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1、第第1章章 岩石的工程力学性质岩石的工程力学性质1.1 岩石的类型及特点岩石的类型及特点1.2 岩石的工程力学性质岩石的工程力学性质1.3 岩石可钻性与研磨性岩石可钻性与研磨性1.1 岩石的类型及结构特点岩石的类型及结构特点（1 1）岩石的组成岩石的组成岩石：岩石：是组成地壳的基本物质，它是由是组成地壳的基本物质，它是由矿物或岩屑矿物或岩屑在地质在地质作用下按一定规律聚集而形成的自然体，具有一定作用下按一定规律聚集而形成的自然体，具有一定的强度。的强度。矿物：矿物：在地壳中有一定的化学成份和物理性质的在地壳中有一定的化学成份和物理性质的自然元素自然元素或化合物或化合物称为矿物，是地壳中的各种化
2、学元素在各称为矿物，是地壳中的各种化学元素在各种作用下形成的产物。常见的造岩矿物如下表。种作用下形成的产物。常见的造岩矿物如下表。化合化合 组合组合元素元素 矿物矿物 岩石岩石 常见的造岩矿物常见的造岩矿物序号序号名称名称化学成分化学成分1正长石正长石kAISI3O82斜长石斜长石NaAISI3O8或或CaAI2SI2O83石英石英SIO24白云母白云母KAI2(SI3AI)O10(OH)25黑云母黑云母K2(MgFe)6(SIAI)8O20(OH)46角闪石角闪石Na、Ca、Mg、Fe、AI的硅酸盐的硅酸盐7辉石辉石Ca、Mg、Fe、AI的硅酸盐的硅酸盐8橄榄石橄榄石(MgFe)2SIO49
3、方解石方解石CaCO310白云岩白云岩CaMg(CO3)211高岭土高岭土AI2SI2O5(OH)412氧化铁氧化铁2FeO33H2O或或Fe2O3花岗岩，是由石英、长石、和云母颗粒组成的。花岗岩，是由石英、长石、和云母颗粒组成的。(2)(2)岩石的类型岩石的类型根据成因分为三类：岩浆岩、沉积岩、变质岩根据成因分为三类：岩浆岩、沉积岩、变质岩成因成因举例举例特点特点岩浆岩岩浆岩（火成（火成岩）岩）岩浆在地下巨大的压力的作用下沿地壳岩浆在地下巨大的压力的作用下沿地壳薄弱地带侵入地壳上部或喷出地表（火薄弱地带侵入地壳上部或喷出地表（火山活动），随着温度、压力的变化，冷山活动），随着温度、压力的变化
4、，冷却凝固而形成。却凝固而形成。玄武岩玄武岩矿物结晶颗粒细小，矿物结晶颗粒细小，有的有流纹或气孔有的有流纹或气孔花岗岩花岗岩矿物结晶颗粒较大矿物结晶颗粒较大沉积岩沉积岩出露地表的岩石，在各种外力作用下，出露地表的岩石，在各种外力作用下，经过风化、侵蚀、搬运、沉积、固结而经过风化、侵蚀、搬运、沉积、固结而形成的岩石形成的岩石砾岩砾岩砂岩砂岩页岩等页岩等具有层理构造和含具有层理构造和含有化石有化石变质岩变质岩已形成岩石，在岩浆活动、地壳运动产已形成岩石，在岩浆活动、地壳运动产生的高温、高压条件下，使原岩石成分、生的高温、高压条件下，使原岩石成分、性质发生改变而形成的新岩石性质发生改变而形成的新岩石
5、大理岩大理岩板岩板岩具有片理构造具有片理构造钻井中常遇到的岩石随着地球随着地球上主要上主要地地质过程质过程的的演变，这演变，这三类岩石三类岩石之间可以之间可以互相转变。互相转变。(3)(3)沉积岩的类型沉积岩的类型根据沉积岩的成因、成份及结构分为：根据沉积岩的成因、成份及结构分为：粘土岩、碎屑岩、碳酸盐岩等。粘土岩、碎屑岩、碳酸盐岩等。(1)(1)岩浆岩岩浆岩花岗岩、玄武岩、安山岩花岗岩、玄武岩、安山岩、橄榄岩、辉长岩、闪长岩、流纹岩等；、橄榄岩、辉长岩、闪长岩、流纹岩等；(2)(2)变质岩变质岩片麻岩、片岩、大理岩（方解石）、千枚岩、片麻岩、片岩、大理岩（方解石）、千枚岩、板岩板岩、石英岩等
6、；、石英岩等；(3)(3)沉积岩沉积岩：粘土岩：粘土岩：泥岩（页岩）：泥岩（页岩）：碎屑岩：碎屑岩：砾岩、砂岩（粗砂岩、中砂岩、细砂岩）、粉砂岩砾岩、砂岩（粗砂岩、中砂岩、细砂岩）、粉砂岩碳酸盐岩：碳酸盐岩：石灰岩、白云岩、盐岩石灰岩、白云岩、盐岩(易水化易水化)、石膏（易变形）、盐膏岩、石膏（易变形）、盐膏岩根据根据方解石和白云石方解石和白云石的相对含量，碳酸盐岩分为的相对含量，碳酸盐岩分为石灰岩和白云岩石灰岩和白云岩。方解石含量方解石含量50%50%为石灰岩；为石灰岩；白云石含量白云石含量50%50%为白云石；为白云石；泥岩泥岩60%60%，砂岩，砂岩30%30%，碳酸盐岩居第三位。，碳酸
7、盐岩居第三位。(4)(4)过渡岩性过渡岩性（泥质、砂质、粉砂质）：（泥质、砂质、粉砂质）：泥岩泥岩砂质泥岩砂质泥岩粉砂质泥岩页岩；粉砂质泥岩页岩；砾岩砂岩泥质砂岩泥质粉砂岩粉砂岩；砾岩砂岩泥质砂岩泥质粉砂岩粉砂岩；石灰岩含泥质灰岩、泥灰岩、砂质石灰岩、粉砂质石灰岩、含泥质白云石灰岩含泥质灰岩、泥灰岩、砂质石灰岩、粉砂质石灰岩、含泥质白云岩、砂质白云岩、粉砂质白云岩白云岩。岩、砂质白云岩、粉砂质白云岩白云岩。沉积岩的类型沉积岩的类型根据沉积岩的成因、成份及结构分为：根据沉积岩的成因、成份及结构分为：碎屑岩、粘土岩、碳酸盐岩等。碎屑岩、粘土岩、碳酸盐岩等。部分岩浆岩部分岩浆岩 沉积岩的特点沉积岩的
