第一章+钻头-岩石性质

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硬度与抗压强度区别：
硬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 表征岩石塑性和脆性大小的参数。
压入硬度和塑性系数的测定方法——压入试验
6
7
7
1—液缸缸体； 2—液缸柱塞； 3--岩样； 4—压头 5—压力计； 6—千分表； 7—柱塞导向杆
岩石硬度试验装置
5. 岩石的破碎特征
1). 脆性岩石
• 只有弹性变形无塑性变形。 • 破碎特点是:变形深度ε很小，而破碎深h度远大于变形 深度 • 破碎面积S0 远大于压模面积S
S
ε
h S0
p
ε
2). 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。
• 破碎特点是:ε较大，但h>ε，且S0 ＞S。
④ 一般情况下 抗拉强度＜抗弯强度≤抗剪强度＜抗压强度。
⑤ 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。
3. 复杂应力条件下岩石的力学性质
(1) 三轴岩石试验 σ1 σ1 σ1 σ1
σ2=σ3
σ3 σ2
σ2=σ3
σ2
σ3
常规三轴试验：
σ1
3
σ1
P=σ2=σ3
压
缩
P=σ 2=σ
拉
伸
在钻压889.7N（200磅）、转速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。
（3）可钻性分级
级别 td/秒
Ⅰ ＜4 Ⅱ 4~＜8 Ⅲ 8~＜16 Ⅳ 16~＜ 32 Ⅴ 32~＜ 64 Ⅵ 64~＜ 128 Ⅶ 128~＜ 256 Ⅷ 256~＜ 512 Ⅸ 512~＜ 1024 Ⅹ ≥ 1024
Kd
＜2
2 ~＜ 3
3 ~＜ 4
4 ~＜ 5
5 ~＜ 6
6 ~＜ 7
7 ~＜ 8
8 ~＜ 9
9 ~＜10
Cb C r (t t t ) H
第一节
1.几个概念
岩石的工程力学性质
一、岩石的机械性质（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
•Δvs 可通过称重量获得，它等于失重除以金属的密度再 除以摩擦总路程。 •ω的物理意义是，在9.8牛的垂直载荷作用下与岩石产 生单位路程的摩擦时金属圆盘的磨损体积。 • ② 相对磨损量ω0 • 相对磨损量就是单位摩擦路程中的钢的磨损体积 Δvs 与岩石磨损体积ΔvR 的比值，即 • • ω0 ＝Δvs /ΔvR 岩石按研磨性系数大小可分为12级。
S
p
ε
h S0
ε
3). 塑性岩石
• 只有塑性变形而无脆性破碎 • h=ε，S0 ＝S。
S
p
ε
h S0
ε
二、影响岩石力学性质的因素分析
1.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；
E 2(1 )
G
2. 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）试验方法
抗压试验
抗拉试验-巴西实验
P A
t
p r0 t
c
抗剪试验
抗弯试验
P s A
3Pl b 2 2bh
破坏方式
（2）一般规律：
① 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。 ② 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。 ③ 在动外力（如声波）作用下，大多数岩石服从直线虎克定律。
≥10
分类
极软
软
中软
中
中硬
硬
极硬
2. 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。
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1）.岩石研磨性的概念 在钻进过程中，钻头在破碎岩石的同时，也被岩石 磨损，我们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 ① 研磨性的测定 对于大部分矿物和岩石，金属盘的单位摩擦路程的 磨损不取决于圆盘的旋转速度，只与载荷p成正比， Δvs ＝ωp 式中 Δvs —圆盘的单位摩擦路程磨损量，立方厘米/米； ω—研磨系数； p—摩擦面上的接触压力，牛。
第一章
钻 头
概 述
1. 钻头类型
(1)按结构及工作原理分类
刮刀钻头、牙轮钻头、PDC钻头、 金ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ石钻头 (2)按功用分类
全面钻进钻头、取心钻头、扩眼钻 头
2. 钻头尺寸系列
4-3/4 ~ 26 in
3. 工作指标
钻头进尺（米） 钻头工作寿命（小时） 机械钻速（米/小时） 单位进尺成本（元/米）：
C pm
抗弯强度—岩石单纯受弯曲应力作用时的强度。
• 弹性模量和泊松比 虎克定律：
E
σ—应力；ε—应变；E—弹性模量
G
τ—应力； γ—剪应变；G—剪切弹性模量
泊松比：
y x z z
（各向同性材料）
x
弹性系数之间的关系：
x ， y x z z
• 本节重点
1. 岩石的力学性质（受力表现出来的变形特性和强度特性）。 2、岩石的强度（抗拉强度＜抗弯强度≤抗剪强度＜抗压强度） 3、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明显增加。随着围压的增大，岩
石强度增大。 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
4. 温度的影响
地温梯度约为30度/km。
5. 液体介质的影响
高温条件下塑性增大强度减小。
分散性介质对岩石强度有降低的作用。
三、岩石的可钻性和研磨性
1. 岩石可钻性(Rock Drillability） （1）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）评价方法
4、有效应力与各向压缩效应的概念； 5、岩石硬度和塑性系数的概念、计算 6、岩石硬度和塑性分级（硬度：6类，12级，塑性3类，6级）
7、岩石的可钻性和研磨性
3）.影响岩石研磨性的因素
（1）化学岩的研磨性 化学岩的研磨性与组成岩石的矿物的硬度成正比。 研磨性由小到大的顺序为： 硫酸盐岩、碳酸盐岩、硅质岩石、铁—镁长石岩、石英。 （2）碎屑岩的研磨性 砂岩的研磨性与岩石的硬度成反之，即随着岩石胶结强度的降 低其研磨性增大。 在硬度相同时粉砂岩的研磨性比砂岩要小。 （3）介质的影响 具有冷却作用和润滑作用的介质将减少磨损量，而具有分散 和磨损作用的介质将增大磨损。
σ3=326 σ3=165 σ3=85 σ3=50 X σ3=0 X σ3=23.5 X σ3=0
σ3=217.5
σ3=155
σ3=55.5 X σ3=27.5
4.岩石的硬度和塑性系数
• 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。
σ1＞σ2=σ3
σ1＜σ2=σ3
（2） 一般规律 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。 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 坏前呈现的塑性也越大。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。 在各向均匀压缩状态下，岩石永远不会破坏。
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. 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。
3. 载荷性质的影响
• 岩石硬度和塑性系数的计算：
塑性系数:
Kp
岩石破碎前耗费的总功 AF OABC面积 岩石破碎前弹性变形功 AE ODE面积
岩石按塑性系数分类（3类、6级）
类 别 级 别 塑性系数 K
脆 性 1 1 低塑性 2 >1－2
塑 —— 3 2－3
脆 ——→ 4 3－4
性 高塑性 5 4－6
塑 性 6 >6－∞
全恢复的性质。相应的残余变形称为塑性变形。
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