第一章鉆頭巖石性質(zhì)

概述1.鉆頭類型(1)按結(jié)構(gòu)及工作原理分類刮刀鉆頭、牙輪鉆頭、PDC鉆頭、金剛石鉆頭(2)按功用分類全面鉆進鉆頭、取心鉆頭、擴眼鉆頭2.鉆頭尺寸系列4-3/4~26in3.工作指標鉆頭進尺（米）鉆頭工作壽命（小時）機械鉆速（米/小時）單位進尺成本（元/米）：當前1頁，總共24頁。一、巖石的機械性質(zhì)（力學(xué)性質(zhì)）1.幾個概念

巖石的力學(xué)性質(zhì)—石受力后表現(xiàn)出來的變形特性和強度特性。

彈性——巖石在外力作用下產(chǎn)生變形，外力撤除后變形隨之消失，恢復(fù)到原來的形狀和體積的性質(zhì)稱為彈性。相應(yīng)的變形稱為彈性變形。

塑性——巖石在外力作用下產(chǎn)生變形，外力撤除后變形不能完全恢復(fù)的性質(zhì)。相應(yīng)的殘余變形稱為塑性變形。第一節(jié)巖石的工程力學(xué)性質(zhì)當前2頁，總共24頁。脆性——巖石在外力作用下變形量很小（小于3%）時就發(fā)生破壞的性質(zhì)。相應(yīng)的破壞稱為脆性破壞。強度——巖石在外力作用下發(fā)生破壞時的最大應(yīng)力。

抗拉強度—巖石單純受拉伸應(yīng)力作用時的強度。

抗壓強度—巖石單純受壓縮應(yīng)力力作用時的強度。

抗剪強度—巖石單純受剪切應(yīng)力作用時的強度

抗彎強度—巖石單純受彎曲應(yīng)力作用時的強度。當前3頁，總共24頁。

彈性模量和泊松比虎克定律：泊松比：彈性系數(shù)之間的關(guān)系：σ—應(yīng)力；ε—應(yīng)變；E—彈性模量τ—應(yīng)力；γ—剪應(yīng)變；G—剪切彈性模量（各向同性材料）當前4頁，總共24頁。

2.簡單應(yīng)力條件下巖石的力學(xué)性質(zhì) 簡單應(yīng)力條件：巖石受單一外載（壓、拉、剪、彎）作用。

（1）試驗方法

抗壓試驗抗拉試驗-巴西實驗當前5頁，總共24頁?？辜粼囼灴箯澰囼灝斍?頁，總共24頁。破壞方式當前7頁，總共24頁。（2）一般規(guī)律：①在簡單應(yīng)力條件下，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。②巖石的彈性模量與所加載荷大小及應(yīng)變種類有關(guān)。當載荷較小時，彈性模量接近常數(shù)，且各種應(yīng)變情況下的彈性模量相差不大。當載荷較大時，在受壓縮的情況下，彈性模量將隨載荷的增大而增大；在受拉伸的情況，彈性模量則隨載荷的增大而減小。③在動外力（如聲波）作用下，大多數(shù)巖石服從直線虎克定律。④一般情況下抗拉強度＜抗彎強度≤抗剪強度＜抗壓強度。⑤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。當前8頁，總共24頁。3.復(fù)雜應(yīng)力條件下巖石的力學(xué)性質(zhì)

(1)三軸巖石試驗

σ1σ2=σ3σ1σ1σ1σ2σ3

σ2=σ3σ2σ3當前9頁，總共24頁。

常規(guī)三軸試驗：σ1＜σ2=σ3σ1＞σ2=σ3P=σ2=σ3P=σ2=σ3σ1σ1壓縮拉伸當前10頁，總共24頁。（2）一般規(guī)律巖石在三軸應(yīng)力條件下的強度明顯增加。隨著圍壓的增大，巖石強度增大。隨著圍壓的增大，巖石由脆性向塑性轉(zhuǎn)變，且圍壓越大，巖石破壞前呈現(xiàn)的塑性也越大。巖石從脆性向塑性轉(zhuǎn)變的壓力（圍壓）稱為臨界壓力。不同的巖石，臨界壓力不同。在各向均勻壓縮狀態(tài)下，巖石永遠不會破壞。σ3=0σ3=23.5σ3=50σ3=85σ3=165σ3=326XXXXσ3=0σ3=27.5σ3=55.5σ3=155σ3=217.5σ1－σ3，MPaσ1－σ3，MPa當前11頁，總共24頁。

