第一章岩石力学性质

1、 第一章第一章 钻孔施工过程与岩石物理力学性质钻孔施工过程与岩石物理力学性质 第一节、钻孔施工过程第一节、钻孔施工过程 第二节、岩石的物理力学性质第二节、岩石的物理力学性质 第三节、岩石可钻性及其分级第三节、岩石可钻性及其分级 第四节、钻孔结构第四节、钻孔结构云南国土资源职业学院云南国土资源职业学院第一节第一节 钻孔施工过程钻孔施工过程 以岩心钻探为例说明基本钻探工艺过程。一、钻前准备一、钻前准备 平整场地；钻场布置；修筑地基；基台安装；挖好循环系统，安装钻塔、钻机、泵和动力机；验收。 1 1、平整场地、平整场地 要求地面平整、有足够的面积、地表土层有一定的抗压强度、填方面积小于总面积的四分之

2、一、易排水。 云南国土资源职业学院云南国土资源职业学院 2 2、钻场布置、钻场布置 钻场的作用：安装钻塔、钻探设备、循环系统等； 钻场的大小：随钻孔深度增加而增大。 3 3、修筑地基、修筑地基 浅槽地基：适宜较坚实的地面； 卧枕地基：适宜较松软的地面； 深坑地基：适宜做钻机、内燃机的基础。 4 4、基台安装、基台安装 材料：用枕木或型钢做成井字形排列，并用螺栓连接构成； 要求：周正、水平、稳固； 形式：合组基台、分组基台。云南国土资源职业学院云南国土资源职业学院5 5、安装钻探设备、安装钻探设备 钻塔的安装 整体安装法：适宜“A”型钻塔和三角钻塔； 分节安装法：适宜四角钻塔。 钻机的安装 要求

3、周正、水平、稳固；钻机立轴必须与天车中心、孔口中心在一条直线上。6 6、循环系统的布置、循环系统的布置 组成：水源箱、沉淀池和循环槽。 作用：净化冲洗液。云南国土资源职业学院云南国土资源职业学院二、钻进过程二、钻进过程 钻孔从开孔钻进到终孔的施工过程叫钻进过程。 钻进时，由动力机带动钻机回转，由钻杆、岩心管、钻头组成钻柱，并由钻机提供轴向压力和扭矩。从而使钻头上的切削具克取岩石实现钻进。 按设计的方向开孔，在孔口固定孔口管； 根据所钻岩石的物理力学性质、钻头直径、钻头类型和孔深选择合理的规程参数，一边冲洗钻孔，一边通过给进机构、钻柱给钻头加轴向压力和回转速度；云南国土资源职业学院云南国土资源职

4、业学院 钻头在孔底钻出一个环形空间，并形成岩心，随着钻孔加深岩心将充满岩心管； 清洁孔底、冷却钻头切削具后，携带岩屑的冲洗液上返流出孔口，并在沉淀槽、沉淀池中清除掉岩屑后，清洁的液体再流回泥浆池，如此循环； 把钻具提至地表，从岩心管内取出岩心。重新配好钻具，再下放至孔内继续钻进。云南国土资源职业学院云南国土资源职业学院三、终孔三、终孔 指钻孔从停止钻进到设备拆卸完为止所进行的全部工作。包括钻孔弯曲测量、测水位、抽水试验、封孔、起套管、拆卸设备等。 云南国土资源职业学院云南国土资源职业学院 第二节第二节 岩石的物理力学性质岩石的物理力学性质 岩石的力学性质是岩石在外力作用下表现出来的特性。主要有

5、变形特性、强度特性和表面特性。 变形特性变形特性：弹性、塑性和脆性。 强度特性强度特性：抗压强度、抗拉强度、抗剪强度和抗弯强度。 表面特性表面特性：硬度和研磨性。云南国土资源职业学院云南国土资源职业学院 弹性弹性：岩石受到外力后产生变形，外力取消后仍恢复到原来的形状。 塑性塑性：岩石受到外力后改变形状而不产生断裂的性质。 脆性脆性：岩石在外力作用下，不产生变形而直接破坏的性质。云南国土资源职业学院云南国土资源职业学院脆性破坏（石英岩）脆性破坏（石英岩）塑脆性破坏（大理岩）塑脆性破坏（大理岩）塑性破坏塑性破坏 云南国土资源职业学院云南国土资源职业学院图图2 岩石的形变曲线岩石的形变曲线 细粒组织

