第二章：岩石破碎基本原理

1,第二讲岩石破碎基本原理,2.1四种常用的强度理论2.2岩石破坏准则2.3工具作用下岩石的应力分布2.4钻井岩石破碎机理2.5破岩工具的磨损机理,2,2.1四种常用的强度理论,一、最大拉应力理论（第一强度理论）,最大拉应力理论认为：引起材料断裂的主要因素是最大拉应力，而且，不论材料处于何种应力状态，只要最大拉应力3达到材料单向拉伸断裂时的最大拉应力值t，材料即发生断裂。,强度条件：,局限性：未考虑另外两个主应力的影响；对没有拉应力的状态无法应用；无法解释三向均压时，既不屈服也不破坏的现象；对塑性材料的破坏无法解释。,3,2.1四种常用的强度理论,二、最大拉应变理论（第二强度理论）,最大拉应变理论认为：引起材料断裂的主要因素是最大拉应变，而且，不论材料处于何种应力状态，只要最大拉应变3达到材料单向拉伸断裂时的最大拉应力值t，材料即发生断裂。,单向拉伸时：,单向压缩时：,三向应力时：,强度条件：,适用范围：适合于破坏形式为脆断的材料。,4,2.1四种常用的强度理论,三、最大剪应力理论（第三强度理论）,最大剪应力理论认为：引起材料断裂的主要因素是最大剪应力，而且，不论材料处于何种应力状态，只要最大剪应力max达到材料单向拉伸屈服时的最大剪应力值s，材料即发生屈服。且破裂面必定通过2而且与1、3成45交角（101平面）。,强度条件：,局限性：岩石的破坏面（法线）并不与最大主应力方向成45角；可以得出抗压强度与抗拉强度相等的结论，与岩石不符。,5,2.1四种常用的强度理论,四、畸变能理论（第四强度理论）,畸变能理论认为：引起材料断裂的主要因素是畸变能，而且，不论材料处于何种应力状态，只要畸变能密度Ud达到材料单向拉伸屈服时的畸变能密度Uds，材料即发生屈服。且破裂面必定通过2而且与1、3成45交角（101平面）。,三轴应力状态下的畸变能：,强度条件：,局限性：适用于塑性材料;可得出抗拉强度与抗压强度相等的结论，与岩石不符。,6,第二讲岩石破碎基本原理,2.1四种常用的强度理论2.2岩石破坏准则2.3工具作用下岩石的应力分布2.4钻井岩石破碎机理2.5破岩工具的磨损机理,7,一、岩石破坏形式与机制,2.2岩石破坏准则,1.岩石破坏形式,单轴压力作用下的劈裂（拉应力引起）三轴应力作用下的剪切破裂（剪应力引起）多重剪切破裂（剪应力引起）拉伸破裂（拉应力应力）集中力作用下的劈裂（拉应力引起）,8,任何材料的破坏，从两颗粒脱离的情况看，不外远离或错开两种可能。因此，物体破坏，归根到底，只有剪切破坏和拉伸破坏两种机制。,控制岩石破坏的基本因素是由外力引起的应力状态和岩石本身的性质。当外力所引起的应力超过了岩石抵抗破坏的能力(抗剪或抗拉强度)时，岩石就发生破坏。,一、岩石破坏形式与机制,2.2岩石破坏准则,2.岩石破坏机制,9,二、岩石破坏准则,岩石破坏准则指岩石在某应力或应变状态下产生破坏的判据。通常表示为极限应力状态下的主应力间的关系方程或处于极限平衡状态截面上的剪应力与主应力的关系方程。,或,由于岩石抗压强度与抗拉强度相差较大，所以材料力学中的第一（最大拉应力理论）、第二（最大拉应变理论）、第三（最大剪应力理论）、第四强度理论（畸变能理论）都不适用。,2.2岩石破坏准则,10,库仑-莫尔准则认为：在三向应力状态下，岩石将沿某一破裂面（不是最大剪应力作用面）发生剪切破坏。