石油钻井设备与工具-王镇全第一节岩石基本知识

第一节岩石及其力学性质钻头是破岩的工具，因此必须了解破岩的工作对象—岩石及其机械、力学性质。一、岩石的基本知识岩石破碎的难易程度与岩石的物理力学性质密切相关，而不同类型的岩石的性质差别较大，因此必须了解岩石的类型、成分、组织结构。表依南5井地层分层及主要岩性描述新生界上第三系N康村组N1-2k976965.32上部为黄色泥岩，中部为灰色砂泥岩，下部为褐色泥岩吉迪克组N1j25411565上部为灰泥岩，含盐膏盐岩，中部为砂泥岩，下部为砂砾岩下第三系E苏维依组E2-3s2831290层状砂岩、粉砂岩与泥岩，粉砂质泥岩，砂砾岩，泥质粉砂岩与泥岩。库姆格列木组E1k2975.5144.5上部为泥岩段，中部为砂岩，底为灰岩中生界白垩系K舒善河组K1s3194218.5层状泥岩，粉砂质泥岩为主，细砂岩、粉砂岩、泥质粉砂岩亚格列木组K1y3207.513.5层状砂岩、粉砂岩、泥质粉砂岩侏罗系J齐古组J3q3444236.5上部为泥岩夹泥质粉砂岩、细砂岩、砾岩，中部为泥质粉砂岩、细砂岩夹层状泥岩，下部为泥岩夹细砂岩，底为细砂岩恰克马克组J2qk3640196上部为泥岩、粉砂质泥岩夹粉砂岩、泥灰岩，中部为泥岩夹粉砂岩、中砂岩、含砾砂岩。克孜勒努尔组J2kz4377737上部为泥岩，中部为泥岩、砂岩互层，下部为泥岩、煤互层。阳霞组J1y4758381泥岩、砂岩、含少量煤层阿合组J1a砂岩、含砾砂岩一）岩石的组成1、岩石是一种或多种矿物的集合体。2、矿物⑴定义：地壳中的化学元素，在一定的自然条件下结合而成的天然化合物或单质，是地壳物质最基本的组成单元。⑵种类：除了一些碳、硫和少数金属外，几乎所有的矿物都是含有两种以上元素的化合物。有些元素出现在许多矿物中，最常见的是氧和硅。常见的造岩矿物有12种，它们构成地壳岩石的99%，其余造岩矿物虽有千种以上，但是只占地壳总数的1%。序号名称化学成分1正长石kAISI3O82斜长石NaAISI3O8或CaAI2SI2O83石英SIO24白云母KAI2(SI3AI)O10(OH)25黑云母K2(MgFe)6(SIAI)8O20(OH)46角闪石Na、Ca、Mg、Fe、AI的硅酸盐7辉石Ca、Mg、Fe、AI的硅酸盐8橄榄石(MgFe)2SIO49方解石CaCO310白云岩CaMg(CO3)211高岭土AI2SI2O5(OH)412氧化铁2FeO3•3H2O或Fe2O33、元素构成矿物的基本组分。现在已知的元素有109种，地壳中主要含有8种元素，这8种元素占地壳成分的98.6%,地壳中的元素含量%氧(O)46.7硅(SI)27.7铝(AI)8.1铁(Fe)5.0钙(Ca)3.6钠(Na)2.8钾(Kg)2.6镁(Mg)2.1合计98.6组成地壳的八种主要元素二）岩石的类型岩石从成因上来划分，分为三大类：岩浆岩、沉积岩、变质岩。岩浆岩：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。沉积岩：在地表条件下母岩风化剥蚀的产物，经搬迁、沉积和硬结等成岩作用而形成的岩石。组成沉积岩的物质成分有颗粒和胶结物两大类。变质岩：沉积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变质形成的岩石（原岩成分和变质岩特有的，如石墨、滑石，蛇纹石，硅灰岩等）。岩浆岩沉积岩岩浆变质岩成因举例特点岩浆岩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（火山活动），随着温度、压力的变化，冷却凝固而形成。玄武岩矿物结晶颗粒细小，有的有流纹或气孔花岗岩矿物结晶颗粒较大沉积岩出露地表的岩石，在各种外力作用下，经过风化、侵蚀、搬运、沉积、固结而形成的岩石砾岩砂岩页岩等具有层理构造和含有化石变质岩已形成岩石，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、性质发生改变而形成的新岩石大理岩板岩具有片理构造三）沉积岩石油钻井遇到的岩石主要是沉积岩，因此需要详细了解沉积岩的特点。