钻井工程2-岩石力学与破岩原理
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测力计
内摩擦角概念
三、复杂应力条件下岩石的强度
1.常规应力三轴试验方法
试件有四种：圆柱、圆筒、长方体、正方体。常规三轴应 力试验是最为常用的一种三轴应力试验方法。它是将圆柱形 的岩样置于一个高压容器中， 首先用液压 P使其四周处于三 向均匀压缩的应力状态下，然 后保持此压力不变，对岩样施 加轴向载荷，直到使其破坏。 压缩试验施力方案： （ σ 1 ＞ σ 2= σ 3 = P ） 拉伸试验施力方案： （ σ 1 ＜ σ 2= σ 3 = P）
ห้องสมุดไป่ตู้
3）研磨 利用抗磨性好的材料，在一定压力和适当的转速下，
对岩石进行研磨破碎。
此外还有水射流破岩方式
其实，这三种破岩方式中，对岩石的作 用形式主要是压挤和切削。 实际上钻头在井内破碎岩石钻进时，这 三种破岩方式都有，只是根据岩石的强度和 钻头类型以某种破碎方式为主而已。 1）塑性岩石一般强度较小，钻头以切 削破碎为主。 2）塑脆性和脆性岩石一般强度较高， 以冲击和压挤破碎为主。 3）对强度和硬度都很大的岩石，则以 研磨破碎为主。
2.三轴应力下岩石的强度和变形的特点
通常，岩石的总应变量达到3％～5％
Von Karman应力-应变曲线
Homdin-Hager
围压对岩石强度的影响（24℃）
时，就认为其已开始具有塑性性质或已达 到了脆-塑的转变。 对于深井钻井来说，研究岩石从脆性到 塑性的转变点（或称临界压力）具有重要 的实际意义。因为脆性破坏和塑性破坏是 两种具有本质差别的破坏形式，需分别利 用不同的破碎工具（不同结构的钻头类 型），采用不同的破碎方式（冲击、压碎、 挤压、剪切或切削、磨削等），以及不同 的破碎参数（钻压、转速及水力参数等） 的组合。 因此，确定各类岩石的脆-塑性转变的 “临界压力”将为设计、选择和合理使用 钻头提供科学依据。
四、岩石的弹性
岩石的弹性常数 杨氏弹性模量
E G E 2(1 ) E K 3(1 2 )
泊松比
剪切弹性模量
体积弹性模量
确定岩石弹性常数的实验方法很多，主要有 1.静力法（静载压缩试验） 2.动力法（声波法）
五、岩石的抗压入破碎强度
前苏联学者史立涅尔分析了圆柱形的平底压头静压入岩 石时在岩石中产生的应力状态并提出了确定岩石“硬度”（即 抗压入强度）和塑性性质的一套方法。
时极限平衡剪切面上的正应力和内摩擦力形成的合力与该正
应力之间的夹角。
岩石 粘结力(MPa) 内摩擦角(°) 14-50 45-60 花岗石 20-60 50-55 玄武岩 10-50 35-50 石灰岩 8-40 35-50 砂岩 3-30 20-35 页岩
直接剪切试验
旋转组合
n f C n tan C
三翼刮刀钻头
刮刀钻头是旋转钻井中最早使用的一种钻头。它结构简
单，制造方便，成本低廉，在泥岩和页岩等松软地层中使用
可以得到很高的机械钻速和钻头进尺。 刮刀钻头因其承压面积大，钻头刀刃磨损快，主要应用 在第四纪和第三纪软塑性地层，遇硬地层或软硬交错地层， 钻头刀刃吃入岩石困难，急剧磨损，钻进效率很低。 我国在刮刀钻头的研制和使用上取得了突出的成果： －－六十年代初期出现了千米刮刀钻头 －－七十年代初期在不少油田创造了两千米刮刀钻头
