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第一章钻头岩石性质现在学习的是第1页，共25页 概概 述述1.钻头类型钻头类型(1)按结构及工作原理分类按结构及工作原理分类 刮刀钻头、牙轮钻头、刮刀钻头、牙轮钻头、PDC钻头、金刚钻头、金刚石钻头石钻头(2)按功用分类按功用分类 全面钻进钻头、取心钻头、扩眼钻头全面钻进钻头、取心钻头、扩眼钻头2.钻头尺寸系列钻头尺寸系列 4-3/4 26 in3.工作指标工作指标钻头进尺（米）钻头进尺（米）钻头工作寿命（小时）钻头工作寿命（小时）机械钻速（米机械钻速（米/小时）小时）单位进尺成本（元单位进尺成本（元/米）：米）：现在学习的是第2页，共25页一、岩石的机械性质（力学性质）一、岩石的机械性质（力学性质）1.1.几个概念几个概念岩石的力学性质岩石的力学性质 石受力后表现出来的石受力后表现出来的变形特性变形特性和和强度特性强度特性。弹性弹性岩石岩石在外力作用下产生变形，外力撤除后变形随之消失，恢复到原在外力作用下产生变形，外力撤除后变形随之消失，恢复到原来的形状和体积的性质称为弹性。相应的变形称为弹性变形。来的形状和体积的性质称为弹性。相应的变形称为弹性变形。塑性塑性岩石岩石在外力作用下产生变形，外力撤除后变形不能完在外力作用下产生变形，外力撤除后变形不能完 全恢复的性质。全恢复的性质。相应的残余变形称为塑性变形相应的残余变形称为塑性变形。第一节第一节 岩石的工程力学性质岩石的工程力学性质现在学习的是第3页，共25页脆性脆性岩石在外力作用下变形量很小（小于岩石在外力作用下变形量很小（小于3%）时就发生）时就发生 破坏的性质。破坏的性质。相应的破坏称为脆性破坏。相应的破坏称为脆性破坏。强度强度岩石在外力作用下发生破坏时的最大应力。岩石在外力作用下发生破坏时的最大应力。抗拉强度抗拉强度岩石单纯受拉伸应力作用时的强度。岩石单纯受拉伸应力作用时的强度。抗压强度抗压强度岩石单纯受压缩应力力作用时的强度。岩石单纯受压缩应力力作用时的强度。抗剪强度抗剪强度岩石单纯受剪切应力作用时的强度岩石单纯受剪切应力作用时的强度 抗弯强度抗弯强度岩石单纯受弯曲应力作用时的强度。岩石单纯受弯曲应力作用时的强度。现在学习的是第4页，共25页 弹性模量和泊松比弹性模量和泊松比虎克定律：泊松比：弹性系数之间的关系：弹性系数之间的关系：应力；应力；应变；应变；E弹性模量弹性模量应力；应力；剪应变；剪应变；G剪切剪切弹性模量弹性模量（各向同性材料）（各向同性材料）现在学习的是第5页，共25页2.2.简单应力条件下岩石的力学性质简单应力条件下岩石的力学性质 简单应力条件：岩石受单一外载（压、拉、剪、弯）作用。简单应力条件：岩石受单一外载（压、拉、剪、弯）作用。（1 1）试验方法）试验方法抗压试验抗压试验抗拉试验抗拉试验-巴西实验巴西实验现在学习的是第6页，共25页抗剪试验抗剪试验抗弯试验抗弯试验现在学习的是第7页，共25页破坏方式破坏方式现在学习的是第8页，共25页（2 2）一般规律）一般规律：在简单应力条件下，大部分岩石都接近弹性脆性体，岩石的破坏表现为脆在简单应力条件下，大部分岩石都接近弹性脆性体，岩石的破坏表现为脆性破坏。性破坏。岩石的弹性模量与所加载荷大小及应变种类有关。当载荷较小时，弹性模量接近常岩石的弹性模量与所加载荷大小及应变种类有关。当载荷较小时，弹性模量接近常数，且各种应变情况下的弹性模量相差不大。当载荷较大时，数，且各种应变情况下的弹性模量相差不大。当载荷较大时，在受压缩的情况在受压缩的情况下，弹性模量将随载荷的增大而增大；在受拉伸的情况，弹性模量则下，弹性模量将随载荷的增大而增大；在受拉伸的情况，弹性模量则随载荷的增大而减小。随载荷的增大而减小。在动外力（如声波）作用下，大多数岩石服从直线虎克定律。在动外力（如声波）作用下，大多数岩石服从直线虎克定律。一般情况下一般情况下 抗拉强度抗弯强度抗拉强度抗弯强度抗剪强度抗压强度抗剪强度抗压强度。