巖石的力學(xué)性質(zhì)及其與鉆頭破碎機(jī)理的關(guān)系

1、巖石的力學(xué)性質(zhì)及其與鉆頭破碎機(jī)理的關(guān)系體會(huì)：I、鉆頭一般破巖過程：壓入 一剪切牙輪：（1）主要方式一沖擊、壓碎，作用來源：靜壓，沖擊載荷（牙齒交替接觸 井底）；（2）剪切作用，來源：牙齒吃入地層，楔形面對(duì)巖石的正壓力與摩擦力合力， 主要來源：牙輪滾動(dòng)的同時(shí)產(chǎn)生牙齒相對(duì)地層的滑動(dòng)。刮刀：主要方式一剪切，輔以研磨和壓碎PDC:主要方式一剪切，輔以研磨和壓碎P19:刮刀和PDC鉆頭破巖是壓入和剪切綜合作用的結(jié)果，從而是破巖所需的縱 向壓力大大減小。試驗(yàn)證明大約只相當(dāng)于靜壓入破巖的1/6-1/4。II、可利用研磨性理論的一些結(jié)論解釋如下現(xiàn)象：相對(duì)于泥巖，砂巖表面粗糙度高，摩擦力大，所以：PDC鉆頭鉆遇

2、砂巖時(shí)扭矩呈現(xiàn)高頻高幅振蕩牙輪鉆頭扭矩增大但仍呈鉆遇泥巖是的平直狀。III、PDC刀翼數(shù)量對(duì)扭矩的影響刀翼數(shù)越多，扭矩越平穩(wěn)；越少，扭矩波動(dòng)越大。原因：刀翼數(shù)少，刀翼鉆頭周 期性接觸井底波動(dòng)越大，從而導(dǎo)致扭矩波動(dòng)大。實(shí)例：克深202井鉆吉迪克第三套砂礫巖層，采用6刀翼PDC，鉆壓10-12t，扭矩曲 線平直；下部泥巖段，鉆壓10-12t，扭矩波動(dòng)大1116KN.m，扭矩曲線呈高頻 振蕩。地層可鉆性分級(jí)、梯度規(guī)律地層可鉆性梯度規(guī)律3地層埋深越深越難鉆，年代越老越難鉆由以下實(shí)例可知:地層可鉆性梯度規(guī)律受埋深壓實(shí)和成巖年代兩 種因素控制。體會(huì)：淺部地層不存在特別難鉆的地層。如大北 202 井 132

3、43900m 井段，對(duì)純巖性地層鉆時(shí)一致，含少量的礫石即可導(dǎo)致鉆時(shí)上升。3496.463783.23m 采用 9 Power-V +16 M1665SSCR PDC 36853706m 為褐色泥巖， 鉆時(shí)3143min/m； 37153723m為褐色含礫泥巖和含少量（5%左右）礫的褐色 泥巖，鉆時(shí)51103min/m。例：濟(jì)陽凹陷地層埋深越深越難鉆，表731東營(yíng)地區(qū)地層綜合柱狀剖面地層分層井深m厚度m平均井深代平原翅360360180明街鎮(zhèn)約10506907051.8296新館陶絹135030012002.9394東菅留175040015503.0952生沙一段195020018506.045

4、5界沙二段260065022754.3513沙三段320060029005.1169沙四段345025033255.9581孔店組355010035004.3050中生界380025036754.4833二疊系394014039285.4496古石炭系4056116生奧陶系531512646866.0903界寒武系560428854596.7007震旦系56201656129.7230年代越老越難鉆古生界奧陶系地層，雖然由于造山運(yùn)動(dòng)上升至18002000m，但其平均可鉆性為6.09，其深度與東營(yíng)組相當(dāng)，但其平均Kd值卻比東營(yíng)組高1倍多。地層可鉆性分級(jí)1、據(jù)壓入硬度值把巖石分成6類12級(jí)（表1-

