岩石力学与钻头

钻井岩石力学基础钻进过程是钻头破碎岩石与岩石反破碎的过程。

为了提高破碎效率，加快钻井速度，安全、优质、低成本开发油气田，必须研究岩石的结构特性、力学性质以及破碎规律。

以便设计出合适的岩石破碎工具——钻头，制定出最优钻井参数及技术措施。

为此，我们要学习岩石结构特性和力学性质、岩石的破碎规律、影响岩石强度的因素等。

1．钻井岩石力学基础主要介绍岩石的物理力学性质以及破碎规律，进一步研究影响岩石力学性质的因素。

为学习钻井与完井工程打下基础。

1.1岩石的基本知识岩石：由各种矿物晶体或矿物颗粒组成的集合体；矿物：具有一定物理化学性质的无机物；造岩矿物：能生成矿物岩石的无机物。

造岩矿物由八元素组成：，Si ，Fe，K，Na，Ca，Mg，Al。

O2地球上有12种主要造岩矿物。

他们是：正长石、斜长石、石英、白云母、黑云母、角闪石、辉石、橄榄石、方解石、白云石、高岭土、氧化铁。

它们约占98％以上。

1.1.1．岩石分类地球主要是由岩石组成，而岩石是千变万化的，但归纳起来氛围分为两大类：A岩浆岩(晶质岩)：由岩浆冷却或结晶而成，花岗岩、玄五岩等，通常埋藏很深；B沉积岩(碎屑岩)：矿物颗粒由水或风力以及其他作用搬运后沉积而成。

