岩石与钻头
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4.1 岩石的机械性质
钻井的对象是岩石，其性质尤其是机械性质与钻井的关系很大， 研究岩石的机械性质具有重要意义。
一、岩石按其成因的分类：
分为：火成岩、沉积岩、变质岩 沉积岩又分为：
泥岩(颗粒直径<10微米) 砂岩(颗粒直径：10微米～1毫米) 砾岩(颗粒直径>1毫米) 石灰岩(炭酸岩)
分为：抗拉强度(抗拉伸破坏能力) — 最高 抗剪强度(抗剪切破坏能力) — 居中 抗压强度(抗压缩破坏能力) — 最低
如：
砂岩 石灰岩
抗压 100 100
抗剪 10～12
15
抗拉 2～5 4～10
4.1 岩石的机械性质
2. 硬度：抵抗其他物体压入的能力。
① 莫氏硬度(定性)：根据一种矿物刻划另一种矿物的经验办 法区分矿物的软硬性质。
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)
4.2 钻头Байду номын сангаас
(二) 工作原理
1. 牙轮的自转和公转 2. 钻头的纵向振动及对地层的冲击、
压碎作用 3. 牙齿对地层的剪切作用(超顶与移
轴引起齿的滑动) 4. 牙轮钻头的自洗(齿圈相互啮合)
牙轮布置方案
4.2 钻头
三、金刚石钻头
用金刚石作切削刃 — 可钻极硬岩石，研 磨性钻头，分为两类： 表镶式(外露1/3，0.6～1.2mm)，价格高 孕镶式(细小颗粒与胎体材料一起烧结)， 价格低。
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。
适用地层：硬地层(高转速，趋于与涡 轮钻配合使用)。
金刚石钻头
4.2 钻头
四、PDC钻头
人 造 聚 晶 金 刚 石 复 合 片 钻 头 － Polycrystaline Diamond Compact Bit
PDC钻头是用人造聚晶金刚石切削块嵌于钻头钢体(或焊于 钻头胎体)而成的一种新型切削型钻头，它以锋利、高耐磨、能 够自锐的金刚石切削块作为切削刃。从而能够在低钻压下(4吨 左右)取得高进尺(为牙轮钻头的4～6倍)和高转速(高于牙轮钻头 2倍以上)，这种钻头适用与钻进软到中硬地层，目前还不适用 于硬及研磨性地层。
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
4.1 岩石的机械性质
砂岩按粒径大小又可分为：
粗砂岩(颗粒直径：0.5～1毫米) 中砂岩(颗粒直径：0.25～0.5毫米) 细砂岩(颗粒直径：0.1～0.25毫米) 粉砂岩(颗粒直径：10微米～100微米)
4.1 岩石的机械性质
二、岩石的机械力学性能
钻井的重要工作实际上就是破碎岩石，因此关心的主要是 岩石的力学性能(机械性能)，是钻头选型的重要依据。
滑石硬度最小，定为1；金刚石最高，定为10。
金刚石 10
刚玉 9
黄玉 8
石英 7
长石 6
磷灰石 5
萤石 4
方解石 3
石膏 2
滑石 1
② 硬度计测量的硬度(定量)
4.1 岩石的机械性质
3. 脆性和塑性：破碎前只发生弹性变形，为脆性岩石；受 力后即发生永久变形(塑性)，破碎点不明显，为塑性岩 石；介于两者之间为塑脆性岩石。与受力状态，温度， 加载速度有关。
刮刀钻头
4.2 钻头
2. 主要参数是刀翼的结构角 刃尖角β；切削角α
3. 破岩原理： 主要是切削
4.2 钻头
脆和塑脆性岩石与塑性岩 石的破岩过程少有区别
4.2 钻头
(1) 脆和塑脆岩石： 碰撞 挤压压碎(小剪切) 大剪切。(图3-7)
