岩石是构成地球最基本的材料,研究地球上的诸多现象和过程,都离不开对岩石物理性质的理解和认识。弹性波在岩石中传播特性的研究,为油气勘探提供了有力工具,提供了关于地球岩石圈应力状态的新认识,将成为解释地震和滑坡等自然灾害机理的理论基础,并形成了岩石断裂力学新领域;对泥岩变形进行宏细观力学机理的研究,对石油工业具有重要作用,它影响到钻井、采油等石油勘探开发的许多方面。 油田现场调研表明,油水井套管损坏和钻井工程中的井壁坍塌多发于泥岩层。研究泥岩的物理、化学和力学性质,探讨和研究泥岩吸水、水化宏观与微观过程及此过程中地层水化应力、围岩孔隙压力与岩石力学性能的变化规律及影响因素,研究泥页岩水化机理、膨胀机理。从力学的角度上就是研究力学变形机理和建立泥岩材料的本构关系。 应用本构关系对泥岩所特有的力学性质有全面的理解并对工程问题加以解决,才能更深入地研究地层界面处油水井套管损坏的机理,进而为套管设计、制造、安装和套管损坏防治以及提高井壁稳定性提供理论依据。本构方程的建立将为研究套管的破坏和井壁失稳机理奠定基础,是一个具有理论意义和应用前景的课题。 通过分析和调研,全面地总结油水井套管损坏和井壁失稳机理,指出岩土力学中本构方程理论的重要性,力图用断裂力学和有限变形弹塑性理论方法,揭示泥岩变形的力学机理,并进行了以下工作: 1.深入地研究了泥岩吸水和水化的物理变化过程,进行泥岩吸水和水化的实验,指出体积膨胀非线性变化是泥岩吸水过程物理变化的重要特征,建立了反映这一变化影响的非线性蠕变材料的本构方程。 2.将本构关系与界面断裂力学的理论相结合,应用于泥岩层界面处油水井套管损坏的研究中,建立了地层隆起套管剪切损坏模型的界面裂纹力学模型,即高压注水引起的油藏隆起引起套管剪切损坏的力学模型。通过计算,分析地层倾角对套管剪切损坏的影响,阐明泥岩层界面处油水井套管损坏的力学机理。 3.鉴于泥岩的体积膨胀效应较大,采用有限变形弹塑性理论对其变形机理进行分析是十分必要的。采用有限变形弹塑性理论,建立了压力敏感性材料本构方程。