《岩土的可钻性》PPT课件.ppt

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1、工程钻探工程钻探主讲人：杜振川 工程钻探课件工程钻探课件河北工程大学资源学院河北工程大学资源学院第二章第二章 岩石的可钻性及破碎过程岩石的可钻性及破碎过程第一节第一节 岩石的物理力学性质岩石的物理力学性质一、岩石的组成与分类一、岩石的组成与分类岩石是矿物颗粒的集合体。岩石是矿物颗粒的集合体。按成因分为：按成因分为：岩浆岩、沉积岩和变质岩。岩浆岩、沉积岩和变质岩。岩浆岩：岩浆岩：内力地质作用的产物，系地壳深处的岩浆沿地壳内力地质作用的产物，系地壳深处的岩浆沿地壳裂隙上升冷凝而成。裂隙上升冷凝而成。工程钻探课件工程钻探课件河北工程大学资源学院河北工程大学资源学院第二章第二章 岩石的可钻性及破碎过程

2、岩石的可钻性及破碎过程第一节第一节 岩石的物理力学性质岩石的物理力学性质一、岩石的组成与分类一、岩石的组成与分类沉积岩：沉积岩：在地表条件下母岩风化剥蚀的产物，经风化、剥在地表条件下母岩风化剥蚀的产物，经风化、剥蚀、搬运、沉积和固结等成岩作用而形成的岩石。蚀、搬运、沉积和固结等成岩作用而形成的岩石。变质岩：变质岩：沉积岩、岩浆岩或变质岩本身在地壳中受到高温沉积岩、岩浆岩或变质岩本身在地壳中受到高温高压及化学活动性流体的影响而变质形成的岩石。高压及化学活动性流体的影响而变质形成的岩石。工程钻探课件工程钻探课件河北工程大学资源学院河北工程大学资源学院第二章第二章 岩石的可钻性及破碎过程岩石的可钻性

3、及破碎过程第一节第一节 岩石的物理力学性质岩石的物理力学性质二、岩石的结构与构造二、岩石的结构与构造岩石的结构：岩石的结构：岩石的微观组织特征，它与矿物粒度的大小、岩石的微观组织特征，它与矿物粒度的大小、形状和表面特征有关，反映了岩石非均质性和孔隙性。形状和表面特征有关，反映了岩石非均质性和孔隙性。岩石构造：岩石构造：是表示岩石宏观组织特征，它说明矿物颗粒之是表示岩石宏观组织特征，它说明矿物颗粒之间的组合形式和空间分布状况，它决定了岩石的各向异性间的组合形式和空间分布状况，它决定了岩石的各向异性和裂隙性。和裂隙性。岩石的结构和构造与岩石的成因类型、形成条件及存在环岩石的结构和构造与岩石的成因类

4、型、形成条件及存在环境有紧密的联系。境有紧密的联系。工程钻探课件工程钻探课件河北工程大学资源学院河北工程大学资源学院第二章第二章 岩石的可钻性及破碎过程岩石的可钻性及破碎过程第一节第一节 岩石的物理力学性质岩石的物理力学性质二、岩石的结构与构造二、岩石的结构与构造岩浆岩：晶质结构岩石一般强度较高，同时断面粗糙者往岩浆岩：晶质结构岩石一般强度较高，同时断面粗糙者往往研磨性较大。往研磨性较大。沉积岩：颗粒和胶结物组成，沉积岩的主要构造特征是有沉积岩：颗粒和胶结物组成，沉积岩的主要构造特征是有钻进过程中产生的层理，与钻进有关。钻进过程中产生的层理，与钻进有关。变质岩：主要构造特征是片理（如石墨和滑石

5、）。变质岩：主要构造特征是片理（如石墨和滑石）。工程钻探课件工程钻探课件河北工程大学资源学院河北工程大学资源学院二、岩石的结构与构造二、岩石的结构与构造 岩岩 石石 照照 片片花岗石花岗石花岗石花岗石花岗岩花岗岩白云岩白云岩工程钻探课件工程钻探课件河北工程大学资源学院河北工程大学资源学院第一节第一节 岩石的物理力学性质岩石的物理力学性质三、岩石的物理性质三、岩石的物理性质密度密度：单位体积岩石的质量。容重：单位体积岩石的重量。比重比重：单位体积岩石骨架体积的重量。岩石体积=固相骨架体积+岩石中孔隙体积，一般来说，密度越高，强度越大。孔隙度：孔隙度：岩石中孔隙体积与岩石总体积之比。一般来说,孔隙

6、度越大，强度越低。岩石的孔隙越大，裂隙越多，水对它的影响就越小。如石灰岩，用水浸透后，强度下降明显。工程钻探课件工程钻探课件河北工程大学资源学院河北工程大学资源学院第一节第一节 岩石的物理力学性质岩石的物理力学性质四、岩石的力学性质四、岩石的力学性质岩石的力学性质是岩石在外力作用下表现出来的特性。岩石的力学性质是岩石在外力作用下表现出来的特性。主要有变形特性、强度特性和表面特性。主要有变形特性、强度特性和表面特性。变形特性：弹性、塑性和脆性变形特性：弹性、塑性和脆性强度特性：抗压强度、抗拉强度、抗剪强度和抗弯强度强度特性：抗压强度、抗拉强度、抗剪强度和抗弯强度表面特性：硬度和研磨性表面特性：硬