4.2 钻头
(2) 塑性岩石： 切削(连续的塑性流动)。图3－8
或镶装硬质合金齿(镶齿钻头)，牙轮内部有轴承跑道及台肩。 按牙齿材料不同分为：铣齿钻头和镶齿钻头
镶
铣
齿
齿
钻
钻
头
头
4.2 钻头
(2) 铣齿 牙齿是由牙轮毛坯径铣削加工 而成，主要是楔形齿。不同的 地层齿的结构参数(齿高、齿宽、 齿距)不同。
4.2 钻头
(2) 镶齿 在牙轮表面钻出孔后，将硬质材料制成的齿镶入孔中。可 以制成不同形状的齿，以适应不同的地层。
按P — Δh曲线形状可分为：脆性、塑脆性、塑性岩石。
4.1 岩石的机械性质
2. 硬度(硬度计测得的)
1) 脆性岩石(如石英石)
Py
P S
Py — 硬度(Pa) P — 脆性破坏时载荷(N) S — 压模型面积(m2)
4.1 岩石的机械性质
2) 塑脆性岩石 计算法同上
3) 塑性岩石(如软泥岩) 只发生变形不发生脆性破坏
4. 研磨性：磨损钻头的能力为岩石的研磨性。 5. 可钻性：被钻头破碎的能力，一般用机械钻速表示，与
许多因素有关。可用岩石可钻性测定仪测定(微钻头实 验)。
4.1 岩石的机械性质
三、岩石硬度与塑性的测定
用圆柱压入法测定岩石硬度与塑性系数(苏联、史立涅尔)， 接近钻井实际情况。
1. 硬度计
10kN油压机：油压产生压力P 压模吃入岩石 P与吃深 Δh有关，即变形曲线。
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)
Py
P0 S
P0 — 发生屈服时的载荷
4.1 岩石的机械性质
3. 塑性系数K K＝面积OABCEO/面积OADEO
面积OABCEO — 岩石破碎前耗总功 面积OADEO — 弹性变形功(包含弹性区和塑性区中的弹性变形功) K越大，塑性越大：塑性岩石K＝∞，脆性岩石K＝1
4.1 岩石的机械性质
四、岩石按力学性能分类
钻井的对象是岩石，其性质尤其是机械性质与钻井的关系很大， 研究岩石的机械性质具有重要意义。
一、岩石按其成因的分类：
分为：火成岩、沉积岩、变质岩 沉积岩又分为：
泥岩(颗粒直径<10微米) 砂岩(颗粒直径：10微米～1毫米) 砾岩(颗粒直径>1毫米) 石灰岩(炭酸岩)
分为：抗拉强度(抗拉伸破坏能力) — 最高 抗剪强度(抗剪切破坏能力) — 居中 抗压强度(抗压缩破坏能力) — 最低
如：
砂岩 石灰岩
抗压 100 100
抗剪 10～12
15
抗拉 2～5 4～10
4.1 岩石的机械性质
2. 硬度：抵抗其他物体压入的能力。
① 莫氏硬度(定性)：根据一种矿物刻划另一种矿物的经验办 法区分矿物的软硬性质。
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)
4.2 钻头Байду номын сангаас
(二) 工作原理
1. 牙轮的自转和公转 2. 钻头的纵向振动及对地层的冲击、
压碎作用 3. 牙齿对地层的剪切作用(超顶与移
轴引起齿的滑动) 4. 牙轮钻头的自洗(齿圈相互啮合)
牙轮布置方案
4.2 钻头
三、金刚石钻头
用金刚石作切削刃 — 可钻极硬岩石，研 磨性钻头，分为两类： 表镶式(外露1/3，0.6～1.2mm)，价格高 孕镶式(细小颗粒与胎体材料一起烧结)， 价格低。
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。
适用地层：硬地层(高转速，趋于与涡 轮钻配合使用)。
金刚石钻头
4.2 钻头
四、PDC钻头
人 造 聚 晶 金 刚 石 复 合 片 钻 头 － Polycrystaline Diamond Compact Bit