垂直于地层层面方向的岩石强度平行于地层层面方向的岩石强度。垂直于地层层面方向的岩石强度平行于地层层面方向的岩石强度。现在学习的是第9页，共25页3.3.复杂应力条件下岩石的力学性质复杂应力条件下岩石的力学性质(1)(1)三轴岩石试验三轴岩石试验12=311123 2=323现在学习的是第10页，共25页 常规三轴试验：常规三轴试验：12=312=3P=2=3P=P=2 2=3 311压压缩缩拉拉伸伸现在学习的是第11页，共25页（2 2）一般规律一般规律v岩岩石石在在三三轴轴应应力力条条件件下下的的强强度度明明显显增增加加。随随着着围围压压的的增增大大，岩岩石石强强度增大。度增大。v随随着着围围压压的的增增大大，岩岩石石由由脆脆性性向向塑塑性性转转变变，且且围围压压越越大大，岩岩石石破破坏坏前前呈呈现现的的塑塑性性也也越越大大。岩岩石石从从脆脆性性向向塑塑性性转转变变的的压压力力（围围压压）称称为为临临界界压压力力。不不同同的的岩岩石石，临界压力不同。临界压力不同。v在各向均匀压缩状态下，岩石永远不会破坏。在各向均匀压缩状态下，岩石永远不会破坏。3=03=23.53=503=853=1653=326XXXX3=03=27.53=55.53=1553=217.513，MPa13，MPa现在学习的是第12页，共25页 4.4.岩石的硬度和塑性系数岩石的硬度和塑性系数硬度的概念硬度的概念 岩岩石石抵抵抗抗其其它它物物体体表表面面压压入入的的能能力力。石石油油工工业业中中的的岩岩石石硬硬度度是是压压入入 硬度，也称为史氏硬度，是由前苏联史立涅尔提出的。硬度，也称为史氏硬度，是由前苏联史立涅尔提出的。硬度与抗压强度区别：硬度与抗压强度区别：硬硬度度是是岩岩石石表表面面的的局局部部抵抵抗抗外外力力压压入入的的能能力力，抗抗压压强强度度则则是是岩岩石石整体抗压的能力。整体抗压的能力。塑性系数塑性系数 表征岩石塑性和脆性大小的参数。表征岩石塑性和脆性大小的参数。现在学习的是第13页，共25页 岩石硬度试验装置 771 1液缸缸体；液缸缸体；22液缸柱塞；液缸柱塞；3-3-岩样；岩样；44压头压头5压力计；压力计；6千分表；千分表；7柱塞导向杆柱塞导向杆6压入硬度和塑性系数的测定方法压入硬度和塑性系数的测定方法压入试验压入试验现在学习的是第14页，共25页岩石硬度和塑性系数的计算：岩石硬度和塑性系数的计算：塑性系数塑性系数:现在学习的是第15页，共25页岩石按塑性系数分类（岩石按塑性系数分类（3类、类、6级）级）现在学习的是第16页，共25页硬度硬度P Py:y:MPa对脆性和塑脆性岩石对脆性和塑脆性岩石：MPa对塑性岩石：对塑性岩石：岩石按硬度的分类（岩石按硬度的分类（6 6类、类、1212级）级）P破坏载荷；破坏载荷；P0弹性变形载荷弹性变形载荷现在学习的是第17页，共25页5.5.岩石的破碎特征岩石的破碎特征 1).脆性岩石脆性岩石脆性岩石脆性岩石只有弹性变形无塑性变形。只有弹性变形无塑性变形。破碎特点是破碎特点是:变形深度变形深度很小，而破碎深很小，而破碎深h度远大于变形深度度远大于变形深度破碎面积破碎面积S0 远大于压模面积远大于压模面积ShS0Sp现在学习的是第18页，共25页 2).2).2).2).塑脆性岩石塑脆性岩石先产生弹性变形后产生塑性变形，最后发生塑性破碎。先产生弹性变形后产生塑性变形，最后发生塑性破碎。破碎特点是破碎特点是:较大，但较大，但h，且，且S0 S。hS0Sp现在学习的是第19页，共25页 3).3).塑性岩石塑性岩石塑性岩石塑性岩石只有塑性变形而无脆性破碎只有塑性变形而无脆性破碎h=，S0 S。hS0Sp现在学习的是第20页，共25页二、影响岩石力学性质的因素分析二、影响岩石力学性质的因素分析1.1.岩石结构岩石结构（1）对晶质岩石，由硬度较高的矿物组成的岩石，其硬度也较高。对晶质岩石，由硬度较高的矿物组成的岩石，其硬度也较高。如玄武岩（斜长石、辉石，如玄武岩（斜长石、辉石，6）白云岩（）白云岩（4）石灰岩（）石灰岩（3）。）。