岩石的力学性质及其与钻头破碎机理的关系
解释岩石可钻性的概念
解释岩石可钻性的概念岩石可钻性是指钻井作业过程中所遇到的岩层对钻头钻进的难易程度。
钻井是一种获取地下天然资源、地质勘探和地质工程调查的重要技术手段，而岩石可钻性是决定钻探技术是否顺利开展的关键因素之一。
岩石可钻性受多种因素的影响。
首先是岩石的物理性质，如岩石的硬度、密度、强度、压缩性和耐磨性等。
硬度是指岩石抵抗外力压力的能力，对于柔软的岩石来说，可钻性较高，相对易于钻入；而对于坚硬的岩石，则相对困难。
岩石的密度决定了钻井液的压力所需的能量大小，密度大的岩石需要更大的能量才能钻入。
岩石的强度是指抵抗外力破坏的能力，其取决于岩石的粘结结构和韧性。
强度大的岩石通常较难钻入，需要选用更强的钻具。
岩石的压缩性是指岩石在受到压力作用下发生体积变化的能力，而耐磨性则是指岩石表面抵抗磨损的能力。
这些物理性质对钻井作业过程中的摩擦、切削和磨损等有直接影响，进而影响钻头在岩层中的钻进难易程度。
其次，岩石的岩性和结构也会影响岩石的可钻性。
不同的岩石种类具有不同的物理性质，例如，片麻岩、花岗岩等较坚硬的岩石通常难以钻进，而砂岩、泥岩等相对柔软的岩石则较易钻进。
而岩石的结构特征，如层理、节理、破碎带等，也会对其可钻性产生重要影响。
岩石中的节理和破碎带可导致岩石断裂和塌方，从而降低了岩石的可钻性。
另外，岩石中的岩浆岩、粉砂岩等特殊类型的岩石也具有较低的可钻性。
第三，岩石与钻具的匹配度也会影响可钻性。
钻具的选择包括钻杆、钻头和钻井液等，在不同的岩石环境下需要选择不同的钻具。
正确选用合适的钻具可以减少钻具的磨损，提高钻进速度，从而改善岩石的可钻性。
此外，钻井液作为钻井过程中的重要流体介质，对岩石的可钻性也有直接影响。
钻井液的密度、黏度、清洁度、过滤性能等都会直接影响到岩石的可钻性。
合理选择和调配钻井液的性能参数，可以减小钻井液与岩石之间的摩擦，减少井壁塌方和堵塞等问题，提高钻进速度和可钻性。
最后，还有其他因素也会影响岩石的可钻性，如地温、压力、地层流体等。
第四章岩石力学性质1
一、岩石的强度
1、概念 、 岩石的强度一般理解为固体抵抗机械 破坏的能力。 破坏的能力。 2、岩石去的测定 （1）单周抗压强度 δb=P/S （2）抗剪强度 （3）岩石强度与钻进破碎岩石的关系
二、岩石的硬度
1、概念
岩石的硬度通常被认为是岩石表面对工 具压入时的反抗性。 具压入时的反抗性。 硬度与抗压强度有联系，但又有很大区别。 硬度与抗压强度有联系，但又有很大区别。 岩石的硬度与外载作用性质有关。 岩石的硬度与外载作用性质有关。
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谢
二、岩石的结构
岩石的结构是指组成岩石 的矿物成分、粒度、形状和矿 的矿物成分、粒度、 物颗粒之间的连接方式。 物颗粒之间的连接方式。 从胶结物成分看， 从胶结物成分看，以硅质 成分为最坚硬，铁质称为次之， 成分为最坚硬，铁质称为次之， 钙质和泥质成分为最差。 钙质和泥质成分为最差
三、岩石的构造裂隙性及其各导向性 岩石的构造属于岩石组织的宏观 特征。 特征。 垂直于岩石层理的抗压强度大， 垂直于岩石层理的抗压强度大， 平行于层理面的抗压强度小。 平行于层理面的抗压强度小。 破裂性也是岩石的重要物理性质 之一。 之一。
2、影响岩石硬度的因素
影响岩石硬度的因素和影响岩石的强度的因 素相似，有造岩矿物的成分、颗粒度、 素相似，有造岩矿物的成分、颗粒度、胶结物的 性质、孔隙度、 性质、孔隙度、层理和各种强度和各种结构上的 缺陷等。 缺陷等。
3、岩石硬度的测量
（1）压入硬度 ） （2）摆球硬度 ）
三、岩石的弹性、塑性和脆性 岩石的弹性、 弹性、 弹性、塑性和脆性是物体受 外力作用后， 外力作用后，对变形的不同表 现。弹性是固体在卸去所加之 载荷后，恢复原来状态的性能。 载荷后，恢复原来状态的性能。
岩土的物理力学性质及其破碎机理
用各向异性系数来表征岩石在不同的方向上力学性质的差
Ka=x‖/x⊥
2019/7/23
中国地质大学勘察与基础工程系
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第一节岩石的物理力学性质概述 岩土钻掘工程学
岩石的弹性模量‖>⊥
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第一节岩石的物理力学性质概述
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岩土钻掘工程学
（3）单向压缩时表现为弹-脆性，各向压缩时表现出不同程 度的塑性，意味着在各向压缩下需要更大的载荷才能破坏 岩石的连续性。
（4）温度升高岩石的弹性模量变小，塑性系数增大，岩石表 现为从脆性向塑性转化。在超深钻和地热孔施工中应注意 这一影响。
岩浆岩主要具有块状结构，其构造特征对钻掘破碎岩石没有 显著影响。
沉积岩的成因广泛，故其结构也比较复杂。碎屑岩具有碎屑 结构，按碎屑的大小可分为
砾状结构（碎屑直径＞2mm）、 粗粒结构（碎屑直径1~2mm）、 中砂结构（碎屑直径0.1~1m m）、 粉砂结构（碎屑直径0.01~0.1mm）。。
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质概述 岩土钻掘工程学
