鉆頭巖石性質課件

關于鉆頭巖石性質第1頁，講稿共28頁，2023年5月2日，星期三

概述1.鉆頭類型(1)按結構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）：第2頁，講稿共28頁，2023年5月2日，星期三一、巖石的機械性質（力學性質）

1.幾個概念

巖石的力學性質—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。相應的變形稱為彈性變形。

塑性——巖石在外力作用下產生變形，外力撤除后變形不能完全恢復的性質。相應的殘余變形稱為塑性變形。第一節(jié)巖石的工程力學性質第3頁，講稿共28頁，2023年5月2日，星期三脆性——巖石在外力作用下變形量很?。ㄐ∮?%）時就發(fā)生破壞的性質。相應的破壞稱為脆性破壞。強度——巖石在外力作用下發(fā)生破壞時的最大應力。

抗拉強度—巖石單純受拉伸應力作用時的強度。

抗壓強度—巖石單純受壓縮應力力作用時的強度。

抗剪強度—巖石單純受剪切應力作用時的強度

抗彎強度—巖石單純受彎曲應力作用時的強度。第4頁，講稿共28頁，2023年5月2日，星期三

彈性模量和泊松比虎克定律：泊松比：彈性系數(shù)之間的關系：σ—應力；ε—應變；E—彈性模量τ—應力；γ—剪應變；G—剪切彈性模量（各向同性材料）第5頁，講稿共28頁，2023年5月2日，星期三

2.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。

（1）試驗方法

抗壓試驗抗拉試驗-巴西實驗第6頁，講稿共28頁，2023年5月2日，星期三抗剪試驗抗彎試驗第7頁，講稿共28頁，2023年5月2日，星期三破壞方式第8頁，講稿共28頁，2023年5月2日，星期三（2）一般規(guī)律：①在簡單應力條件下，大部分巖石都接近彈性脆性體，巖石的破壞表現(xiàn)為脆性破壞。②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。第9頁，講稿共28頁，2023年5月2日，星期三3.復雜應力條件下巖石的力學性質

(1)三軸巖石試驗

σ1σ2=σ3σ1σ1σ1σ2σ3

σ2=σ3σ2σ3第10頁，講稿共28頁，2023年5月2日，星期三

常規(guī)三軸試驗：σ1＜σ2=σ3σ1＞σ2=σ3P=σ2=σ3P=σ2=σ3σ1σ1壓縮拉伸第11頁，講稿共28頁，2023年5月2日，星期三（2）一般規(guī)律巖石在三軸應力條件下的強度明顯增加。隨著圍壓的增大，巖石強度增大。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。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。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第12頁，講稿共28頁，2023年5月2日，星期三

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)。第13頁，講稿共28頁，2023年5月2日，星期三

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—柱塞導向桿6壓入硬度和塑性系數(shù)的測定方法——壓入試驗第14頁，講稿共28頁，2023年5月2日，星期三巖石硬度和塑性系數(shù)的計算：塑性系數(shù):第15頁，講稿共28頁，2023年5月2日，星期三巖石按塑性系數(shù)分類（3類、6級）第16頁，講稿共28頁，2023年5月2日，星期三硬度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——彈性變形載荷第17頁，講稿共28頁，2023年5月2日，星期三5.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第18頁，講稿共28頁，2023年5月2日，星期三

2).塑脆性巖石先產生彈性變形后產生塑性變形，最后發(fā)生塑性破碎。破碎特點是:ε較大，但h>ε，且S0

＞S。εhS0Sεp第19頁，講稿共28頁，2023年5月2日，星期三

3).塑性巖石只有塑性變形而無脆性破碎h=ε，S0＝S。εhS0Sεp第20頁，講稿共28頁，2023年5月2日，星期三二、影響巖石力學性質的因素分析1.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。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。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）有效應力（外壓與內壓之差）越大，巖石強度越大，塑性越大。

（各向壓縮效應）。（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。第21頁，講稿共28頁，2023年5月2日，星期三3.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，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：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。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.液體介質的影響分散性介質對巖石強度有降低的作用。

第22頁，講稿共28頁，2023年5月2日，星期三三、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。 為應用方便，常用Kd=Log2td

作為可鉆性指標，稱為可鉆性級值。第23頁，講稿共28頁，2023年5月2日，星期三級別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）可鉆性分級第24頁，講稿共28頁，2023年5月2日，星期三2.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類①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磨損不取決于圓盤的旋轉速度，只與載荷p成正比，

Δvs＝ωp式中Δvs—圓盤的單位摩擦路程磨損量，立方厘米/米；

ω—研磨系數(shù)；

p—摩擦面上的接觸壓力，牛。第25頁，講稿共28頁，2023年5月2日，星期三Δvs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。ω的物理意義是，在9.8牛的垂直載荷作用下與巖石產生單位路程的摩擦時金屬圓盤的磨損體積。②相對磨損量ω0

相對磨損量就是單位摩擦路程中的鋼的磨損體積Δvs與巖石磨損體積ΔvR的比值，即

ω0＝Δvs/ΔvR

巖石按研磨性系數(shù)大小可分為12級。第26頁，講稿共28頁，2023年5月2日，星期三

3）.影響巖石研磨性的因素（1）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。研磨性由小