5、4）,表14按壓入硬度值對(duì)巖石的可鉆性分級(jí)表巖石類別軟中軟中硬硬堅(jiān)硬極硬巖石級(jí)別123456789101012硬度(MPa)W10010025025050050010001000150015002000200030003000400040005000500060006000700070002、微鉆法采用模擬的微型孕鑲金剛石鉆頭，按一定的規(guī)程，對(duì)巖心進(jìn)行鉆進(jìn)試驗(yàn)。我國(guó)原地質(zhì)礦產(chǎn)部的規(guī)范是以微 鉆的平均鉆速作為巖石可鉆性指標(biāo)，其分級(jí)情況如表1-7所列。而原石油部1987年頒布的巖石可鉆性分級(jí) 辦法是用微鉆在巖樣上鉆三個(gè)孔深2.4mm的孔，取三個(gè)孔鉆進(jìn)時(shí)間的平均值為鉆時(shí)t,對(duì)式（1-18）的結(jié) 果取

6、整后作為該巖樣的可鉆性級(jí)別Kd，據(jù)此值可把各油田地層的可鉆性分成10個(gè)等級(jí)，等級(jí)越高的巖石 越難鉆。叫=1普只（1-18）表1-7按微鉆的平均鉆速對(duì)巖石可鉆性分級(jí)表（原地礦部）巖石級(jí)別3456789101112微鉆鉆速（mm/min）21625913521585134538434522133142091368W51、結(jié)構(gòu)、構(gòu)造：從鉆掘工程角度看結(jié)構(gòu)一一反映巖石的非均質(zhì)性和孔隙性構(gòu)造一一決定巖石的各向異性和裂隙性巖漿巖主要具塊狀結(jié)構(gòu)，其構(gòu)造特征對(duì)鉆掘破巖沒有顯著影響沉積巖層理、變質(zhì)巖片理引起各向異性（即在垂直和平行層理或片理方向 物理、力學(xué)性質(zhì)不同）2、強(qiáng)度（單軸應(yīng)力狀態(tài)）地層條件下，巖石處于三

7、軸受力狀態(tài)，強(qiáng)度變化規(guī)律與單軸應(yīng)力狀態(tài)相當(dāng)。固態(tài)物質(zhì)在外載（靜或動(dòng)載）作用下抵抗破壞的性能指標(biāo)。巖石在給定的變形 方式（壓、拉、彎、剪）下被破壞時(shí)的應(yīng)力值稱為巖石的強(qiáng)度極限。其求取方法即試驗(yàn)方法針 對(duì)的是對(duì)整個(gè)巖樣的加載破壞。影響巖石強(qiáng)度的因素基本上可分為兩大類：1）自然因素：（1）一般造巖礦物強(qiáng)度高者其巖石的強(qiáng)度也高。但沉積巖的強(qiáng)度取決于膠結(jié)物 所占的比例及其礦物成分。膠結(jié)物所占的比例愈大，則膠結(jié)物強(qiáng)度對(duì)巖石強(qiáng)度的 影響愈大，被膠結(jié)的造巖礦物的強(qiáng)度對(duì)巖石強(qiáng)度的影響愈小。細(xì)粒巖石的強(qiáng)度大 于同一礦物組成的粗粒巖石。（2）巖石的孔隙度增加，密度降低，其強(qiáng)度則降低，反之亦然。因此，一般巖 石的強(qiáng)度

8、隨埋深的增大而增大。（3）巖石的強(qiáng)度具有明顯的各向異性。垂直于層理方向的抗壓強(qiáng)度最大，平行 于層理的抗壓強(qiáng)度最小，在與層理斜交方向上的抗壓強(qiáng)度介于兩者之間。原因 1P4-5：巖石層理面間聯(lián)結(jié)比較薄弱，沿平行層理方向加壓時(shí)，巖石首先從層理 面裂開2）工藝因素（1）多向應(yīng)力狀態(tài)下的巖石強(qiáng)度比簡(jiǎn)單應(yīng)力狀態(tài)下的強(qiáng)度高出許多倍。（2）加載速度的影響主要表現(xiàn)在兩個(gè)方面：外載作用速度的增加使巖石 的應(yīng)變速率增大，大幅度地提高了巖石的強(qiáng)度； 加載速度對(duì)塑性巖石強(qiáng)度的 影響大于對(duì)脆性巖石強(qiáng)度的影響。應(yīng)該指出，在當(dāng)前技術(shù)條件下用牙輪鉆頭破碎 巖石時(shí)，其牙齒沖擊巖石的速度不大于5m/s，這時(shí)巖石的力學(xué)性質(zhì)并未呈現(xiàn)出

