岩石机械性质测定

学习情境二开钻准备工作项目二岩石的机械性质测定测定岩石的硬度及强度测定岩石的可钻性和研磨性1影响钻井过程（钻速）的因素地层岩性强度、硬度、研磨性、可钻性钻井液性能密度、固相含量、粘度、失水钻头类型及结构水力参数泵压、排量、喷嘴直径钻井机械参数钻压、转速2能力目标:对岩石的强度、硬度、可钻性、研磨性进行测定、比较，并对硬度进行简单的分级测定三轴应力条件下岩石的强度，分析机械性质的变化知识目标了解岩石的机械性质理解井底压力条件下岩石的机械性质的改变及其影响因素3

测定岩石的强度及硬度测定岩石的机械性质的目的：为选用合适的钻头和确定最优的钻进参数提供依据。岩石(rock)碎屑岩(砂岩)：石英、长石——储集和流动空间——孔隙碳酸岩(灰岩)：方解石、白云石——储集空间——孔隙流动空间——裂缝4岩石性质

5l砂岩：指颗粒经胶结物胶结而成，砂含量＞50％的陆源碎屑岩。l砂岩中含：砾石、砂、粉砂、泥等碎屑颗粒。粒径为0.1-1mm的碎屑颗粒称为砂。6

胶结类型概念：指胶结物在岩石中的分布状况及其与碎屑颗粒间的接触关系。分类：基底胶结、孔隙胶结、接触胶结。7特点：

l胶结物含量：高＞不多＞少

l胶结强度：强＞中等＞弱

l孔、渗物性：差＜中等＜好8岩石的机械性质：在外力作用下，岩石从变形到破坏所表现出的物理力学性质叫做岩石的机械性质，与破岩效率有关的岩石的机械性质有强度、硬度、脆性和塑性等。9

测定岩石的强度及硬度一、简单应力条件下岩石的强度岩石强度：在一定条件下，岩石在各种荷载作用下达到破坏时所能承受的最大应力称为岩石的强度。根据外力作用性质不同，有抗压、抗拉、抗剪和抗弯强度，其单位是MPa。

通常情况下：抗压>抗剪>抗弯>抗拉强度强度获取方法：对具体的岩石进行强度试验

10

指岩石抵抗外力压缩的能力，其数值大小等于在岩样上施加轴向压缩载荷直至破坏时单位面积上的载荷，可通过单轴抗压缩强度试验来获。岩石抗压强度测定：实验要求：*施加压力的方向应平行于岩心的轴线*岩样长度L应适当，L/D很小时，试件中的应力分布趋于三轴应力状态，具有较高的强度；L/D很大时，将发生弹性不稳定破坏；L/D应适中，一般以L/D=2.5~3.0较好。*尽量减小端面效应，设法降低试件端面与加压板间的摩擦。*试件尺寸取决于组成岩石的颗粒的尺寸，试件直径与最大颗粒尺寸的比值至少应为10：1。因此，原则上应尽量采用较大直径的试件。建议采用2.2~2.6厘米直径的试件。岩石P压力P压力钢垫板球座11

测定岩石的强度及硬度二、复杂应力条件下岩石的强度1.常规三轴试验常规三轴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，对岩样加载，直到使其破坏。可以进行三轴压缩试验(σ1＞σ2=σ3=p)，也可以进行三轴拉伸试验(σ1﹤σ2=σ3=p)。12σ1

P=σ2=

σ3σ3P=σ1=

σ2常规三轴试验（a）压缩试验（b）拉伸试验13

测定岩石的强度及硬度2.三轴应力条件下岩石强度变化的特点：■岩石在三轴应力条件下强度明显增加,但所增加的幅度对于不同类型的岩石是不一样的。■围压对强度的影响程度并不是在所有压力范围内都是一样的。开始增大围压时，岩石的强度增加比较明显；继续增加围压，相应的强度增量就变得越来越小；当围压很高时，有些岩石的强度便趋于常量。■随着围压的增大，岩石表现出从脆性到塑性的转变，且围压越大，岩石破碎前所呈现的塑性也越大。一般认为，当岩石的总应变量达到3％～5％时，岩石已经具有塑性或已经由脆性向塑性转变。14

测定岩石的强度及硬度研究岩石从脆性到塑性的转变点（或称临界压力）对深井钻井的重要意义：脆性破坏和塑性破坏是两种具有本质差别的破坏形式，需分别用不同的破碎工具（如不同结构的钻头类型），采用不同的破碎方式（冲击、压碎、挤压、剪切或切削、磨削等），以及不同的破碎参数（钻压、转速及水力参数等）的组合。因此，确定岩石的脆—塑性转变的“临界压力”将为设计和合理选择使用钻头提供科学依据。15