破坏条件是剪切破裂面上的剪应力必须达到或超过岩石本身的抗剪强度（粘聚力）和由正应力引起的内摩擦力之和。,三、库伦-莫尔准则（Coulomb-MohrCriterion）,2.2岩石破坏准则,称为岩石的内摩擦角。,内摩擦强度理论,11,剪切滑移面上的应力与主应力的关系,设最大主应力方向与剪切面法线方向的夹角为（称为剪切破坏角）。则在主应力123的作用下，忽略2的影响，可得剪切破坏面上的正应力和剪切力与主应力的关系为：,2.2岩石破坏准则,三、库伦-莫尔准则（Coulomb-MohrCriterion）,12,剪切滑移面上的应力与主应力的关系,莫尔应力圆：,剪切破坏角与内摩擦角的关系：,2.2岩石破坏准则,三、库伦-莫尔准则（Coulomb-MohrCriterion）,13,几个重要关系式推导：,三轴抗压强度：,单轴抗压强度：,单轴抗拉强度：,当内摩擦角为30时，,2.2岩石破坏准则,三、库伦-莫尔准则（Coulomb-MohrCriterion）,14,典型岩石的内聚力与内摩擦角,2.2岩石破坏准则,应用判断岩石在某一应力状态下是否破坏（一般用应力圆）预测剪切破裂面的方向进行岩石强度计算不适用于拉伸破坏。,三、库伦-莫尔准则（Coulomb-MohrCriterion）,15,格里菲斯（Griffith，1921）认为：脆性材料的破坏是由材料内部微裂纹尖端的应力集中引起裂纹扩展所致。在任何材料内部，都存在众多的随机分布的微裂纹。如果施加外力，在裂纹的端部将产生极大的应力集中（在裂纹尖端附近产生的拉应力可能达到所施加应力的100倍）。当在最有利于破坏方向的裂纹尖端处的拉应力等于或大于该点的抗拉强度时，裂纹开始扩展，最终断裂。,四、格里菲斯准则,2.2岩石破坏准则,16,1.单轴拉应力作用下的Griffith准则,Griffith认为：对单个裂隙，裂隙扩展时将释放弹性能，同时新形成的裂隙表面将有表面能的增加。当释放能量与增加表明能相平衡，则裂隙停止扩展。如果裂隙的增加导致总能量的连续减少，则整个固体系统变成不稳定系统，裂隙将继续扩展。,裂隙扩展释放的弹性能：,开裂面增加的表面能：,裂隙能量损失：,Griffith准则表达式：,（r为裂纹表面单位面积的表面能）,2.2岩石破坏准则,四、格里菲斯准则,17,2.双轴应力作用下的Griffith准则,裂纹扩展方向最终与最大主应力一致。,由平面格里菲斯准则可以得出：,2.2岩石破坏准则,四、格里菲斯准则,18,3.对Griffith准则的评价,（1）优点：岩石的单轴抗压强度是抗拉强度的8倍，符合岩石强度特点；证明了岩石在任何应力状态下都是由于拉伸引起破坏；指出裂纹延展方向最终与最大主应力方向一致。（2）缺点：仅适用于脆性岩石的破坏，而库伦-莫尔准则对一般岩石都适用.Griffith准则是岩石微裂纹扩展的条件，并非宏观破坏。,2.2岩石破坏准则,四、格里菲斯准则,19,3.格里菲斯准则的默雷尔（Murrell）推广：,2.1岩石破坏准则,Murrell将Griffith准则从二维推广到三维：,由Murrell准则可以得出：岩石单轴抗压强度为抗拉强度的12倍。