第3章鉆井巖石力學(xué)基礎(chǔ)

1、第三章 鉆井巖石力學(xué)基礎(chǔ)第一節(jié) 巖石的形成和分類一、巖石類型地球半徑6371 km，分地殼、地幔、地核三個(gè)圈層；地殼厚度3040 km，由巖石組成。 巖石：巖石是各種礦物的組合體。礦物：具有一定的物理性質(zhì)和確定化學(xué)成分的物質(zhì)，地殼巖石中99%的巖石由12種常見物質(zhì)組成。（正長(zhǎng)石、斜長(zhǎng)石、石英、白云母等。）組成巖石的化學(xué)元素主要有8種。 化合 組合 元素 礦物 巖石 1、火成巖（巖漿巖） 巖漿冷凝而成，如花崗巖、玄武巖。 特點(diǎn)：呈塊狀，致密、堅(jiān)硬 2、沉積巖 各種原巖，如火成巖、變質(zhì)巖，先前形成的沉積巖經(jīng)風(fēng)化、破碎后再沉積和壓實(shí)而成的新巖石，是主要的石油生成和儲(chǔ)集巖石。 特點(diǎn)：有層理，有化石 3

2、、變質(zhì)巖 火成巖和沉積巖在高溫高壓的作用下，改變了原有結(jié)構(gòu)而形成的新巖石。石灰?guī)r大理石，花崗巖片麻巖。二、沉積巖的分類 1、黃土和粘土(直徑10 mm 的粘土礦物微粒組成） 2、泥巖及頁(yè)巖（孔隙少，滲透率低） 3、砂巖（孔隙大，滲透率較大，是主要的儲(chǔ)層） 4、礫巖 5、石灰?guī)r：碳酸鈣的化學(xué)沉積。碳酸鈣被碳酸鎂替代則成為白云巖，主要為裂縫和溶洞型的儲(chǔ)集層。第二節(jié) 巖石的結(jié)構(gòu)和組織特點(diǎn)一、巖石的微觀結(jié)構(gòu) (1) 礦物的性質(zhì)（硬度、強(qiáng)度、解理、劈裂方向） （決定）巖石抵抗外力的能力 (2) 礦物顆粒在巖石中的結(jié)構(gòu)及其聯(lián)結(jié)（膠結(jié)） （決定）巖石的工程力學(xué)性質(zhì) 因素：胎體（膠結(jié)物）強(qiáng)度，顆粒間接觸面積

3、(3) 巖石孔隙、密度、裂隙、薄弱雜質(zhì)點(diǎn) （影響）巖石強(qiáng)度 井深孔隙度、密度巖石強(qiáng)度 二、巖石宏觀結(jié)構(gòu) 火成巖的宏觀結(jié)構(gòu)對(duì)巖石的機(jī)械性質(zhì)沒有明顯的影響，沉積巖與變質(zhì)巖的宏觀結(jié)構(gòu)影響明顯： (1) 層理：垂直方向上巖石成分變化的情況 a、成分相同，顆粒大小在垂直方向上變化 b、不同成分顆粒的交替 c、礦物顆粒在一定方向上的指向 (2) 片理：巖石沿平行的平面分裂為薄片的能力 (3) 裂隙系（斷裂）：垂直于片理面分布著 層理、片理、裂隙系 礦物定向排列 巖石性質(zhì)的各向異性、不均勻性 沉積時(shí)微層理性 各向異性：巖石的物理-力學(xué)性質(zhì)在平行和垂直于層理面方向存在很大差異的性質(zhì)。第三節(jié) 巖石的力學(xué)性質(zhì) 力

4、學(xué)性質(zhì)的含義包括 (1) 變形特征：巖石在各種載荷下的變形規(guī)律 (2) 強(qiáng)度特征：巖石試件在載荷作用下開始破壞時(shí)的最大應(yīng)力（強(qiáng)度極限）以及應(yīng)力與破壞之間的關(guān)系，反映了巖石抵抗破壞的能力和破壞規(guī)律。一、巖石的應(yīng)力應(yīng)變曲線 1、實(shí)驗(yàn)情況巖樣的長(zhǎng)度是直徑23倍；采用剛性實(shí)驗(yàn)機(jī)； OA：巖石內(nèi)部的裂隙被壓縮AB：彈性階段，斜率表示巖石的楊氏模量BC：塑性階段CD：脆性破壞B： 屈服應(yīng)力點(diǎn)C： 強(qiáng)度極限 2、巖石的脆性和塑性 外力超過巖石強(qiáng)度極限后巖石出現(xiàn)裂縫、裂縫延伸只至巖石破壞的性質(zhì)（巖石在破碎前呈現(xiàn)出的永久變形的性質(zhì)） (1) 脆性巖石（花崗巖，石英砂巖） 巖石在破碎前未發(fā)生永久變形，抗沖擊能力弱

