鉆井工程第一章-鉆井工程地質(zhì)條件—巖石教學(xué)內(nèi)容

1、鉆井工程第一章-鉆井工程地質(zhì)條件巖石沉積巖類型沉積巖類型(1) (1) 碎屑沉積巖碎屑沉積巖 母巖風(fēng)化后的物質(zhì)經(jīng)機(jī)械沉積作用后形成的巖石。碎屑顆粒（巖石母巖風(fēng)化后的物質(zhì)經(jīng)機(jī)械沉積作用后形成的巖石。碎屑顆粒（巖石碎屑、礦物碎屑）由膠結(jié)物（碎屑、礦物碎屑）由膠結(jié)物（泥質(zhì)、鐵質(zhì)、鈣質(zhì)、硅質(zhì)泥質(zhì)、鐵質(zhì)、鈣質(zhì)、硅質(zhì)）膠結(jié)在一起。）膠結(jié)在一起。礫巖：顆粒大于顆粒大于1mm1mm。主要是火成巖、變質(zhì)巖碎屑，碎屑間由膠結(jié)物充填。主要是火成巖、變質(zhì)巖碎屑，碎屑間由膠結(jié)物充填。砂巖：顆粒顆粒0.10.11mm1mm。石英、長石、輝石、角閃石、云母等礦物顆粒。石英、長石、輝石、角閃石、云母等礦物顆粒+ +膠結(jié)物膠結(jié)

2、物粉砂巖：介于砂巖和泥巖之間的一類巖石，顆粒尺寸介于砂巖和泥巖之間的一類巖石，顆粒尺寸0.10.01mm0.10.01mm。泥 巖：顆粒小于顆粒小于0.01mm0.01mm。主要成分為粘土礦物，并含有部分。主要成分為粘土礦物，并含有部分 碎屑物質(zhì)（石英、長石、云母等）。碎屑物質(zhì)（石英、長石、云母等）。巨礫：巨礫：1m1m；粗礫：；粗礫：1001001000mm1000mm；中礫：；中礫：1010100mm100mm；細(xì)礫：；細(xì)礫：1 110mm10mm粗砂：粗砂：0.50.51mm1mm；中砂：；中砂：0.250.250.5mm0.5mm；細(xì)砂：；細(xì)砂：0.10.25mm0.10.25mm (

3、2) (2) 化學(xué)沉積巖（結(jié)晶沉積）化學(xué)沉積巖（結(jié)晶沉積） 母巖風(fēng)化后的溶解物質(zhì)經(jīng)化學(xué)沉積作用后形成晶質(zhì)巖石。母巖風(fēng)化后的溶解物質(zhì)經(jīng)化學(xué)沉積作用后形成晶質(zhì)巖石。碳酸鹽巖碳酸鹽巖石灰?guī)r，主要成分為石灰石（石灰?guī)r，主要成分為石灰石（CaCO3） 白云巖，主要成分為白云石（白云巖，主要成分為白云石（MgCa(CO3)2）硫酸鹽巖硫酸鹽巖石膏（石膏（CaSO4） 巖巖 鹽鹽 石鹽（石鹽（NaCl）在沉積巖中：泥巖在沉積巖中：泥巖60%，砂巖，砂巖30%，碳酸鹽巖居第三位。，碳酸鹽巖居第三位。3. 3. 沉積巖的特點(diǎn)沉積巖的特點(diǎn)（1 1）結(jié)構(gòu)特點(diǎn)）結(jié)構(gòu)特點(diǎn) 結(jié)構(gòu)指巖石的微觀組織特征，包括礦物成分、顆粒大

4、小、形結(jié)構(gòu)指巖石的微觀組織特征，包括礦物成分、顆粒大小、形狀及排列方式、顆粒間的聯(lián)結(jié)情況等。狀及排列方式、顆粒間的聯(lián)結(jié)情況等。特點(diǎn)：特點(diǎn)：礦物成分不確定、顆粒大小不等、顆粒形狀多礦物成分不確定、顆粒大小不等、顆粒形狀多樣、顆粒分布不均勻、膠結(jié)強(qiáng)度有強(qiáng)有弱。樣、顆粒分布不均勻、膠結(jié)強(qiáng)度有強(qiáng)有弱。（2 2）構(gòu)造特點(diǎn)）構(gòu)造特點(diǎn) 構(gòu)造指巖石的宏觀組織特征，是指巖石組分的空間分布及其構(gòu)造指巖石的宏觀組織特征，是指巖石組分的空間分布及其相互間的位置關(guān)系。相互間的位置關(guān)系。如層理、頁理、節(jié)理（裂隙）、孔隙度等如層理、頁理、節(jié)理（裂隙）、孔隙度等。 層層 理理巖石一層層迭起來的現(xiàn)象。巖石一層層迭起來的現(xiàn)象。