分为结晶沉积岩和碎屑岩。

结晶沉积岩由盐类物质结晶而成。

如岩盐、石灰岩、白云岩、石膏等。

碎屑岩由岩屑堆积而成，如砾石、砂岩、泥岩等。

变质岩：矿物颗粒在高温高压下发生物理化学变化后形成的新岩石。

1.1.2岩石的组织结构特点岩石的组织结构是指组成岩石的微晶或碎屑岩的颗粒的形状、粒度大小和表面性质等。

(1)岩石的微观结构A 岩石微观结构是指组成岩石的微晶和颗粒的大小、形状、表面性质、胶结物质、孔隙度等。

B 造岩矿物本身的性质影响岩石的性质。

但岩石的破坏不是造岩矿物的破坏而是胶结物的破坏。

所以，影响岩石性质的主要因素是胶结物的性质或强度。

按胶结物性质分，岩石胶结分为为硅质胶结、钙质胶结和泥质胶结三种，其胶结强度的关系是：硅质胶结强度>钙质胶结强度>泥质胶结强度。

按胶结形式分，岩石胶结分为接触胶结、微膜胶结、空隙胶结和基底胶结。

C．岩石孔隙度增大，强度降低；D．颗粒表面性质指粗糙度和吸附性；E 组成岩石的矿物颗粒越小，接触面积越大，强度越大。

反之越小；(2)岩石的宏观结构岩石的宏观结构是指表征岩石的层理、片理、裂隙等宏观特性。

A 层理：组成岩石的成分或颗粒之大小在垂直方向上成层变化。

如软硬交错夹层，泥页岩，砂岩；B片理：沿水平方向岩石分解成薄片的现象或能力。

片理可以是水平的，也可以是倾斜的，与沉积环境有关；D．裂隙：由于地应力或构造力的作用使岩石断裂成裂隙，其分布和走向与力的作用方向有关。

(3)岩石的密度：不同的岩石有不同的密度，这取决于岩石的孔隙度和埋藏深度等。

常见的岩石密度如下表：(4)岩石的各向异岩石各向异性是指岩石岩石微观结构的不均匀性。

主要是层理、片理、裂隙、软硬交错夹层、地层倾角、矿物晶体定向排列、岩石劈理等引起的岩石各个方向的力学特性的变化特性。

即平行层理和垂直层理方向上的力学特性具有明显的差异。

具体表现是垂直层面和平行层面的岩石弹性模量、波松比、抗压强度、抗拉强度、抗弯强度和抗剪强度不同。

这就使得沿垂直方向的可钻性与沿水平方向的可钻性不同，常常发生井斜和井眼扩大。

结论：*岩石的强度性质主要取决于胶结物的性质和颗粒间的接触面积的大小；* 由于岩石固有的结构不均匀性和不连续性，造成岩石的各向异性。

即垂直方向和水平方向的可钻性和强度不一样。

是造成井斜的主要原因；* 岩石的孔隙度影响岩石的密度和强度。

岩石的密度随井深增加而增大，岩石的强度和硬度也随之增大；*岩石的裂隙影响岩石的强度。

裂隙发育地层强度越低。

常会引起井漏或井喷事故。

2．岩石的力学性质岩石力学性质是指岩石在受外力作用过程中表现出的物理力学性质。

如弹性、塑性、强度、硬度等应力－应变特性及岩石破坏时的最大应力。

反映了岩石抵抗破坏的能力和破坏规律。

岩石应力—应变曲线2.1 岩石的应力－应变曲线如图所示为岩石应力－应变曲线。

在加载初期应力－应变不是线性关系，是由于岩石孔隙压缩使曲线OA向下凹陷。

然后（AB）应力－应变成线性关系，是弹性变形阶段。

BC段为屈服变形。

C 点岩石开始破坏，D点岩石完全破坏。

C点的应力为岩石的强度。

2.2 岩石的弹性常数岩石弹性常数包括：扬氏弹性模量E、剪切弹性模量G、体积弹性模量K 、泊松μ。

它们的关系是：G ＝E/2(1+μ)， K ＝E/3(1－2μ)。

测量岩石弹性常数的方法有静力法，即静载压缩实验；动力法，用声波法测量纵横波速计算两类。

静力法是利用应力—应变曲线的切线的斜率求出E 。

特点：岩石的弹性常数随围压增加而增加，随外载而变化。

一般是压力增大波松比成指数关系增大。

2．3岩石的强度岩石的强度与应变的形式有关。

只有在压缩时岩石才呈现很大的强度，在其他受力或应变形式，如拉伸、弯曲、扭转时强度很小。

岩石的抗拉强度只有抗压强度的2%。

一般规律是抗压强度》抗剪强度》抗弯强度》抗拉强度。

岩石力学与材料力学弹性的区别：A 岩石力学定义压缩为正，拉伸为负；B 岩石的抗拉强度与抗压强度不相等。

一般 EC >E t =1.5－4倍；C 拉伸时E 减小，压缩时E 增大；D 由于岩石的各向异性，水平方向和垂直方向的弹性模量不相同；E 随围压增加岩石的弹性和强度增加，并且随外载大小和方向而变化；F 一般是c m t S S S S <<<τ。

结论:大多数岩石由于受结构的影响，应力－应变一般不服从虎克定律。

弹性模量随外载的大小、方向和加载速度而变化。

确定岩石弹性并不意味着岩石是弹性体。

岩石的弹性指标是在规定的条件下测得的。

2.4 岩石的塑性及脆性A 所谓塑性是指岩石在外力作用时只变形而发生破坏的特性。

塑性岩石在外载作用下只产生塑性变形，而最终不发生破坏。

如泥岩，膏岩；B 所谓脆性是指岩石在外力发生破坏时，只发生弹性变形的特性。

脆性岩石在外力作用下发生破坏只产生弹性变形。

如石灰石、白云石、花岗岩等；C 塑脆性岩石破坏时，先产生弹性变形，后产生塑性变形。

如泥页岩，砂岩；D 塑性系数K岩石破坏前发生弹性变形和塑性变形所需的总功与弹性变形功之比。

脆性岩石 K ＝1；塑脆性岩石 k<1-6；塑性岩石 K>62.5岩石的硬度 P Y岩石的硬度是表示岩石的抗压人能力的大小。

硬度大并不意味着强度大。

岩石硬度是岩石产生脆性破坏时接触面上单位面积的载荷。

即SF P y =。

所以岩石的硬度和强度是两个不同的概念，例如有些岩石很硬，但强度很低，强度是一个综合性指标。

2.6 简单条件下岩石的强度简单条件岩石的强度是指在单轴抗压或抗拉强度。

A ．单轴抗压强度 AP c =σB ．单轴抗拉强度：AP t -=σ C ．抗拉强度与抗压强度的关系：t c σσ>。

2.7复杂应力条件下岩石的强度实际钻井中，岩石是处于三轴应力状态，如图所示。

轴向压缩力为F ，岩石围压P 。

考虑岩样沿一平面破坏。

则有： 轴向压应力：rF A F πσ==1； 岩石围岩压力：P ==32σσ；且31σσ>。

取单元体如图可知：在σ1和σ3的作用下，在破坏面上存在一法向应力n σ和剪切应力τ。

根据Coulomb-Moure 强度理论，可以导出：()()ϕσσσσσ2cos 21213131--+=n ()ϕσστ2sin 2131-= 以及c f n +=στ莫尔应力园式中，c－岩石内聚力；f－内摩擦系数。

