石油工程岩石力学-绪论(定稿)

第一节：绪论

一、教学目的：通过《岩石力学》课程介绍，揭示课程在石油工程中的重要性，引导学生对该课程的兴趣，认识岩石力学研究对象的特点及其与其它力学课程的联系及差异。

二、基本要求：

1、了解内容：

?《岩石力学》学科的研究意义

?《岩石力学》学科的发展历史及发展现状

?《岩石力学》学科的研究内容及研究方法

2、掌握内容：

?岩石力学的定义

?岩石的定义及分类

?岩石力学研究对象的特点（岩石力学与弹性力学等力学学科的差异）

?不连续性

?非均质性

?各向异性

?渗透性

?赋存环境（地应力-初始应力、温度、压力、油气水）

3、介绍课程的学习目的及基本要求

三、课程内容：

1、岩石力学的研究意义

1 首先，来源于生产实践，生产实践也是岩石力学发展的推动力

岩石力学的发生与发展与其它学科一样，是与人类的生产活动紧密相关的。早在远古时代，我们的祖先就在洞穴中繁衍生息，并利用岩石做工具和武器，出现过“石器时代”。公元前2700年左右，古代埃及的劳动人民修建了金字塔。公元前6世纪，巴比伦人在山区修建了“空中花园”。公元前613-591年我国人民在安徽淠河上修建了历史上第一座拦河坝。公元前256-251年，在四川岷江修建了都江堰水利工程。公元前254年左右（秦昭王时代）开始出钻探技术。公元前218年在广西开凿了沟通长江和珠江水系的灵渠，筑有砌石分水堰。公元前221-206年在北部山区修建了万里长城。在20世纪初，我国

杰出的工程师詹天佑先生主持建成了北京-张家口铁路上一座长约1公里的八达岭隧道。在修建这些工程的过程中，不可避免地要运用一些岩石力学方面的基本知识。

2 岩石力学在国民经济建设中有广泛的应用

目前国际上已建和正建的大坝，最大高度超过300m，地下洞室的最大开挖跨度超过50m，矿山开采深度超过4000m，边坡垂直高度达1000m，石油开采深度超过9000m，深部核废料处理需要考虑的时间效应至少为1万年，研究地壳形变涉及的深度达50-60km，温度在1000oC以上，时间效应为几百万年。今后，随着能源、交通、环保、国防等事业的发展，更为复杂、巨大的岩石工程将日益增多。

3 不重视岩石力学研究将造成工程事故

国际上有许多工程由于对岩石力学缺乏足够的研究，而造成工程事故。其中最著名的是法国马尔帕塞（Malpasset）拱坝垮坝及意大利瓦依昂（Vajont）工程的大滑坡。

马尔帕塞薄拱坝，坝高60m，坝基为片麻岩，1959年左坝肩沿一个倾斜的软弱面滑动，造成溃坝惨剧，400余人丧生。瓦依昂双曲拱坝，坝高261.6米，坝基为断裂十分发育的灰岩。1963年大坝上游左岸山体发生大滑坡，约有2.7-3.0亿立米的岩体突然下塌，水库中有5000万立米的水被挤出，击起250米高的巨大水浪，高150米的洪波溢过坝顶，死亡3000余人。近年来，虽然岩石力学得到突飞猛进的发展，但与岩体失稳有关的大坝崩溃，边坡滑动，矿山瓦斯爆炸，围岩地下水灾害等惨剧仍时有发生。诸如此类的工程实例，都充分说明能否安全经济地进行工程建设，在很大程度上取决于人们是否能够运用近代岩石力学的原理和方法去解决工程上的问题。当前世界上正建和拟建的一些巨型工程及与地学有关的重大项目都把岩石力学作为主要研究对象。