5、。 (2) 塑性巖石 巖石在破碎前發(fā)生永久變形，抗刮切能力弱。二、巖石的彈性常數(shù) 當(dāng)應(yīng)力應(yīng)變曲線不為直線時(shí)，取強(qiáng)度極限一半的點(diǎn)，用其切線或割線模量作為楊氏模量； 泊松比：橫向應(yīng)變與軸向應(yīng)變的比例的絕對(duì)值； 剪切模量： 體積模量： 三、簡(jiǎn)單應(yīng)力條件下巖石的強(qiáng)度 1、定義：巖石抵抗外力破壞的能力（單向應(yīng)力）。2、特點(diǎn)： 孔隙度、顆粒間接觸面積強(qiáng)度； 抗壓抗剪抗拉（張）強(qiáng)度； 硅質(zhì)石灰質(zhì)鐵質(zhì)泥質(zhì)膠結(jié)。 3、測(cè)量 巖石結(jié)構(gòu)的多變性無巖石強(qiáng)度手冊(cè)，須進(jìn)行強(qiáng)度試驗(yàn)。 巖樣制備：（略） （一）單軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn) 巖樣破壞時(shí)的應(yīng)力值即為巖石抗壓強(qiáng)度： P-破壞時(shí)的軸向載荷 A-巖樣橫截面積 巖樣長(zhǎng)徑比：L/D2

6、.53.0 D2.26.6 cm or 5 cm （二）單軸抗拉強(qiáng)度試驗(yàn) a、直接法 巖樣拉斷時(shí)的應(yīng)力值即為巖石抗拉強(qiáng)度： 負(fù)號(hào)表示拉伸。 b、巴西試驗(yàn)法（源于南美洲的巴西） 0，巖石強(qiáng)度：2 Mpa P-巖盤破裂時(shí)載荷，N； r0-巖盤半徑，mm；25mm t-巖盤厚度，mm。 四、復(fù)雜應(yīng)力條件下巖石的強(qiáng)度 1、三軸應(yīng)力實(shí)驗(yàn) 三軸應(yīng)力試驗(yàn)提供測(cè)試巖石機(jī)械性質(zhì)的良好手段方案： s1 s1 s1 s3s2=s3 s2=s3 s2 s1 (a) (b) (c) a、液壓作用下的壓拉（常規(guī)三軸試驗(yàn)） b、用三液缸的柱塞進(jìn)行試驗(yàn)三面壓縮（真三軸試驗(yàn)） c、壓扭試驗(yàn) 2、圍壓對(duì)強(qiáng)度和塑性的影響特點(diǎn) (1

7、) 圍壓巖石強(qiáng)度（極限）（巖性） (2) 圍壓巖石由脆性轉(zhuǎn)變到塑性 塑性 原因：圍壓巖石體積，顆粒間距，顆粒之間、顆粒內(nèi)部相互作用力對(duì)外加載荷抵抗力。 3、對(duì)實(shí)際鉆井的影響 巖石從脆性向塑性轉(zhuǎn)變的轉(zhuǎn)變點(diǎn)（臨界壓力點(diǎn)）對(duì)設(shè)計(jì)、選擇和科學(xué)使用鉆頭有很重要的意義。五、巖石的抗壓入破碎強(qiáng)度（巖石硬度） 巖石的硬度反映了鉆井時(shí)巖石的抗破碎能力。 1、硬度計(jì) 壓頭15 mm2 2、硬度 定義：巖石發(fā)生脆性破壞時(shí)單位接觸面積上的載荷(Py)。 硬度鉆頭吃入鉆速 脆性巖石和塑脆性巖石： (Pa) -巖石發(fā)生脆性破碎時(shí)的載荷，； -壓模底面積，m2。 塑性巖石： (Pa) Po-塑性巖石發(fā)生屈服時(shí)的載荷，。 3

8、、塑性系數(shù) 巖石破碎前耗用總功AF與彈性變形功AE之比： 4、巖石分類 按巖石的硬度（12級(jí)）與塑性系數(shù)（6級(jí)）分類。P22、表1-8、表1-9。第四節(jié) 巖石的研磨性 1、定義： 巖石磨損鉆頭的能力。 2、測(cè)量方法： 3、特點(diǎn)：(1) 晶質(zhì)巖石：與組成巖石的礦物性質(zhì)有關(guān)(2) 碎屑巖石：與膠結(jié)物的強(qiáng)度有關(guān) 4、鉆頭按研磨性分類第五節(jié) 巖石的可鉆性 1、定義：巖石被破碎的難易程度。 2、特點(diǎn)：多變量函數(shù)，受天然的、工藝的技術(shù)性因素的影響。 3、測(cè)量方法： 微鉆頭試驗(yàn)法(Rollow,1962)，1/4(31.75mm)，鉆壓200 lb(907.2N)，55 rpm，鉆深3/32(2.381mm)，計(jì)時(shí)（秒）。可預(yù)測(cè)60rpm時(shí)全尺寸鉆頭相應(yīng)鉆壓下的鉆速。根