碎屑岩的胶结形式也对岩石的力学性质有着显著影响。沉 积岩通常具有层状构造，它是由层理决定的。层理反映岩 石在垂直方向上成分的变 化，即岩石颗粒大小在垂直方 向上的改变，不同成分颗粒的交替，或者某些岩石颗粒的 定向
s
m V Vc
m VP
2、岩石的容重γ s：是岩样重量G与其总体积V之比
s
G V
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岩石的力学性质及其与钻头破碎机理的关系
岩⽯的⼒学性质及其与钻头破碎机理的关系岩⽯的⼒学性质及其与钻头破碎机理的关系体会：Ⅰ、钻头⼀般破岩过程：压⼊剪切⽛轮：（1）主要⽅式—冲击、压碎，作⽤来源：①静压，②冲击载荷（⽛齿交替接触井底）；（2）剪切作⽤，来源：①⽛齿吃⼊地层，楔形⾯对岩⽯的正压⼒与摩擦⼒合⼒，②主要来源：⽛轮滚动的同时产⽣⽛齿相对地层的滑动。
刮⼑：主要⽅式—剪切，辅以研磨和压碎PDC：主要⽅式—剪切，辅以研磨和压碎[1]P19:刮⼑和PDC钻头破岩是压⼊和剪切综合作⽤的结果，从⽽是破岩所需的纵向压⼒⼤⼤减⼩。
试验证明⼤约只相当于静压⼊破岩的1/6---1/4。
Ⅱ、可利⽤研磨性理论的⼀些结论解释如下现象：相对于泥岩，砂岩表⾯粗糙度⾼，摩擦⼒⼤，所以：PDC钻头钻遇砂岩时扭矩呈现⾼频⾼幅振荡⽛轮钻头扭矩增⼤但仍呈钻遇泥岩是的平直状。
Ⅲ、PDC⼑翼数量对扭矩的影响⼑翼数越多，扭矩越平稳；越少，扭矩波动越⼤。
原因：⼑翼数少，⼑翼钻头周期性接触井底波动越⼤，从⽽导致扭矩波动⼤。
实例：克深202井钻吉迪克第三套砂砾岩层，采⽤6⼑翼PDC，钻压10--12t，扭矩曲线平直；下部泥岩段，钻压10--12t，扭矩波动⼤11—16KN.m，扭矩曲线呈⾼频振荡。
地层可钻性分级、梯度规律地层可钻性梯度规律[3]①地层埋深越深越难钻，②年代越⽼越难钻由以下实例可知：地层可钻性梯度规律受埋深压实和成岩年代两种因素控制。
体会：浅部地层不存在特别难钻的地层。
如⼤北202井1324～3900m井段，对纯岩性地层钻时⼀致，含少量的砾⽯即可导致钻时上升。
3496.46～3783.23m 采⽤95/8″Power-V +16″M1665SSCR PDC 3685～3706m为褐⾊泥岩，钻时31～43min/m；3715～3723m为褐⾊含砾泥岩和含少量（5%左右）砾的褐⾊泥岩，钻时51～103min/m。
例：济阳凹陷①地层埋深越深越难钻，②年代越⽼越难钻古⽣界奥陶系地层，虽然由于造⼭运动上升⾄1800～2000m，但其平均可钻性为6.09，其深度与东营组相当，但其平均Kd值却⽐东营组⾼1倍多。
钻井工程-3-岩石的工程力学性质
在长时间应力作用下，岩石变形不断增长的现象 叫做岩石的蠕变
岩石蠕变的微观机理
目前用于解释岩石微观蠕变机制的理论主要有化学键 理论、破裂理论、摩擦理论和晶体缺陷理论，其中广 泛应用且较为人们所接受的有破裂理论和晶体缺陷理 论
岩石蠕变
晶体缺陷理论主要考虑影响晶体蠕变的两种过程，其一是位错蠕变；其二是扩散蠕变
下凹型应力-应变曲线
二、岩石的变形
应力-应变曲线
➢ 峰值后变形阶段
岩石峰值后的变形曲线，实质上是岩石破坏过程曲线
在应力达峰值时，岩石只出现宏观破裂，但并未完全失去承载力， 即未完全破坏
图中的 d − e 曲线段，反映了岩石出现宏观破裂之后，随变形发展直至 完全破坏的过程
二、岩石的变形
岩石的蠕变
St p f pr
h ps H 3 h p f pp St
另外地应力分量、上覆地层压力可以由密度测井数据求得，这样，地层某 深处的三个主地应力即可以完全确定
一、地应力
地应力确定方法
井壁崩落法确定地应力的方向
无限大地层平面内井眼周围的应力分布为：
r
pi
H
h 2H
h cos 2
pi
z GzdH
➢ 在地应力的作用下，井壁附近岩石发生变形，并在井壁附近引起应力集中，当作用在B 、 D两点的应力差(σr - σθ)达到或超过该处岩石的剪切强度时，就发生井壁崩落现象，形成井 壁崩落椭圆，其长轴方向与最小水平主地应力方向一致
岩石的力学性质
岩石的力学性质岩矿的破碎是个力学过程，岩矿是被破碎的对象，因此，研究破碎前必须对岩矿的力学性质有所认识。
岩矿的力学性质依破碎力方式的不同而具有不同的表现．如岩矿受压力作用时岩矿表现出抵抗压碎的能力，受剪切力作用时表现出抵抗剪切的能力，受弯折力作用时表现出抵抗弯折的能力等。
通常用强度来表征岩矿的抵抗能力，同种岩矿抵抗不同作用力的能力是不同的，一般地，岩矿的抗压强度最大，抗剪强度次之，抗弯强度较小，抗拉强度最小。
假设抗压强度为1，则其他强度只是它的很小的分数。
M．M．普罗托吉雅可诺夫认为，岩石的坚固性在各方面的表现是趋于一致的，难破碎的岩石，用各种方法都难破碎，而易破碎的岩石，用各种方法都易破碎，于是，他提出厂“坚固性系数”f(即普氏硬度系数)，用以表示岩石的相对坚固性。
一种岩石较另种岩石的坚固性系数大若干倍，就意味着用任何一种方法破碎前者都比破碎后者困难许多倍。
普氏硬度系数f约为单轴抗压强度压的百分之一，即f=因此，求出岩矿的抗压强度压也就能通过式求出普氏系数，而普氏系数综合反映了岩矿的综合强度。
按照M．M．普罗托吉雅可诺大的说法，当知道一种岩矿的压、拉、剪、弯曲及冲击时，只要再知道另一种岩矿的压，就可以由已知岩矿的各种强度推算另—种岩矿的各种强度。
普罗托吉雅可诺夫提出的办法，得到矿业界的公认，行业学者还把普氏硬度系数f作为岩矿的综合强度，作为综合矿山工艺过程的方法。
