4[海底岩石与钻头破岩]海洋钻井工程

1海洋石油工程李玮博士、副教授Tel:13936811904E-mail:[e-mail]1目录1.海上钻井发展状况及环境特点2.海上钻井装置3.海上钻井主要系统4.海底岩石与钻头破岩5.井眼轨道设计与控制6.优选参数钻井7.海洋钻井压力预测与控制8.海上钻井工艺技术本章主要内容一、海底岩石的力学性质二、海底岩石的研磨性与可钻性三、刮刀钻头及其破岩原理四、牙轮钻头及其破岩原理五、金刚石钻头及其破岩原理一、海底岩石的力学性质水龙头方钻杆转盘钻杆扶正器钻铤钻头顶驱一、海底岩石的力学性质岩石的力学性质变形特征强度特征自生石英晶体,溶孔中绒球状绿泥石一、海底岩石的力学性质变形特征:指岩石在各种载荷作用下的变形规律(包括岩石的弹性变形、塑性变形、粘性流动和破坏规律)。强度特征:指岩石在载荷作用下开始破坏时的最大应力(强度极限)以及应力与破坏之间的关系，它反映了岩石抵抗破坏的能力和破坏规律。一、海底岩石的力学性质一、海底岩石的力学性质岩石试样的钻取及制备(一)、应力应变曲线(二)、强度(简单应力)(三)、强度(复杂应力)一、海底岩石的力学性质图典型应力应变曲线OA段：曲线稍向上凹，这反映岩石试件内部裂隙逐渐被压密。AB段：随着岩石内裂隙被压密进入AB段，它的斜率为常数或接近于常数，该直线的斜率称为杨氏弹性模量E。(一)、岩石的应力-应变曲线BC段：B点为屈服极限，是岩样弹性行为到塑性行为过渡的点。C点为强度极限，是岩样所能承受的最大应力。C点以前的阶段称为破坏前阶段，之后称为破坏后阶段。特点：变形和荷载呈非线性关系，裂隙进入不稳定发展状态。卸载不能完全恢复，存在永久变形。CD段：该段曲线呈下降形态，岩样承受应力的能力下降，而岩石的应变增加，岩石开始解体。(一)、岩石的应力-应变曲线图典型应力应变曲线岩石的强度抗压强度抗拉强度抗压强度抗弯曲强度通常情况下：抗压抗剪抗弯抗拉强度强度获取方法：对具体的岩石进行强度试验(二)、简单应力条件下岩石的强度岩石抗压缩强度指岩石抵抗外力压缩的能力．其大小等于在岩样上施加轴向压缩载荷直至破坏时单位面积上的载荷，可通过单轴抗压缩强度试验来获得。三轴应力机1、岩石抗压缩强度真实的应力应变曲线1、岩石抗压缩强度*设计恰当的夹紧机构；*制备一定形状的岩样；*确保加载方向严格平行于岩样轴线。实验要求测量方法间接抗拉伸强度试验直接抗拉伸强度试验2、岩石抗拉伸强度破裂从圆的中心开始,沿加载直径向上下扩展。岩石的抗张强度可按下式计算：巴西劈裂实验otrW1.常规三轴试验（a）（b）（c）（d）图1-10三轴岩石试验方法（a）液压作用下的压（拉）试验（常规三轴试验）；（b）用三个液缸的柱塞进行的三面压缩试验（真三轴试验）；（c）液压作用下的压扭试验；(d）液压作用下的两面柱塞压缩试验。(三)、复杂应力条件下的岩石强度σ1σ3P=σ1=σ2（a）压缩试验（b）拉伸试验1.常规三轴试验2θσ1σ3ψCστoOAB库仑剪切强度曲线2sin31212cos312131212.三轴应力下岩石的强度和变形的特点岩石的强度是随作用于破坏面(或剪切滑动面)的垂直(法向)压应力的增加而增大的。库仑—莫尔强度理论Cftanf莫尔提出岩石的强度曲线是一系列不同围压下的极限应力圆的包络线画在τ-σ平面上的岩石强度曲线变成了近似于斜率逐渐减小的抛物线，可适用于高围压的情况。O莫尔应力圆包络线τσ0库仑—莫尔强度理论卡尔曼在室温下的试验结果（应力-应变曲线）三轴试验的应力－应变曲线（图中有X者为脆性破坏）3=3260bar3=1650bar3=850bar3=500bar3=235bar3=0应变∑z，％（大理岩）(1－3)，bar应变∑z，％（砂岩）3＝2175bar3＝1550bar3＝555bar3＝275barX3＝0(1－3)，bar6000400030002000100060004000300020001000XX012345678901234567(四)、三轴应力作用下岩石机械性质的变化两方面显著变化1、随着围压的增大，岩石强度极限增大。