巖石機械性質(zhì)測定

學習情境二開鉆準備工作項目二巖石的機械性質(zhì)測定測定巖石的硬度及強度測定巖石的可鉆性和研磨性1影響鉆井過程（鉆速）的因素地層巖性強度、硬度、研磨性、可鉆性鉆井液性能密度、固相含量、粘度、失水鉆頭類型及結(jié)構(gòu)水力參數(shù)泵壓、排量、噴嘴直徑鉆井機械參數(shù)鉆壓、轉(zhuǎn)速2能力目標:對巖石的強度、硬度、可鉆性、研磨性進行測定、比較，并對硬度進行簡單的分級測定三軸應(yīng)力條件下巖石的強度，分析機械性質(zhì)的變化知識目標了解巖石的機械性質(zhì)理解井底壓力條件下巖石的機械性質(zhì)的改變及其影響因素3

測定巖石的強度及硬度測定巖石的機械性質(zhì)的目的：為選用合適的鉆頭和確定最優(yōu)的鉆進參數(shù)提供依據(jù)。巖石(rock)碎屑巖(砂巖)：石英、長石——儲集和流動空間——孔隙碳酸巖(灰?guī)r)：方解石、白云石——儲集空間——孔隙流動空間——裂縫4巖石性質(zhì)

5l砂巖：指顆粒經(jīng)膠結(jié)物膠結(jié)而成，砂含量＞50％的陸源碎屑巖。l砂巖中含：礫石、砂、粉砂、泥等碎屑顆粒。粒徑為0.1-1mm的碎屑顆粒稱為砂。6

膠結(jié)類型概念：指膠結(jié)物在巖石中的分布狀況及其與碎屑顆粒間的接觸關(guān)系。分類：基底膠結(jié)、孔隙膠結(jié)、接觸膠結(jié)。7特點：

l膠結(jié)物含量：高＞不多＞少

l膠結(jié)強度：強＞中等＞弱

l孔、滲物性：差＜中等＜好8巖石的機械性質(zhì)：在外力作用下，巖石從變形到破壞所表現(xiàn)出的物理力學性質(zhì)叫做巖石的機械性質(zhì)，與破巖效率有關(guān)的巖石的機械性質(zhì)有強度、硬度、脆性和塑性等。9

測定巖石的強度及硬度一、簡單應(yīng)力條件下巖石的強度巖石強度：在一定條件下，巖石在各種荷載作用下達到破壞時所能承受的最大應(yīng)力稱為巖石的強度。根據(jù)外力作用性質(zhì)不同，有抗壓、抗拉、抗剪和抗彎強度，其單位是MPa。

通常情況下：抗壓>抗剪>抗彎>抗拉強度強度獲取方法：對具體的巖石進行強度試驗

10

指巖石抵抗外力壓縮的能力，其數(shù)值大小等于在巖樣上施加軸向壓縮載荷直至破壞時單位面積上的載荷，可通過單軸抗壓縮強度試驗來獲。巖石抗壓強度測定：實驗要求：*施加壓力的方向應(yīng)平行于巖心的軸線*巖樣長度L應(yīng)適當，L/D很小時，試件中的應(yīng)力分布趨于三軸應(yīng)力狀態(tài)，具有較高的強度；L/D很大時，將發(fā)生彈性不穩(wěn)定破壞；L/D應(yīng)適中，一般以L/D=2.5~3.0較好。*盡量減小端面效應(yīng)，設(shè)法降低試件端面與加壓板間的摩擦。*試件尺寸取決于組成巖石的顆粒的尺寸，試件直徑與最大顆粒尺寸的比值至少應(yīng)為10：1。因此，原則上應(yīng)盡量采用較大直徑的試件。建議采用2.2~2.6厘米直徑的試件。巖石P壓力P壓力鋼墊板球座11

測定巖石的強度及硬度二、復雜應(yīng)力條件下巖石的強度1.常規(guī)三軸試驗常規(guī)三軸試驗是最為常用的一種三軸應(yīng)力試驗方法。它是將圓柱形的巖樣用液壓p使其四周處于三向均勻壓縮的應(yīng)力狀態(tài)下，然后保持此壓力不變，對巖樣加載，直到使其破壞?？梢赃M行三軸壓縮試驗(σ1＞σ2=σ3=p)，也可以進行三軸拉伸試驗(σ1﹤σ2=σ3=p)。12σ1

