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
23.
24.岩石在单轴压缩试验条件下的破坏形态：圆锥形破坏，柱状劈裂破坏。 25.初始模量反映了岩石中微裂隙的多少；切线模量反映了岩石的弹性变形特征； 割线模量反映了岩石的总体变形特征。 26.扩容----是指岩石受外力作用后,发生非弹性的体积膨胀 27.岩石的体积应变
56.钻头分类：牙轮钻头；PDC 钻头；表、孕镶金刚石钻头、刮刀钻头 57.相关概念
58.钻头单位进尺成本
59.剪切破岩过程
60.塑性岩石与脆性岩石的剪切破岩过程
61.钻井参数：钻压、转速、排量与泥浆密度 62.实际钻井过程中钻压一定要超过门限钻压，在体积破碎区破岩，破岩比功较 小，破岩效果好。 63. 从曲线可以看出：在一定范围内，钻速与转速近似成正比关系。但当转速增加到一定
72.刀翼数量
73.PDC 钻头的优缺点（切记） 优点 1）以剪切方式破岩，在软至中硬均质地层中破岩效率高，机械钻速高； 2）具有自锐性，能始终保持较高的机械钻速； 3）PDC 钻头切削齿耐磨性高，钻头寿命长； 4）所需钻压较低，钻柱负荷小。同时在吊打情况下能保持较高的钻井速度； 5）适应较高的转速（可达 400 转/分） ，有利于提高钻井速度；同时适合配合 动力钻具使用； 6）PDC 钻头结构牢固，没有活动部件和易损件，有利于防止钻井事故； 7）不受井眼尺寸的限制，适合在小井眼中应用； 8）不受地层温度的影响，是高温地层钻进的首选。 缺点 1）PDC 齿抗冲击韧性较差不适合在破碎、软硬变换频繁以及硬地层中使用， 地层使用范围受到限制； 2）复合片热稳定性较差，需要良好的冷却； 3）对钻头水力结构要求较高，水力结构设计不合理钻头会发生泥包； 4）钻头成本较高。 74.热稳定聚晶金刚石钻头特点 优点 1）以剪切方式破岩，在中硬至硬均质地层中破岩效率较高。 2）切削齿形状多样，切削结构合理，机械钻速较高； 3）TSP 切削齿耐磨性高，钻头寿命较长； 4） 所需钻压较低， 钻柱负荷小。 同时在吊打情况下能保持较高的钻井速度；
40.老师布置的计算题
例题 1 参考莫尔应力圆法
例题 2 主应力表示法
第五章 岩石的流变性
41.蠕变分类
42.蠕变曲线
第六章 岩石破碎原理
43.石油钻井所用的破岩方式可分为两大类: 机械破岩和水力破岩；机械破岩根 据其加载方式的不同又分为剪切、冲击、磨削三种基本方式。同时岩石破碎必 然要经过弹性变形、塑性变形到断裂破坏三个阶段。 44.上述三种牙齿的形状，对于片状切削齿可作为圆柱或球形的特例分析。因此切削齿的形
16.岩石的饱水系数：饱水系数反映了岩石中大开孔隙和小开孔隙的相对含量。饱水系数
越大，岩石中的大开孔隙越多，而小开孔隙越少。
17.岩石的软化性
18.岩石的崩解性: 岩石的崩解性指数反映了岩石在浸水和温度变化的环境下抵 抗风化作用的能力。
19.岩石的透水性
第三章 岩石力学性质及强度
20.岩石的变形特征
47.岩石破碎的三个阶段
48.岩石破碎三个阶段划分的意义
49.压头破岩分析
50. 工具形状确定， 在一定范围内， 随着岩石内摩擦角的增加(岩石内摩擦角越大, 脆性越大)，破岩体积增加 。
51.垂直载荷和水平载荷同时作用
52. 从上述理论分析可知；刃角似乎应尽可能的尖锐。但实际上，尖锐角度将很快地被磨
64.