8、特点 （1 1）结构特点）结构特点 结构指岩石的结构指岩石的微观组织微观组织特征，包括矿物成分、颗粒大小、形特征，包括矿物成分、颗粒大小、形状及排列方式、颗粒间的胶结情况等。状及排列方式、颗粒间的胶结情况等。特点：矿物成分不确定，颗粒大小不等、颗粒形状多样、颗特点：矿物成分不确定，颗粒大小不等、颗粒形状多样、颗粒分布不均匀、胶结强度有强有弱。粒分布不均匀、胶结强度有强有弱。（2 2）构造特点）构造特点 构造指岩石的构造指岩石的宏观组织宏观组织特征，是指岩石组分的空间分布及其特征，是指岩石组分的空间分布及其相互间的位置。相互间的位置。如：层理、节理（裂隙）、孔隙度等。如：层理、节理（裂隙）、孔隙
9、度等。一般，沉积岩具有明显的层理特征。一般，沉积岩具有明显的层理特征。层理：层理：岩石一层一层叠起来的现象。岩石一层一层叠起来的现象。倾斜的层状结构是沉积岩的主要倾斜的层状结构是沉积岩的主要构造特征。构造特征。形成层理的原因：形成层理的原因：沉积岩常具有一层一层近似平行的层理，为不同时期沉积环境沉积岩常具有一层一层近似平行的层理，为不同时期沉积环境变化所制。最初的层理近似水平，其后受到地壳变动影响可能变化所制。最初的层理近似水平，其后受到地壳变动影响可能倾斜、弯曲或断裂。倾斜、弯曲或断裂。层理的分类：层理的分类：A A、成分相同时颗粒大小在垂直方向上的变化、成分相同时颗粒大小在垂直方向上的变化
10、 B B、不同成分颗粒的交替沉积、不同成分颗粒的交替沉积 C C、某些矿物颗粒指向相同、某些矿物颗粒指向相同 D D、某种矿物颗粒呈规律性的分布、某种矿物颗粒呈规律性的分布在某些岩石中的化学沉积物，层理表现的很不明显。有时在某些岩石中的化学沉积物，层理表现的很不明显。有时在砂岩和层状岩石中，只有在很大块岩石中才可以区别出在砂岩和层状岩石中，只有在很大块岩石中才可以区别出层理来。层理来。在钻井地质剖面上所表现的岩性变化、软硬夹层等就是层在钻井地质剖面上所表现的岩性变化、软硬夹层等就是层理变化的反映。理变化的反映。(3)(3)各向异性和非均质性各向异性和非均质性 各向异性各向异性:如果物体的某一性
11、质随方向的不同而不同如果物体的某一性质随方向的不同而不同,则称物则称物体具有各向异性。体具有各向异性。l岩石一般具有各向异性的性质。如在垂直于或平行于层理岩石一般具有各向异性的性质。如在垂直于或平行于层理面的方向上，岩石的力学性质（弹性、强度等）有较大的面的方向上，岩石的力学性质（弹性、强度等）有较大的差异。差异。l岩石的各向异性性质是由岩石的构造特点所决定的。岩石的各向异性性质是由岩石的构造特点所决定的。l结晶矿物的结晶矿物的定向排列、层理、片理、节理定向排列、层理、片理、节理等使得岩石具有等使得岩石具有各向异性的特点。各向异性的特点。片理是岩石沿平行的平面分裂为薄片的能力片理是岩石沿平行的
12、平面分裂为薄片的能力。不均质性不均质性:如果物体中如果物体中不同部分不同部分的物理、化学性质不同，称的物理、化学性质不同，称该物体是不均质的。该物体是不均质的。l岩石一般为非均质体。这是由岩石成分、颗粒大小、颗粒岩石一般为非均质体。这是由岩石成分、颗粒大小、颗粒间的胶结强度间的胶结强度 、孔隙度（密度）等不均质性造成的。、孔隙度（密度）等不均质性造成的。l测定岩石的力学性质时，不同部位的实验结果常存在很大测定岩石的力学性质时，不同部位的实验结果常存在很大的差异，因此，采用统计学理论，取合适的均值作为代的差异，因此，采用统计学理论，取合适的均值作为代表。表。生油层生油层（最下面）：泥质岩类和碳酸
13、盐岩类。（最下面）：泥质岩类和碳酸盐岩类。l泥质岩类生油层以泥岩、页岩为主，其次为砂质泥岩、泥质粉砂岩等；泥质岩类生油层以泥岩、页岩为主，其次为砂质泥岩、泥质粉砂岩等；l碳酸盐岩类生油层以灰岩、泥灰岩、石灰岩、白云岩为主。碳酸盐岩类生油层以灰岩、泥灰岩、石灰岩、白云岩为主。储集层储集层（中部）：（中部）：能够储集石油和天然气，并在其中流动的岩层能够储集石油和天然气，并在其中流动的岩层。分为碎屑岩类、。分为碎屑岩类、碳酸盐岩类。碳酸盐岩类。碎屑岩储集层碎屑岩储集层为主，为主，碳酸盐岩储集层在四川油田、华北油田等碳酸盐岩储集层在四川油田、华北油田等存在。存在。l碎屑岩储集层岩性包括砾岩、砾状砂岩、