4 岩石力学在石油工程中的重要应用

●井壁稳定性分析

●水力压裂

●出砂预测

●地层可钻性预测钻头优选

●定向射孔

●套管损坏机理

●地面沉降

●……

四岩石力学的发展历史、现状及，面临的挑战

1、形成历史

●1951年，在奥地利创建了地质力学研究组，并形成了独具一格的奥地利学派。

●同年，国际大坝会议设立了岩石力学分会。

●1956年，美国召开了第一次岩石力学讨论会。

●1957年，第一本《岩石力学》专著出版。

●1959年，法国马尔帕塞坝溃决，引起岩体力学工作者的关注和研究。

●1962年，成立国际岩石力学学会(ISRM)。

●1966年，第一届国际岩石力学大会在葡萄牙的里斯本召开。

2、发展前沿

●岩体结构与结构面的仿真模拟、力学表述及其力学机理问题

●裂隙化岩体的强度、破坏机理及破坏判据问题

●岩体与工程结构的相互作用与稳定性评价问题

●软岩的力学特性及其岩体力学问题

●水-岩-应力耦合作用及岩体工程稳定性问题

●高地应力岩体力学问题

●岩体结构整体综合仿真反馈系统与优化技术

●岩体动力学、水力学与热力学问题

●岩体流变与长期强度问题

●岩体工程计算机辅助设计与图像自动生成处理。

但是，作为一门学科，岩石力学研究是从20世纪50年代前后才开始的。当时世界各国正处于第二次世界大战以后的经济恢复时期，大规模的基本建设，有力地促进了岩石力学的研究与实践。岩石力学逐渐作为一门独立的学科出现在世界上，并日益受到重视。

3、国际岩石力学学会成立前（1962）的概况

在国际岩石力学学会成立前，尤其是上世纪二战以后，为适应经济发展的迫切需要，各国都相继建立了一些机构对岩石力学进行专题研究。当时各国有代表性的研究机构如下：

美国：

1）美国军部工程兵团(ACE, Army Corps of Engineers U.S.A).

2）美国垦务局(Bureau of Reclamation U.S.A).

3）卡罗拉多矿业学院(Colorado School of Mines)

前苏联：

1）全苏水工研究院(ВНИИГ)

2）全苏矿山测量研究院(ВНИИΜИ)

3）列宁格勒矿业学院

4）莫斯科建筑工程学院(ΜИСИ)

德国：

1）卡尔斯鲁大学(University of Karlsruhe)

奥地利：

1）国际岩石力学研究所(Interfels)

2）维也纳工业大学 (Technische Universtat Wien)

瑞士：

1）苏黎世工业大学(ETH,Eidgenossische Technische Hochschule Zurich)

英国：

1）国家煤炭局(National Coal Board, Great Britain)

2）伦敦大学帝国科学技术学院(Imperial College of Science and Technology, University of London)

法国：

1) 法国工业大学固体力学实验室（Ecole Polytechnique, Laboratorire de Mecanique des

Solides）

2) 法国电力局（Electricite de France）

3) 巴黎结构中心研究所（Centre d'Etudes du Batimen Paris）

南非：

1）南非采矿与冶金研究院（South African Institute of Mining and Metallurgy, SAIMM）2）南非科学与工业研究委员会（CSIR, South African Council for Scientific and Industrial Research）

澳大利亚：联邦科学与工业研究组织(CSIRO, Commonwealth Scientific & Industrial Research Organization)

日本：（1）日本地质调查研究所（GSJ, Geological Survey of Japan）（2）土木工程研究院(PWRI, Public Works Research Institute)

上述研究机构中，不少单位具有悠久的历史，如美国卡罗拉多矿业学院（CSM）成立于1874年，南非采矿与冶金研究院（SAIMM）成立于1894年，澳大利亚（CSIRO）成立于1926年等。

这期间，国际上没有统一的岩石力学学术组织，国际学术交流大都是在国际土力学与基础工程（ISSMFE）国际工程地质协会（IAEG）、国际理论与应用力学联合会（IUTAM）主办的学术会议上进行的。

4、国际岩石力学学会成立以后的进展

1962年国际岩石力学学会的成立标志着岩石力学的发展走向一个新阶段，以下重点加以介绍。

1-沿革

国际岩石力学学会（ISRM,International Society for Rock Mechanics）是一个非政府、非赢利的国际学术组织，其主要目的是推动和促进国际间岩石力学与工程领域的合作和学术交流。

