钻井工程理论与技术 第一章 钻井工程地质条件—岩石(3学时)

r0 —岩盘的半径，一般为25.4mm；
t —岩盘的厚度，一般为25.4mm。
二、岩石的力学性质
（一） 简单应力条件下岩石的强度
3. 抗剪强度（shear strength）
岩石在剪切载荷作用下达到破坏时所能承受的最大剪应力。
纯剪切试验
压剪试验
Fc 0 A
0
二、岩石的力学性质
2. 单轴抗拉强度（tensile strength）
岩石在单轴拉伸载荷作用下达到破坏时所能 承受的最大拉应力。
Pt
Pt t A
直接拉伸试验
二、岩石的力学性质
（一） 简单应力条件下岩石的强度
2. 单轴抗拉强度（tensile strength）
巴西劈裂试验：
P t r0t
式中： P —岩盘破裂时的载荷
四、岩石的可钻性与研磨性
（一）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 头钻进的能力，是岩石强度在钻孔方面的表现。
2. 岩石可钻性质指标
机械钻速
压入硬度
强度（单周抗压、抗剪、三轴抗压） 微钻指标—可钻性级值
四、岩石的可钻性与研磨性
2. 砂岩和粉砂岩的硬度主要取决于矿物成分和胶结物结构。一般 地，硅质胶结硬度最高，钙质次之，铁质再次之，泥质最低。泥质胶 结大约比灰质胶结的同类岩石的硬度小三倍。 3. 泥质—碳酸盐质岩石（泥岩、灰质泥岩、泥质灰岩、灰岩）， 随着碳酸岩含量的增加，硬度急剧增大。因为随着岩石含碳酸岩质的 增加，质点间结晶联结作用增强。 4. 岩石的密度小、孔隙度大，其强度低。 5. 岩石中的微结构面越发育，其强度越低。
基底胶结 孔隙胶结 接触胶结
一、岩石的组成与分类
（三）沉积岩的类型及组织特征
2. 化学沉积岩（结晶岩）
母岩风化后的溶解物质经化学沉积作用后形成晶质岩石。 碳酸盐岩——石灰岩，主要成分为石灰石（CaCO3） 白云岩，主要成分为白云石（MgCa(CO3)2） 硫酸盐岩——硬石膏（CaSO4）、石膏（CaSO4· 2H2O） 岩 盐—— 石盐（NaCl、KCl）
二、岩石的力学性质
（四）岩石的硬度和塑性系数
1. 岩石的莫氏硬度
10种矿物标准：滑、石、方解、萤、磷、长、石英、黄玉、刚、金刚 现场简便鉴别方法：
指甲（2.5）、铁刀（3.5）、普通钢刀（5）、玻璃（5.5）、锯条（6）
锉刀（7）、硬合金（9）
二、岩石的力学性质
（四）岩石的硬度和塑性系数
（一） 简单应力条件下岩石的强度
4. 抗弯强度（bending strength）
岩石在弯曲载荷作用下达到破坏时所能承受的最大弯曲应力。
3 Pl b 2 2bh
二、岩石的力学性质
（一） 简单应力条件下岩石的强度
5. 简单应力下岩石的强度特点 抗压强度>抗剪强度>抗弯强度>抗拉强度。
抗压强度约为抗拉强度的10~50倍，约为抗剪强度的3倍。
z E z
E = 10~200 GPa
x y z
G
E G 2(1 )
μ= 0.1~0.4
二、岩石的力学性质
（三）岩石的弹性、脆性和塑性
2. 围压对岩石脆、塑性的影响
σ3=3260 σ3=1650 σ3=850 σ3=500
σ3=217.5
σ3=155
（2）可钻性指标及分级标准
可钻性指标： t d ；
K d log2td
全国油矿地层可钻性分级标准
级别 td （秒） Kd 分类
Ⅰ ＜4 Ⅱ 4~＜8 Ⅲ 8~＜16 Ⅳ 16~＜ 32 4 ~＜5 软 Ⅴ 32~＜ 64 5 ~＜6 中软 Ⅵ 64~＜ 128 6 ~＜7 中 Ⅶ 128~＜ 256 7 ~＜8 中硬 Ⅷ 256~＜ 512 8 ~＜9 硬 Ⅸ 512~＜ 1024 9 ~＜10 Ⅹ ≥ 1024 ≥10 极硬
矿物颗粒连接方式：嵌合联结，强度高，渗透率低。
在沉积岩中：泥岩—60%，砂岩—30%，碳酸盐岩居第三位。
一、岩石的组成与分类
（三）沉积岩的类型及组织特征
3. 结构与构造特点
（1）矿物成分、颗粒形状、大小及分布、连接方式等不固定； （2）微结构面（矿物解理、晶格缺陷、粒间空隙、微裂纹）发育； （3） 整体呈倾斜层状结构； （4）具有一定的孔隙度和渗透率； （5）呈现非均质性和各向异性。
50~60 60~70 >70
塑性分级
类别 级别 塑性系数 脆性 1 1 2 1~2 塑 3 2~3 脆 性 4 3~4 5 4~5 塑 性 6 ≥6
三、影响岩石力学性质的因素
（一） 岩石结构的影响
1. 对致密岩石，主要造岩矿物成分的硬度越高，岩石越硬，越难 破碎。
如:玄武岩(斜长石、辉石, 6）＞白云岩(白云石, 4）＞石灰岩(石灰石, 3）
1. 三轴岩石试验
σ1 P=σ2=σ3 压 缩 P=σ2=σ3
σ1 拉
伸
σ1＞σ2=σ3
σ1＜σ2=σ3 常规三轴岩石试验装置
二、岩石的力学性质
（二） 复杂应力条件下岩石的强度
2. 围压对岩石强度的影响
岩石强度随围压增大而增大。
σ3=3260
σ3=1650 σ3=850
σ3=217.5 σ3=155
第一章
钻井的工程地质条件
第一节 地下压力特性 第二节 岩石的工程力学性质
第二节
岩石的工程力学特性
一、岩石的组成及分类 二、岩石的力学性质 三、影响岩石力学性质的因素 四、岩石的可钻性与研磨性
一、岩石的组成与分类
（一）岩石的组成
岩石 是矿物颗粒的集合体，颗粒之间或者靠直接接触面上的作
用力联结，或者由外来的胶结物胶结。
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
二、岩石的力学性质
（四）岩石的硬度和塑性系数
3. 岩石的硬度和塑性分级
硬度分级
类别 级别 硬度 (MPa) 1 ≤1 软 2 3 中软 4 5 中 6 7 中硬 8
极硬 10 11 12
1~2.5 2.5~5 5~10 10~15 15~20 20~30
6. 沉积岩在平行于层理方向和垂直于层理方向的强度不同。
三、影响岩石力学性质的因素
（二）井下各种压力的影响
1. 一般地将，随着上覆岩层压力的增大，岩石强度增大，塑性也增大。
2. 井内液柱压力与孔隙压力之差增大，岩石强度增大，塑性 增大。
（三）液体介质的影响 列宾捷尔效应：液体，特别是加入表面活性剂的水，侵入孔隙时，
由岩浆（硅酸盐溶体）冷凝而成的结晶体。
如花岗岩、玄武岩、 橄榄岩、安山岩等、凝灰岩等。
2.变质岩
火成岩和沉积岩等由于高温高压作用或外来物质的加入，改 变了 原来的成分、结构，变成新的结晶体。 如花岗岩→片麻岩，石灰岩 →大 理岩，石英砂岩→石英岩等。
3. 沉积岩
母岩风化后的产物经过搬运、沉积和成岩作用而形成的岩石。
＜2
2 ~＜3 极软
3 ~＜4
四、岩石的可钻性与研磨性
（二）岩石研磨性（Rock Abrasiveness）
岩石研磨性：岩石磨损钻头刃材料的能力。 测定方法：摩擦试验 研磨性指标：
◆ 单位摩擦功所磨损的试件体积，mm3/ N.m ◆ 单位时间内试件的重量磨损，毫克/分钟 ◆ 单位摩擦路程中试件的磨损体积与岩石的磨损体积之比
σ3=55.5 X σ3=27.5
σ3=500 X σ3=0
X σ3=23.5
X σ3=0
二、岩石的力学性质
（三）岩石的弹性、脆性和塑性