14、粗砂岩、中砂岩、细砂岩和粉砂岩。碎屑岩储集层岩性包括砾岩、砾状砂岩、粗砂岩、中砂岩、细砂岩和粉砂岩。中、细砂岩储集层分布最广，储油物性最好中、细砂岩储集层分布最广，储油物性最好；l碳酸盐岩类储集层岩性包括石灰岩、白云岩、白云质灰岩、生物碎屑灰岩、碳酸盐岩类储集层岩性包括石灰岩、白云岩、白云质灰岩、生物碎屑灰岩、鲕状灰岩等，特征：有裂缝、孔洞等。鲕状灰岩等，特征：有裂缝、孔洞等。盖层盖层（上部）：（上部）：指位于储集层之上的一个封隔储集层，避免其中油气向上逸散的指位于储集层之上的一个封隔储集层，避免其中油气向上逸散的保护层保护层。常见的盖层岩性类型为：页岩、泥岩、盐岩、石膏和无水石膏等。常见的盖
15、层岩性类型为：页岩、泥岩、盐岩、石膏和无水石膏等。其中，页岩和泥岩盖层常与其中，页岩和泥岩盖层常与碎屑岩储集层碎屑岩储集层伴生；盐岩、石膏则多与伴生；盐岩、石膏则多与碳酸盐岩碳酸盐岩储集储集层共存。层共存。生、储、盖组合生、储、盖组合第第1章章 岩石的工程力学性质岩石的工程力学性质1.1 岩石的类型及结构特点岩石的类型及结构特点1.2 岩石的工程力学性质岩石的工程力学性质1.3 岩石可钻性与研磨性岩石可钻性与研磨性1.2 岩石的工程力学性质岩石的工程力学性质 物理性质：物理性质：密度，孔隙度，饱和度密度，孔隙度，饱和度水理性质：水理性质：吸水性、透水性、软化性、抗冻吸水性、透水性、软化性、抗冻
16、性、可溶性、膨胀性及崩解性性、可溶性、膨胀性及崩解性工程力学性质：工程力学性质：岩石受力后表现出来的岩石受力后表现出来的变形特性变形特性和和强度特性强度特性强度性质：强度性质：抗压强度、抗拉强度、抗剪强度等抗压强度、抗拉强度、抗剪强度等变形性质：变形性质：弹性模量及泊松比弹性模量及泊松比几个概念：几个概念：n弹性：弹性：岩石在外力作用下产生变形，外力撤销后变形随之消岩石在外力作用下产生变形，外力撤销后变形随之消失，恢复到失，恢复到原来的形状和体积原来的形状和体积的性质称为弹性，相应的变形的性质称为弹性，相应的变形称为弹性变形。称为弹性变形。n塑性：塑性：岩石在外力作用下产生变形，外力撤销后变形
17、岩石在外力作用下产生变形，外力撤销后变形不能完不能完全恢复全恢复的性质。相应的残余变形称为塑性变形。的性质。相应的残余变形称为塑性变形。n脆性脆性：岩石在外力作用下：岩石在外力作用下变形很小变形很小（小于（小于3%3%）就发生破坏的）就发生破坏的性质。相应的破坏称为脆性破坏。性质。相应的破坏称为脆性破坏。n强度：强度：岩石在外力作用下发生破坏时所承受的最大应力。岩石在外力作用下发生破坏时所承受的最大应力。抗拉强度抗拉强度岩石单纯受岩石单纯受拉伸应力拉伸应力破坏时的强度破坏时的强度 抗压强度抗压强度岩石单纯受岩石单纯受压缩应力压缩应力破坏时的强度破坏时的强度 抗剪强度抗剪强度岩石单纯受岩石单纯受
18、剪切应力剪切应力破坏时的强度破坏时的强度 抗弯强度抗弯强度岩石单纯受岩石单纯受弯曲应力弯曲应力破坏时的强度破坏时的强度 岩石名称岩石名称抗压强度抗压强度(MPa)抗拉强抗拉强度度(MPa)岩石名称岩石名称抗压强度抗压强度(MPa)抗拉强度抗拉强度(MPa)花岗岩花岗岩100250725页页 岩岩5100210流纹岩流纹岩1603001230粘土岩粘土岩2150.31闪长岩闪长岩1202801230石灰岩石灰岩40250720安山岩安山岩1403001020白云岩白云岩802501525辉长岩辉长岩1603001235板板 岩岩60200720辉绿岩辉绿岩1503501535片片 岩岩10100
19、110玄武岩玄武岩1503001030片麻岩片麻岩50200520砾岩砾岩10150215石英岩石英岩1503501030砂砂 岩岩20250425大理岩大理岩100250720常常见见岩岩石石的的抗抗压压及及抗抗拉拉强强度度岩石的变形性质：岩石的变形性质：弹性模量和泊松比弹性模量和泊松比 产生弹性变形的物体在变形阶段，应力与应变的关系服从虎克定律：产生弹性变形的物体在变形阶段，应力与应变的关系服从虎克定律：=E =E 弹性模量弹性模量 ：岩石每增加单位应变所需增加的应力。岩石每增加单位应变所需增加的应力。式中：式中：E E弹性模量；弹性模量；应力；应力；应变应变泊松比：泊松比：压缩应力作用下
20、岩石横向应变与纵向应变之比。压缩应力作用下岩石横向应变与纵向应变之比。常常见见岩岩石石的的弹弹性性模模量量与与泊泊松松比比 岩石名称岩石名称弹性模量弹性模量(104MPa)泊松比泊松比岩石名岩石名称称弹性模量弹性模量(104MPa)泊松比泊松比花岗岩花岗岩510O.10.3页页 岩岩O.280.2O.4流纹岩流纹岩510O.10.25石灰岩石灰岩5100.20.35闪长岩闪长岩715O.1O.3白云岩白云岩59.40.150.35安山岩安山岩5120.2O.3板岩板岩28O.20.3辉长岩辉长岩7150.10.3片岩片岩19O.2O.4玄武岩玄武岩612010.35片麻岩片麻岩1100.10.