7、度和研磨性工程钻探课件工程钻探课件河北工程大学资源学院河北工程大学资源学院第一节第一节 岩石的物理力学性质岩石的物理力学性质四、岩石的力学性质四、岩石的力学性质1、变形特性：弹性、塑性和脆性、变形特性：弹性、塑性和脆性岩石破坏的形式岩石破坏的形式脆性破坏脆性破坏塑脆性破坏（弹性变形不明显，塑性破坏）塑脆性破坏（弹性变形不明显，塑性破坏）工程钻探课件工程钻探课件河北工程大学资源学院河北工程大学资源学院第一节第一节 岩石的物理力学性质岩石的物理力学性质四、岩石的力学性质四、岩石的力学性质2、强度特性：抗压强度、抗拉强度、抗剪强度和、强度特性：抗压强度、抗拉强度、抗剪强度和抗弯强度抗弯强度岩石强度岩

8、石强度：岩石在载荷作用下变形到一定程度就发生破坏。破坏前岩石所能承受的最大载荷，即单位面积上的最大载荷。根据受力条件不同，岩石强度又可分为抗拉强度、抗弯强度、抗剪强度、抗压强度。工程钻探课件工程钻探课件河北工程大学资源学院河北工程大学资源学院第一节第一节 岩石的物理力学性质岩石的物理力学性质四、岩石的力学性质四、岩石的力学性质3、表面特性：硬度和研磨性、表面特性：硬度和研磨性岩石的硬度岩石的硬度：岩石表面对工具压入的反抗特性。岩石硬度与抗压强度有一定联系，又有很大区别。岩石抗压强度是岩石整块抗破碎的能力。岩石抗压入硬度为单向抗压强度的（1+2）倍。测定压入硬度实际上使岩样产生局部破碎，而这种局

9、部破碎是在多向受压状态下进行的。工程钻探课件工程钻探课件河北工程大学资源学院河北工程大学资源学院第一节第一节 岩石的物理力学性质岩石的物理力学性质四、岩石的力学性质四、岩石的力学性质3、表面特性：硬度和研磨性、表面特性：硬度和研磨性岩石的研磨性岩石的研磨性：岩石磨损钻头的能力。在用机械方法破碎岩石的过程中，钻头与岩石产生连续的或间断的接触和摩擦。钻头破碎岩石的同时，其自身也受到岩石的磨损而逐渐变钝。工程钻探课件工程钻探课件河北工程大学资源学院河北工程大学资源学院第二章第二章 岩石的可钻性及破碎过程岩石的可钻性及破碎过程第二节第二节 岩石可钻性及可钻性分级岩石可钻性及可钻性分级一、岩石可钻性的概

10、念1、概念、概念岩石可钻性岩石可钻性:是表示钻进过程中岩石破碎的难易程度是表示钻进过程中岩石破碎的难易程度。在钻探生产中通常用单位时间的进尺（机械钻速）作为衡在钻探生产中通常用单位时间的进尺（机械钻速）作为衡量岩石可钻性的指标，单位是量岩石可钻性的指标，单位是m/h。工程钻探课件工程钻探课件河北工程大学资源学院河北工程大学资源学院第二章第二章 岩石的可钻性及破碎过程岩石的可钻性及破碎过程第二节第二节 岩石可钻性及可钻性分级岩石可钻性及可钻性分级一、岩石可钻性的概念2、意义、意义、岩石可钻性是合理选择钻进方法、钻头类型和结构、钻进岩石可钻性是合理选择钻进方法、钻头类型和结构、钻进规程参数的依据，

11、也是制订钻探生产定额和编制钻探生产规程参数的依据，也是制订钻探生产定额和编制钻探生产计划的依据。计划的依据。工程钻探课件工程钻探课件河北工程大学资源学院河北工程大学资源学院第二章第二章 岩石的可钻性及破碎过程岩石的可钻性及破碎过程第二节第二节 岩石可钻性及可钻性分级岩石可钻性及可钻性分级3、影响因素、影响因素岩石可钻性是个多变量函数，岩石可钻性是个多变量函数，它首先受岩石性质，特别是它首先受岩石性质，特别是岩石力学性质的影响，也受技术条件（钻探设备和工具的岩石力学性质的影响，也受技术条件（钻探设备和工具的类型、钻进方法、钻孔直径和深度等）和工艺条件（钻头类型、钻进方法、钻孔直径和深度等）和工艺

12、条件（钻头压力、钻具转速、冲洗液数量和性能等）的影响。压力、钻具转速、冲洗液数量和性能等）的影响。一、岩石可钻性的概念工程钻探课件工程钻探课件河北工程大学资源学院河北工程大学资源学院第二章第二章 岩石的可钻性及破碎过程岩石的可钻性及破碎过程第二节第二节 岩石可钻性及可钻性分级岩石可钻性及可钻性分级3、影响因素、影响因素1）岩石性质对可钻性的影响，主要因素有：岩石的矿物成）岩石性质对可钻性的影响，主要因素有：岩石的矿物成分、结构构造、密度、孔隙度、含水性及乏水性；岩石的力分、结构构造、密度、孔隙度、含水性及乏水性；岩石的力学性质，如硬度、强度、弹性、脆性、塑性及研磨性等。一学性质，如硬度、强度、

