钻井液循环水力学

第一节钻井液循环水力学
一、钻井液循环方式
钻井液循环主要有 3 种方式，即全孔正循环、全孔反循环和孔内局部反循环。

全孔正循环时，钻井介质由地面的压力泥浆泵或压风机泵入地面高压胶管，经钻杆柱内孔到井底，由钻头水口返出，经由钻杆与孔壁的环状空间上返至孔口，流入地表循环槽、净化系统或注入除尘器中，再由泥浆泵或压风机泵入井中，不断循环，如图 2-1(a) 所示。

全孔正循环循环系统简单，孔口不需要密封装置，这种循环方式在各种钻探中得到广泛的应用。

(a) (b) (c) (d)
(a) 全孔正循环 (b) 全孔压注式反循环 (c) 全孔泵吸式反循环 (d) 孔底局部反循环
图 2-1 钻孔循环方式示意图
全孔反循环时，钻井介质的流经方向正好与正循环相反。

钻井介质经孔口进入钻杆与孔壁的环状空间，沿此通道流经孔底，然后沿钻杆内孔返至地表，经地面管路流入地表循环槽和净化系统中，再循环。

全孔反循环又具体分为压注式和泵吸式两种方式。

压注式 [ 图 2-1(b)] 所用的泵类型与全孔正循环相同，但孔口必须密封，才能使钻井介质压入孔内，这就需要专门的孔口装置，它必须保证孔口密封，同时必须允许钻杆柱能自由回转和上下移动；泵吸式 [ 图 2-1(c)] 采用抽吸泵，将钻井液从钻杆内孔中抽出，进行循环。

全孔反循环和全孔反循环比较，有以下特点和区别：
（1）由于反循环钻井液从钻杆柱内孔上返至地表，流经的断面较小，因而上返速度较大，且过流断面规则，有利于在不大的泵量下将大颗粒岩屑携带出孔外，在大口径水井钻进、灌注桩钻进和空气钻进中，为了能较好地携带出岩屑，常采用全孔反循环洗井方式。

（2）在固体矿床钻探中采用反循环方式，可将岩心从钻杆中带出地表，用以实现反循环连续取心钻进。

（3）全孔反循环的流向与岩心进入岩心管的方向是一致的，可使岩心管内的破碎岩矿心处于悬浮状态，避免了岩矿心自卡和冲刷，从而有利于岩矿心采取率的提高。

（4）在相同情况下，反循环所需的泵量比正循环小，因此对井壁的冲刷程度较小；同时，流动阻力损失也较小。

（5）钻头旋转使破碎下来的钻碴离心向外，这与正循环在钻头部位的液流方向一致，而与反循环的流向相反。

从这一点来看，正循环有利于孔底清碴。

（6）压注式反循环所需的孔口装置复杂。

（7）正循环和压注式反循环在井内产生的是正的动压力，即循环时井内的压力大于停泵时的静液柱压力；而泵吸式反循环恰恰相反，产生的是负的动压力，即循环时井内的压力小于停泵时的静液柱压力。

全孔正循环和全孔反循环冲洗可以是闭式的（完全的循环，冲洗液经沉淀除去岩屑后重复使用）和开式的（非完全的循环，冲洗介质排出地表后即废弃）。

闭式循环通常用于液体冲洗介质，而开式循环则大都用于气体介质。

孔底局部反循环是正反循环相结合的洗井方式，一般是在孔底钻具以上的绝大部分为正循环，而孔底部分为反循环。

岩心钻探中用得较多的喷射式反循环，是孔底局部反循环的典型例子 [ 图
2-1(a)] 。

为了避免钻井液对岩心的冲刷，提高岩矿心采取率，此时钻井液由钻杆柱内孔送到孔底，经由喷反接头而流到钻杆柱与孔壁的环状间隙中，由于喷嘴高速喷出液流，在其附近形成负压，将岩心管内的液体向上吸出，从而形成孔底局部反循环。