（１）不同类型的岩石，增大幅度和倍数是不一样的；（２）围压对岩石强度的影响程度，并不是在所有压力范围内都相同。2、随着围压的增大，岩石表现出从脆性到塑性的转变，且围压越大，岩石破碎前所呈现的塑性也越大。(四)、三轴应力作用下岩石机械性质的变化岩石从脆性到塑性的转变点（或称临界压力）对深井钻井的重要意义：脆性破坏塑性破坏本质差别不同的破碎工具不同的破碎方式不同的破碎参数因此，确定岩石的脆——塑性转变的“临界压力”将为设计和合理选择使用钻头提供科学依据。(四)、三轴应力作用下岩石机械性质的变化岩心试样力学参数的测试结果岩石的硬度（抗压入强度）：岩石抵抗外力压入的能力平底圆柱压模压入岩石时，在压头下的岩体中发展了轴对称分布的三向应力状态，这种应力状态使压头下岩石的强度会急剧增大，同时多数岩石具有塑性性质。(五)、岩石的抗压入破碎强度实验方法抗压入破碎强度测试仪器示意图测试方法①用加载能力为10kN的小型液压机；②压头上作用的载荷可由液压系统的压力指示计算得出；③压入深度可由千分表（或百分表）指示读出；④记录下载荷与吃深的相关数据，事后绘制载荷-吃深曲线。压头zσzσr=σθσpτσzσrσθσzσr=σθaap圆柱压模压入岩石的应力状态及分布P-岩石平均压强a-压头底面的半径z-距岩石表面的深度ν-岩石泊松比2712122121022322323223rzzazzazpzazprzW0OCEDWW0吃入深度ε/m(b)塑脆性岩石EDW吃入深度ε/m吃入深度ε/m(a)脆性岩石(c)塑性岩石OOBA硬度屈服极限塑性系数压入实验确定岩石的硬度和塑性系数AWpyAW00ODEOABCAAkEF面积面积通过大量的试验，可以根据上面所讲的岩石的硬度和塑性将岩石进行分类。1、岩石按塑性系数的分类类别脆性塑脆性塑性低塑性高塑性级别123456塑性系数1＞1～22～33～44～6＞6岩石分类参照我国石油钻井使用的钻头类型，按岩石的硬度大小可将岩石分为六类十二级。2、岩石按硬度的分类类别软中软中硬硬坚硬极硬级别123456789101112硬度kbar≤11～2.52.5～55～1010～1515～2020～3030～4040～5050～6060～70＞70岩石分类本章主要内容一、海底岩石的力学性质二、海底岩石的研磨性与可钻性三、刮刀钻头及其破岩原理四、牙轮钻头及其破岩原理五、金刚石钻头及其破岩原理钻井过程中，钻井工具和岩石产生接触和摩擦，从而在破碎岩石的同时，工具本身也受到岩石的磨损而逐渐变钝甚至损坏。岩石磨损这些材料的能力称为岩石的研磨性。测定岩石研磨性的方法(一)、岩石的研磨性钻磨法磨削法微钻头钻进法摩擦磨损法各种岩石的研磨性研磨性最小的岩石低研磨性岩石高研磨性岩石盐岩、泥岩和一些硫酸盐岩石灰岩和白云岩含有刚玉矿物成分的岩石各种岩石的研磨性由所含长石和石英成分的多少、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，粒度细，矿物的硬度差小，研磨性较小，反之研磨性较高。中等或高研磨性岩石由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，其研磨性越高；反之研磨性则低。沉积碎屑岩火成岩岩石的研磨作用，包含有两种不同的机理：一种是类似于锉刀锉金属的作用，称之擦蚀。其特征是被磨蚀物体的硬度小于磨蚀物体，而后者表面又必须是粗糙的，它在前者的表面上剋削下碎屑末。研磨作用的物理实质：另一种作用是类似于砚台受墨的研磨，久而久之也要被磨蚀，称之磨损。对于钢制工具而言，除了含有石英颗粒的岩石以外，岩石的磨蚀作用主要是以磨损的形式进行的。