岩石力学实验课件.pptx
适应国家油气战略需求，培养具有创新意识的石油工程应用型人才,成果汇报,石油工程岩石力学实验课程,实验项目,岩石单轴抗压实验岩石巴西劈裂实验岩石硬度测试实验,2/64,岩石力学性质,绪言,岩石力学性质主要是指岩石的变形(deformation )特征及岩石的强度(strength )。对任何工程现象来说，只有获得岩石的力学性质，得出力学参数（如弹性模量、泊松比、内聚力、内摩擦角等），建立岩石的本构方程(constitutive equation)和破坏准则(failure criterion )，为进一步研究分析提供一定模式与依据。为此，需要在实验室内严格控制某些因素的情况下进行岩石力学实验，然后将所得结果应用到实践中去。,室内岩石力学实验（单轴压缩、巴西劈裂、三轴实验等）获得岩石力学性质及参数,确定研究工区、钻取具有代表性岩心,建立本构方程和破坏准则，结合地质环境特征（地应力、温度、地层压力等）进行工程实际应用（如判定井壁破裂坍塌条件等）,取样,实验,应用,3/64,岩石试件制作,绪言,地层中钻取的岩心,标准的岩心试样,采集的岩样用标准尺寸钻头取心,切割两端面获得标准长度的岩心试样,精磨试样两端面使端面平滑规则,获得标准直径岩心试件,制备岩样的程序,绪言,岩石单轴抗压实验,6/64,岩石单轴抗压实验,实验目的实验原理实验仪器实验步骤结果处理报告编写,7/64,一、实验目的,1熟练掌握岩石单轴抗压实验试件尺寸测量方法；2观察岩石试件破坏过程，准确分析其破坏类型； 3根据试件破坏单轴压应力，计算岩石的单轴抗压强度；4熟悉岩石应力-应变曲线各阶段的意义，计算岩石弹性模量与割线模量。,8,二、实验原理,当岩石试样在无侧限压力条件下，岩石在纵向压力作用下出现压缩破坏时，单位面积上缩承受的载荷称为岩石的单轴抗压强度。计算公式为：,Rc试样单轴抗压强度，MPa；P试样破坏载荷，N； A试样初始截面积，mm2。,（1）,9,二、实验原理,岩石的弹性模量是指岩石在弹性变形阶段其应力与应变变化值之比:,轴向应力-应变曲线中直线段的轴向应力增量，MPa；轴向应力-应力曲线直线段的轴向应变增量；,O,（2）,10,二、实验原理,单向抗压强度的50%的应力值，MPa；试件与 对应的轴向应变值。,岩石的割线模量是指单向受力条件下岩石应力应变曲线上相应于50抗压强度的点与原点连线的斜率：,50,50,（3）,11,二、实验原理,岩石在单轴压缩试验条件下，其破坏类型主要分为三种：X状共扼斜面剪切破坏、单斜面剪切破坏、拉伸破坏，其破坏形式如下：,X状共扼斜面剪切破坏,单斜面剪切破坏,拉伸破坏,破坏面,破坏面,破坏面,单轴压缩岩石破坏特征,12,三、实验仪器,1.游标卡尺，精度0.02mm；2.直角尺、水平检测台、百分表及百分表架、锉刀；3.WDW-200微机控制电子万能试验机。,主要实验仪器,13,三、实验仪器,WDW-200微机控制电子万能试验机,横梁,上承压板,下承压板,刚性框架,电源开关,启动开关,计算机及控制软件,14,四、实验步骤,1. 试件端面磨平观察岩石试件，若两端面存在明显不平整，采用锉刀垂直于试件轴线进行往复打磨至其两端面平整。,15,四、实验步骤,2. 测试件尺寸测量试验采用圆柱体作为标准试样，直径为25mm，允许变化范围为2328mm，高度为50mm，允许变化范围为4854mm。试样的尺寸要求高径之比为2.02.5。试样制作精度：在试样整个高度上，直径误差不得超过0.3mm；端面的不平行度，最大不超过0.3mm；试样的两端面应垂直于试样轴线。,16,四、实验步骤,(1) 试件端面垂直度测量检测方法如图所示，将试样放在水平检测台上，用直角尺紧贴试样垂直边，转动试样两者之间无明显缝隙。对于不合格试样，使用锉刀打磨，直至符合要求。,1.直角尺；2.试件；3.实验台,17,四、实验步骤,(2) 试件平行度测量检测方法如图所示，将百分表架与百分表固定于材料试验机平台上，放置试样于百分表触头下方，在平台上缓慢前后、左右平移试样，观察百分表指针的摆动幅度小于0.3mm（30格），则判定合格。对于不合格试样，使用锉刀打磨，直至符合要求。,1.百分表；2.百分表架；3.试件；4.