由喷反接头流入环空中的液流，一部分在负压下流经孔底，一部分上返携带钻屑至地表。

钻井液循环是否能正常维持，客观上取决于钻孔是否发生漏失或反涌。

特别是严重漏失会造成循环中断，钻进不能进行。

而涌水或石油天然气的喷出也使正常循环破坏，甚至出现重大事故。

对此应根据水文地质情况和岩层特性，采取防治措施。

二、泵量与循环流速
泵量是指单位时间内向井内送入循环液的体积量，它的大小对钻进速度和钻进质量有着明显的影响。

钻井液的泵量决定于钻井方法、钻进速度、地层特性、钻孔结构和钻具特点。

在保证冲洗孔底和冷却钻头的同时，泵量主要以能够有效地携带钻屑为基本确定依据。

钻井实践和理论总结出两种确定泵量的方法，它们考虑问题的出发点分别是钻屑的上返速度和钻屑在循环液中的含量。

下面分别讨论之。

1 、以钻屑的上返速度达到必需值来确定泵量
因为钻屑的重度比钻井液的重度大，钻屑相对于钻井液有沉降速度V 1 ，所以岩屑的绝对上移速度V 2 是钻井液的上返速度V 3 减去钻屑相对于钻井液的沉降速度V 1 ，即：
（ 2-1 ）
若已知钻屑相对于钻井液的沉降速度V 1 和所需达到的岩屑绝对上移速度V 2 ，则必需的钻井液的上返速度V 3 为：
（ 2-2 ）
因此，所需的钻井液泵量Q 为：
（ 2-3 ）
式中：A 为钻井液上返流经的通道断面截面积。

对于正循环，A 为环状间隙横截面积；对于反循环A 为钻杆内圆横截面积。

为保证岩屑以不大的绝对速度上移，取V 2 = （ 0.1~0.3 ）V 1 ，则V 3 =(1.1~1.3) V 1 。

现在的问题是如何确定岩屑在静止液体中的沉降速度V 1 。

理论上可以有以下两种方法：
1、李丁格尔公式
（ 2-4 ）
式中——球形颗粒的直径， m;——岩屑颗粒的重度， kg/m 3 ; ——液体
的重度， kg/m 3 ; k——系数，; g——重力加速度， m/s 2 ; c——颗粒的形状系数，圆球 c=0.5 ；圆片 c=0.64~0.82 ，不规则的或扁平状=2.1;
2 、斯托克斯公式
（ 2-5 ）
式中 r ——球形颗粒的半径 ; ——颗粒和分散介质的比重 ; ——分散介质的粘度 ;
比较式（ 2-4 ）和式（ 2-5 ），前者考虑了颗粒的形状影响，但未考虑介质粘度的影响；而后者则恰好相反，只考虑介质粘度的影响，但未考虑颗粒形状的影响。

在实际应用中，应根据具体情况选择
公式。

必须指出：上述两公式均是对单颗粒沉降而言的。

实际中的岩屑是群粒沉降，颗粒之间还存在相互的作用和影响。

必要时，应考虑群粒沉降影响系数。

上返速度确定之后，所需泵量就是上返流速v 与循环液过流断面面积A 的乘积。

对于正循环，冲携钻屑的过流面积是孔壁与钻杆之间的环状间隙横截面积。

因此正循环时所需
泵量为：
（ 2 — 6 ）
式中：D ——钻孔内径， mm ；d ——钻杆外径， mm 。

对于反循环，冲携钻屑的过流面积是钻杆内孔横截面积。

因此反循环时所需泵量为：
（ 2-7 ）
式中：d 1 ——钻杆内径， mm 。

2 、以循环液中钻屑的百分含量不超过一定值来确定泵量
也可以换一句话来表述这种方法，即以钻进速度来确定泵量。

循环液在孔底与钻头破碎下来的钻屑相混合，将它们携出地表。

循环液中钻屑的含量不能过大，以维持循环液的各项设计性能并有利于地表净化循环液。

一般情况下，钻屑含量不超过 10% 。

当钻头尺寸（钻头底唇面积）A 和钻进速度v 一定时，单位时间内产生的钻屑量q 也就确定了。

此时，循环液中钻屑的含量W 由泵量Q 决定：泵量大则钻屑含量少；反之泵量小则钻屑含量多。

根据这一原理，若已知允许的最大钻屑含量W ，则可建立泵量的计算公式：
（ 2-8 ）
（ 2-9 ）
3 、循环阻力损失
钻井液在循环流动过程中，流经地面管路、钻杆、孔底钻具、钻头和环状间隙时，形成一定的水力损失或称压力损失，也可称为压降。

