轴抗压强度σc 和 动态弹性模量以及岩石的泥质的体积含量Vcl 之间的关系：
f ( )
（2）
摩尔—库伦准则
做3~5块实验得到摩尔圆与破裂线
破
坏
面
上 的
1
3ctg 2(45o
2
）
2S0ctg 2(45o
2
）
临
界
状 态
1 - Pp
( 3 Pp )ctg 2(45o
2
）
2S0ctg 2(45o
2
）
低围压时破裂线方程为直线
tan(） S0
其中，φ为内摩擦角。So为内聚力。