实验台,18,四、实验步骤,(3) 试件直径测量取岩石试件上中下三断面测量位置，采用游标卡尺分别测量垂直于中轴线且互成90方位的试件直径，填入试样尺寸记录表中，并分析直径误差。,上断面,中断面,下断面,互成90测量,19,四、实验步骤,(4) 试件长度测量将试样断面分为相互垂直的4个方位，采用游标卡尺分别测量不同方位的试件尺寸，填入试样尺寸记录表中，并分析高度误差。,相互垂直的4个方位,20,四、实验步骤,3. 加载实验(1)将试件竖直放置于材料试验机下承压板上。使用50mm/min速度调节试验机横梁，使上承压板与压板相距约5mm，转换成5mm/min速度调节试验机横梁，使上承压板与压板接触。,21,四、实验步骤,(2)设置试验机采集软件：设定试件尺寸、实验日期、实验人员等数据、选择实验加载方式为位移控制式，加载速率0.3mm/min。(3) 开始实验：启动试验机，观察软件采集的数据，同时查看试件的破坏情况。(4)结束实验：当试件破坏，材料试验机自动停止。选择高速档向上调节材料试验机压板，使之与试件脱离。(5)破坏试样描述：拍照记录实验后试件的破坏形态，并根据岩石单轴压缩实验试件破坏特征，对破坏试件进行描述，并导出实验数据。而后清理试样，岩屑放入试验机旁塑料桶内。,22,五、结果处理,1. 岩石单轴抗压强度测定结果填入表2中，根据公式（1）计算出岩石的单轴抗压强度。,表2 岩石单轴抗压强度实验原始记录表小组编号 仪器编号 实验日期,实验者 计算者 校核者,23,五、结果处理,2. 实验结束后检查每一组的实验结果，废弃可疑数据。将单轴压缩实验记录与计算结果填入表3。然后利用EXCEL软件，以纵向应力为纵坐标，以轴向应变为横坐标绘制出岩石试样单轴压缩实验的应力-应变曲线，如下图。,表3 岩石单轴压缩变形测定记录,岩石单轴压缩应力应变曲线,24,五、结果处理,3. 弹性模量与割线模量根据岩石单轴压缩实验的应力-应变曲线计算变形参数，利用公式(2)、(3)计算岩石的杨氏弹性模量与割线模量，填入表4中。,表4 岩石杨氏弹性模量与割线模量测定结果,25,六、报告编写,实验结束后认真独立填写实验报告，实验报告应包括以下内容：1.实验目的；2.实验原理；3.实验仪器；4.实验步骤；5.原始数据及实验数据整理；6.对本实验的建议。,26,岩石巴西劈裂实验,27/64,岩石巴西劈裂实验,实验目的实验原理实验仪器实验步骤结果处理报告编写,28/64,一、实验目的,1. 掌握采用巴西劈裂法测定岩石抗拉强度的方法；2. 与岩石单轴抗压强度进行比较，了解脆性岩石材料的强度特点。,29,二、实验原理,巴西劈裂法测定岩石抗拉强度是国际岩石力学学会标准推荐的方法，对称圆盘试样受集中载荷P的作用下，依据弹性理论得知，如图1，圆盘加载直径上任一点(0，y)的应力状态为：,式中：P载荷，kN； D试件直径，cm； L试件高度，cm。,图1 圆盘试件受力示意图,(1),(2),30,二、实验原理,试样中心处（y=0）的应力为：,由式上式得出，圆盘试样中心处压应力是拉应力的3倍，但由于岩石抗拉强度远低于抗压强度，一旦拉应力达到试样的抗拉强度时中心发生破坏，通常认为拉应力对破裂起主导作用。,(3),(4),31,三、实验仪器,1.游标卡尺，精度0.02mm；2.直角尺、水平检测台、百分表及百分表架、锉刀；3.劈裂压模，压模圆弧直径为试样直径的1.5倍（如图2）。4. WDW-200微机控制电子万能，见岩石单轴抗压试验介绍。,图2 岩石抗拉强度测定示意图,32,四、实验步骤,1试件端面磨平观察岩石试件，若圆周有毛刺，采用锉刀打磨光滑。,33,四、实验步骤,2测试件尺寸测量实验采用圆柱体作为标准试样，直径为50mm，允许变化范围为4753mm，高度为25mm，允许变化范围为2327mm。试样的尺寸要求高径之比为0.51.0。(1)试件直径测量：取岩石试件中部测量，采用游标卡尺分别测量垂直于中轴线且互成90方位的试件直径，填入表1中，并分析直径误差。(2)试件高度测量：将试样断面分为相互垂直的4个方位，分别测量不同方位的试件尺寸，填入表1中，并分析试件的断面不平整度。相关测试方法与岩石单轴压缩实验试件测量方法相同。,34,四、实验步骤,2加载实验(1)将试件放置于劈裂夹具上，并放置劈裂夹具于试验机下承压板上，使用50mm/min速度调节试验机横梁，使上承压板与劈裂压模相距约5mm，转换成5mm/min速度调节试验机横梁，使上承压板与劈裂压模接触。