第一章钻头岩石性质

第一章钻头岩石性质第1页，共25页，2023年，2月20日，星期一

概述1.钻头类型(1)按结构及工作原理分类刮刀钻头、牙轮钻头、PDC钻头、金刚石钻头(2)按功用分类全面钻进钻头、取心钻头、扩眼钻头2.钻头尺寸系列

4-3/4~26in3.工作指标钻头进尺（米）钻头工作寿命（小时）机械钻速（米/小时）单位进尺成本（元/米）：第2页，共25页，2023年，2月20日，星期一一、岩石的机械性质（力学性质）

1.几个概念

岩石的力学性质—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。第一节岩石的工程力学性质第3页，共25页，2023年，2月20日，星期一脆性——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。第4页，共25页，2023年，2月20日，星期一

弹性模量和泊松比虎克定律：泊松比：弹性系数之间的关系：σ—应力；ε—应变；E—弹性模量τ—应力；γ—剪应变；G—剪切弹性模量（各向同性材料）第5页，共25页，2023年，2月20日，星期一

2.简单应力条件下岩石的力学性质

简单应力条件：岩石受单一外载（压、拉、剪、弯）作用。

（1）试验方法

抗压试验抗拉试验-巴西实验第6页，共25页，2023年，2月20日，星期一抗剪试验抗弯试验第7页，共25页，2023年，2月20日，星期一破坏方式第8页，共25页，2023年，2月20日，星期一（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。第9页，共25页，2023年，2月20日，星期一3.复杂应力条件下岩石的力学性质

(1)三轴岩石试验

σ1σ2=σ3σ1σ1σ1σ2σ3

σ2=σ3σ2σ3第10页，共25页，2023年，2月20日，星期一

常规三轴试验：σ1＜σ2=σ3σ1＞σ2=σ3P=σ2=σ3P=σ2=σ3σ1σ1压缩拉伸第11页，共25页，2023年，2月20日，星期一（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。σ3=0σ3=23.5σ3=50σ3=85σ3=165σ3=326XXXXσ3=0σ3=27.5σ3=55.5σ3=155σ3=217.5σ1－σ3，MPaσ1－σ3，MPa第12页，共25页，2023年，2月20日，星期一

4.岩石的硬度和塑性系数硬度的概念

岩石抵抗其它物体表面压入的能力。石油工业中的岩石硬度是压入硬度，也称为史氏硬度，是由前苏联史立涅尔提出的。

硬度与抗压强度区别： 硬度是岩石表面的局部抵抗外力压入的能力，抗压强度则是岩石整体抗压的能力。塑性系数表征岩石塑性和脆性大小的参数。第13页，共25页，2023年，2月20日，星期一

岩石硬度试验装置

771—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6压入硬度和塑性系数的测定方法——压入试验第14页，共25页，2023年，2月20日，星期一岩石硬度和塑性系数的计算：塑性系数:第15页，共25页，2023年，2月20日，星期一岩石按塑性系数分类（3类、6级）第16页，共25页，2023年，2月20日，星期一硬度Py:

MPa对脆性和塑脆性岩石：MPa对塑性岩石：岩石按硬度的分类（6类、12级）P——破坏载荷；P0——弹性变形载荷第17页，共25页，2023年，2月20日，星期一5.岩石的破碎特征

1).脆性岩石只有弹性变形无塑性变形。破碎特点是:变形深度ε很小，而破碎深h度远大于变形深度破碎面积S0远大于压模面积SεhS0Sεp第18页，共25页，2023年，2月20日，星期一

2).塑脆性岩石先产生弹性变形后产生塑性变形，最后发生塑性破碎。破碎特点是:ε较大，但h>ε，且S0

＞S。εhS0Sεp第19页，共25页，2023年，2月20日，星期一

3).塑性岩石只有塑性变形而无脆性破碎h=ε，S0＝S。εhS0Sεp第20页，共25页，2023年，2月20日，星期一二、影响岩石力学性质的因素分析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。第21页，共25页，2023年，2月20日，星期一3.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4.温度的影响地温梯度约为30度/km。高温条件下塑性增大强度减小。

5.液体介质的影响分散性介质对岩石强度有降低的作用。

第22页，共25页，2023年，2月20日，星期一三、岩石的可钻性和研磨性

1.岩石可钻性(RockDrillability）

（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。第23页，共25页，2023年，2月20日，星期一级别ⅠⅡⅢⅣⅤⅥⅦⅧⅨⅩtd/秒＜44~＜88~＜1616~＜3232~＜6464~＜128128~＜256256~＜512512~＜1024≥1024Kd＜22~＜33~＜44~＜55~＜66~＜77~＜88~＜99~＜10≥10分类极软软中软中中硬硬极硬（3）可钻性分级第24页，共25页，2023年，2月20日，星期一2.岩石研磨性（RockAbrasiveness）岩石磨损钻头切削刃材料的能力称为岩石的研磨性。

1）.岩石研磨性的概念在钻进过程中，钻头在破碎岩石的同时，也被岩石磨损，我们把岩石磨损钻头的能力称为岩石的研磨性。

2）.岩石研磨性的测定方法及