第一章-钻井工程地质条件—岩石

第一章钻井的工程地质条件,第一节地下压力特性第二节岩石的工程力学性质,第二节岩石的工程力学特性,一、岩石的类型及结构特点二、岩石的力学性质三、影响岩石力学性质的因素四、岩石的可钻性与研磨性,钻井遇到的一个矛盾,岩石容易破碎,井壁稳定,一、岩石的类型及特点,（二）钻井工程相关地质概念,地壳是由岩石组成的,岩石是由矿物组成的。矿物是各种化学元素在地质作用下形成的结晶态的化合物或单质。岩石的类型：火成岩（岩浆岩）、变质岩、沉积岩。在地壳中，火成岩占95%，沉积岩约5%，变质岩很少。在地表中，沉积岩占75%，火成岩和变质岩占25%。钻井深度一般不超过1万米，钻井主要破碎对象是沉积岩。,一、岩石的类型及特点,紫石英,橄榄石,自然金,（三）沉积岩类型（1）碎屑岩母岩风化后的碎屑物质经机械沉积作用后形成的岩石。碎屑颗粒(岩石、矿物碎屑)+胶结物(泥质、铁质、钙质、硅质)。,砾岩：颗粒大于1mm。主要是火成岩、变质岩碎屑，碎屑间由胶结物充填。,砂岩：颗粒0.11mm。石英、长石、辉石、角闪石、云母等矿物颗粒+胶结物,粉砂岩：介于砂岩和泥岩之间的一类岩石，颗粒尺寸0.10.01mm。,泥岩：颗粒小于0.01mm。主要成分为粘土矿物，并含有部分碎屑物质。,一、岩石的类型及特点,一、岩石的类型及特点,（三）沉积岩类型（2）化学沉积岩母岩风化后的溶解物质经化学沉积作用后形成晶质岩石。碳酸盐岩石灰岩，主要成分为石灰石（CaCO3）白云岩，主要成分为白云石（MgCa(CO3)2）硫酸盐岩石膏（CaSO4）岩盐食盐（NaCl）,在沉积岩中：泥岩60%，砂岩30%，碳酸盐岩居第三位。,白云岩,石灰岩,石膏,1.没有确定的化学组成和物理性质,一、岩石的类型及特点,（四）沉积岩的特点,3.倾斜的层状结构（地层倾角、层理、页理）是沉积岩的主要构造特征。,2.非均质性。即岩石不同部分可能具有不同物理力学性质。,4.微裂隙发育的多孔介质（孔隙度）。,5.各向异性，即岩石的某一性质随方向不同而不同。,第二节岩石的工程力学特性,一、岩石的类型及特点二、岩石的力学性质三、影响岩石力学性质的因素四、岩石的可钻性与研磨性,岩石受力后表现出来的变形特性和强度特性。弹性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。塑性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。,二、岩石的力学性质,二、岩石的力学性质,（一）岩石的弹性,衡量岩石弹性性质的参数：弹性模量E与泊松比。,1.弹性模量,（一）岩石的弹性,2.泊松比,二、岩石的力学性质,（1-29）,3.三个弹性参数的关系,（1-32）,二、岩石的力学性质,（二）岩石的强度,1.单向应力条件下岩石的强度,（1）单轴抗压强度,单轴压缩试验,2.抗拉强度,二、岩石的力学性质,（二）岩石的强度,1.单向应力条件下岩石的强度,巴西劈裂试验,二、岩石的力学性质,（二）岩石的强度,1.单向应力条件下岩石的强度,3.抗剪强度,二、岩石的力学性质,（二）岩石的强度,1.单向应力条件下岩石的强度,4.抗弯强度,二、岩石的力学性质,（二）岩石的强度,1.单向应力条件下岩石的强度,抗拉抗弯抗剪抗压,不管在哪种应力状态下，岩石的破坏都是因为其内部的拉应力超过岩石的抗拉强度而引起的拉伸破坏，或者是剪应力超过其抗剪强度而引起的剪切破坏。,2.复杂应力条件下岩石的强度,二、岩石的力学性质,（二）岩石的强度,P=2=3,P=2=3,1,1,压缩,拉伸,12=3,12=3,常规三轴试验：,2.复杂应力条件下岩石的强度,二、岩石的力学性质,（二）岩石的强度,2.复杂应力条件下岩石的强度,二、岩石的力学性质,（二）岩石的强度,三轴试验的应力应变曲线：,（三）岩石强度的一般规律,二、岩石的力学性质,1.简单应力条件下岩石强度一般规律在简单应力条件下，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。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。在动外力（如声波）作用下，大多数岩石服从直线虎克定律。一般情况下抗拉强度抗弯强度抗剪强度抗压强度。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。