第一章+鉆頭-巖石性質

1、概概 述述1. 鉆頭類型鉆頭類型(1)按結構及工作原理分類按結構及工作原理分類 刮刀鉆頭、牙輪鉆頭、刮刀鉆頭、牙輪鉆頭、PDC鉆頭、鉆頭、金剛石鉆頭金剛石鉆頭(2)按功用分類按功用分類 全面鉆進鉆頭、取心鉆頭、擴眼鉆全面鉆進鉆頭、取心鉆頭、擴眼鉆頭頭2. 鉆頭尺寸系列鉆頭尺寸系列 4-3/4 26 in3. 工作指標工作指標鉆頭進尺（米）鉆頭進尺（米）鉆頭工作壽命（小時）鉆頭工作壽命（小時）機械鉆速（米機械鉆速（米/小時）小時）單位進尺成本（元單位進尺成本（元/米）：米）：HttCCCtrbpm)( 一、巖石的機械性質（力學性質）一、巖石的機械性質（力學性質） 1.1.幾個概念幾個概念巖石的力

2、學性質巖石的力學性質 石受力后表現(xiàn)出來的石受力后表現(xiàn)出來的變形特性變形特性和和強度特性強度特性。彈性彈性巖石巖石在外力作用下產(chǎn)生變形，外力撤除后變形隨之消失，在外力作用下產(chǎn)生變形，外力撤除后變形隨之消失，恢復到原來的形狀和體積的性質稱為彈性。相應的變形稱為彈恢復到原來的形狀和體積的性質稱為彈性。相應的變形稱為彈性變形。性變形。塑性塑性巖石巖石在外力作用下產(chǎn)生變形，外力撤除后變形不能完在外力作用下產(chǎn)生變形，外力撤除后變形不能完 全恢復的性質。全恢復的性質。相應的殘余變形稱為塑性變形相應的殘余變形稱為塑性變形。脆性脆性巖石在外力作用下變形量很?。ㄐ∮趲r石在外力作用下變形量很小（小于3%）時就發(fā)生）

3、時就發(fā)生 破壞的性質。破壞的性質。 相應的破壞稱為脆性破壞。相應的破壞稱為脆性破壞。強度強度巖石在外力作用下發(fā)生破壞時的最大應力。巖石在外力作用下發(fā)生破壞時的最大應力。 抗拉強度抗拉強度巖石單純受拉伸應力作用時的強度。巖石單純受拉伸應力作用時的強度。 抗壓強度抗壓強度巖石單純受壓縮應力力作用時的強度。巖石單純受壓縮應力力作用時的強度。 抗剪強度抗剪強度巖石單純受剪切應力作用時的強度巖石單純受剪切應力作用時的強度 抗彎強度抗彎強度巖石單純受彎曲應力作用時的強度。巖石單純受彎曲應力作用時的強度。 彈性模量和泊松比彈性模量和泊松比虎克定律：EG泊松比：zyzxzxyzxx，彈性系數(shù)之間的關系：彈性系

4、數(shù)之間的關系：)1(2EG應力；應力；應變；應變；E彈性模量彈性模量應力；應力； 剪應變；剪應變；G剪切剪切彈性模量彈性模量（各向同性材料）（各向同性材料）2. 2. 簡單應力條件下巖石的力學性質簡單應力條件下巖石的力學性質 簡單應力條件：巖石受單一外載（壓、拉、剪、彎）作用。簡單應力條件：巖石受單一外載（壓、拉、剪、彎）作用。 （1 1）試驗方法）試驗方法APctrpt0抗壓試驗抗壓試驗抗拉試驗抗拉試驗-巴西實驗巴西實驗APs223bhPlb抗剪試驗抗剪試驗抗彎試驗抗彎試驗破壞方式破壞方式（2 2）一般規(guī)律）一般規(guī)律： 在簡單應力條件下，大部分巖石都接近彈性脆性體，巖石的破壞表在簡單應力條件

5、下，大部分巖石都接近彈性脆性體，巖石的破壞表現(xiàn)為脆性破壞?，F(xiàn)為脆性破壞。 巖石的彈性模量與所加載荷大小及應變種類有關。當載荷較小時，巖石的彈性模量與所加載荷大小及應變種類有關。當載荷較小時，彈性模量接近常數(shù)，且各種應變情況下的彈性模量相差不大。當載彈性模量接近常數(shù)，且各種應變情況下的彈性模量相差不大。當載荷較大時，荷較大時，在受壓縮的情況下，彈性模量將隨載荷的增大而增大；在受壓縮的情況下，彈性模量將隨載荷的增大而增大；在受拉伸的情況，彈性模量則隨載荷的增大而減小。在受拉伸的情況，彈性模量則隨載荷的增大而減小。 在動外力（如聲波）作用下，大多數(shù)巖石服從直線虎克定律。在動外力（如聲波）作用下，大多