正常循环时水泵的泵压力用来克服上述压力损失，迫使循环液流动。

水泵上的压力表所显示的压力就是上述各部分压力损失的总和。

显然，水泵所承受的压力是随循环负载的变化而变化的。

而水泵铭牌上所标的额定压力是指水泵所能承受的最大压力。

掌握钻井液循环阻力损失是一项十分有意义的技术工作。

一方面为选择泥浆泵提供所需能力的指标；另一方面为测算井内压力及变化情况提供科学依据。

钻井液循环时的压力损失由以下因素决定：
（ 1 ）循环通道的长度，主要取决于钻孔的深度。

钻孔越深，压力损失越大。

（ 2 ）循环液的流变性。

循环液的粘性越大，压力损失越大。

（ 3 ）泵量或流速的大小。

泵量或流速越大，压力损失越大。

（ 4 ）过流断面的截面积。

钻井口径越大（钻杆直径不变），压力损失越小。

钻井液循环阻力损失可由下式表示：
（ 2-10 ）
式中：P 1 、P 2 、P 3 、P 4 分别为流体流经地面管路、钻杆、孔底钻具和环状间隙时的阻力损失。

当循环泵量和循环液流变性不变时，流经地面管路和孔底钻具的阻力损失P 1 、P 3 基本不变。

而流经钻杆和环状间隙的阻力损失P 2 和P 4 则是随井深的增加而呈线性增加的。

当井深增加到一定深度以后，P 2 和P 4 占了总阻力损失的绝大部分。

第二节岩土性质
工程浆液用于钻井和岩土工程施工，其作用对象就是地层中的岩土，作用环境也是地层中的岩土。

在合理选配工程浆液时，岩土性质是重要的考虑因素。

例如：在钻井时，不同岩土性质的地层被钻头破碎下来的钻屑尺寸大不相同，所以必须设计不同性能的钻井液。

当然，钻屑的大小也与所使用的钻井工具和工艺参数有关，但是钻进工具和工艺参数的确定与岩土性质有直接关系。

再比如，用于井壁和槽壁稳定及堵漏方案的确定，最重要的是从不同的地层岩土性质出发，采取不同的护壁堵漏措施。

另外，在注浆、高压旋喷和粉体喷射等地基处理和岩土加固施工时，必须充分依据施工地层的岩土性质来决定所使用的工程浆液性质。

岩土性质的内容较为广泛，纵观不同工程领域对岩土性质的描述，大体可以分为两大类型：一种是侧重于土的性质，另一种是侧重于岩石的性质。

然而在钻井和岩土工程中，土和岩石都是经常会同时遇到的作用对象。

因此，本书从土和岩石的物理、力学、水理和可钻性等方面的性质进行综合归纳。

一、岩土的分类
岩土分类方法很多，从工程角度出发，其分类的目的在于使工程人员掌握其主要力学性能。

总的分类按岩石类、碎石土类、砂土类、粉土类、粘性土类等五项划分。

（ 1 ）岩石类按其坚固性可分为硬质岩石和软质岩石，凡饱和单轴抗压强度大于或等于 30MPa 以上者为硬质岩石，如花岗岩、闪长岩、玄武岩、石灰岩等。

小于 30MPa 的岩石称软质岩石，如粘土岩、页岩、云母片岩等。

岩石的颗粒间联结牢固，呈整体或有节理裂隙，按风化程度可分为微风化、中等风化和强风化。

岩质新鲜的称微风化，定名时标在母岩之前，如微风化花岗岩。

岩体被节理，裂隙分割成块状(20 ～ 50cm ) ，裂隙中填有少量风化物的称为中等风化。

岩体被节理、裂隙分割成 2 ～ 20cm 碎块，用手可以折断时称为强风化。

（ 2 ）碎石类土按粒组含量及颗粒形状分为漂石、块石、卵石、碎石、圆砾和角砾等，见表 2-1 。

表 2-1 碎石土的分类
注： 1. 定名时按粒径由大到小先符合者确定。

2. 当碎石土孔隙全部由中砂、粗砂充填可称为
砂卵石。

