岩石的可钻性

岩石的可钻
性
在岩土钻掘工程设计与实践中，人们常常希望能事先知道所施工岩石的破碎难易程度，以便正确选择合理的钻（掘）进方法、钻（钎）头的结构及工艺规程参数，制定出切合实
际的岩土钻掘工程生产定额。

岩石的可钻性及坚固性指标，在实际应用中占有重要地位。

岩石的可钻性是在一定钻进方法下岩石抵抗钻头破碎它的能力。

它反映了钻进作业中岩石破碎的难易程度，它不仅取决于岩石自身的物理力学性质，还与钻进的工艺技术措施有
关，所以它是岩石在钻进过程中显示出来的综合性指标。

由于可钻性与许多因素有关，要
找出它与诸影响因素之间的定量关系十分困难，目前国内外仍采用试验的方法来确定岩石
的可钻性。

不同部门使用的钻进方法不同，其测定可钻性的试验手段，甚至可钻性指标的
量纲也不尽相同。

例如，钻探界在回转钻进中以单位时间的钻头进尺（机械钻速）作为衡
量岩石可钻性的指标，分成12个级别，级别越大的岩石越难钻进；在冲击钻进中常采用单
位体积破碎功来进行可钻性分级。

而在石油钻井部门则以机械钻速与钻头进尺的乘积或微
型钻头的钻时作为衡量指标，分成10个级别。

几种有代表性的划分岩石可钻性级别的方法是：
1. 力学性质指标法
采用单一的岩石力学性质来划分岩石的可钻性级别。

据压入硬度值把岩石分成6类12级（表1-4），据摆球的回弹次数把岩石分成12级（表1-5）。

如果用上述两种方法确定
的可钻性级别不一致，可按包括压入硬度值Hy和摆球硬度值Hn的回归方程式（1-17）来
确定可钻性K值。

（1-17）
岩石
类别
软中软中硬硬坚硬极硬岩石
级别
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 10 12
硬度
(MPa)≤100
100～
250
250～
500
500～
1000
1000～
1500
1500～
2000
2000～
3000
3000～
4000
4000～
5000
5000～
6000
6000～
7000
＞
7000
岩石级别 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
回弹次数≤14
15～
29 30～
44
45～
54
55～
64
65～
74
75～
84
85～
94
95～
104
105～
125
≥125
2. 实际钻进速度法
在规定的设备工具和技术规范条件下进行实际钻进，以所得的纯钻进速度作为岩石的可钻性级别。

这种方法随着技术的进步，必须实时修正。

原地质矿产部曾制定了适合于金刚石钻进的岩石可钻性分级表，如表1-6所列。

表1-6 适合于金刚石钻进的岩石可钻性分级表
岩石级别钻进时效(m/h)
代表性岩石举例金刚石硬合金
1～4 ＞3.90 粉砂质泥岩，碳质页岩，粉砂岩，中粒砂岩，透闪岩，煌斑岩5 2.90～3.60 2.50
硅化粉砂岩，滑石透闪岩，橄榄大理岩，白色大理岩，石英闪
长玢岩，黑色片岩
6 2.30～3.10 2.00
黑色角闪斜长片麻岩，白云斜长片麻岩，黑云母大理岩，白云
岩，角闪岩，角岩
7 1.90～2.60 1.40 白云斜长片麻岩，石英白云石大理岩，透辉石化闪长玢岩，混合岩化浅粒岩，黑云角闪斜长岩，透辉石岩，白云母大理岩，蚀变石英闪长玢岩，黑云角石英片岩
8 1.50～2.10 0.80 花岗岩，矽卡岩化闪长玢岩，石榴石矽卡岩，石英闪长玢岩，石英角闪岩，黑云母斜长角闪岩，混合伟晶岩，黑云母花岗岩，
斜长闪长岩，混合片麻岩
9 1.10～1.70
混合岩化浅粒岩,花岗岩,斜长角闪岩,混合闪长岩,钾长伟晶岩，橄榄岩，斜长混合岩，闪长玢岩，石英闪长玢岩，似斑状
花岗岩，斑状花岗闪长岩
10 0.80～1.20
硅化大理岩，矽卡岩，钠长斑岩，斜长岩，花岗岩，石英岩，
硅质凝灰砂砾岩
11 0.50～0.90 凝灰岩，熔凝灰岩，石英角岩，英安岩
12 ＜0.60 石英角岩，玉髓，熔凝灰岩，纯石英岩
3. 微钻法
采用模拟的微型孕镶金刚石钻头，按一定的规程，对岩心进行钻进试验。

