石油钻井设备与工具--岩石基本知识(PPT 66页).ppt

1、第一节 岩石及其力学性质,钻头是破岩的工具，因此必须了解破岩的工作对象岩石及其机械、力学性质。,一、岩石的基本知识,岩石破碎的难易程度与岩石的物理力学性质密切相关，而不同类型的岩石的性质差别较大，因此必须了解岩石的类型、成分、组织结构。,表 依南5井地层分层及主要岩性描述,一）岩石的组成 1、岩石是一种或多种矿物的集合体。,2、矿物,定义：地壳中的化学元素，在一定的自然条件下结合而成的天然化合物或单质，是地壳物质最基本的组成单元。,种类： 除了一些碳、硫和少数金属外，几乎所有的矿物都是含有两种以上元素的化合物。有些元素出现在许多矿物中，最常见的是氧和硅。常见的造岩矿物有12种，它们构成地壳岩石

2、的99%，其余造岩矿物虽有千种以上，但是只占地壳总数的1%。,3、元素 构成矿物的基本组分。 现在已知的元素有109种，地壳中主要含有8种元素，这8种元素占地壳成分的98.6%,组成地壳的八种主要元素,二）岩石的类型,岩石从成因上来划分，分为三大类：岩浆岩、沉积岩、变质岩。,岩浆岩：地质作用的产物，系地壳深处的岩浆沿地壳裂隙上升冷凝而成。 沉积岩：在地表条件下母岩风化剥蚀的产物，经搬迁、沉积和硬结等成岩作用而形成的岩石。组成沉积岩的物质成分有颗粒和胶结物两大类。 变质岩：沉积岩或变质岩本身在地壳中受到高温高压及化学活动性流体的影响而变质形成的岩石（原岩成分和变质岩特有的，如石墨、滑石，蛇纹石，

3、硅灰岩等）。,三）沉积岩 石油钻井遇到的岩石主要是沉积岩，因此需要详细了解沉积岩的特点。 分析岩石的组织时，我们必须要注意岩石的两个主要特征：结构和构造。 结构是表明岩石的微观组织特性，即指矿物颗粒的大小、形状和表面特性等，它决定着岩石的强度和硬度等； 构造是表征岩石的宏观组织特征，即指岩石中矿物或碎屑彼此之间的组合形式和空间分布情况等，它决定着岩石的各向异性和裂隙性。,1、沉积岩的结构 矿物颗粒之间有孔隙，这些孔隙被胶结物或者细粒填隙物质充填。这些填隙物质称为胶结物。胶结物的性质对岩石的性质有很大影响。 沉积岩胶结类型主要有以下四种： 基底胶结：填隙物为杂基且含量多，碎屑颗粒呈星点状分布；

4、孔隙胶结：胶结物含量少，只充填在碎屑之间的孔隙中； 接触胶结：和孔隙胶结类似，但胶结物含量更少，只分布在颗粒之间的孔隙内； 镶嵌结构：颗粒之间呈凹凸线状接触，似乎没有胶结物。,矿物,胶结物,普赖斯(price)建立了某些砂岩的强度(单轴抗压强度)与结构的关系。 在相同胶结物的条件下，矿物强度越高或含量越高所组成的岩石其强度也高； 在矿物相同的情况下，胶结物的强度越高岩石强度则越高。通常，硅质胶结铁质胶结钙质胶结泥质胶结。,2、沉积岩的构造层理 层理形成的原因： 沉积岩常具有一层一层近似平行的层理，为不同时期沉积环境变化所制。最初的层理近似水平，其后受到地壳变动影响可能倾斜、弯曲或断裂。 层理的