6、數(shù)巖石服從直線虎克定律。 一般情況下一般情況下 抗拉強度抗彎強度抗拉強度抗彎強度抗剪強度抗壓強度抗剪強度抗壓強度。 垂直于地層層面方向的巖石強度平行于地層層面方向的巖石強度。垂直于地層層面方向的巖石強度平行于地層層面方向的巖石強度。3. 3. 復雜應力條件下巖石的力學性質復雜應力條件下巖石的力學性質(1) (1) 三軸巖石試驗三軸巖石試驗12=311123 2=323 常規(guī)三軸試驗：常規(guī)三軸試驗：12=312=3P=2=3P=P=2 2=3 311壓壓縮縮拉拉伸伸（2 2） 一般規(guī)律一般規(guī)律v巖石在三軸應力條件下的強度明顯增加。隨著圍壓的增大，巖石巖石在三軸應力條件下的強度明顯增加。隨著圍壓的

7、增大，巖石強度增大。強度增大。v隨著圍壓的增大，巖石由脆性向塑性轉變，且圍壓越大，巖石破隨著圍壓的增大，巖石由脆性向塑性轉變，且圍壓越大，巖石破壞前呈現(xiàn)的塑性也越大壞前呈現(xiàn)的塑性也越大。巖石從脆性向塑性轉變的壓力（圍壓）。巖石從脆性向塑性轉變的壓力（圍壓）稱為臨界壓力。不同的巖石，臨界壓力不同。稱為臨界壓力。不同的巖石，臨界壓力不同。v 在各向均勻壓縮狀態(tài)下，巖石永遠不會破壞。在各向均勻壓縮狀態(tài)下，巖石永遠不會破壞。3=03=23.53=503=853=1653=326XXXX3=03=27.53=55.53=1553=217.513，MPa13，MPa4.4.巖石的硬度和塑性系數(shù)巖石的硬度和

8、塑性系數(shù) 硬度的概念硬度的概念 巖石抵抗其它物體表面壓入的能力巖石抵抗其它物體表面壓入的能力。石油工業(yè)中的巖石油工業(yè)中的巖石硬度是石硬度是壓入壓入 硬度，也稱為史氏硬度，是由前蘇聯(lián)史立涅硬度，也稱為史氏硬度，是由前蘇聯(lián)史立涅爾提出的。爾提出的。 硬度與抗壓強度區(qū)別：硬度與抗壓強度區(qū)別： 硬度是巖石表面的硬度是巖石表面的局部局部抵抗外力壓入的能力，抗壓強度抵抗外力壓入的能力，抗壓強度則是巖石整體抗壓的能力。則是巖石整體抗壓的能力。 塑性系數(shù)塑性系數(shù) 表征巖石塑性和脆性大小的參數(shù)。表征巖石塑性和脆性大小的參數(shù)。巖石硬度試驗裝置 771 1液缸缸體；液缸缸體；2 2液缸柱塞；液缸柱塞；3-3-巖樣；

9、巖樣；4 4壓頭壓頭5壓力計；壓力計；6千分表；千分表；7柱塞導向桿柱塞導向桿6壓入硬度和塑性系數(shù)的測定方法壓入硬度和塑性系數(shù)的測定方法壓入試驗壓入試驗巖石硬度和塑性系數(shù)的計算：巖石硬度和塑性系數(shù)的計算：塑性系數(shù)塑性系數(shù): :面積面積巖石破碎前彈性變形功巖石破碎前耗費的總功ODEOABCAAKEFp類脆塑脆性塑別性低塑性高塑性性級 別123456塑性系數(shù) K1122334466巖石按塑性系數(shù)分類（巖石按塑性系數(shù)分類（3類、類、6級）級）硬度硬度P Py:y: 類別軟中軟中硬硬堅硬極硬級別123456789101112MPa112.5 2.55 510 101515202030304040505

