岩石的力学性质及其与钻头破碎机理的关系

1）弹脆性岩石 弹脆性岩石（花岗岩、石英岩、碧石铁质岩）在压头压入时仅产生弹性
变形，至 A 点最大载荷为 Pmax 处便突然完成脆性破碎，压头瞬时压入，破碎穴 的深度为 h［图 1-3(a)和图 1-4(a)］。这时破碎穴面积明显大于压头的端面面积， 即 h/δ＞5。
图 1-4 岩石表面的压入与破碎穴 (a)-弹脆性岩石; (b)-弹塑性岩石; (c)-高塑性高孔隙度的岩石; δ-岩石中的最大变
（1）多向应力状态下的岩石强度比简单应力状态下的强度高出许多倍。 （2）加载速度的影响主要表现在两个方面：① 外载作用速度的增加使岩石 的应变速率增大，大幅度地提高了岩石的强度；② 加载速度对塑性岩石强度的 影响大于对脆性岩石强度的影响。应该指出，在当前技术条件下用牙轮钻头破碎
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岩石时，其牙齿冲击岩石的速度不大于 5m/s，这时岩石的力学性质并未呈现出 本质性的差异。
②年代越老越难钻 古生界奥陶系地层，虽然由于造山运动上升至 1800～2000m，但其平均可钻
性为 6.09，其深度与东营组相当，但其平均 Kd 值却比东营组高 1 倍多。
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地层可钻性分级
1、据压入硬度值把岩石分成 6 类 12 级（表 1-4），
岩石 类别
岩石 级别
硬度 (MPa)
表 1－4 按压入硬度值对岩石的可钻性分级表
岩石的受载方式导致岩石的强度值差异很大。不同受载方式下的岩石强度相
对值如表 11 所列。由表中数据可见，岩石在受压时表现出最大的抵抗破坏能力，
而在大多数情况下岩石的抗剪强度极限几乎是抗压强度极限的 10%左右。因此，
我们希望在岩石钻掘过程中，破岩工具应主要以剪切的方式来破碎岩石。
表 11 不同受载方式下的岩石强度相对值
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图 1-1 测试压入岩石硬度的装置 1-液压缸； 2-液压柱塞； 3-岩样； 4-压头；5-压力机上压板； 6-千分表； 7-柱塞导向杆
3、 岩石的变形特征及其分类 做压入试验时，记录下载荷 P 与侵入深度 δ 的相关曲线。按岩石在压头压入时的 变形曲线和破碎特性（图 1-3）可把岩石分成以下三类：
法针对的是对岩样的局部（即压头接触处）的加载破坏。压入试验时岩石产生一次局部破
碎的轴载即为岩石硬度，所以硬度单位为：ＭＰａ
在压头作用下，岩石某一点上处于各向受压的应力状态（即三轴应力状态）。
一般情况下：（压入）硬度大于（单轴）抗压强度，原因：硬度在三轴应力状态
下测定，强度在单轴应力状态下测定。
1) 硬度与抗压强度联系及区别： 抗压强度是固体抵抗整体破坏时的阻力， 硬度则是固体表面对另一物体局部压入或侵入时的阻力。因此，硬度指 标更接近于钻掘过程的实际情况。因为回转钻进中，岩石破碎工具在岩 石表面移动时，是在局部侵入（可能非常微小）的同时使岩石发生剪切 破碎。由前面的分析知道，工具压入岩石是很难的，而压入后剪切破岩 却较容易。所以我们说，硬度对钻掘工程而言是一个主要力学性能参数。
2) 影响岩石硬度的因素基本上可分为两大类：
