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1、工程钻探课件,河北工程大学资源学院,工程钻探,主讲人：杜振川,工程钻探课件,河北工程大学资源学院,第二章 岩石的可钻性及破碎过程,第一节 岩石的物理力学性质,一、岩石的组成与分类,岩石是矿物颗粒的集合体。按成因分为：岩浆岩、沉积岩和变质岩。岩浆岩：内力地质作用的产物，系地壳深处的岩浆沿地壳裂隙上升冷凝而成。,工程钻探课件,河北工程大学资源学院,第二章 岩石的可钻性及破碎过程,第一节 岩石的物理力学性质,一、岩石的组成与分类,沉积岩：在地表条件下母岩风化剥蚀的产物，经风化、剥蚀、搬运、沉积和固结等成岩作用而形成的岩石。变质岩：沉积岩、岩浆岩或变质岩本身在地壳中受到高温高压及化学活动性流体的影响而
2、变质形成的岩石。,工程钻探课件,河北工程大学资源学院,第二章 岩石的可钻性及破碎过程,第一节 岩石的物理力学性质,二、岩石的结构与构造,岩石的结构：岩石的微观组织特征，它与矿物粒度的大小、形状和表面特征有关，反映了岩石非均质性和孔隙性。 岩石构造：是表示岩石宏观组织特征，它说明矿物颗粒之间的组合形式和空间分布状况，它决定了岩石的各向异性和裂隙性。岩石的结构和构造与岩石的成因类型、形成条件及存在环境有紧密的联系。,工程钻探课件,河北工程大学资源学院,第二章 岩石的可钻性及破碎过程,第一节 岩石的物理力学性质,二、岩石的结构与构造,岩浆岩：晶质结构岩石一般强度较高，同时断面粗糙者往往研磨性较大。沉
3、积岩：颗粒和胶结物组成，沉积岩的主要构造特征是有钻进过程中产生的层理，与钻进有关。变质岩：主要构造特征是片理（如石墨和滑石）。,工程钻探课件,河北工程大学资源学院,二、岩石的结构与构造,岩 石 照 片,花岗石,花岗石,花岗岩,白云岩,工程钻探课件,河北工程大学资源学院,第一节 岩石的物理力学性质,三、岩石的物理性质,密度：单位体积岩石的质量。容重：单位体积岩石的重量。比重：单位体积岩石骨架体积的重量。岩石体积=固相骨架体积+岩石中孔隙体积，一般来说，密度越高，强度越大。孔隙度：岩石中孔隙体积与岩石总体积之比。一般来说,孔隙度越大，强度越低。岩石的孔隙越大，裂隙越多，水对它的影响就越小。如石灰岩
4、，用水浸透后，强度下降明显。,工程钻探课件,河北工程大学资源学院,第一节 岩石的物理力学性质,四、岩石的力学性质,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、强度特性和表面特性。 变形特性：弹性、塑性和脆性强度特性：抗压强度、抗拉强度、抗剪强度和抗弯强度表面特性：硬度和研磨性,工程钻探课件,河北工程大学资源学院,第一节 岩石的物理力学性质,四、岩石的力学性质,1、变形特性：弹性、塑性和脆性,岩石破坏的形式,脆性破坏,塑脆性破坏（弹性变形不明显，塑性破坏）,工程钻探课件,河北工程大学资源学院,第一节 岩石的物理力学性质,四、岩石的力学性质,2、强度特性：抗压强度、抗拉强度、抗
5、剪强度和抗弯强度,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，即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、抗弯强度、抗剪强度、抗压强度。,工程钻探课件,河北工程大学资源学院,第一节 岩石的物理力学性质,四、岩石的力学性质,3、表面特性：硬度和研磨性,岩石的硬度：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。,工程钻探课件,河北工程大学资源学院,第一节