65.常用的 PDC 直径为 13.4mm、 16mm 、19mm 和 8mm。目前 PDC 正朝着大直径方向发
展，最大的直径可达 50.8 mm，而且金刚石层也有加厚的趋势，已有厚度达 2.5mm 的 PDC 齿。
66.钻头冠部示意
67.冠部形状参数确定法
68.齿前角 研究表明，齿前角的大小与破岩效果密切相关，齿前角绝对值越大，下部 的岩石多向压缩应力增加，压碎的岩石比例增大，不易形成较大体积的剪切破 碎，破岩效率降低；而齿前角变小，一方面复合片后部趋于平缓，切削齿不易 深度吃入地层，另一方面由于切削齿受拉、弯应力相对增加，易造成复合片崩 裂。因此齿前角存在最优值（如图） 。 69.侧转角 由于切削齿有一定的厚度，当其在切槽中旋转时，由于其切削刃部分集中 在复合片前部（1-2mm） ，其后部支撑部分会在环槽内与地层产生摩擦磨损（如 图） ，影响机械钻速，同时侧转角还对岩粉的运移产生影响。摩擦磨损的部分在 角 a 范围内。为避免上述情况，需要将复合片沿其中心线旋转一定的角度 b，此 角度即为侧转角（如图） 。 由于切削齿齿前角的存在，导致切削齿后部支撑部分在环槽内与地层产生 摩擦磨损的部分减小，当齿前角增加到一定值时，会消除支撑部分在环槽内与 地层产生摩擦磨损的部分。侧转角会影响钻头刀翼的形状。通常在实际钻头设 计时可调节齿前角消除支撑部分的影响，而忽略侧转角，即侧转角取值为零。 70.装配角 切削齿柱轴线与钻头轴线成一角度， 此角称作装配角。 装配角为确定参数， 由钻头的冠部形状和齿径向半径决定。 71.切削齿直径
28. 岩石的抗剪强度
29.三向抗压强度
30.岩石的破坏形式
31.从广义上讲,岩石的抗剪强度可分为 3 种类型,即抗剪断强度、抗剪强度及抗 切强度。通常没有明确指明时，所说的“岩石抗剪强度”实际上就是“岩石抗 剪断强度” 。 32.岩石抗剪强度的测定方法有：直接剪切试验（直剪） 、楔形剪切试验（斜剪） 、 三轴剪切试验（三轴剪） 。 33.三轴压缩强度：岩石试件在三向压应力作用下能抵抗的最大轴向压力称为岩 石的三向压缩强度。 34.在三轴压缩试验条件下，若从变形特性的角度分析，围压的增大时试件从脆 性破坏向塑性流动破坏过渡。 35.岩石硬度是指岩石抵抗其它物体压入的破碎强度，即是在压头压入岩石后，岩石产生第
钝，而且所破碎的岩石体积也较小。故从综合经济技术指标上看，锐角工具不一定是有效 的。应当根据岩石的研磨性以及其他机械性能和条件来选用切削刃的角度。
53.钝角工具破岩效率低的原因
第七章 钻井破岩方法
54.石油钻井的破岩方法主要有五类：剪切破岩、冲击剪切破岩、磨削破岩、冲 击破岩、水射流破岩。 55.钻井方式分类
沉积岩 变质岩：三大岩类的一种，是指受到地球内部力量（温度、压力、应力的变化、 化学成分等） 改造而成的新型岩石。 固态的岩石在地球内部的压力和温度作用下， 发生物质成分的迁移和重结晶， 形成新的矿物组合。如普通石灰石由于重结晶变 成大理石。 变质岩是在地球内力作用，引起的岩石构造的变化和改造产生的新型 岩石。这些力量包括温度、压力、应力的变化、化学成分。固态的岩石在地球内 部的压力和温度作用下，发生物质成分的迁移和重结晶，形成新的矿物组合。如 普通石灰石由于重结晶变成大理石。a