θf=；tgθ－内摩擦角，θ＝900－2ϕ；ϕ－破坏面法线与水平面的夹角。

将上述应力表示在同一图上，就是莫尔应力圆，如上图所示。

三轴应力下岩石变形和强度特点：A 强度随围压增加而增大；B 不同的岩石在相同围压下强度增加不一样；C 开始增加围压时，对强度影响较大，当围压增加到一定值时强度不变；D 随围压增加岩石从脆性向塑性转变。

2.7 岩石的可钻性表征岩石抵抗破碎能力的大小。

可钻性不是岩石的固有特性。

岩石的可钻性与破碎工具和岩石的强度、硬度有关。

岩石可钻性对钻头选型，确定钻井参数，预测钻速，制定最优化措施具有十分重要的意义。

A 确定可钻性的方法现场方法：根据机械钻速确定。

一般用钻速方程。

()()λN m w H c v k m -+=21 根据岩石力学性质确定可钻性用微钻头模拟岩石可钻性。

B 影响岩石可钻性的因素地层特性，钻头类型，钻井参数，泥浆性能，水力因素，井底压差，埋藏深度。

2.8 岩石的研磨性表征岩石对破碎工具的研磨能力。

它除与岩石本身的结构特性有关外，还与破碎工具的硬度，钻井参数，切削方式，摩擦类型等有关。

确定岩石研磨性的方法现场用钻速方程，钻速试验。

()()⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛++-=21312f f b f H C H QN PN T D D A 室内试验：钻磨方法，磨削法，微钻头法，摩擦法。

试验结构表明：晶质岩研磨性与矿物成分的硬度有关；碎屑岩与岩石的孔隙度，表面粗糙度，颗粒大小，形状等有关。

2.9 影响岩石性质的因素A 动载*岩石对动载的抵抗能力比静载大；*动载抗拉强度比静载抗拉强度大；*岩石的抗压强度随加载速度增大而增大；*动载对高塑性、低强度、孔隙性岩石的影响比高强度低塑性大。

原因：应力作用时间的短暂性，使岩石变形和破坏在应力波的作用时间内不能达到完全的程度。

结论：在目前牙轮钻头冲击岩石的速度范围内，动压人不会使岩石机械性能发生本质的变化。

B 压力的影响* 上覆压力的影响；上覆压力使岩石强度增加。

* 液柱压力影响；液柱压力使岩石从脆性向塑性转变。

* 孔隙压力影响；孔隙压力有助于岩石破碎C 温度的影响一般岩石的强度随温度升高而降低，而塑性增大。

D 液体介质的影响岩石的含水量增加强度降低，液体介质对岩石强度的影响是由于固－液表面上发生物理化学变化－润湿和吸附作用。

2．10钻井周围岩石的应力状态和稳定性A 井下岩石的应力状态井下岩石的应力状态是由上覆岩石压力和地应力引起的。

并处于三向应力状态。

即r σσσ==213σσ=z垂直上覆压力z v z ρσ⨯=00981.0 水平应力（径向）z r σμμσ-=1令μμλ-=1，称为岩石侧压力系数，μ—岩石的波桑系数。

当岩石被钻出井眼后，岩石的应力状态发生变化。

钻井体积内的岩石被钻井液所代替，此时岩石的水平应力为z m z r ρλσσσσ⨯-===00981.021上式表明，由于钻井后岩石的水平应力减少，有可能引起井壁坍塌。

当孔隙流体压力大于钻井液柱压力时，会引起井喷。

B 井壁稳定的条件当井内压力降低到一定值时，岩石应力达到极限状态，可能使井壁不稳定和破坏。

岩石的塑性变形使井眼缩小，而脆性变形造成井壁掉块和坍塌。

为了保持井壁稳定，必须选择合理的井内压力。