6、 岩石的物理力学性质,四、岩石的力学性质,3、表面特性：硬度和研磨性,岩石的研磨性：岩石磨损钻头的能力。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。,工程钻探课件,河北工程大学资源学院,第二章 岩石的可钻性及破碎过程,第二节 岩石可钻性及可钻性分级,一、岩石可钻性的概念,1、概念岩石可钻性: 是表示钻进过程中岩石破碎的难易程度。在钻探生产中通常用单位时间的进尺（机械钻速）作为衡量岩石可钻性的指标，单位是m/h。,工程钻探课件,河北工程大学资源学院,第二章 岩石的可钻性及破碎过程,第二节 岩石可钻性及可钻性分级,一、
7、岩石可钻性的概念,2、意义、岩石可钻性是合理选择钻进方法、钻头类型和结构、钻进规程参数的依据，也是制订钻探生产定额和编制钻探生产计划的依据。,工程钻探课件,河北工程大学资源学院,第二章 岩石的可钻性及破碎过程,第二节 岩石可钻性及可钻性分级,3、影响因素岩石可钻性是个多变量函数，它首先受岩石性质，特别是岩石力学性质的影响，也受技术条件（钻探设备和工具的类型、钻进方法、钻孔直径和深度等）和工艺条件（钻头压力、钻具转速、冲洗液数量和性能等）的影响。,一、岩石可钻性的概念,工程钻探课件,河北工程大学资源学院,第二章 岩石的可钻性及破碎过程,第二节 岩石可钻性及可钻性分级,3、影响因素1）岩石性质对可
8、钻性的影响，主要因素有：岩石的矿物成分、结构构造、密度、孔隙度、含水性及乏水性；岩石的力学性质，如硬度、强度、弹性、脆性、塑性及研磨性等。一般地说，造岩矿物中石英多、胶结牢固、颗粒细小、结构致密、未经风化和蚀变时，岩石可钻性差；岩石硬度和强度高、研磨性强，岩石破碎就比较困难，岩石可钻性也差。,一、岩石可钻性的概念,工程钻探课件,河北工程大学资源学院,第二章 岩石的可钻性及破碎过程,第二节 岩石可钻性及可钻性分级,3、影响因素 2）钻探技术条件对岩石可钻性影响，主要有：钻探设备的类型、钻孔直径和深度、钻进方法、碎岩工具的结构和质量等。例如，冲击钻进在坚硬的脆性岩石中具有较好的钻进效果，而回转钻进
9、在软的塑性岩石中可以获得较好的碎岩效率。,一、岩石可钻性的概念,工程钻探课件,河北工程大学资源学院,第二章 岩石的可钻性及破碎过程,第二节 岩石可钻性及可钻性分级,3、影响因素3) 钻探工艺因素对岩石可钻性的影响，主要有：加在钻头上的压力、钻头的回转速度、冲洗液的类型、钻孔岩粉清除情况等。,一、岩石可钻性的概念,工程钻探课件,河北工程大学资源学院,第二章 岩石的可钻性及破碎过程,第二节 岩石可钻性及可钻性分级,二、岩石可钻性的划分方法,目前常用的岩石可钻性划分方法有：,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,工程钻探课件,河
10、北工程大学资源学院,第二节 岩石可钻性及可钻性分级,二、岩石可钻性的划分方法,1、用岩石力学性质评价岩石的可钻性,-力学性质指标法,回转钻进时，对岩石可钻性起决定作用的力学性质是岩石的研磨硬度和抗剪强度。钻进速度是岩石研磨硬度和抗剪强度的综合指标的函数：,v为机械钻速，m/h；W为岩石研磨硬度和抗剪强度的综合指标。,工程钻探课件,河北工程大学资源学院,第二节 岩石可钻性及可钻性分级,二、岩石可钻性的划分方法,1、用岩石力学性质评价岩石的可钻性,-力学性质指标法,综合指标W值可按下式计算：,式中：Hm岩石的研磨硬度:,s岩石的抗剪强度，kg/cm2 q1、q2 岩样实验前后的重量 r岩样的容重
11、s岩样研磨接触面积,工程钻探课件,河北工程大学资源学院,第二节 岩石可钻性及可钻性分级,二、岩石可钻性的划分方法,2、用实钻速度评价岩石的可钻性,按实际钻进速度划分岩石可钻性级别，就是在规定的设备工具和技术规范的条件下，进行实际钻进，以所得的纯钻进速度（即机械钻速）作为岩石可钻性分级的指标。,-实钻速度法,工程钻探课件,河北工程大学资源学院,第二节 岩石可钻性及可钻性分级,二、岩石可钻性的划分方法,3、用微钻速度评价岩石的可钻性,微钻速度是采用一定的微型孕镶金刚石钻头，按一定的规程，对岩芯试样进行钻进试验，以平均钻速作为可钻性分级的指标。,-模拟钻进速度法,工程钻探课件,河北工程大学资源学院,