4.巖石的硬度和塑性系數(shù)硬度的概念

巖石抵抗其它物體表面壓入的能力。石油工業(yè)中的巖石硬度是壓入硬度，也稱為史氏硬度，是由前蘇聯(lián)史立涅爾提出的。

硬度與抗壓強度區(qū)別： 硬度是巖石表面的局部抵抗外力壓入的能力，抗壓強度則是巖石整體抗壓的能力。塑性系數(shù)表征巖石塑性和脆性大小的參數(shù)。當前12頁，總共24頁。

巖石硬度試驗裝置

771—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(dǎo)向桿6壓入硬度和塑性系數(shù)的測定方法——壓入試驗當前13頁，總共24頁。巖石硬度和塑性系數(shù)的計算：塑性系數(shù):當前14頁，總共24頁。巖石按塑性系數(shù)分類（3類、6級）當前15頁，總共24頁。硬度Py:

MPa對脆性和塑脆性巖石：MPa對塑性巖石：巖石按硬度的分類（6類、12級）P——破壞載荷；P0——彈性變形載荷當前16頁，總共24頁。5.巖石的破碎特征

1).脆性巖石只有彈性變形無塑性變形。破碎特點是:變形深度ε很小，而破碎深h度遠大于變形深度破碎面積S0遠大于壓模面積SεhS0Sεp當前17頁，總共24頁。

2).塑脆性巖石先產(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:ε較大，但h>ε，且S0

＞S。εhS0Sεp當前18頁，總共24頁。

3).塑性巖石只有塑性變形而無脆性破碎h=ε，S0＝S。εhS0Sεp當前19頁，總共24頁。二、影響巖石力學(xué)性質(zhì)的因素分析1.巖石結(jié)構(gòu)（1）對晶質(zhì)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，6）＞白云巖（4）＞石灰?guī)r（3）。（2）砂巖的強度隨著石英（7）含量的增加而增大；

硅質(zhì)膠結(jié)＞鈣質(zhì)＞鐵質(zhì)＞泥質(zhì)。（3）同種巖石孔隙度增大，密度降低，強度降低。因此，巖石的強度一般隨埋藏深度的增加而增大。2.井底各種壓力（1）有效應(yīng)力（外壓與內(nèi)壓之差）越大，巖石強度越大，塑性越大。

（各向壓縮效應(yīng)）。（2）井內(nèi)液柱壓力與孔隙壓力之差越大，巖石強度越大，塑性越大。當前20頁，總共24頁。3.載荷性質(zhì)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，塑性系數(shù)減小。但在沖擊速度小于10米/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。在10000米深度范圍內(nèi)：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(jié)物及膠結(jié)程度。塑性：巖鹽＞石灰?guī)r＞泥頁巖＞石膏＞白云巖＞石英巖4.溫度的影響地溫梯度約為30度/km。高溫條件下塑性增大強度減小。

5.液體介質(zhì)的影響分散性介質(zhì)對巖石強度有降低的作用。

當前21頁，總共24頁。三、巖石的可鉆性和研磨性

1.巖石可鉆性(RockDrillability）

（1）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頭破碎的能力。

（2）評價方法

在鉆壓889.7N（200磅）、轉(zhuǎn)速55r/min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2.4mm孔深所需要的時間td作為巖石可鉆性指標，由此把巖石分為易鉆的和難鉆的。 為應(yīng)用方便，常用Kd=Log2td作為可鉆性指標，稱為可鉆性級值。當前22頁，總共24頁。級別ⅠⅡⅢⅣⅤⅥⅦⅧⅨⅩtd/秒＜44~＜88~＜1616~＜3232~＜6464~＜128128~＜256256~＜512512~＜1024≥1024Kd＜22~＜33~＜44~＜55~＜66~＜77~＜88~＜99~＜10≥10分類極軟軟中軟中中硬硬極硬（3）可鉆性分級當前23頁，總共24頁。2.巖石研磨性（RockAbrasiveness）巖石磨損鉆頭切削刃材料的能力稱為巖石的研磨性。

1）.巖石研磨性的概念在鉆進過程中，鉆頭在破碎巖石的同時，也被巖石磨損，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