勘探钻进原理

第三节 岩石的力学性质
Mechanical properties of rocks • 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、 的特性。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、 • 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、 抗弯强度 • 表面特性：硬度和研磨性 表面特性：
1.4.1 岩石可钻性分级的观点
(Viewpoints on classification of rock drillability)
• 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
1.4.2 划分岩石可钻性的具体方法
（Facts affecting rocks elasticity and plasticity） ）
1、岩石物质成分 2、岩石结构构造 3、应力状态 4、载荷性质 5、受力条件 6、温度和湿度
岩石弹塑性的测定
Measure of rock’s elasticity and plasticity
Kp=SOABC/ SODE
σ= i
P Pa A
图 1.1－14 岩石单轴抗压试验 －
1－岩样；2－球座；3－钢垫板 －岩样； －球座； －
图 1.1－15 岩石单轴拉伸试验 －
1－岩样；2－夹头；图中尺寸单位：cm －岩样； －夹头；图中尺寸单位：
图1.1－16 圆盘劈裂试验
图1.1－17 剪切试验
1－岩样； 2－上下剪切模具；3－模套； 4－斜锲块；5－上下垫板； 6－钢滚子
(Methods for classification of rock drillability)
度法 • 破碎比功法
第五节 钻头碎岩刃具与岩石作用的主要方式
（Main mode of action between rock-broken tool and rock） ）
第一章 岩石钻进过程与破碎机理
Chapter 1 Drilling process of rocks and fracturing mechanism • 第一节、岩石的物理力学性质 第一节、 • 第二节、岩石可钻性及其分级 第二节、 • 第三节、钻头碎岩刃具与岩石作用的主 第三节、 要方式 • 第四节、静载作用下的岩石应力状态 第四节、 • 第五节、外载作用下岩石的破碎过程 第五节、
（a）正循环 ）
（b）正循环 ）
（c）孔底局 部 ） 反循环
四、学习本课程应注意的问题
Problems noted in learning the subject
• 1.理论联系实际，课本描述性语言多, 注意总结,结合实践,上升理论； • 2.理论、实践并重； • 3.注重实验课； • 4.注重工程实例。
Бt=2p/3.14DL
影响岩石强度的因素
（Factors affecting rocks strength） ）
1、岩石的物质成份 、 2、岩石的结构构造 、 3、岩石的容重和孔隙度 、 4、受力条件 、 5、应力状态 、 6、载荷速度 、 7、岩样的线性尺寸 、 8、湿度和温度 、
1.3.3、表面特性(Surface properties) 、
第六节 静载作用下的岩石应力状态
（Stress conditions of rock under static load） ） • 一、平底圆柱形压头压入时岩石的应力状态
p( r ) =
P 2π a a − r
2 2
p=
P π a2
图1.1－34 平底圆柱压头压力面上的压力分布 －
图1.1－36 球形压头压力面上的压力分布 －
三、钻进方法的分类
Classification of drilling method • 按钻头所用切削材料分类：金刚石钻进、硬质 按钻头所用切削材料分类：金刚石钻进、 合金钻进、 合金钻进、钢粒钻进 • 按碎岩方式分类：回转钻进、冲击钻进、冲击 按碎岩方式分类：回转钻进、冲击钻进、 回转钻进、回转冲击钻进。 回转钻进、回转冲击钻进。 • 按冲洗液循环方式钻进：正循环钻进、反循环 按冲洗液循环方式钻进：正循环钻进、 钻进、 钻进、孔底局部反循环钻进 • 按钻进目的分类：地质钻进、石油钻进、水井 按钻进目的分类：地质钻进、石油钻进、 钻进、 钻进、工程施工钻进
图 1.1－10 由应力－应变曲线确定弹性模数 － 由应力－
图 1.1－11 岩石压入时的载荷－侵深曲线 － 岩石压入时的载荷－
1.3.2、强度性质 、
（Strength properties） ） • 岩石强度 岩石强度：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， 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。有单向应力状态下的强度， 多向应力状态下的强度。
图1－1 晶体结构类型
图1-2 胶结物的类型
图1－3 层理产生的原因
花岗岩
花岗石
白云岩
花岗石
岩石照片
第二节 岩石的自然性质
Natural properties of rocks
岩石的自然性质：岩石在生成过程中，构造变动和风化 岩石的自然性质 过程中自然形成的特性。 密度:单位体积岩石的质量.容重:单位体积岩石的重量. 密度 比重:单位体积岩石骨架体积的重量.岩石体积=固相骨架 比重 体积+岩石中孔隙体积. 一般来说,密度越高,强度越大。 孔隙度:岩石中孔隙体积与岩石总体积之比。一般来说, 孔隙度 孔隙度越大,强度越低. 含水性:W=(GW-GD)/GD 含水性 透水性:K 透水性 W=ŋql/A(Pi- Po) 岩石的孔隙越大,裂隙越多,水对它的影响就越大。如石 灰岩,用水浸透后,强度下降明显。