13、弹性、脆性、塑性及研磨性等。一般地说，造岩矿物中石英多、胶结牢固、颗粒细小、结构致般地说，造岩矿物中石英多、胶结牢固、颗粒细小、结构致密、未经风化和蚀变时，岩石可钻性差；岩石硬度和强度高、密、未经风化和蚀变时，岩石可钻性差；岩石硬度和强度高、研磨性强，岩石破碎就比较困难，岩石可钻性也差。研磨性强，岩石破碎就比较困难，岩石可钻性也差。一、岩石可钻性的概念工程钻探课件工程钻探课件河北工程大学资源学院河北工程大学资源学院第二章第二章 岩石的可钻性及破碎过程岩石的可钻性及破碎过程第二节第二节 岩石可钻性及可钻性分级岩石可钻性及可钻性分级3、影响因素、影响因素 2）钻探技术条件对岩石可钻性影响，主要有：

14、钻探设备的技术条件对岩石可钻性影响，主要有：钻探设备的类型、钻孔直径和深度、钻进方法、碎岩工具的结构和质量类型、钻孔直径和深度、钻进方法、碎岩工具的结构和质量等。例如，冲击钻进在坚硬的脆性岩石中具有较好的钻进效等。例如，冲击钻进在坚硬的脆性岩石中具有较好的钻进效果，而回转钻进在软的塑性岩石中可以获得较好的碎岩效率。果，而回转钻进在软的塑性岩石中可以获得较好的碎岩效率。一、岩石可钻性的概念工程钻探课件工程钻探课件河北工程大学资源学院河北工程大学资源学院第二章第二章 岩石的可钻性及破碎过程岩石的可钻性及破碎过程第二节第二节 岩石可钻性及可钻性分级岩石可钻性及可钻性分级3、影响因素、影响因素3)钻探

15、工艺因素对岩石可钻性的影响，主要有：加在钻头上的压力、钻头的回转速度、冲洗液的类型、钻孔岩粉清除情况等。一、岩石可钻性的概念工程钻探课件工程钻探课件河北工程大学资源学院河北工程大学资源学院第二章第二章 岩石的可钻性及破碎过程岩石的可钻性及破碎过程第二节第二节 岩石可钻性及可钻性分级岩石可钻性及可钻性分级二、岩石可钻性的划分方法目前常用的岩石可钻性划分方法有：目前常用的岩石可钻性划分方法有：用岩石力学性质评价岩石的可钻性用实钻速度评价岩石的可钻性用微钻速度评价岩石的可钻性用碎岩比功评价岩石的可钻性工程钻探课件工程钻探课件河北工程大学资源学院河北工程大学资源学院第二节第二节 岩石可钻性及可钻性分级

16、岩石可钻性及可钻性分级二、岩石可钻性的划分方法1、用岩石力学性质评价岩石的可钻性-力学性质指标法力学性质指标法回转钻进时，对岩石可钻性起决定作用的力学性质是岩石的研磨硬度和抗剪强度。钻进速度是岩石研磨硬度和抗剪强度的综合指标的函数：v为机械钻速，m/h；W为岩石研磨硬度和抗剪强度的综合指标。工程钻探课件工程钻探课件河北工程大学资源学院河北工程大学资源学院第二节第二节 岩石可钻性及可钻性分级岩石可钻性及可钻性分级二、岩石可钻性的划分方法1、用岩石力学性质评价岩石的可钻性-力学性质指标力学性质指标法法综合指标W值可按下式计算：式中：Hm岩石的研磨硬度:s岩石的抗剪强度，kg/cm2 q1、q2 岩

17、样实验前后的重量 r岩样的容重 s岩样研磨接触面积工程钻探课件工程钻探课件河北工程大学资源学院河北工程大学资源学院第二节第二节 岩石可钻性及可钻性分级岩石可钻性及可钻性分级二、岩石可钻性的划分方法2、用实钻速度评价岩石的可钻性按实际钻进速度划分岩石可钻性级别，就是在规定的设备工具和技术规范的条件下，进行实际钻进，以所得的纯钻进速度（即机械钻速）作为岩石可钻性分级的指标。-实钻速度法工程钻探课件工程钻探课件河北工程大学资源学院河北工程大学资源学院第二节第二节 岩石可钻性及可钻性分级岩石可钻性及可钻性分级二、岩石可钻性的划分方法3、用微钻速度评价岩石的可钻性微钻速度是采用一定的微型孕镶金刚石钻头，

18、按一定的规程，对岩芯试样进行钻进试验，以平均钻速作为可钻性分级的指标。-模拟钻进速度法模拟钻进速度法 工程钻探课件工程钻探课件河北工程大学资源学院河北工程大学资源学院第二节第二节 岩石可钻性及可钻性分级岩石可钻性及可钻性分级二、岩石可钻性的划分方法4、用碎岩比功评价岩石的可钻性A.A史立涅尔提出，在用圆柱形压头作压入硬度试验时，可以通过压力与侵深曲线图求出破碎功，然后计算出单位接触面积破碎功A s和单位体积破碎功AV 以破碎比功来确定岩石的可钻性。-破碎比功法破碎比功法 工程钻探课件工程钻探课件河北工程大学资源学院河北工程大学资源学院第二节第二节 岩石可钻性及可钻性分级岩石可钻性及可钻性分级二

