石油工程岩石力学.docx

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石油工程岩石力学

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,认识岩石力学钻研对象的特点及其与其它力学课程的联系及差异.

二、根本要求：

1、了解内容：

〈〈岩石力学>学科的钻研意义

〈〈岩石力学>学科的开展历史及开展现状

<岩石力学>学科的钻研内容及钻研方法

2、掌握内容：

岩石力学的定义

岩石的定义及分类

岩石力学钻研对象的特点（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根本要求

三、课程内容：

1、岩石力学的钻研意义

1首先,来源于生产实践,生产实践也是岩石力学开展的推动力

岩石力学的发生与开展与其它学科一样,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

年我国人民在安徽游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,不可防止地要运用一些岩石力学方面的根本知识.

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了1万年,钻研地壳形变涉及的深度达50-60km,温度在1000oC以上,时间效应为了几百万年.今

后,随着能源、交通、环保、国防等事业的开展,更为了复杂、巨大的岩石工程将日益增多.

3不重视岩石力学钻研将造成工程事故

国际上有许多工程由于对岩石力学缺乏足够的钻研,而造成工程事故.其中最闻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坝基为了片麻岩,1959年左坝肩沿一个倾斜的脆弱面滑动,造成溃坝惨剧,400余人丧生.瓦依昂双曲拱坝,坝高261.6米,坝基为了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忽然下塌,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开展,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,都充分说明能否平安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

关的重大工程都把岩石力学作为了主要钻研对象.

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

,

四岩石力学的开展历史、现状及,面临的挑战

1、形成历史

1951年,在奥地利创立了地质力学钻研组,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钻研.

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、开展前沿

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响系统与优化技术

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

岩体工程电脑辅助设计与图像自动生成处理.

但是,作为了一门学科,岩石力学钻研是从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,大规模的根本建设,有力地促进了岩石力学的钻研与实践.岩石力学逐渐作为了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,为了适应经济开展的迫切需要,各国都相继建

立了一些机构对岩石力学进行专题钻研.当时各国有代表性的钻研机构如下：

美国：

1）美国军部工程兵团（ACE,ArmyCorpsofEngineersU.S.A）.

2）美国垦务局（BureauofReclamationU.S.A）.

3）卡罗拉多矿业学院（ColoradoSchoolofMines）

前苏联：

1）全苏水工钻研院（）

2）全苏矿山测量钻研院（BHHHMH）

3）列宁格勒矿业学院

4）莫斯科建筑工程学院（MHCH）

德国：

1）卡尔斯鲁大学（UniversityofKarlsruhe）

奥地利：

1）国际岩石力学钻研所（Interfels）

2）维也纳工业大学（TechnischeUniverstatWien）

瑞士：

1）苏黎世工业大学（ETH,EidgenossischeTechnischeHochschuleZurich）

英国：

1）国家煤炭局（NationalCoalBoard,GreatBritain）

2）伦敦大学帝国科学技术学院（ImperialCollegeofScienceandTechnology,Universityof

London）

法国：

1）法国工业大学固体力学实验室（EcolePolytechnique,LaboratoriredeMecaniquedes

Solides）

2）法国电力局（ElectricitedeFrance）

3）巴黎结构中心钻研所（Centred'EtudesduBatimenParis）

南非：

1）南非采矿与冶金钻研院（SouthAfricanInstituteofMiningandMetallurgy,SAIMM）

2）南非科学与工业钻研委员会（CSIR,SouthAfricanCouncilforScientificandIndustrialResearch）

澳大利亚：

联邦科学与工业钻研组织（CSIRO,CommonwealthScientific&IndustrialResearch

Organization）

日本：

（1）日本地质调查钻研所（GSJ,GeologicalSurveyofJapan）

（2）土木工程钻研院（PWRI,PublicWorksResearchInstitute）

上述钻研机构中,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,南非采矿与冶金钻研院（SAIMM成立于1894年,澳大利亚（CSIRQ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根底工程

（ISSMFB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开展走向一个新阶段,以下重点加以介绍.

1-沿革

国际岩石力学学会（ISRM,InternationalSocietyforRockMechanics）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,比国际土力学与根底工程学会的成立晚26年.它是在奥地利地质力学学会

（OsterrichischeGeoellschaftfurGeomechanik,OGG）的根底上建立起来的.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教授担当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（1stISRMCongress）.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（RegionalSymposium）或

年会（AnnualMeetingorInternationalSymposium）.

ISRM的官方语言为了英语、法语和德语.法语名称为了SocieterInternationaledeMecaniquedes

Roches,SIMR,德语名称为了InternationleGesellschaftfurFelsmechnik,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（NationalGroup,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（Individualmember）,或

普通会员（Ordinarymember）.

团体会员（Corporatemember）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（Supportingmember）.

通讯会员（Correspondingmember）,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（ISRMSecretariat）的成员为了包含：

秘书长,〈〈国际岩石力学学会信息通报>（ISRM

NEWSJOURNAL）编,及行政、管理人员.