该学会成立于1962年，比国际土力学与基础工程学会的成立晚26年。它是在奥地利地质力学学会（Osterrichische Geoellschaft fur Geomechanik,OGG）的基础上建立起来的。奥地利地质力学学会是国际上第一个岩石力学学术团体，由缪勒教授（L.Muller）发起组织于1951年，会址设在萨尔茨堡（Salzburg）。该学会自成立之日起，每年召开一次“奥地利地质力学学术讨论会”（Osterrichische Geomechanik-Kolloguium,OGG）。在1962年10月召开的第13届学术讨论会上，在L.Muller教授倡导下，成立了国际岩石力学学会。会上推选L.Muller教授担任第一届国际岩石力学学会主席。此后于1966年9月组织召开了第一届国际岩石力学大会（1st ISRM Congress）。大会在葡萄牙里斯本召开，参加会议的有来自全世界40个国家或地区的代表共814名，提交论文241篇。反映了当时国际岩石力学的发展水平。此后大约每隔4年召开一次大会（Congress）,每年召开区域性会议(Regional Symposium)或年会(Annual Meeting or International Symposium)。

ISRM的官方语言为英语、法语和德语。法语名称为 Societer Internationale de Mecanique des Roches,SIMR，德语名称为Internationle Gesellschaft fur Felsmechnik,IGF.

2-组织

1）会员

学会的会员由国家小组、团体会员及通讯会员组成。

国家小组(National Group,简称 NG)是代表一个国家或地区（如东南亚地区）的岩石力学学会或委员会参加国际学会的组织。国家小组的成员是国际学会的个人会员 (Individual member)，或普通会员(Ordinary member)。

团体会员(Corporate member)是与岩石力学有关的公司、协会或其它团体或组织，通常向国际学会提供一定的经济支持，也称赞助会员 (Supporting member)。

通讯会员(Corresponding member)，仅代表个人参加国际学会。

据2002年底统计资料，国际学会共有国家小组47个，普通会员5016个，通讯会员84个，团体会员138个。

——学会秘书处(ISRM Secretariat)的成员为包括：秘书长，《国际岩石力学学会信息通报》(ISRM NEWS JOURNAL)主编，及行政、管理人员。

——学会秘书长负责处理日常工作，直接向主席负责。

国际学会的秘书处一直设在葡萄牙里斯本国立土木工程研究所(LNEC， Laboratorio Nacional de Engenharia Civil)，地址为：101AV.do Brasil P-1799 Lisboa Codex PORTUGAL。

E-mail: ISRM @Inec.pt

网址：http://www.isrm/net

http://www.Inec.pt/ISRM/

3-国际学会历届主席为：

Leopold Muller,奥地利(1962—1966)

本届主席为N.van der Merwe, 南非(2003—2007)

学会第一任秘书长为https://www.360docs.net/doc/228056611.html,lo Mendes教授，现任秘书长为 Luis Lamas 博士(2003—)

3. 主要活动

1）国际学术会议

历届国际岩石力学大会的时间、地点如下：－四年一次的国际岩石力学大学

第1届大会—1966年9月在葡萄牙里斯本

第2届大会—1970年9月在南斯拉夫贝尔格来德

第3届大会—1974年9月在美国丹佛(Denver)

第4届大会—1979年9月在瑞士蒙特诺(Montreux)

第5届大会—1983年4月在澳大利亚墨尔本(Melburne)

第6届大会—1987年9月在加拿大蒙特利尔(Montreal)

第7届大会—1991年9月在德国阿亨(Aachen)

第8届大会—1995年9月在日本东京(Tokyo)

第9届大会—1999年8月在法国巴黎(Paris)