二、钻进技术的用途
Application fields of drilling technology • 找矿（地质普查、地质勘察、水文地质钻探、工 找矿（地质普查、地质勘察、水文地质钻探、 程地质钻探、油气钻探、地热钻探、海洋钻探、 程地质钻探、油气钻探、地热钻探、海洋钻探、 极地钻探、科学钻探） 极地钻探、科学钻探） • 开采矿产资源 • 工程施工（桥墩、大坝防渗注浆、铺设管道钻孔、 工程施工（桥墩、大坝防渗注浆、铺设管道钻孔、 通风孔等） 通风孔等）
勘探钻进原理
Exploration drilling principals
主讲：段隆臣博士
Lectured by Dr. longchen Duan
绪 论 (Preface)
• 一、“钻探工艺学”课程的内容、地位 钻探工艺学”课程的内容、 和任务 • 二、钻进技术的用途 • 三、钻进方法的分类 • 四、学习本课程应注意的问题
1.3.1、变形特性 、
（deformation properties） ）
• 弹性变形 • 塑性变形
岩石破坏的形式
Broken form of rocks
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）
(a)
(b)
(c)
影响岩石弹性、 影响岩石弹性、塑性和脆性的因素
影响岩石硬度的因素
（Factors affecting rocks hardness） ） • • • • • 岩石的矿物成分和结构构造 应力状态 载荷速度 液体介质 工具形状和尺寸
影响岩石研磨性的因素
（Factors affecting rocks abrasiveness） ）
• • • •
岩石的矿物成分和结构特征 正压力 滑动速度 介质
第四节 岩石可钻性及其分级
（Drillability of rocks and its classification） ） • 岩石可钻性是决定钻进效率的基本因素，它反 映了钻进时岩石破碎的难易程度。 • 它是合理选择钻进方法、钻头结构及钻进规程 参数的依据，同时也是制订钻探生产定额和编 制钻探生产计划的基础。 • 岩石可钻性是个多变量的函数。它不仅受控于 岩石的性质，而且与外界技术条件和工艺参数 有密切的关系。
• 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+2π）倍。测定压 入硬度实际上使岩样产生局部破碎，而这种局部 破碎是在多向受压状态下进行的。 • 岩石的研磨性 岩石的研磨性：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。岩石磨损钻头的能力。
第一节 岩石的物理力学性质
Physical & mechanical properties of rocks 一、岩石的组成与分类
岩石是矿物颗粒的集合体。按成因分：岩浆岩、 岩石是矿物颗粒的集合体。按成因分：岩浆岩、沉积岩和变 质岩。 质岩。 岩浆岩：内力地质作用的产物， 岩浆岩：内力地质作用的产物，系地壳深处的岩浆沿的壳 裂隙上升冷凝而成。 裂隙上升冷凝而成。 沉积岩：在地表条件下母岩风化剥蚀的产物，经搬迁、沉 沉积岩：在地表条件下母岩风化剥蚀的产物，经搬迁、 积和硬结等成岩作用而形成的岩石。 积和硬结等成岩作用而形成的岩石。组成沉积岩的物质成分有 颗粒和胶结物两大类。 颗粒和胶结物两大类。 变质岩： 变质岩：沉积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（ 学活动性流体的影响而变质形成的岩石（原岩成分和变质岩特 有的，如石墨、滑石，蛇纹石，硅灰岩等）。 有的，如石墨、滑石，蛇纹石，硅灰岩等）。
二、岩石的结构与构造
岩石的微观组织特征，即岩石的结构， 岩石的微观组织特征，即岩石的结构，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。 大小、形状和表面特征有关，反映了岩石非均质性和孔隙性。 岩石构造是表示岩石宏观组织特征， 岩石构造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， 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。岩石的结构和构造与岩石的成因类型、 隙性。岩石的结构和构造与岩石的成因类型、形成条件及存 在环境有紧密的联系。 在环境有紧密的联系。 岩浆岩是由岩浆冷却形成凝固而形成的岩石， 岩浆岩是由岩浆冷却形成凝固而形成的岩石，由于生成 环境和冷却速度不同， 环境和冷却速度不同，岩浆化学成份和其中挥发物的含量不 形成不同的结构和构造。 等，形成不同的结构和构造。 岩浆岩：晶质结构岩石一般强度较高，同时断面粗糙者 岩浆岩：晶质结构岩石一般强度较高， 往往研磨性较大。 往往研磨性较大。 沉积岩：颗粒和胶结物组成， 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。 有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 岩石 如石墨和滑石） 变质岩：主要构造特征是片理（+如石墨和滑石）.岩石 沿平行平面分裂为薄片的能力叫做片理化。 沿平行平面分裂为薄片的能力叫做片理化。