由粘性土充填并有粘结性能可称为土结砾石等。

（ 3 ）砂土类可分为砾砂、粗砂、中砂、细砂、粉砂等。

砾砂类指粒径大于 2mm 的颗粒占全重 25 ～ 50% ；粗砂指粒径大于 0.5mm 的颗粒占全重 50% ；中砂指粒径大于 0.25mm 的颗粒占全重50% ；细砂指粒径大于 0.075mm 的颗粒占全重 85% ；粉砂指粒径大于 0.075mm 的颗粒占全重的 50% 。

（ 4 ）粉土类为介于粉砂及粘性土之间，粉粒含量超过 50% 的土类，其塑性指数小于 10 。

其中粘粒含量超过 15% ，且可搓成土条，可称为粘质粉土，粘质粉土具有粘性土的特征。

不能搓成土条的粉土，表明砂粒含量较多，但有轻微的塑性，有可能产生液化。

（ 5 ）粘性土按塑性指数划分，I p >10 的土通称为粘性土。

其中I p >17 时，称为粘土；
10 ≤ I p ≤ 17 时，称为粉质粘土。

粘性土的重要属性是随着I p 值的增加，内摩擦角减少，而粘聚力值逐渐增加并成为其主要强度指标。

渗透性则随I p 增加而降低，直至不透水。

二、土的物理和水理性质
土是由下列三种成份组成的复杂体：① 作为土体骨架的矿物质颗粒，它是固体相；② 填充土体骨架之间的水分，它属于液体相；③ 空气。

当土体颗粒骨架间的孔隙充满水时称为二相体，又称饱和土，如果在孔隙中部分存留有空气时称为三相体，又称非饱和土。

地下水位以下的土为饱和体，地下水位以上的土多为非饱和体。

为了反映土的物理特征，如孔隙比、干容重、相对密实度、饱和度等，需首先测定三个基本指标：（ 1 ）土颗粒的比重即土中矿物的相对密度，以d s 表示。

可通过比重瓶法测出，它是测定土骨架颗粒体积所不可缺少的数据，一般采取 2.65 。

（ 2 ）土的容重 ( γ) 即单位土体积的质量，单位为 g/cm 3 或 t/m 3 。

当容重作为荷载时，称土的重度，单位为 kN/m 3 ，由容重换为重度时应乘以加速度g 。

（ 3 ）含水量 ( ω) 土体内孔隙中水的质量与土骨架质量的比，以百分率表示。

土的物理特征可大体分为两类：① 用来反映土的密实度，如干密度 ( 俗称干容重 ) 、孔隙比等。

② 用来反映水与土粒相互关系，如饱和度、液限、塑限、塑性指数、液性指数等。

第一类
干密度：土体每单位容积内土粒骨架的质量又称干容重，该值可通过下式求得：
（ 2-11 ）
式中：ρ d ——土的干密度 g/cm 3 ( 或 t/m 3 ) ；ρ w ——水的密度为 1 g /cm 3 ( 或t/m 3 ) 。

干密度通常在施工中用以检查填土的质量，干密度愈大，压实质量愈好，承载力愈高。

但在实际工程中，土粒成分不同，压实的效果也不相同，级配较好的土夹石，干密度可达到 1.9 g /cm 3 ( 或 t/m 3 ) 以上，而粘土只能达到 1.55 g /cm 3 。

孔隙比指土体孔隙与土体骨架所占体积之比，用e 表示。

知道干密度后就可求出孔隙比。

通过下式求得
（ 2-12 ）
如图 2 — 2 ，在土体内总体积为 l+e ，
其中孔隙体积为e ，土粒骨架体积为 1 。

② 第二类饱和度 (S τ ) 土孔隙中水的体积与
孔隙体积之比，当S τ=1 时称为饱和。

（ 2-13 ）
根据土的饱和度，可将土分为① 干的， 0< S τ≤ 0.5 ；② 湿的， 0.5< S τ≤ 0.8 ；③ 饱和的， 0.8< S τ≤ 1.0 。