12、第二节 岩石可钻性及可钻性分级,二、岩石可钻性的划分方法,4、用碎岩比功评价岩石的可钻性,A. A史立涅尔提出，在用圆柱形压头作压入硬度试验时，可以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功A s和单位体积破碎功AV 以破碎比功来确定岩石的可钻性。,-破碎比功法,工程钻探课件,河北工程大学资源学院,第二节 岩石可钻性及可钻性分级,二、岩石可钻性的划分方法,4、用碎岩比功评价岩石的可钻性,压头侵入岩石时使岩石发生弹性变形所作的功为：,-破碎比功法,式中：P岩石破碎时的载荷； 与上述载荷相应的弹性变形。,工程钻探课件,河北工程大学资源学院,第二节 岩石可钻性及可钻性分级,二、岩石
13、可钻性的划分方法,4、用碎岩比功评价岩石的可钻性,由材料力学知，弹性变形的计算式为：,-破碎比功法,式中：泊松比； a压头半径； E岩石弹性模数。,工程钻探课件,河北工程大学资源学院,第二节 岩石可钻性及可钻性分级,二、岩石可钻性的划分方法,4、用碎岩比功评价岩石的可钻性,所以有：,-破碎比功法,岩石破碎时的总功为：,为岩石塑性系数,工程钻探课件,河北工程大学资源学院,第三节 碎岩工具与岩石作用的主要方式,主要方式有三种，即：,切削一剪切型；冲击型；冲击一剪切型。,1、切削一剪切型：切削一剪切型刃具同岩石作用的方式如图所示。钻头碎岩刃具以速度V向前移动而切削（剪切）岩石。工作参数是：移动速度V
14、，轴向力Pz和切向力P，以及介质性质。,工程钻探课件,河北工程大学资源学院,第三节 碎岩工具与岩石作用的主要方式,主要方式有三种，即：,切削一剪切型；冲击型；冲击一剪切型。,2、冲击型：冲击型刃具给孔底岩石以直接的冲击如图。,工程钻探课件,河北工程大学资源学院,第三节 碎岩工具与岩石作用的主要方式,3、冲击一剪切型：,同岩石相作用的钻头刃具，不仅以Pz和P力作用于岩石，而且还有使钻头向前回转的移动速度和冲锤对齿刃的冲击速度v z或牙轮滚动时齿刃向下冲击的速度v y对岩石的作用。,工程钻探课件,河北工程大学资源学院,第四节 静载作用下的岩石应力状态,钻头刃具与岩石的作用方式表明，孔底岩石是在轴向
15、载荷和切向载荷同时作用下，或者冲击作用下破碎的。 钻头上的切削具按其与孔底岩石接触，而使岩石产生破碎的作用来说，可以看成是圆柱体、球形体、长方形平底压头与弹性半无限体所限制的平面的相互作用。,工程钻探课件,河北工程大学资源学院,第四节 静载作用下的岩石应力状态,一、集中载荷作用在弹性半无限体上的应力状态 （布西涅司克问题）,图是集中载荷P对弹性半无限体作用的示意图。假设弹性体占XOY平面以下的整个空间Z0 (Z轴正方向指向固体内部)。P作用力垂直作用于O点上。由坐标原点到某点A所作的矢径OA与Z轴的夹角为,工程钻探课件,河北工程大学资源学院,第四节 静载作用下的岩石应力状态,一、集中载荷作用在弹性半无限体上的应力状态 （布西涅司克问题）,则在3个轴上的正应力分别为：,工程钻探课件,河北工程大学资源学院,第四节 静载作用下的岩石应力状态,一、集中载荷作用在弹性半无限体上的应力状态 （布西涅司克问题）,在对称轴上，当=0时对称轴上的正应力都是压应力。,工程钻探课件,河北工程大学资源学院,第四节 静载作用下的岩石应力状态,一、集中载荷作用在弹性半无限体上的应力状态 （布西涅司克问题）,如果假设集中载荷P均匀分布在弹性体表面半径为a的圆内，且强度为p=P/a2，则对称轴上任何一点的正应力z 皆可用a/z的函数来表示：,
