钻井工程钻井工程地质条件—岩石.pptx

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1、2.2.岩石的类型岩石的类型岩石可分为三大类：岩石可分为三大类：火成岩（岩浆岩）火成岩（岩浆岩）由岩浆（硅酸盐）容体冷凝而成。如花岗岩、玄武岩、橄榄岩、安山岩等。变质岩变质岩火成岩和沉积岩等由于高温高压作用或外来物质的加入，改变了原来的成分、结构，变成新的岩石。如:花岗岩片麻岩，石灰岩大理岩，石英砂岩石英岩等。沉积岩沉积岩母岩风化后的产物经过搬运、沉积和成岩作用而形成的岩石。如泥岩、砂岩、石灰岩、白云岩、石膏、岩盐 。第1页/共29页沉积岩类型沉积岩类型(1)(1)碎屑沉积岩碎屑沉积岩 母岩风化后的物质经机械沉积作用后形成的岩石。碎屑颗粒（岩石碎屑、矿物碎屑）由胶结物（泥质、铁质、钙质、硅质）

2、胶结在一起。砾岩：颗粒大于1mm1mm。主要是火成岩、变质岩碎屑，碎屑间由胶结物充填。砂岩：颗粒0.10.11mm1mm。石英、长石、辉石、角闪石、云母等矿物颗粒+胶结物粉砂岩：介于砂岩和泥岩之间的一类岩石，颗粒尺寸0.10.01mm0.10.01mm。泥 岩：颗粒小于0.01mm0.01mm。主要成分为粘土矿物，并含有部分 碎屑物质（石英、长石、云母等）。巨砾：1m1m；粗砾：1001001000mm1000mm；中砾：1010100mm100mm；细砾：1 110mm10mm粗砂：0.50.51mm1mm；中砂：0.250.250.5mm0.5mm；细砂：0.10.25mm0.10.25m

3、m第2页/共29页(2)(2)化学沉积岩（结晶沉积）化学沉积岩（结晶沉积）母岩风化后的溶解物质经化学沉积作用后形成晶质岩石。碳酸盐岩碳酸盐岩石灰岩，主要成分为石灰石（CaCO3）白云岩，主要成分为白云石（MgCa(CO3)2）硫酸盐岩硫酸盐岩石膏（CaSO4）岩岩 盐盐 石盐（NaCl）在沉积岩中：泥岩60%，砂岩30%，碳酸盐岩居第三位。第3页/共29页3.3.沉积岩的特点沉积岩的特点（1 1）结构特点）结构特点 结构指岩石的微观组织特征，包括矿物成分、颗粒大小、形状及排列方式、颗粒间的联结情况等。特点：矿物成分不确定、颗粒大小不等、颗粒形状多样、颗粒分布不均匀、胶结强度有强有弱。（2 2）

4、构造特点）构造特点 构造指岩石的宏观组织特征，是指岩石组分的空间分布及其相互间的位置关系。如层理、页理、节理（裂隙）、孔隙度等。第4页/共29页 层 理岩石一层层迭起来的现象。倾斜的层状结构是沉积岩的主要构造特征。形成层理的原因：颗粒大小在纵向上的变化 岩石成分在纵向剖面上的变化 某些矿物颗粒的定向排列颗粒大小变化岩石成分变化某些矿物颗粒定向排列第5页/共29页(3 3）各向异性和非均质性）各向异性和非均质性各向异性：各向异性：如果物体的某一性质随方向的不同而不同，则称物体具有各向异性。岩石一般具有各向异性的性质。如在垂直于和平行于层理面的 方向上，岩石的力学性质（弹性、强度等）有较大的差异。

5、岩石的各向异性性质是由岩石的构造特点所决定的。结晶矿物颗粒的定向排列、层理、片理、节理等使得岩石具有各向 异 性的特点。第6页/共29页不均质性不均质性如果物体中不同部分的物理、化学性质不同，称该物体是不均质的。岩石一般为非均质体。这是由岩石成分、颗粒大小、颗粒间的联结强度、孔隙度（密度）的不均匀性所造成的。测定岩石的力学性质时，不同部位的实验结果常存在很大的差异。因此，应采用统计学理论，取合适的均值作为代表。第7页/共29页二、岩石的机械性质（力学性质）二、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变形特性和强度特性。弹性岩石在外力作用

6、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。塑性岩石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。相应的残余变形称为塑性变形。第8页/共29页脆性岩石在外力作用下变形量很小（小于3%）时就发生 破坏的性质。相应的破坏称为脆性破坏。强度岩石在外力作用下发生破坏时的最大应力。抗拉强度岩石单纯受拉伸应力作用时的强度。抗压强度岩石单纯受压缩应力力作用时的强度。抗剪强度岩石单纯受剪切应力作用时的强度 抗弯强度岩石单纯受弯曲应力作用时的强度。第9页/共29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

