钻探工艺技术 第一章 岩石性质

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1、第一章 岩石的性质与可钻性 钻探工作的对象是岩石。钻探工作必须了解组成 地壳的各种岩石矿物。岩石的物理力学性质，因 岩石成分和构造的不同而相差很大，对钻进的影 响和反应也是各种各样的。为了更好地进行钻探 工作，提高钻进质量和效率，必须对岩石的物理 力学性质进行全面的了解。 研究岩石的物理力学性质，主要是研究与破碎岩 石有关的因素，从而掌握其破碎的规律性，以便 创造更有利的破碎条件，更好地选择钻进方法、 钻进规程和切削具、研磨材料及钻探设备类型等 。第一节岩土的物理性质 岩石的物理性质又可称岩石的基本性质。 它是岩石在生成过程中，由于构造变动和 风化作用形成的，如相对密度(颗粒密度)、 块体密度

2、(容重)、孔隙度、裂隙性，含水性 、透水性、松散性、流散性和稳定性等。 与钻进有关的岩石物理性质有以下几种。 一、块体密度和孔隙度 岩石质量与其体积之比称为岩石的块体密 度。假设用m表示岩石试样的质量。用V表 示岩石试样的总体积，则岩石的块体密度 为： 岩石的块体密度分三种即天然块体密度 、块体干密度和块体饱和密度。 岩石孔隙的多少常用孔隙度n来表示；孔隙 度n是岩石中孔隙的体积V0与岩石总体积V 之比： 岩石的孔隙度与岩石的块体密度有关，孔 隙度大的岩石易透水，并能降低岩石的强 度及稳定性。一般岩石埋藏越深.岩石的密 度越大，其强度和硬度也愈大。岩浆岩比 沉积岩致密、孔隙度小，因而其密度大，

3、 强度和硬度也大。 二、含水性、透水性和裂隙性 由于岩石中有孔隙存在水便会浸入岩体 ，从而使岩石含水。岩石含水的多少取决 于孔隙的大小和数量。岩石的含水性一般 用湿度或含水率来表示，一般用占干燥岩 石质量的百分数来表示，如砂岩为60%， 石灰岩为2.5%。 岩石透水的性能称为透水性。它以单位面 积和时间内通过岩石的水量来表示。一般 岩石孔隙度愈大，透水性愈高，岩石的强 度和稳定性愈低。由于水是一种溶剂，当 水透过岩石时，会溶解岩石中的某些成分 而形成大孔隙或溶洞。因此，在透水性强 的岩石中钻进，还容易发生冲洗液的漏失 。 裂隙性也是岩石的重要物理性质它对岩 石的强度及可钻性都会产生很大影响。

4、三、松散性、流散性 当岩石从岩体上分开后，岩石碎块的体积 比在天然埋藏下原有体积增大的性能称松 散性；松散性也是指岩石结构的致密程度 ，松散性强的岩石其颗粒之间的连接力弱 ，钻进时容易破碎，但孔壁易坍塌。 岩石的自由面有极力趋向水平的性能称流 散性。在流散性强的岩石(如流砂)中钻进， 孔壁极易陷落、淤塞钻孔，使钻进困难。 四、稳定性 在岩体内钻成钻孔(有自由面)后，岩石不坍 塌不崩落的性能称稳定性。所有的岩石可 分为稳定性良好的、稳定性中等的和稳定 性差的三类。在稳定性差的岩石中钻进时 容易发生孔壁坍塌现象，必须采取措施保 护孔壁。第二节 岩石的力学性质 岩石在机械外力作用下所表现的性质，称

5、为岩石的力学性质。与钻进有关的岩石力 学性质有强度、硬度和研磨性等。一、强度 (一)岩石强度的概念 岩石的强度是指岩石在各种外力(拉伸、压缩、弯曲或剪切等)作用下 ，抵抗破碎的能力。常用的强度单位为Pa(N/m2)。 坚固岩石和塑性岩石(如粘土)的强度，主要取决于岩石的内连结力和 内摩擦力。松散性岩石的强度主要取决于内摩擦力。 岩石的内连结力主要是矿物颗粒之间的相互作用力，或者是矿物颗粒 与胶结物之间的连结力，或者是胶结物与胶结物之间的连结力，一般 颗粒之间相互的作用力大于胶结物之间的连结力；而胶结物之间的连 结力又大于颗粒与胶结物之间的连结力。 岩石的内摩擦力是颗粒之间的原始接触状态即将被破