19、、岩石可钻性的划分方法4、用碎岩比功评价岩石的可钻性压头侵入岩石时使岩石发生弹性变形所作的功为：-破碎比功法破碎比功法 式中：P岩石破碎时的载荷；与上述载荷相应的弹性变形。工程钻探课件工程钻探课件河北工程大学资源学院河北工程大学资源学院第二节第二节 岩石可钻性及可钻性分级岩石可钻性及可钻性分级二、岩石可钻性的划分方法4、用碎岩比功评价岩石的可钻性由材料力学知，弹性变形的计算式为：-破碎比功法破碎比功法 式中：泊松比；a压头半径；E岩石弹性模数。工程钻探课件工程钻探课件河北工程大学资源学院河北工程大学资源学院第二节第二节 岩石可钻性及可钻性分级岩石可钻性及可钻性分级二、岩石可钻性的划分方法4、用

20、碎岩比功评价岩石的可钻性所以有：-破碎比功法破碎比功法 岩石破碎时的总功为：为岩石塑性系数工程钻探课件工程钻探课件河北工程大学资源学院河北工程大学资源学院第三节第三节 碎岩工具与岩石作用的主要方式碎岩工具与岩石作用的主要方式主要方式有三种，即：主要方式有三种，即：切削一剪切型；冲击型；冲击一剪切型。1、切削一剪切型：切削一剪切型刃具同岩石作用的方式如图所示。钻头碎岩刃具以速度V向前移动而切削（剪切）岩石。工作参数是：移动速度V，轴向力Pz和切向力P，以及介质性质。工程钻探课件工程钻探课件河北工程大学资源学院河北工程大学资源学院第三节第三节 碎岩工具与岩石作用的主要方式碎岩工具与岩石作用的主要方

21、式主要方式有三种，即：主要方式有三种，即：切削一剪切型；冲击型；冲击一剪切型。2、冲击型：冲击型刃具给孔底岩石以直接的冲击如图。工程钻探课件工程钻探课件河北工程大学资源学院河北工程大学资源学院第三节第三节 碎岩工具与岩石作用的主要方式碎岩工具与岩石作用的主要方式3、冲击一剪切型：同岩石相作用的钻头刃具，不仅以Pz和P力作用于岩石，而且还有使钻头向前回转的移动速度和冲锤对齿刃的冲击速度v z或牙轮滚动时齿刃向下冲击的速度v y对岩石的作用。工程钻探课件工程钻探课件河北工程大学资源学院河北工程大学资源学院第四节第四节 静载作用下的岩石应力状态静载作用下的岩石应力状态 钻头刃具与岩石的作用方式表明，

22、孔底岩石是在轴向载荷和切向载荷同时作用下，或者冲击作用下破碎的。钻头上的切削具按其与孔底岩石接触，而使岩石产生破碎的作用来说，可以看成是圆柱体、球形体、长方形平底压头与弹性半无限体所限制的平面的相互作用。工程钻探课件工程钻探课件河北工程大学资源学院河北工程大学资源学院第四节第四节 静载作用下的岩石应力状态静载作用下的岩石应力状态一、集中载荷作用在弹性半无限体上的应力状态一、集中载荷作用在弹性半无限体上的应力状态 （布西涅司克问题）（布西涅司克问题）图是集中载荷P对弹性半无限体作用的示意图。假设弹性体占XOY平面以下的整个空间Z0(Z轴正方向指向固体内部)。P作用力垂直作用于O点上。由坐标原点到

23、某点A所作的矢径OA与Z轴的夹角为工程钻探课件工程钻探课件河北工程大学资源学院河北工程大学资源学院第四节第四节 静载作用下的岩石应力状态静载作用下的岩石应力状态一、集中载荷作用在弹性半无限体上的应力状态一、集中载荷作用在弹性半无限体上的应力状态 （布西涅司克问题）（布西涅司克问题）则在3个轴上的正应力分别为：工程钻探课件工程钻探课件河北工程大学资源学院河北工程大学资源学院第四节第四节 静载作用下的岩石应力状态静载作用下的岩石应力状态一、集中载荷作用在弹性半无限体上的应力状态一、集中载荷作用在弹性半无限体上的应力状态 （布西涅司克问题）（布西涅司克问题）在对称轴上，当在对称轴上，当=0时时对称轴

24、上的正应力都是压应力。对称轴上的正应力都是压应力。工程钻探课件工程钻探课件河北工程大学资源学院河北工程大学资源学院第四节第四节 静载作用下的岩石应力状态静载作用下的岩石应力状态一、集中载荷作用在弹性半无限体上的应力状态一、集中载荷作用在弹性半无限体上的应力状态 （布西涅司克问题）（布西涅司克问题）如果假设集中载荷如果假设集中载荷P均匀分布在弹性体均匀分布在弹性体表面半径为表面半径为a的圆内，且强度为的圆内，且强度为p=P/a2，则对称轴上任何一点的正应力，则对称轴上任何一点的正应力z 皆可用皆可用a/z的函数来表示：的函数来表示：工程钻探课件工程钻探课件河北工程大学资源学院河北工程大学资源学院