塑限和液限是两个反映粘性土在不同含水量时表现出的物理力学特征的特征含水量。

塑限 ( ω p ) 从固体状态转变到塑性状态的界限含水量。

可用手搓条法进行鉴定，即将土在手中搓条，如土条直径在 3mm 时出现断裂，这时的含水量即为塑限含水量。

液限 ( ω L ) 从塑性状态转变到流动状态的界限含水量。

我国目前采用落锥法，将重 76g 圆锥自土表面落下， 15 秒钟内沉入量为 10mm 时土的含水量，即液限。

塑性指数 ( I p ) 其表达式为：
（ 2-14 ）
塑性指数与粘粒含量关系密切。

粘粒含量在 30 ％左右时，塑性指数在 17 左右，所以一般采用塑性指数划分粘性土。

液性指数 ( I L ) 用来描述粘性土的状态。

（ 2-15 ）
从式 (2-15) 看出，液性指数主要用来区别土的塑性程度，当 0< I L ≤ 0.25 为硬塑状态； 0.25< I L ≤ 0.75 为可塑状态； 0.75< I L ≤ 1.0 为软塑状态；I L >1.0 为流塑状态。

I L 愈小，其承载力愈高，变形愈小。

塑限、液限，塑性指数均为试验指标，对每个土样，该值都是不变的。

液性指标则随土的含水量而改变。

粘粒含量愈高，塑性指数也愈大。

三、岩石的物理性质
1 ．岩石的密度和孔隙度 ( 表 2-
2 、 2-3)
岩石的密度常以容重来衡量。

岩石的容重ρ是岩样的质量G 与其总体积V 之比 .
（ 2-16 ）
岩石的比重是岩样的质量与纯体积V 1 之比：
（ 2-17 ）
岩石的孔隙度η是岩石中孔隙的体积与 V 0 岩石总体积V 之比：
（ 2-18 ）
表 2-2 几种岩石密度表
岩石密度( 10 3 kg /m 3 ) 岩石密度( 10 3 kg /m 3 )
辉石 2.7 ～ 3.7 泥质岩 2.0 ～ 2.5
橄榄石 2.2 ～ 3.4 粉砂岩 2.O ～ 2.4
花岗岩 2.5 ～ 2.75 砂岩 2.1 ～ 2.65
石英岩 2.5 ～ 3.6 灰岩 2.3 ～ 2.9 片岩和角闪岩 2.5 ～ 3.7 岩盐 1.95 ～ 2.20 石膏 2.3 ～2.5
一般来说，岩石的密度愈大，它的强度也愈大；孔隙度愈大，则密度愈小，强度愈小。

2 ．岩石的含水性和透水性
由于岩石有孔隙存在，地表水、地下水便会渗入岩体，从而使岩层含水。

岩石的含水性一般用含水度表示，即岩石孔隙中的水的体积和岩石体积之比。

可以认为，岩石的含水性与岩石的孔隙度成正比例关系。

表 2-3 几种岩石孔隙度表
岩石孔隙度( ％) 岩石孔隙度( ％)
花岗岩 1.2 砂岩 3 ～30 辉绿岩和辉长岩 1.0 砂层30 ～50 石英岩0.8 泥质页岩 4
碳酸盐岩 1.5 ～2.2 粘土45
岩石的透水性以单位时间内通过岩石的水量表示。