5、分类： 层理大致可分为四类： A、成分相同颗粒大小在垂直方向上的变化 B、不同成分颗粒的交替沉积 C、某些矿物颗粒指向相同 D、某种矿物颗粒呈规律性的分布,在某些岩石中的化学沉积物，层理表现的很不明显。有时在砂岩和层状岩石中，只有在很大块岩石中才可以区别出层理来。 在钻井地质剖面上所表现的岩性变化、软硬夹层等就是层理变化的反映。,3、沉积岩的主要种类,常见的沉积岩主要有：石灰岩、白云岩、蒸发岩、砾岩、砂岩及页岩等。 其特点如下： 1、石灰岩：主要矿物成份为方解石。质地細密。 2、白云岩：主要矿物为白云石，与石灰岩类似，质地比石灰岩硬。 3、蒸发岩：为海水或湖水蒸发而成的岩石，如石膏等。 4、砾

6、岩：由圆形或似圆形的砾石与砂及黏土胶結而成的岩石。 5、砂岩：矿物成份以石英、长石为主，含有各类胶结物。 6、页岩：页岩是压实了的粘土，为粘土或与泥土组合成的岩石。,岩石力学性质是岩石在受外力作用后所表现的性质。包括岩石的变形特性、强度特性、表面特性等。 变形特性包括弹性、塑性和脆性； 强度特性包括抗压、抗剪、抗拉和抗弯强度； 表面特性包括硬度和研磨性 这些力学性质对钻进速度、碎岩功耗和钻头寿命等有直接的影响。,二、 岩石的力学性质,一）岩石的变形特性,(一)岩石弹性、塑性概念 岩石的变形可能有两种情况：一种是外力撤除后岩石的外形和尺寸完全恢复原状，这种变形称为弹性变形或可逆变形；另一种是外力

7、撤除后岩石的外形和尺寸不能完全恢复而产生残留变形，这种情况称为塑性变形或不可逆变形。 衡量岩石弹性的指标： 弹性模量 ： 波松比： 为横向应变，为纵向应变。,衡量岩石塑、脆性的指标：,岩石的塑性系数Kn：破碎前所消耗的总能量与弹性变形所消耗能量之比。,（二）岩石的三种破坏形式,外力作用于岩石时，岩石发生变形。随后，载荷不断增加，变形也不断发展，最终导致岩石破坏。岩石从变形到破坏又可能有三种形式。如果破坏前实际上不存在任何不可逆的变形，则这种破坏称为脆性破坏，如果破坏前发生大量的不可逆变形，则这种破坏形式称为塑性破坏，如果先经历弹性变形，然后塑性变形，最终导致破坏，则岩石的这种破坏形式称为塑脆性

8、破坏。三种破坏形式的岩石分别称为脆性岩石，塑性岩石，塑脆性岩石。,图(a)是脆性岩石的变形曲线其特征是破坏前没有明显的不可逆变形，当外载一旦达到弹性极限，岩石立即破坏。这种破坏形式消耗能量最少，破坏传播速度近于声速。 图中(b)是塑脆性岩石的变形曲线，OA是弹性变形段， A点之后即转入塑性变形区。形变由弹性变形转为塑性变形时的载荷称为屈服极限或流变极限。到达D点后，岩石即发生破碎。 图中(c)是施加不大的载荷情况下就开始塑性变形，其后形变随变形时间的延长而增长，曲线倾角趋近于零。这种变形曲线对于塑性岩石是有代表性的。,(三)岩石的变形特性 弹性理论认为理想材料的弹性应变都是暂时的,并随着应力的

9、解除而完全可以恢复。在弹性范围内应力和应变的关系服从虎克定律。 实验得知，在任何应力状态下，矿物都服从虎克定律，而岩石大都不遵守虎克定律。这是因为矿物可以认为是均质连续的，而岩石受力后常伴空隙的压实过程。,由表可以看出岩石的弹性模量是变化的。实验证明它与应变种类和所加载荷的大小都有很大关系。,岩石的弹性模量和波桑比,(四)影响岩石弹性、塑性和脆性的因素,影响岩石变形特性的因素主要有岩石的物质成分、受力条件、温度和湿度等。 1岩石类型及其物质成分 一般岩浆岩和变质岩的弹性模数大于沉积岩，而塑性系数则相反。 对于沉积岩来说，弹性模数决定于岩石的碎屑和胶结物以及胶结状况。在胶结物和胶结状况相同的情况