9、 本質(zhì)性的差異。巖石的受載方式導(dǎo)致巖石的強(qiáng)度值差異很大。不同受載方式下的巖石強(qiáng)度相 對(duì)值如表11所列。由表中數(shù)據(jù)可見，巖石在受壓時(shí)表現(xiàn)出最大的抵抗破壞能力， 而在大多數(shù)情況下巖石的抗剪強(qiáng)度極限幾乎是抗壓強(qiáng)度極限的10%左右。因此， 我們希望在巖石鉆掘過程中，破巖工具應(yīng)主要以剪切的方式來破碎巖石。表11不同受載方式下的巖石強(qiáng)度相對(duì)值石石不同受載方式下的巖石強(qiáng)度相對(duì)值抗壓抗拉抗彎抗剪花崗巖10.02 0.040.08.0.09砂巖10.02 0.050.06 0.200.10 0.12石灰?guī)r10.04 0.100.08 0.100.153、硬度又稱抗破碎壓入強(qiáng)度（三軸應(yīng)力狀態(tài)）反映巖石抵抗外部更硬

10、物體壓入（侵入）其表面的能力。其求取方法即試驗(yàn)方 法針對(duì)的是對(duì)巖樣的局部（即壓頭接觸處）的加載破壞。壓入試驗(yàn)時(shí)巖石產(chǎn)生一次局部破 碎的軸載即為巖石硬度，所以硬度單位為：MPa在壓頭作用下，巖石某一點(diǎn)上處于各向受壓的應(yīng)力狀態(tài)（即三軸應(yīng)力狀態(tài)）。一般情況下：（壓入）硬度大于（單軸）抗壓強(qiáng)度，原因：硬度在三軸應(yīng)力狀態(tài) 下測(cè)定，強(qiáng)度在單軸應(yīng)力狀態(tài)下測(cè)定。1）硬度與抗壓強(qiáng)度聯(lián)系及區(qū)別：抗壓強(qiáng)度是固體抵抗整體破壞時(shí)的阻力，硬度則是固體表面對(duì)另一物體局部壓入或侵入時(shí)的阻力。因此，硬度指 標(biāo)更接近于鉆掘過程的實(shí)際情況。因?yàn)榛剞D(zhuǎn)鉆進(jìn)中，巖石破碎工具在巖 石表面移動(dòng)時(shí)，是在局部侵入（可能非常微?。┑耐瑫r(shí)使巖石發(fā)生

11、剪切 破碎。由前面的分析知道，工具壓入巖石是很難的，而壓入后剪切破巖 卻較容易。所以我們說，硬度對(duì)鉆掘工程而言是一個(gè)主要力學(xué)性能參數(shù)。2）影響巖石硬度的因素基本上可分為兩大類：自然因素巖石中石英及其他堅(jiān)硬礦物或碎屑含量愈多，膠結(jié)物的硬度越大，巖石 的顆粒越細(xì)，結(jié)構(gòu)越致密，則巖石的硬度越大。而孔隙度高，密度低，裂隙發(fā) 育的巖石硬度將會(huì)降低。巖石的硬度具有明顯的各向異性。但層理對(duì)巖石硬度的影響正好與對(duì)巖 石強(qiáng)度的影響相反。垂直于層理方向的硬度值最小，平行于層理的硬度最大， 兩者之間可相差1.051.8倍1P4。巖石硬度的各向異性可以很好地解釋鉆孔彎 曲的原因和規(guī)律，并可利用這一現(xiàn)象來實(shí)施定向鉆進(jìn)。