5、傾斜的層狀結(jié)構(gòu)是沉積巖的主要構(gòu)造特征。傾斜的層狀結(jié)構(gòu)是沉積巖的主要構(gòu)造特征。形成層理的原因：形成層理的原因： 顆粒大小在縱向上的變化顆粒大小在縱向上的變化 巖石成分在縱向剖面上的變化巖石成分在縱向剖面上的變化 某些礦物顆粒的定向排列某些礦物顆粒的定向排列顆粒大小變化顆粒大小變化巖石成分變化巖石成分變化某些礦物顆粒定向排列某些礦物顆粒定向排列(3(3）各向異性和非均質(zhì)性）各向異性和非均質(zhì)性各向異性：各向異性：如果物體的某一性質(zhì)隨方向的不同而不同，則稱物體具有各向異性。如果物體的某一性質(zhì)隨方向的不同而不同，則稱物體具有各向異性。巖石一般具有各向異性的性質(zhì)。如在垂直于和平行于層理面的巖石一般具有各向

6、異性的性質(zhì)。如在垂直于和平行于層理面的 方向上，巖石的力學(xué)性質(zhì)（彈性、強(qiáng)度等）有較大的差異。方向上，巖石的力學(xué)性質(zhì)（彈性、強(qiáng)度等）有較大的差異。巖石的各向異性性質(zhì)是由巖石的構(gòu)造特點(diǎn)所決定的。巖石的各向異性性質(zhì)是由巖石的構(gòu)造特點(diǎn)所決定的。結(jié)晶礦物顆粒的定向排列、層理、片理、節(jié)理等使得巖石具有各向結(jié)晶礦物顆粒的定向排列、層理、片理、節(jié)理等使得巖石具有各向 異異 性的特點(diǎn)。性的特點(diǎn)。不均質(zhì)性不均質(zhì)性如果物體中不同部分的物理、化學(xué)性質(zhì)不同，稱該物體是不均質(zhì)的。如果物體中不同部分的物理、化學(xué)性質(zhì)不同，稱該物體是不均質(zhì)的。巖石一般為非均質(zhì)體。這是由巖石成分、顆粒大小、顆粒間的聯(lián)結(jié)強(qiáng)度、巖石一般為非均質(zhì)體。

7、這是由巖石成分、顆粒大小、顆粒間的聯(lián)結(jié)強(qiáng)度、孔隙度（密度）的不均勻性所造成的。孔隙度（密度）的不均勻性所造成的。測(cè)定巖石的力學(xué)性質(zhì)時(shí)，不同部位的實(shí)驗(yàn)結(jié)果常存在很大的差異。因此，測(cè)定巖石的力學(xué)性質(zhì)時(shí)，不同部位的實(shí)驗(yàn)結(jié)果常存在很大的差異。因此，應(yīng)采用統(tǒng)計(jì)學(xué)理論，取合適的均值作為代表。應(yīng)采用統(tǒng)計(jì)學(xué)理論，取合適的均值作為代表。二、巖石的機(jī)械性質(zhì)（力學(xué)性質(zhì)）二、巖石的機(jī)械性質(zhì)（力學(xué)性質(zhì)） 1.1.幾個(gè)概念幾個(gè)概念巖石的力學(xué)性質(zhì)巖石的力學(xué)性質(zhì) 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(qiáng)度特性強(qiáng)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在外力作用下產(chǎn)生變形，外力撤除后

8、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。為彈性變形。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(fù)的性質(zhì)。全恢復(fù)的性質(zhì)。相應(yīng)的殘余變形稱為塑性變形相應(yīng)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(shí)就發(fā)生）時(shí)就發(fā)生 破壞的性質(zhì)。破壞的性質(zhì)。 相應(yīng)的破壞稱為脆性破壞。相應(yīng)的破壞稱為脆性破壞。強(qiáng)度強(qiáng)度巖石在外力作用下發(fā)生破壞時(shí)的最大應(yīng)力。巖石在外力作用下發(fā)生破壞時(shí)的最大應(yīng)力。 抗拉強(qiáng)度抗拉強(qiáng)度

