第二节 岩石破碎的基本原理

1.破岩齿的形状
与岩石相互作用的破碎岩石工具是由多个破岩齿组合形成的，因此可通 过分析单个破岩齿破岩过程来分析破岩工具的破岩机理。 破岩齿的形状多种多样（图3.2.1），但可归结为圆柱体和球形体的不同 组合。为便于研究，在分析破岩机理时往往采用平底圆柱和球形体来表示破 岩齿的基本形状。在分析破岩过程时主要以平底圆柱破岩齿为例。
由于破岩齿下部岩石应力状态的变化，导致破岩齿下部岩石的破 碎区出现不对称性，在水平力作用方向破岩齿前方出现大体积的剪切 破坏，密实核的趋向也向水平作用力方向偏移，破岩齿后部出现拉应 力破坏但范围较小。形成的破碎坑的形状示意如图3.2.15：
作用力 崩切区 破 岩 齿 压碎形成的密实核 拉应力破坏 区
第二节 岩石破碎的基本原理
一、破岩齿受力状态分析
利用特定的机械工具在岩石表面施加载荷，使岩石所 受载荷超过其强度极限而破碎的破岩方式称为机械破岩方 法。石油钻井所用的破岩方式主要为机械破岩。 石油钻井机械破岩的工具为钻头，既通过钻头的破岩 齿与岩石发生相互作用来破碎岩石，也既破岩齿受到不同 形式的力的作用并将力传递到岩石，达到破岩的目的。因 此分析破岩机理应从单齿破碎岩石的过程压入岩石表面图示
图3.2.6圆柱平底破岩齿受单向垂直力 压入岩石表面图应力分布图
周边岩石发生塑性变形后，破岩齿向下移动侵入岩石一定深度，载荷 变为均布载荷；同时由于破岩齿的移动使得破岩齿周边区域形成拉应力区 （图3.2.7）。
图3.2.7 圆柱平底破岩齿受单向垂直力 压入岩石表面塑性变形后的应力分布图
P P Q
P F
Q
垂直力（压入力）
斜向力作用
图3.2.4破岩齿的受力状态简化
二、圆柱平底破岩齿受单向垂直力压入岩石（图3.2.5）的破碎过程 1. 破碎过程描述 ①岩石发生塑性变形阶段 根据弹性力学的赫兹接触理论：圆柱平底破岩齿受单向垂直力作用，岩 石表面所受应力的分布如图3.2.6。 根据应力分布图，圆柱破岩齿作用于岩石表面的压力在破岩齿周边存在 应力分布的极值，随着载荷的增加，周边岩石所受应力首先达到屈服极限而 发生塑性变形破坏。
Ⅰ区—多项压缩区
Ⅲ区—拉压混合 区
图3.2.14 在两向载荷作用下的等应力线
从图中可以明显地看出：当破岩齿受倾斜力作用时，出现极值载荷 的位置发生偏移，最大剪应力出现在与作用力方向一致的轴线上。同时 破岩齿下部岩石的受力状态发生变化，形成受力状态不同的三个区域。 岩石的应力状态可分为三个区： 1—多向压缩区； 2—拉应力区； 3—拉压混合区。
②转速的优化 破岩工具上所有破岩齿的水平力力矩之和为破岩工具的扭矩。如果 岩石性能不变、破岩齿压入地层深度不变，破岩齿的水平力的大小决定 了破岩齿的运动速度。破岩齿的运动速度增加，单位时间内破碎岩石的 总量增加，破岩效率提高。
实际工程中转速与机械钻速的关系为指数关系。在一定转速范围 内，转速越快机械钻速越快，超过某一极值钻速会下降。造成这一现 象的原因为：
门限钻压
图3.2.17 钻井速度与 钻压的关系
当钻压超过门限钻压后，钻压越大，钻头齿压入地层深度越大，破 岩体积越大，破岩速度越快。 实验和钻井数据统计表明：钻压与机械钻速的关系为指数关系：
ROP = k (W − W0 )
n
ROP—机械钻速；k—与地层和切削齿形状有关的系数； W—钻压;W0—门限钻压；n—指数，一般小于1。 如果破岩齿为长条形或楔形，压入深度与钻压成正比，且切削齿 足够长的前提下，指数接近于1。当切削齿为锥形或锋利齿磨钝后n小 于1。
图3.2.15 在两向载荷作用下破碎坑的形状示意图
四.球体破岩齿压入时的岩石破碎发展过程
球体破岩齿压入试验时，所得到的结果与平底破岩齿相比较略有差异。
图3.2.16 在两向载荷作用下破碎坑的形状示意图
球体破岩齿压入时的岩石破碎发展过程特点： ①塑性变形阶段的塑性破坏区首先发生在破岩齿顶点接触岩石部位； ②局部破碎阶段形成的破碎核成钝角； ③体积破碎阶段形成的破碎坑成钝锥形。
五、影响破岩齿破岩效果的因素
1.影响破岩齿破碎岩石效果的因素 综合分析破岩齿破碎岩石的过程，可以总结出影响破岩齿破碎岩石效 果的因素： ①岩石：岩石不同，岩石的物理力学性能不同，破碎效果不同。 ②破岩齿的形状：破岩齿形状不同，形成的破碎坑大小与形状不同。 ③载荷大小的影响：在破岩齿受单项垂直载荷时，随着载荷的增加， 破碎状态由塑性变形发展到体积破坏，体积破碎是工程实际中需要的破碎 形式；在破岩齿受斜向载荷时，载荷的变化，不仅影响破碎状态，同时水 平分量影响破岩速度。 ④载荷的形式：动载是与时间有关的载荷。外载引起的应力在岩石内 部传递需要一定的时间。如果应力作用的速度超过应力在岩石内部的传递 速度，则岩石变形得不到充分发展，破岩效果变差，钻速会下降。
