巖石機(jī)械性質(zhì)測(cè)定.ppt

1、,學(xué)習(xí)情境二 開鉆準(zhǔn)備工作 項(xiàng)目二 巖石的機(jī)械性質(zhì)測(cè)定 測(cè)定巖石的硬度及強(qiáng)度 測(cè)定巖石的可鉆性和研磨性,影響鉆井過程（鉆速）的因素 地層巖性 強(qiáng)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(jī)械參數(shù) 鉆壓、轉(zhuǎn)速,能力目標(biāo): 對(duì)巖石的強(qiáng)度、硬度、可鉆性、研磨性進(jìn)行測(cè)定、比較，并對(duì)硬度進(jìn)行簡(jiǎn)單的分級(jí) 測(cè)定三軸應(yīng)力條件下巖石的強(qiáng)度，分析機(jī)械性質(zhì)的變化 知識(shí)目標(biāo) 了解巖石的機(jī)械性質(zhì) 理解井底壓力條件下巖石的機(jī)械性質(zhì)的改變及其影響因素,測(cè)定巖石的強(qiáng)度及硬度,測(cè)定巖石的機(jī)械性質(zhì)的目的： 為選用合適的鉆頭和確定最優(yōu)的鉆進(jìn)參數(shù)提供依據(jù)。

2、,巖石 (rock),碎屑巖(砂巖)：石英、長(zhǎng)石 儲(chǔ)集和流動(dòng)空間孔隙,碳酸巖(灰?guī)r)：方解石、白云石 儲(chǔ)集空間孔隙 流動(dòng)空間裂縫,巖石性質(zhì),l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。,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)。,特點(diǎn)： l膠結(jié)物含量： 高 不多 少 l膠結(jié)強(qiáng)度： 強(qiáng) 中等 弱 l孔、滲物性： 差 中等 好,巖石的機(jī)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(xué)性質(zhì)叫做巖石的機(jī)械性質(zhì)，與破巖效率有關(guān)的巖石的

3、機(jī)械性質(zhì)有強(qiáng)度、硬度、脆性和塑性等。,測(cè)定巖石的強(qiáng)度及硬度,一、簡(jiǎn)單應(yīng)力條件下巖石的強(qiáng)度 巖石強(qiáng)度：在一定條件下，巖石在各種荷載作用下達(dá)到破壞時(shí)所能承受的最大應(yīng)力稱為巖石的強(qiáng) 度。根據(jù)外力作用性質(zhì)不同，有抗壓、抗拉、抗剪和抗彎強(qiáng)度，其單位是MPa。 通常情況下：抗壓抗剪抗彎抗拉強(qiáng)度 強(qiáng)度獲取方法：對(duì)具體的巖石進(jìn)行強(qiáng)度試驗(yàn),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(shí)單位面積上的載荷，可通過單軸抗壓縮強(qiáng)度試驗(yàn)來獲。,巖石抗壓強(qiáng)度測(cè)定：,實(shí)驗(yàn)要求： *施加壓力的方向應(yīng)平行于巖心的軸線 *巖樣長(zhǎng)度L應(yīng)適當(dāng)，L/D很小時(shí)，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(qiáng)度；

4、L/D很大時(shí)，將發(fā)生彈性不穩(wěn)定破壞；L/D應(yīng)適中，一般以L/D=2.53.0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2.22.6厘米直徑的試件。,巖石,P 壓力,P 壓力,鋼墊板,球座,測(cè)定巖石的強(qiáng)度及硬度,二、復(fù)雜應(yīng)力條件下巖石的強(qiáng)度 1. 常規(guī)三軸試驗(yàn) 常規(guī)三軸試驗(yàn)是最為常用的一種三軸應(yīng)力試驗(yàn)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(duì)巖樣加載，直到使其破壞?？梢赃M(jìn)行三軸壓縮試驗(yàn)(12=3=

5、p)，也可以進(jìn)行三軸拉伸試驗(yàn)(12=3=p) 。,常規(guī)三軸試驗(yàn),（a）壓縮試驗(yàn),（b）拉伸試驗(yàn),測(cè)定巖石的強(qiáng)度及硬度,2.三軸應(yīng)力條件下巖石強(qiáng)度變化的特點(diǎn)： 巖石在三軸應(yīng)力條件下強(qiáng)度明顯增加,但所增加的幅度對(duì)于不同類型的巖石是不一樣的。 圍壓對(duì)強(qiáng)度的影響程度并不是在所有壓力范圍內(nèi)都是一樣的。開始增大圍壓時(shí)，巖石的強(qiáng)度增加比較明顯；繼續(xù)增加圍壓，相應(yīng)的強(qiáng)度增量就變得越來越??；當(dāng)圍壓很高時(shí)，有些巖石的強(qiáng)度便趨于常量。 隨著圍壓的增大，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(rèn)為，當(dāng)巖石的總應(yīng)變量達(dá)到35時(shí)，巖石已經(jīng)具有塑性或已經(jīng)由脆性向塑性轉(zhuǎn)變。,測(cè)定巖石的強(qiáng)度

