第一章钻头岩石性质

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
σ1
σ1
压
拉
缩
伸P=σ2=σ3 P=σ2= Nhomakorabea3σ1＞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。
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。
高温条件下塑性增大强度减小。
5. 液体介质的影响
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、
CC(tt) 金刚石钻头
b r t (2)按功用分类
全面钻进钻头、取心钻头、扩眼钻
C 头
pm 2. 钻头尺寸系列 4-3/4 ~ 26 in
H 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）：
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 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。
抗压试验
t
p
r0 t
抗拉试验-巴西实验
抗剪试验
抗弯试验
No Image
c
P A
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。
❖ 在各向均匀压缩状态下，岩石永远不会破坏。
σ1－σ3，MPa σ1－σ3，MPa
X σ3=0
σ3=326 σ3=165
σ3=85
σ3=50 X σ3=23.5
σ3=217.5 σ3=155
σ3=55.5
X X σ3=27.5 σ3=0
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
ε
h
Sp
S0
ε
3). 塑性岩石
• 只有塑性变形而无脆性破碎 • h=ε，S0 ＝S。
Sp 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； 硅质胶结＞钙质＞铁质＞泥质。
第一节 岩石的工程力学性质
一、岩石的机械性质（力学性质）
1.几个概念
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 全恢复的性质。相应的残余变形称为塑性变形。
（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。
岩石按硬度的分类（6类、12级）
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
Sp ε
h
S0
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。
③ 在动外力（如声波）作用下，大多数岩石服从直线虎克定律。 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
σ2=σ3
σ3
σ2
σ2=σ3
σ1
σ2
σ3
常规三轴试验：
• 弹性模量和泊松比
虎克定律： G
σ—应力；ε—应变；E—弹性模量
x y
z
z
τ—应力； γ—剪应变；G—剪切弹性模量
泊松比：
x
xz ，y
x z
（各向同性材料）
G
E 2(1
)
弹性系数之间的关系：
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
岩石硬度试验装置
• 岩石硬度和塑性系数的计算： 塑性系数: Kp 岩 岩石 石破 破碎 碎前 前耗 弹费 性 A AF E 的 变 O O总 形 ADB功 功 面 面 EC积 积
岩石按塑性系数分类（3类、6级）
硬度Py:
对脆性和塑脆性岩石：
MPa
对塑性岩石：
MPa
P——破坏载荷； P0——弹性变形载荷
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。