9、巖石單純受拉伸應(yīng)力作用時(shí)的強(qiáng)度。巖石單純受拉伸應(yīng)力作用時(shí)的強(qiáng)度。 抗壓強(qiáng)度抗壓強(qiáng)度巖石單純受壓縮應(yīng)力力作用時(shí)的強(qiáng)度。巖石單純受壓縮應(yīng)力力作用時(shí)的強(qiáng)度。 抗剪強(qiáng)度抗剪強(qiáng)度巖石單純受剪切應(yīng)力作用時(shí)的強(qiáng)度巖石單純受剪切應(yīng)力作用時(shí)的強(qiáng)度 抗彎強(qiáng)度抗彎強(qiáng)度巖石單純受彎曲應(yīng)力作用時(shí)的強(qiáng)度。巖石單純受彎曲應(yīng)力作用時(shí)的強(qiáng)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(guān)系：彈性系數(shù)之間的關(guān)系：)1(2EG應(yīng)力；應(yīng)力；應(yīng)變；應(yīng)變；E彈性模量彈性模量應(yīng)力；應(yīng)力； 剪應(yīng)變；剪應(yīng)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(yīng)力條件下巖石

10、的力學(xué)性質(zhì)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。簡單應(yīng)力條件：巖石受單一外載（壓、拉、剪、彎）作用。 （1 1）試驗(yàn)方法）試驗(yàn)方法APctrpt0抗壓試驗(yàn)抗壓試驗(yàn)抗拉試驗(yàn)抗拉試驗(yàn)-巴西實(shí)驗(yàn)巴西實(shí)驗(yàn)APs223bhPlb抗剪試驗(yàn)抗剪試驗(yàn)抗彎試驗(yàn)抗彎試驗(yàn)破壞方式破壞方式（2 2）一般規(guī)律）一般規(guī)律： 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?，F(xiàn)為脆性破壞。 巖石的彈性模量與所加載荷大小及應(yīng)變種類有關(guān)。當(dāng)載荷較小時(shí)，巖石的彈性模量與所加載荷大小及應(yīng)變種類有關(guān)。當(dāng)載荷較小

11、時(shí)，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(dāng)載彈性模量接近常數(shù)，且各種應(yīng)變情況下的彈性模量相差不大。當(dāng)載荷較大時(shí)，荷較大時(shí)，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(dòng)外力（如聲波）作用下，大多數(shù)巖石服從直線虎克定律。在動(dòng)外力（如聲波）作用下，大多數(shù)巖石服從直線虎克定律。 一般情況下一般情況下 抗拉強(qiáng)度抗彎強(qiáng)度抗拉強(qiáng)度抗彎強(qiáng)度抗剪強(qiáng)度抗壓強(qiáng)度抗剪強(qiáng)度抗壓強(qiáng)度。 垂直于地層層面方向的巖石強(qiáng)度平行于地層層面方向的巖石強(qiáng)度。垂直于地層層

12、面方向的巖石強(qiáng)度平行于地層層面方向的巖石強(qiáng)度。3. 3. 復(fù)雜應(yīng)力條件下巖石的力學(xué)性質(zhì)復(fù)雜應(yīng)力條件下巖石的力學(xué)性質(zhì)(1) (1) 三軸巖石試驗(yàn)三軸巖石試驗(yàn)12=311123 2=323 常規(guī)三軸試驗(yàn)：常規(guī)三軸試驗(yàn)：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(yīng)力條件下的強(qiáng)度明顯增加。隨著圍壓的增大，巖石巖石在三軸應(yīng)力條件下的強(qiáng)度明顯增加。隨著圍壓的增大，巖石強(qiáng)度增大。強(qiáng)度增大。v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)的也塑性越大壞前呈現(xiàn)的也塑性越大。

13、巖石從脆性向塑性轉(zhuǎn)變的壓力（圍壓）。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。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(yuǎn)不會(huì)破壞。在各向均勻壓縮狀態(tài)下，巖石永遠(yuǎn)不會(huì)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)中的巖石硬度是石油工業(yè)中的巖石硬度是壓壓入入 硬度，也稱為史氏硬度，是由前蘇聯(lián)史立涅爾

14、提出的。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(qiáng)度區(qū)別：硬度與抗壓強(qiáng)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(qiáng)度則是巖抵抗外力壓入的能力，抗壓強(qiáng)度則是巖石整體抗壓的能力。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(yàn)裝置 771 1液缸缸體；液缸缸體；22液缸柱塞；液缸柱塞；3-3-巖樣；巖樣；44壓頭壓頭5壓力計(jì)；壓力計(jì)；6千分表；千分表；7柱塞導(dǎo)向桿柱塞導(dǎo)向桿6壓入硬度和塑性系數(shù)的測(cè)定方法壓入硬度和塑性系數(shù)的測(cè)定方法壓入試驗(yàn)壓入試驗(yàn)巖石硬度和塑性系數(shù)的計(jì)算：巖石硬度和塑性系