钻头是钻进破碎岩石的基本工具，钻头钻进效果的好坏， 直接影响能否多快好省地钻成油气井。钻头破碎岩石效果的 高低，主要用单只钻头的机械钻速和进尺两个指标来衡量。 机械钻速－－纯钻进单位时间内的进尺。 钻头进尺－－钻头在井底工作从全新到完全磨损不能再用 的全部时间内所取得的进尺。 机械钻速、钻头进尺之间的关系如下:
岩心柱 直径2.5-5.0cm 高径比2.5-3.0
际应用时，必须对
具体的岩石进行必 要的强度试验，以
钢 岩石
钢
岩石
卡 环
获取比较准确可靠
的数据。
c t
单轴抗拉伸强度试验
单轴抗压缩强度试验
岩石的抗剪强度可用粘结力和岩石的内摩擦角表示。 粘结力是指由分子引力引起的物体中相同组成的各部分 倾向于粘结在一起的一种力。岩石的内摩擦角是指岩石破坏
二、岩石的可钻性
现代岩石可钻性的概念： －－在一定技术条件下钻进岩石的难易程度 －－钻进过程中抗破碎的强度 都涉及钻碎的对象、使用的工具、钻碎的难易性 油气钻井工程中，可钻性一般理解为地层岩石破 碎的难易性，由此把岩石分为难钻的和易钻的。
在有些情况下，可钻性可以确定岩石在井底抵抗
钻头破碎的能力。
（受深度、温度、压力、流体等影响）
集合体。岩石力学就是研究岩石在载荷作用下的应力、变形
和破坏规律以及工程稳定性等问题。 油气钻井的目的就是破碎岩石形成井眼，获取地层地质 资料，并将油气引导出来。 破岩工具作用下的岩体内部处于多向应力状态，欲达到 破碎岩石获得进尺的目的，就必须：一是选择高质量的破岩 工具，二是使钻头施加于岩石的外力超过其极限值。 显然，研究岩石在各种应力状态下的力学性质和机械性
石油钻井中： 粘土、软泥岩 泥岩、砂质泥岩 泥灰岩、粉砂岩、泥质砂岩等 石灰岩、砂岩 石英岩、花岗岩、燧石等 多属1～2级 多属3～4级 多属3～6级 多为4～8级 9级以上
岩石的硬度和塑性系数通常用压入试验来确定。图2-6给
出了岩石的压入试验曲线的三种典型形状。其纵坐标为压头 上所加载荷，横坐标为吃入深度（压入深度）。
史立涅尔等人用摩擦磨损法对各种岩石的研磨性 进行了比较详尽的研究，得出了一些有实际应用价 值的结果。 摩擦磨损法即是确定一个转动的金属圆环在岩石 表面上相互摩擦时的磨损量， 以此作为度量岩石研磨性的指 标。研磨性系数：
Vs P
单位：cm3/m·N
史立涅尔法
史立涅尔等分别以淬火钢、硬质合金为金属摩 擦介质，对各种岩石进行了试验。试验结果表明：
一、岩石的研磨性
岩石磨损破岩工具的能力称为岩石的研磨性。
研磨性磨损是由钻头工作刃与岩石相摩擦的过程中产生微 切削、刻划、擦痕等所造成的，属表面磨损。 这种研磨性磨损除了与摩擦副材料的性质（如化学组成和结 构）有关外，还取决于摩擦的类型和特点、摩擦表面的形状和 尺寸（如表面的粗糙度）及摩擦面的介质等因素。显然，这是 个十分复杂的问题。 研究方法：钻磨法、磨削法、微钻头钻进法、摩擦磨损法。
Vm=H/t
m/h
式中： Vm－－ 一只钻头的平均机械钻速，m/h； H－－ 一只钻头的钻头进尺，m； t－－ 一只钻头的工作时间，h。
机械钻速反映钻头破碎岩的效率，钻头进尺反映钻头使用的耐久性。
要求：钻头钻速高、进尺多，也就是钻井速度快，钻井时 间短，这样也就降低了钻井的成本。
二、钻头破岩方式与钻头分类
岩石的可钻性是个多变量的函数，这些变量包含有天然
的、工艺的和技术性的因素。因此，到目前为止，适合于油
气钻井条件的岩石可钻性问题仍是个尚未彻底解决的问题。