,四、格里菲斯准则,20,第二讲岩石破碎基本原理,2.1四种常用的强度理论2.2岩石破坏准则2.3工具作用下岩石的应力分布2.4钻井岩石破碎机理2.5破岩工具的磨损机理,21,2.2工具作用下岩石的应力分布,一、破岩工具与岩石作用的主要方式,1.工具对岩石的基本作用力,利用工具破碎岩石时，不论工具以何种作用方式（冲击、压入、切削）破碎井底岩石，齿前岩石都要受到一个压力（垂直的、水平的）的作用。因此，压力是岩石受到的基本作用力。,22,2.2工具作用下岩石的应力分布,一、工具对岩石的基本作用,2.工具压碎岩石的基本现象,（1）不论什么样的工具、载荷、材料，当工具侵入岩石时，首先在工具的前方产生一个密实核，它是材料在巨大压力作用下发生局部粉碎或塑性变形而形成的。,（2）侵深不随载荷的增大而均衡地增加。在载荷增加之初，侵深按一定比例增加。当达到某一临界值时，便发生突然的跃进现象，密实核周围的岩石出现崩碎，形成破碎坑。,（2）破碎坑呈漏斗状。不论压头形式、侵入方法及岩石种类如何，漏斗顶角的变化不大，一般在6075度之间。岩石越硬，越大。,23,2.2工具作用下岩石的应力分布,二、布希涅斯克（Boussinesq）问题,1885年，法国人Boussinesq给出了弹性半空间体在边界上受法向集中力作用的弹性力学问题的解，称之为布希涅斯克问题。,；“+”表示压应力；“”表示拉应力。,式中：,24,2.2工具作用下岩石的应力分布,由于,布希涅斯克问题的解可变化为：,二、布希涅斯克（Boussinesq）问题,25,2.2工具作用下岩石的应力分布,二、布希涅斯克（Boussinesq）问题,当r=0，z0时，z轴上各点的应力分量为：,取主应力,两向拉伸，一向压缩，且压应力远大于拉应力。,根据最大剪应力理论，最大剪应力发生在与z轴成45的平面上：,26,2.2工具作用下岩石的应力分布,二、布希涅斯克（Boussinesq）问题,当z=0，r0时，表面上各点的应力分量为：,表面上各点处于纯剪切状态，存在拉应力。（两个主应力的绝对值相等，都等于剪应力，但一为拉应力，一为压应力）,27,2.2工具作用下岩石的应力分布,二、布希涅斯克（Boussinesq）问题,作用在水平截面上的全应力为：,在力P作用点与表平面相切的圆球面上各点，其水平截面上有大小相等，方向通过力P作用点的全应力。,28,2.2工具作用下岩石的应力分布,如果在半无限弹性体边界面上作用有多个集中力，可利用布西尼斯克解，运用叠加原理可求得半无限弹性体内的应力。,如果在半无限平面上作用有分布载荷，则可利用布西尼斯克解用叠加原理，积分求得半无限弹性体内的应力分量。,三、半无限弹性体边界面上受法向分布力作用的解,29,2.2工具作用下岩石的应力分布,对称轴上（0,0,z）处应力z:,设岩石平面上作用有面分布载荷p(r)。利用布希尼斯克解，再借助积分，可求出对称轴上（0，0，z）的应力。,三、半无限弹性体边界面上受分布力作用的解,30,（0，0，z）处的应力r，：,（由1，2微面积）,（由3，4微面积）,2.2工具作用下岩石的应力分布,三、半无限弹性体边界面上受分布力作用的解,31,积分，r：0a；：0/2，则：,2.2工具作用下岩石的应力分布,三、半无限弹性体边界面上受分布力作用的解,作业：设p(r)常数，求对称轴上的最大剪应力和最大的最大剪应力数值及位置。,32,圆柱平底压头压入岩石时，在压缩力P的作用下，岩石内产生弹性变形，压头将沿圆面与岩石接触。