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1、第一章 岩土钻进过程与破碎机理 Chapter 1 Drilling process of rocks and fracturing mechanism 第一节、岩石的物理力学性质 第二节节、土的物理力学性质质特征 第三节、岩石可钻性及其分级 第四节、钻头与岩石作用的主要方式 第五节、静载作用下的岩石应力状态 第六节、外载作用下岩石的破碎过程第一节 岩石的物理力学性质 Physical 粘结的岩石: 粘土质岩石, 具有较高塑性、较低强度和不大的研磨性，易缩径、垮塌和卡钻，因此通常采用低失水量的泥浆或对孔壁缩径无影响的冲洗液；松散的岩石：这类岩石包括砂和砾石。钻进时孔壁不稳定，应下套管或采取其它
2、有效措施。第三节 岩石的力学性质 Mechanical properties of rocks 岩石的力学性质是岩石在外力作用下表现出来的特 性。主要有变形特性(deformation properties)、强 度特性(strength properties)和表面特性(surface properties)。 变形特性：弹性(elasticity)、塑性(plasticity)和脆性 (brittleness) 强度特性：抗压强度、抗拉强度、抗剪强度和抗弯 强度(compression, tension, shear and bending strenth) 表面特性：硬度和研磨性(har
3、dness, abrasiveness)1.3.1、变形特性 （deformation properties）外力作用下，岩石发生变形，随着载荷的不断增加,变形不断发展，最终导致岩石破坏。变形和破坏是载荷作用下岩石性能变形的不同阶段。岩石变形有两种情况: 弹性变形（elastic deformation），又称可逆变形（reversible deformation）,外力撤除后岩石的外形和尺寸完全恢复原状。 塑性变形 (plastic deformation)，又称不可逆变 形（irreversible deformation）,外力撤除后岩石 的外形和尺寸不能完全恢复原状而产生残留变 形。
4、岩石从变形到破坏又可能有三种形式： （1） 脆性破坏：破坏前实际不存在任何不可逆 变形。 （2） 塑性破坏：破坏前产生大量的不可逆变形 。 （3） 塑脆性破坏：先经历弹性变形，后经历塑 性变形，最终导致破坏。 多数造岩矿物属于理想的脆性体，其应力应变关 系遵守虎克定律。当应力达到弹性极限时，岩石就开始破坏，只有 在各向高压情况下多数矿物才表现为塑脆性体。岩石是不同矿物组成的聚合体。由于矿物成分和结构方面的特点，造成岩石变形不均匀。所以岩石的 应力和应变之间的关系要比均质物体复杂得多，在一 般情况下不符合虎克定律。衡量岩石弹性的指标主要有弹性模量E和泊松比。泊松比表示施加应力方向上的应变和其在垂
5、直方向 上所引起的应变比值的倒数。岩石破坏的形式 Broken form of rocks脆性破坏塑脆性破坏（弹性变形不明显时为塑性破坏）(a)(b)(c)影响岩石弹性、塑性和脆性的因素（Factors affecting rocks elasticity and plasticity）1、岩石物质成分（造岩矿物、岩石类别）2、岩石结构构造(晶粒大小、胶结物、层理)3、应力状态（单向应力、多向应力）4、载荷性质（多次加载，加载速度）5、受力条件（拉、弯、剪、压）6、温度和湿度（T、H）岩石弹塑性的测定 Measure of rocks elasticity and plasticityCp=S