一般认为，岩石的孔隙度愈大，透水性愈高，岩石的强度和稳定性愈低。

3 ．岩石的完整度表 (2-4)
岩石的完整度由岩石的结构和节理等来描述。

它对钻进指标和钻探质量有直接的影响。

(1) 岩石结构
岩石结构是指岩石的结晶程度，颗粒大小 ( 或粒度 ) ，岩石中矿物成分之间的结构关系或几何形象关系。

(2)岩石的节理
岩石的节理对岩石的强度、稳定性和可钻性产生显著的影响。

岩石的节理等级依据下述三个指标进行确定：岩心的成块率K y ( 块 /m) ，岩心采取率D k (%) ，岩石节理指标W ( 个 /r)
（ 2-19 ）
式中 : —— 岩心直径， m ；
—— 岩石节理平面与钻孔轴线夹角，°；
—— 考
虑岩石第二次破碎程度的经验系数，计算时可取 0.70 ；
—— 岩心成块率 ( 由从孔内取出的岩心来
确定 ) 。

表 2-4 岩石节理裂隙等级标准表
岩石节理 裂隙分类
岩石节理裂隙
程度 岩石节理裂隙性估算值 成块率
( 块
/m)
节理裂隙指标
岩心采取率 ( ％ )
Ⅰ 完整的 l ～ 5 ≤ 0.5 100 ～ 70 Ⅱ 弱裂隙性的 6 ～ 10 0.5 ～ 1.0 90 ～ 60 Ⅲ 裂隙性的 11 ～ 30 1.01 ～ 2.0 80 ～ 50 Ⅳ 强裂隙性的 31 ～ 50 2.01 ～ 3.0 70 ～ 40 Ⅴ
完全破碎的
≥ 51
≥ 3.01
60 ～ 30 或更少
岩石的裂隙会导致钻进效率、采心率和钻头寿命的降低，造成冲洗液漏失和孔壁坍塌等复杂情况。

（ 2-20 ）
式中 ——裂隙性指数；
——裂隙倾角 ；
—— 岩心柱状体平均长度 ( 岩心柱状体
总长与块数之比 )
选择钻进方法、碎岩工具型式、钻进参数等，应以岩石的可钻性和岩石节理、裂隙为依据。

4 ．岩石的稳定性（表 2-
5 ）
岩石的稳定性是指岩石被钻穿后露出而能保持不破碎状态的性质。

一般来说，节理和裂隙发育的岩石，松散程度大的岩石，其稳定性就差。

因此，岩石的稳定性是选择钻孔结构、护孔方法和取心工具等的重要依据。

表 2-5 岩石稳定性表
级别 稳定性程度
稳定性程度
Ⅰ 极不稳定的
颗粒间无联系力的松散岩石 ( 砂、砾石、卵石 )
Ⅱ
可变稳定性的 颗粒间联系力复杂，水饱和则消失，致密的，强度不高，溶于冲洗液或易冲蚀的岩石 ( 泥质岩石、岩盐 ) 。

钻进这类岩石会产生超径、缩径、卡钻和保存岩心困难 Ⅲ 弱稳定性的
颗粒间有足够联系力 ( 坚固但破碎 ) ，联系强度不足的角砾岩化岩石 ( 砾岩或角砾胶结的弱砂岩、片岩及煤 ) 。

钻进中发生漏失，部分裂隙岩石塌落，岩心磨损和冲蚀 ( 角砾化岩石
中 ) Ⅳ 稳定的 颗粒间联系力强，硬度高及中等，均一的或弱裂隙的，不冲蚀的岩石 ( 花岗岩、闪长岩、玢
岩、玄武岩、石英岩、砂岩等) 。

四、岩石的力学性质
1. 岩石的强度
岩石抵抗机械破坏的能力称为岩石的强度。

根据外载荷作用性质不同，岩石有抗拉，抗压、抗剪和抗弯强度。

几种岩石的强度极限如表 2-6 所示。

表 2 — 6 几种岩石的强度极限表
岩石
强度极限(Mpa)
抗压抗拉抗弯
砂岩：粗粒的142 5.11410.3中粒的151 5.2013.10
细粒的1857.9524.90砂质泥质页岩18 3.20 3.50
含有石膏的灰岩42 2.40 6.50泥质页岩14 ～ 61 1.7 ～ 8.0 4.0 ～ 36.0 石膏17 1.90 6.O
灰岩90 ～ 120 12.012.0
闪石170 ～ 180.8 9.O ～ 12.O —
石英岩290 ～ 300 10.8 ～ 15.O 15.0 ～ 20.7
大理岩60 ～ 190 6.O ～ 16.O 24.O ～ 31.O 白云质粉砂岩35 ～ 150 3.O ～ 10.0 23.O 煤20 ～ 50 1.5 ～ 2.5 9.O 玄武岩30 ～ 40 —17.5 ～ 46.0
花岗岩100 ～250 10.0 ～15.O 10.O ～30.0
岩石单向抗压强度σ b 等于岩样在单轴向受力条件下整体性破坏时的总压力P 与岩样横截面积S 之比值。

