钻井工程2-岩石力学与破岩原理PPT格式课件下载.ppt

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工具，二是使钻头施加于岩石的外力超过其极限值。

显然，研究岩石在各种应力状态下的显然，研究岩石在各种应力状态下的力学性质力学性质和和机械性机械性质质是基础，选择合适的是基础，选择合适的钻头类型钻头类型则是其主要目的。

则是其主要目的。

引引子子第一节第一节岩石的力学性质岩石的力学性质1MechanicalPropertiesofRock岩石的力学性质通常包括两个方面：

岩石的力学性质通常包括两个方面：

1、岩石的变形特征、岩石的变形特征2、岩石的强度特征。

、岩石的强度特征。

岩石的变形特征：

是指岩石在各种载荷作用下的变形规律（包括岩石的是指岩石在各种载荷作用下的变形规律（包括岩石的弹性变形、塑性变形弹性变形、塑性变形弹性变形、塑性变形弹性变形、塑性变形、粘性流动和破坏规律）。

、粘性流动和破坏规律）。

岩石的强度特征：

是指岩石在载荷作用下开始破坏时的最大应力（强度是指岩石在载荷作用下开始破坏时的最大应力（强度极限）以及应力与破坏之间的关系，它反映了岩石抵抗破极限）以及应力与破坏之间的关系，它反映了岩石抵抗破坏的能力和破坏规律。

坏的能力和破坏规律。

一、岩石的应力一、岩石的应力应变曲线应变曲线岩石的变形特征和强度特征，由岩石试件在单轴或三轴岩石的变形特征和强度特征，由岩石试件在单轴或三轴试验机上所得到的应力一应变曲线来描述。

试验机上所得到的应力一应变曲线来描述。

图图2-1是采用刚性试验机，是采用刚性试验机，对圆形岩样进行轴向压缩试对圆形岩样进行轴向压缩试验，在加载速度充分适应于试件变形速度的条件下，所得到验，在加载速度充分适应于试件变形速度的条件下，所得到的的岩石典型应力岩石典型应力应变曲线应变曲线。

OA：

岩石裂隙逐渐被压实：

岩石裂隙逐渐被压实AB：

斜率为岩石的：

斜率为岩石的EB点点-屈服点屈服点BC：

裂隙不稳定发展，先行破坏：

裂隙不稳定发展，先行破坏CD：

裂隙不稳定传播，岩石解体：

裂隙不稳定传播，岩石解体岩石的强度与应变形式有很大关系，只有在压缩情况下，岩石的强度与应变形式有很大关系，只有在压缩情况下，岩石才呈现出很大的强度。

岩石才呈现出很大的强度。

岩石的规律是岩石的规律是:

抗压强度抗压强度抗剪强度抗剪强度抗弯强度抗弯强度抗拉强度抗拉强度岩石岩石结构的多变性结构的多变性结构的多变性结构的多变性且且岩石的微观或宏观的结构特征岩石的微观或宏观的结构特征岩石的微观或宏观的结构特征岩石的微观或宏观的结构特征都会对都会对岩石的强度产生影岩石的强度产生影响，因此一般在实响，因此一般在实际应用时，必须对际应用时，必须对具体的岩石进行必具体的岩石进行必要的强度试验，以要的强度试验，以获取比较准确可靠获取比较准确可靠的数据。

的数据。

二、简单应力条件下岩石的强度二、简单应力条件下岩石的强度岩岩石石钢钢钢钢岩岩石石卡卡环环单轴抗拉伸强度试验单轴抗拉伸强度试验单轴抗压缩强度试验单轴抗压缩强度试验岩心柱岩心柱直径直径2.5-5.0cm高径比高径比2.5-3.0岩石岩石粘结力粘结力（MPa）内摩擦角内摩擦角（）花岗石花岗石14-5045-60玄武岩玄武岩20-6050-55石灰岩石灰岩10-5035-50砂岩砂岩8-4035-50页岩页岩3-3020-35岩石的岩石的抗剪强度抗剪强度可用粘结力和岩石的内摩擦角表示。