21、35砂砂 岩岩0.510O.20.3石英岩石英岩6200.080.25主要内容主要内容一、岩石的应一、岩石的应一、岩石的应一、岩石的应力力力力应变曲线应变曲线应变曲线应变曲线二、简单应力二、简单应力二、简单应力二、简单应力条件下岩石的条件下岩石的条件下岩石的条件下岩石的强度强度强度强度三、复杂应力条三、复杂应力条三、复杂应力条三、复杂应力条件下岩石的强度件下岩石的强度件下岩石的强度件下岩石的强度四、岩石的四、岩石的四、岩石的四、岩石的抗压入破碎抗压入破碎抗压入破碎抗压入破碎强度强度强度强度五、影响因五、影响因五、影响因五、影响因素分析素分析素分析素分析OAOAOAOA段：段：段：段：曲线稍向上
22、凹，这反映了岩石试件内部裂隙逐渐曲线稍向上凹，这反映了岩石试件内部裂隙逐渐被压密，被压密，压实过程压实过程ABABABAB段：段：段：段：它的斜率为常数或接近于它的斜率为常数或接近于常数，常数，弹性变形阶段，弹性变形阶段，其斜率定其斜率定义为岩石的义为岩石的弹性模量弹性模量E E点点B B：发生弹性到塑性：发生弹性到塑性行为过渡点，称为屈行为过渡点，称为屈服点，服点，S S称为屈服应称为屈服应力力。CD段：曲线下降，是由段：曲线下降，是由于裂缝发生了不稳定传播，于裂缝发生了不稳定传播，新的裂隙分叉发展，使岩新的裂隙分叉发展，使岩石开始解体。石开始解体。最高点最高点C C的应力称为强度极限的应力
23、称为强度极限C C(如为单轴如为单轴试验便称为单轴抗压强度试验便称为单轴抗压强度)一、岩石的应力一、岩石的应力应变曲线应变曲线BCBC段：随着载荷的继续增大，变形和载荷呈非线性关系，裂隙进入不稳定发展状段：随着载荷的继续增大，变形和载荷呈非线性关系，裂隙进入不稳定发展状态，这是破坏的先行阶段。这一段应力态，这是破坏的先行阶段。这一段应力-应变曲线的斜率随着应力的增加逐渐减小应变曲线的斜率随着应力的增加逐渐减小到零，曲线向下凹，在岩石中引起不可逆变化。到零，曲线向下凹，在岩石中引起不可逆变化。塑性变形阶段。塑性变形阶段。强度强度获获取取方法：方法：对对具体的岩石具体的岩石进进行行强强度度试验试验
24、 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的的强强度度抗抗压压强强度度抗拉抗拉强强度度抗剪抗剪强强度度抗弯曲抗弯曲强强度度通常情况下：通常情况下：抗抗压压 抗剪抗剪 抗弯抗弯 抗拉抗拉强强度度 在岩样上施加轴向压缩载荷直在岩样上施加轴向压缩载荷直至破坏时至破坏时单位面积上的载荷单位面积上的载荷，通过，通过单轴抗压试验来获得。单轴抗压试验来获得。岩石抗压强度：岩石抗压强度：岩石抗压强度：岩石抗压强度：实验要求：实验要求：*施加压力的方向应平行于岩心的轴线施加压力的方向应平行于岩心的轴线*岩样长度岩样长度L L应适当，应适当，L/DL/D很小时，试件中的很小时，试件中的应力
25、分布趋于三轴应力状态，具有较高的强应力分布趋于三轴应力状态，具有较高的强度；度；L/DL/D很大时，将发生弹性不稳定破坏；很大时，将发生弹性不稳定破坏；L/DL/D应适中，一般以应适中，一般以L/D=2.53.0L/D=2.53.0较好。较好。*尽量减小端面效应，设法降低试件端面与尽量减小端面效应，设法降低试件端面与加压板间的摩擦。加压板间的摩擦。*试件尺寸取决于组成岩石的颗粒的尺寸，试件尺寸取决于组成岩石的颗粒的尺寸，试件直径与最大颗粒尺寸的比值至少为试件直径与最大颗粒尺寸的比值至少为1010：1 1。因此，原则上应尽量采用较大直径的试。因此，原则上应尽量采用较大直径的试件。建议采用件。建议
26、采用2.22.62.22.6厘米直径的试件。厘米直径的试件。按抗压强度对地层进行分类按抗压强度对地层进行分类地地层层极极软软软软中中软软中中硬硬极硬极硬抗抗压压强强度度（MPaMPa）25200200直接测量：直接测量：把岩样加工成拉伸试样，置于材料把岩样加工成拉伸试样，置于材料拉伸试验机上进行简单应力状态下拉伸试验机上进行简单应力状态下(或或称单轴抗拉伸状态称单轴抗拉伸状态)的拉伸试验。岩样的拉伸试验。岩样拉断时拉断时的应力值即为岩石的抗拉伸强度。的应力值即为岩石的抗拉伸强度。岩石抗拉伸强度岩石抗拉伸强度可通过可通过直接和间接直接和间接抗拉伸强度试验来确定抗拉伸强度试验来确定实验要求：实验要
