第3章钻井岩石力学基础

15第三章钻井岩石力学基础第一节岩石的形成和分类一、岩石类型地球半径6371km，分地壳、地幔、地核三个圈层；地壳厚度30～40km，由岩石组成。岩石：岩石是各种矿物的组合体。矿物：具有一定的物理性质和确定化学成分的物质，地壳岩石中99%的岩石由12种常见物质组成。（正长石、斜长石、石英、白云母等。）组成岩石的化学元素主要有8种。化合组合元素─→矿物─→岩石1、火成岩（岩浆岩）岩浆冷凝而成，如花岗岩、玄武岩。特点：呈块状，致密、坚硬2、沉积岩各种原岩，如火成岩、变质岩，先前形成的沉积岩经风化、破碎后再沉积和压实而成的新岩石，是主要的石油生成和储集岩石。特点：有层理，有化石3、变质岩火成岩和沉积岩在高温高压的作用下，改变了原有结构而形成的新岩石。石灰岩→大理石，花岗岩→片麻岩。二、沉积岩的分类1、黄土和粘土(直径＜10m的粘土矿物微粒组成）2、泥岩及页岩（孔隙少，渗透率低）163、砂岩（孔隙大，渗透率较大，是主要的储层）4、砾岩5、石灰岩：碳酸钙的化学沉积。碳酸钙被碳酸镁替代则成为白云岩，主要为裂缝和溶洞型的储集层。0.5mm1.0mm0.25mm0.1mm0.01mm粘土粉砂细砂中砂粗砂砾石泥岩页岩砂岩砾岩第二节岩石的结构和组织特点一、岩石的微观结构(1)矿物的性质（硬度、强度、解理、劈裂方向）→（决定）岩石抵抗外力的能力(2)矿物颗粒在岩石中的结构及其联结（胶结）→（决定）岩石的工程力学性质因素：胎体（胶结物）强度，颗粒间接触面积(3)岩石孔隙、密度、裂隙、薄弱杂质点→（影响）岩石强度井深↑→孔隙度↓、密度↑→岩石强度↑二、岩石宏观结构火成岩的宏观结构对岩石的机械性质没有明显的影响，沉积岩与变质岩的宏观结构影响明显：(1)层理：垂直方向上岩石成分变化的情况a、成分相同，颗粒大小在垂直方向上变化b、不同成分颗粒的交替c、矿物颗粒在一定方向上的指向17(2)片理：岩石沿平行的平面分裂为薄片的能力(3)裂隙系（断裂）：垂直于片理面分布着层理、片理、裂隙系矿物定向排列→岩石性质的各向异性、不均匀性沉积时微层理性各向异性：岩石的物理-力学性质在平行和垂直于层理面方向存在很大差异的性质。第三节岩石的力学性质力学性质的含义包括(1)变形特征：岩石在各种载荷下的变形规律(2)强度特征：岩石试件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，反映了岩石抵抗破坏的能力和破坏规律。一、岩石的应力—应变曲线1、实验情况岩样的长度是直径2～3倍；采用刚性实验机；OA：岩石内部的裂隙被压缩AB：弹性阶段，斜率表示岩石的杨氏模量BC：塑性阶段CD：脆性破坏B：屈服应力点C：强度极限2、岩石的脆性和塑性外力超过岩石强度极限后岩石出现裂缝、裂缝延伸只至岩石破坏的性质（岩石在破碎前呈现出的永久变形的性质）(1)脆性岩石（花岗岩，石英砂岩）A。B。力应C。D应变18岩石在破碎前未发生永久变形，抗冲击能力弱。(2)塑性岩石岩石在破碎前发生永久变形，抗刮切能力弱。二、岩石的弹性常数当应力应变曲线不为直线时，取强度极限一半的点，用其切线或割线模量作为杨氏模量；泊松比：横向应变与轴向应变的比例的绝对值；剪切模量：)1(2EG体积模量：)21(3EK三、简单应力条件下岩石的强度1、定义：岩石抵抗外力破坏的能力（单向应力）。