,35,四、实验步骤,(2) 设置试验机采集软件：设定试件尺寸、实验日期、实验人员等数据，选择实验加载方式为应力控制方式，加载速率0.2mm/min。(3) 开始实验：启动试验机，观察软件采集的数据，同时查看试件的变形情况。(4)结束实验：当试件破坏，材料试验机自动停止，保存实验数据。选择高速档向上调节材料试验机压板，使之与劈裂压模脱离。(5)破坏试样描述：拍照记录实验后试件的破坏形态，并对破坏试件进行描述。,36,五、结果处理,岩石巴西劈裂实验测定结果填入表2，根据公式(3)计算出岩石的抗张强度。,表2 岩石单轴抗拉强度实验(劈裂法)原始记录表 小组编号 仪器编号 实验日期,实验者 计算者 校核者,37,六、报告编写,实验结束后认真独立填写实验报告，实验报告应包括以下内容：1.实验目的；2.实验原理；3.实验仪器；4.实验步骤；5.原始数据及实验数据整理；6.对本实验的建议。,38,岩石硬度测试实验,39/64,岩石单轴抗压实验,实验目的实验原理实验仪器实验步骤结果处理报告编写,40/64,一、实验目的,1、掌握岩石硬度的测定方法；2、掌握岩石塑性系数的测定方法。,41,二、实验原理,岩石的硬度是岩石破坏时所施加的压力与压头面积的比值。岩石的塑性系数为岩石破碎前耗费的总功与弹性变形功的比值。通过实验可以测试获得压头位移与荷载的关系，如图1所示。可得到岩石硬度计算公式：,式中： Py为岩石硬度；P为试样破坏载荷；S为压头面积; d为压头直径。,图1 压头位移-荷载曲线,岩石塑性系数计算公式：,式中：K为岩石塑性系数；AF为岩石破坏时耗费的总功；AE为岩石弹性变形耗费的功；SOABCO为途中O、A、B、C、O所围成的区域面积；SOEDO为途中O、E、D、O所围成的区域面积。区域面积可通过几何关系进行近似计算。,(1),(2),42,三、实验仪器,1.千分尺，精度0.001mm；3.WDW-200微机控制电子万能试验机，见岩石单轴抗压实验介绍。,43,四、实验步骤,1.使用千分尺测量压头直径（d），记录入表1中。,44,四、实验步骤,2.将岩石放置于材料试验机下承压板上（图2）,45,四、实验步骤,3、使用50mm/min速度调节试验机横梁，使压头与试件上端面相距约5mm，转换成5mm/min速度调节试验机横梁，使压头与试件上端面接触。,46,四、实验步骤,4、设置试验机采集软件：选择岩石硬度试验，设定试样批号、试样编号、实验人员、试件尺寸等参数，选择实验加载方式为位移控制式，加载速率0.5mm/min。5、开始实验：启动试验机，观察软件采集的数据，同时查看试件的破坏。6、结束实验：当试件破坏，停止试验，保存并输出实验数据。选择高速档向上调节材料试验机横梁，使压头与试件脱离，取出试件，并清理材料试验机。7、重复实验：移动岩样，使第一点的破碎坑与第二点相距大于10mm，按上述操作方法，测试第二点，每块岩样做3次。,47,五、结果处理,1. 岩石硬度实验结果填入表2，并绘制出压头位移与荷载的关系曲线（如图1）。,表1 岩石硬度测试实验原始记录表小组编号 仪器编号 实验日期,实验者 计算者 校核者,48,五、结果处理,2. 根据公式(1)、(2)计算出岩石硬度与塑性指数，填入表2。,表2 岩石单轴压缩变形测定记录,49,六、报告编写,实验结束后认真独立填写实验报告，实验报告应包括以下内容：1.实验目的；2.实验原理；3.实验仪器；4.实验步骤；5.原始数据及实验数据整理；6.对本实验的建议。,50,注意事项,1、在调节横梁与试件接触，相隔5mm时立刻切换采用5mm/min速度，以防止试件被破坏；2、试样批号：2012级石油工程*大班第*批，试样编号：实验操作人学号，实验人员：实验操作人名字；3、测试实验数据为电子文档，实验后保存数据：按照实验项目+班级+小组号+试样序号命名，请自备U盘考取数据；4、报告要求：请按照实验最后报告编写要求撰写报告，每个实验每组合作写一份报告，并在该实验报告最后写出成员及其完成的工作，提交报告时间为课程结束前，除数据曲线和照片打印，其他手写完成；5、实验过程中，请与试验试件保持1m以上距离，严谨近距离观察，或用手触碰。,51,