10、下，碎屑颗粒的弹性模数大，则岩石的弹性模数也大；在碎屑颗粒成分相同的情况下，胶结物为硅质者，岩石的弹性模数最大，胶结物为钙质者次之，胶结物为泥质者最小。,2岩石结构、构造的影响 造岩矿物颗粒的大小对弹性模数有较大的影响。细粒岩石的弹性模数大于粗粒岩石，如细砂岩的E=3.0 x104MPa，而粗砂岩的E=2.77x104MPa。 层理对岩石的弹性模数也有明显影响。平行于层理方向的弹性模数E大于垂直于层理方向的弹性模数E ，如泥质页岩E E2，这是因为岩石颗粒定向排列，在垂直于层面方向加载时，在岩石的弹性限度内形变较大，而沿平行于层理方向加载，形变较小的缘故。 岩石孔隙度增加，其弹性模数降低，塑性

11、系数增加。例如沉积岩，其胶结形式为基底胶结者，孔隙度较小，弹性模数大，而胶结形式为充填胶结或接触胶结者，孔隙度较大，弹性模数小。 岩石越均质致密，弹性模数越大，塑性系数越小;岩石结构缺陷越多,裂隙越发育，弹性模数越小，塑性系数越大。,3应力状态 在不同的应力状态下，岩石的变形性质存在着很大的差别。在单向压缩下岩石往往表现为弹性脆性体，破坏前无显著的塑性变形。但是在各向压缩下岩石则表观出不同程度的塑性，破坏前都要产生一定的塑性变形。 深部孔底的岩石受上覆岩层压力、孔内液柱压力和地层孔隙压力的综合作用，处于三向应力状态。为了了解岩石在各向压缩下的力学性质，通常进行模拟孔底状态的三轴试验。 试验表明

12、，随着围岩压力增大，岩石表现出从脆性到塑性的转变，并且围岩压力越大，岩石破坏前呈现的塑性也越大。对于深孔钻进来说，研究岩石从脆性到塑性的转变点(即从脆性变为塑性的围岩压力，又称临界围压)有很大实际意义。因为脆性破坏和塑性破坏是两种本质不同的破坏，破碎这两种状态的岩石应采用不同的破碎方式、破碎工具和破碎参数。,4.加载方式 同一种岩石受压缩时，颗粒之间距离缩小，颗粒间相互作用力有所增大，故弹性模数表现提高，而受拉伸时，颗粒之间距离增大，颗粒间相互作用力减小，故弹性模数降低。压缩时的弹性模数是拉伸时弹性模数的1.54倍。弯曲时的弹性模数是拉伸时弹性模数的1.11.3倍。,二）岩石的强度特性,（一）

13、岩石强度的概念 岩石在载荷不断作用下变形到一定程度就发生破坏。破坏前岩石所能承受的最大载荷称为极限载荷，单位面积上的极限载荷称为极限强度。 研究岩石的强度特性就是研究极限强度特性。岩石强度的单位是Pa(帕)或MPa(兆帕)。 根据受力条件不同，岩石的极限强度可分为抗压强度、抗拉强度、抗剪强度和抗弯强度等， 根据应力状态，岩石强度又可分为单向应力状态下的强度、两向应力状态下的强度和三向应力状态下的强度。,(二)影响岩石强度的因素 1岩石的物质成分 不同矿物组成的岩石具有不同的强度。例如，石英是强度较大的造岩矿物，岩石中石英含量高，并且石英颗粒在岩石中连结成骨架时，则岩石的强度也高，而方解石和白云