我国原地质矿产部的规范是以微钻的平均钻速作为岩石可钻性指标，其分级情况如表1-7所列。

而原石油部1987年颁布的岩石可钻性分级办法是用微钻在岩样上钻三个孔深2.4mm的孔，取三个孔钻进时间的平均值为钻时t，对式（1-18）的结果取整后作为该岩样的可钻性级别Kd，据此值可把各油田地层的可钻性分成10个等级，等级越高的岩石越难钻。

(1-18)
4. 破碎比功法
用圆柱形压头作压入试验时，可通过压力与侵深曲线图求出破碎功，然后计算出单位接触面积破碎比功AS，根据破碎比功法是对岩石进行可钻性分级的方法，如表1-8所列。

岩石级别 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
微钻钻速(mm/min)216～
259
135～
215
85～
134
53～84 34～52 21～33 14～20 9～13 6～8 ≤5
表1-8 按单位面积破岩比功对岩石可钻性分级表
岩石级别 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 破碎比功
AS (N·m/cm2)≤2.5
2.5～
5.0
5.0～
10
10～15 15～20 20～30 30～50 50～80
80～
120
≥120
岩石的坚固
性系数
由俄罗斯学者于1926年提出的岩石坚固性系数（又称普氏系数）至今仍在矿山开采业和勘探掘进中得到广范应用。

岩石的坚固性区别于岩石的强度，强度值必定与某种变形方
式（单轴压缩、拉伸、剪切）相联系，而坚固性反映的是岩石在几种变形方式的组合作用
下抵抗破坏的能力。

因为在钻掘施工中往往不是采用纯压入或纯回转的方法破碎岩石，因
此这种反映在组合作用下岩石破碎难易程度的指标比较贴近生产实际情况。

岩石坚固性系
数f表征的是岩石抵抗破碎的相对值。

因为岩石的抗压能力最强，故把岩石单轴抗压强度
极限的1/10作为岩石的坚固性系数，即
（1-19）
式中： --岩石的单轴抗压强度，MPa。

f是个无量纲的值，它表明某种岩石的坚固性比致密的粘土坚固多少倍，因为致密粘土的抗压强度为10MPa。

岩石坚固性系数的计算公式简洁明了，f值可用于预计岩石抵抗破碎
的能力及其钻掘以后的稳定性。

根据岩石的坚固性系数(f)可把岩石分成10级（表1-9），
等级越高的岩石越容易破碎。

为了方便使用又在第Ⅲ,Ⅳ,Ⅴ,Ⅵ,Ⅶ级的中间加了半级。

考
虑到生产中不会大量遇到抗压强度大于200MPa的岩石，故把凡是抗压强度大于200MPa的
岩石都归入Ⅰ级。

这种方法比较简单，而且在一定程度上反映了岩石的客观性质。

但它也还存在着一些缺点：
(1) 岩石的坚固性虽概括了岩石的各种属性（如岩石的凿岩性、爆破性，稳定性等），
但在有些情况下这些属性并不是完全一致的。

(2) 普氏分级法采用实验室测定来代替现场测定，这就不可避免地带来因应力状态的改
变而造成的坚固程度上的误差。

岩石级别坚固
程度
代表性岩石f
Ⅰ最坚固
最坚固、致密、有韧性的石英岩、玄武岩和其他各种特别坚固的
岩石。

20 Ⅱ很坚固
很坚固的花岗岩、石英斑岩、硅质片岩，较坚固的石英岩，最坚
固的砂岩和石灰岩。

15 Ⅲ坚固
致密的花岗岩，很坚固的砂岩和石灰岩，石英矿脉，坚固的砾岩，
很坚固的铁矿石。

10 Ⅲa坚固坚固的砂岩、石灰岩、大理岩、白云岩、黄铁矿，不坚固的花岗8。