2、特点：孔隙度↑、颗粒间接触面积↓→强度↓；抗压＞抗剪＞抗拉（张）强度；硅质＞石灰质＞铁质＞泥质胶结。3、测量岩石结构的多变性→无岩石强度手册，须进行强度试验。岩样制备：（略）（一）单轴抗压强度试验岩样破坏时的应力值即为岩石抗压强度：cPAP----破坏时的轴向载荷A----岩样横截面积岩样长径比：L/D＝2.5～3.0PA19D＝2.2～6.6cmor5cm（二）单轴抗拉强度试验a、直接法岩样拉断时的应力值即为岩石抗拉强度：tPA负号表示拉伸。b、巴西试验法（源于南美洲的巴西）α→0，岩石强度：tPrt0MpaP----岩盘破裂时载荷，N；r0----岩盘半径，mm；25mmt----岩盘厚度，mm。四、复杂应力条件下岩石的强度1、三轴应力实验三轴应力试验提供测试岩石机械性质的良好手段方案：11132=32=321(a)(b)(c)a、液压作用下的压拉（常规三轴试验）b、用三液缸的柱塞进行试验三面压缩（真三轴试验）c、压扭试验2、围压对强度和塑性的影响特点2α20(1)围压↑→岩石强度（极限）↑＝ｆ（岩性）(2)围压↑→岩石由脆性转变到塑性塑性↑原因：围压↑→岩石体积↓，颗粒间距↓，颗粒之间、颗粒内部相互作用力↑→对外加载荷抵抗力↑。3、对实际钻井的影响岩石从脆性向塑性转变的转变点（临界压力点）对设计、选择和科学使用钻头有很重要的意义。五、岩石的抗压入破碎强度（岩石硬度）岩石的硬度反映了钻井时岩石的抗破碎能力。1、硬度计压头1～5mm2载荷载荷载荷PPP0ABhADBEChP0Aha-脆性岩石b-塑脆性岩石c-塑性岩石p-岩石发生脆性破碎时的载荷P0-达到屈服极限时的载荷h-吃入深度图变形曲线OOO2、硬度定义：岩石发生脆性破坏时单位接触面积上的载荷(Py)。硬度↑→钻头吃入↓→钻速↓脆性岩石和塑脆性岩石：21PPSy(Pa)Ｐ----岩石发生脆性破碎时的载荷，Ｎ；Ｓ----压模底面积，m2。塑性岩石：SPPy0(Pa)Po----塑性岩石发生屈服时的载荷，Ｎ。3、塑性系数Ｋ岩石破碎前耗用总功AF与弹性变形功AE之比：ODEOABCEFSSAAK4、岩石分类按岩石的硬度（12级）与塑性系数（6级）分类。P22、表1-8、表1-9。第四节岩石的研磨性1、定义：岩石磨损钻头的能力。2、测量方法：3、特点：(1)晶质岩石：与组成岩石的矿物性质有关(2)碎屑岩石：与胶结物的强度有关4、钻头按研磨性分类第五节岩石的可钻性1、定义：岩石被破碎的难易程度。2、特点：多变量函数，受天然的、工艺的技术性因素的影响。3、测量方法：微钻头试验法(Rollow,1962)，Φ１1/4(31.75mm)，钻压200lb(907.2N)，55rpm，钻深3/32(2.381mm)，计时（秒）。可预测60rpm时全尺寸钻头相应钻压下的钻速。根据微钻头磨损的高度可预测钻头寿命和总进尺。22可钻性级值分为10级，Log2Y，Y是微钻头钻时（秒）。4、用途：建立钻头与适用岩石的对应关系。作业：1、岩石的主要机械性质有哪些？其对钻头钻进效果有什么影响？2、岩石在复杂应力条件下的强度特征有什么变化？