10、060607070MPa對脆性和塑脆性巖石對脆性和塑脆性巖石：SPPySPPy0MPa對塑性巖石：對塑性巖石：巖石按硬度的分類（巖石按硬度的分類（6 6類、類、1212級）級）P破壞載荷；破壞載荷； P0彈性變形載荷彈性變形載荷 只有彈性變形無塑性變形。只有彈性變形無塑性變形。 破碎特點是破碎特點是:變形深度變形深度很小，而破碎深很小，而破碎深h度遠大于變形度遠大于變形深度深度 破碎面積破碎面積S0 遠大于壓模面積遠大于壓模面積ShS0Sp 先產(chǎn)生彈性變形后產(chǎn)生塑性變形，最后發(fā)生塑性破碎。先產(chǎn)生彈性變形后產(chǎn)生塑性變形，最后發(fā)生塑性破碎。 破碎特點是破碎特點是:較大，但較大，但h，且，且S0 S

11、。hS0Sp 只有塑性變形而無脆性破碎只有塑性變形而無脆性破碎 h=，S0 S。hS0Sp二、影響巖石力學性質的因素分析二、影響巖石力學性質的因素分析1.1.巖石結構巖石結構（1）對晶質巖石，由硬度較高的礦物組成的巖石，其硬度也較高。對晶質巖石，由硬度較高的礦物組成的巖石，其硬度也較高。 如玄武巖（斜長石、輝石，如玄武巖（斜長石、輝石，6）白云巖（）白云巖（4）石灰?guī)r（）石灰?guī)r（3）。）。（2）砂巖的強度隨著石英（砂巖的強度隨著石英（7）含量的增加而增大；）含量的增加而增大； 硅質膠結鈣質鐵質泥質。硅質膠結鈣質鐵質泥質。（3）同種巖石孔隙度增大，密度降低，強度降低。）同種巖石孔隙度增大，密度降

12、低，強度降低。 因此，巖石的強度一般隨埋藏深因此，巖石的強度一般隨埋藏深 度的增加而增大。度的增加而增大。2. 2. 井底各種壓力井底各種壓力（1）有效應力（外壓與內壓之差）越大，巖石強度越大，塑性越大。有效應力（外壓與內壓之差）越大，巖石強度越大，塑性越大。 （各向壓（各向壓 縮效應）縮效應）。（2）井內液柱壓力與孔隙壓力之差越大，巖石強度越大，塑性越大。井內液柱壓力與孔隙壓力之差越大，巖石強度越大，塑性越大。3. 3. 載荷性質的影響載荷性質的影響 巖石對動載的抗力要比靜載大得多。隨著沖擊速度增大，硬度增大，巖石對動載的抗力要比靜載大得多。隨著沖擊速度增大，硬度增大，塑性系數(shù)塑性系數(shù) 減小

13、。減小。 但在沖擊速度小于但在沖擊速度小于10米米/秒時，巖石硬度和塑性系數(shù)變化不大，接近秒時，巖石硬度和塑性系數(shù)變化不大，接近于靜載時的數(shù)值。于靜載時的數(shù)值。在在10000米深度范圍內：米深度范圍內： 強度：巖鹽泥頁巖石灰?guī)r石膏白云巖；強度：巖鹽泥頁巖石灰?guī)r石膏白云巖； 砂巖強度取決于膠結物及膠結程度。砂巖強度取決于膠結物及膠結程度。 塑性：巖鹽石灰?guī)r泥頁巖石膏白云巖石英巖塑性：巖鹽石灰?guī)r泥頁巖石膏白云巖石英巖4. 4. 溫度的影響溫度的影響 地溫梯度約為地溫梯度約為30度度/km。 高溫條件下塑性增大強度減小。高溫條件下塑性增大強度減小。 5. 5. 液體介質的影響液體介質的影響 分散性介

14、質對巖石強度有降低的作用。分散性介質對巖石強度有降低的作用。 三、巖石的可鉆性和研磨性三、巖石的可鉆性和研磨性 1. 1. 巖石可鉆性巖石可鉆性( (Rock Drillability）（1 1）概念）概念巖石可鉆性可理解為巖石破碎的難易性，它反映了是巖石抵抗鉆巖石可鉆性可理解為巖石破碎的難易性，它反映了是巖石抵抗鉆頭破碎的能力頭破碎的能力。（2 2）評價方法）評價方法在鉆壓在鉆壓889.7N（200磅）、轉速磅）、轉速55r/min的固定條件下，用直徑的固定條件下，用直徑31.75mm（1-1/4in）的微型鉆頭在巖心上鉆孔，以鉆進）的微型鉆頭在巖心上鉆孔，以鉆進2.4mm孔深所需要的時間孔