6、坏而要产生位移 时的摩擦阻力。岩石的内摩擦阻力构成岩石破碎时的附加阻力，且随 应力状态而变化。(二)影响岩石强度的因素 影响岩石强度的因索是各种各样的。但基本上可分为两个方面：一种 是自然因索，如岩石的矿物成分、结构及构造等；另一种是技术因素 ，如载荷作用的速度、形变的方式等。 1、自然因素方面 岩石的机械强度，在很大程度上取决于组成岩石的矿物成分。 在相同矿物结构下，组成岩石的矿物颗粒直径的尺寸对岩石的强度也 有很大影响。 岩石的孔隙度对岩石的强度也有巨大影响。 岩石的层理对强度的影响具有明显的方向性，垂直于层理方向的抗压 强度最大，平行层理方向的抗压强度最小，与层理方向成某种角度的 抗压强

7、度介于二者之间。 另外，岩石结构构造上的缺陷，也对强度有一定影响。在外力作用下 ，应力会在岩石缺陷处集中，使岩石局部破碎，因而使岩石的强度降 低。 裂隙性也是岩石重要物理性质，也对岩石强度有重要影响 。2、技术因素方面 影响岩石强度的技术因素，最明显的是岩石产生变形的形式。据实验 ，相同的岩石对抗压、抗拉、抗剪、抗弯的变形有很大差别。岩石的 抗压强度最大，而抗剪、抗弯和抗拉强度依次减小，抗拉强度仅为抗 压强度的10以下。其表现形式是：抗压抗剪抗弯抗拉与其内部应力增长的速度、外力作用的时间有关 。钻进时所用的冲洗介质对岩石强度的影响，在实际生产中有现实意义 ，值得我们注意。岩样的线性尺寸对强度的

8、影响。只在室内对岩样进行破碎实验时。才 会对实验结果产生影响。一般情况下，岩石的强度随岩样尺寸的增大 而降低，为消除这种线性尺寸的影响，实验用的每批岩石线性尺寸应 是一致的。 (三)岩石强度的测定方法 强度一直是各工程部门衡量材料力学性质 的通用指标。钻探工作常采用各单元应力( 压、拉、弯、剪)形式的极限强度作指标； 其中，最常用的是单(轴)向抗压强度指标。 单向抗压强度是指岩石试样在破碎时，单 位初始断面积上的最大破碎力，也就是说 ，单向抗压强度等于总压力P和岩样断面S 之比 。 二、硬度 (一)岩石硬度的概念 岩石的硬度是指岩石抵抗其它物体压人的阻力。 岩石的硬度在本质上与强度，特别是抗压

9、强度有 着密切的关系；但不能把岩石的单向抗压强度作 为其硬度的指标。 据纯理论分析，岩石的抗压强度与压入硬度的关 系，可由下式表示： 式中：P压人硬度； 单向抗压强度。 一般地质上把矿物的硬度分为10级，即莫 氏硬度。因岩石是由各种矿物组成的，所 以也可间接地以划分矿物硬度的办法来划 分岩石。岩石的硬度在一定程度上，直接 反映了破碎岩石的难易程度。岩石越硬。 切削具越难切入岩石，钻进效率就愈低， 如燧石、石英岩、矽卡岩等就很硬，页岩 、泥岩等就较软。 (二)影响岩石硬度的因素 影响岩石硬度的因素与影响强度的因素很相似。但层理对 硬度的影响正好与强度相反，垂直层理方向的硬度值最小 ，而平行层理方

10、向的硬度值最大。 值得提出的是，水浸入岩石后对岩石的硬度有一定的影 响。如当石灰岩含水时其硬度仅为干燥岩石的70%，如 果含有浓度为1%表面活性物质的溶液时，其硬度则降低 到33%。另外一种现象是，当岩石含水时，用压模压入破 碎时，其破碎穴的尺寸减小。 另外，据生产实践知，岩石在各向压缩状态下，其压力愈 大则硬度亦大。 (三)岩石硬度的测定方法岩石硬度的测定方法很多，按测定原理不同，常用的有以下三种方法 ： 1矿物的莫氏硬度和显微硬度 2.静压入法 用静压入法进行岩样压人试验时，是借助于极限荷载不小于 1009.8N的液压机进行的。 3动压入法动压人法采用最广泛的测定金属硬度的肖氏法。以一个钢

11、球从一定 高度自由下落，打击岩石试样；试样越硬、钢球打击试样消耗在破碎 试样的能量越小，则钢球回弹的能力愈大。这样根据钢球回弹的高度 ，便可以测出试样的硬度。测量时，取钢球重量为0.0025kg,下落高 度为254mm。 三、研磨性 (一)研磨性的概念 用切削具切削岩石时，它必然与岩石发生 摩擦。在摩擦过程中，岩石磨损切削具的 能力称为岩石的研磨性或磨蚀性。通常是 用切削具磨损的体积与所消耗的摩擦功之 比来表示研磨性的大小，其衡量的单位是 m3/J。(二)影响岩石研磨性的因素 影响岩石研磨性的因素有两方面，即自然 因素和技术因素。 1自然因素 影响岩石研磨性的自然因素主要是岩石的 硬度、组成岩

