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1、钻掘工程岩石性质及碎岩机理培训课件钻掘工程指在地壳中破碎各类岩石，钻出不同直径、深度的钻孔或不同形状、长度的坑道。第一节 岩石的物理力学性质一、岩石的组成与分类：岩浆岩 ；沉积岩；变质岩。 岩石是矿物颗粒的集合体。矿物的解理和劈理发育程度及方向，矿物硬度、晶体结构等特征，一定程度上决定着岩石抵抗外力的能力。 硬度高的矿物组成的岩石强度及硬度较高。 通常造岩矿物中石英含量愈多，胶结物的强度愈大，矿物颗粒愈细，岩石的强度愈大；粘土矿物愈多，岩石的硬度愈低。从硅质铁质钙质泥质胶结，岩石强度依次下降。二、岩石的结构结构是岩石的微观组织特征，指组成岩石的矿物成分、粒度、形状和矿物颗粒之间的连结方式，反映
2、了岩石非均质性和孔隙性。如岩浆岩的粒状结构，沉积岩的砂状结构和泥状结构，变质岩的变晶结构等。 胶结物成分和胶结方式对沉积岩坚固程度有重要影响：致密、胶结牢固、空隙少的岩石，坚固性较好；结构疏松，薄弱多面、空隙多的岩石坚固性差。 泥质岩的变质程度越高，一般坚固性越强，但劈理发育时，坚固性差。 岩石的坚固性越高,对于钻孔施工就越困难,而对保护井壁的稳定性就越有利。三、岩石的构造岩石构造指岩石的宏观特征，即组成岩石的矿物间的相互关系，空间排列等，如层理、片理和裂隙等。它说明矿物颗粒之间的组合形式和空间分布状况，决定岩石的各向异性和裂隙性。 岩石的结构、构造与岩石成因类型、形成条件及存在环境有紧密的联
3、系。 岩浆岩由岩浆冷却凝固形成，由于生成环境和冷却速度不同，岩浆化学成份和其中挥发物的含量不等，形成不同的结构和构造。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。 沉积岩：颗粒和胶结物组成，沉积岩的主要构造特征是层理，与钻进有关。 变质岩：主要构造特征是片理，岩石沿平行平面分裂为薄片的能力叫做片理化。层理：指在垂直方向上的岩石成分变化的情况。片理：岩石沿平行的平面分裂为薄片的能力由于岩石的构造特征，使多数岩石的性质具有不均匀性，反映在力学性质上为明显的各向异性不仅是抗压强度有各向异性，抗拉、抗剪、抗弯和变形特征等方面都有各向异性。层理之间的联结力较弱，在沿平行层理方向加压时，岩石首
4、先从层理面裂开；垂直于岩石层理的抗压强度大，平行层理面的抗压强度小。裂隙也对岩石的强度、钻进难易及孔壁稳定影响较大四、岩石的自然性质岩石的自然性质：岩石在生成过程中，由构造变动和风化过程中自然形成的特性。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，强度越低含水性：W=(GWGD) / GD ；透水性：KW q l / A (Pi Po) 岩石的孔隙越大，裂隙越多，水对它的影响就越小。如石灰岩，用水浸透后，强度下降明显。五、
5、岩石的强度： 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 1、概念：岩石的强度指固体岩石抵抗机械破坏的能力。依据外载作用性质的不同，可以有抗压、抗拉、抗剪和抗弯强度等。2、 影响岩石强度的因素 ：岩石的物质成份、岩石的结构构造、岩石的容重和孔隙度、受力条件、应力状态、载荷速度岩样的线性尺寸、湿度和温度。3、岩石强度的测定：（1）单轴抗压强度：总压力与岩样断面之比 b=P/S 。（2）抗剪强度：切向剪应力与剪切断面之比。目前常用的测定方法为剪切法；（
6、3）岩石强度与钻进破碎岩石的关系 ：随着岩石强度值的升高，破碎岩石的效果降低，钻进速度下降；随着孔深的增加，岩石密度、强度升高，破碎岩石的效果降低，钻进速度下降。六、岩石的表面特性 ：1、硬度 岩石的硬度：岩石表面对工具压入的反抗特性，衡量单位是kg/cm2。 * 岩石硬度与抗压强度既有联系，又有区别。硬度只是固体表面的局部对另一物体侵入的阻力；而抗压强度是岩石整体抗破坏的能力。可见，硬度指标更切合钻掘工程碎岩的实际。 影响岩石硬度的因素（Factors affecting rocks hardness）：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。层理对硬度的影响