27、求：*设计恰当的夹紧机构；设计恰当的夹紧机构；*制备一定形状的岩样；制备一定形状的岩样；*确保加载方向严格平行于岩样轴线。确保加载方向严格平行于岩样轴线。巴西劈裂实验：巴西劈裂实验：将将一一个个薄薄圆圆盘盘试试件件（直直径径40mm*40mm*厚厚度度25mm25mm）沿沿其其直直径径方方向向加加载载，在在沿沿着着加加载载直直径径上上分分布布着着垂垂直直于于加加载载方方向向拉拉伸伸应应力力，如如图图所示。所示。间接测量方法：间接测量方法：巴西劈裂实验巴西劈裂实验 圆盘的破裂从圆盘的破裂从圆中心圆中心开始开始,当拉应力达到岩样的抗拉强度当拉应力达到岩样的抗拉强度时，试件在时，试件在加载点连线上加
28、载点连线上呈现清晰的破裂。岩石的抗张强度呈现清晰的破裂。岩石的抗张强度可按下式计算可按下式计算(r(r半径，半径，t t厚度厚度)：三、复杂应力条件下的岩石强度三、复杂应力条件下的岩石强度 首首先先用用液液压压p使使其其四四周周处处于于三三向向均均匀匀压压缩缩的的应应力力状状态态，然然后后保保持持此此压压力力（围围压压）不不变变，对对岩岩样样加加载载，直直到到使使其其破坏。破坏。可以进行三轴可以进行三轴压缩压缩试验，也可以进行三轴试验，也可以进行三轴拉伸拉伸试验。试验。常规三轴试验常规三轴试验(a)液压作用下的压（拉）试液压作用下的压（拉）试验（常规三轴试验）验（常规三轴试验）12=3(b)用
29、三个液缸的柱塞进行的用三个液缸的柱塞进行的三面压缩试验（真三轴试验）三面压缩试验（真三轴试验）12 3三轴应力作用下岩石机械性质的变化三轴应力作用下岩石机械性质的变化两两两两方方方方面面面面显显显显著著著著变变变变化化化化研究岩石从脆性到塑性的转变点（或称临界压力）对深井钻井具有重要意义：研究岩石从脆性到塑性的转变点（或称临界压力）对深井钻井具有重要意义：脆性破坏和塑性破坏是两种具有本质差别的破坏形式，需分别用脆性破坏和塑性破坏是两种具有本质差别的破坏形式，需分别用不同的破碎工不同的破碎工具具（如不同结构的钻头类型），采用（如不同结构的钻头类型），采用不同的破碎方式不同的破碎方式（冲击、压碎、
30、挤压、剪切或（冲击、压碎、挤压、剪切或切削、磨削等），以及切削、磨削等），以及不同的破碎参数不同的破碎参数（钻压、转速及水力参数等）的组合。因此，（钻压、转速及水力参数等）的组合。因此，确定岩石的脆确定岩石的脆塑性转变的塑性转变的“临界压力临界压力”将为设计和合理选择使用钻头提供科学依将为设计和合理选择使用钻头提供科学依据。据。岩石在三轴应力条件下的强度明显增加。随着围岩石在三轴应力条件下的强度明显增加。随着围压的增大，岩石强度增大。压的增大，岩石强度增大。随着围压的增大，岩石由脆性向塑性转变，且围随着围压的增大，岩石由脆性向塑性转变，且围压越大，岩石破坏前呈现的塑性也越大压越大，岩石破坏前呈
31、现的塑性也越大。岩石从。岩石从脆性向塑性转变的压力（围压）称为临界压力。脆性向塑性转变的压力（围压）称为临界压力。四、岩石的抗压入破碎强度（四、岩石的抗压入破碎强度（四、岩石的抗压入破碎强度（四、岩石的抗压入破碎强度（硬度）（硬度）（formation hardness）岩石的硬度岩石的硬度是岩石抵抗其它物体表面压入或侵入的能力。是岩石抵抗其它物体表面压入或侵入的能力。硬度与抗压强度区别：硬度与抗压强度区别：前前者者只只是是固固体体表表面面的的局局部部对对另另一一物物体体压压入入或或侵侵入入时时的的阻阻力力，而而后后者者则则是固体抵抗固体是固体抵抗固体整体整体破坏时的阻力。破坏时的阻力。前者反
32、映岩石前者反映岩石颗粒的硬度颗粒的硬度，其对钻进过程中工具的磨损起重大影响；，其对钻进过程中工具的磨损起重大影响；后者反映岩石的后者反映岩石的组合硬度组合硬度，其对钻进时岩石破碎速度起重大影响。，其对钻进时岩石破碎速度起重大影响。测量岩石硬度的方法测量岩石硬度的方法 静压入法、冲击回弹法（摆球硬度）静压入法、冲击回弹法（摆球硬度）。石油工业主要是利用石油工业主要是利用静压入静压入的方法测量岩石硬度（岩石的压入硬度是前苏的方法测量岩石硬度（岩石的压入硬度是前苏联史立涅尔提出的，也称联史立涅尔提出的，也称史氏硬度史氏硬度）。石油钻井中，常用的硬度有两种：石油钻井中，常用的硬度有两种：史氏硬度和摩氏