研磨作用的物理实质：牙轮钻头的轻度磨损牙轮钻头的中度磨损牙轮钻头的高度磨损研究岩石的磨蚀性及其规律，直接关系到机械和工具的寿命、生产的效率和成本；作为改进机具设计的依据，也是采取合适工作参数的基础。研究岩石磨蚀性的意义：岩石破碎的难易性称为岩石的可钻性，由此把岩石分为难钻的和易钻的。研究可钻性方法生产工艺的指标岩石机械性质50年代史立涅尔压入硬度法60年代罗劳微钻法(我国石油行业)(二)、岩石的可钻性可钻性的单位采用在确定条件下的钻头进尺或者机械钻速.可用抗压强度，d指数、压痕指数、纵波速度、抗钻强度、实钻速度、杨氏钻速模式中的地层可钻性系数等几十种.微型钻头钻进法采用直径等于31.75mm（11/4in）的微型钻头在小块岩样上进行钻进试验。以907.2N的钻压，55rpm的转速钻一个深度为2.381mm（3/32in）的孔，根据所需的钻时（s）计算出微钻头的钻速。(二)、岩石的可钻性每次试验后测出微型钻头齿的磨损高度，适过查表可查得所选用的钻头在该岩层中钻进的预计寿命、进尺数及每米进尺成本。这种方法是用微型钻头的试验钻速（m/h）作为确定岩石可钻性的指标。(二)、岩石的可钻性当以钻速作为可钻性指标时，钻进的速度V与深度H、钻进时间T之间有如下关系：VHTTHV1,或为了统计研究方法的需要，对钻时T作对数变换，便可得岩石可钻性级值（Kd）与微钻时之间的关系式：dKTdTK2log2或(二)、岩石的可钻性油矿地层可钻性分级和适用的钻头类型表微牙轮钻头可钻性级值分级(二)、岩石的可钻性类别软中硬级别1234567910钻速（米/时）≥22~11~0.50.5~0.30.3~0.10.1~0.060.06~0.030.03~0.0080.008~0.004可钻性级别ⅠⅡⅢⅣⅤⅥⅦⅧⅨⅩ适用钻头类型JR～RZR～ZZY～YJ～JY本章主要内容一、海底岩石的力学性质二、海底岩石的研磨性与可钻性三、刮刀钻头及其破岩原理四、牙轮钻头及其破岩原理五、金刚石钻头及其破岩原理牙轮钻头PDC钻头金刚石钻头刮刀钻头常用尺寸：26、171/2、121/4、81/2各种钻头各种钻头刮刀钻头的结构：上钻头体、下钻头体（分水帽）、刀翼、水眼。•两刀翼的称作两刮刀钻头或鱼尾刮刀钻头•三刀翼的称作三刮刀钻头•四刀翼的称作四刮刀钻头三、刮刀钻头及其破岩原理刮刀钻头特点结构简单，制造方便。在软地层中，可以得到高的机械钻速和钻头进尺。在较硬地层中，钻头吃入困难，钻井效率低。刮刀钻头特点1.刀翼结构角刀翼结构角刃尖角β切削角α刃前角φ刃后角ψ(一)、刮刀钻头刀翼的几何形状和结构参数2.刀翼几何形状背部几何形状抛物线型刀翼的厚度随距刀刃的距离增加应逐渐增厚，呈抛物线形。刀翼底部形状平底正阶梯反阶梯反锥(一)、刮刀钻头刀翼的几何形状和结构参数根据摩尔强度理论，如果忽略摩擦力，当F力等于或大于剪切面积与岩石抗剪极限强度乘积时，岩石沿剪切面破碎。(二)、刮刀钻头破碎岩石的基本原理1.塑性岩石泥岩页岩盐岩膏岩塑性岩石硬度小，在钻压W的作用下容易吃入地层，刃前岩石在扭转力T作用下不断产生塑性流动。因此，吃入深度要比力W单独作用时深得多。(二)、刮刀钻头破碎岩石的基本原理2.塑脆性岩石刮刀钻头破碎塑脆性岩石过程P(a)Th0(b)压碎和小剪切分离的岩屑TP大剪切分离的岩屑压实的岩粉(c)TPAAA砂泥岩砂岩大理石碰撞压碎及小剪切大剪切(二)、刮刀钻头破碎岩石的基本原理本章主要内容一、海底岩石的力学性质二、海底岩石的研磨性与可钻性三、刮刀钻头及其破岩原理四、牙轮钻头及其破岩原理五、金刚石钻头及其破岩原理1909年就出现了第一个牙轮钻头。1925年，出现了自洁式牙轮钻头。1933年出现了滚动轴承的三牙轮钻头。1935年经进一步改进，出现了移轴三牙轮钻头。1949年开始发展喷射钻井。1951年成功地使用了镶硬质合金齿的钻头。1960年试制成功了密封润滑轴承。1968年研究成功了密封润滑滑动轴承钻头。牙轮钻头的发展牙轮钻头分类单牙轮钻头两牙轮钻头三牙轮钻头四牙轮钻头牙轮钻头是使用最多的