P=σ2=

σ3σ3P=σ1=

σ2常規(guī)三軸試驗（a）壓縮試驗（b）拉伸試驗13

測定巖石的強度及硬度2.三軸應(yīng)力條件下巖石強度變化的特點：■巖石在三軸應(yīng)力條件下強度明顯增加,但所增加的幅度對于不同類型的巖石是不一樣的?！鰢鷫簩姸鹊挠绊懗潭炔⒉皇窃谒袎毫Ψ秶鷥?nèi)都是一樣的。開始增大圍壓時，巖石的強度增加比較明顯；繼續(xù)增加圍壓，相應(yīng)的強度增量就變得越來越小；當圍壓很高時，有些巖石的強度便趨于常量?！鲭S著圍壓的增大，巖石表現(xiàn)出從脆性到塑性的轉(zhuǎn)變，且圍壓越大，巖石破碎前所呈現(xiàn)的塑性也越大。一般認為，當巖石的總應(yīng)變量達到3％～5％時，巖石已經(jīng)具有塑性或已經(jīng)由脆性向塑性轉(zhuǎn)變。14

測定巖石的強度及硬度研究巖石從脆性到塑性的轉(zhuǎn)變點（或稱臨界壓力）對深井鉆井的重要意義：脆性破壞和塑性破壞是兩種具有本質(zhì)差別的破壞形式，需分別用不同的破碎工具（如不同結(jié)構(gòu)的鉆頭類型），采用不同的破碎方式（沖擊、壓碎、擠壓、剪切或切削、磨削等），以及不同的破碎參數(shù)（鉆壓、轉(zhuǎn)速及水力參數(shù)等）的組合。因此，確定巖石的脆—塑性轉(zhuǎn)變的“臨界壓力”將為設(shè)計和合理選擇使用鉆頭提供科學依據(jù)。15

測定巖石的強度及硬度3.巖石的脆性和塑性巖石在外力作用下發(fā)生塑性變形的性質(zhì)叫做巖石的塑性。而當應(yīng)力達到彈性極限后即破壞，不呈現(xiàn)永久變形，稱之為巖石的脆性。通過平底圓柱壓模壓人法試驗，16OA段：曲線稍向上凹，反映巖石試件內(nèi)部裂隙逐漸被壓密。AB段：隨著巖石內(nèi)裂隙被壓密，它的斜率為常數(shù)或接近于常數(shù)，其斜率定義為巖石的楊氏彈性模量E。巖石－變形特性BC段：隨著荷載的繼續(xù)增大，變形和荷載呈非線性關(guān)系，裂隙進入不穩(wěn)定發(fā)展狀態(tài)，這是破壞的先行階段。應(yīng)力－應(yīng)變曲線的斜率隨著應(yīng)力的增加而逐漸地減小到零，曲線向下凹，巖石中引起不可逆變化。17發(fā)生彈性到延性行為過渡的點B，通常稱為屈服點，而相應(yīng)的應(yīng)力稱為屈服應(yīng)力。最高點C的應(yīng)力稱為強度極限（如為單軸試驗便稱為單軸抗壓強度）。CD段：曲線下降，是由于裂隙發(fā)生了不穩(wěn)定傳播，新的裂隙分叉發(fā)展，使巖石開始解體。CD段以脆性性態(tài)為其特征。巖石－變形特性18巖石的彈性常數(shù)巖石的應(yīng)力——應(yīng)變關(guān)系楊氏彈性模量：E剪切彈性模量：G=E/2(1+)體積彈性模量：K=E/[3(1-2)]泊松比：橫向應(yīng)變與縱向應(yīng)變之比19根據(jù)變形曲線可以將巖石分為3種典型變形特點OO吃入深度ε/mW0載荷W/NWDEOC(b)塑脆性巖石吃入深度ε/m載荷W/NW0載荷W/N吃入深度ε/mWDE(a)脆性巖石(c)塑性巖石BA20

測定巖石的強度及硬度圖(a)為脆性巖石，其特點是OD段為彈性變形階段，達到D點后即發(fā)生脆性破碎；圖(b)為塑脆性巖石，其OA段為彈性變形階段，AB為塑性變形區(qū)，到達B點時產(chǎn)生脆性破碎；圖(c)為塑性巖石及多孔巖石，施加不大的荷載即產(chǎn)生塑性變形，其后變形隨變形時間的延長而增加，無明顯的脆性破壞現(xiàn)象。用巖石的塑性系數(shù)作為定量表征巖石塑性及脆性大小的參數(shù)。塑性系數(shù)為巖石破碎前耗費的總功AF與巖石破碎前彈性變形功AE的比值。21