但对岩石可钻性的正确评价又是确定最优钻井参数、选择钻 头类型、预测钻井效果以及规定钻井工作定额时所必需的。 可钻性直接与岩石的硬度有关，它可用岩石的硬度来表 示。我国油田的地层相应于牙轮钻头将岩石硬度分为七类： 极软 JR，软R，中软 ZR，中等 Z，中硬 ZY，硬 Y，极硬 JY。 极软 JR和R地层 极硬JY地层 可钻性极值： Kd=log2td 也可用金刚石钻头钻进 也可用刮刀钻头钻进
破岩方式 切 削 压 碎 研 磨 水射流 适应岩石 塑性岩层 脆性岩层 硬岩层 松软岩层 钻 头 类 型 刮刀钻头 牙轮钻头 金刚石钻头 射流功率强的钻头 PDC钻头
第四节 刮刀钻头及其破岩原理 §4 Drag bit
刮刀钻头为切削型钻头，适用于软塑性岩层。这 种钻头体上镶焊有几个刮刀片，在刮刀翼上加焊上耐 磨的硬质合金材料，根据塑性岩石软硬的特点，刮刀 钻头有两翼的（鱼尾钻头）、三翼的和四翼的，最常 用的为三翼刮刀钻头。
质是基础，选择合适的钻头类型则是其主要目的。
第一节
岩石的力学性质
§1 Mechanical Properties of Rock
岩石的力学性质通常包括两个方面： 1、岩石的变形特征 2、岩石的强度特征。
岩石的变形特征： 是指岩石在各种载荷作用下的变形规律（包括岩石的
弹性变形、塑性变形、粘性流动和破坏规律）。
岩石产生 塑性变形的 原因是由于 岩石内部矿 物及胶结物 颗粒间的接 触面在外力 作用下发生 相对滑移所 致。用塑性 系数K表示.
石英岩、花岗岩等
大理岩等
塑性泥岩、多孔砂岩等
W P A
K
AF OABC 的面积 K＞6 AE ODE 的面积 塑性岩石
第二节
岩石的研磨性与可钻性
§2 Abrasive property and drill ability of rock
－－八十年代胜利油田用金刚石刮刀钻头单只钻头进尺
达到3135．87m，创造了国内外刮刀钻头进尺的最高记录。
一、刮刀钻头刀翼的几何形状和结构参数
1.刀翼结构角 刀翼的结构角包括：刃尖角β、切削角α 、刃前角 和刃后 角ψ ，如图2—7所示。
刃尖角β：是刀翼尖端前后刃之间的夹角， 它表示刀翼的尖锐程度。 从吃入岩石和提高钻速方面来考虑，β角应 越小越好，但因β角过小时刀翼强度难以保 证，所以确定β角的原则一般是在保证刀翼 有足够强度的条件下，尽可能减小β角。 β角的确定原则：一般岩石软时， β角可以 稍小，平均β角为10°左右，甚至可小到 8°～9°；岩石较硬， β角要适当增大，平 均β角为12°～15°； 夹层多，井又较深时， β角应适当增大。
牙轮钻头可用于这七种类型，对应地层选择使用
第三节 钻头破岩方式与钻头分类
§3 Classification of bits 一、钻头破碎岩石方式
目前钻井所使用的钻头类型很多，其破碎岩石的工作原理
与方式有以下三种： 1）切削 利用轴向压力使破碎工具吃入岩石， 随着钻头的旋 转，岩石在挤压下破碎，而后进行切削，其方式类似金属切削。 2）冲压 利用轴向载荷使岩石在冲击和挤压作用下达到破碎。
验，在加载速度充分适应于试件变形速度的条件下，所得到
的岩石典型应力—应变曲线。 OA：岩石裂隙逐渐被压实 AB：斜率为岩石的 E B点-屈服点 BC：裂隙不稳定发展，先行破坏 CD：裂隙不稳定传播，岩石解体
二、简单应力条件下岩石的强度