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自然因素 （1）岩石中石英及其他坚硬矿物或碎屑含量愈多，胶结物的硬度越大，岩石 的颗粒越细，结构越致密，则岩石的硬度越大。而孔隙度高，密度低，裂隙发 育的岩石硬度将会降低。 （2）岩石的硬度具有明显的各向异性。但层理对岩石硬度的影响正好与对岩 石强度的影响相反。垂直于层理方向的硬度值最小，平行于层理的硬度最大， 两者之间可相差 1.05～1.8 倍[1]P4。岩石硬度的各向异性可以很好地解释钻孔弯 曲的原因和规律，并可利用这一现象来实施定向钻进。 （3）在各向均匀压缩的条件下，岩石的硬度增加。在常压下硬度越低的岩石， 随着围压增大，其硬度值增长越快。 工艺因素： （4）一般而言，随着加载速度增加，将导致岩石的塑性系数降低，硬度增加。 但当冲击速度小于 10m/s 时，硬度变化不大。加载速度对低强度、高塑性及多孔 隙岩石硬度的影响更显著。 3）计算
岩石的力学性质及其与钻头破碎机理的关系
体会：
Ⅰ、钻头一般破岩过程：压入
剪切
牙轮：
（1）主要方式—冲击、压碎，作用来源：①静压，②冲击载荷（牙齿交替接触
井底）；
（2）剪切作用，来源：①牙齿吃入地层，楔形面对岩石的正压力与摩擦力合力，
②主要来源：牙轮滚动的同时产生牙齿相对地层的滑动。
刮刀：主要方式—剪切，辅以研磨和压碎
高塑性（粘土、盐岩）和高孔隙性岩石（泡沫岩、孔隙石灰岩）区别于前二 类，当压头压入时，在压头周围几乎不形成圆锥形破碎穴，也不会在压入作用下 产生脆性破碎［图 1-3(c)和图 1-4(c)］，h/δ=1。因此，计算这类岩石的硬度时 只能用 P0 代替公式（1-9）中的 Pmax。 5、岩石坚固性系数
（1-19） 式中： --岩石的单轴抗压强度，MPa。
f 是个无量纲的值，它表明某种岩石的坚固性比致密的粘土坚固多少倍，因为 致密粘土的抗压强度为 10MPa。岩石坚固性系数的计算公式简洁明了，f 值可用 于预计岩石抵抗破碎的能力及其钻掘以后的稳定性。根据岩石的坚固性系数(f) 可把岩石分成 10 级（表 1-9），等级越高的岩石越容易破碎。为了方便使用又在 第Ⅲ,Ⅳ,Ⅴ,Ⅵ,Ⅶ级的中间加了半级。考虑到生产中不会大量遇到抗压强度大于 200MPa 的岩石，故把凡是抗压强度大于 200MPa 的岩石都归入Ⅰ级。（各种岩 石的绝对强度参见：《钻井工艺原理》上册 P10） 6、研磨性［1］：岩石对钻头的磨损能力。 主要取决于：①岩石的矿物(或碎屑)硬度，②硬矿物（或碎屑）的含量③表面粗糙程度、
钻的平均钻速作为岩石可钻性指标，其分级情况如表 1-7 所列。而原石油部 1987 年颁布的岩石可钻性分级
办法是用微钻在岩样上钻三个孔深 2.4mm 的孔，取三个孔钻进时间的平均值为钻时 t，对式（1-18）的结
果取整后作为该岩样的可钻性级别 Kd，据此值可把各油田地层的可钻性分成 10 个等级，等级越高的岩石
软
中软
中硬
硬
坚硬
极硬
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
10
12
≤10
100
0
～250
250 ～500
2、 微钻法
500 ～ 1000
1000 ～ 1500
1500 ～ 2000
2000～ 3000
3000 ～ 4000
4000 ～ 5000
5000 ～ 6000
6000 ～ 7000
＞ 7000
采用模拟的微型孕镶金刚石钻头，按一定的规程，对岩心进行钻进试验。我国原地质矿产部的规范是以微
岩石的坚固性区别于岩石的强度，强度值必定与某种变形方式（单轴压缩、 拉伸、剪切）相联系，而坚固性反映的是岩石在几种变形方式的组合作用下抵抗 破坏的能力。因为在钻掘施工中往往不是采用纯压入或纯回转的方法破碎岩石， 因此这种反映在组合作用下岩石破碎难易程度的指标比较贴近生产实际情况。