岩矿的破碎及磨碎，无论是其机械的设计还是工艺过程的实施均必须依据岩矿的力学强度值，否则，设计的破碎机或是机械强度不够，或是破碎不能顺利进行。
破碎过程实施时也必须依据岩矿力学强度值调整破碎参数其效果才能良好。
岩矿的普氏硬度系数f反映了岩矿的综合强度，可以由它确定破碎力的强度。
破碎力的作用方式也是影响破碎的重要因素，而影响破碎力作用方式的是岩矿的韧性，包括脆性、柔性、延展性、挠性及弹性等。
这就必须测定岩矿的弹件模量及泊松比(反映纵向变形与横向变形比值的参数)。
岩石与钻头
4.1 岩石的机械性质
2. 按塑性系数k分类
级别 K
脆性 1 1
塑脆性 低塑性高塑性
塑性
2 345 6
1～2 2～3 3～4 4～6 >6
4.2 钻头
直接破碎岩石的工具，按破岩原理分为三类： 1. 切削型 2. 冲击压碎剪切型 3. 研磨性
4.2 钻头
一、刮刀钻头
1. 分类：
两翼型，三翼型，四翼型，正反阶梯型。
4. 特点： 结构简单，成本低，但扭矩大(钻柱易损坏) — 适用于软、 中软地层
4.2 钻头
二、牙轮钻头
是目前使用最为广泛的钻头。有单牙轮、双牙轮、 三牙轮、四牙轮钻头。三牙轮钻头最为普遍。
(一) 结构：钻头体、巴掌、牙轮轴、牙轮、轴承、密封 件、水眼等部分组成。
三 牙 轮 钻 头
4.2 钻头
(1) 牙轮 用合金钢经过模锻而成的锥体，牙轮锥面或铣出牙齿(铣齿钻头)
1. 按硬度分类
类别 软 中 软 中 硬
硬
坚硬 极硬
级别 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
kg/mm3
≤10
10～ 25～ 25 50
50～ 100
100～ 150～ 200～ 300～ 400～ 500～ 600～ 150 200 300 400 500 600 700
>700
机械性能：岩石在外力作用下，由变形到破碎过程中表现出来
的性质。取决于组成矿物的性及质胶结情况。包括：强度、硬 度、脆性和塑性、研磨性、可钻性。
4.1 岩石的机械性质
1. 强度：抵抗外力破坏的能力。
孔隙度大 颗粒接触面积小 强度低(容易破坏) 胶结物不同强度不同：硅质、石灰质、铁质、泥质胶结物(强度逐渐减小)
岩石的物理机械性质对钻探工作的影响
岩石的物理机械性质对钻探工作的影响
岩石的物理机械性质对钻探工作的影响
(1)硬度：岩石的硬度是指岩石抵抗其它物体压入的能力，又叫抗压入强度。
它是影响钻进切入深度(或压入深度)的主要因素。
(2)强度：岩石强度是指岩石在各种外力(拉伸、压缩、弯曲和剪切力)作用下抵抗破碎的能力。
(3)弹性和脆性：岩石在去掉负荷后能恢复原来形状的特性称为弹性。
钻进具有弹性的岩石，弹性变形要消耗一部分能量，增加了钻进的困难。
岩石在外力作用下不下引起残留变形，即破碎的特性称为脆性。
(4)塑性：岩石在外力作用下改变了形状而不断裂的性质叫做岩石的塑性。
在钻进中塑性变形要消耗很大一部分能量，而且易产生糊钻、缩径等现象。
(5)研磨性：岩石磨损研磨材料的性能称岩石的研磨性或摩擦性。
岩石的研磨性对钻进的影响是摩擦力，它要消耗能量和使切削具磨损，大大影响钻头的有效工作时间。
(6)稳定性：岩石在有自由面(如孔壁)的情况下，不坍塌、不崩落的性质称为稳定性。
岩石的稳定性与岩石本身的结构有关，与冲洗液性能的关系也很大，在沉积岩中钻进，如果泥浆配制得不合适，就会造成孔壁坍塌或掉块现象。
- 1 -。
岩石破碎学与钻头笔记01讲解
岩浆岩 沉积岩：又称为水成岩，是三种组成地球岩石圈的主要岩石之一（另外两种是岩 浆岩和变质岩） 。是在地表不太深的地方，将他岩石的风化产物和一些火山喷发
物，经过水流或冰川的搬运、沉积、成岩作用形成的岩石。在地球地表，有 70% 的岩石是沉积岩，但如果从地球表面到 16 公里深的整个岩石圈算，沉积岩只占 5%。沉积岩主要包括有石灰岩、砂岩、页岩等。沉积岩中所含有的矿产，占全 部世界矿产蕴藏量的 80%。相较于火成岩及变质岩，沉积岩中的化石所受破坏较 少，也较易完整保存，因此对考古学来说是十分重要的研究目标。
变质岩 2.在地壳内， 岩浆岩占 95％， 沉积岩占 5％、 (其中泥质页岩占 4％， 砂岩占 0． 75％ 碳酸盐类岩石占 0．25％); 3.岩石是矿物颗粒的集合体，颗粒间或者由其直接接触面上所发生的相互作用力 来联结，或者由外来的胶结物来联结。
第二章 岩石的物理性质
4.岩石的重度（重力密度）是指岩石单位体积（包括空隙体积）的重量。可进一 步分为天然重度、干重度、及饱和重度。一般可以通过密度乘以重力加速度 g 得到。岩石的重度一般为 26.5 29.4KN/m3 。岩石的重度从侧面反应了岩石的力学性
10.空隙率的计算方法
11.孔隙比
12.渗透性
13.岩石的吸水性指标有吸水率、保水率和保水系数。 14.吸水率： 是指岩石试件在标准大气压力下吸入水的重量 Wω1 与岩石干重量 Ws 之比。
15.岩石的饱水率：是指岩石的饱水率指在高压（150 个大气压）或真孔条件下， 岩石吸入水的重量 Wω2 与岩石干重量 Ws 之比
21.压缩：compress；拉伸：stretch； c 单轴抗压强度； t 单轴抗拉强度。 22.在室温和大气条件下的单向压缩试验曲线
岩石力学与钻头
钻井岩石力学基础钻进过程是钻头破碎岩石与岩石反破碎的过程。
为了提高破碎效率，加快钻井速度，安全、优质、低成本开发油气田，必须研究岩石的结构特性、力学性质以及破碎规律。