（LNEC,LaboratorioNacionalde

——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钻研所

EngenhariaCivil）,地址为了：

101AV.doBrasilP-1799LisboaCodexPORTUGAL.

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了：

LeopoldMuller,奥地利（1962—1966）

本届主席为了N.vanderMerwe,南非（2003—2007）

学会第一任秘书长为了F.MilloMendes教授,现任秘书长为了LuisLamas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：

一四年一次的国际岩石力学大学

第1届大会一1966年9月在葡萄牙里斯本

第2届大会一1970年9月在南斯拉夫贝尔格来德

第3届大会一1974年9月在美国丹佛（Denver）

第4届大会一1979年9月在瑞士蒙特诺（Montreux）

第5届大会一1983年4月在澳大利亚墨尔本（Melburne）

第6届大会一1987年9月在加拿大蒙特利尔（Montreal）

第7届大会一1991年9月在德国阿亨（Aachen）

第8届大会一1995年9月在日本东京（Tokyo）

第9届大会一1999年8月在法国巴黎（Paris）

第10届大会一2003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钻研.

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（ISRMCommission）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）

——电脑程序委员会（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）

——钻研工作委员会（原名为了最正确钻研技术路线委员会）（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（原称实验室及野外实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那么（By-Laws）修改参谋委员会（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了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（InterestGroups）,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（deBeer）教授的建议下,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）,国际土力学与根底工程学会（ISSMFE,1997年更名为了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（PermanentCo-ordinatingSecretariat,PCS）,协调彼此之间的各项活动.第一任秘书长为了deBeer教授.1991年7月他退休之后,由比利时劳兹伯格（E.Lousberg）教授担当.

其它两个国际组织的主席及秘书长均可以打量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GeoEng2000国际大会.

此外,以下国际组织的主席及秘书长也可以打量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（InternationalCommissiononLargeDams,ICOLD）

•国际地层力学局（InternationalBureauofStrataMechanics,IBSM）

•国际隧道协会（InternationalTunnellingAssociationITA）

石油工程师学会（SocietyofPetroleumEngineers,SPE）

•世界采矿大会（WorldMiningCongress,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>（NewsISRM）,共97期.从1992年9月起〈〈信息>改为了不定期出版的8开本〈〈国际岩石力学学会信息通报>（NewsJournalISRM）.不但印刷精美,而且包含了更多的技术内容.

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,The6thInternationalConferenceonAnalysis

ofDiscontinuousDeformation）,2003年10月6日-8日在挪威Trondheim召开；ISRM区域会议（RegionalSymposium）

2）地质系统热力学一一流体力学一一岩石力学一一化学耦合过程：

根底钻研、模拟分析、实验技

术及应用国际会议（GeoProc2003）,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奉献国际会议一一第3届亚洲岩石力学大会（3rdARMS2004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（EUROCK2005;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：

岩石力学开展的第2个半个世纪,2007年7月在葡萄牙里斯本召开

技术交流：

中国岩石力学与岩石工程的主要成就

一、简洁的开展历程

在解放前的回中国,连年战乱,民不聊生,岩石力学钻研根本上是空白.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,国防等建设工程的开展,指出了大量急待解决的岩石力学问题,从而使这门学科逐步开展壮大起来.上世纪50年代初,一些单位就建立了岩石力学实验室,初

步开展了假设干钻研工作.而系统地、全面地对岩石力学进行钻研,是从1958年开始的.当时,为了适应

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钻研组,以长江流域规划办公室及中国科学院为了主体,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

外开展了大量实验钻研工作,如：

岩体流变实验,隧洞压水实验,地应力测试,振动爆坡实验等.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20cg,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开展起重要作用,也为了中国岩石力学的开展奠定了根底.

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,我国的科技人员仍旧发挥自强不息的爱国主义精神,在假设干重点工程,如葛洲坝、刘家峡水利水电工程,金川镣矿工程、成都一昆明铁路工程及国防工程建设中,做出了突出的奉献.其中,针对葛洲坝水利枢纽进行的岩石力学钻研最有代表性.

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脆弱夹层,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钻研.为了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、振动爆破及抗力体实验.在抗剪蠕变实验中,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.野外抗剪蠕变实验采用的试件尺寸为了50cmx60cm持续时间长达3

个月.抗力体实验尺寸分别为了11.65mx1.70mx2.30mX及9.54mx1.70mx2.30m（长x宽x高）,规模

之大,在国内外均属罕见.根据大量实验钻研结果,运用流变力学原理,解决了脆弱夹层及非连续、层状岩体结构的力学问题,并指出了有关的数学、力学模型及计算方法、为了大坝设计和施工提供了重要依据.

在极为了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开展,而且在岩石力学开展史上,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开展.1978年12月26日,中国科学院、夕卜

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（NationalGroupChina,ISRM）,并以团体会员名义参加国际

岩石力学学会.1979年9月以陈宗基先生为了团长、谷德振先生为了副团长的中国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开展的报告,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（对外为了国

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.这支队伍为了解决国家重大工程：

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,同顺、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