15、數(shù)的計(jì)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(fèi)的總功ODEOABCAAKEFp類脆塑脆性塑別性低塑性高塑性性級(jí) 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(jí)）級(jí)）硬度硬度P Py:y: 類別軟中軟中硬硬堅(jiān)硬極硬級(jí)別123456789101112MPa112.5 2.55 510 101515202030304040505060607070MPa對(duì)脆性和塑脆性巖石對(duì)脆性和塑脆性巖石：SPPySPPy0MPa對(duì)塑性巖石：對(duì)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(jí)）級(jí)）P破壞載荷；破壞載

16、荷； P0彈性變形載荷彈性變形載荷三、影響巖石力學(xué)性質(zhì)的因素分析三、影響巖石力學(xué)性質(zhì)的因素分析1.1.巖石結(jié)構(gòu)巖石結(jié)構(gòu)（1）對(duì)晶質(zhì)巖石，由硬度較高的礦物組成的巖石，其硬度也較高。對(duì)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，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(qiáng)度隨著石英（砂巖的強(qiáng)度隨著石英（7）含量的增加而增大；）含量的增加而增大； 硅質(zhì)膠結(jié)鈣質(zhì)鐵質(zhì)泥質(zhì)。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(qiáng)度降低。）同種巖石孔隙度增大，密度降低，強(qiáng)度降低。 因此，巖石的強(qiáng)度一般隨埋藏深因此，巖石的

17、強(qiáng)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(yīng)力（外壓與內(nèi)壓之差）越大，巖石強(qiáng)度越大，塑性越大。有效應(yīng)力（外壓與內(nèi)壓之差）越大，巖石強(qiáng)度越大，塑性越大。 （各向壓（各向壓 縮效應(yīng)）?？s效應(yīng)）。（2）井內(nèi)液柱壓力與孔隙壓力之差越大，巖石強(qiáng)度越大，塑性越大。井內(nèi)液柱壓力與孔隙壓力之差越大，巖石強(qiáng)度越大，塑性越大。3. 3. 載荷性質(zhì)的影響載荷性質(zhì)的影響 巖石對(duì)動(dòng)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(duì)動(dòng)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。減小。 但在沖擊速度小于但在沖擊速度小于10米米/秒

18、時(shí)，巖石硬度和塑性系數(shù)變化不大，接近秒時(shí)，巖石硬度和塑性系數(shù)變化不大，接近于靜載時(shí)的數(shù)值。于靜載時(shí)的數(shù)值。在在10000米深度范圍內(nèi)：米深度范圍內(nèi)： 強(qiáng)度：巖鹽泥頁巖石灰?guī)r石膏白云巖；強(qiáng)度：巖鹽泥頁巖石灰?guī)r石膏白云巖； 砂巖強(qiáng)度取決于膠結(jié)物及膠結(jié)程度。砂巖強(qiáng)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塑性：巖鹽石灰?guī)r泥頁巖石膏白云巖石英巖四、巖石的可鉆性和研磨性四、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

19、反映了是巖石抵抗鉆頭破碎的能力頭破碎的能力。（2 2）評(píng)價(jià)方法）評(píng)價(jià)方法在鉆壓在鉆壓889.7N（200磅）、轉(zhuǎn)速磅）、轉(zhuǎn)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(jìn)）的微型鉆頭在巖心上鉆孔，以鉆進(jìn)2.4mm孔深所需要的時(shí)間孔深所需要的時(shí)間td作為巖石可鉆性指標(biāo)，由此把巖石分為易鉆的和難鉆的。作為巖石可鉆性指標(biāo)，由此把巖石分為易鉆的和難鉆的。為應(yīng)用方便，常用為應(yīng)用方便，常用 Kd=Log2td 作為可鉆性指標(biāo)，稱為作為可鉆性指標(biāo)，稱為可鉆性級(jí)值可鉆性級(jí)值。級(jí)別級(jí)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(jí)）可鉆性分級(jí)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。巖石磨損鉆頭切削刃材料的能力稱為巖石的研磨性。至今尚沒有統(tǒng)一的測(cè)定巖石研磨性的方法和分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。至今尚沒有統(tǒng)一的測(cè)定巖石研磨性的方法和分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。本節(jié)重點(diǎn)本節(jié)重點(diǎn)1. 1. 巖石的組成巖石的組成（礦物顆粒與膠結(jié)物）（礦