以便设计出合适的岩石破碎工具——钻头，制定出最优钻井参数及技术措施。
为此，我们要学习岩石结构特性和力学性质、岩石的破碎规律、影响岩石强度的因素等。
1．钻井岩石力学基础主要介绍岩石的物理力学性质以及破碎规律，进一步研究影响岩石力学性质的因素。
为学习钻井与完井工程打下基础。
1.1岩石的基本知识岩石：由各种矿物晶体或矿物颗粒组成的集合体；矿物：具有一定物理化学性质的无机物；造岩矿物：能生成矿物岩石的无机物。
造岩矿物由八元素组成：，Si ，Fe，K，Na，Ca，Mg，Al。
O2地球上有12种主要造岩矿物。
他们是：正长石、斜长石、石英、白云母、黑云母、角闪石、辉石、橄榄石、方解石、白云石、高岭土、氧化铁。
它们约占98％以上。
1.1.1．岩石分类地球主要是由岩石组成，而岩石是千变万化的，但归纳起来氛围分为两大类：A岩浆岩(晶质岩)：由岩浆冷却或结晶而成，花岗岩、玄五岩等，通常埋藏很深；B沉积岩(碎屑岩)：矿物颗粒由水或风力以及其他作用搬运后沉积而成。
分为结晶沉积岩和碎屑岩。
结晶沉积岩由盐类物质结晶而成。
如岩盐、石灰岩、白云岩、石膏等。
碎屑岩由岩屑堆积而成，如砾石、砂岩、泥岩等。
变质岩：矿物颗粒在高温高压下发生物理化学变化后形成的新岩石。
1.1.2岩石的组织结构特点岩石的组织结构是指组成岩石的微晶或碎屑岩的颗粒的形状、粒度大小和表面性质等。
(1)岩石的微观结构A 岩石微观结构是指组成岩石的微晶和颗粒的大小、形状、表面性质、胶结物质、孔隙度等。
B 造岩矿物本身的性质影响岩石的性质。
但岩石的破坏不是造岩矿物的破坏而是胶结物的破坏。
所以，影响岩石性质的主要因素是胶结物的性质或强度。
按胶结物性质分，岩石胶结分为为硅质胶结、钙质胶结和泥质胶结三种，其胶结强度的关系是：硅质胶结强度>钙质胶结强度>泥质胶结强度。
牙轮钻机破岩作用机理及受力分析
牙轮钻机破岩作用机理及受力分析内蒙古包头市014080摘要：牙轮钻机合理的工作制度取决于被射孔岩石的物理力学特性和射孔参数的选择。
大量实际统计数据表明，钻具的损坏、磨损和过早报废与钻具质量和操作人员有关。
各矿山都将钻具列为“大宗消耗件”，除了价格昂贵外，还会造成废孔，效率低下，成本上升。
钻具主要由钻杆、扶正器和牙轮钻头组成。
每一次过早损坏都会改变其他物品的载荷和作用，增加钻井设备的振动和载荷，导致过早损坏。
因此，研究矿用牙轮钻头的力学性能非常重要。
与传统的弹塑性强度理论和解析方法相比，基于有限元方法的仿真分析和研究是矿用牙轮钻头研究领域的重要发展趋势之一。
关键词：牙轮钻机；破岩机理；有限元；受力；牙轮钻头是牙轮钻机工作时进行破碎岩石的工具，它的性能优劣将直接影响钻孔质量、钻孔速度和钻孔成本。
牙轮钻头在孔底的运动是非常复杂的，特别是牙轮钻头与岩石的相互作用机理尚。
矿用牙轮钻机是露天矿山开采的主要穿孔设备之一。
广泛用于冶金、煤炭、化工、建材等工业部门的大中型露天矿山钻凿炮孔。
牙轮钻机穿孔原理，主要是通过其回转、加压机构使钻具回转，并给钻头施加轴向压力，由这种动压和静压产生的应力，使岩石破碎（剪碎和压碎），同时用压缩空气将岩渣排出，形成炮孔。
通过对矿用牙轮钻头牙爪进行瞬态动力学研究，以新的钻头运动学和动力学模型为基础对矿用牙轮钻头牙爪进行有限元力学数值模拟。
一、矿用牙轮钻头结构由于牙轮钻头结构的特殊性及在孔底运动的复杂性，使得人们对它的研究还不是很深入，尤其对移轴牙轮钻头的研究时间比较短，在移轴牙轮啮合图的绘制、运动学的研究方面的文献还很少，而在动力学方面的研究大都基于钻头为刚性体、岩石为弹性体的假设，这并不能够真实合理的反映牙轮钻头与岩石之间的相互作用。
1.牙掌。
牙掌是一个形状复杂的锻造零件。
其主要部位是各部轴承的轴颈、掌背、以及牙掌体上部与钻杆相联接的螺纹部分。
通常爪尖是整个牙掌的薄弱部分，为了减小掌背的磨损，在掌背与孔壁之间有一30～5的夹角，并在爪尖外表面处堆焊一层硬质合金粉，且镶嵌一些平头的硬质合金柱。
第一章 岩石物理力学性质与破碎机理
particle
grain cement
图1－1 晶体结构类型
图1-2 胶结物的类型
图1－3 层理产生的原因
花岗岩
花岗石
白云岩
花岗石
岩石照片
三、岩石的自然性质（Natural properties of rocks）
岩石在生成过程中，构造变动和风化过程中自然形成 的特性。 密度(density):单位体积岩石的质量.容重:单位体积岩 石的重量. 比重(specific weight):单位体积岩石骨架体积的重量.岩 石体积=固相骨架体积+岩石中孔隙体积. 一般来说,密度越 高,强度越大。 孔隙度(porosity):岩石中孔隙体积与岩石总体积之比。 一般来说,孔隙度越大,强度越低. 含水性(water-bearing property):W=(GW-GD)/GD 透水性(peameability):KW=ŋql/A(Pi- Po) 岩石的孔隙越大,裂隙越多,水对它的影响就越大。如 石灰岩,用水浸透后,强度下降明显。
1－岩样；2－夹头；图中尺寸单位：cm
N
图1.1－16 圆盘劈裂试验
Tension strength
图1.1－17 剪切试验 1－岩样； 2－上下剪切模具； 3－模套；4－斜锲块；5－上下 垫板； 6－钢滚子
2p t DL
N P cos f sin A A T P sin f cos A A
岩石的内聚性: 岩石内部颗粒联系的紧密和强弱程度.