14、石等强度较小，因此在碳酸盐类岩石中方解石含量增加，则岩石强度降低。 对于沉积碎屑岩来说，胶结物的成分对岩石强度有较大的影响。例如，硅质胶结的砂岩，其抗压强度高达200MPa以上，而钙质胶结的砂岩，强度则为20100MPa；泥质胶结的砂岩，强度往往在20MPa以下。岩石中胶结物所占比例越大，胶结物对岩石强度影响越大，而被胶结的岩屑或矿物对岩石强度的影响越小。,2岩石的结构、构造 矿物颗粒大小对岩石强度有一定的影响。一般说来，细粒岩石的强度高于粗粒岩石的强度，并且颗粒越细，这种影响越大。例如，粗粒花岗岩的抗压强度是80 120MPa，而细粒花岗岩的抗压强度则高达200250MPa。 另一对岩石强度

15、有影响的因素是层理。层理发育岩石的强度具有明显的各向异性。垂直于层理方向的抗压强度最大，平行于层理方向的抗压强度最小，与层理方向呈某种角度时的抗压强度介于二者之间。,2-6,3岩石的容重和孔隙度,同一种岩石，其孔隙度增加，容重降低，从而岩石强度也降低，反之亦然。例如石灰岩容重由1.5x104Nm3增加到2.7x104Nm3时，其抗压强度就由5MPa增至180MPa。又如砂岩的容重由1.87x104Nm3 增加到2.57x104Nm3 时，其抗压强度也由15MPa增加到90MPa。 一般来说，岩石的孔隙度随其埋藏深度的增加而减小。因此，岩石的强度随其埋藏深度的增加而增大。例如，埋藏在深部的粘土的

16、强度比靠近地表处的粘土的强度大。,4加载方式 岩石的抗压、抗拉、抗剪和抗弯强度有很大的差别。在单向应力状态下，岩石的抗压强度最大，而抗拉强度最小，抗剪和抗弯强度介于抗压和抗拉强度之间。这是因为岩石受压缩的颗粒之间的距离缩小，颗粒间相互作用力增加，所以强度增加；而受拉伸时颗粒之间的距离增大，颗粒间相互作用力减弱，所以强度下降。 岩石的抗剪强度约为其抗压强度的15111；岩石的抗弯强度约为抗压强度的15112，而岩石的抗拉强度仅为岩石抗压强度的110150。 利用岩石抗剪、抗弯和抗拉强度小的弱点，寻求相应的破碎方法，对提高碎岩效率非常有利。,2-7,2-8,5应力状态,岩石在两向应力和三向应力状态

17、下，其抗压强度比单向应力状态下要高出许多倍。岩石的强度极限随着围压的增加而明显增大。例如当围压从零增加到165MPa时，大理岩的抗压强度从136增加到490MPa，当围压从零增加到155MPa时，砂岩的强度从69增至330MPa。 岩石强度随围压增加而增大的原因是：岩石的围压增大，各向压缩增强，岩石的体积产生压缩，使颗粒间的距离缩短，甚至使矿物颗粒内部体积减小，结果颗粒之间、甚至颗粒内部质点间的相互作用力增强，从而表现为对外载的抗力增大。在围压作用下岩石强度增大的程度取决于该类岩石的组织特征和物质成分。,6载荷速度 实验证明，岩石的强度与外载作用的速度、或者说与其内部应力增长的速度有密切的关系

18、。载荷速度越快，则岩石强度越高。 在动载条件下岩石强度增大主要原因是由于外力作用的短暂性。岩石的变形和破坏，不论其特性如何，在一定程度上都依赖于时间。如果加载速度太快，则在应力波的作用时间内破碎变形难以得到充分的发展，因而表现出较大的抗力。,岩石的抗压强度也是随着加载速度的增加而增大的。在高速加载时(例如冲击试验)得到的抗压强度值要比低速加载时(例如一般材料试验机的加载)大得多。图29表示几种岩石在不同变形速率下的抗压试验结果。,2-9,2-9,三）岩石的表面特性,岩石的表面特性包括岩石的硬度和岩石的研磨性。 （一）岩石的硬度 1、岩石硬度的概念 岩石硬度通常被认为是岩石表面对工具压入的反抗特