可用粘结力和岩石的内摩擦角表示。

粘结力是指由分子引力引起的物体中相同组成的各部分粘结力是指由分子引力引起的物体中相同组成的各部分倾向于粘结在一起的一种力。

岩石的内摩擦角是指岩石破坏倾向于粘结在一起的一种力。

岩石的内摩擦角是指岩石破坏时极限平衡剪切面上的正应力和内摩擦力形成的合力与该正时极限平衡剪切面上的正应力和内摩擦力形成的合力与该正应力之间的夹角。

应力之间的夹角。

内摩擦角概念内摩擦角概念直接剪切试验直接剪切试验旋转组合旋转组合测力计测力计1.常规应力三轴试验方法常规应力三轴试验方法试件有四种：

圆柱、圆筒、长方体、正方体。

常规三轴应试件有四种：

常规三轴应力试验是最为常用的一种三轴应力试验方法。

它是将圆柱形力试验是最为常用的一种三轴应力试验方法。

它是将圆柱形的岩样置于一个高压容器中，的岩样置于一个高压容器中，首先用液压首先用液压P使其四周处于三使其四周处于三向均匀压缩的应力状态下，然向均匀压缩的应力状态下，然后保持此压力不变，对岩样施后保持此压力不变，对岩样施加轴向载荷，直到使其破坏。

加轴向载荷，直到使其破坏。

压缩试验施力方案：

（12=3=P）拉伸试验施力方案：

拉伸试验施力方案：

（12=3=P）三、复杂应力条件下岩石的强度三、复杂应力条件下岩石的强度3212.三轴应力三轴应力下岩石的强度和变形的特点下岩石的强度和变形的特点通常，岩石的通常，岩石的总应变量总应变量达到达到35时，就认为其已开始具有塑性性质或已达时，就认为其已开始具有塑性性质或已达到了脆到了脆-塑的转变。

塑的转变。

对于深井钻井来说，对于深井钻井来说，研究岩石从脆性到研究岩石从脆性到塑性的转变点（或称临界压力）具有重要塑性的转变点（或称临界压力）具有重要的实际意义。

因为脆性破坏和塑性破坏是的实际意义。

因为脆性破坏和塑性破坏是两种具有本质差别的破坏形式，需分别利两种具有本质差别的破坏形式，需分别利用不同的破碎工具（不同结构的钻头类型）用不同的破碎工具（不同结构的钻头类型），采用不同的破碎方式（冲击、压碎、挤，采用不同的破碎方式（冲击、压碎、挤压、剪切或切削、磨削等），以及不同的压、剪切或切削、磨削等），以及不同的破碎参数（钻压、转速及水力参数等）的破碎参数（钻压、转速及水力参数等）的组合。

组合。

因此，确定各类岩石的脆因此，确定各类岩石的脆-塑性转变的塑性转变的“临界压力临界压力”将为设计、选择和合理使用将为设计、选择和合理使用钻头提供科学依据。

钻头提供科学依据。

VonKarman应力应力-应变曲线应变曲线围压对岩石强度的影响（围压对岩石强度的影响（24）Homdin-Hager四、岩石的弹性四、岩石的弹性岩石的弹性常数岩石的弹性常数杨氏弹性模量杨氏弹性模量泊松比泊松比剪切弹性模量剪切弹性模量体积弹性模量体积弹性模量确定岩石弹性常数的实验方法很多，主要有确定岩石弹性常数的实验方法很多，主要有1.静力法（静载压缩试验）静力法（静载压缩试验）2.动力法（声波法）动力法（声波法）前苏联学者史立涅尔分析了前苏联学者史立涅尔分析了圆柱形的平底压头圆柱形的平底压头静压入岩石静压入岩石时在岩石中产生的应力状态并提出了确定岩石时在岩石中产生的应力状态并提出了确定岩石“硬度硬度”（即抗（即抗压入强度）和塑性性质的一套方法。

压入强度）和塑性性质的一套方法。

底径底径1-2mm505050mm压力机压力机上下要平整光滑上下要平整光滑“硬度硬度”（即抗压入强度）（即抗压入强度）硬度：

岩石在静止载荷下抗压入的能力。

硬度：

硬度的计算公式为：

H=WS式中式中H岩石硬度，岩石硬度，MPa；

W垂直载荷，垂直载荷，N；

S压摸底面积，压摸底面积，mm2。

五、岩石的抗压入破碎强度五、岩石的抗压入破碎强度石油钻井中：

石油钻井中：

粘土、软泥岩粘土、软泥岩多属多属12级级泥岩、砂质泥岩泥岩、砂质泥岩多属多属34级级泥灰岩、粉砂岩、泥质砂岩等泥灰岩、粉砂岩、泥质砂岩等多属多属36级级石灰岩、砂岩石灰岩、砂岩多为多为48级级石英岩、花岗岩、燧石等石英岩、花岗岩、燧石等9级以上级以上根据我国各油田石油钻井中常遇到的地层，通过对大根据我国各油田石油钻井中常遇到的地层，通过对大量岩样进行测定，可将岩石的硬度分为十级。