按内聚性的大小岩石可分为三类:
坚固的岩石: 对于具有晶体结构的岩石,岩石往往沿晶
粒接触面而破坏.钻进这类岩石时,一般孔壁稳定; 粘结的岩石: 粘土质岩石, 具有较高塑性、较低强度和 不大的研磨性，易缩径、垮塌和卡钻，因此通常采用 低失水量的泥浆或对孔壁缩径无影响的冲洗液；
第四章 岩石物理力学性质和可钻性
六、岩石的硬度
1、岩石的硬度的基本概念：岩石的硬度反映岩石抵抗外部 更硬物体压入（侵入）其表面的能力。 2、硬度与抗压强度的区别与联系 （1）岩石的硬度与抗压强度一般存在正比例关系；
（2）抗压强度是固体抵抗整体破坏时的阻力，而硬度则是
固体表面对另一物体局部压入或侵入时的阻力。 （3）硬度指标更接近于钻掘过程的实际情况。
第二节 岩石在外载下的破碎机理
0、碎岩工具与岩石作用的主要方式
根据刃具与岩石作用的方式和碎岩机理，可把碎岩刃具分： 切削一剪切型、冲击型、冲击一剪切型三类。 1、切削一剪切型 钻头碎岩刃具以速度vθ 向前移
动而切削(剪切)岩石。工作参数是：
移动速度vθ 、轴向力Pz和切向力 Pθ 以及介质性质。
2、冲击型 冲击型刃具给孔底岩石以直接的冲击动载，碎岩的过程可 用工具动能Tk和岩石变形位能U 的方程式来表达（ T＝U ）：
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第四章 岩土的物理力学 性质及岩石的可钻性
一、岩石的物理力学性质概述 ★ 二、岩石在外载作用下的的破碎机理 三、岩石的可钻性及可钻性指标及坚 固性系数 ★
第一节岩石的物理力学性质概述 ★
岩石的组成与分类
岩石是矿物的集合体。矿物是具有一定成分和物理性质的无 机物质。根据其成因，岩石可分为三类： 1、岩浆岩：岩浆岩是内力地质作用的产物，由地壳深处 的岩浆沿地壳裂隙上升冷凝而成。 2、沉积岩：沉积岩是在地表条件下母岩(岩浆岩、变质岩 或早先形成的沉积岩)风化剥蚀的产物，经搬运、沉积和硬结 等成岩作用而形成的岩石。。 3、变质岩：变质岩是岩浆岩、沉积岩甚至是变质岩本身 在地壳中受到高温、高压及活动性流体的影响而变质形成的 岩石。
3、影响岩石硬度的因素
（1）岩石中坚硬矿物愈多、胶结物的硬度越大、岩石的颗粒 越细、结构越致密，岩石的硬度越大。而孔隙度高、密度低、 裂隙发育的岩石硬度将会降低。 （2）岩石的硬度具有明显的各向异性。层理对岩石硬度的 影响与对岩石强度的影响相反。垂直于层理方向，硬度值 最小； 平行于层理方向，硬度最大；两者之间可相差1.05～1.8倍。
岩石的物理机械性质对钻探工作的影响
岩石的物理机械性质对钻探工作的影响岩石的物理机械性质对钻探工作的影响岩石作为地质构造中的重要组成部分，其物理机械性质对钻探工作具有重要影响。
岩石的物理机械性质主要包括岩石的强度、硬度、刚度、稳定性等，这些性质的差异会直接影响到钻探的效率与质量。
因此，本文将从岩石物理机械性质的角度探讨其对钻探工作的影响。
1.强度岩石的强度是指其抵抗外力破坏的能力，强度高的岩石相对难以被钻探。
岩石的强度与其成分、结构和岩石中存在的裂隙和断层有关。
强度高的岩石，如花岗岩、玄武岩等成分均匀的岩石，在钻探时所需的钻头摩擦力大，钻探速度较慢，而且容易造成钻头磨损。
而弱的岩石，如泥岩、砂岩等，容易被钻探穿过，但是在穿过的过程中易造成岩石剥落或塌方而导致隐患。
因此，在钻探工作中，钻探工程师需要根据地质情况调整钻探方案，选用不同的钻头和钻探机械来协调钻井工作。
2.硬度硬度是岩石抵抗划痕和磨损的能力，硬度越高的岩石，其钻探难度也越大。
例如，石灰岩的压实度较高，硬度也比较大，难以被钻探。
在地质勘探过程中，遭遇到硬度较高的岩石时，需要使用更高强度的钻头，增加转速和钻头磨损抗力，确保钻头能够有效地穿过岩石。
3.刚度刚度是指岩石在受力作用下的变形程度，刚度越大的岩石，其在钻探过程中产生的振动和位移也越大，可能对钻井工程造成影响。
对此，钻探工程师需要根据岩石的刚度特点，选择恰当的钻探工具并根据实际情况进行加强工程控制，以确保钻井过程的安全稳定。
4.稳定性钻探过程中，稳定性是一个关键的问题。
稳定性较好的岩石易于控制，反之，钻探难度会大大增加。
例如，泥岩、粘土等含水量较大、粘性较强的岩石，钻探时往往表现出不稳定性，阻力较大，呈现振动、抖动等现象，容易影响钻井工作的稳定性与质量。
在钻探过程中，对于容易变形、不稳定的岩石，需要及时采取措施进行支护或灌浆固化等处理措施，以保证钻井安全，降低安全隐患。
岩石的物理机械性质与钻井工作密切相关。
在进行钻井勘探时，钻探工程师需要充分理解岩石的物理机械性质，并根据岩石的特点选择合适的钻探方案，以确保钻井工作安全、高效、稳定。
岩石可爆性和可钻性