测定岩石的强度及硬度3.岩石的脆性和塑性岩石在外力作用下发生塑性变形的性质叫做岩石的塑性。而当应力达到弹性极限后即破坏，不呈现永久变形，称之为岩石的脆性。通过平底圆柱压模压人法试验，16OA段：曲线稍向上凹，反映岩石试件内部裂隙逐渐被压密。AB段：随着岩石内裂隙被压密，它的斜率为常数或接近于常数，其斜率定义为岩石的杨氏弹性模量E。岩石－变形特性BC段：随着荷载的继续增大，变形和荷载呈非线性关系，裂隙进入不稳定发展状态，这是破坏的先行阶段。应力－应变曲线的斜率随着应力的增加而逐渐地减小到零，曲线向下凹，岩石中引起不可逆变化。17发生弹性到延性行为过渡的点B，通常称为屈服点，而相应的应力称为屈服应力。最高点C的应力称为强度极限（如为单轴试验便称为单轴抗压强度）。CD段：曲线下降，是由于裂隙发生了不稳定传播，新的裂隙分叉发展，使岩石开始解体。CD段以脆性性态为其特征。岩石－变形特性18岩石的弹性常数岩石的应力——应变关系杨氏弹性模量：E剪切弹性模量：G=E/2(1+)体积弹性模量：K=E/[3(1-2)]泊松比：横向应变与纵向应变之比19根据变形曲线可以将岩石分为3种典型变形特点OO吃入深度ε/mW0载荷W/NWDEOC(b)塑脆性岩石吃入深度ε/m载荷W/NW0载荷W/N吃入深度ε/mWDE(a)脆性岩石(c)塑性岩石BA20

测定岩石的强度及硬度图(a)为脆性岩石，其特点是OD段为弹性变形阶段，达到D点后即发生脆性破碎；图(b)为塑脆性岩石，其OA段为弹性变形阶段，AB为塑性变形区，到达B点时产生脆性破碎；图(c)为塑性岩石及多孔岩石，施加不大的荷载即产生塑性变形，其后变形随变形时间的延长而增加，无明显的脆性破坏现象。用岩石的塑性系数作为定量表征岩石塑性及脆性大小的参数。塑性系数为岩石破碎前耗费的总功AF与岩石破碎前弹性变形功AE的比值。21

测定岩石的强度及硬度根据岩石的塑性系数的大小，将岩石分为3类6级类别脆性塑脆性塑性低塑性→高塑性级别123456塑性系数Kp1>1～2>2～3>3～4>4～6>6～∞4.岩石的硬度：岩石的硬度是岩石抵抗其他物体表面压入的能力22

测定岩石的强度及硬度压入硬度和塑性系数的测定方法——压入试验:平底圆柱压模压入岩石时，在压头下的岩体中发展了轴对称分布的三向应力状态，这种应力状态使压头下岩石的强度会急剧增大，同时多数岩石具有塑性性质。1－液缸缸体2－液缸柱塞3－岩样4－压头5－压力计6－千分表7－柱塞导向杆623

测定岩石的强度及硬度压入实验确定岩石的硬度和塑性系数Py—岩石的硬度，MPa；W—产生脆性破坏时压头上的载荷，N；A—压头的底面积，平方毫米；Wo—对于塑性岩石，取岩石产生屈服（即从弹性变形开始向塑性变形转化）时的载荷Wo代替W硬度：屈服极限：塑性系数：24

测定岩石的强度及硬度5.井底压力条件下岩石的机械性质及其影响因素1）井眼周围地层岩石的受三种力作用■地应力■岩石内孔隙流体的压力■钻井液液柱压力2）井底各种压力对岩石性能的影响■地应力的影响影响到井壁的稳定：使井眼产生缩径或地层造成破裂图1—3井眼周围地层岩石受力示意图25

测定岩石的强度及硬度■液柱压力的影响增大钻井液液柱压力Ph，将增大围压，其结果必然导致岩石的抗压强度(或硬度)和塑性增加■孔隙流体的压力的影响各向压缩效应：增大围压会增大岩石的强度，同时也增大岩石的塑性。有效应力：外压（液柱压力）与内压（孔隙压力）之差孔隙压力的作用降低了岩石的各向压缩效应；岩石的强度取决于有效应力的大小3）液体介质的影响几乎所有的岩石都是亲水的，液体介质中含有的电解质和活性剂物质可以被吸附在岩石表面形成吸附层，而被吸附的物质会顺着岩石孔隙或微裂缝侵入井底岩石的深部，产生一个楔压力，从而降低岩石的强度。26