33、硬度。史氏硬度和摩氏硬度。把重量为把重量为5.7g5.7g的钢球，用长的钢球，用长250mm250mm的线悬起的线悬起来，从水平方向落下，撞击在岩样的侧面上。来，从水平方向落下，撞击在岩样的侧面上。打击岩石消耗掉一部分能量，剩余的能量将打击岩石消耗掉一部分能量，剩余的能量将钢球回弹起一定的角度钢球回弹起一定的角度。岩石表面的硬度越高，钢球回弹的角度越大，岩石表面的硬度越高，钢球回弹的角度越大，钢球从第一次回跳到完全停跳所经历的回跳钢球从第一次回跳到完全停跳所经历的回跳次数也越多。因此，可按回弹角度和回跳次次数也越多。因此，可按回弹角度和回跳次数来确定岩石的硬度。数来确定岩石的硬度。试验用的岩样
34、一般都是圆柱状岩芯，直径大试验用的岩样一般都是圆柱状岩芯，直径大于于40mm40mm，长度大于长度大于65mm65mm，两端切平，端面与两端切平，端面与岩芯轴线垂直，受试面还必须抛光。岩芯轴线垂直，受试面还必须抛光。摆球硬度（冲击回弹法）摆球硬度（冲击回弹法）摩氏硬度：摩氏硬度：表示材料的相对硬度。测量方法是用两种材料互表示材料的相对硬度。测量方法是用两种材料互相刻划，在表面留下擦痕者则硬度较低。相刻划，在表面留下擦痕者则硬度较低。用用10种矿物为代表，作为摩氏硬度的标准，依次为：种矿物为代表，作为摩氏硬度的标准，依次为：滑石滑石(1度度)、石膏、石膏(2度度)、方解石、方解石(3度度)、萤石
35、、萤石(4度度)、磷灰石、磷灰石(5度度)、长石、长石(6度度)、石英、石英(7度度)、黄玉、黄玉(8度度)、刚玉、刚玉(9度度)、金金刚石刚石(10度度)。岩石矿物的硬度是选择破岩工具的重要参考依据，若在岩石岩石矿物的硬度是选择破岩工具的重要参考依据，若在岩石中占一定比例的矿物的硬度达到或接近破岩工具工作部位材中占一定比例的矿物的硬度达到或接近破岩工具工作部位材料的硬度，则工具磨损很快。料的硬度，则工具磨损很快。史氏硬度的测量方法。史氏硬度的测量方法。要要求求：岩岩样样的的长长度度为为303050mm50mm，直直径径404050mm50mm，两两端面光滑且相互平行；端面光滑且相互平行；试验
36、仪器：试验仪器：岩石压入硬度测试仪。岩石压入硬度测试仪。岩石的脆性和塑性岩石的脆性和塑性 三三类类：脆脆性性岩岩石石（brittle brittle rockrock）、塑塑性性岩岩石石（plastic plastic rockrock）和塑脆性岩石（）和塑脆性岩石（brittle-plastic rockbrittle-plastic rock。在外力作用下，岩石只改变其形状和大小而不破坏自身的连在外力作用下，岩石只改变其形状和大小而不破坏自身的连续性，这种情况称为续性，这种情况称为塑性塑性的；岩石在外力作用下，直至破碎的；岩石在外力作用下，直至破碎而无明显的形状改变，这种情况称为而无明显的
37、形状改变，这种情况称为脆性脆性的；介乎于两者之的；介乎于两者之间的是间的是塑脆性岩石塑脆性岩石。脆性和塑脆性岩石的硬度为：脆性和塑脆性岩石的硬度为：式中：式中：PP产生脆性破碎时压头上的载荷产生脆性破碎时压头上的载荷(牛顿牛顿)；S S压头的底面积压头的底面积(毫米毫米2 2)；对对塑塑性性岩岩石石，取取产产生生屈屈服服(即即从从弹弹性性变变形形开开始始向向塑塑性性变变形形转转化化)时的载荷时的载荷P P0 0代替代替P P，即：，即：岩石级别及岩石硬度的关系岩石级别及岩石硬度的关系岩石岩石类类别别软软中中软软中硬中硬硬硬坚坚硬硬极硬极硬岩石岩石级级别别123456789101112压压入硬入
38、硬度度,MPa1001002502505005001000100015001500200020003000300040004000500050006000600070007000塑性系数：塑性系数：岩石破碎前耗费的总功岩石破碎前耗费的总功A AF F与与岩石破碎前弹性变形功岩石破碎前弹性变形功A AE E的比值。的比值。用用岩石的塑性系数岩石的塑性系数K KP P作为定量表征岩石塑性及脆性大小的参数。作为定量表征岩石塑性及脆性大小的参数。对于塑脆性岩石：对于塑脆性岩石：脆性岩石脆性岩石K=1K=1；塑性岩石，；塑性岩石，K KP P=。五、影响岩石力学性质的因素分析五、影响岩石力学性质的因素分