第一节影响岩石爆破性的因素岩石是爆破的对象，金属矿山的绝大部分、非金属矿及煤矿等矿山的不少矿岩都采用爆破方法进行破碎和采掘。
为了取得良好的爆破效果，必须了解和掌握岩石的爆破性。
岩石的爆破性是岩石自身物理力学性质和炸药、爆破工艺的综合反映，它不仅是岩石的单一固有属性，而且是岩石一系列固有属性的复合体，,在爆破过程中表现出来，并影响着整个爆破效果。
影响岩石爆破性的主要因素，一方面是岩石本身的物理力学性质的内在因素(见表1.1);表1.1 几种典型岩石的物理力学特性另一方面是炸药性质、爆破工艺等外在因素。
前者决定于岩石的地质生成条件、矿物成分、结构和后期的地质构造，它表征为岩石密度或容重、孔隙性、碎胀性、弹性、塑性、脆性和岩石强度等物理力学性质;后者则取决于炸药类型、药包形式和重量、装药结构、起爆方式和间隔时间、最小抵抗线与自由面的大小、数量、方向以及自由面与药包的相对位置等等。
此外，还包括对爆破块度、爆堆形式以及抛掷距离等爆破效果的影响。
显然，岩石本身的物理力学性质是最主要的影响因素。
炸药爆炸对岩石的爆破作用主要有两个方面，其一是克服岩石颗粒之间的内聚力，使岩石内部结构破裂，产生新鲜断裂面;其二是使岩石原生的、次生的裂隙扩张而破坏。
前者取决于岩石本身的坚固程度;后者则受岩石裂隙性所控制。
因此，岩石的坚固性和岩石的裂隙性是影响岩石爆破性最根本的影响因素。
一、岩石的结构（组分）、内聚力和裂隙性对岩石爆破性的影响岩石由固体颗粒组成，其间有空隙，充填有空气、水或其它杂物。
当岩石受外载荷作用，特别是在受炸药爆炸冲击载荷作用下，将引起物态变化，从而导致岩石性质的变化。
矿物是构成岩石的主要成分，矿物颗粒愈细、密度愈大，愈坚固，则愈难于爆破破碎。
矿物密度可达4g/cm3以上，岩石的容重不超过其组成矿物的密度。
岩石容重一般为1.0～3.5g/cm3。
随着密度增加，岩石的强度和抵抗爆破作用的能力增大，同时，破碎或抛移岩石所消耗的能量也增加，这就是一般岩浆岩比较难以爆破的原因。
岩石的物理机械性质对钻探工作的影响
岩石的物理机械性质对钻探工作的影响岩石是地球表面最常见的构成物质之一，一直以来都是勘探工作中所重视的对象。
岩石的物理机械性质是指岩石在力学作用下所表现出来的性质。
在钻探工作中，了解岩石物理机械性质的重要性无法被低估。
本文将深入探讨岩石的物理机械性质对钻探工作的影响。
岩石物理机械性质的含义岩石物理机械性质指的是岩石在受到外部力以及其他作用下所产生的变形和破坏性质。
故，岩石物理机械性质包括以下几个方面：岩石的弹性模量岩石的弹性模量指的是岩石在受到外力作用时，与变形程度的关系。
弹性模量的数值越大，岩石的弹性越好，岩石越能够抵御变形。
这个性质对钻探工作影响很大。
在钻探过程中，钻具在岩石中作业，若岩石的弹性模量过低，就会发生钻具的堵塞、偏转等问题，影响钻探工作的正常进行。
岩石的塑性、粘性岩石的塑性、粘性是岩石物理性质的一个重要因素。
岩石的塑性是指其在变形后能够恢复原样的能力，而岩石的粘性则是指其在变形过程中奇怪的粘附作用。
这两个因素也直接影响到钻探工作。
若岩石的塑性、粘性太高，钻探过程中容易出现卡钻、断钻等问题。
岩石的抗压强度岩石的抗压强度是指其抗压的极限值。
显然，抗压强度的大小直接决定钻探的难度。
若岩石的抗压强度过高，就需要用更强大的钻具进行钻井。
岩石的稳定性岩石的稳定性影响到其自身的坍塌情况。
若岩石的稳定性差，就容易在钻探过程中发生岩石坍塌，导致钻孔变形，并增加出钻的难度。
岩石物理机械性质对钻探工作的影响通过上述的介绍可知，岩石的物理机械性质对钻探工作的影响十分重要。
下面将通过几个实例进一步说明这个问题。
钻探工作中岩石的粘塑性对出钻的影响对于粘土性固体，如泥岩、页岩以及富有机质突围物质等，钻探的过程中，由于其本身的粘塑性，很容易造成钻具的卡钻，出钻困难。
而在工作中，钻具如果长时间卡钻，则会给整个主钻孔带来极大的影响，会大范围缩小主钻孔的直径，造成损失。
因此，在钻探工作中，对岩石粘塑性的了解至关重要，对于出现此类情况，应及时采用完善的钻具救援现场，保证正常钻探。
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变形，至 A 点最大载荷为 Pmax 处便突然完成脆性破碎，压头瞬时压入，破碎穴 的深度为 h［图 1-3(a)和图 1-4(a)］。这时破碎穴面积明显大于压头的端面面积， 即 h/δ＞5。
图 1-4 岩石表面的压入与破碎穴 (a)-弹脆性岩石; (b)-弹塑性岩石; (c)-高塑性高孔隙度的岩石; δ-岩石中的最大变
（1）多向应力状态下的岩石强度比简单应力状态下的强度高出许多倍。 （2）加载速度的影响主要表现在两个方面：① 外载作用速度的增加使岩石 的应变速率增大，大幅度地提高了岩石的强度；② 加载速度对塑性岩石强度的 影响大于对脆性岩石强度的影响。应该指出，在当前技术条件下用牙轮钻头破碎