分析岩石的组织时，我们必须要注意岩石的两个主要特征：结构和构造。结构是表明岩石的微观组织特性，即指矿物颗粒的大小、形状和表面特性等，它决定着岩石的强度和硬度等；构造是表征岩石的宏观组织特征，即指岩石中矿物或碎屑彼此之间的组合形式和空间分布情况等，它决定着岩石的各向异性和裂隙性。1、沉积岩的结构矿物颗粒之间有孔隙，这些孔隙被胶结物或者细粒填隙物质充填。这些填隙物质称为胶结物。胶结物的性质对岩石的性质有很大影响。沉积岩胶结类型主要有以下四种：基底胶结：填隙物为杂基且含量多，碎屑颗粒呈星点状分布；孔隙胶结：胶结物含量少，只充填在碎屑之间的孔隙中；接触胶结：和孔隙胶结类似，但胶结物含量更少，只分布在颗粒之间的孔隙内；镶嵌结构：颗粒之间呈凹凸线状接触，似乎没有胶结物。矿物胶结物普赖斯(price)建立了某些砂岩的强度(单轴抗压强度)与结构的关系。在相同胶结物的条件下，矿物强度越高或含量越高所组成的岩石其强度也高；在矿物相同的情况下，胶结物的强度越高岩石强度则越高。通常，硅质胶结铁质胶结﹥钙质胶结泥质胶结。2、沉积岩的构造—层理层理形成的原因：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。层理的分类：层理大致可分为四类：A、成分相同颗粒大小在垂直方向上的变化B、不同成分颗粒的交替沉积C、某些矿物颗粒指向相同D、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。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。3、沉积岩的主要种类常见的沉积岩主要有：石灰岩、白云岩、蒸发岩、砾岩、砂岩及页岩等。其特点如下：1、石灰岩：主要矿物成份为方解石。质地細密。2、白云岩：主要矿物为白云石，与石灰岩类似，质地比石灰岩硬。3、蒸发岩：为海水或湖水蒸发而成的岩石，如石膏等。4、砾岩：由圆形或似圆形的砾石与砂及黏土胶結而成的岩石。5、砂岩：矿物成份以石英、长石为主，含有各类胶结物。6、页岩：页岩是压实了的粘土，为粘土或与泥土组合成的岩石。岩石力学性质是岩石在受外力作用后所表现的性质。包括岩石的变形特性、强度特性、表面特性等。变形特性—包括弹性、塑性和脆性；强度特性—包括抗压、抗剪、抗拉和抗弯强度；表面特性—包括硬度和研磨性这些力学性质对钻进速度、碎岩功耗和钻头寿命等有直接的影响。二、岩石的力学性质一）岩石的变形特性(一)岩石弹性、塑性概念岩石的变形可能有两种情况：一种是外力撤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或可逆变形；另一种是外力撤除后岩石的外形和尺寸不能完全恢复而产生残留变形，这种情况称为塑性变形或不可逆变形。衡量岩石弹性的指标：弹性模量：波松比：ε`为横向应变，ε为纵向应变。E衡量岩石塑、脆性的指标：岩石的塑性系数Kn：破碎前所消耗的总能量与弹性变形所消耗能量之比。面积面积OABCOBDEAAken（二）岩石的三种破坏形式外力作用于岩石时，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。岩石从变形到破坏又可能有三种形式。如果破坏前实际上不存在任何不可逆的变形，则这种破坏称为脆性破坏，如果破坏前发生大量的不可逆变形，则这种破坏形式称为塑性破坏，如果先经历弹性变形，然后塑性变形，最终导致破坏，则岩石的这种破坏形式称为塑脆性破坏。三种破坏形式的岩石分别称为脆性岩石，塑性岩石，塑脆性岩石。图(a)是脆性岩石的变形曲线其特征是破坏前没有明显的不可逆变形，当外载一旦达到弹性极限，岩石立即破坏。这种破坏形式消耗能量最少，破坏传播速度近于声速。图中(b)是塑脆性岩石的变形曲线，OA是弹性变形段，A点之后即转入塑性变形区。形变由弹性变形转为塑性变形时的载荷称为屈服极限或流变极限。到达D点后，岩石即发生破碎。图中(c)是施加不大的载荷情况下就开始塑性变形，其后形变随变形时间的延长而增长，曲线倾角趋近于零。