（ 2-21 ）
岩样一般采用5 ³ 5 ³ 5cm 或υ 25 ³ 25mm 试样，岩样高度与直径比在 1 ～ 2 之间变化，抗压强度值变化 12% 左右；采用 0.9 ～ 1.1 比值时，强度变化最小。

若采用其他比值时，依下式计算：
（ 2-22 ）
式中：σ b2 ——d 2 直径下岩样的单向抗压强度， Pa ；σ b1 ——d 1 直径下岩样的单向抗压强度， Pa 。

岩石的抗压强度通常是随着对岩样的加载速率的增加而增加。

加载速率一般取 0.5 ～ 1.0MPa/s 。

2. 岩石的硬度
岩石抵抗其他物体压入的能力称为岩石的硬度。

衡量硬度的单位通常采用 MPa 。

通常常采用压入硬度和摆球硬度来衡量岩石的软硬程度。

用岩石的硬度比用岩石的强度更能反映孔底岩石破碎的难易程度。

（ 1 ）矿物的硬度 ( 表 2-7)
矿物名称
莫氏
硬度HM
显微硬度H μ 赫兹
硬度
HZ
压入
硬度
HE
肖氏
硬度
HS 洛氏HR 维氏HV 诺氏HL
滑石1—25—50 506岩盐——200————石膏22223603301402058
方解石381811001350920117033
硬石膏——22001700———
白云石——32501630———萤石4150018903600 ～4930 1100160037
磷灰石5266053604900 ～5600 2370241040长石6415079507450 2530293079燧石——9250 ～10000 7100 ～9020 ———石英7—1120012500 3080483086黄玉858401430017000 ～22000 5250502089刚玉9—2060080000 ～85000 11500710088
金刚石10—100000————(2). 岩石的硬度
部分岩石的压入硬度和摆球硬度值见表 2-14 。

(3). 岩石的研磨性
岩石的研磨性是指钻进时岩石磨损碎岩工具的能力。

岩石研磨性是确定破岩工具类型、结构与使用寿命的重要因素。

按研磨杆法所得岩石研磨性分类列于表 2-8 。

表 2-8 研磨法所得岩石研磨性分类表
研磨性分类研磨指标
(mg)
代表性岩石
弱研磨性5 ～20
灰岩、大理岩、白云岩、纯橄榄岩、页岩、磷灰岩、石膏、泥质粉砂岩、磁铁矿、泥质
岩、硅化菱镁岩、辉绿岩、角岩、脉石英、含铁石英岩、碧玉铁质岩、硅化灰岩、粉砂
岩、细粒硅质砂岩
中等
研磨性20 ～65
细粒石英长石砂岩、千枚岩、凝灰岩、细粒火成岩、致密石英岩、矽卡岩、云英岩、辉
长岩、闪长岩、中粒长石砂岩、粗粒石英岩、片麻岩、花岗岩、煌斑岩、玢岩、二云母
片岩、霞石正长岩、片麻岩、片理化矽卡岩
强研磨性65 ～ 90
( 以上 )
钠长斑岩、粗粒砂岩、二云母石英片岩、硅化高岭化花岗岩、蚀变花岗岩、含刚玉岩石、
风化粗粒砂岩
岩石的抗压强度和压入硬度对研磨性的影响，其关系见图 2-4 。