4
岩石时，其牙齿冲击岩石的速度不大于 5m/s，这时岩石的力学性质并未呈现出 本质性的差异。
②年代越老越难钻 古生界奥陶系地层，虽然由于造山运动上升至 1800～2000m，但其平均可钻
性为 6.09，其深度与东营组相当，但其平均 Kd 值却比东营组高 1 倍多。
2
地层可钻性分级
1、据压入硬度值把岩石分成 6 类 12 级（表 1-4），
岩石 类别
岩石 级别
硬度 (MPa)
表 1－4 按压入硬度值对岩石的可钻性分级表
岩石的受载方式导致岩石的强度值差异很大。不同受载方式下的岩石强度相
对值如表 11 所列。由表中数据可见，岩石在受压时表现出最大的抵抗破坏能力，
而在大多数情况下岩石的抗剪强度极限几乎是抗压强度极限的 10%左右。因此，
我们希望在岩石钻掘过程中，破岩工具应主要以剪切的方式来破碎岩石。
表 11 不同受载方式下的岩石强度相对值
6
图 1-1 测试压入岩石硬度的装置 1-液压缸； 2-液压柱塞； 3-岩样； 4-压头；5-压力机上压板； 6-千分表； 7-柱塞导向杆
3、 岩石的变形特征及其分类 做压入试验时，记录下载荷 P 与侵入深度 δ 的相关曲线。按岩石在压头压入时的 变形曲线和破碎特性（图 1-3）可把岩石分成以下三类：
法针对的是对岩样的局部（即压头接触处）的加载破坏。压入试验时岩石产生一次局部破
碎的轴载即为岩石硬度，所以硬度单位为：ＭＰａ
在压头作用下，岩石某一点上处于各向受压的应力状态（即三轴应力状态）。
一般情况下：（压入）硬度大于（单轴）抗压强度，原因：硬度在三轴应力状态
下测定，强度在单轴应力状态下测定。
1) 硬度与抗压强度联系及区别： 抗压强度是固体抵抗整体破坏时的阻力， 硬度则是固体表面对另一物体局部压入或侵入时的阻力。因此，硬度指 标更接近于钻掘过程的实际情况。因为回转钻进中，岩石破碎工具在岩 石表面移动时，是在局部侵入（可能非常微小）的同时使岩石发生剪切 破碎。由前面的分析知道，工具压入岩石是很难的，而压入后剪切破岩 却较容易。所以我们说，硬度对钻掘工程而言是一个主要力学性能参数。
2) 影响岩石硬度的因素基本上可分为两大类：
5
自然因素 （1）岩石中石英及其他坚硬矿物或碎屑含量愈多，胶结物的硬度越大，岩石 的颗粒越细，结构越致密，则岩石的硬度越大。而孔隙度高，密度低，裂隙发 育的岩石硬度将会降低。 （2）岩石的硬度具有明显的各向异性。但层理对岩石硬度的影响正好与对岩 石强度的影响相反。垂直于层理方向的硬度值最小，平行于层理的硬度最大， 两者之间可相差 1.05～1.8 倍[1]P4。岩石硬度的各向异性可以很好地解释钻孔弯 曲的原因和规律，并可利用这一现象来实施定向钻进。 （3）在各向均匀压缩的条件下，岩石的硬度增加。在常压下硬度越低的岩石， 随着围压增大，其硬度值增长越快。 工艺因素： （4）一般而言，随着加载速度增加，将导致岩石的塑性系数降低，硬度增加。 但当冲击速度小于 10m/s 时，硬度变化不大。加载速度对低强度、高塑性及多孔 隙岩石硬度的影响更显著。 3）计算
岩石的力学性质及其与钻头破碎机理的关系
体会：
Ⅰ、钻头一般破岩过程：压入
剪切
牙轮：
（1）主要方式—冲击、压碎，作用来源：①静压，②冲击载荷（牙齿交替接触
井底）；
（2）剪切作用，来源：①牙齿吃入地层，楔形面对岩石的正压力与摩擦力合力，
②主要来源：牙轮滚动的同时产生牙齿相对地层的滑动。
刮刀：主要方式—剪切，辅以研磨和压碎
高塑性（粘土、盐岩）和高孔隙性岩石（泡沫岩、孔隙石灰岩）区别于前二 类，当压头压入时，在压头周围几乎不形成圆锥形破碎穴，也不会在压入作用下 产生脆性破碎［图 1-3(c)和图 1-4(c)］，h/δ=1。因此，计算这类岩石的硬度时 只能用 P0 代替公式（1-9）中的 Pmax。 5、岩石坚固性系数
（1-19） 式中： --岩石的单轴抗压强度，MPa。
f 是个无量纲的值，它表明某种岩石的坚固性比致密的粘土坚固多少倍，因为 致密粘土的抗压强度为 10MPa。岩石坚固性系数的计算公式简洁明了，f 值可用 于预计岩石抵抗破碎的能力及其钻掘以后的稳定性。根据岩石的坚固性系数(f) 可把岩石分成 10 级（表 1-9），等级越高的岩石越容易破碎。为了方便使用又在 第Ⅲ,Ⅳ,Ⅴ,Ⅵ,Ⅶ级的中间加了半级。考虑到生产中不会大量遇到抗压强度大于 200MPa 的岩石，故把凡是抗压强度大于 200MPa 的岩石都归入Ⅰ级。（各种岩 石的绝对强度参见：《钻井工艺原理》上册 P10） 6、研磨性［1］：岩石对钻头的磨损能力。 主要取决于：①岩石的矿物(或碎屑)硬度，②硬矿物（或碎屑）的含量③表面粗糙程度、