6、及硬度,研究巖石從脆性到塑性的轉(zhuǎn)變點(diǎn)（或稱臨界壓力）對(duì)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(jì)和合理選擇使用鉆頭提供科學(xué)依據(jù)。,測(cè)定巖石的強(qiáng)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(dāng)應(yīng)力達(dá)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(yàn)，,OA段：曲線稍向上凹，反映巖石試件內(nèi)部裂隙逐漸

7、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(jìn)入不穩(wěn)定發(fā)展?fàn)顟B(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。,發(fā)生彈性到延性行為過渡的點(diǎn)B，通常稱為屈服點(diǎn)，而相應(yīng)的應(yīng)力稱為屈服應(yīng)力。最高點(diǎn)C的應(yīng)力稱為強(qiáng)度極限（如為單軸試驗(yàn)便稱為單軸抗壓強(qiáng)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,巖石的彈性常數(shù),巖石的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系 楊氏彈

8、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,根據(jù)變形曲線可以將巖石分為3種典型變形特點(diǎn),測(cè)定巖石的強(qiáng)度及硬度,圖(a)為脆性巖石，其特點(diǎn)是OD段為彈性變形階段，達(dá)到D點(diǎn)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(dá)B點(diǎn)時(shí)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(shí)間的延長(zhǎng)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(fèi)的總功AF與巖石破碎前彈性變形功AE的比值。,測(cè)定巖石的強(qiáng)

9、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(jí) 類別 脆性 塑脆性 塑性 低塑性高塑性 級(jí)別 1 2 3 4 5 6 塑性系數(shù)Kp 1 12 23 34 46 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,測(cè)定巖石的強(qiáng)度及硬度,壓入硬度和塑性系數(shù)的測(cè)定方法壓入試驗(yàn):平底圓柱壓模壓入巖石時(shí)，在壓頭下的巖體中發(fā)展了軸對(duì)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(qiáng)度會(huì)急劇增大，同時(shí)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(jì) 6千分表7柱塞導(dǎo)向桿,6,測(cè)定巖石的強(qiáng)度及硬度,壓入實(shí)驗(yàn)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

10、時(shí)壓頭上的載荷，N； A壓頭的底面積，平方毫米； Wo 對(duì)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(shí)的載荷Wo代替W,測(cè)定巖石的強(qiáng)度及硬度,5.井底壓力條件下巖石的機(jī)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(duì)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13井眼周圍地層巖石受力示意圖,測(cè)定巖石的強(qiáng)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(dǎo)致巖石的抗壓強(qiáng)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(huì)增大巖石的強(qiáng)

11、度，同時(shí)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(qiáng)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(huì)順著巖石孔隙或微裂縫侵入井底巖石的深部，產(chǎn)生一個(gè)楔壓力，從而降低巖石的強(qiáng)度。,測(cè)定巖石的強(qiáng)度及硬度,6.影響巖石強(qiáng)度的因素 自然因素 包括：巖石的礦物成分(對(duì)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(qiáng)度也隨之降低，反之亦然。一般情況下，巖石的孔隙度隨

12、著巖石埋藏深度的增加而減小，因此巖石強(qiáng)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(qiáng)度有明顯的異向性，巖石的結(jié)構(gòu)及缺陷也對(duì)巖石的強(qiáng)度有影響。 工藝技術(shù)因素 影響巖石強(qiáng)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),測(cè)定巖石的強(qiáng)度及硬度,7.影響巖石硬度的因素及硬度分級(jí) （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(diǎn)對(duì)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(jí)：我國(guó)按巖石硬度的大小將巖石分為6類12級(jí)，作為選擇鉆頭的主要依據(jù)之一

13、,測(cè)定巖石的可鉆性和研磨性,測(cè)定巖石的可鉆性和研磨性,能力目標(biāo): 測(cè)定給定巖樣的可鉆性并能進(jìn)行可鉆性分級(jí) 測(cè)定巖石的研磨性 知識(shí)目標(biāo) 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(cè)定方法,測(cè)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(shí)，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(xué)組成和結(jié)構(gòu)）有關(guān)外，還取決于

14、摩擦的類型和特點(diǎn)、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。,測(cè)定巖石的可鉆性和研磨性,2.測(cè)定巖石研磨性的方法,測(cè)定巖石的可鉆性和研磨性,實(shí)驗(yàn)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(gè)比例常數(shù)來表示： 實(shí)驗(yàn)方法優(yōu)點(diǎn)： 在相對(duì)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(dá)到非常高的值； 圓環(huán)的轉(zhuǎn)動(dòng)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(shí)驗(yàn)過程中保持不變。,測(cè)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(diǎn)、組成巖石的礦

15、物的性質(zhì)和顆粒大小（對(duì)于碎屑巖還取決于膠結(jié)強(qiáng)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)。,測(cè)定巖石的可鉆性和研磨性,二、巖石的可鉆性 巖石可鉆性(Rock Drill 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(cè)、鉆頭結(jié)構(gòu)類型 確定最優(yōu)的鉆井參數(shù) 機(jī)械鉆速預(yù)測(cè) 確定鉆井工作定額,測(cè)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(xué)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(jìn)技術(shù)工