7、与强度相反。水的浸入对岩石的硬度也有很大的影响。岩石硬度的测定：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(在多向受压状态下进行)。常用的硬度测试方法有两种：即压入硬度和摆球硬度。一般而言：岩石压入是比较困难的，但压入后破裂则容易的多。2、岩石的研磨性 岩石的研磨性：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。岩石磨损钻头的能力就降低。 影响岩石研磨性的因素 （Factors affecting rocks abrasiveness） ：岩石的矿物成分和结构特征(如岩石的矿物成
8、分、石英含量、颗粒大小和形状)；正压力；滑动速度(岩石与工具摩擦表面的温度、相对湿度)；介质岩石研磨性测量 岩石研磨性测量方法较多，而规程参数对其影响又很大，目前尚无统一衡量指标。七、 岩石的变形特性 弹性：固体在卸去所加载荷后，恢复原来状态的性能。塑性：当所加载荷卸去后，固体保持其变形的性能。 脆性：固体在载荷作用下不引起残余变形的性能。脆性岩石的弹性极限与强度极限很接近，外载荷达到岩石的弹性极限时，很快出现固体的完全破碎。 影响岩石弹性、塑性和脆性的因素（Facts affecting rocks elasticity and plasticity）：岩石物质成分；载荷性质 ；岩石结构构造
9、；受力条件；应力状态；温度和湿度。 岩石不是理想的弹性体，不符合虎克定律。 组成岩石的矿物多不是塑性的，岩石的塑性变形主要是由矿物颗粒间沿界面滑动而引起的。岩石颗粒间相对滑移越强，孔隙度和湿度越大，则岩石的塑性越强。 在常温、常压下，岩石在单轴压塑状态下的塑性不明显，但在复杂应力状态下及一定温压条件下，岩石却表现出明显的塑性。在岩石力学中，根据单向压塑时应力-应变曲线所反映的岩石变形特征，常把岩石分为三类：弹脆性岩石如花岗岩、石英岩等；弹塑性岩石大理岩、石灰岩、砂岩；塑性岩石粘土、盐岩、高孔隙岩石等。岩石在外力作用下，首先产生弹性变形，其应力应变关系是一条斜率为E的直线，若进一步增加外载，便出
10、现3种可能：1 岩石脆性破坏，在此之前不存在不可逆的应变，这类岩石称为弹脆性体；2 应力和应变之间的直线关系发生变化，也产生脆性破坏，这类岩石称为弹塑性体；3 经过短暂弹性变形后，很快转入典型的塑性变形，岩石不发生脆性破坏而是塑性破坏，其特点是破坏前有较大的不可逆应变和明显的破坏面塑性体在三轴应力作用下，岩石力学性质的另一显著变化是：随着围压增大，岩石表现出由脆性到塑性的转变，并且围压越大，岩石破坏前呈现的塑性也越大。实验表明：灰岩当围压小于50MPa时，基本上为脆性破碎；当大于50MPa时，开始出现塑性；当大于100MPa时，明显表现为塑性。第二节 岩石可钻性及其分级 一、概念 可钻性：钻进
11、过程中岩石抵抗破碎的程度，亦即岩石被破碎的难易程度。 岩石可钻性是决定钻进效率的基本因素。二、岩石可钻性的影响因素 岩石可钻性是个多变量的函数，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：所钻岩石的物理力学性质；破碎岩石所采用的方法(破碎工具的结构、种类及质量，钻进规程参数，孔底破碎岩石的能量消耗)；孔底岩屑清除是否干净。三、 岩石可钻性分级 岩石可钻性分级是合理选择钻进方法、钻头结构及钻进规程参数的依据；也是制订钻探生产定额、编制生产计划的基础。 划分岩石可钻性的方法 可钻性表示方法目前尚不统一，不同部门因所用的钻探设备、钻进方法不同，而采用不同的表示方法：地质勘探岩心钻
12、探常用机械钻速(m/h)表示；石油部门有时以机械钻速和钻头进尺之积作为衡量指标；使用冲击钻进的部门多用单位体积破碎功来表示。 常用方法：力学性质指标法据压入硬度分6类12级；实际钻进速度法用勘探钻进速度m/h分12级；微钻法用微型孕镶钻头模拟钻进速度分12级；破碎比功法冲击钻进时用m3/h分岩石10级。岩石可钻性综合分级方法，目前被认为是最科学的分级法，它以岩石的物理力学性质和岩石局部抗机械破碎能力作为统一定级的基础。 在室内测试基础上，经分析、对比 ，参照统计资料，确立以岩石压入硬度为主和摆球弹跳次数、摆球塑性系数，微钻速度、声波穿透速度为指标的岩石可钻性分级。 该分级包括3张表：以压入硬度、摆球硬度、统计效率为指标(附录一)；以微钻速度为指标(附录二)；以声波穿透速度为指标归纳一个表