初期，接触面上的压力分布是不均匀的，边缘处的应力集中使岩石产生局部破碎或塑性变形。而在以后的继续压入时，压力便趋于均匀分布。,四、圆柱平底压头作用下岩石的应力分布,2.2工具作用下岩石的应力分布,33,利用布希尼斯克的解，用微分叠加并积分可求得对称轴z上的各应力分量：,2.2工具作用下岩石的应力分布,四、圆柱平底压头作用下岩石的应力分布,34,2.2工具作用下岩石的应力分布,四、圆柱平底压头作用下岩石的应力分布,各应力分量随z轴的变化情况:随z的增加，z减小的慢，r=减小的快；剪应力随z的变化开始由小到大，到一个临界深度z0处达最大值。,在载荷中心z=0处：,35,2.2工具作用下岩石的应力分布,四、圆柱平底压头作用下岩石的应力分布,对最大剪应力求极值，可得：,设=0.25，则z0=0.62a，max=0.345p。,36,2.2工具作用下岩石的应力分布,四、圆柱平底压头作用下岩石的应力分布,压头下相对剪应力（max/p）的等值线分布图,平底压头压入时，形成两个应力极值带：第一带为压头边缘（z=0,r=a);第二带为最大剪应力区（z=z0,r=0)。这两个极值点是岩石破碎的发源处。,37,弹性接触半径,五、球形压头作用下的应力分布,2.2工具作用下岩石的应力分布,r,接触圆内的压力分布,1.赫兹接触理论（H.Hertz，1881）,38,2.2工具作用下岩石的应力分布,五、球形压头作用下的应力分布,2.对称轴z上的应力分布,利用布希涅斯克的解，用微分应力叠加并积分可得：,39,2.2工具作用下岩石的应力分布,沿对称轴上的应力分量均为压应力，且最大剪应力发生在：在压力面边缘处（r=a，z=0）的应力为：,球体压入时，在岩体中存在两处危险的应力点：在对称轴上处剪应力最大；在压力面边缘处存在拉伸应力（纯剪切两向应力状态）。,五、球形压头作用下的应力分布,40,2.2工具作用下岩石的应力分布,六、圆柱体侧面压入的应力分布,2a,刚压入时，接触面是一条直线；继续加载后，由于接触体弹性应变的结果，接触区呈长方形（宽度为2a）。根据赫兹理论，有：,在条形区宽度方向上，压力分布同球体压入相似，按半圆形分布：,压力面中心线上的压力最大：,1.接触面上压力分布,41,2.接触面上的应力,六、圆柱体侧面压入的应力分布,2.2工具作用下岩石的应力分布,当x=a，压力边缘上的正应力都为零；当x=0，压力条形区中心线上的正应力达到极大。因此，压力面边缘上剪应力等于零，而压力中心线上的剪应力最大，为：,当，,42,3.沿Z轴的应力分布,六、圆柱体侧面压入的应力分布,2.2工具作用下岩石的应力分布,最大剪应力在深度z=0.75a处，最大剪应力为：,43,七、半无限弹性体边界面上受切向集中力的应力解,2.2工具作用下岩石的应力分布,设切向集中力QX沿x轴方向作用在原点处趋于零的小面积上。弹性半无限空间内任意点的应力分布为：,44,七、半无限弹性体边界面上受切向集中力的应力解,2.2工具作用下岩石的应力分布,表面上的应力，可通过代入z=0，R=0得到；通过叠加的方法，可以任意已知切向应力分布的在弹性体内产生的应力分量。,45,八、法向力和切向力联合作用下的应力分布,2.2工具作用下岩石的应力分布,1.在法向力和切向力的共同作用下，压头下的应力将是两种单独载荷作用下应力的叠加。