15、深所需要的時間td作為巖石可鉆性指標，由此把巖石分為易鉆的和難鉆的。作為巖石可鉆性指標，由此把巖石分為易鉆的和難鉆的。為應用方便，常用為應用方便，常用 Kd=Log2td 作為可鉆性指標，稱為作為可鉆性指標，稱為可鉆性級值可鉆性級值。級別級別td/秒秒448816163232646412812825625651251210241024 Kd22 33 44 55 66 77 88 99 1010分類分類極軟極軟軟軟中軟中軟中中中硬中硬硬硬極硬極硬（3 3）可鉆性分級）可鉆性分級2. 2. 巖石研磨性（巖石研磨性（ Rock Abrasiveness）巖石磨損鉆頭切削刃材料的能力稱為巖石的研磨性

16、。巖石磨損鉆頭切削刃材料的能力稱為巖石的研磨性。 1）.巖石研磨性的概念巖石研磨性的概念 在鉆進過程中，鉆頭在破碎巖石的同時，也被巖石在鉆進過程中，鉆頭在破碎巖石的同時，也被巖石磨損，磨損，我們把巖石磨損鉆頭的能力稱為巖石的研磨性我們把巖石磨損鉆頭的能力稱為巖石的研磨性。 2）.巖石研磨性的測定方法及其分類巖石研磨性的測定方法及其分類 研磨性的測定研磨性的測定 對于大部分礦物和巖石，金屬盤的單位摩擦路程的對于大部分礦物和巖石，金屬盤的單位摩擦路程的磨損不取決于圓盤的旋轉速度，只與載荷磨損不取決于圓盤的旋轉速度，只與載荷p成正比，成正比， vs p 式中式中 vs 圓盤的單位摩擦路程磨損量，立方

17、厘米圓盤的單位摩擦路程磨損量，立方厘米/米；米； 研磨系數(shù)；研磨系數(shù)； p摩擦面上的接觸壓力，牛。摩擦面上的接觸壓力，牛。 vvs s 可通過稱重量獲得，它等于失重除以金屬的密度再可通過稱重量獲得，它等于失重除以金屬的密度再除以摩擦總路程。除以摩擦總路程。的物理意義是，在的物理意義是，在9.89.8牛的垂直載荷作用下與巖石產(chǎn)牛的垂直載荷作用下與巖石產(chǎn)生單位路程的摩擦時金屬圓盤的磨損體積。生單位路程的摩擦時金屬圓盤的磨損體積。 相對磨損量相對磨損量0 0 相對磨損量就是單位摩擦路程中的鋼的磨損體積相對磨損量就是單位摩擦路程中的鋼的磨損體積vvs s 與巖石磨損體積與巖石磨損體積vvR R 的比值

18、，即的比值，即 0 0 vvs s /v/vR R 巖石按研磨性系數(shù)大小可分為巖石按研磨性系數(shù)大小可分為1212級。級。（1）化學巖的研磨性）化學巖的研磨性 化學巖的研磨性與組成巖石的礦物的硬度成正比?；瘜W巖的研磨性與組成巖石的礦物的硬度成正比。 研磨性由小到大的順序為：研磨性由小到大的順序為： 硫酸鹽巖、碳酸鹽巖、硅質巖石、鐵硫酸鹽巖、碳酸鹽巖、硅質巖石、鐵鎂長石巖、石英鎂長石巖、石英。 （2）碎屑巖的研磨性）碎屑巖的研磨性 砂巖的研磨性與巖石的硬度成反之，砂巖的研磨性與巖石的硬度成反之，即隨著巖石膠結強度的降即隨著巖石膠結強度的降低其研磨性增大。低其研磨性增大。 在硬度相同時粉砂巖的研磨性比砂巖要小。在硬度相同時粉砂巖的研磨性比砂巖要小。（3）介質的影響）介質的影響 具有冷卻作用和潤滑作用的介質將減少磨損量，而具有分散具有冷卻作用和潤滑作用的介質將減少磨損量，而具有分散和磨損作用的介質將增大磨損。和磨損作用的介質將增大磨損。 本節(jié)重點本節(jié)重點1. 1. 巖石的力學性質巖石的力學性質（受力表現(xiàn)出來的受力表現(xiàn)出來的變形特性變形特性和和強度特性強度特性）。2 2、巖石的強度、巖石的強度（抗拉強度抗彎強度抗拉強度抗彎強度抗剪強度抗壓強度抗剪強度抗壓強度）3 3、巖石在三軸應力條件下的強度與變形特性、巖石在三軸