,（三）岩石强度的一般规律,二、岩石的力学性质,2.复杂应力条件下岩石强度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，岩石破坏前呈现的也塑性越大。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。,1.概念硬度岩石抵抗其它物体表面压入或侵入的能力。前苏联史立涅尔提出压入硬度（史氏硬度）表征岩石的抗压入性能。硬度与抗压强度区别：硬度是岩石表面的局部抵抗另一物体压入或侵入破碎时的能力，抗压强度则是岩石整体抗压碎能力。塑性系数表征岩石塑性和脆性大小的参数。定义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。,（四）岩石的硬度和塑性系数,二、岩石的力学性质,岩石硬度试验装置,7,7,1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,6,7,（四）岩石的硬度和塑性系数,二、岩石的力学性质,2.硬度试验,3.岩石硬度和塑性系数的计算：,二、岩石的力学性质,第二节岩石的工程力学特性,一、岩石的类型及特点二、岩石的力学性质三、影响岩石力学性质的因素四、岩石的可钻性与研磨性,（一）岩石结构的影响1.致密沉积岩的硬度与其造岩矿物的硬度有直接关系。一般地讲，主要造岩矿物成分的硬度越高，岩石越硬，越难破碎。如:玄武岩（斜长石、辉石,6）白云岩（白云石,4）石灰岩（石灰石,3）。2.砂岩和粉砂岩类碎屑岩的硬度主要取决于矿物成分和胶结物结构。矿物成分相同时，硅质胶结碎屑岩硬度最高，钙质次之，铁质再次之，泥质最低。泥质胶结大约比灰质胶结的同类岩石的硬度小三倍。3.泥质碳酸盐质岩石（泥岩、灰质泥岩、泥质灰岩、灰岩），随着碳酸岩含量的增加，硬度急剧增大。这是因为随着岩石含碳酸岩质的增加，质点间结晶联结作用增强的缘故。4.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。,三、影响岩石力学性质的因素,三、影响岩石力学性质的因素,（二）井底各种压力的影响,1.一般地讲，随着上覆岩层压力的增大，岩石强度增大，塑性也增大。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。,（三）液体介质的影响,液体，特别是加入表面活性剂的水，侵入孔隙时，吸附在固体表面使固体表能降低，同时还产生楔裂作用和减小固体变形时的内摩擦，结果导致强度降低。这种现象称为列宾捷尔效应。岩石强度（硬度）减低剂：电解质类：烧碱（NaOH）、石灰（Ca(OH)2）、氯化铝（AlCl3)和氯化钠（NaCl）、碳酸钠（Na2CO3）、水玻璃（Na2SiO4）有机化合物：皂类及一些合成润湿剂。,三、影响岩石力学性质的因素,（四）载荷性质的影响,1.抗压抗剪抗弯抗拉。2.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,第二节岩石的工程力学特性,一、岩石的类型及特点二、岩石的力学性质三、影响岩石力学性质的因素四、岩石的可钻性与研磨性,（一）、岩石的可钻性（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钻进的能力。2.评价方法微钻法试验装置：华石型岩石可钻型测定仪微型钻头：直径31.75mm（1-1/4in）试验条件：钻压889.7N（200磅）、转速55r/min可钻性指标：（1）钻时：钻进2.4mm孔深所需要的时间td（秒）（2）级值：Kd=Log2td,四、岩石的可钻性与研磨性,（一）、岩石的可钻性（RockDrillability）3.油矿地层可钻性分级,四、岩石的可钻性与研磨性,岩石磨损钻头切削刃材料的能力称为岩石的研磨性。至今尚没有统一的测定岩石研磨性的方法和分级标准。泥岩、盐岩、石膏等为研磨性最小的岩石；石灰岩和白云岩等碳酸盐类为低研磨性岩石；砂岩、粉砂岩类岩石研磨性较高；粒度越大，研磨性越高；胶结强度增大，研磨性降低；石英含量越高，研磨性越高。,（二）、岩石的研磨性（RockAbrasiveness）,本节重点1.岩石的组成（矿物颗粒与胶结物）2.岩石三大类（火成岩、变质岩、沉积岩）3、沉积岩类型（碎屑沉积岩、化学沉积岩）4.沉积岩的特点（结构特点、构造特点）5、岩石各向异性的概念6、岩石的力学性质（受力表现出来的变形特性