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第一章 钻进工具
第一章 钻进工具; ;一、岩石的机械性质
1.几个概念
岩石的机械性质— 岩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。;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。
; 2. 简单应力条件下岩石的强度
简单应力条件:岩石受单一外载(压、拉、剪、弯)作用。
(1)试验方法 ;抗剪试验;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。
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 ; 常规三轴试验:;(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。
在各向均匀压缩状态下,岩石永远不会破坏。; ;硬度Py: ; ;塑性系数的计算:;岩石按塑性系数分类(3类、6级);二、影响岩石机械性质的因素
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。
(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。
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;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。
为应用方便,常用 Kd=Log2td 作为可钻性指标,称为可钻性级值。;级别;2. 岩石研磨性( Rock Abrasiveness)
岩石磨损钻头切削刃材料的能力称为岩石的研磨性。
;Δvs 可通过称重量获得,它等于失重除以金属的密度再除以摩擦总路程。
ω的物理意义是,在9.8牛的垂直载荷作用下与岩石产生单位路程的摩擦时金属圆盘的磨损体积。
② 相对磨损量ω0
相对磨损量就是单位摩擦路程中的钢的磨损体积Δvs 与岩石磨损体积ΔvR 的比值,即
ω0 =Δvs /ΔvR
岩石按研磨性系数大小可分为12级。; 3).影响岩石研磨性的因素; ;1.结构
上钻头体、下钻头体(分水帽)、 刀翼、水眼。; ; ; ;
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