第10届大会—2003年9月在南非Sandton

2）专业委员会、工作委员会和专业组织

在主席团的协助下，学会主席可以批准成立某些专业委员会、工作委员会或专业组织从事与学会工作有关的科学、技术及管理方面的专题研究。

①专业委员会及工作委员会

自1967年以来，先后成立的专业委员会及工作委员会(ISRM Commission)有28个，它们是：——隧道及其它永久洞室工况委员会（1972-1980）

——工程实例委员会（1980-1988）

——岩石及岩体分类委员会（1971-1989）

——岩石力学信息委员会（1988-1991）

——计算机程序委员会（1976-1987）

——采矿工程高边坡设计委员会（1980-1983）

——教育工作委员会（1988-）

——水力致裂测量资料分析委员会（1983-1989）

——编译出版委员会（1973-1979）

——现场勘测技术建议方法委员会（1967-1975）

——研究工作委员会（原名为最佳研究技术路线委员会）（1967-1987）

——岩石可凿性（Boreability）、可切割性（Cuttability）及可钻性（Drillability）委员会（1980-1989）

——硬岩地区岩爆委员会（1994-1999）

——地下洞室岩石破坏机理委员会（1981-1991）

——岩石爆破粉碎委员会（1989-1999）

——岩石灌浆委员会（1988-1995）

——岩石节理委员会（1988-1992）

——岩石力学尺寸效应委员会（1988-1995）

——石油工程岩石性质委员会（1989-1995）

——膨胀岩委员会（1978-1999）

——岩石力学教学委员会（1967-1981）

——构造稳定性和场地选择委员会（1988-1991）

——名词、术语、符号及图示方法委员会（1967-1975）

——实验方法委员会（原称试验室及野外试验方法标准化委员会）（1967-）

——挤压岩石中的隧道工程委员会（1987-1999）

——国际岩石力学会章程及有关细则（By-Laws）修改顾问委员会（1984-1987）

——天然石质文物保护委员会（1996-）

——地球物理在岩石工程中的应用委员会（1996-）

专业委员会、工作委员会的任期一般为4年，委员会通常由5-15名国际知名专家组成。

②专业组织

国际岩石力学学会有三个专业组织(Interest Groups)，它们是

——采矿组织

——放射性废料处理组织

——石油组织

专业组织向所有国际岩石力学学会会员开放，参加人数不受限制，只要大家感兴趣，工作可以持续进行，没有时间约束。

4. 有关的国际兄弟组织

在比利时比尔（de Beer）教授的倡议下，由比利时政府资助，三个与岩土工程有关的国际学术组织：国际岩石力学学会（ISRM），国际土力学与基础工程学会（ISSMFE,1997年更名为国际土力学与岩土工程学会(ISSMGE)），及国际工程地质和环境协会（IAEG），于1973年共同建立了长期协作秘书处（Permanent Co-ordinating Secretariat,PCS），协调彼此之间的各项活动。第一任秘书长为de Beer教授。1991年7月他退休之后，由比利时劳兹伯格（E.Lousberg）教授担任。

其它两个国际组织的主席及秘书长均可以观察员身份应邀参加国际岩石力学学会理事会。2000年，上述三个国际学术组织在澳大利亚墨尔本共同组织了GeoEng 2000国际大会。

此外，下列国际组织的主席及秘书长也可以观察员身份参加国际岩石力学学会理事会，它们是：·国际大坝委员会（International Commission on Large Dams, ICOLD）

·国际地层力学局（International Bureau of Strata Mechanics, IBSM）

·国际隧道协会（International Tunnelling Association ITA）

·石油工程师学会（Society of Petroleum Engineers, SPE）

·世界采矿大会（World Mining Congress, WMC）

5. 信息通报

国际学会秘书处从1967年3月到1992年9月以季刊形式出版16开本《国际岩石力学学会信息》(News ISRM)，共97期。从1992年9月起《信息》改为不定期出版的8开本《国际岩石力学学会信息通报》(News Journal ISRM)。不但印刷精美，而且包括了更多的技术内容。

6. 今后由国际岩石力学学会支持召开的重要国际会议

1）与6届非连续变形分析国际会议（ICADD-6,The 6th International Conference on Analysis of Discontinuous Deformation），2003年10月6日-8日在挪威Trondheim召开；ISRM区域会议（Regional Symposium）

2）地质系统热力学——流体力学——岩石力学——化学耦合过程：基础研究、模拟分析、试验技术及应用国际会议(Geo Proc 2003)，2003年10月13日-15日在瑞典斯德哥尔摩召开：ISRM区域会议