39、析 1、岩石结构、岩石结构 （1）对晶质岩石，由硬度较高的矿物组成的岩石，其硬度也较高，对晶质岩石，由硬度较高的矿物组成的岩石，其硬度也较高，如：玄武岩（斜长石、辉石，如：玄武岩（斜长石、辉石，6）白云岩（）白云岩（4）石灰岩（）石灰岩（5）。）。（2）砂岩的强度随着石英（砂岩的强度随着石英（7）含量的增加而增大；）含量的增加而增大；硅质胶结钙质铁质泥质。硅质胶结钙质铁质泥质。（3）同种岩石孔隙度增大，密度降低，强度降低。）同种岩石孔隙度增大，密度降低，强度降低。因此，岩石的强度一般随埋藏深度的增加而增大。因此，岩石的强度一般随埋藏深度的增加而增大。2、井底各种压力、井底各种压力 （1）有效应
40、力（外压与内压之差有效应力（外压与内压之差）越大，岩石强度越大，塑性越）越大，岩石强度越大，塑性越 大，（各向压缩效应大，（各向压缩效应）。）。（2）井内液柱压力与孔隙度压力之差越大，岩石强度越大，塑性越井内液柱压力与孔隙度压力之差越大，岩石强度越大，塑性越 大大。3、载荷性质的影响、载荷性质的影响 岩石对动载的抗力要比静载大得多，随着冲击速度的增大，硬度增大，岩石对动载的抗力要比静载大得多，随着冲击速度的增大，硬度增大，塑性系数减小。塑性系数减小。但在冲击速度小于但在冲击速度小于10m/s时，岩石硬度和塑性系数变化不大，接近于时，岩石硬度和塑性系数变化不大，接近于 静载时的数值。静载时的数值
41、。在在10000米深度范围内：米深度范围内：强度：盐岩强度：盐岩泥页岩泥页岩石灰岩石灰岩石膏石膏铁质、钙质铁质、钙质泥质胶结泥质胶结 塑性：盐岩石灰岩泥页岩石膏白云岩石英岩塑性：盐岩石灰岩泥页岩石膏白云岩石英岩第第1章章 岩石的工程力学性质岩石的工程力学性质1.1 岩石的类型及结构特点岩石的类型及结构特点1.2 岩石的工程力学性质岩石的工程力学性质1.3 岩石可钻性与研磨性岩石可钻性与研磨性1.3 岩石可钻性和研磨性岩石可钻性和研磨性 1、岩石可钻性（、岩石可钻性（Rock Drillability）（1）概念：概念：指岩石破碎的难易程度，可以理解为在一定的钻头规格、类型及钻井工指岩石破碎的难
42、易程度，可以理解为在一定的钻头规格、类型及钻井工艺条件下岩石抵抗钻头破碎的能力。艺条件下岩石抵抗钻头破碎的能力。（2）评价方法）评价方法 在钻压在钻压890(500)N、转速、转速55 rpm的固定条件下，用直径的固定条件下，用直径31.75mm的微型的微型钻头在岩心上钻孔，以钻进钻头在岩心上钻孔，以钻进2.4mm（3mm）孔深所需的时间）孔深所需的时间t作为岩石可钻作为岩石可钻性指标，由此把岩石分为易钻和难钻的。性指标，由此把岩石分为易钻和难钻的。为应用方便，常用为应用方便，常用 作为可钻性指标，称为作为可钻性指标，称为可钻性级值可钻性级值。可钻性级值越大，岩石越难破碎。可钻性级值越大，岩石
43、越难破碎。实验时的各项技术指标如下：实验时的各项技术指标如下：微钻头直径：微钻头直径：31.75mm31.75mm。钻压：牙轮钻头：钻压：牙轮钻头：890N20N890N20N，PDCPDC钻头：钻头：500N20N500N20N。转速：转速：55r/min1r/min55r/min1r/min。钻孔深度钻孔深度 牙轮钻头：牙轮钻头：2.6mm2.6mm。预钻深度：。预钻深度：0.2mm0.2mm，计时钻孔深度：，计时钻孔深度：2.4mm2.4mm。PDCPDC钻头：钻头：4mm4mm。预钻深度：。预钻深度：1.0mm1.0mm，计时钻孔深度：，计时钻孔深度：3.0mm3.0mm。实验时，在每
44、块岩心试样上钻三个孔，取其钻时平均值作为该岩石实验时，在每块岩心试样上钻三个孔，取其钻时平均值作为该岩石试样的钻时试样的钻时T T，该岩石的可钻性级值，该岩石的可钻性级值 室内岩心微钻头实验求取可钻性室内岩心微钻头实验求取可钻性2、岩石的研磨性、岩石的研磨性钻井过程中，钻井工具和岩石产生连续的或间歇的接触和摩擦，从而在破碎岩石的钻井过程中，钻井工具和岩石产生连续的或间歇的接触和摩擦，从而在破碎岩石的同时，这些工具本身也受到岩石的磨损而逐渐变钝甚至损坏。同时，这些工具本身也受到岩石的磨损而逐渐变钝甚至损坏。岩石磨损钻头切削刃材料的能力称为岩石的研磨性。岩石磨损钻头切削刃材料的能力称为岩石的研磨性