25、第四节第四节 静载作用下的岩石应力状态静载作用下的岩石应力状态一、集中载荷作用在弹性半无限体上的应力状态一、集中载荷作用在弹性半无限体上的应力状态 （布西涅司克问题）（布西涅司克问题）当当z=0时，时，z=P；当；当z=时，时，z=0 正应力正应力z沿沿z轴的分布曲线为：轴的分布曲线为：工程钻探课件工程钻探课件河北工程大学资源学院河北工程大学资源学院第四节第四节 静载作用下的岩石应力状态静载作用下的岩石应力状态二二、平底圆柱形压头压入时岩石的应力状态、平底圆柱形压头压入时岩石的应力状态平底圆柱压头压力面上的压力分布平底圆柱压头压力面上的压力分布工程钻探课件工程钻探课件河北工程大学资源学院河北工

26、程大学资源学院第四节第四节 静载作用下的岩石应力状态静载作用下的岩石应力状态二二、平底圆柱形压头压入时岩石的应力状态、平底圆柱形压头压入时岩石的应力状态研究表明，在弹性变形的情况下，平底圆柱形压头以作研究表明，在弹性变形的情况下，平底圆柱形压头以作用力用力P沿沿z轴压入弹性半无限体时受压体接触面上的压力轴压入弹性半无限体时受压体接触面上的压力分布不是常数，而是分布不是常数，而是r的函数，即：的函数，即：式中：P压头上的垂直载荷；a压头的半径；r 离对称轴的距离 工程钻探课件工程钻探课件河北工程大学资源学院河北工程大学资源学院第四节第四节 静载作用下的岩石应力状态静载作用下的岩石应力状态二二、平

27、底圆柱形压头压入时岩石的应力状态、平底圆柱形压头压入时岩石的应力状态在压力均匀分布的前提下，可以根据布西涅司克的解和应在压力均匀分布的前提下，可以根据布西涅司克的解和应力叠加原理，求得弹性半无限体内（岩体内）沿对称轴上力叠加原理，求得弹性半无限体内（岩体内）沿对称轴上的各应力分量为：的各应力分量为：剪应力工程钻探课件工程钻探课件河北工程大学资源学院河北工程大学资源学院第四节第四节 静载作用下的岩石应力状态静载作用下的岩石应力状态二二、平底圆柱形压头压入时岩石的应力状态、平底圆柱形压头压入时岩石的应力状态从该图可以看出：随着z的增加，z减小得慢些，而r=y减小得很快，因此剪应力随z的变化是开始由

28、小变大，到一定深度（z0）时，则具有最大值。工程钻探课件工程钻探课件河北工程大学资源学院河北工程大学资源学院第四节第四节 静载作用下的岩石应力状态静载作用下的岩石应力状态二二、平底圆柱形压头压入时岩石的应力状态、平底圆柱形压头压入时岩石的应力状态在载荷中心z=0处泊松比 第四节第四节 静载作用下的岩石应力状态静载作用下的岩石应力状态二二、平底圆柱形压头压入时岩石的应力状态、平底圆柱形压头压入时岩石的应力状态若 将对z求导数，并使其等于0，便可得到：设=0.25，则 这表明在z轴上，最大剪应力所在的深度约等于压头半径的2/3。而最大剪应力的大小约为均匀压强的1/3 第四节第四节 静载作用下的岩石

29、应力状态静载作用下的岩石应力状态三、球形压头压入时岩石的应力状态三、球形压头压入时岩石的应力状态 设作用在球体上的力为P，接触面（又称压力面）的投影是个半径为a的圆，于是a值可按下式求出：式中：P作用在球体上的压力；R球体的半径；，压头和岩石的泊松比；E1，E2压头和岩石的弹性模数。工程钻探课件工程钻探课件河北工程大学资源学院河北工程大学资源学院第四节第四节 静载作用下的岩石应力状态静载作用下的岩石应力状态三、球形压头压入时岩石的应力状态三、球形压头压入时岩石的应力状态球体压入时，接触面上的压力分布是不均匀的。其数值是随着压力点离开压力面中心的距离r的增加而不断减小的一个函数（如图所示），即：

30、工程钻探课件工程钻探课件河北工程大学资源学院河北工程大学资源学院第四节第四节 静载作用下的岩石应力状态静载作用下的岩石应力状态三、球形压头压入时岩石的应力状态三、球形压头压入时岩石的应力状态知道了压力面上的载荷分布，同样也可以利用布西涅司克集中力作用于弹性半无限体平面上的解，求得半无限体内沿对称轴上的应力分量：工程钻探课件工程钻探课件河北工程大学资源学院河北工程大学资源学院第四节第四节 静载作用下的岩石应力状态静载作用下的岩石应力状态三、球形压头压入时岩石的应力状态三、球形压头压入时岩石的应力状态各应力分量随z值变化的情况示于如图。显然，在压力面中心处（z=0）有：工程钻探课件工程钻探课件河北

31、工程大学资源学院河北工程大学资源学院第四节第四节 静载作用下的岩石应力状态静载作用下的岩石应力状态三、球形压头压入时岩石的应力状态三、球形压头压入时岩石的应力状态随着z的增加，所有正应力都减小，但 比 减小得更快。剪应力与正应力不同，开始时随z的增加而增大，在达到某一最大值后，即逐渐减小。工程钻探课件工程钻探课件河北工程大学资源学院河北工程大学资源学院第四节第四节 静载作用下的岩石应力状态静载作用下的岩石应力状态三、球形压头压入时岩石的应力状态三、球形压头压入时岩石的应力状态当=0.25时，=0.167p0，=0.167po。这表明在接触面的圆周边界处，沿径向产生拉应力。另外此处剪应力小于对称