3）国际岩石力学会议 (SINOROCK-2004)，2004年5月18-21日在中国三峡工地召开： ISRM区域会议

4）岩石力学对新世纪的贡献国际会议——第3届亚洲岩石力学大会（3rd ARMS）2004年11月30-12月2日在日本京都召开：ISRM国际年会

5）人类活动对地质环境的影响国际会议（EUROCK 2005）；2005年5月18-20日在捷克Brno召开：ISRM国际年会

6）11届国际岩石力学大会：岩石力学发展的第2个半个世纪，2007年7月在葡萄牙里斯本召开技术交流:https://www.360docs.net/doc/228056611.html,/bbs/dispbbs.asp?boardid=16&id=2723

中国岩石力学与岩石工程的主要成就

一、简单的发展历程

在解放前的归中国，连年战乱，民不聊生，岩石力学研究基本上是空白。中华人民共和国成立以后，随着水利、水电、采矿、交通、建筑、冶金，国防等建设工程的发展，提出了大量急待解决的岩石力学问题，从而使这门学科逐步发展壮大起来。上世纪50年代初，一些单位就建立了岩石力学实验室，初步开展了若干研究工作。而系统地、全面地对岩石力学进行研究，是从1958年开始的。当时，为适应长江三峡水利枢纽建设的需要，在国家科委领导下成立了三峡岩基研究组，以长江流域规划办公室及中国科学院为主体，在陈宗基教授指导下，集中了全国水利、水电、建工、矿冶、高等院校等18个单位100余名科技人员，下设大坝地基、地下结构、岩质边坡、动力特性、灌浆加固等5个专业组，在室内外开展了大量试验研究工作，如：岩体流变试验，隧洞压水试验，地应力测试，振动爆坡试验等。根据科研工作的需要，还研制成功一批仪器设备，如岩石三轴仪（垂直总荷载5000kN，侧向压力150Mpa，试件直径9cm，高度20cm），大型电磁振动台，岩石扭转流变仪，液压钢枕等。三峡岩基组的工作，不仅对我国水工建设岩石力学的发展起重要作用，也为中国岩石力学的发展奠定了基础。

文化大革命期间，同全国的情况一样，我国的岩石力学事业遭到极大的破坏。尽管如此，我国的科技人员仍然发挥自强不息的爱国主义精神，在若干重点工程，如葛洲坝、刘家峡水利水电工程，金川镍矿工程、成都—昆明铁路工程及国防工程建设中，做出了突出的贡献。其中，针对葛洲坝水利枢纽进行的岩石力学研究最有代表性。

葛洲坝工程是我国于70年代在长江干流上自行设计、自行施工的第1座巨型水利枢纽，有“万里长江第1坝”之称。主要的工程地质问题是坝基中广泛分布有原生或构造软弱夹层，总计约80余层。在陈宗基先生指导下，来自水利电力部、中国科学院等单位的科技人员对此进行了系统深入的研究。为全面探索夹层的矿物、物理、力学、化学性质，除进行一系列宏观、微观分析外，着重进行了室内和野外抗剪、蠕变、松驰、振动爆破及抗力体试验。在抗剪蠕变试验中，考虑到浸水、振动、长期渗透、反

复荷载等因素对强度参数的影响。野外抗剪蠕变试验采用的试件尺寸为50cm×60cm，持续时间长达3个月。抗力体试验尺寸分别为11.65m×1.70m×2.30m×及9.54m×1.70m×2.30m（长×宽×高），规模之大，在国内外均属罕见。根据大量试验研究结果，运用流变力学原理，解决了软弱夹层及非连续、层状岩体结构的力学问题，并提出了有关的数学、力学模型及计算方法、为大坝设计和施工提供了重要依据。

在极为复杂的岩基上兴建如此巨大的工程，当时在国内外均无先例可循。通过兴建葛洲坝，不但有力地促进了我国坝工技术的全面发展，而且在岩石力学发展史上，也堪称一个重要的里程碑。