6、岩石的弹性模数大于粗粒的。 岩石在被水或石油浸湿后，其弹性模数显著下降；而塑性增加。 岩石的孔隙度增加，则岩石的弹性模数降低；而塑性增加。 岩石随加载速度增大，塑性降低。岩石由塑性体转为脆性体。云南国土资源职业学院云南国土资源职业学院 3 3、岩石的变形特性对钻进的影响、岩石的变形特性对钻进的影响 弹性弹性：弹性大的岩石除消耗部分功率于弹性变形外，还会使钻具弹动。如石英等“打滑”地层。 塑性塑性：塑性大的岩层易产生缩径、糊钻。如粘土层。 脆性脆性：脆性大的岩层采心困难、易掉块、坍塌等。如滑石、烟煤。云南国土资源职业学院云南国土资源职业学院二、强度特性二、强度特性 1 1、岩石的强度、岩石的强度

7、 岩石在载荷作用下变形到一定程度就发生破坏。破坏前岩石单位面积上所能承受的最大载荷。 2 2、强度分类、强度分类 抗拉强度抗拉强度抗压强度抗压强度抗弯强度抗弯强度抗剪强度抗剪强度云南国土资源职业学院云南国土资源职业学院3 3、影响岩石强度的因素、影响岩石强度的因素 岩石的矿物成分岩石的矿物成分：随造岩矿物的强度和含量而变化； 矿物颗粒的尺寸矿物颗粒的尺寸：细粒岩石的抗压强度大于粗粒岩石的抗压强度； 岩石的容重和孔隙度岩石的容重和孔隙度：孔隙度增加，容重降低，则岩石的强度降低； 岩石的层理岩石的层理：岩石强度具有明显的方向性。即垂直斜交平行； 云南国土资源职业学院云南国土资源职业学院 受力条件受

8、力条件：抗冲击强度抗拉抗弯抗剪抗压； 应力状态应力状态：岩石在双向或多向应力状态下，其抗压强度比单向应力状态下要高出许多； 载荷速度载荷速度：岩石强度随加载速度增加而增大； 岩样的线性尺寸岩样的线性尺寸：随岩样的线性尺寸增大，岩石的强度降低； 介质的影响介质的影响：岩石的强度随液体量的增加而降低。云南国土资源职业学院云南国土资源职业学院 图图3 3 岩石单轴抗压试验岩石单轴抗压试验 1 1岩样；岩样； 2 2球座；球座； 3 3钢垫板钢垫板4 4、岩石强度的测定、岩石强度的测定云南国土资源职业学院云南国土资源职业学院 图图4 4 岩石单轴拉伸试验岩石单轴拉伸试验 1 1岩样；岩样； 2 2夹头

9、；夹头； 图中尺寸单位：图中尺寸单位：cmcm云南国土资源职业学院云南国土资源职业学院 图图5 5 剪切试验剪切试验 1 1岩样；岩样； 2 2上下剪切模具；上下剪切模具； 3 3模套；模套； 4 4斜锲块；斜锲块； 5 5上下垫板；上下垫板； 6 6钢滚子钢滚子云南国土资源职业学院云南国土资源职业学院 5 5、岩石强度与钻进碎岩的关系、岩石强度与钻进碎岩的关系 随着岩石强度值的升高，破碎岩石的效果降低，钻进速度下降； 随着孔深的增加岩石的致密程度升高，岩石的强度升高破碎岩石的效果也降低，钻速下降。云南国土资源职业学院云南国土资源职业学院三、表面特性三、表面特性1 1、岩石的硬度、岩石的硬度