岩石的强度与应变形式有很大关系，只有在压缩情况下， 岩石才呈现出很大的强度。 岩石的规律是:抗压强度>抗剪强度>抗弯强度>抗拉强度 岩石结构的多变性且岩石的微观或宏观的结构特征都会对 岩石的强度产生影 响，因此一般在实
盐岩、泥岩和一些碳酸盐岩属于研磨性最小的岩石； 其次应为石灰岩和白云岩等属低研磨性的岩石； 火成岩的研磨性一般属于中等或较高，要看这些岩石中 所含长石和石英成分的多少以及颗粒粒度和多晶矿物间的硬 度差而定。含长石及石英成分少，粒度细，矿物间的硬度差 小的，研磨性也小些，反之则研磨性较高； 含有刚玉矿物成分的岩石应属于高研磨性的岩石； 沉积碎屑岩的研磨性主要视其石英颗粒的含量及其胶结 强度而定，石英颗粒含量越多，粒度越粗，胶结强度越大的 岩石，其研磨性越高；反之，如果岩石中石英颗粒的含量少， 颗粒细，胶结强度低，其研磨性则较低。
岩石的强度特征： 是指岩石在载荷作用下开始破坏时的最大应力（强度 极限）以及应力与破坏之间的关系，它反映了岩石抵抗破 坏的能力和破坏规律。
一、岩石的应力—应变曲线
岩石的变形特征和强度特征，由岩石试件在单轴或三轴
试验机上所得到的应力一应变曲线来描述。 图2-1是采用刚性试验机， 对圆形岩样进行轴向压缩试
压力机
―硬度”（即抗压入强度）
硬度：岩石在静止载荷下抗压入的能力。 硬度的计算公式为：
底径1-2mm
H=W／S
式中 H —— 岩石硬度，MPa； W —— 垂直载荷，N； S —— 压摸底面积，mm2。
>50×50×50mm 上下要平整光滑
根据我国各油田石油钻井中常遇到的地层，通过对大 量岩样进行测定，可将岩石的硬度分为十级。
第二章
岩石力学与破岩原理
Chapter 2 ： Rock Mechanics and Bits
第一节 岩石的力学性质
第二节 岩石的研磨性与可钻性
第三节 钻头破岩方式与钻头分类
第四节 刮刀钻头及其破岩原理
第五节 牙轮钻头及其破岩原理
第六节 金刚石钻头及其破岩原理
引
子
岩石就是经过地质作用而天然形成的一种或多种矿物的
内摩擦角概念
三、复杂应力条件下岩石的强度
1.常规应力三轴试验方法
试件有四种：圆柱、圆筒、长方体、正方体。常规三轴应 力试验是最为常用的一种三轴应力试验方法。它是将圆柱形 的岩样置于一个高压容器中， 首先用液压 P使其四周处于三 向均匀压缩的应力状态下，然 后保持此压力不变，对岩样施 加轴向载荷，直到使其破坏。 压缩试验施力方案： （ σ 1 ＞ σ 2= σ 3 = P ） 拉伸试验施力方案： （ σ 1 ＜ σ 2= σ 3 = P）
ห้องสมุดไป่ตู้
3）研磨 利用抗磨性好的材料，在一定压力和适当的转速下，
对岩石进行研磨破碎。
此外还有水射流破岩方式
其实，这三种破岩方式中，对岩石的作 用形式主要是压挤和切削。 实际上钻头在井内破碎岩石钻进时，这 三种破岩方式都有，只是根据岩石的强度和 钻头类型以某种破碎方式为主而已。 1）塑性岩石一般强度较小，钻头以切 削破碎为主。 2）塑脆性和脆性岩石一般强度较高， 以冲击和压挤破碎为主。 3）对强度和硬度都很大的岩石，则以 研磨破碎为主。
2.三轴应力下岩石的强度和变形的特点
通常，岩石的总应变量达到3％～5％
Von Karman应力-应变曲线
Homdin-Hager
围压对岩石强度的影响（24℃）