量岩样进行测定，可将岩石的硬度分为十级。

岩石的硬度和塑性系数通常用岩石的硬度和塑性系数通常用压入试验压入试验来确定。

图来确定。

图2-6给给出了岩石的压入试验曲线的三种典型形状。

其纵坐标为压头出了岩石的压入试验曲线的三种典型形状。

其纵坐标为压头上所加载荷，横坐标为吃入深度（压入深度）。

上所加载荷，横坐标为吃入深度（压入深度）。

岩石产生岩石产生塑性变形的塑性变形的原因原因原因原因是由于是由于岩石内部矿岩石内部矿物及胶结物物及胶结物颗粒间的接颗粒间的接触面在外力触面在外力作用下发生作用下发生相对滑移所相对滑移所致。

用塑性致。

用塑性系数系数K表示表示.石英岩、花岗岩等石英岩、花岗岩等大理岩等大理岩等塑性泥岩、多孔砂岩等塑性泥岩、多孔砂岩等K6塑性岩石塑性岩石一、岩石的研磨性一、岩石的研磨性岩石磨损破岩工具的能力称为岩石磨损破岩工具的能力称为岩石的研磨性岩石的研磨性岩石的研磨性岩石的研磨性。

第二节第二节岩石的研磨性与可钻性岩石的研磨性与可钻性2Abrasivepropertyanddrillabilityofrock研磨性磨损是由钻头工作刃与岩石相摩擦的过程中产生研磨性磨损是由钻头工作刃与岩石相摩擦的过程中产生微微微微切削、刻划、擦痕切削、刻划、擦痕切削、刻划、擦痕切削、刻划、擦痕等所造成的，等所造成的，属表面磨损属表面磨损。

这种研磨性磨损除了与这种研磨性磨损除了与摩擦副摩擦副材料的性质（如化学组成和结材料的性质（如化学组成和结构）有关外，还取决于摩擦的类型和特点、摩擦表面的形状和构）有关外，还取决于摩擦的类型和特点、摩擦表面的形状和尺寸（如表面的粗糙度）及摩擦面的介质等因素。

显然，这是尺寸（如表面的粗糙度）及摩擦面的介质等因素。

显然，这是个十分复杂的问题。

个十分复杂的问题。

研究方法：

钻磨法、磨削法、微钻头钻进法、研究方法：

钻磨法、磨削法、微钻头钻进法、摩擦磨损法摩擦磨损法。

史史立立涅涅尔尔等等人人用用摩摩擦擦磨磨损损法法对对各各种种岩岩石石的的研研磨磨性性进进行行了了比比较较详详尽尽的的研研究究，得得出出了了一一些些有有实实际际应应用用价价值的结果。

值的结果。

摩摩擦擦磨磨损损法法即即是是确确定定一一个个转转动动的的金金属属圆圆环环在在岩岩石石表面上相互摩擦时的磨损量，表面上相互摩擦时的磨损量，以此作为度量岩石研磨性的指以此作为度量岩石研磨性的指标。

研磨性系数：

标。

单位：

cm3/mN史立涅尔法史立涅尔法史史立立涅涅尔尔等等分分别别以以淬淬火火钢钢、硬硬质质合合金金为为金金属属摩摩擦介质，对各种岩石进行了试验。

试验结果表明：

擦介质，对各种岩石进行了试验。

盐岩、泥岩和一些碳酸盐岩盐岩、泥岩和一些碳酸盐岩属于研磨性最小的岩石；

属于研磨性最小的岩石；

其次应为石灰岩和白云岩其次应为石灰岩和白云岩等属低研磨性的岩石；

等属低研磨性的岩石；

火火成成岩岩的的研研磨磨性性一一般般属属于于中中等等或或较较高高，要要