7、的关系：应力；应变；E弹性模量应力；剪应变；G剪切弹性模量（各向同性材料）（各向同性材料）第10页/共29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。（1 1）试验方法）试验方法抗压试验抗拉试验-巴西实验第11页/共29页抗剪试验抗弯试验第12页/共29页破坏方式第13页/共29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

8、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。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 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。第14页/共29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第15页/共29页 常规三轴试验：12=312=3P=2=3P=P=2 2=3 311压缩拉伸第16页/共29页（2 2）一般规律一般规律v岩石在三轴应力条件下的强度明显增加。随着围

9、压的增大，岩石强度增大。v随着围压的增大，岩石由脆性向塑性转变，且围压越大，岩石破坏前呈现的也塑性越大。岩石从脆性向塑性转变的压力（围压）称为临界压力。不同的岩石，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。3=03=23.53=503=853=1653=326XXXX3=03=27.53=55.53=1553=217.513，MPa13，MPa第17页/共29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 岩石抵抗其它物体表面压入的能力。石油工业中的岩石硬度是压入 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

10、度是岩石表面的局部抵抗外力压入的能力，抗压强度则是岩石整体抗压的能力。塑性系数塑性系数 表征岩石塑性和脆性大小的参数。第18页/共29页 岩石硬度试验装置 771 1液缸缸体；2 2液缸柱塞；3-3-岩样；4 4压头5压力计；6千分表；7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第19页/共29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:第20页/共29页岩石按塑性系数分类（3类、6级）第21页/共29页硬度硬度P Py:y:MPa对脆性和塑脆性岩石：MPa对塑性岩石：岩石按硬度的分类（6 6类、1212级）P破坏载荷

11、；P0弹性变形载荷第22页/共29页三、影响岩石力学性质的因素分析三、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。如玄武岩（斜长石、辉石，6）白云岩（4）石灰岩（3）。（2）砂岩的强度随着石英（7）含量的增加而增大；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。因此，岩石的强度一般随埋藏深 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。（各向压 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。第23页/共29页3.3.载

12、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 减小。但在冲击速度小于10米/秒时，岩石硬度和塑性系数变化不大，接近于静载时的数值。在10000米深度范围内：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。塑性：岩盐石灰岩泥页岩石膏白云岩石英岩第24页/共29页四、岩石的可钻性和研磨性四、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头破碎的能力。（2 2）评价方法）评价方法在钻压889.7N（200磅）、转速

13、55r/min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2.4mm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。为应用方便，常用 Kd=Log2td 作为可钻性指标，称为可钻性级值。第25页/共29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）可钻性分级第26页/共29页2.2.岩石研磨性（岩石研磨性（Rock Abrasiveness）岩

14、石磨损钻头切削刃材料的能力称为岩石的研磨性。至今尚没有统一的测定岩石研磨性的方法和分级标准。第27页/共29页本节重点本节重点1.1.岩石的组成岩石的组成（矿物颗粒与胶结物）（矿物颗粒与胶结物）2.2.岩石岩石三大类三大类（火成岩、变质岩、沉积岩）（火成岩、变质岩、沉积岩）3 3、沉积岩类型、沉积岩类型 （碎屑沉积岩、化学沉积岩）（碎屑沉积岩、化学沉积岩）4.4.沉积岩的特点沉积岩的特点 （结构特点、构造特点）（结构特点、构造特点）5 5、岩石、岩石各向异性的概念各向异性的概念6 6、岩石的力学性质、岩石的力学性质（受力表现出来的受力表现出来的变形特性变形特性和和强度特性强度特性）。7 7、岩

15、石的强度、岩石的强度（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）8 8、岩石在三轴应力条件下的强度与变形特性、岩石在三轴应力条件下的强度与变形特性v岩石在三轴应力条件下的强度明显增加。随着围压的增大，岩石强度增大。v随着围压的增大，岩石由脆性向塑性转变，且围压越大，岩石破坏前呈现的也塑性越大9、有效应力与各向压缩效应的概念；1010、岩石硬度和塑性系数的概念、计算、岩石硬度和塑性系数的概念、计算1111、岩石硬度和塑性分级（硬度：、岩石硬度和塑性分级（硬度：6 6类，类，1212级，塑性级，塑性3 3类，类，6 6级）级）1212、岩石的可钻性和研磨性、岩石的可钻性和研磨性第28页/共29页感谢您的观看！第29页/共29页