钻的平均钻速作为岩石可钻性指标，其分级情况如表 1-7 所列。而原石油部 1987 年颁布的岩石可钻性分级
办法是用微钻在岩样上钻三个孔深 2.4mm 的孔，取三个孔钻进时间的平均值为钻时 t，对式（1-18）的结
果取整后作为该岩样的可钻性级别 Kd，据此值可把各油田地层的可钻性分成 10 个等级，等级越高的岩石
软
中软
中硬
硬
坚硬
极硬
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
10
12
≤10
100
0
～250
250 ～500
2、 微钻法
500 ～ 1000
1000 ～ 1500
1500 ～ 2000
2000～ 3000
3000 ～ 4000
4000 ～ 5000
5000 ～ 6000
6000 ～ 7000
＞ 7000
采用模拟的微型孕镶金刚石钻头，按一定的规程，对岩心进行钻进试验。我国原地质矿产部的规范是以微
岩石的坚固性区别于岩石的强度，强度值必定与某种变形方式（单轴压缩、 拉伸、剪切）相联系，而坚固性反映的是岩石在几种变形方式的组合作用下抵抗 破坏的能力。因为在钻掘施工中往往不是采用纯压入或纯回转的方法破碎岩石， 因此这种反映在组合作用下岩石破碎难易程度的指标比较贴近生产实际情况。
因为岩石的抗压能力最强，故把岩石单轴抗压强度极限的 1/10 作为岩石的 坚固性系数，即
7
形; h-岩石破碎穴深度 2）弹塑性岩石
弹塑性岩石（大理岩、石灰岩、砂岩）在压头压入时首先产生弹性变形，然 后塑性变形。至 B 点载荷达 Pmax 时才突然发生脆性破碎［图 1-3(b)和图 1-4(b)］。 这时破碎穴面积也大于压头的端面面积，而 h/δ=2.5～5，即小于第一类岩石。 3）3. 高塑性和高孔隙性岩石
牙轮钻头扭矩增大但仍呈钻遇泥岩是的平直状。
Ⅲ、PDC 刀翼数量对扭矩的影响
刀翼数越多，扭矩越平稳；越少，扭矩波动越大。原因：刀翼数少，刀翼钻头周
期性接触井底波动越大，从而导致扭矩波动大。实例：
克深 202 井钻吉迪克第三套砂砾岩层，采用 6 刀翼 PDC，钻压 10--12t，扭矩曲
线平直；下部泥岩段，钻压 10--12t，扭矩波动大 11—16KN.m，扭矩曲线呈高频
PDC：主要方式—剪切，辅以研磨和压碎
[1]P19:刮刀和 PDC 钻头破岩是压入和剪切综合作用的结果，从而是破岩所需的纵
向压力大大减小。试验证明大约只相当于静压入破岩的 1/6---1/4。 Ⅱ、可利用研磨性理论的一些结论解释如下现象：
相对于泥岩，砂岩表面粗糙度高，摩擦力大，所以：
PDC 钻头钻遇砂岩时扭矩呈现高频高幅振荡
2、 强度（单轴应力状态） 地层条件下，岩石处于三轴受力状态，强度变化规律与单轴应力状态相当。 固态物质在外载（静或动载）作用下抵抗破坏的性能指标。岩石在给定的变形
方式（压、拉、弯、剪）下被破坏时的应力值称为岩石的强度极限。其求取方法即试验方法针 对的是对整个岩样的加载破坏。
影响岩石强度的因素基本上可分为两大类： 1）自然因素： （1）一般造岩矿物强度高者其岩石的强度也高。但沉积岩的强度取决于胶结物 所占的比例及其矿物成分。胶结物所占的比例愈大，则胶结物强度对岩石强度的 影响愈大，被胶结的造岩矿物的强度对岩石强度的影响愈小。细粒岩石的强度大 于同一矿物组成的粗粒岩石。 （2）岩石的孔隙度增加，密度降低，其强度则降低，反之亦然。因此，一般岩 石的强度随埋深的增大而增大。 （3）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 于层理的抗压强度最小，在与层理斜交方向上的抗压强度介于两者之间。原因 [1]P4—5：岩石层理面间联结比较薄弱，沿平行层理方向加压时，岩石首先从层理 面裂开。 2）工艺因素
④岩石结构强度。
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钻头刃的磨损一般属于表面的研磨性磨损（下面仅针对此表面磨损，即研磨性磨 损），在有些情况下可出现疲劳的磨损。 （钻具磨损分类：①表面磨损，即研磨性磨损
②疲劳磨损，即疲劳损坏） 表面磨损即研磨性磨损，是钻头工作刃与岩石摩擦过程中产生微切削、刻划、擦 痕等造成的。取决于材料的性质（如化学组成和结构）、摩擦类型、摩擦表面形 状及尺寸（如表面粗糙度）、接触压力等。 一种确定研磨系数的方法—摩擦磨损法（以下 1）、2）即为此方法的结论）： V=a×S×N=P×a a--研磨系数；v—单位摩擦行程的磨损量，cm3/m；N—接触压力，牛/mm2；S— 接触面积，mm2；P—摩擦面上的接触载荷（压力），牛 滑动摩擦力计算公式：F=N×U u—动摩擦系数，仅与材料本身有关。摩擦系数相应于研磨系数。