20101025-第二章 岩石的工程力学性质及钻头

第二章岩石的工程力学性质及钻头第一节岩石的工程力学性质

问题：（教材第63页，1～4题为作业题，5、6题为练习题。）

1. 岩石的硬度与抗压强度有何区别？

2. 岩石的塑性系数是怎样定义的？简述脆性、塑脆性和塑性岩石

在压入破碎时的特性。

3. 岩石在平行层理和垂直层理方向上的强度有何不同？岩石的这

种性质叫什么？

4. 岩石受围压作用时，其强度和塑脆性是怎样变化的？

5. 影响岩石强度的因素有哪些？

6. 井底和井眼周围地层岩石受哪些力？

一、岩石的基本构成

1、岩石的物质成分

岩石是造岩矿物颗粒的集合体，最主要的造岩矿物分为八类，有20余种，见表2-1。

2、岩石的结构

岩石的结构包括微观结构和宏观结构两个方面。

（1）岩石的微观结构

根据岩石的微观结构，可将沉积岩分为碎屑沉积岩与化学沉积岩两类。

（2）岩石的宏观结构

岩石的宏观结构是指岩石在大范围内的结构特征，对于沉积岩，主要包括层理和页理。

由于微观和宏观结构上的特点，大多数沉积岩的性质具有不均匀性和各向异性，其各向异性表现在它的强度和变形特性等各方面。

二、岩石的机械性质

1、岩石的强度

（1）岩石强度的概念

岩石在各种载荷作用下达到破坏时所能承受的最大应力称为岩石的强度。

（2）简单应力条件下岩石的强度

¾大量实验结果表明，在简单应力条件下，岩石的强度有以下顺序关系：抗拉＜抗弯≤抗剪＜抗压。

¾强度与抗压强度的比例关系见表2-2 。

¾各种强度差别大的原因。

（3）复杂应力条件下岩石的强度

¾三轴应力试验：常规三轴试验（或称伪三轴试验，图2-1）、真三轴试验。

¾试验证明，岩石的强度随着围压的增加而明显地增大，如图2-2 。

（4）影响岩石强度的因素

¾自然因素：岩石的矿物成分、矿物颗粒的大小、岩石的密度和孔隙度、岩石的层理、岩石所处的温度等。

沉积岩的强度有明显的各向异性，垂直于层理的抗压强度最大，平行于层理的抗压强度最小。

¾工艺技术因素：岩石的受载方式、岩石的应力状态、外载作用的速度、液体介质性质等。

2、岩石的塑性和脆性

（1）概念

¾材料在外力超过弹性限度后出现两种情况：一是立即破碎；一是产生塑性变形，这种变形是永久性的。

¾岩石在外力作用下破碎前所表现的永久变形的性质叫岩石的塑性，而不呈现永久变形的叫脆性。

¾前苏联学者史立涅尔并提出了一套确定岩石塑性和硬度（史氏硬度）的方法，试验装置如图2-3所示，所用平底圆柱形压头如图2-4所示。

¾用平底圆柱压头加载并压入岩石，记录载荷—吃深曲线，根据曲线形态，可以把岩石分为脆性岩石、塑性岩石和塑脆性岩石三大类，如图2-5所示。各种岩石压入破碎时的特性。

¾塑性系数：岩石破碎前耗费的总功与弹性变形功的比值，用K表示。

1＝＝脆性岩石：E

F A A K 1＞＝＝ODE OABC A A K E F 面积面积塑脆性岩石：塑性岩石：根据定义，无法求得其数值，故认为这类岩石的塑性系数为无限大（∞）。试验表明，致密的非多孔岩石的塑性系数一般都不超过6，所以可以认为K>6的岩石已属于塑性岩石。

根据岩石的塑性系数大小，可将岩石分为三类六级，如表2-3。

（2）影响岩石塑性的因素

¾影响因素。

¾重要规律：随着围压的增加，岩石表现出从脆性到塑性的转变，并且围压越大，岩石破坏前所呈现的塑性也越大。

¾岩石从脆性向塑性的转变压力（或称临界压力）对于深井钻井的意义。

3、岩石的硬度

（1）岩石硬度的概念

¾岩石的硬度是岩石抵抗其它物体表面压入或侵入的能力。

¾硬度与抗压强度的区别：硬度只是固体表面的局部对另一物体压入或侵入时的阻力，而抗压强度则是固体抵抗整体破坏时的阻力，岩石的压入硬度实际上反映了岩石在多向应力状态下的抗压入能力。试验证明，硬度和抗压强度之比约为5～20倍。

¾岩石及矿物硬度的测量与表示方法：摩氏硬度、史氏硬度等。

¾压入硬度（史氏硬度）：岩石发生脆性破碎的瞬时作用在单位面积上的力。

脆性岩石和塑脆性岩石： 塑性岩石：S p p y =S

p p o y =

¾按岩石硬度的大小，可将岩石分为六类十二级，如表2-4。

石油钻井中常遇到的泥岩多属于1～2级，泥板岩为3～4级，泥灰岩及石灰岩为4～6级，白云岩为5～7级，粉砂岩为3～5级，砂岩为4～8级，石英及燧石等均在9级以上。

（2）影响岩石硬度的因素

¾影响岩石硬度的因素和影响强度的因素相类似，即造岩矿物的成份、颗粒度、孔隙度、胶结物的性质等。

¾特别注意：层理对硬度的影响与对强度的影响相反，垂直层理方向的硬度值最小，而平行层理方向的硬度值最大。

用10分钟阅读教材第27至32页，回答如下问题：

1、井底条件下岩石机械性质的影响因素有哪些？

2、什么叫岩石的研磨性？

3、什么叫岩石的可钻性？

4、岩石可钻性级别越高表示破碎岩石越容易还是越难？

三、井底条件下岩石机械性质的影响因素

1、井底条件

¾目前石油钻井所涉及的地层深度通常在1000～8000 m，岩石所处围压可高达200 MPa、温度可高达200 ℃、孔隙压力可高达200 MPa。

¾受力状态：上覆岩层压力、岩石内孔隙流体的压力、水平地应力、钻井液液柱压力。

2、岩石机械性质的影响因素

（1）水的影响

（2）加载速度的影响

（3）地应力的影响

（4）液柱压力和孔隙压力的影响

（5）温度的影响