測定巖石的強度及硬度根據(jù)巖石的塑性系數(shù)的大小，將巖石分為3類6級類別脆性塑脆性塑性低塑性→高塑性級別123456塑性系數(shù)Kp1>1～2>2～3>3～4>4～6>6～∞4.巖石的硬度：巖石的硬度是巖石抵抗其他物體表面壓入的能力22

測定巖石的強度及硬度壓入硬度和塑性系數(shù)的測定方法——壓入試驗:平底圓柱壓模壓入巖石時，在壓頭下的巖體中發(fā)展了軸對稱分布的三向應(yīng)力狀態(tài)，這種應(yīng)力狀態(tài)使壓頭下巖石的強度會急劇增大，同時多數(shù)巖石具有塑性性質(zhì)。1－液缸缸體2－液缸柱塞3－巖樣4－壓頭5－壓力計6－千分表7－柱塞導向桿623

測定巖石的強度及硬度壓入實驗確定巖石的硬度和塑性系數(shù)Py—巖石的硬度，MPa；W—產(chǎn)生脆性破壞時壓頭上的載荷，N；A—壓頭的底面積，平方毫米；Wo—對于塑性巖石，取巖石產(chǎn)生屈服（即從彈性變形開始向塑性變形轉(zhuǎn)化）時的載荷Wo代替W硬度：屈服極限：塑性系數(shù)：24

測定巖石的強度及硬度5.井底壓力條件下巖石的機械性質(zhì)及其影響因素1）井眼周圍地層巖石的受三種力作用■地應(yīng)力■巖石內(nèi)孔隙流體的壓力■鉆井液液柱壓力2）井底各種壓力對巖石性能的影響■地應(yīng)力的影響影響到井壁的穩(wěn)定：使井眼產(chǎn)生縮徑或地層造成破裂圖1—3井眼周圍地層巖石受力示意圖25

測定巖石的強度及硬度■液柱壓力的影響增大鉆井液液柱壓力Ph，將增大圍壓，其結(jié)果必然導致巖石的抗壓強度(或硬度)和塑性增加■孔隙流體的壓力的影響各向壓縮效應(yīng)：增大圍壓會增大巖石的強度，同時也增大巖石的塑性。有效應(yīng)力：外壓（液柱壓力）與內(nèi)壓（孔隙壓力）之差孔隙壓力的作用降低了巖石的各向壓縮效應(yīng)；巖石的強度取決于有效應(yīng)力的大小3）液體介質(zhì)的影響幾乎所有的巖石都是親水的，液體介質(zhì)中含有的電解質(zhì)和活性劑物質(zhì)可以被吸附在巖石表面形成吸附層，而被吸附的物質(zhì)會順著巖石孔隙或微裂縫侵入井底巖石的深部，產(chǎn)生一個楔壓力，從而降低巖石的強度。26

測定巖石的強度及硬度6.影響巖石強度的因素■自然因素

包括：巖石的礦物成分(對沉積巖而言還包括膠結(jié)物的成分和比例)、礦物顆粒的大小、巖石的密度和孔隙度。同類巖石，孔隙度增加，密度降低，巖石的強度也隨之降低，反之亦然。一般情況下，巖石的孔隙度隨著巖石埋藏深度的增加而減小，因此巖石強度通常隨埋藏深度的增加而增加。由于沉積巖存在層理，巖石的強度有明顯的異向性，巖石的結(jié)構(gòu)及缺陷也對巖石的強度有影響。■工藝技術(shù)因素

影響巖石強度的工藝技術(shù)因素包括巖石的受載方式和巖石的應(yīng)力狀態(tài)27

測定巖石的強度及硬度7.影響巖石硬度的因素及硬度分級（1）影響因素：造巖礦物的成分、顆粒度、孔隙度、膠結(jié)物的性質(zhì)等都影響巖石的硬度。巖石的層理使巖石各方向的硬度不同。垂直層理方向的硬度值最小，平行層理方向的硬度值最大。這一點對掌握井斜規(guī)律和定向鉆井中利用地層規(guī)律造斜有重要意義。（2）硬度分級：我國按巖石硬度的大小將巖石分為6類12級，作為選擇鉆頭的主要依據(jù)之一28測定巖石的可鉆性和研磨性29測定巖石的可鉆性和研磨性能力目標:測定給定巖樣的可鉆性并能進行可鉆性分級測定巖石的研磨性知識目標理解巖石可鉆性和研磨性的定義掌握巖石的研磨性及巖石的可鉆性的測定方法30測定巖石的可鉆性和研磨性一、巖石的研磨性1.巖石研磨性概念