12、在各向均勻壓縮的條件下，巖石的硬度增加。在常壓下硬度越低的巖石， 隨著圍壓增大，其硬度值增長(zhǎng)越快。工藝因素：一般而言，隨著加載速度增加，將導(dǎo)致巖石的塑性系數(shù)降低，硬度增加。 但當(dāng)沖擊速度小于10m/s時(shí)，硬度變化不大。加載速度對(duì)低強(qiáng)度、高塑性及多孔 隙巖石硬度的影響更顯著。計(jì)算目前國(guó)際上普遍采用如圖11所示的裝置測(cè)定巖石的硬度值Hy (通常稱為壓 入硬度)：瑋=(Pa) (1-9)式中：Pmax-在壓入作用下巖石產(chǎn)生局部脆性破碎時(shí)的軸載，N； S-壓頭底面積， 常用的硬質(zhì)合金壓頭底面積為15(10-6m2)。壓頭類型選擇【1】：圓柱形壓頭：適用于硬度大于20 一一 30千鈀的巖石截錐形壓頭：適

13、用于硬度大于4 0一一5 0千鈀壓力油圖1-1測(cè)試壓入巖石硬度的裝置1-液壓缸；2-液壓柱塞；3-巖樣；4-壓頭；5-壓力機(jī)上壓板；6-千分表；7-柱塞導(dǎo)向桿3、巖石的變形特征及其分類做壓入試驗(yàn)時(shí)，記錄下載荷P與侵入深度6的相關(guān)曲線。按巖石在壓頭壓入時(shí)的 變形曲線和破碎特性(圖1-3)可把巖石分成以下三類：1)彈脆性巖石彈脆性巖石(花崗巖、石英巖、碧石鐵質(zhì)巖)在壓頭壓入時(shí)僅產(chǎn)生彈性 變形，至A點(diǎn)最大載荷為Pmax處便突然完成脆性破碎，壓頭瞬時(shí)壓入，破碎穴 的深度為h 圖1-3(a)和圖1-4(a)。這時(shí)破碎穴面積明顯大于壓頭的端面面積， 即 h/65。圖1-4巖石表面的壓入與破碎穴(a)-彈脆

14、性巖石;(b)-彈塑性巖石;(c)-高塑性高孔隙度的巖石；6 -巖石中的最大變形;h-巖石破碎穴深度2）彈塑性巖石彈塑性巖石（大理巖、石灰?guī)r、砂巖）在壓頭壓入時(shí)首先產(chǎn)生彈性變形，然 后塑性變形。至B點(diǎn)載荷達(dá)Pmax時(shí)才突然發(fā)生脆性破碎圖1-3（b）和圖1-4（b）。 這時(shí)破碎穴面積也大于壓頭的端面面積，而h/=2.5-5，即小于第一類巖石。3）3.高塑性和高孔隙性巖石高塑性（粘土、鹽巖）和高孔隙性巖石（泡沫巖、孔隙石灰?guī)r）區(qū)別于前二 類，當(dāng)壓頭壓入時(shí)，在壓頭周圍幾乎不形成圓錐形破碎穴，也不會(huì)在壓入作用下 產(chǎn)生脆性破碎圖1-3（c）和圖1-4（c），h/6=1。因此，計(jì)算這類巖石的硬度時(shí) 只能用

15、P0代替公式（1-9）中的Pmax。5、巖石堅(jiān)固性系數(shù)巖石的堅(jiān)固性區(qū)別于巖石的強(qiáng)度，強(qiáng)度值必定與某種變形方式（單軸壓縮、 拉伸、剪切）相聯(lián)系，而堅(jiān)固性反映的是巖石在幾種變形方式的組合作用下抵抗 破壞的能力。因?yàn)樵阢@掘施工中往往不是采用純壓入或純回轉(zhuǎn)的方法破碎巖石， 因此這種反映在組合作用下巖石破碎難易程度的指標(biāo)比較貼近生產(chǎn)實(shí)際情況。因?yàn)閹r石的抗壓能力最強(qiáng)，故把巖石單軸抗壓強(qiáng)度極限的1/10作為巖石的 堅(jiān)固性系數(shù)，即=%門0 （1-19）式中：-巖石的單軸抗壓強(qiáng)度，MPa。f是個(gè)無量綱的值，它表明某種巖石的堅(jiān)固性比致密的粘土堅(jiān)固多少倍，因?yàn)?致密粘土的抗壓強(qiáng)度為10MPa。巖石堅(jiān)固性系數(shù)的計(jì)算公