12、石矿物颗粒的大小和形状， 以及岩石的裂隙和孔隙度等。 砂岩随其胶结物强度的降低，其研磨性增 加。 2技术因素 影响岩石研磨性的技术因素，也就是影响动摩擦系数的各种技术因素 。 (1)压力：实验证明，当正压力未达到岩石局部抗压人硬度以前，岩石 不产生体积破碎，工具与岩石接触表面是以凹凸不平的点接触为主要 形式；随着正压力增加，由于工具与岩石弹性变形的结果，使这些点 接触的面积增大，接触状态更完善，增大了工具与岩石颗粒之间的粘 滞力，因而摩擦系数增大。 (2)相对运动速度：相对运动速度是指切削具与岩石的相对运动速度 。目前，对相对运动速度对动摩擦系数的影响程度，还研究得不够。 一般情况下，当相对运

13、动速度较低时，随着运动速度的增加，动摩擦 系数也增加；但当运动速度达到某一数值时，动摩擦系数就不再增加 ，反而减小。 (3)介质：介质能改变切削具和岩石间的摩擦特征。 (三)岩石研磨性的测定方法 岩石研磨性的测定，没有统一的方法，往往只能间接表达 或不定量表达。其测定方法可归纳为三类： 1直接测定法可测切削具的磨损高度、切削具磨损接触面积或测量磨损 重量、体积等。 2间接测定法(相对磨损)可测量钻头完全磨损前的进尺。单位进尺研磨材料的消耗 或测量机械钻速的曲线变化。 3室内测定法可测量岩石硬度及摩擦系数的乘积，测定标准材料的磨损 (如合金、截杆、圆盘等)，或作冲击磨损试验等。 四、岩土的弹性、

14、塑性脆性 外力作用于岩石时，岩石发生变形。随后 ，载荷不断增加，变形也不断发展，最终 导致岩石破坏。 岩石的变形可能有两种情况：一种是外力 消除后岩石的外形和尺寸完全恢复原状， 这种变形称为弹性变形；另一种是外力消 除后岩石的外形和尺寸不能完全恢复而产 生残留变形，这种变形称为塑性变形。 岩石从变形到破坏可能有三种形式：如破坏前不 存在塑性变形，则这种破坏称脆性破坏，呈脆性 破坏的岩石称脆性岩石；如破坏前发生大量塑性 变形，则称塑性破坏。呈塑性破坏的岩石称塑性 岩石；如先经弹性变形，然后塑性变形，最终导 致破坏，则称为塑脆性破坏，呈塑脆性破坏的岩 石称塑脆性岩石。 众所周知。岩石的矿物组成和结

15、构比较复杂，所 以岩石不是理想的弹性固体，故其变形不可能完 全恢复。但在某种变形的情况下，大部分岩石在 破坏以前都存在着一段弹性应变，也就是说，岩 石通常接近于弹性脆性体。第三节岩土的可钻性及其分级 一、概述 岩石的可钻性就是在一定技术条件下钻进岩石的 难易程度也可以说是钻进时岩石抵抗破碎的能 力。 岩石的可钻性是岩石在钻进过程中显示出来的综 合性指标。它取决于许多因素其中主要的是岩 石的物理力学性质、钻进方法和钻进技术参数等 。通常是在相同的钻进方法和相同的钻进技术参 数条件下，通过试验来确定。 岩石可钻性分级在实际钻探生产中非常重要。它是合理选 择钻进方法及相应的钻进工具和钻进规程的依据，

16、也是制 定钻探生产定额、编制钻探生产计划的依据；同时也是 对钻探机台生产评定的客观依据。 目前，在岩心钻探中衡量可钻性的指标有二： (1)机械钻速：以每小时进尺米数为指标(指纯钻进时间)； (2)一次提钻长度：以每回次进尺数为指标。对软岩石来说 ，由于岩心的采取而受到限制；对硬岩石来说，该指标主 要是指钻头在孔底的工作寿命。 二、岩石的可钻性划分 地质勘探钻进工作中，经常用以下方法来划岩石的可钻性 级别。 1刻划对比法 刻划对比法是比较粗略的，但操作简单易行。具体指标如 下： (1)大拇指甲：刻划13级的岩石矿物； (2)铁刀：刻划34级的岩石矿物； (3)普通钢刀：刻划45级的岩石矿物； (4)锉刀：刻划56级的岩石矿物； (5)合金刀：刻划7