19、性。衡量单位是Pa(帕)或MPa(兆帕)。 岩石硬度与抗压强度有一定联系，但又有很大区别，岩石抗压强度是岩石整块抗破碎的阻力。根据理论分析，岩石抗压入硬度为单向抗压强度的(1+2)倍。试验表明，压入硬度与单向抗压强度之比在520之间。造成差别的原因是：测定压入硬度实际上是使岩样产生局部压碎，而这种局部压碎是在多向受压状态下进行的。,另外要说明的是：岩石硬度指的是岩石的组合硬度或胶结硬度，而不是岩石中某一矿物的硬度。很多岩石的胶结硬度虽然相同，但是组成该岩石的矿物及其硬度却大不相同。 一般认为，岩石的硬度对钻进时岩石破碎的速度起重大影响；而矿物颗粒的硬度，对钻进过程中工具的磨损有显著的影响。,2

20、.影响岩石硬度的因素,(1)岩石的矿物成分 岩石胶结物成分相同，矿物颗粒或岩石碎屑成分不同时，石英及其它坚硬矿物或碎屑含量越多，则岩石硬度越大。如果碎屑成分相同，胶结物不同，则胶结物硬度越大，岩石硬度也越大。例如钙质胶结岩石的硬度是泥质胶结岩石的1.41.8倍。另外，在胶结物成分相同的情况下，胶结形式也影响岩石硬度。基底胶结者最硬。,(2)结构、 岩石颗粒越小，结构越致密，岩石的硬度越大。岩石多孔，裂隙发育，孔隙度高，密实度低，岩石的硬度将会下降。 (3)构造 层理对岩石硬度的影响正好与对强度的影响相反。垂直层理方向的硬度值最小，而平行层理方向的硬度值最大。这是因为沿层理方向岩石颗粒的定向排列

21、而使硬度升高。实际测定证明：层理弱的岩石，平行层理方向的硬度与垂直层理方向的硬度之比为1.051.2而层理明显的岩石，两者之比可达1.51.8左右。这说明了在垂直于岩石层理方向上钻进比较容易。岩石硬度的这种各向异性现象，可以很好地解释孔斜的原因和规律性，并利用这一现象来实施定向钻进。,(4)应力状态 在各向均匀压缩的情况下，岩石硬度增加。各向压力加大到100MPa时，大理岩的硬度提高到1.86倍，泥灰岩提高到3.06倍,白云岩提高到1.35倍 (表211)。对泥质碳酸盐岩、砂岩、粉砂岩的试验也表明：硬度可增大到1.13.6倍。在常压下硬度越低的岩石，随着围压增加，其数值增长越快。 由此可见，孔

22、底围压越大，岩石硬度越高，破碎岩石越难，钻进速度将会下降。,(5)载荷速度 动载时，随着加载速度的增大，固体内晶格扭曲没有足够时间得到充分松弛，破碎变形得不到充分的发展，所以破碎单位体积岩石所消耗的能量增加，使岩石抗破碎阻力增大。,从图中可以看出，随着冲击速度增加，大理岩的塑性系数Kn降低，而硬度Hy和屈服极限Po增高，单位体积破碎功a也不断增大。尤其是冲击速度大于30m/s以后，硬度和屈服极限增大更为剧烈。但是，在冲击速度小于10ms时，硬度变化不大。 冲击速度对低强度、高塑性及多孔性岩石性质的影响,要比对高强度、低塑性岩石的影响大得多。,（二）岩石的研磨性 1.岩石的研磨性的概念 在用机械

23、方法破碎岩石的过程中，钻头与岩石产生连续的或间断的接触和摩擦。钻头破碎岩石的同时，其自身也受到岩石的磨损而逐渐变钝。岩石磨损钻头的能力称为岩石的研磨性。 钻头被磨损，一方面增加了钻头的消耗，另一方面降低了破碎岩石的效率。因此，研究岩石研磨性及其规律，将直接关系到钻头寿命、生产效率和成本。岩石研磨性是选择碎岩工具、设计钻头、确定钻进规程参数和制订钻头消耗定额的依据之一。,2、磨粒磨损理论 岩石对钻头的磨损形式以磨粒磨损为主。以下以磨粒磨损理论探讨影响磨损的因素。,根据现代摩擦理论可知，当两物体压紧并作相对移动时，两物体的表面就会产生磨损。磨损量的大小首先决定于两物体间的摩擦力和移动的距离，即摩擦