这种变形曲线对于塑性岩石是有代表性的。(三)岩石的变形特性弹性理论认为理想材料的弹性应变都是暂时的,并随着应力的解除而完全可以恢复。在弹性范围内应力和应变的关系服从虎克定律。实验得知，在任何应力状态下，矿物都服从虎克定律，而岩石大都不遵守虎克定律。这是因为矿物可以认为是均质连续的，而岩石受力后常伴空隙的压实过程。由表可以看出岩石的弹性模量是变化的。实验证明它与应变种类和所加载荷的大小都有很大关系。岩石E105公斤/厘米2μ岩石E105公斤/厘米2μ粘土0.030.38~0.45花岗岩2.6~6.00.26~0.29致密泥岩-0.25~0.35玄武岩6~100.25页岩1.2~2.50.10~0.20石英岩7.5~10-砂岩3.3~7.80.30~0.35正长石6.80.25石英岩1.3~8.50.28~0.33闪绿岩7~100.25大理岩3.9~9.2-辉绿石7~110.25白云岩2.1~16.5-岩盐-0.44岩石的弹性模量和波桑比(四)影响岩石弹性、塑性和脆性的因素影响岩石变形特性的因素主要有岩石的物质成分、受力条件、温度和湿度等。1．岩石类型及其物质成分①一般岩浆岩和变质岩的弹性模数大于沉积岩，而塑性系数则相反。②对于沉积岩来说，弹性模数决定于岩石的碎屑和胶结物以及胶结状况。在胶结物和胶结状况相同的情况下，碎屑颗粒的弹性模数大，则岩石的弹性模数也大；在碎屑颗粒成分相同的情况下，胶结物为硅质者，岩石的弹性模数最大，胶结物为钙质者次之，胶结物为泥质者最小。2．岩石结构、构造的影响①造岩矿物颗粒的大小对弹性模数有较大的影响。细粒岩石的弹性模数大于粗粒岩石，如细砂岩的E=3.0x104MPa，而粗砂岩的E=2.77x104MPa。②层理对岩石的弹性模数也有明显影响。平行于层理方向的弹性模数E‖大于垂直于层理方向的弹性模数E⊥，如泥质页岩E‖／E⊥≈2，这是因为岩石颗粒定向排列，在垂直于层面方向加载时，在岩石的弹性限度内形变较大，而沿平行于层理方向加载，形变较小的缘故。③岩石孔隙度增加，其弹性模数降低，塑性系数增加。例如沉积岩，其胶结形式为基底胶结者，孔隙度较小，弹性模数大，而胶结形式为充填胶结或接触胶结者，孔隙度较大，弹性模数小。④岩石越均质致密，弹性模数越大，塑性系数越小;岩石结构缺陷越多,裂隙越发育，弹性模数越小，塑性系数越大。3．应力状态在不同的应力状态下，岩石的变形性质存在着很大的差别。在单向压缩下岩石往往表现为弹性脆性体，破坏前无显著的塑性变形。但是在各向压缩下岩石则表观出不同程度的塑性，破坏前都要产生一定的塑性变形。深部孔底的岩石受上覆岩层压力、孔内液柱压力和地层孔隙压力的综合作用，处于三向应力状态。为了了解岩石在各向压缩下的力学性质，通常进行模拟孔底状态的三轴试验。试验表明，随着围岩压力增大，岩石表现出从脆性到塑性的转变，并且围岩压力越大，岩石破坏前呈现的塑性也越大。对于深孔钻进来说，研究岩石从脆性到塑性的转变点(即从脆性变为塑性的围岩压力，又称临界围压)有很大实际意义。因为脆性破坏和塑性破坏是两种本质不同的破坏，破碎这两种状态的岩石应采用不同的破碎方式、破碎工具和破碎参数。4.加载方式同一种岩石受压缩时，颗粒之间距离缩小，颗粒间相互作用力有所增大，故弹性模数表现提高，而受拉伸时，颗粒之间距离增大，颗粒间相互作用力减小，故弹性模数降低。压缩时的弹性模数是拉伸时弹性模数的1.5～4倍。弯曲时的弹性模数是拉伸时弹性模数的1.1～1.3倍。二）岩石的强度特性（一）岩石强度的概念岩石在载荷不断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称为极限载荷，单位面积上的极限载荷称为极限强度。研究岩石的强度特性就是研究极限强度特性。岩石强度的单位是Pa(帕)或MPa(兆帕)。根据受力条件不同，岩石的极限强度可分为抗压强度、抗拉强度、抗剪强度和抗弯强度等，根据应力状态，岩石强度又可分为单向应力状态下的强度、两向应力状态下的强度和三向应力状态下的强度。(二)影响岩石强度的因素1．岩石的物质成分不同矿物组成的岩石具有不同的强度。