脆性 脆塑性

塑性

变形趋于无穷大
3%
二、岩石的力学性质
（三）岩石的弹性、脆性和塑性
1. 岩石的弹性参数
杨氏模量 E ：
泊松比 μ ： 剪切模量 G ：
2. 岩石的压入硬度和塑性系数
压入硬度 —— 表征岩石抗压入性能的参数，又称史氏硬度。 塑性系数 —— 表征岩石脆性和塑性大小的参数。
Py
吃入深度
二、岩石的力学性质
（四）岩石的硬度和塑性系数
2. 岩石的压入硬度和塑性系数
7
脆性和塑脆性岩石： Py
P S
塑性岩石： Py
P0 S
塑性系数: K p
如泥岩、砂岩、砾岩、石灰岩、白云岩、石膏、岩盐 。
一、岩石的组成与分类
（二）岩石的分类
在地壳中，火成岩占95%，沉积岩约5%，变质岩很少。
在地表中，沉积岩占75%，火成岩和变质岩占25%。
一、岩石的组成与分类
（三）沉积岩的类型及组织特征
1. 碎屑岩
母岩风化后的碎屑物质经机械沉积作用后形成的岩石。碎屑颗粒由 胶结物质胶结在一起。 按碎屑颗粒大小分为：砾岩(>1)，砂岩(0.1~1)，粉砂岩(0.01~0.1) 泥岩(<0.01) 胶结物类型及胶结强度：硅质 > 钙质 > 铁质 > 泥质 胶结方式：
矿物 是具有固定的化学成分和确定的物理性质的天然无机化合物。 主要造岩矿物：
硅酸盐类：正、斜长石、石英、黑/白云母、辉石、角闪石、橄榄石 碳酸盐类：石灰石、白云石 硫酸盐类：石膏，硬石膏 氧 化 物：赤铁矿 粘 土 类：高岭土、蒙脱土、伊利石
其
它：岩盐
一、岩石的组成与分类
（二）岩石的分类
1. 火成岩（岩浆岩）
二、岩石的力学性质
（二） 复杂应力条件下岩石的强度
1. 三轴岩石试验
σ1 σ1 σ1 σ1
σ2=σ3
σ3 σ2
σ2=σ3