32、轴上 max，但大于压力面中心的剪应力。因此，球体压入平面时，最危险处是：压力面周边和弹性半压力面周边和弹性半无限体内对称轴上距压力面无限体内对称轴上距压力面z=0.5a处。处。河北工程大学资源学院河北工程大学资源学院第四节第四节 静载作用下的岩石应力状态静载作用下的岩石应力状态四、轴向力和切向力共同作用时压头下方岩石的应力状态四、轴向力和切向力共同作用时压头下方岩石的应力状态在回转钻进中，破碎岩石工具不仅以轴向载荷，同时以切向载荷作用于岩石。此时接触面上和岩石内部的应力分布情况与只有轴向载荷时不同。工程钻探课件工程钻探课件河北工程大学资源学院河北工程大学资源学院第四节第四节 静载作用下的岩石

33、应力状态静载作用下的岩石应力状态四、轴向力和切向力共同作用时压头下方岩石的应力状态四、轴向力和切向力共同作用时压头下方岩石的应力状态弹性力学研究表明：只有轴向力单独作用于压头时，弹性半无限体内等应力线分布是均匀的、对称的（图2-8）。而轴向力和切向力共同作用时，等应力线分布则是非均匀的、不对称的（图2-9a）。在接触面上，切向力作用在接触面上，切向力作用的前方将产生压应力，而切向力作用的后方则产生拉应的前方将产生压应力，而切向力作用的后方则产生拉应力；在半无限体内如图力；在半无限体内如图2-9（b）所示）所示I，形成正应力区，形成正应力区()、拉应力区、拉应力区(）和过渡区（）和过渡区（）。）

34、。工程钻探课件工程钻探课件河北工程大学资源学院河北工程大学资源学院第四节第四节 静载作用下的岩石应力状态静载作用下的岩石应力状态四、轴向力和切向力共同作用时压头下方岩石的应力状态四、轴向力和切向力共同作用时压头下方岩石的应力状态弹性力学研究表明：只有轴向力单独作用于压头时，弹性半无限体内等应力线分布是均匀的、对称的。工程钻探课件工程钻探课件河北工程大学资源学院河北工程大学资源学院第四节第四节 静载作用下的岩石应力状态静载作用下的岩石应力状态四、轴向力和切向力共同作用时压头下方岩石的应力状态四、轴向力和切向力共同作用时压头下方岩石的应力状态而轴向力和切向力共同作用时，等应力线分布则是非均匀的、不

35、对称的。在接触面上，切向力作用的前方将产生压应力，在接触面上，切向力作用的前方将产生压应力，而切向力作用的后方则产生拉应力；在半无限体内，形成正而切向力作用的后方则产生拉应力；在半无限体内，形成正应力区应力区()、拉应力区、拉应力区(）和过渡区（）和过渡区（）。）。第四节第四节 静载作用下的岩石应力状态静载作用下的岩石应力状态四、轴向力和切向力共同作用时压头下方岩石的应力状态四、轴向力和切向力共同作用时压头下方岩石的应力状态由此可以推知，在两向载荷作用下，碎岩工具对岩石的作用具有以下的特点：(1)轴向力与切向力共同作用时，可视为碎岩工具对孔底岩石表面以某一角度施加作用力。岩石破碎效果将由此作用

36、力的数值和方向来决定。轴向力和切向力之间存在最优的比值，或者说有最优的作用力方向。这一方向对于不同的岩石可能是不同的。所以钻进不同岩石时，轴向压力和回转速度应有一个合理的配合关系。工程钻探课件工程钻探课件河北工程大学资源学院河北工程大学资源学院第四节第四节 静载作用下的岩石应力状态静载作用下的岩石应力状态四、轴向力和切向力共同作用时压头下方岩石的应力状态四、轴向力和切向力共同作用时压头下方岩石的应力状态(2）轴向力与切向力共同作用时，碎岩工具下方岩石中产生不均匀的应力状态。压缩区 I 随轴向力增加而扩大，随切向力的增加而缩小；拉伸区则与上述情况相反。压缩区与拉伸区之间为过渡区，该区内既有正应力

37、的作用，又有拉应力的作用。(3)当岩石中出现拉应力时，在其他条件相同的情况下，岩石将在作用力比较小的时候，在拉应力区开始破碎。工程钻探课件工程钻探课件河北工程大学资源学院河北工程大学资源学院第五节第五节 岩石在外载作用下的破碎过程岩石在外载作用下的破碎过程一、岩石的变形破碎方式一、岩石的变形破碎方式按破碎特点和钻进效果，岩石破碎方式可有3种 表面破碎区；疲劳破碎区；体积破碎区 工程钻探课件工程钻探课件河北工程大学资源学院河北工程大学资源学院第五节第五节 岩石在外载作用下的破碎过程岩石在外载作用下的破碎过程一、岩石的变形破碎方式一、岩石的变形破碎方式表面破碎区：切削具上压应力不大时，切削具与岩石