5）热稳定性好，适应高的转速（可达 800 转/分） ，有利于提高钻井速度； 同时适合配合动力钻具使用； 6）PDC 钻头结构牢固，没有活动部件和易损件，有利于防止钻井事故； 7）不受井眼尺寸的限制，适合在小井眼中应用； 8）不受地层温度的影响，是高温地层钻进的首选。 缺点 1）TSP 齿抗冲击韧性差不适合在破碎、软硬变换频繁以及硬地层中使用， 地层使用范围受到限制； 2）与 PDC 钻头相比，钻头切削齿出刃小，机械钻速低。 3）钻头成本较高。
状可简化为圆柱和球型两种形式。 因此牙齿与岩石的作用可简化为圆柱或球型齿作用于半无 限体的力学问题。
45.牙齿以压入力和切削力联合作用于岩石。
46.弹性力学基于岩石的弹性变形范围进行应力分析，可以得到岩石的应力状态，据此可判 定岩石最先发生破碎的危险地带。当岩石内部出现破裂裂纹后，岩石的连续性遭到破坏，则 超出了弹性力学研究的范围。 对于岩石的破碎过程和机理， 塑性力学和断裂力学也没有给出 定量的描述和解释。 但是人们在大量的试验分析的基础上， 对工具压入岩石时岩石的破碎过 程和机理有了定性的认识。
一次体积破碎时接触面上单位面积的载荷。塑性系数是指岩石在压头压入后，岩石产生第 一次体积破碎时破碎消耗的总功与弹性变形功的比值。
第四章 岩石的强度理论
36.莫尔强度包络线
37.莫尔强度包络线的意义
38.莫尔——库伦强度理论
39.岩石的单轴抗拉强度 t 、单轴抗压强度 c 以及三轴抗压强度 1c 的关系
程度后，钻速开始下降。原因有如下两点：
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外载所引起的应力随着时间以某种速度衰减。如果应力增长的速度超 过其内部应力衰减的速度，则岩石变形不够得到充分发展,影响破碎效果。当转 速增加到一定程度，力的作用速度超过岩石内部应力衰减绪论
背景叙述：针对课程《岩石破碎学与钻头》 ，网上一直没有比较全面的笔记 资料。 楼主根据自己所学课程的资料及读研期间的研究方向， 对该门课程作了如 下笔记。鉴于笔记肯定存在疏漏或者不完善的地方，现将该笔记命名为“岩石破 碎学与钻头笔记 01” 。 如果大家以后学了这门课程， 希望能将笔记完善， 并将 PDF 文档和 word 文档均命名为“岩石破碎学与钻头笔记 02,03…….” ，愿你我为知识 的传播贡献出自己的一份力量。 如果能结识到同方向的研究者， 希望能交个朋友， 我的 QQ：1065609930。 1.根据岩石的成因，一般将岩石分为三大类，岩浆岩、沉积岩和变质岩; 岩浆岩：又称火成岩，是由岩浆喷出地表或侵入地壳冷却凝固所形成的岩石，有 明显的矿物晶体颗粒或气孔，约占地壳总体积的 65%。岩浆是在地壳深处或上地 幔产生的高温炽热、粘稠、含有挥发分的硅酸盐熔融体。是形成各种岩浆岩和岩 浆矿床的母体。岩浆的发生、运移、聚集、变化及冷凝成岩的全部过程，称为岩 浆作用。
质，通常情况下，岩石的重度越大，则其强度便越高；反之强度越低。

其中， ——天然重度， KN/m ；
3
W mg V V V
W ——重量， KN ；
g ——重力加速度， m / s 2
V ——体积， m3 ；
5. 天然密度和天然重度
6.干密度和干重度
7.饱和密度和饱和重度
8.比重
9.岩石的空隙性：开型孔隙：岩石中与外界相通的孔隙。包括大开型孔隙和小开型孔隙。 在常温下水能进入大开型孔隙，而不能进入小开型孔隙。只有在真孔中或 在 150 个大气压以上，水才能进入小开型孔隙。