鉆井過程中，鉆井工具和巖石產(chǎn)生連續(xù)的或間歇的接觸和摩擦，從而在破碎巖石的同時，這些工具本身也受到巖石的磨損而逐漸變鈍甚至損壞,巖石磨損這些材料的能力稱為巖石的研磨性。

研磨性磨損是由鉆頭工作刃與巖石相摩擦的過程中產(chǎn)生微切削、刻劃、擦痕等所造成，屬表面磨損。這種研磨性磨損除了與摩擦副材料性的性質(zhì)（如化學組成和結(jié)構(gòu)）有關(guān)外，還取決于摩擦的類型和特點、摩擦表面的形狀和尺寸（如表面粗糙度）及摩擦面的介質(zhì)等因素。31測定巖石的可鉆性和研磨性2.測定巖石研磨性的方法測定巖石研磨性的方法微鉆頭鉆進法用金屬棒（如銅棒、淬火或未淬火的鋼棒）在加壓旋轉(zhuǎn)的條件下與巖石相摩擦。在給定的載荷、轉(zhuǎn)速和時間內(nèi)，按金屬棒被磨損掉的質(zhì)量來衡量巖石研磨性的大小。用硬質(zhì)材料做成的刀具與巖石試件相對旋轉(zhuǎn)磨削。在給定接觸壓力、旋轉(zhuǎn)速度（線速度）下，測量固定時間或旋轉(zhuǎn)過的路程內(nèi)刀具的磨損量以估價巖石的研磨性相對大小。用與全尺寸鉆頭形狀相似的微型模擬鉆頭在一定的鉆進參數(shù)下與巖石鉆磨，測量給定時間內(nèi)鉆頭切削刃的外形磨損，以比較各類巖石的研磨性。其實質(zhì)是確定一個轉(zhuǎn)動的金屬圓環(huán)在巖石表面上相互摩擦時的磨損量，以此作為度量巖石研磨性的指標。鉆磨法磨削法摩擦磨損法32測定巖石的可鉆性和研磨性實驗證明，金屬環(huán)的單位摩擦路程的磨損不取決于圓盤的轉(zhuǎn)速，而只與荷載W成正比，因而可用一個比例常數(shù)來表示：實驗方法優(yōu)點：在相對較小的載荷作用下，可使圓環(huán)與巖石試件間的接觸壓力達到非常高的值；圓環(huán)的轉(zhuǎn)動使其接觸表面不斷改變，有利于冷卻和清除磨損產(chǎn)物；巖石試件的平移也保證了巖石的摩擦表面不斷更新，并且使得接觸壓力在實驗過程中保持不變。33測定巖石的可鉆性和研磨性3.影響研磨性的因素

巖石的研磨性不僅取決于巖石的結(jié)構(gòu)和組織特點、組成巖石的礦物的性質(zhì)和顆粒大小（對于碎屑巖還取決于膠結(jié)強度）等一系列巖石本身的性質(zhì)，還取決于用于磨損的金屬材料的性質(zhì)。34測定巖石的可鉆性和研磨性二、巖石的可鉆性巖石可鉆性(RockDrill

ability）

巖石可鉆性可理解為巖石破碎的難易性，由此把巖石分為難鉆的和易鉆的。

K(d)=f(wob,rpm,Nbj,P,h,TYPEbit,Py)意義鉆頭選型及鉆頭磨損預(yù)測、鉆頭結(jié)構(gòu)類型確定最優(yōu)的鉆井參數(shù)機械鉆速預(yù)測確定鉆井工作定額35測定巖石的可鉆性和研磨性二、巖石的可鉆性影響因素巖石特性：礦物組成、組織結(jié)構(gòu)特征、物理性質(zhì)和力學性質(zhì)（硬度、彈塑性、研磨性）巖石可鉆性隨壓入硬度和研磨性的增大而降低，隨塑形系數(shù)的增大而提高鉆進技術(shù)工藝條件：鉆進切削研磨材料、鉆頭類型、鉆探設(shè)備、鉆探?jīng)_洗介質(zhì)、鉆進工藝的完善程度，鉆孔的深度、直徑、傾斜度等36研究方法室內(nèi)實驗：