10、概念：岩石表面对工具压入的反抗特性。 硬度与强度的区别：岩石抗压强度是岩石整块抗破碎的能力；而硬度则是岩石表面局部抵抗破碎的能力。 硬度与强度的关系： 岩石抗压入硬度为单向抗压强度的（1+2）倍。测定压入硬度实际上是使岩样产生局部破碎，而这种局部破碎是在多向受压状态下进行的。云南国土资源职业学院云南国土资源职业学院 影响岩石硬度的因素 影响岩石硬度的因素和影响岩石强度的因素相似。即岩石的矿物成分、 矿物颗粒的尺寸、岩石的容重和孔隙度、岩石的层理、受力条件、应力状态、载荷速度、岩样的线性尺寸、介质等均有影响。但层理对硬度的影响正好与强度相反。即：垂直层理方向的硬度最小；而平行层理方向的硬度最大。

11、云南国土资源职业学院云南国土资源职业学院 岩石硬度的测量 莫氏硬度：用十种矿物为代表，后一种可在前一种矿物上擦痕，硬度依次增高。 莫氏硬度表莫氏硬度表硬度等级硬度等级12345678910典型矿物滑石石膏方解石萤石磷灰石正长石石英黄玉刚玉金刚石云南国土资源职业学院云南国土资源职业学院 显维硬度：如洛氏硬度；指甲指甲铁刀铁刀钢刀钢刀玻璃玻璃锯条锯条锉刀锉刀硬合金硬合金 2.53.555.5679云南国土资源职业学院云南国土资源职业学院 岩石硬度与钻进碎岩的关系岩石硬度与钻进碎岩的关系 岩石硬度越高，则钻速越低。2 2、岩石的研磨性、岩石的研磨性 概念：岩石对工具的磨损能力称之。 影响岩石研磨性的

12、因素 矿物的硬度越大，颗粒越粗，则岩石的研磨性越强； 在轴向压力未达到岩石的压入硬度前，动摩擦系数值随压力值增加而增大； 相对运动速度较低时，随速度的增加动摩擦系数增大； 干摩擦系数大于湿摩擦系数。云南国土资源职业学院云南国土资源职业学院 岩石研磨性的测量 研磨法：利用一定形状的金属杆或环与岩石作相对运动，然后测出岩石的研磨性。 钻孔法：在与实际钻进相似的条件下测出岩石的研磨性。 岩石研磨性对钻进的影响 研磨性越强，对切削具磨损越严重。云南国土资源职业学院云南国土资源职业学院第三节第三节 岩石可钻性及其分级岩石可钻性及其分级一、岩石可钻性一、岩石可钻性 在一定的技术条件下，钻进时岩石破碎的难易

13、程度。二、影响岩石可钻性的因素二、影响岩石可钻性的因素 岩石可钻性是个多变量的函数。它不仅受控于岩石的性质，而且与外界技术条件和工艺参数有密切的关系。 岩石的物理力学性质岩石的物理力学性质：强度、硬度、弹性、塑性、脆性、研磨性等。 破碎岩石的技术条件破碎岩石的技术条件：钻进方法、钻进参数、钻探设备等。云南国土资源职业学院云南国土资源职业学院三、衡量指标三、衡量指标 在相同技术条件下，钻进时的机械速度作为岩石可钻性指标。四、岩石可钻性分级在钻探生产中的作用四、岩石可钻性分级在钻探生产中的作用 是合理选择钻进方法、钻头结构及钻进规程参数的依据； 是制订钻探生产定额和编制钻探生产计划的基础； 是对生

14、产机台评定的客观依据。云南国土资源职业学院云南国土资源职业学院 第四节第四节 钻孔结构设计钻孔结构设计一、什么是钻孔结构？一、什么是钻孔结构？ 钻孔由开孔至终孔，钻孔剖面中各孔段的深度和口径的变化叫做钻孔结构。二、钻孔结构设计的依据二、钻孔结构设计的依据 钻孔的用途和目的； 地层的地质结构、岩石的物理力学性质； 钻孔的设计深度； 必需的终孔直径； 钻进方法、钻探设备参数。云南国土资源职业学院云南国土资源职业学院13011091钻孔结构示意图钻孔结构示意图三、钻孔结构设计的内容三、钻孔结构设计的内容 1、确定各种岩层的钻进方法、确定各种岩层的钻进方法 主要依据地层的地质条件、钻孔深度、钻孔直径等