时，就认为其已开始具有塑性性质或已达 到了脆-塑的转变。 对于深井钻井来说，研究岩石从脆性到 塑性的转变点（或称临界压力）具有重要 的实际意义。因为脆性破坏和塑性破坏是 两种具有本质差别的破坏形式，需分别利 用不同的破碎工具（不同结构的钻头类 型），采用不同的破碎方式（冲击、压碎、 挤压、剪切或切削、磨削等），以及不同 的破碎参数（钻压、转速及水力参数等） 的组合。 因此，确定各类岩石的脆-塑性转变的 “临界压力”将为设计、选择和合理使用 钻头提供科学依据。
四、岩石的弹性
岩石的弹性常数 杨氏弹性模量
E G E 2(1 ) E K 3(1 2 )
泊松比
剪切弹性模量
体积弹性模量
确定岩石弹性常数的实验方法很多，主要有 1.静力法（静载压缩试验） 2.动力法（声波法）
五、岩石的抗压入破碎强度
前苏联学者史立涅尔分析了圆柱形的平底压头静压入岩 石时在岩石中产生的应力状态并提出了确定岩石“硬度”（即 抗压入强度）和塑性性质的一套方法。
时极限平衡剪切面上的正应力和内摩擦力形成的合力与该正
应力之间的夹角。
岩石 粘结力(MPa) 内摩擦角(°) 14-50 45-60 花岗石 20-60 50-55 玄武岩 10-50 35-50 石灰岩 8-40 35-50 砂岩 3-30 20-35 页岩
直接剪切试验
旋转组合
n f C n tan C
三翼刮刀钻头
刮刀钻头是旋转钻井中最早使用的一种钻头。它结构简
单，制造方便，成本低廉，在泥岩和页岩等松软地层中使用
可以得到很高的机械钻速和钻头进尺。 刮刀钻头因其承压面积大，钻头刀刃磨损快，主要应用 在第四纪和第三纪软塑性地层，遇硬地层或软硬交错地层， 钻头刀刃吃入岩石困难，急剧磨损，钻进效率很低。 我国在刮刀钻头的研制和使用上取得了突出的成果： －－六十年代初期出现了千米刮刀钻头 －－七十年代初期在不少油田创造了两千米刮刀钻头
钻头是钻进破碎岩石的基本工具，钻头钻进效果的好坏， 直接影响能否多快好省地钻成油气井。钻头破碎岩石效果的 高低，主要用单只钻头的机械钻速和进尺两个指标来衡量。 机械钻速－－纯钻进单位时间内的进尺。 钻头进尺－－钻头在井底工作从全新到完全磨损不能再用 的全部时间内所取得的进尺。 机械钻速、钻头进尺之间的关系如下:
岩心柱 直径2.5-5.0cm 高径比2.5-3.0
际应用时，必须对
具体的岩石进行必 要的强度试验，以
钢 岩石
钢
岩石
卡 环
获取比较准确可靠
的数据。
c t
单轴抗拉伸强度试验
单轴抗压缩强度试验
岩石的抗剪强度可用粘结力和岩石的内摩擦角表示。 粘结力是指由分子引力引起的物体中相同组成的各部分 倾向于粘结在一起的一种力。岩石的内摩擦角是指岩石破坏
二、岩石的可钻性
现代岩石可钻性的概念： －－在一定技术条件下钻进岩石的难易程度 －－钻进过程中抗破碎的强度 都涉及钻碎的对象、使用的工具、钻碎的难易性 油气钻井工程中，可钻性一般理解为地层岩石破 碎的难易性，由此把岩石分为难钻的和易钻的。
在有些情况下，可钻性可以确定岩石在井底抵抗
钻头破碎的能力。
（受深度、温度、压力、流体等影响）
集合体。岩石力学就是研究岩石在载荷作用下的应力、变形
和破坏规律以及工程稳定性等问题。 油气钻井的目的就是破碎岩石形成井眼，获取地层地质 资料，并将油气引导出来。 破岩工具作用下的岩体内部处于多向应力状态，欲达到 破碎岩石获得进尺的目的，就必须：一是选择高质量的破岩 工具，二是使钻头施加于岩石的外力超过其极限值。 显然，研究岩石在各种应力状态下的力学性质和机械性