我国实行改革开放政策以来，岩石力学得到突飞猛进的发展。1978年12月26日，中国科学院、外交部联合向国务院呈送了“关于拟申请参加国际岩石力学学会和出席该学会第四届大会的请示”报告[（78）科发外字第2041号]。同年12月31日获得国务院方毅等5位副总理的批准。紧接着，我国即正式成立了国际岩石力学学会中国小组（National Group China, ISRM）,并以团体会员名义加入国际岩石力学学会。1979年9月以陈宗基先生为团长、谷德振先生为副团长的中国10人代表团参加了在瑞士Montreux召开的第4届国际岩石力学大会。

陈宗基先生分别在国际岩石力学学会理事会及学术大会上做了介绍中国岩石力学学科发展的报告，在国际上产生了广泛的影响。此外，在陈宗基先生倡导下，1982年成立了中国岩石力学与工程学会筹备委员会。经过三年多的不懈努力，1985年成立了全国性一级学会：中国岩石力学与工程学会（对外为国际岩石力学学会中国国家小组）。此外，在水利、水电、煤炭、铁道、建筑，冶金等部门也根据行业特点，建立了各自的岩石力学专业委员会。这支队伍为解决国家重大项目：如三峡、葛洲坝、小浪底、二滩、南水北调等水利水电工程，大冶、攀枝花、金川等矿山工程，成昆、南昆、京九、青藏等铁路工程，抚顺、大同、两准、兖州等煤矿工程，大庆、胜利、克拉玛依等石油工程，秦山、大亚湾、岭澳等核电工程，北京、上海、广州、深圳等地铁工程，以及成千上万个中、小型工程建设中所遇到的岩石力学难题，开展了大量的工作，取得了丰富的成果。

二、主要成就

2．1 队伍不断扩大、科研成果持续创新

我国于1979年成立国际岩石力学学会中国国家小组时，只有10名会员，目前国家小组人数超过100人，增加了10倍多。中国岩石力学与工程学会于1985年成立时，只有2000名会员，目前已发展到12000余名会员，为国际岩石力学学会会员总数的2倍多，广泛分布在全国各省、市、自治区。专业范围涉及岩石力学与岩石工程多个分支学科。目前有11个专业委员会或分会，它们是：

①地面岩石工程、②地下与地下空间岩石工程、③岩石动力学、④岩体物理数学模拟、⑤岩石锚固

与注浆技术、⑥岩石破碎工程、⑦岩石力学测试、⑧软岩工程、⑨深层岩石力学、⑩高温高压岩石

力学及⑾环境岩土工程，即将成立的有：隧道掘进机及工程应用分会。

我国已形成世界上最广大的人才市场。在人才培养方面，我国从事教学和科研的高等院校超过50所，约占全球院校总数的1/10，居世界首位。不少年轻学者已经在国际舞台上崭露头角。“文化大革命”期间造成的“断层”现象，正以更快的速度消失。

在学科发展方面，继岩石力学界先驱陈宗基先生在岩石流变学[10]~[14]，谷德振先生在岩体结构、岩体工程地质力学[15]-[16]之后，近年来，我国学者在关键块体理论、不连续变形分析（DDA），数值流形元方法（NMM），岩石分形分准、智能岩石力学、软岩力学、岩石破坏过程分析（REPA）、卸荷岩石力学、岩石记忆与开挖理论、岩石力学非线性研究、岩石工程位移反分析方法等方面的研究都提出诸多创新的成果。[17]-[36]

研究岩石在外界因素(如荷载、水流、温度变化等)作用下的应力、应变、破坏、稳定性及加固的学科。又称岩体力学，是力学的一个分支。研究目的在于解决水利、土木工程等建设中的岩石工程问题。它是一门新兴的,与有关学科相互交叉的工程学科,需要应用数学、固体力学、流体力学、地质学、土力学、土木工程学等知识，并与这些学科相互渗透。

研究内容岩石力学的内容分为基础理论和工程应用两个方面。

一、岩石力学的定义及其研究对象的特点

1 岩石力学的定义

岩石力学是力学的一个分支。《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＆物理学的原理研究岩石的力学＆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”。美国科学院岩石力学委员会1966年给岩石力学的定义为：“岩石力学是研究岩石力学性能的理论和应用科学，是探讨岩石对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地质环境中，这些材料的自然特性决定于其形成的方式和后来作用在其上的地质作用。