45、。至今尚没有统一的测定岩石研磨性的方法和分级标准。至今尚没有统一的测定岩石研磨性的方法和分级标准。测定岩石研测定岩石研磨性的方法磨性的方法微钻头钻进法微钻头钻进法用用金属棒金属棒（如铜棒、淬火或未淬火的钢棒）在加压旋转的条件下与岩石（如铜棒、淬火或未淬火的钢棒）在加压旋转的条件下与岩石相摩擦。在给定的载荷、转速和时间内，按金属棒被磨损掉的质量来衡相摩擦。在给定的载荷、转速和时间内，按金属棒被磨损掉的质量来衡量岩石研磨性的大小。量岩石研磨性的大小。用硬质材料做成的用硬质材料做成的刀具刀具与岩石试件相对旋转磨削。在给定接触压力、旋与岩石试件相对旋转磨削。在给定接触压力、旋转速度（线速度）下，测量固
46、定时间或旋转过的路程内刀具的磨损量以转速度（线速度）下，测量固定时间或旋转过的路程内刀具的磨损量以估价岩石的研磨性相对大小。估价岩石的研磨性相对大小。用与全尺寸钻头形状相似的微型模拟用与全尺寸钻头形状相似的微型模拟钻头钻头在一定的钻进参数下与岩石钻在一定的钻进参数下与岩石钻磨，测量给定时间内钻头切削刃的外形磨损，以比较各类岩石的研磨性。磨，测量给定时间内钻头切削刃的外形磨损，以比较各类岩石的研磨性。实质是确定一个转动的实质是确定一个转动的金属圆环金属圆环在岩石表面上相互摩擦时的磨损量，以在岩石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标。此作为度量岩石研磨性的指标。钻磨法钻磨法磨削法
47、磨削法摩擦磨损法摩擦磨损法 实验证明，金属环的单位摩擦实验证明，金属环的单位摩擦路程的磨损路程的磨损不取决于不取决于圆盘的转速，圆盘的转速，而而只与载只与载W成正比，因而可用一个成正比，因而可用一个比例常数来表示：比例常数来表示：摩擦磨损法摩擦磨损法优点：优点：在相对较小的载荷作用下，可使圆环与岩石试件间的接触压力达到非常高的值；在相对较小的载荷作用下，可使圆环与岩石试件间的接触压力达到非常高的值；圆环的转动使其接触表面不断改变，有利于冷却和清除磨损产物；圆环的转动使其接触表面不断改变，有利于冷却和清除磨损产物；岩石试件的平移也保证了岩石的摩擦表面不断更新，并且使得接触压力在实验过程岩石试件的
48、平移也保证了岩石的摩擦表面不断更新，并且使得接触压力在实验过程中保持不变。中保持不变。岩石的研磨性不仅取决于岩石的结构和组织特点、组成岩石的矿物岩石的研磨性不仅取决于岩石的结构和组织特点、组成岩石的矿物的性质和颗粒大小（对于碎屑岩还取决于胶结强度）等一系列岩石本身的性质和颗粒大小（对于碎屑岩还取决于胶结强度）等一系列岩石本身的性质，还取决于用于磨损的金属材料的性质。的性质，还取决于用于磨损的金属材料的性质。研磨性最小的岩石研磨性最小的岩石低研磨性岩石低研磨性岩石高研磨性岩石高研磨性岩石盐岩、泥岩和一些硫酸盐岩盐岩、泥岩和一些硫酸盐岩石灰岩和白云岩石灰岩和白云岩含有刚玉矿物含有刚玉矿物成分的岩石
49、成分的岩石与所含长石和石英成分的多少及颗粒粒度和多与所含长石和石英成分的多少及颗粒粒度和多晶矿物间的硬度差而定。含长石及石英成分少，晶矿物间的硬度差而定。含长石及石英成分少，粒度细，矿物的硬度差小的，研磨性也小一些，粒度细，矿物的硬度差小的，研磨性也小一些，反之研磨性较高；反之研磨性较高；火成岩火成岩中等或高研磨性岩石中等或高研磨性岩石主要视其石英颗粒的含量及胶结强度而定，石英颗主要视其石英颗粒的含量及胶结强度而定，石英颗粒含量越多，粒度越粗，胶结强度越小的岩石，其粒含量越多，粒度越粗，胶结强度越小的岩石，其研磨性越高；反之，如果石英颗粒含量少，颗粒细，研磨性越高；反之，如果石英颗粒含量少，颗
50、粒细，胶结强度高，研磨性则低。胶结强度高，研磨性则低。沉积碎屑岩沉积碎屑岩钻井的工作对象是岩石，岩石性质与钻井工作的关系密切。钻井的工作对象是岩石，岩石性质与钻井工作的关系密切。(1)(1)岩石机械性能影响钻井速度岩石机械性能影响钻井速度 强度、硬度、塑性、研磨性影响钻进的速度与钻头进尺强度、硬度、塑性、研磨性影响钻进的速度与钻头进尺;(2)(2)岩石性质影响钻井液性能岩石性质影响钻井液性能钻到石膏岩层、盐岩层等，会破坏泥浆的性能；钻到石膏岩层、盐岩层等，会破坏泥浆的性能；(3)(3)岩石性质影响井眼质量：岩石性质影响井眼质量：井壁垮塌、缩径、井斜、井漏井壁垮塌、缩径、井斜、井漏l泥页岩极易遇