②压实核形成阶段（局部破碎） 根据上述结论，随着力的进一步增加，在破岩齿下方深度为Zm处， 剪应力极值达到岩石的抗剪强度，此处形成剪应力破坏点。
图3.2.9 压实核示意图
③岩石大面积崩裂阶段（体积破碎） 在载荷的进一步作用下,破岩齿周边裂隙和Zm处裂隙贯穿，在破岩 齿下方形成破碎核—压实核。由于密实核处于全面压缩状态，不能形成 剪切破坏。但压实核作为力的载体对周围岩石产生挤压作用。
圆柱平底破岩齿作用于岩石，载荷变为均布载荷后，岩石内部应力 分布根据弹性力学的计算得出如下结果： 在对称轴
z=a 2(1 + u ) 7 − 2u
处, 剪应力存在最大值：
τ max =
p ⎡1 − 2u 2 ⎤ + (1 + u ) 2(1 + u ) ⎥ 2⎢ 2 9 ⎣ ⎦
（其中u为泊松比）
图3.2.8 载荷变为均布载荷后 岩石内部应力分布图
2.破岩齿破岩过程分析的工程意义 在工程实际中，钻头破岩齿的载荷是由钻井参数决定的，因此通过 破岩齿破岩过程分析可以优化钻井参数。 ①钻压的优化 破岩工具上所有破岩齿受到的垂直载荷之 和既为钻头的钻压。 根据破岩过程分析，岩石破碎分为三种状 态，在体积破碎阶段岩石的单位体积破碎功 小，破岩效果好。因此工程实际中施加的钻压 必须使破岩齿压入地层一定深度，达到体积破 碎状态。使破岩齿压入地层一定深度以体积破 碎状态破碎岩石的最小钻压称为门限钻压。在 实际钻井过程中钻压值一定要大于门限钻压。
图3.2.12 岩石破碎第二个循环示意图
图3.2.13 岩石破碎第二个循环破碎坑示意图
2.岩石破碎过程的三个阶段
从岩石破碎的过程分析，随着压力的增加，破岩齿破碎岩石的过程可 划分为三个阶段： ①裂纹发展阶段（塑性变形） ②压实体形成阶段（局部破碎） ③岩石大体积崩切阶段（体积破碎） 在塑性变形阶段，仅在岩石内部形成裂纹；在压实体形成阶段，仅仅 破岩齿下部岩石发生破坏，破碎体积很小；只有在崩切阶段产生大体积破 碎，破岩效果好。
图3.2.10 压实核对周围岩石产生挤压作用示意图
当载荷继续增加时，在最大剪应力点外侧的c点产生裂纹。这裂 纹发展贯穿周围的岩石达到自由面，在压实核积压力的作用下形成大 面积的崩裂，形成破碎坑。
岩石崩裂位置
岩石破碎坑
图3.2.11 岩石体积破碎形成破碎坑示意图
④第二个循环破碎阶段 破岩齿压入岩石形成破碎坑后，一个破碎过程结束。接下来破碎过 程进入第二循环，过程重复上述步骤。但由于围岩的限制破岩体积减小。
机械钻速（米/小时）
ROP = kN
q
N—转速；q—指数(<1)
转速（
图3.2.18 机械钻速与 转速的关系
转速存在极限值的原因有二： ①当机械钻速达到一定程度后，由于井底岩粉不能及时清除，造成 岩粉的重复破碎，影响了机械钻速的提高 。 ②外载在岩石内部引起的应力在岩石内部传递需要一定的时间。如 果应力作用的速度超过其应力在岩石内部的传递速度，则岩石变形得不 到充分发展,破岩效果变差，钻速会下降。
P = P1 + f1 ( x , t )
P
P θ Q F
Q = Q1 + f 2 ( x , t )
Q
载荷为静载
载荷为静、动载 图3.2.3 破岩齿的受力状态
如不考虑时间因素的影响，那么不管载荷为静载还是动载，其岩 石破坏的基本发展过程类似，为便于问题分析，取静载形式来分析岩 石破坏的发展过程。 将静载分为两种基本情况（图3.2.4)： ⑴垂直力（压入力）作用； ⑵斜向力作用（压入力和水平力同时作用）。
图3.2.1 切削齿的形状
2.破岩齿受力状态分析
破碎岩石是在破岩齿上施加载荷，破岩齿将载荷传递到而使岩石 破坏。破岩载荷的基本形式有：压入、剪切、冲击（图3.2.2): 压入+剪切 冲击 冲击+剪切
铁锹
凿子
镐
图3.2.2 破碎岩石的工具及载荷形式
无论静载或动载，都可简化为力的作用。破岩齿受力的合力为空间的 斜向力，可分解为水平和垂直方向的两个分力，受力状态如图3.2.3所示：
三、圆柱破岩齿受垂直力和水平力联合作用破碎坑的形状
破岩齿破碎岩石的破碎实际上是在垂直和水平载荷同时作用下发生的。 也即破岩齿受倾斜力F的作用（如图3.2.13）。
P Q
P F
Q
图3.2.13 岩石破碎第二个循环破碎坑示意图
在两向载荷作用下，按照弹性理论得到的等应力线如图3.2.14：
Ⅱ区—拉应 力区