（2）砂岩的强度随着石英（砂岩的强度随着石英（7）含量的增加而增大；）含量的增加而增大；硅质胶结钙质铁质泥质。硅质胶结钙质铁质泥质。（3）同种岩石孔隙度增大，密度降低，强度降低。）同种岩石孔隙度增大，密度降低，强度降低。因此，岩石的强度一般随埋藏深因此，岩石的强度一般随埋藏深 度的增加而增大。度的增加而增大。2.2.井底各种压力井底各种压力（1）有效应力（外压与内压之差）越大，岩石强度越大，塑性越大。有效应力（外压与内压之差）越大，岩石强度越大，塑性越大。（各向压（各向压 缩效应）。缩效应）。（2）井内液柱压力与孔隙压力之差越大，岩石强度越大，塑性越大。井内液柱压力与孔隙压力之差越大，岩石强度越大，塑性越大。现在学习的是第21页，共25页3.3.载荷性质的影响载荷性质的影响 岩石对动载的抗力要比静载大得多。随着冲击速度增大，硬度增大，塑性系数岩石对动载的抗力要比静载大得多。随着冲击速度增大，硬度增大，塑性系数 减小。减小。但在冲击速度小于但在冲击速度小于10米米/秒时，岩石硬度和塑性系数变化不大，接近于静载时的数秒时，岩石硬度和塑性系数变化不大，接近于静载时的数值。值。在在10000米深度范围内：米深度范围内：强度：岩盐泥页岩石灰岩石膏白云岩；强度：岩盐泥页岩石灰岩石膏白云岩；砂岩强度取决于胶结物及胶结程度。砂岩强度取决于胶结物及胶结程度。塑性：岩盐石灰岩泥页岩石膏白云岩石英岩塑性：岩盐石灰岩泥页岩石膏白云岩石英岩4.4.温度的影响温度的影响 地温梯度约为地温梯度约为30度度/km。高温条件下塑性增大强度减小。高温条件下塑性增大强度减小。5.5.液体介质的影响液体介质的影响 分散性介质对岩石强度有降低的作用。分散性介质对岩石强度有降低的作用。现在学习的是第22页，共25页三、岩石的可钻性和研磨性三、岩石的可钻性和研磨性 1.1.岩石可钻性岩石可钻性(Rock Drillability）（1 1）概念）概念岩石可钻性可理解为岩石破碎的难易性，它反映了是岩石抵抗钻岩石可钻性可理解为岩石破碎的难易性，它反映了是岩石抵抗钻头破碎的能力头破碎的能力。（2 2）评价方法）评价方法在钻压在钻压889.7N（200磅）、转速磅）、转速55r/min的固定条件下，用直径的固定条件下，用直径31.75mm（1-1/4in）的微型钻头在岩心上钻孔，以钻进）的微型钻头在岩心上钻孔，以钻进2.4mm孔深所需要的时间孔深所需要的时间td作为岩石可钻性指标，由此把岩石分为易钻的和难钻的。作为岩石可钻性指标，由此把岩石分为易钻的和难钻的。为应用方便，常用为应用方便，常用 Kd=Log2td 作为可钻性指标，称为作为可钻性指标，称为可钻性级值可钻性级值。现在学习的是第23页，共25页级别级别td/秒秒448816163232646412812825625651251210241024 Kd22 33 44 55 66 77 88 99 1010分类分类极软极软软软中软中软中中中硬中硬硬硬极硬极硬（3 3）可钻性分级）可钻性分级现在学习的是第24页，共25页2.2.岩石研磨性（岩石研磨性（Rock Abrasiveness）岩石磨损钻头切削刃材料的能力称为岩石的研磨性。岩石磨损钻头切削刃材料的能力称为岩石的研磨性。1）.岩石研磨性的概念岩石研磨性的概念 在在钻钻进进过过程程中中，钻钻头头在在破破碎碎岩岩石石的的同同时时，也也被被岩岩石石磨磨损损，我我们们把岩石磨损钻头的能力称为岩石的研磨性把岩石磨损钻头的能力称为岩石的研磨性。2）.岩石研磨性的测定方法及其分类岩石研磨性的测定方法及其分类 研磨性的测定研磨性的测定 对对于于大大部部分分矿矿物物和和岩岩石石，金金属属盘盘的的单单位位摩摩擦擦路路程程的的磨磨损损不不取取决决于圆盘的旋转速度，只与载荷于圆盘的旋转速度，只与载荷p成正比，成正比，vs p式中式中 vs 圆盘的单位摩擦路程磨损量，立方厘米圆盘的单位摩擦路程磨损量，立方厘米/米；米；研磨系数；研磨系数；p摩擦面上的接触压力，牛。摩擦面上的接触压力，牛。现在学习的是第25页，共25页