6、OABC/ SODE图 1.110 由应力应变曲线确定弹性模数图 1.111 岩石压入时的载荷侵深曲线塑性系数1.3.2、强度性质 （Strength properties） 岩石强度：岩石在载荷作用下变形到一定程度就发生破坏。破坏前岩石所能承受的最大载荷，单位面积上的最大载荷。根据受力条件不同，岩石强度又可分为抗拉强度(tension strength)、抗弯强度(bending strength)、抗剪强度(shear strength)、抗压强度(compression strength)。有单向应力状态下的强度，多向应力状态下的强度。图 1.114 岩石单轴抗压试验1岩样；2球座；3钢
7、垫板图 1.115 岩石单轴拉伸试验 1岩样；2夹头；图中尺寸单位：cm图1.116 圆盘劈裂试验图1.117 剪切试验1岩样； 2上下剪切模具； 3模套；4斜锲块；5上下 垫板； 6钢滚子Tension strengthNT对于不同倾角下的剪切试验中所获得的不同正应力下的抗剪强度值,可根据关系,在-坐标系中绘出包络线。可得出=0时的 值，即岩石的抗剪强度。影响岩石强度的因素 （Factors affecting strength of rocks) 1、岩石的物质成份（矿物、沉积岩的胶结物）2、岩石的结构构造（颗粒的大小）3、岩石的容重和孔隙度4、受力条件（拉、弯、剪、压）5、应力状态（多向
8、与单向）6、载荷速度(加载速度增大,强度升高)7、岩样的线性尺寸8、湿度和温度1.3.3、表面特性(Surface properties) 岩石的硬度（hardness）：岩石表面对工具压入的 反抗特性。岩石硬度与抗压强度有一定联系，又有 很大区别。岩石抗压强度是岩石整块抗破碎的能力 。岩石抗压入硬度为单向抗压强度的（1+2）倍 。测定压入硬度实际上使岩样产生局部破碎，而这 种局部破碎是在多向受压状态下进行的。(举例) 岩石的研磨性（abrasiveness）：在用机械方法破 碎岩石的过程中，钻头与岩石产生连续的或间断的 接触和摩擦。钻头破碎岩石的同时，其自身也受到 岩石的磨损而逐渐变钝。岩石
9、磨损钻头的能力。岩石硬度的测试方法 静压入法（与金属硬度测试方法的区别）对于岩 石来说，压模采用的是平底压模，S是一定的。对 于金属来说，载荷P是一定的，S是变化的。目前 通常采用的是史立涅尔压入硬度。根据硬度值， 可将岩石6类12级，见书P18。 冲击回弹法，摆球硬度，以回弹次数确定岩石的 硬度；12级； 研磨法：用磨料研磨岩石样品，以岩样线性尺寸 磨损量的多少来衡量岩石的硬度。影响岩石硬度的因素 （Factors affecting hardness of rocks） 岩石的矿物成分和结构构造 应力状态 载荷速度 液体介质 工具形状和尺寸(岩石抗压入阻力因压入 面积减小而增大的现象被称为
10、尺寸效应)影响岩石研磨性的因素（Factors affecting abrasiveness of rocks ） 岩石的矿物成分和结构特征(造岩矿物、颗粒度 、胶结程度、岩石矿物间的硬度差、矿物颗料 形状等) 正压力（在达到岩石的硬度前，动摩擦系数是 正压力的增函数，超过硬度后，不变间或有所 降低） 滑动速度(有临界值,之前磨损率增长小,之后增 长很快,与温度有关) 介质（能够改变工具与岩石之间的摩擦特性）岩石研磨性与岩石内摩擦角的关系：内摩擦角大的岩石，岩石的研磨性大。第四节 岩石可钻性及其分级 （Drillability of rocks and its classification）
11、岩石可钻性是决定钻进效率的基本因素，它反 映了钻进时岩石破碎的难易程度。 它是合理选择钻进方法、钻头结构及钻进规程 参数的依据，同时也是制订钻探生产定额和编 制钻探生产计划的基础。 岩石可钻性是个多变量的函数。它不仅受控于 岩石的性质，而且与外界技术条件和工艺参数 有密切的关系。1.4.1 岩石可钻性分级的观点 (Viewpoints on classification of rock drillability) 用岩石力学性质评价岩石的可钻性 用实钻速度评价岩石的可钻性 用微钻速度评价岩石的可钻性 用碎岩比功评价岩石的可钻性（1）用岩石力学性质评价岩石的可钻性（To evaluate dri