24、功。 两物体滑动摩擦时所作的功为： A=spF v t Nm 式中 p接触面上的正压力，Nm2； F接触面积， m2； v滑动速度，ms；t摩擦时间，s；动摩擦系数。,固体的体积磨损量V与摩擦功成正比，即V=A。 此处， 为体积磨损系数(cm3N m)， H1，H2为与对磨材料的硬度有关的参数； c为与摩擦磨损环境有关的参数。因此： V= A= spF v t 从上式可以看出：材料的研磨性与摩擦力、对磨材料的性能、表面粗糙程度、摩擦面温度、滑移速度、磨损产物的清除情况、参与摩擦的介质等诸多因素有关。 岩石研磨性，反映着岩石在具体试验条件下的表现，这些条件的改变，可能导致磨损过程的剧烈变化。,3

25、、影响岩石研磨性的因素,(1)岩石的矿物成分 岩石中造岩矿物的硬度、矿物颗粒间的硬度差，对岩石研磨性都有明显的影响。矿物颗粒本身硬度越大，颗粒间硬度差越大，岩石的研磨性越强。 石英及其它坚硬矿物的研磨性很强，其在岩石中所占比例对岩石研磨性影响很大。例如：石英砂岩的研磨性可能比长石砂岩高20倍。,(2)结构特征,造岩矿物粒度表现为岩石表面的粗糙度。例如粉砂岩的粒度比砂岩小2334，所以在硬度相同的情况下，粉砂岩的研磨性比砂岩小。同理细粒花岗岩的研磨性低于粗粒花岗岩。 矿物颗粒棱角、软硬变化、孔隙度，对岩石的研磨性都有影响。岩石矿物颗粒棱角度、软硬差别、孔隙度越大，岩石的研磨性就越大。 研磨性随其

26、胶结物强度的降低而增加。这是因为胶结物强度降低，则岩石的表面易于更新，从而对工具的磨损能力增强。,(3) 正压力 试验证明，当工具与所破碎的岩石表面摩擦时，在单位面积上的正压力未达到岩石的硬度值以前，动摩擦系数是正压力的增函数，即其值随正压力的增加而增大。但是，单位面积上的正压力增加到超过岩石硬度值以后，动摩擦系数值便保持为常数，间或还有所降低。这种现象可以解释为：当单位面积上的正压力未达到岩石硬度值以前，工具与岩石为点接触，随着正压力的增加，工具颗粒与岩石颗粒之间的粘滞力可能加大，因而摩擦系数增大；当单位面积上的正压力超过岩石硬度值时，岩石产生体积破碎，工具颗粒与岩石颗粒之间的粘滞关系改变，

27、因而摩擦系数保持为常数或略有降低。,（4）滑动速度 滑动速度即工具与岩石的摩擦速度。随着摩擦速度增大，起初磨损率的增长较小，当摩擦速度增大到某一临界值，磨损率急剧增大。图表明在砂岩中工具磨损率与摩擦速度(或切削速度)的关系。,介质能够改变工具和岩石之间的摩擦特性。一般岩石表面干燥时，摩擦系数大，表面变潮或润湿后，摩擦系数下降；当有表面活性剂溶液或乳状液存在时，因其润滑作用大而使摩擦系数更小。这是因为摩擦表面有介质存在时，减弱了摩擦物体表面之间的相互作用力。当表面活性剂溶液或乳状液润湿岩石时，它们吸附在摩擦表面，形成单分子膜或润滑层，使摩擦发生在润滑层之间，因而动摩擦系数大大减小。,（5）介质,三、 岩石力学性能的测试,一）压入硬度、塑性系数、单位体积破碎功的测定 利用压头静压入岩石