15、确定。2、确定钻孔直径、确定钻孔直径 包括终孔直径、开孔直径和中间变径。 影响终孔直径的因素：钻进方法、不同矿种允许的最小岩矿心直径、钻孔用途、钻机动力机容量、孔内测井仪的规格等。云南国土资源职业学院云南国土资源职业学院 3 3、确定套管层次、下放深度和套管直径、确定套管层次、下放深度和套管直径 钻进松散的沙砾石层、流沙层、泥浆护孔无效时； 穿过较厚的破碎带、坍塌掉块严重时； 接近地面的表土层、风化层； 遇到含水构造与大裂隙贯通，严重涌水或漏失时。 四、钻孔结构设计的方法四、钻孔结构设计的方法 以终孔直径作为拟定钻孔结构的标准，对照理想柱状图并考虑换径次数，自下而上地拟定出钻孔各孔段直径和开孔

16、直径。云南国土资源职业学院云南国土资源职业学院1、简述钻探生产的工艺过程。2、简述岩石的物理力学性质对钻进的影响。3、简述岩石可钻性分级在钻探生产中的作用。4、简述钻孔结构的设计方法。云南国土资源职业学院云南国土资源职业学院 第四节第四节 钻头碎岩刃具与岩石作用的主要方式钻头碎岩刃具与岩石作用的主要方式 一、平底圆柱形压头压入时岩石的应力状态一、平底圆柱形压头压入时岩石的应力状态( )222rPpa ar2Ppa图图1.134 平底圆柱压头压力面上的压力分布平底圆柱压头压力面上的压力分布图图1.136 球形压头压力面上的压力分球形压头压力面上的压力分布布图图1.137 平底压头压入时沿平底压头

17、压入时沿 对称轴的应力分布对称轴的应力分布图215 轴向力作用时岩石 内的应力分布图216 轴向力和切向力共同作用时岩石内的应力分布 （a）等应力线图；（b）应力状态特征 压应力区；拉应力区；过渡区 在回转钻进中，破碎岩石工具以轴向和切向载荷作用于岩石上。弹性力学研究表明：只有轴向力单独作用于压头时，弹性半无限体内等应力线分布是均匀的、对称的（如图215）。而轴向力和切向力共同作用时，等应力线分布则是非均匀的、不对称的（如图216）。在接触面上，切向力作用的前方将产生压应力，而切应力作用的后方则产生拉应力，在半无线体内（如图216(b)所示），形成正应力区（）、拉应力区（）和过渡区（） 。由此

18、可以推知，在兩向载荷作用下，碎岩工具对岩石的作用具有以下的特点： 1. 轴向力和切向力共同作用时，可视为碎岩工具对孔底岩石表面以某一角度施加作用力。岩石破碎效果将由此作用力的数值和方向来决定。轴向力和切向力之间存在最优比值，或者说有最优的作用力方向。这一方向对于不同的岩石可能是不同的。所以钻进不同岩石时，轴向压力和回转速度应用一个合理的配合关系。 2. 轴向力与切向力共同作用时，碎岩工具下方岩石中产生不均匀的应力状态。压缩区随轴向力增加而扩大，随切向力的增加而缩小；拉伸区则与上述情况相反；过渡区内既有正应力的作用，又有拉应力的作用。 3. 当岩石中出现拉应力时，在其他条件相同的情况下，岩石将在作用力比较小的时，在拉应力区开始破碎。 一、岩石的变形破碎方式一、岩石的变形破碎方式图图1.145 破碎功与破碎产物粉碎度的关系破碎功与破碎产物粉碎度的关系 1根据黎金格尔定律；根据黎金格尔定律；2根据基尔切夫定律根据基尔切夫定律图图1.146 转速与载荷的关系曲线转速与载荷的关系曲线 二、平底压模或球状切削具压入时的岩石变形破碎过程二、平底压模或球状切削具压入时的岩石变形破碎过程 三、尖楔状切削具压入时和冲击碎岩机理三、尖楔状切削具压入