石油钻井中： 粘土、软泥岩 泥岩、砂质泥岩 泥灰岩、粉砂岩、泥质砂岩等 石灰岩、砂岩 石英岩、花岗岩、燧石等 多属1～2级 多属3～4级 多属3～6级 多为4～8级 9级以上
岩石的硬度和塑性系数通常用压入试验来确定。图2-6给
出了岩石的压入试验曲线的三种典型形状。其纵坐标为压头 上所加载荷，横坐标为吃入深度（压入深度）。
史立涅尔等人用摩擦磨损法对各种岩石的研磨性 进行了比较详尽的研究，得出了一些有实际应用价 值的结果。 摩擦磨损法即是确定一个转动的金属圆环在岩石 表面上相互摩擦时的磨损量， 以此作为度量岩石研磨性的指 标。研磨性系数：
Vs P
单位：cm3/m·N
史立涅尔法
史立涅尔等分别以淬火钢、硬质合金为金属摩 擦介质，对各种岩石进行了试验。试验结果表明：
一、岩石的研磨性
岩石磨损破岩工具的能力称为岩石的研磨性。
研磨性磨损是由钻头工作刃与岩石相摩擦的过程中产生微 切削、刻划、擦痕等所造成的，属表面磨损。 这种研磨性磨损除了与摩擦副材料的性质（如化学组成和结 构）有关外，还取决于摩擦的类型和特点、摩擦表面的形状和 尺寸（如表面的粗糙度）及摩擦面的介质等因素。显然，这是 个十分复杂的问题。 研究方法：钻磨法、磨削法、微钻头钻进法、摩擦磨损法。
Vm=H/t
m/h
式中： Vm－－ 一只钻头的平均机械钻速，m/h； H－－ 一只钻头的钻头进尺，m； t－－ 一只钻头的工作时间，h。
机械钻速反映钻头破碎岩的效率，钻头进尺反映钻头使用的耐久性。
要求：钻头钻速高、进尺多，也就是钻井速度快，钻井时 间短，这样也就降低了钻井的成本。
二、钻头破岩方式与钻头分类
岩石的可钻性是个多变量的函数，这些变量包含有天然
的、工艺的和技术性的因素。因此，到目前为止，适合于油
气钻井条件的岩石可钻性问题仍是个尚未彻底解决的问题。
但对岩石可钻性的正确评价又是确定最优钻井参数、选择钻 头类型、预测钻井效果以及规定钻井工作定额时所必需的。 可钻性直接与岩石的硬度有关，它可用岩石的硬度来表 示。我国油田的地层相应于牙轮钻头将岩石硬度分为七类： 极软 JR，软R，中软 ZR，中等 Z，中硬 ZY，硬 Y，极硬 JY。 极软 JR和R地层 极硬JY地层 可钻性极值： Kd=log2td 也可用金刚石钻头钻进 也可用刮刀钻头钻进
破岩方式 切 削 压 碎 研 磨 水射流 适应岩石 塑性岩层 脆性岩层 硬岩层 松软岩层 钻 头 类 型 刮刀钻头 牙轮钻头 金刚石钻头 射流功率强的钻头 PDC钻头
第四节 刮刀钻头及其破岩原理 §4 Drag bit
刮刀钻头为切削型钻头，适用于软塑性岩层。这 种钻头体上镶焊有几个刮刀片，在刮刀翼上加焊上耐 磨的硬质合金材料，根据塑性岩石软硬的特点，刮刀 钻头有两翼的（鱼尾钻头）、三翼的和四翼的，最常 用的为三翼刮刀钻头。
质是基础，选择合适的钻头类型则是其主要目的。
第一节
岩石的力学性质
§1 Mechanical Properties of Rock
岩石的力学性质通常包括两个方面： 1、岩石的变形特征 2、岩石的强度特征。
岩石的变形特征： 是指岩石在各种载荷作用下的变形规律（包括岩石的
弹性变形、塑性变形、粘性流动和破坏规律）。
岩石产生 塑性变形的 原因是由于 岩石内部矿 物及胶结物 颗粒间的接 触面在外力 作用下发生 相对滑移所 致。用塑性 系数K表示.