,2.在法向力和切向力共同作用下，产生了不均匀的应力状态。各向压缩区随着切向载荷的增大而减小，出现拉伸区和过渡区。在过渡区内既有压应力作用，又有拉应力作用。,3.法向力和切向力之间存在最优的比值。也就是说，切削齿斜向破碎岩石时，对每一种岩石都一个最优的施力角，此时钻进效果最好。,46,第二讲岩石破碎基本原理,2.1四种常用的强度理论2.2岩石破坏准则2.3工具作用下岩石的应力分布2.4钻井岩石破碎机理2.5破岩工具的磨损机理,47,2.3钻井岩石破碎机理,钻井破岩方式,冲击压入破岩：柱齿钻头、牙轮钻头,切削破岩：刮刀钻头、PDC钻头,研磨破岩：金刚石钻头,48,一、冲击压入破岩,冲击压碎破岩是经由钻头齿直接给岩石施加一个集中的冲击力和静压力，或利用冲击机构间接给钻头牙齿施加一个冲击载荷，使钻头齿垂直岩石面侵入岩石，形成破碎坑。井底由一个一个的破碎坑连接而成。钻头齿的形状主要有半球形、锥球形和楔形等。,2.3钻井岩石破碎机理,49,2.3钻井岩石破碎机理,一、冲击压入破岩,1.密实核-劈拉理论,（a）变形阶段；（b）裂纹源产生阶段；（c）密实核形成阶段；（d）密实核储能阶段；（e）径向裂纹产生和粉劈阶段；（f）卸载阶段。,50,2.3钻井岩石破碎机理,（a）变形阶段：开始加载，产生接触变形，载荷做功以变形能形式储存在岩石内。（b）裂纹源产生阶段：在接触面下方约0.47a处产生最大剪应力，形成剪切裂纹源1；在接触面边缘产生最大拉应力，形成赫兹裂纹2。（c）密实核形成阶段：裂纹源扩展和交汇，形成脱离岩体的球形岩粉体(密实核)3（d）密实核储能阶段：随着载荷增加，球形密实核被压扁成椭球形，不产生新表面，载荷增大部分所做的功转变为密实核的变形能，有传递高压的作用。（e）径向裂纹产生和粉劈阶段：增加的载荷通过密实核传递给围岩，在切向方向上产生拉应力，超过抗拉强度时，在包围密实核的岩壁上产生径向裂纹。随后，岩粉楔入径向裂纹，造成裂纹尖端段应力集中，裂纹失稳扩展，迅速发展到自由面。,一、冲击压入破岩,1.密实核-劈拉理论,51,（f）卸载阶段：储存在岩石内的变性能和密实核内的变性能,在粉楔劈开岩石瞬间突然释放。由于突然卸载（压力），岩石内压应变改为拉应变，靠近密实核部分产生环状（与球形密实核表面平行的）裂纹。变性能的一部分转成表面能，大部分变成破碎体的动能，把破碎体抛出，形成体积破碎坑。破碎坑一般呈漏斗形，破碎角120150,2.3钻井岩石破碎机理,一、冲击压入破岩,1.密实核-劈拉理论,余静的破岩机理模型是按最大剪应力和最大拉应力准则判断裂纹的发生，又按劈裂概念判断主裂纹的传播。认为细粒岩粉是剪切错断造成的，大颗粒岩块是拉断的。还解释了加载和卸载在岩石破碎中的作用。,52,2.3钻井岩石破碎机理,一、冲击压入破岩,2.剪切破碎理论,球形压头压碎岩石的过程可分为弹性变形、压皱压裂和体积破碎三个阶段：弹性变形阶段载荷较小时（p0.4y），岩石发生弹性变形。这时，在压力变缘（a,b点）产生两组裂隙。载荷消失时，裂隙也消失。,奥斯特洛乌什柯,53,2.3钻井岩石破碎机理,一、冲击压入破岩,2.剪切破碎理论,压皱压裂阶段载荷继续增大（p=0.4y0.6y），a、b两组裂隙向深部发展，汇交于o点，形成主压力体（角锥体aob）;自a,b处又产生aC、bD裂隙。