帖子—作者：傅冰骏文章来源：建筑世界《岩石力学研究的现状和未来》上对岩石力学的定义：岩石力学是运用力学原理和方法来研究岩石的力学以及与力学有关现象的一门新兴科学。它不仅与国民经济基础建设、资源开发、环境保护、减灾防灾有密切联系，具有重要的实用价值，而且也是力学和地学相结合的一个基础学科。

对这个定义作简单评价：对研究对象、研究方法、研究的意义总结的比较全面。

2 岩石力学的研究对象

1）岩石的定义、分类、组构性质

工程岩石力学的研究对象是岩石。岩石是构成地壳的基本材料，是经过地质作用而天然形成的（一

种或多种）矿物集合体。岩石通常按地质成因分为岩浆岩、沉积岩和变质岩等三种类型。

a、岩浆岩

岩浆岩是岩浆冷凝而形成的岩石，绝大多数岩浆岩是由结晶矿物所组成，由于组成它的各种矿物化学成分和物理性质较为稳定，它们之间的联结是牢固的，因此岩浆岩通常具有较高的力学强度和均质性。工程中常遇到的岩浆岩有花岗岩、玄武岩等。

b、沉积岩

沉积岩是母岩（岩浆岩、变质岩和早已形成的沉积岩）经风化剥蚀而产生的物质在地表经搬运沉积和硬结成岩作用而形成的岩石组成。

沉积岩的主要物质成分为颗粒和胶结构。颗粒包括各种不同形状及大小的岩屑及某些矿物；胶结物常见的成分有钙质、硅质、铁质以及泥质等。沉积岩的物理力学性质不仅与矿物和岩屑有关，而且也与胶结物性质有关。沉积岩具有层理构造，这使得它的物理力学性质具有方向性。工程建设中常见的沉积岩有灰岩、砂岩、页岩等。

石油工程的主要活动在沉积岩中进行。

c、变质岩

变质岩是由岩浆岩、沉积岩甚至变质岩在地壳中受到高温、高压及化学活动性流体的影响下发生变质而形成的岩石。它在矿物成份、结构构造上具有变质过程中产生的特征，也常常残留有原岩的某些特点。因此，变质岩的物理力学性质不仅与原岩的性质有关，而且与变质作用的性质及变质程度有关。工程建设中常见的变质岩类有大理岩、片麻岩、板岩等。

岩石是自然历史的产物，由于它们的生成条件及在生成以后的漫长地质历史时期中，形成了许多各式各样的结构面（结构面的定义），例如岩浆侵入岩与围岩接触面，不同侵入岩体彼此的接触面、冷凝裂隙，喷出岩和沉积岩的层理、不整合面，变质岩的片理、片麻理，组成各种岩石的矿物晶体的各种优势定向排列面以及由于地质构造运动、风化、重力和卸荷等各种不同动力的作用而产生的断层、节理、裂隙等。它们严重地破坏了岩石的完整性。在这种情况下，对岩体工程的安危起主要控制作用的，通常不再是被各种结构面分割的岩石块体，而主要是岩体中存在的结构面，或者是由岩石和结构面共同控制。在岩石力学中常用到“岩块”、“岩体”、“岩石”等术语，一般地被结构面切割成的岩石块体或从地壳岩层中切取出来的无显著软弱面的岩石块体称为岩块，而把自然埋藏条件下的大范围分布的由岩块和各种结构面（软弱面）网络组成的地质体称为岩体。岩石则是“岩块”和“岩体”的统称。