石英岩、花岗岩等
大理岩等
塑性泥岩、多孔砂岩等
W P A
K
AF OABC 的面积 K＞6 AE ODE 的面积 塑性岩石
第二节
岩石的研磨性与可钻性
§2 Abrasive property and drill ability of rock
－－八十年代胜利油田用金刚石刮刀钻头单只钻头进尺
达到3135．87m，创造了国内外刮刀钻头进尺的最高记录。
一、刮刀钻头刀翼的几何形状和结构参数
1.刀翼结构角 刀翼的结构角包括：刃尖角β、切削角α 、刃前角 和刃后 角ψ ，如图2—7所示。
刃尖角β：是刀翼尖端前后刃之间的夹角， 它表示刀翼的尖锐程度。 从吃入岩石和提高钻速方面来考虑，β角应 越小越好，但因β角过小时刀翼强度难以保 证，所以确定β角的原则一般是在保证刀翼 有足够强度的条件下，尽可能减小β角。 β角的确定原则：一般岩石软时， β角可以 稍小，平均β角为10°左右，甚至可小到 8°～9°；岩石较硬， β角要适当增大，平 均β角为12°～15°； 夹层多，井又较深时， β角应适当增大。
牙轮钻头可用于这七种类型，对应地层选择使用
第三节 钻头破岩方式与钻头分类
§3 Classification of bits 一、钻头破碎岩石方式
目前钻井所使用的钻头类型很多，其破碎岩石的工作原理
与方式有以下三种： 1）切削 利用轴向压力使破碎工具吃入岩石， 随着钻头的旋 转，岩石在挤压下破碎，而后进行切削，其方式类似金属切削。 2）冲压 利用轴向载荷使岩石在冲击和挤压作用下达到破碎。
验，在加载速度充分适应于试件变形速度的条件下，所得到
的岩石典型应力—应变曲线。 OA：岩石裂隙逐渐被压实 AB：斜率为岩石的 E B点-屈服点 BC：裂隙不稳定发展，先行破坏 CD：裂隙不稳定传播，岩石解体
二、简单应力条件下岩石的强度
岩石的强度与应变形式有很大关系，只有在压缩情况下， 岩石才呈现出很大的强度。 岩石的规律是:抗压强度>抗剪强度>抗弯强度>抗拉强度 岩石结构的多变性且岩石的微观或宏观的结构特征都会对 岩石的强度产生影 响，因此一般在实
盐岩、泥岩和一些碳酸盐岩属于研磨性最小的岩石； 其次应为石灰岩和白云岩等属低研磨性的岩石； 火成岩的研磨性一般属于中等或较高，要看这些岩石中 所含长石和石英成分的多少以及颗粒粒度和多晶矿物间的硬 度差而定。含长石及石英成分少，粒度细，矿物间的硬度差 小的，研磨性也小些，反之则研磨性较高； 含有刚玉矿物成分的岩石应属于高研磨性的岩石； 沉积碎屑岩的研磨性主要视其石英颗粒的含量及其胶结 强度而定，石英颗粒含量越多，粒度越粗，胶结强度越大的 岩石，其研磨性越高；反之，如果岩石中石英颗粒的含量少， 颗粒细，胶结强度低，其研磨性则较低。
岩石的强度特征： 是指岩石在载荷作用下开始破坏时的最大应力（强度 极限）以及应力与破坏之间的关系，它反映了岩石抵抗破 坏的能力和破坏规律。
一、岩石的应力—应变曲线
岩石的变形特征和强度特征，由岩石试件在单轴或三轴
试验机上所得到的应力一应变曲线来描述。 图2-1是采用刚性试验机， 对圆形岩样进行轴向压缩试
压力机
―硬度”（即抗压入强度）
硬度：岩石在静止载荷下抗压入的能力。 硬度的计算公式为：
底径1-2mm
H=W／S
式中 H —— 岩石硬度，MPa； W —— 垂直载荷，N； S —— 压摸底面积，mm2。
>50×50×50mm 上下要平整光滑
根据我国各油田石油钻井中常遇到的地层，通过对大 量岩样进行测定，可将岩石的硬度分为十级。
第二章
岩石力学与破岩原理
Chapter 2 ： Rock Mechanics and Bits
第一节 岩石的力学性质
第二节 岩石的研磨性与可钻性
第三节 钻头破岩方式与钻头分类
第四节 刮刀钻头及其破岩原理
第五节 牙轮钻头及其破岩原理
第六节 金刚石钻头及其破岩原理
引
子
岩石就是经过地质作用而天然形成的一种或多种矿物的