对软的塑性岩石，锥顶角约75左右；对硬的脆性岩石，锥顶角约60左右。,奥斯特洛乌什柯,54,体积破碎阶段载荷继续增加（py），压头与岩石接触面上产生压碎变形；ao、bo组裂隙自o点，aC、bD组裂隙自C、D点，均向自由面扩展，使裂隙贯通，所形成的剪切体Aoa、Bob开始甭离，形成AoB破碎坑。剪切过程处处遵守库仑-摩尔准则。破碎坑锥顶角一般为2。,奥氏是以剪切强度理论作为判断块体发生的准则，认为大颗粒岩块是剪断的。,2.3钻井岩石破碎机理,一、冲击压入破岩,2.剪切破碎理论,奥斯特洛乌什柯,55,早期的接触破坏压碎刃下岩石，形成压实体产生张开裂纹，并随载荷增加向下延伸产生剪切裂纹，并沿一定的轨迹向自由面扩展，剪切过程处处遵守库仑-摩尔准则产生大体大体积崩裂，形成破碎坑重复上述破碎过程。,夕卡斯基,2.3钻井岩石破碎机理,一、冲击压入破岩,2.剪切破碎理论,56,3.影响冲击压入破岩效率的因素,2.3钻井岩石破碎机理,一、冲击压入破岩,）表面破碎区：工具与岩石的接触压力远小于岩石硬度，工具不能压入岩石,此时岩石的破碎是接触摩擦功引起的,破岩效率低。,）疲劳破碎区：接触压力增大，虽小于岩石硬度，但可使岩石晶间联系破坏，多次加载，疲劳裂隙发展并交错，产生粗粒分离。,）体积破碎区：但接触压力大于岩石硬度，工具有效侵入岩石，形成破碎坑，产生体积破碎，分离出大块岩屑。,（1）载荷大小的影响,57,3.影响冲击压入破岩效率的因素,（1）载荷大小的影响,2.3钻井岩石破碎机理,一、冲击压入破岩,58,3.影响冲击压入破岩效率的因素,（2）工具形状和尺寸的影响,2.3钻井岩石破碎机理,一、冲击压入破岩,同一种压头，压入载荷与压头-岩石间的接触面积成正比；接触面积相同，不同形状压头侵入岩石所需之载荷不同，差别很大；,巴隆试验结果,59,3.影响冲击压入破岩效率的因素,（3）自由面的影响,2.3钻井岩石破碎机理,一、冲击压入破岩,伯吕克试验结果,在压头附近存在自由面，有利于侵入；压头侵入岩石所需载荷随压头离开自由面的距离增大而增大。,60,（3）自由面的影响,巴隆在大理岩、砂岩、花岗岩上试验的结果,相邻压头同时吃入，相互创造了自由面，有利于破碎。巴隆等人研究表明，相对间距t/d在12之间，侵入载荷降低40%左右；t/d超过4，和单独侵入没有区别；t/d小于1，压痕重叠，侵入载荷增大；当t/d等于0，侵入载荷可提高50%。,3.影响冲击压入破岩效率的因素,2.3钻井岩石破碎机理,一、冲击压入破岩,61,相邻两压头的合理距离，取决于形成的最大破碎坑的尺寸。当外载中心距大于或等于（D1+D2）/2，则O1CO2部分有可能不被破碎或不能被推出，从而形成两个切削刃间的岩脊。当外载中心距过小，则两个压实区过分靠近，等于扩大的各项压缩区，便使岩石在相邻压头间的那部分岩石发生大剪切的困难增加。适宜间距是在（D1+D2）/3（D1+D2）/2之间。,破碎坑的直径：对脆性岩石，D:d=58；对塑性岩石，D:d=34。,（3）自由面的影响,3.影响冲击压入破岩效率的因素,2.3钻井岩石破碎机理,一、冲击压入破岩,62,在载荷达到岩石的抗破碎强度的条件下，在一定冲击频率范围内，冲击破岩速度与冲击频率成正比增加。当冲击频率增加到一定数值，破岩速度反而下降。对某种岩石，存在一个最佳的冲击频率。