38、的接触压力远远小于岩石硬度，由于必须克服岩石的结构强度（岩石硬度），所以此时切削具不能破碎岩石。切削具移动时，将研磨孔底岩石，岩石的破碎是由切削刃与岩石接触摩擦所作的功引起的，因此分离下来的岩石颗粒很小，钻进速度低，钻孔进尺很慢。这种变形破碎方式称为岩石的表面研磨（磨损），这个区称为表面破碎区。工程钻探课件工程钻探课件河北工程大学资源学院河北工程大学资源学院第五节第五节 岩石在外载作用下的破碎过程岩石在外载作用下的破碎过程一、岩石的变形破碎方式一、岩石的变形破碎方式疲劳破碎区假如切削具上的轴向载荷增加，使岩石晶间联系破坏，岩石结构被破坏，特别是孔底受多次加载影响产生的疲劳裂隙的发展，于是众多裂

39、隙交错，尽管切削具与岩石的接触压力仍小于岩石硬度，但也可产生较粗岩粒的分离，这种变形破坏形式称为疲劳破碎，这个区称为疲劳破碎区。工程钻探课件工程钻探课件河北工程大学资源学院河北工程大学资源学院第五节第五节 岩石在外载作用下的破碎过程岩石在外载作用下的破碎过程一、岩石的变形破碎方式一、岩石的变形破碎方式体积破碎区切削具上的载荷继续增加，达到切削具可有效地切入岩石，结果是：切削具在孔底移动时不断克服岩石的结构强度，切下岩屑。此时切削具与岩石的接触压力大于或等于岩石硬度，这种变形破坏方式称为体积破碎，这个区称为体积破碎区。体积破碎时，会分离出大块岩石，破碎效果好。工程钻探课件工程钻探课件河北工程大学

40、资源学院河北工程大学资源学院第五节第五节 岩石在外载作用下的破碎过程岩石在外载作用下的破碎过程二、平底压模压入时的岩石变形破碎过程二、平底压模压入时的岩石变形破碎过程当外载作用在平底压模上时，随着外载的增加，岩石上出现残余变形。残余变形以裂隙的形式出现在压模与岩石的接触圆周上，并沿ac和ao方向伸展（图 a）。开始时，ac方向上的裂隙伸展速度比ao方向上残余变形发展速度快，但后来随着远离自由面，ac方向上的裂隙发展速度迅速减慢。多数情况下，ao方向上裂隙在o点相交的时间比ac方向上裂纹到达c点的时间晚。ac方向上的裂隙在c点产生指向自由面和o点的裂隙oc（图b）。第五节第五节 岩石在外载作用下

41、的破碎过程岩石在外载作用下的破碎过程二、平底压模压入时的岩石变形破碎过程二、平底压模压入时的岩石变形破碎过程此后，残余变形迅速发展。裂隙从c点迅速到达自由面om 并与从o点发展来的裂隙oc相遇。当ao方向的裂隙在o点与om相遇，这些裂隙的发育结果，就产生aob体和mon体。aob体叫做主压力体，mon体叫做剪切体，（图c）。工程钻探课件工程钻探课件河北工程大学资源学院河北工程大学资源学院第五节第五节 岩石在外载作用下的破碎过程岩石在外载作用下的破碎过程二、平底压模压入时的岩石变形破碎过程二、平底压模压入时的岩石变形破碎过程此时压模阻力急剧降低，压模下落，aob体破碎，从压模下面压出，一部分破碎

42、的岩石被压在压头唇面的下面（图d）。继续施加外载时，上述现象将重复进行（图e、f）。先是破碎的岩石被压在压模下面，然后产生剪切裂隙，产生新的分离体，将其压碎，压模又下落等，以此类推。工程钻探课件工程钻探课件河北工程大学资源学院河北工程大学资源学院第五节第五节 岩石在外载作用下的破碎过程岩石在外载作用下的破碎过程二、平底压模压入时的岩石变形破碎过程二、平底压模压入时的岩石变形破碎过程可见，压模压入岩石时破碎过程是呈循环式的。即从岩石弹性变形、塑性变形、形成主压力体、剪切体剪出、压模跳跃或下落完成一个循环，然后再开始一个新的破碎循环。工程钻探课件工程钻探课件河北工程大学资源学院河北工程大学资源学院

43、第五节第五节 岩石在外载作用下的破碎过程岩石在外载作用下的破碎过程三、球状切削具压入时的岩石变形破碎过程三、球状切削具压入时的岩石变形破碎过程在球状切削具压入条件下，从理论上说，开始时切削具与岩石接触的是一个点，实际上是一个非常小的表面积。随着外载的增加，由于切削具和岩石都产生弹性变形，这个接触面开始增大。由于应力分布不均匀，所以在岩石内产生剪应力，导致形成小的剪切和岩屑（图 a）。工程钻探课件工程钻探课件河北工程大学资源学院河北工程大学资源学院第五节第五节 岩石在外载作用下的破碎过程岩石在外载作用下的破碎过程三、球状切削具压入时的岩石变形破碎过程三、球状切削具压入时的岩石变形破碎过程外载增加

44、时，接触面增大，产生与原有裂隙平行的新裂隙系（图b）。如果外载再增加，则接触面增大，产生的新裂隙系向岩石深处伸展。外载继续增加时，在接触面上的应力增大。裂隙向岩石内伸展的深度随接触面上应力的增加而增大。以后的破碎过程与平底压模时类似。工程钻探课件工程钻探课件河北工程大学资源学院河北工程大学资源学院第五节第五节 岩石在外载作用下的破碎过程岩石在外载作用下的破碎过程三、球状切削具压入时的岩石变形破碎过程三、球状切削具压入时的岩石变形破碎过程球状切削具压入岩石时，可以分为2种破碎形式。第一种形式是相交的裂隙系对岩石进行破碎，第二种形式是剪切体mcocn的分离。工程钻探课件工程钻探课件河北工程大学资源

