《钻井工程2-岩石力学与破岩原理》.ppt

Chapter 2 ： Rock Mechanics and Bits ; 岩石就是经过地质作用而天然形成的一种或多种矿物的集合体。岩石力学就是研究岩石在载荷作用下的应力、变形和破坏规律以及工程稳定性等问题。 油气钻井的目的就是破碎岩石形成井眼，获取地层地质资料，并将油气引导出来。 破岩工具作用下的岩体内部处于多向应力状态，欲达到破碎岩石获得进尺的目的，就必须：一是选择高质量的破岩工具，二是使钻头施加于岩石的外力超过其极限值。 显然，研究岩石在各种应力状态下的力学性质和机械性质是基础，选择合适的钻头类型则是其主要目的。;第一节 岩石的力学性质; 一、岩石的应力—应变曲线 ; 岩石的强度与应变形式有很大关系，只有在压缩情况下，岩石才呈现出很大的强度。 岩石的规律是:抗压强度抗剪强度抗弯强度抗拉强度 岩石结构的多变性且岩石的微观或宏观的结构特征都会对岩石的强度产生影 响，因此一般在实 际应用时，必须对 具体的岩石进行必 要的强度试验，以 获取比较准确可靠 的数据。 ;岩石; 1.常规应力三轴试验方法 试件有四种：圆柱、圆筒、长方体、正方体。常规三轴应力试验是最为常用的一种三轴应力试验方法。它是将圆柱形的岩样置于一个高压容器中， 首先用液压 P使其四周处于三 向均匀压缩的应力状态下，然 后保持此压力不变，对岩样施 加轴向载荷，直到使其破坏。 压缩试验施力方案： （ σ 1 ＞ σ 2 = σ 3 = P ） 拉伸试验施力方案： （ σ 1 ＜ σ 2 = σ 3 = P ）;2.三轴应力下岩石的强度和变形的特点;四、岩石的弹性 岩石的弹性常数 杨氏弹性模量 泊松比 剪切弹性模量 体积弹性模量 确定岩石弹性常数的实验方法很多，主要有 1.静力法（静载压缩试验） 2.动力法（声波法）; 前苏联学者史立涅尔分析了圆柱形的平底压头静压入岩石时在岩石中产生的应力状态并提出了确定岩石“硬度”（即抗压入强度）和塑性性质的一套方法。 ;石油钻井中： 粘土、软泥岩 多属1～2级 泥岩、砂质泥岩 多属3～4级 泥灰岩、粉砂岩、泥质砂岩等 多属3～6级 石灰岩、砂岩 多为4～8级 石英岩、花岗岩、燧石等 9级以上; 岩石的硬度和塑性系数通常用压入试验来确定。图2-6给出了岩石的压入试验曲线的三种典型形状。其纵坐标为压头上所加载荷，横坐标为吃入深度（压入深度）。;一、岩石的研磨性 岩石磨损破岩工具的能力称为岩石的研磨性。; 史立涅尔等人用摩擦磨损法对各种岩石的研磨性进行了比较详尽的研究，得出了一些有实际应用价值的结果。 摩擦磨损法即是确定一个转动的金属圆环在岩石表面上相互摩擦时的磨损量， 以此作为度量岩石研磨性的指 标。研磨性系数： ; 史立涅尔等分别以淬火钢、硬质合金为金属摩擦介质，对各种岩石进行了试验。试验结果表明： 盐岩、泥岩和一些碳酸盐岩属于研磨性最小的岩石； 其次应为石灰岩和白云岩等属低研磨性的岩石； 火成岩的研磨性一般属于中等或较高，要看这些岩石中所含长石和石英成分的多少以及颗粒粒度和多晶矿物间的硬度差而定。含长石及石英成分少，粒度细，矿物间的硬度差小的，研磨性也小些，反之则研磨性较高； 含有刚玉矿物成分的岩石应属于高研磨性的岩石； 沉积碎屑岩的研磨性主要视其石英颗粒的含量及其胶结强度而定，石英颗粒含量越多，粒度越粗，胶结强度越大的岩石，其研磨性越高；反之，如果岩石中石英颗粒的含量少，颗粒细，胶结强度低，其研磨性则较低。;二、岩石的可钻性 现代岩石可钻性的概念： －－在一定技术条件下钻进岩石的难易程度 －－钻进过程中抗破碎的强度 都涉及钻碎的对象、使用的工具、钻碎的难易性 油气钻井工程中，可钻性一般理解为地层岩石破碎的难易性，由此把岩石分为难钻的和易钻的。 在有些情况下，可钻性可以确定岩石在井底抵抗钻头破碎的能力。 （受深度、温度、压力、流体等影响）; 岩石的可钻性是个多变量的函数，这些变量包含有天然的、工艺的和技术性的因素。因此，到目前为止，适合于油气钻井条件的岩石可钻性问题仍是个尚未彻底解决的问题。但对岩石可钻性的正确评价又是确定最优钻井参数、选择钻头类型