在载荷达到岩石的疲劳强度而小于其抗破碎强度的条件下，增加冲击频率可提高破岩效率。,（4）加载速度的影响,3.影响冲击压入破岩效率的因素,2.3钻井岩石破碎机理,一、冲击压入破岩,63,（5）洗井介质的影响,冲击载荷作用下岩石的破碎属于脆性断裂。在大气条件下或低洗井介质压力条件，岩石一般表现为脆性，在冲击载荷作用下容易产生体积破碎。在高洗井介质压力条件下，岩石的塑性增大，甚至可能出现脆性向塑性的完全转变，冲击破岩效果差。,3.影响冲击压入破岩效率的因素,2.3钻井岩石破碎机理,一、冲击压入破岩,64,二、切削破岩,1.切削破岩原理,切削破岩是利用工具在轴向压力和扭矩的作用下作连续旋转或直线运动，一层层将岩石剥离母体的一种机械破岩方法。石油钻井用切削破岩工具主要有刮刀钻头和PDC钻头两种。,2.3钻井岩石破碎机理,65,二、切削破岩,徐小荷、余静切削机理模型,（1）变形阶段;（2）裂纹发生阶段;（3）成核阶段;（4）块体断裂阶段。,2.切削破岩机理,2.3钻井岩石破碎机理,66,（1）变形阶段刃尖与岩石接触，产生弹性变形。假设刃尖是具有有一定曲率的球体，根据赫兹理论，最大拉应力发生在接触面边界点附近，岩石内沿切削力方向的一定距离处的剪应力达到极值。（2）裂纹发生阶段接触边缘E、F两点的拉应力超过岩石抗拉强度时，产生赫兹裂纹；B点处最大剪应力超过岩石抗剪强度时，产生剪切裂纹源。切削力所做的功部分转成表面能。（3）成核阶段：剪切裂纹扩展到自由面与赫兹裂纹相交，岩石内已破碎的岩粉被挤压成密实的切削核，并向包围岩粉的岩壁施加压力，一部分岩粉从前刃面射出。（4）块体断裂阶段：岩粉施加的压力超过剪切面（L-K）剪切强度时，发生快体崩裂，完成一次跃进式切削破碎过程。裂纹将首先沿着近似于对数螺线的路径发展，然后向上弯曲至自由面。,二、切削破岩,2.切削破岩机理,2.3钻井岩石破碎机理,67,二、切削破岩,格雷的剪碎机理模型,格雷（GrayK.E.）认为，切削钻头的作用力可看作是作用于弹性半空间的线载荷，其剪应力轨迹为与最大主应力呈一定交角的对数螺线。当剪应力超过岩石的抗剪强度后，裂纹将首先沿着近似于对数螺线的路径发展，然后向上弯曲至自由面。,2.切削作用下岩石的破碎机理,2.3钻井岩石破碎机理,68,二、切削破岩,别隆切削机理模型,别隆采用高速摄影法记录下煤炭的切削颇似过程之后，认为：在切削过程中，随着刃-煤接触压力的增大，煤炭首先被挤碎成细粉末，并压实承压实体。当切削力增大到一定大小后，从压实体边缘产生大体积剪碎。,2.切削作用下岩石的破碎机理,2.3钻井岩石破碎机理,69,二、切削破岩,王成勇研究了辉绿岩、花岗岩切削断裂应力性质，提出了硬岩切削机理模型：,切削破岩过程为：在刃尖以及前刃面因挤压作用产生赫兹裂纹扩展，再被压碎；形成压实体，并由压实体代替刃尖切削；进一步切削，产生断裂纹，并按弧形轨迹向自由面扩展，形成大块体断裂切屑。切削压碎区是由拉应力衍生的为裂纹扩展形成的，但也不能排除剪引力的存在。断裂纹的生成和扩展主要是拉应力作用的结果，剪应力的作用较小。,2.切削作用下岩石的破碎机理,2.3钻井岩石破碎机理,70,3.影响切削破岩效率的因素,二、切削破岩,（1）岩性岩石性质对切削破岩效率有着非常重要的影响。切削破岩是利用切削刀具在两向力，即轴向压力和扭矩的共同作用下破碎岩石的一种准静载破岩方式，其破岩过程是连续的。