45、学院河北工程大学资源学院第五节第五节 岩石在外载作用下的破碎过程岩石在外载作用下的破碎过程四、尖楔状切削具压入时的岩石变形破碎过程四、尖楔状切削具压入时的岩石变形破碎过程尖楔形切削具在破碎岩石时由于岩石的研磨（磨损）而常呈一定的磨圆形状。在尖楔状切削具磨圆部分下方，首先产生弹性变形，然后产生挤压和压碎（图a）、此后切削具切入岩石，切入深度与剪切角0和刃尖角有关。继续施加外载时，在10的角度下产生剪切体moa和bon（图b，c）工程钻探课件工程钻探课件河北工程大学资源学院河北工程大学资源学院第五节第五节 岩石在外载作用下的破碎过程岩石在外载作用下的破碎过程四、尖楔状切削具压入时的岩石变形破碎过程

46、四、尖楔状切削具压入时的岩石变形破碎过程切削具以小体积剪切方式来破碎岩石，一直继续到切削具侧刃的表面接触到未破碎岩石的侧壁上为止（图d）。此后切削具象主压力体的作用一样，产生大体积mon的剪切。切削具继续切入岩石时，上述过程将重复进行（图e）。工程钻探课件工程钻探课件河北工程大学资源学院河北工程大学资源学院第五节第五节 岩石在外载作用下的破碎过程岩石在外载作用下的破碎过程从上述岩石破碎过程可以看出以下几个共同点：从上述岩石破碎过程可以看出以下几个共同点：(1)岩石破碎过程的发展不是随载荷的增加而平稳进行的，岩石破碎过程的发展不是随载荷的增加而平稳进行的，而是当载荷达到某一值后，才发生突然的压入

47、破碎。而是当载荷达到某一值后，才发生突然的压入破碎。(2)只有当载荷达到某一定值时，才能产生大体积剪切破碎，只有当载荷达到某一定值时，才能产生大体积剪切破碎，这时破碎效果最好。这时破碎效果最好。(3)当载荷不足以产生大剪切时，当载荷不足以产生大剪切时，只能根据弹塑性不同只能根据弹塑性不同在岩在岩石中产生压裂或压皱作用，形成裂隙。石中产生压裂或压皱作用，形成裂隙。工程钻探课件工程钻探课件河北工程大学资源学院河北工程大学资源学院第五节第五节 岩石在外载作用下的破碎过程岩石在外载作用下的破碎过程从上述岩石破碎过程可以看出以下几个共同点：从上述岩石破碎过程可以看出以下几个共同点：（4）载荷过小时，在岩

48、石表面形成微小裂纹）载荷过小时，在岩石表面形成微小裂纹，甚至只发生，甚至只发生弹性变形，因此破碎效果很差。弹性变形，因此破碎效果很差。(5)在实际钻进中，在轴向力和水平力（转矩）作用下破碎在实际钻进中，在轴向力和水平力（转矩）作用下破碎岩石时岩石时，在碎岩工具前方不断产生小体积剪切，崩落出小的，在碎岩工具前方不断产生小体积剪切，崩落出小的岩屑，经过数个小剪切之后产生一次大剪切。由于岩石多为岩屑，经过数个小剪切之后产生一次大剪切。由于岩石多为脆性，故钻进碎岩过程脆性，故钻进碎岩过程实际上是一个由数个小剪切和一个大实际上是一个由数个小剪切和一个大剪切组成的不断循环的过程。剪切组成的不断循环的过程。

49、工程钻探课件工程钻探课件河北工程大学资源学院河北工程大学资源学院第六节第六节 岩石破碎效果及影响因素岩石破碎效果及影响因素物体破碎时，因为表面面积增大，表面自由能也必然增加，物体破碎时，因为表面面积增大，表面自由能也必然增加，所以为了破碎岩石，必须作功。岩石粉碎程度愈高，即形成所以为了破碎岩石，必须作功。岩石粉碎程度愈高，即形成的新表面面积愈大，则消耗的能量亦愈多。在可能的条件下，的新表面面积愈大，则消耗的能量亦愈多。在可能的条件下，减少破碎程度，便可节省能量消耗，提高破碎效率。减少破碎程度，便可节省能量消耗，提高破碎效率。一、衡量岩石破碎效果的功耗准则一、衡量岩石破碎效果的功耗准则工程钻探课

50、件工程钻探课件河北工程大学资源学院河北工程大学资源学院第六节第六节 岩石破碎效果及影响因素岩石破碎效果及影响因素关于破碎岩石时消耗的能量与破碎产物的关系，存在着两种关于破碎岩石时消耗的能量与破碎产物的关系，存在着两种定律定律即黎金格尔定律和基尔别切夫定律。即黎金格尔定律和基尔别切夫定律。黎金格尔定律认为：固体破碎功与破碎过程中物体表面积黎金格尔定律认为：固体破碎功与破碎过程中物体表面积的增加成比例。即：的增加成比例。即：随着粉碎度的增加破碎功与破碎产物粉碎度的关系是指数关系。基尔比切夫定律认为：破碎功与物体破碎的体积成比例。基尔比切夫定律认为：破碎功与物体破碎的体积成比例。基尔比切夫定律则是直