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。

O

2

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。

按胶结形式分，岩石胶结分为接触胶结、微膜胶结、空隙胶结和基底胶结。

C．岩石孔隙度增大，强度降低；

D．颗粒表面性质指粗糙度和吸附性；

E 组成岩石的矿物颗粒越小，接触面积越大，强度越大。反之越小；

(2)岩石的宏观结构

岩石的宏观结构是指表征岩石的层理、片理、裂隙等宏观特性。

A 层理：组成岩石的成分或颗粒之大小在垂直方向上成层变化。如软硬交错夹层，泥页岩，砂岩；

B片理：沿水平方向岩石分解成薄片的现象或能力。片理可以是水平的，也可以是倾斜的，与沉积环境有关；

D．裂隙：由于地应力或构造力的作用使岩石断裂成裂隙，其分布和走向与力的作用方向有关。

(3)岩石的密度：不同的岩石有不同的密度，这取决于岩石的孔隙度和埋藏深度等。常见的岩石密度如下表：

(4)岩石的各向异

岩石各向异性是指岩石岩石微观结构的不均匀性。主要是层理、片理、裂隙、软硬交错夹层、地层倾角、矿物晶体定向排列、岩石劈理等引起的岩石各个方向的力学特性的变化特性。即平行层理和垂直层理方向上的力学特性具有明显的差异。具体表现是垂直层面和平行层面的岩石弹性模量、波松比、抗压强度、抗拉强度、抗弯强度和抗剪强度不同。这就使得沿垂直方向的可钻性与沿水平方向的可钻性不同，常常发生井斜和井眼扩大。

结论：

*岩石的强度性质主要取决于胶结物的性质和颗粒间的接触面积的大小；

* 由于岩石固有的结构不均匀性和不连续性，造成岩石的各向异

性。即垂直方向和水平方向的可钻性和强度不一样。是造成井斜的主要原因；

* 岩石的孔隙度影响岩石的密度和强度。岩石的密度随井深增加而增大，岩石的强度和硬度也随之增大；

*岩石的裂隙影响岩石的强度。裂隙发育地层强度越低。常会引起井漏或井喷事故。

2．岩石的力学性质

岩石力学性质是指岩石在受外力作用过程中表现出的物理力学性质。如弹性、塑性、强度、硬度等应力－应变特性及岩石破坏时的最大应力。反映了岩石抵抗破坏的能力和破坏规律。

岩石应力—应变曲线

2.1 岩石的应力－应变曲线

如图所示为岩石应力－应变曲线。在加载初期应力－应变不是线性关系，是由于岩石孔隙压缩使曲线OA向下凹陷。然后（AB）应力－应变成线性关系，是弹性变形阶段。BC段为屈服变形。C 点岩石开始破坏，D点岩石完全破坏。C点的应力为岩石的强度。

2.2 岩石的弹性常数

岩石弹性常数包括：扬氏弹性模量E、剪切弹性模量G、体积弹性

模量K 、泊松μ。它们的关系是：G ＝E/2(1+μ)， K ＝E/3(1－2μ)。 测量岩石弹性常数的方法有静力法，即静载压缩实验；动力法，用声波法测量纵横波速计算两类。静力法是利用应力—应变曲线的切线的斜率求出E 。

特点：岩石的弹性常数随围压增加而增加，随外载而变化。一般是压力增大波松比成指数关系增大。

2．3岩石的强度

岩石的强度与应变的形式有关。只有在压缩时岩石才呈现很大的强度，在其他受力或应变形式，如拉伸、弯曲、扭转时强度很小。岩石的抗拉强度只有抗压强度的2%。一般规律是抗压强度》抗剪强度》抗弯强度》抗拉强度。

岩石力学与材料力学弹性的区别：

A 岩石力学定义压缩为正，拉伸为负；

B 岩石的抗拉强度与抗压强度不相等。一般 E

C >E t =1.5－4倍；

C 拉伸时E 减小，压缩时E 增大；

D 由于岩石的各向异性，水平方向和垂直方向的弹性模量不相同；

E 随围压增加岩石的弹性和强度增加，并且随外载大小和方向而变化；

F 一般是c m t S S S S <<<τ。

结论:

大多数岩石由于受结构的影响，应力－应变一般不服从虎克定律。弹性模量随外载的大小、方向和加载速度而变化。确定岩石弹性并不意味着岩石是弹性体。岩石的弹性指标是在规定的条件下测得的。