岩石的结构包括两个基本要素：结构面和结构体。

结构面就是岩体内具有一定方向性、延展性较大、厚度较小的两维面状地质界面，包括物质的异面和不连续面（如层理、断裂面等）

结构体则是被不同层状结构组合切割形成大小不一形态各异的单元岩块。

在不同类型的岩体中，结构面的切割形单元有不同的几何形状，如图1.1.1所示为单元岩块的主要形状。

岩石的组构是指岩石的组织和构造的统称，是影响岩石力学性质的根本因素。所谓组织是指岩石的结晶程度、矿物颗粒大小、形状及颗粒之间的连接特征。

1）岩石的力学特点：

a)岩石的不连续性

岩石中普遍存在的结构面，无论是物质分异面还是物质不连续面，都会使结构面两侧附近的岩石物理力学性质呈现不连续变化。在这里着重讨论岩石裂隙性的情况，通常采用裂隙率作为定量评价岩石被裂隙切割后破碎程度的指标。

b)岩石的不均匀性

不均匀性是指天然岩体的物理、力学性质随空间位置不同而异的特性。

c)岩石的各向异性

岩石各向异性是指天然岩体的物理力学性质随空间方位不同而异的特性，具体表现在它的强度及变形特性等各方面。

在天然岩体条件下，使岩体具有各向异性的基本原因是由于岩石内普遍存在着层理、片理、夹层和定向裂隙（断层）系统所致。目前在实际工程中对于成层岩体往往考虑其平行于层理和垂直于层理方向的差异性。然而对于不具有层理的岩体，则把它视为各自同性体。

d)岩石的渗透性

有压水可以透过岩石的孔隙、裂隙而流动，岩石能透过水的能力称为岩石的渗透性。不同岩石或裂隙性不同的岩石的渗透性不同，渗透性的大小用渗透系数K表示。岩体渗透性试验原理如图1.5.1和图1.5.2所示，假定岩体渗流符合达西定律，则渗透系数可计算如下

三石油工程岩石力学的研究方法与研究内容

1. 研究方法

岩石力学的研究方法主要是：科学试验和理论分析。科学试验包括室内试验、现场试验和实地观测。

●室内试验一般分为岩石材料试验和模型试验（如地质力学模型和工程模拟试验）。

●现场试验和实地试验是在天然条件下进行的，研究包括岩体不连续面的性质，是岩石力学研究

的重要手段，也是理论分析的主要依据。

●理论分析是对岩石的变形、强度、破坏准则及其在工程中的应用等课题的探讨。

在这方面，长期以来沿用弹性理论、塑性理论和松散连续介质力学理论进行研究。由于岩石力学性

质十分复杂，所以这些理论的适用范围是有限的。近年来虽然发展了一些新的理论（如非连续介质理论），但还不够成熟。二十世纪六十年代以来，数值计算方法和计算机的应用给岩石力学的发展创造了条件。这种方法和计算技术可以考虑岩石的非均质性、各向异性、应力－应变关系的非线性和流变性。

2. 石油工程岩石力学的研究内容

二十世纪六十年代以来，随着我国大庆、胜利、辽河等油田的开发，岩石力学在石油工程中日益显示出重要性。主要研究范围包括：

1 深部地层工程地质特征研究

2 深层地应力测量技术

3 深部地层环境下岩石的力学性质

4 岩石应力、渗透性的声学相应特性及岩石物理力学性质的地球物理解释

5 构造应力场的数值模拟及其在油气田勘探开发中的应用

6 深层岩石中天然裂缝的形态、分布规律和预测理论

7 固液耦合理论及其在油藏工程中的应用

8 井壁围岩稳定性研究

9 岩石破碎机理研究

10 人工裂缝的起裂、扩展及水力压裂工程设计

11 弱固结地层的固相产出

12 地层错动、蠕变与套管损坏问题

13 数值方法在石油工程岩石力学中的应用研究

14 石油工程岩石力学的物理模拟技术研究

学习的目的

了解岩石的组成、结构特点、孔隙弹性理论、变形特征、破坏性质、地应力状态、数值计算方法，掌握深层岩石力学的基本理论和求解方法，了解并掌握深层岩石力学理论解决井壁稳定性、出砂预测、套管损坏、水力压裂等石油工程问题的基本过程和基本方法，达到工程应用的目的。

基本要求

?了解岩石的组构特征及其对岩石基本力学性质的影响规律；

?掌握深层岩石力学的基本原理、基本方法；

?能够利用深层岩石力学原理、基本方法分析石油工程中的井壁失稳、油气井出砂、低渗储层压裂等工程问题。