12、ll-ability of rocks by their mechanical properties）岩石力学性质是影响岩石可钻性的决定因素。在 室内通过测定能够反映碎岩实质的某一种或某几种力 学性质指标，可以表征岩石的可钻性，且测定手续简 单、指标稳定，排除了实钻时人为操作因素的影响。 问题：较难选择完全体现某种钻进方法碎岩实质的力 学性质指标。（2）用实钻速度评价岩石的可钻性（-by real penetration rate or drilling speed）用实钻速度评价岩石的可钻性与生产实际联系紧密，能够反映地质因素和技术因素的综合影响，可 用于制订生产定额。问题：不同的钻进方法要
13、求有不 同的分级指标，实际钻进速度受人为因素的影响。另 外、技术的不断更新要求分级不断修正。（3）用微钻速度评价岩石的可钻性（-by micro-drill speed ）用实钻速度划分岩石的可钻性级别时，到现场比 较麻烦，钻进结果受人为因素的影响。微钻速度同样 能够反映各种因素的综合影响，可避免人为因素的影 响。问题：模拟不可能十分完全，微钻速度不等于实 钻速度。（4）用碎岩比功评价岩石的可钻性（-by specific bulk work of fracture）碎岩比功：破碎单位体积岩石消耗的能量。由 于碎岩过程都是工具向岩石输入一定的能量而产生 相应数量的碎岩体积。碎岩比功就是破碎单位
14、体积 岩石所输入的能量。碎岩比功既是物理量又是碎岩 效率指标。通过碎岩比功这一指标还可以把各种钻 进方法破碎岩石的有效性沟通起来进行比较。问题 ：每种钻进方法的碎岩比功本身也不是一个常量。压头压入岩石时使岩石发生弹性变形所作的功：PP：岩石破碎时的载荷；：与P相应的弹性变形。由材料力学可知：泊松比；a：压头半径；E：岩石弹性模量。所以有：岩石破碎时的总功：单位接触面积破碎功：进一步处理：式中：Hy压入硬度；单位体积破碎功：式中：破碎岩石体积。史立涅尔根据单位接触面积破碎功将岩石划为10级。第五节 钻头碎岩刃具与岩石作用的主要方式 （Main mode of action between roc
15、k-broken tool and rock）目前钻探生产中广泛采用的钻进碎岩方法属于机 械法破碎岩石。根据刃具同岩石作用的方式和碎岩 机理，所有作用方式可分为：切削剪切型；凿碎型 ；凿碎剪切型三类。（1）切削剪切型：对应于回转钻进；要求切削具 具有一定的抗弯强度、硬度；（2）凿碎型：冲击钻进；要求切削具具有一定的抗 弯强度、硬度和抗冲击强度或冲击韧性；（3）凿碎剪切型：牙轮钻头，冲击回转钻进，回 转冲击钻进；要求切削具具有更高的抗弯强度、硬 度和抗冲击强度或冲击韧性第六节 静载作用下的岩石应力状态 （Stress conditions of rock under static load） 刃
16、具对岩石的压入作用可以抽象为平底和 球形两种压头对岩石的作用。讨论压头与 岩石接触面上的压力分布状态和岩石内部 的应力状态问题的基础是：集中力作用在 半无限物体的弹性平面上的布西涅司克理 论。 一、平底圆柱形压头压入时岩石的应力状态图1.134 平底圆柱压头压力面上的压力分布a Z0图1.136 球形压头压力面上的压力分布知道了压力面上的载荷分布，同样也可以利用布西涅 司克集中力作用于弹性半无限空间平面上的解，求得 半无限体内沿对称轴上的应力分量：各应力分量随值变化的情况表示于图11中 。在对称轴上所有应力都是压应力。显然，在压力 面中心处（）有：图1.137 球形压头压入时沿 对称轴的应力分布如果=0.3,则压力面中心(即z=0)处，z =-p0