PDC钻头是用人造聚晶金刚石切削块嵌于钻头钢体(或焊于 钻头胎体)而成的一种新型切削型钻头，它以锋利、高耐磨、能 够自锐的金刚石切削块作为切削刃。从而能够在低钻压下(4吨 左右)取得高进尺(为牙轮钻头的4～6倍)和高转速(高于牙轮钻头 2倍以上)，这种钻头适用与钻进软到中硬地层，目前还不适用 于硬及研磨性地层。
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
4.1 岩石的机械性质
砂岩按粒径大小又可分为：
粗砂岩(颗粒直径：0.5～1毫米) 中砂岩(颗粒直径：0.25～0.5毫米) 细砂岩(颗粒直径：0.1～0.25毫米) 粉砂岩(颗粒直径：10微米～100微米)
4.1 岩石的机械性质
二、岩石的机械力学性能
钻井的重要工作实际上就是破碎岩石，因此关心的主要是 岩石的力学性能(机械性能)，是钻头选型的重要依据。
滑石硬度最小，定为1；金刚石最高，定为10。
金刚石 10
刚玉 9
黄玉 8
石英 7
长石 6
磷灰石 5
萤石 4
方解石 3
石膏 2
滑石 1
② 硬度计测量的硬度(定量)
4.1 岩石的机械性质
3. 脆性和塑性：破碎前只发生弹性变形，为脆性岩石；受 力后即发生永久变形(塑性)，破碎点不明显，为塑性岩 石；介于两者之间为塑脆性岩石。与受力状态，温度， 加载速度有关。
刮刀钻头
4.2 钻头
2. 主要参数是刀翼的结构角 刃尖角β；切削角α
3. 破岩原理： 主要是切削
4.2 钻头
脆和塑脆性岩石与塑性岩 石的破岩过程少有区别
4.2 钻头
(1) 脆和塑脆岩石： 碰撞 挤压压碎(小剪切) 大剪切。(图3-7)
4.2 钻头
(2) 塑性岩石： 切削(连续的塑性流动)。图3－8
或镶装硬质合金齿(镶齿钻头)，牙轮内部有轴承跑道及台肩。 按牙齿材料不同分为：铣齿钻头和镶齿钻头
镶
铣
齿
齿
钻
钻
头
头
4.2 钻头
(2) 铣齿 牙齿是由牙轮毛坯径铣削加工 而成，主要是楔形齿。不同的 地层齿的结构参数(齿高、齿宽、 齿距)不同。
4.2 钻头
(2) 镶齿 在牙轮表面钻出孔后，将硬质材料制成的齿镶入孔中。可 以制成不同形状的齿，以适应不同的地层。
按P — Δh曲线形状可分为：脆性、塑脆性、塑性岩石。
4.1 岩石的机械性质
2. 硬度(硬度计测得的)
1) 脆性岩石(如石英石)
Py
P S
Py — 硬度(Pa) P — 脆性破坏时载荷(N) S — 压模型面积(m2)
4.1 岩石的机械性质
2) 塑脆性岩石 计算法同上
3) 塑性岩石(如软泥岩) 只发生变形不发生脆性破坏
4. 研磨性：磨损钻头的能力为岩石的研磨性。 5. 可钻性：被钻头破碎的能力，一般用机械钻速表示，与
许多因素有关。可用岩石可钻性测定仪测定(微钻头实 验)。
4.1 岩石的机械性质
三、岩石硬度与塑性的测定
用圆柱压入法测定岩石硬度与塑性系数(苏联、史立涅尔)， 接近钻井实际情况。
1. 硬度计
10kN油压机：油压产生压力P 压模吃入岩石 P与吃深 Δh有关，即变形曲线。
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)
Py
P0 S
P0 — 发生屈服时的载荷
4.1 岩石的机械性质
3. 塑性系数K K＝面积OABCEO/面积OADEO
面积OABCEO — 岩石破碎前耗总功 面积OADEO — 弹性变形功(包含弹性区和塑性区中的弹性变形功) K越大，塑性越大：塑性岩石K＝∞，脆性岩石K＝1
4.1 岩石的机械性质
四、岩石按力学性能分类