16、式簡(jiǎn)潔明了，f值可用 于預(yù)計(jì)巖石抵抗破碎的能力及其鉆掘以后的穩(wěn)定性。根據(jù)巖石的堅(jiān)固性系數(shù)（f） 可把巖石分成10級(jí)（表1-9），等級(jí)越高的巖石越容易破碎。為了方便使用又在 第III, W, V，丑,W級(jí)的中間加了半級(jí)。考慮到生產(chǎn)中不會(huì)大量遇到抗壓強(qiáng)度大于 200MPa的巖石，故把凡是抗壓強(qiáng)度大于200MPa的巖石都?xì)w入I級(jí)。（各種巖 石的絕對(duì)強(qiáng)度參見：鉆井工藝原理上冊(cè)P10）6、研磨性1：巖石對(duì)鉆頭的磨損能力。主要取決于：巖石的礦物（或碎屑）硬度，硬礦物（或碎屑）的含量表面粗糙程度、 巖石結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。鉆頭刃的磨損一般屬于表面的研磨性磨損（下面僅針對(duì)此表面磨損，即研磨性磨 損），在有些情況下可出現(xiàn)

17、疲勞的磨損。（鉆具磨損分類：表面磨損，即研磨性磨損疲勞磨損，即疲勞損壞）表面磨損即研磨性磨損，是鉆頭工作刃與巖石摩擦過程中產(chǎn)生微切削、刻劃、擦 痕等造成的。取決于材料的性質(zhì)（如化學(xué)組成和結(jié)構(gòu)）、摩擦類型、摩擦表面形 狀及尺寸（如表面粗糙度）、接觸壓力等。一種確定研磨系數(shù)的方法一摩擦磨損法（以下1）、2）即為此方法的結(jié)論）：V=aXSXN=PXaa-研磨系數(shù)；v一單位摩擦行程的磨損量，cm3/m； N一接觸壓力，牛/mm2； S一 接觸面積，mm2； P一摩擦面上的接觸載荷（壓力），?；瑒?dòng)摩擦力計(jì)算公式：F=NXUu一動(dòng)摩擦系數(shù)，僅與材料本身有關(guān)。摩擦系數(shù)相應(yīng)于研磨系數(shù)。1）晶質(zhì)巖石（多為變質(zhì)巖

18、、火成巖）與組成礦物的微硬度成正比。多晶礦物組成的巖石研磨性取決這些礦物的平 均硬度。多晶礦物組成的巖石表面粗糙程度較單晶巖石高，礦物間硬度及研 磨性差距越大，表面粗糙程度愈大。因此在二者硬度相同的情況下，多晶巖 石研磨性較高。研磨性由小到大：硫酸鹽類巖石（石膏、重晶石）、碳酸鹽巖、硅質(zhì)巖石（燧石）、 鐵-鎂長(zhǎng)石巖、石英巖。2）碎屑巖（多為沉積巖）最重要的是石英砂巖和粉砂巖，其余碎屑巖因其組成礦物具較低硬度，故具 有與其組成礦物相當(dāng)?shù)木з|(zhì)巖石相似的硬度。晶質(zhì)巖與碎屑巖本質(zhì)區(qū)別在于：碎屑巖的強(qiáng)度取決于膠結(jié)強(qiáng)度和結(jié)構(gòu)。因此 分析碎屑巖研磨性時(shí)應(yīng)采用其機(jī)械力學(xué)性質(zhì)中的壓入硬度。相同礦物成分的碎屑巖和晶質(zhì)巖研磨性主要區(qū)別：摩擦表面具有不同粗糙程 度。碎屑巖具有更高的表面粗糙度。所以碎屑巖研磨性大于晶質(zhì)巖類。自然條件下，許多低研磨性巖石（泥巖、硫酸鹽巖、碳酸鹽巖等）常含不等 的（石英）砂粒，對(duì)于此