因为岩石的抗压能力最强，故把岩石单轴抗压强度极限的 1/10 作为岩石的 坚固性系数，即
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形; h-岩石破碎穴深度 2）弹塑性岩石
弹塑性岩石（大理岩、石灰岩、砂岩）在压头压入时首先产生弹性变形，然 后塑性变形。至 B 点载荷达 Pmax 时才突然发生脆性破碎［图 1-3(b)和图 1-4(b)］。 这时破碎穴面积也大于压头的端面面积，而 h/δ=2.5～5，即小于第一类岩石。 3）3. 高塑性和高孔隙性岩石
牙轮钻头扭矩增大但仍呈钻遇泥岩是的平直状。
Ⅲ、PDC 刀翼数量对扭矩的影响
刀翼数越多，扭矩越平稳；越少，扭矩波动越大。原因：刀翼数少，刀翼钻头周
期性接触井底波动越大，从而导致扭矩波动大。实例：
克深 202 井钻吉迪克第三套砂砾岩层，采用 6 刀翼 PDC，钻压 10--12t，扭矩曲
线平直；下部泥岩段，钻压 10--12t，扭矩波动大 11—16KN.m，扭矩曲线呈高频
PDC：主要方式—剪切，辅以研磨和压碎
[1]P19:刮刀和 PDC 钻头破岩是压入和剪切综合作用的结果，从而是破岩所需的纵
向压力大大减小。试验证明大约只相当于静压入破岩的 1/6---1/4。 Ⅱ、可利用研磨性理论的一些结论解释如下现象：
相对于泥岩，砂岩表面粗糙度高，摩擦力大，所以：
PDC 钻头钻遇砂岩时扭矩呈现高频高幅振荡
2、 强度（单轴应力状态） 地层条件下，岩石处于三轴受力状态，强度变化规律与单轴应力状态相当。 固态物质在外载（静或动载）作用下抵抗破坏的性能指标。岩石在给定的变形
方式（压、拉、弯、剪）下被破坏时的应力值称为岩石的强度极限。其求取方法即试验方法针 对的是对整个岩样的加载破坏。
影响岩石强度的因素基本上可分为两大类： 1）自然因素： （1）一般造岩矿物强度高者其岩石的强度也高。但沉积岩的强度取决于胶结物 所占的比例及其矿物成分。胶结物所占的比例愈大，则胶结物强度对岩石强度的 影响愈大，被胶结的造岩矿物的强度对岩石强度的影响愈小。细粒岩石的强度大 于同一矿物组成的粗粒岩石。 （2）岩石的孔隙度增加，密度降低，其强度则降低，反之亦然。因此，一般岩 石的强度随埋深的增大而增大。 （3）岩石的强度具有明显的各向异性。垂直于层理方向的抗压强度最大，平行 于层理的抗压强度最小，在与层理斜交方向上的抗压强度介于两者之间。原因 [1]P4—5：岩石层理面间联结比较薄弱，沿平行层理方向加压时，岩石首先从层理 面裂开。 2）工艺因素
④岩石结构强度。
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钻头刃的磨损一般属于表面的研磨性磨损（下面仅针对此表面磨损，即研磨性磨 损），在有些情况下可出现疲劳的磨损。 （钻具磨损分类：①表面磨损，即研磨性磨损
②疲劳磨损，即疲劳损坏） 表面磨损即研磨性磨损，是钻头工作刃与岩石摩擦过程中产生微切削、刻划、擦 痕等造成的。取决于材料的性质（如化学组成和结构）、摩擦类型、摩擦表面形 状及尺寸（如表面粗糙度）、接触压力等。 一种确定研磨系数的方法—摩擦磨损法（以下 1）、2）即为此方法的结论）： V=a×S×N=P×a a--研磨系数；v—单位摩擦行程的磨损量，cm3/m；N—接触压力，牛/mm2；S— 接触面积，mm2；P—摩擦面上的接触载荷（压力），牛 滑动摩擦力计算公式：F=N×U u—动摩擦系数，仅与材料本身有关。摩擦系数相应于研磨系数。