测定岩石的强度及硬度6.影响岩石强度的因素■自然因素

包括：岩石的矿物成分(对沉积岩而言还包括胶结物的成分和比例)、矿物颗粒的大小、岩石的密度和孔隙度。同类岩石，孔隙度增加，密度降低，岩石的强度也随之降低，反之亦然。一般情况下，岩石的孔隙度随着岩石埋藏深度的增加而减小，因此岩石强度通常随埋藏深度的增加而增加。由于沉积岩存在层理，岩石的强度有明显的异向性，岩石的结构及缺陷也对岩石的强度有影响。■工艺技术因素

影响岩石强度的工艺技术因素包括岩石的受载方式和岩石的应力状态27

测定岩石的强度及硬度7.影响岩石硬度的因素及硬度分级（1）影响因素：造岩矿物的成分、颗粒度、孔隙度、胶结物的性质等都影响岩石的硬度。岩石的层理使岩石各方向的硬度不同。垂直层理方向的硬度值最小，平行层理方向的硬度值最大。这一点对掌握井斜规律和定向钻井中利用地层规律造斜有重要意义。（2）硬度分级：我国按岩石硬度的大小将岩石分为6类12级，作为选择钻头的主要依据之一28测定岩石的可钻性和研磨性29测定岩石的可钻性和研磨性能力目标:测定给定岩样的可钻性并能进行可钻性分级测定岩石的研磨性知识目标理解岩石可钻性和研磨性的定义掌握岩石的研磨性及岩石的可钻性的测定方法30测定岩石的可钻性和研磨性一、岩石的研磨性1.岩石研磨性概念

钻井过程中，钻井工具和岩石产生连续的或间歇的接触和摩擦，从而在破碎岩石的同时，这些工具本身也受到岩石的磨损而逐渐变钝甚至损坏,岩石磨损这些材料的能力称为岩石的研磨性。

研磨性磨损是由钻头工作刃与岩石相摩擦的过程中产生微切削、刻划、擦痕等所造成，属表面磨损。这种研磨性磨损除了与摩擦副材料性的性质（如化学组成和结构）有关外，还取决于摩擦的类型和特点、摩擦表面的形状和尺寸（如表面粗糙度）及摩擦面的介质等因素。31测定岩石的可钻性和研磨性2.测定岩石研磨性的方法测定岩石研磨性的方法微钻头钻进法用金属棒（如铜棒、淬火或未淬火的钢棒）在加压旋转的条件下与岩石相摩擦。在给定的载荷、转速和时间内，按金属棒被磨损掉的质量来衡量岩石研磨性的大小。用硬质材料做成的刀具与岩石试件相对旋转磨削。在给定接触压力、旋转速度（线速度）下，测量固定时间或旋转过的路程内刀具的磨损量以估价岩石的研磨性相对大小。用与全尺寸钻头形状相似的微型模拟钻头在一定的钻进参数下与岩石钻磨，测量给定时间内钻头切削刃的外形磨损，以比较各类岩石的研磨性。其实质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。钻磨法磨削法摩擦磨损法32测定岩石的可钻性和研磨性实验证明，金属环的单位摩擦路程的磨损不取决于圆盘的转速，而只与荷载W成正比，因而可用一个比例常数来表示：实验方法优点：在相对较小的载荷作用下，可使圆环与岩石试件间的接触压力达到非常高的值；圆环的转动使其接触表面不断改变，有利于冷却和清除磨损产物；岩石试件的平移也保证了岩石的摩擦表面不断更新，并且使得接触压力在实验过程中保持不变。33测定岩石的可钻性和研磨性3.影响研磨性的因素

岩石的研磨性不仅取决于岩石的结构和组织特点、组成岩石的矿物的性质和颗粒大小（对于碎屑岩还取决于胶结强度）等一系列岩石本身的性质，还取决于用于磨损的金属材料的性质。34测定岩石的可钻性和研磨性二、岩石的可钻性岩石可钻性(RockDrill

ability）

岩石可钻性可理解为岩石破碎的难易性，由此把岩石分为难钻的和易钻的。

K(d)=f(wob,rpm,Nbj,P,h,TYPEbit,Py)意义钻头选型及钻头磨损预测、钻头结构类型确定最优的钻井参数机械钻速预测确定钻井工作定额35测定岩石的可钻性和研磨性二、岩石的可钻性影响因素岩石特性：矿物组成、组织结构特征、物理性质和力学性质（硬度、弹塑性、研磨性）岩石可钻性随压入硬度和研磨性的增大而降低，随塑形系数的增大而提高钻进技术工艺条件：钻进切削研磨材料、钻头类型、钻探设备、钻探冲洗介质、钻进工艺的完善程度，钻孔的深度、直径、倾斜度等36研究方法室内实验：