当切削力达到或超过岩石的抗破碎强度时，可以实现连续切削，破岩效率高。当切削力小于岩石的抗破碎强度时，切削刀具不能吃入岩石，将出现“打滑”现象。因此，在软的、塑性、弱研磨性地层中，切削破岩效率较高；而在硬的、弹性较大的、强研磨性地层中，切削破岩效率较低，甚至“打滑”。,2.3钻井岩石破碎机理,71,（2）切削刀具的材料、形状和尺寸切削刀具的材料影响刀刃的强度、耐磨性和自锐性。切削刀具的形状影响刃下岩石的应力性质和分布状态，也影响刀刃的自锐性，从而影响岩石的破碎效率。切削刀具的尺寸对破岩效率有着非常重要的影响。在保证切削力能够达到岩石破碎强度的条件下，切削刀具的尺寸越大，破岩效率越高。但在切削力一定的条件下，切削刀具的尺寸越大，与岩石的接触面积越大，接触应力则越小，当小到低于岩石的抗破碎强度时，便无法使岩石破碎。因此，尺寸较小的切削刀具可以破碎较硬的岩石。但切削刀具过小，则强度低，磨损速度快，也将对破岩效率产生不利的影响。,3.影响切削破岩效率的因素,二、切削破岩,2.3钻井岩石破碎机理,72,（3）切削角切削刀具的切削角对破岩效率也有着十分重要的影响。切削刀具受轴向力和扭矩两向载荷的作用，切削角影响合力的大小和方向，从而影响刃下岩石的应力性质和分布状态。因此，存在着一个最优的切削角。最优切削角与岩石性质、刀具形状及尺寸等因素有关。,3.影响切削破岩效率的因素,二、切削破岩,2.3钻井岩石破碎机理,F,FV,R,F,F,P,R,P,P,R,F,刮刀钻头,PDC钻头,柱齿、牙轮、金刚石,73,2.3钻井岩石破碎机理,3.影响切削破岩效率的因素,二、切削破岩,（4）钻进参数钻压和转速等参数也影响切削破岩效率。地层越硬，有效破碎岩石需要的切削力越大，钻压硬越大。转速越高，破眼效率越高，但刀具磨损越严重。,74,三、研磨破岩机理,1.研磨破岩原理,孕镶式,研磨破岩是利用金刚石破碎岩石的一种破岩方法。金刚石颗粒在轴向力和扭矩的作用下，连续研磨、刻划、犁削岩石，达到破碎岩石目的。金刚石在钻头上的镶嵌方式有表镶式和孕镶式两种。,2.3钻井岩石破碎机理,75,2.金刚石破岩现象,（1）单粒金刚石的破岩现象（武汉地质大学）,单粒天然金刚石金刚石：浑圆状，粒度2.5mm（810粒/克拉）岩样：大理岩、石灰岩、花岗岩轴向压力：1015kg/粒，在岩样上缓慢旋转一周，测量刻槽深度、宽度，观察刻槽形状和岩粉大小如下表：,四、研磨破岩机理,2.3钻井岩石破碎机理,76,试验结论：在两向载荷作用下，金刚石破岩效果比单向静压入好得多；岩粉尺寸为压入深度的几倍和几十倍，说明岩石破碎具有体积破碎的性质，破碎坑为漏斗形。切削刃后侧都出现向上翘起的条状岩屑，长度达1820mm，说明岩石内部不是单纯的压应力，在靠近金刚石移动的后部产生拉应力，卸载时形成拉应力破碎。,（1）单粒金刚石的破岩现象,2.金刚石破岩现象,四、研磨破岩机理,2.3钻井岩石破碎机理,77,（2）金刚石钻头钻进破岩现象（前苏联）,2.金刚石破岩现象,四、研磨破岩机理,前苏联金刚石钻头钻进花岗岩实验结果,表镶钻头的岩粉颗粒比孕镶钻头大914倍；表镶钻头金刚石颗粒侵深计算值为25微米，孕镶钻头金刚石颗粒侵深计算值约零点几微米，而岩粉颗粒比金刚石颗粒侵深大得多。,2.3钻井岩石破碎机理,