岩石的研磨性与岩石的摩擦系数有关。

部分岩石的摩擦系数见表 2-9 。

表 2-9 几种岩石的摩擦系数表
岩石名称摩擦系数岩石名称摩擦系数
铁质石英岩O.35 ～ 0.45 石灰岩0.25 ～ 0.35 花岗岩O.30 ～ 0.40 泥灰岩O.20 ～ O.30 石英质砂岩0.35 ～O.50 粘土0.11 ～O.29
图 2-4 研磨性指标与 1- 抗压强度 ;2- 压入硬度的关系
岩石摩擦系数还受两个摩擦物间介质的影响 ( 表 2 - 10) 。

表 2-10 不同介质下的岩石摩擦系数表
岩石名称
岩石表面状况
干燥水湿润泥浆湿润
泥质页岩0.20 ～ 0.25 0.15 ～O.20 0.11 ～ O.13
石灰岩0.35 ～ O.40 0.33 ～ O.38 0.3l ～ O.35
白云岩0.38 ～ O.42 0.36 ～ 0.48 O.34 ～ O.38 弱胶结尖角颗粒砂岩O.32 ～ 0.42 0.27 ～ 0.40 .0.25 ～O.35
弱胶结圆角颗粒砂岩0.22 ～ O.34 0.20 ～O.30 O.17 ～ O.25 硬质砂岩0.43 ～ O.48 O.43 ～ O.45 0.40 ～O.43
石英岩0.46 ～ O.48 O.48 ～ 0.50 O.42 ～O.44
花岗岩O.47 ～0.55 0.46 ～0.53 O.45 ～ 0.52
无水石膏- 0.39 ～O.45 0.37 ～O.40 采用乳状润滑液可大大降低摩擦系数和破岩工具的磨损。

动摩擦系数在研究范围内，即相对速度为1 ～ 3m/s ，压力为 100 ～ 900N 时，并非常数，它随压力和滑动速度的增加而增加与之相应的工具磨损也增加。

(4). 岩石的塑性和脆性
在外力作用下，岩石只改变其形状和大小而不破坏自身的连续性，称为岩石的塑性。

而在外力作用下，直至破碎并无明显的形状改变，称为岩石的脆性。

根据岩石的这些性质，将岩石分为脆性岩石、塑脆性岩石和塑性岩石。

利用岩石的应力应变曲线 ( 图 2-5) 可计算出岩石的塑性系数 K 。

（ 2-23 ）
式中：——变形总能量，以OADE 正面积表示；——弹性变形总能量，以OBC 面积表示。

（ a ）脆性岩石；（ b ）塑脆性岩石；（ c ）塑性岩石
图 2-5 岩石的应力应变曲线
岩石的塑脆性主要以 K 值为依据确定 ( 见表 2-17) 。

表 2-11 常见岩石的塑性系数表
岩石类型K 值岩石
脆性 1 石英岩
塑脆性 2 ～ 5 花岗岩、细砂岩、砂岩、重晶石、硬石膏
塑性>6 石灰岩、白云岩，粉砂岩
(5). 岩石的弹性
当外力作用于岩石时，岩石产生变形，外力撤除后，变形随之消失，岩石又恢复原来的形状和体积，这种性质称为弹性。

造岩矿物的弹性模数E 从本质上影响着岩石的弹性模数。

造岩矿物的E 值越高，则岩石的E 值也高（表 2-12 ）。

表2-12 几种矿物与岩石的弹性模数表
矿物名称弹性模数E
(10 3 MPa)
岩石名称
弹性模数E
(10 3 MPa)
刚玉520 花岗岩≥ 60
黄玉300玄武岩≥ 97
长石78 ～ 100 石灰岩≥ 85
方解石≥ 80 石英岩≥ 100
石膏58 ～ 90 砂岩≥ 50
岩盐12 ～ 15 泥质页岩15 ～ 25
≥ 40 粘土0 ～3 泊松比是岩石弹性的又一指标，它是纵向形变和横向形变之比 ( 见表 2-13) 。

表 2-13 几种岩石的泊松比值表
岩石岩石岩石
塑性岩石O.38 ～ O.45 泥质页岩O.10 ～ O.25 致密泥岩O.25 ～ O.35 花岗岩0.26 ～ 0.29。