第一章+钻头-岩石性质

第一章钻头概述1.钻头类型(1)按结构及工作原理分类刮刀钻头、牙轮钻头、PDC钻头、金刚石钻头(2)按功用分类全面钻进钻头、取心钻头、扩眼钻头2.钻头尺寸系列4-3/4~26in3.工作指标钻头进尺（米）钻头工作寿命（小时）机械钻速（米/小时）单位进尺成本（元/米）：HttCCCtrbpm)(一、岩石的机械性质（力学性质）1.几个概念岩石的力学性质—石受力后表现出来的变形特性和强度特性。弹性——岩石在外力作用下产生变形，外力撤除后变形随之消失，恢复到原来的形状和体积的性质称为弹性。相应的变形称为弹性变形。塑性——岩石在外力作用下产生变形，外力撤除后变形不能完全恢复的性质。相应的残余变形称为塑性变形。第一节岩石的工程力学性质脆性——岩石在外力作用下变形量很小（小于3%）时就发生破坏的性质。相应的破坏称为脆性破坏。强度——岩石在外力作用下发生破坏时的最大应力。抗拉强度—岩石单纯受拉伸应力作用时的强度。抗压强度—岩石单纯受压缩应力力作用时的强度。抗剪强度—岩石单纯受剪切应力作用时的强度抗弯强度—岩石单纯受弯曲应力作用时的强度。•弹性模量和泊松比虎克定律：EG泊松比：zyzxzxyzxx，弹性系数之间的关系：)1(2EGσ—应力；ε—应变；E—弹性模量τ—应力；γ—剪应变；G—剪切弹性模量（各向同性材料）2.简单应力条件下岩石的力学性质简单应力条件：岩石受单一外载（压、拉、剪、弯）作用。（1）试验方法APctrpt0抗压试验抗拉试验-巴西实验APs223bhPlb抗剪试验抗弯试验破坏方式（2）一般规律：①在简单应力条件下，大部分岩石都接近弹性脆性体，岩石的破坏表现为脆性破坏。②岩石的弹性模量与所加载荷大小及应变种类有关。当载荷较小时，弹性模量接近常数，且各种应变情况下的弹性模量相差不大。当载荷较大时，在受压缩的情况下，弹性模量将随载荷的增大而增大；在受拉伸的情况，弹性模量则随载荷的增大而减小。③在动外力（如声波）作用下，大多数岩石服从直线虎克定律。④一般情况下抗拉强度＜抗弯强度≤抗剪强度＜抗压强度。⑤垂直于地层层面方向的岩石强度＞平行于地层层面方向的岩石强度。3.复杂应力条件下岩石的力学性质(1)三轴岩石试验σ1σ2=σ3σ1σ1σ1σ2σ3σ2=σ3σ2σ3常规三轴试验：σ1＜σ2=σ3σ1＞σ2=σ3P=σ2=σ3P=σ2=σ3σ1σ1压缩拉伸（2）一般规律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。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。岩石从脆性向塑性转变的压力（围压）称为临界压力。不同的岩石，临界压力不同。在各向均匀压缩状态下，岩石永远不会破坏。σ3=0σ3=23.5σ3=50σ3=85σ3=165σ3=326XXXXσ3=0σ3=27.5σ3=55.5σ3=155σ3=217.54.岩石的硬度和塑性系数•硬度的概念岩石抵抗其它物体表面压入的能力。石油工业中的岩石硬度是压入硬度，也称为史氏硬度，是由前苏联史立涅尔提出的。•硬度与抗压强度区别：硬度是岩石表面的局部抵抗外力压入的能力，抗压强度则是岩石整体抗压的能力。•塑性系数表征岩石塑性和脆性大小的参数。岩石硬度试验装置771—液缸缸体；2—液缸柱塞；3--岩样；4—压头5—压力计；6—千分表；7—柱塞导向杆6压入硬度和塑性系数的测定方法——压入试验•岩石硬度和塑性系数的计算：塑性系数:面积面积岩石破碎前弹性变形功岩石破碎前耗费的总功ODEOABCAAKEFp类脆塑脆性塑别性低塑性————→高塑性性级别123456塑性系数K11－22－33－44－66－∞岩石按塑性系数分类（3类、6级）硬度Py:类别软中软中硬硬坚硬极硬级别123456789101112MPa≤11～2.52.5～55～1010～1515～2020～3030～4040～5050～6060～7070MPa对脆性和塑脆性岩石：SPPySPPy0MPa对塑性岩石：岩石按硬度的分类（6类、12级）P——破坏载荷；P0——弹性变形载荷5.岩石的破碎特征1).脆性岩石•只有弹性变形无塑性变形。•破碎特点是:变形深度ε很小，而破碎深h度远大于变形深度•破碎面积S0远大于压模面积SεhS0Sεp2).塑脆性岩石•先产生弹性变形后产生塑性变形，最后发生塑性破碎。•破碎特点是:ε较大，但hε，且S0＞S。εhS0Sεp3).塑性岩石•只有塑性变形而无脆性破碎•h=ε，S0＝S。εhS0Sεp二、影响岩石力学性质的因素分析1.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。如玄武岩（斜长石、辉石，6）＞白云岩（4）＞石灰岩（3）。（2）砂岩的强度随着石英（7）含量的增加而增大；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。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（1）有效应力（外压与内压之差）越大，岩石强度越大，塑性越大。（各向压缩效应）。（2）井内液柱压力与孔隙压力之差越大，岩石强度越大，塑性越大。3.载荷性质的影响岩石对动载的抗力要比静载大得多。随着冲击速度增大，硬度增大，塑性系数减小。但在冲击速度小于10米/秒时，岩石硬度和塑性系数变化不大，接近于静载时的数值。在10000米深度范围内：强度：岩盐＜泥页岩＜石灰岩＜石膏＜白云岩；砂岩强度取决于胶结物及胶结程度。塑性：岩盐＞石灰岩＞泥页岩＞石膏＞白云岩＞石英岩4.温度的影响地温梯度约为30度/km。高温条件下塑性增大强度减小。5.液体介质的影响分散性介质对岩石强度有降低的作用。三、岩石的可钻性和研磨性1.岩石可钻性(RockDrillability）（1）概念岩石可钻性可理解为岩石破碎的难易性，它反映了是岩石抵抗钻头破碎的能力。（2）评价方法在钻压889.7N（200磅）、转速55r/min的固定条件下，用直径31.75mm（1-1/4in）的微型钻头在岩心上钻孔，以钻进2.4mm孔深所需要的时间td作为岩石可钻性指标，由此把岩石分为易钻的和难钻的。为应用方便，常用Kd=Log2td作为可钻性指标，称为可钻性级值。级别ⅠⅡⅢⅣⅤⅥⅦⅧⅨⅩtd/秒＜44~＜88~＜1616~＜3232~＜6464~＜128128~＜256256~＜512512~＜1024≥1024Kd＜22~＜33~＜44~＜55~＜66~＜77~＜88~＜99~＜10≥10分类极软软中软中中硬硬极硬（3）可钻性分级2.岩石研磨性（RockAbrasiveness）•岩石磨损钻头切削刃材料的能力称为岩石的研磨性。•1）.岩石研磨性的概念在钻进过程中，钻头在破碎岩石的同时，也被岩石磨损，我们把岩石磨损钻头的能力称为岩石的研磨性。•2）.岩石研磨性的测定方法及其分类•①研磨性的测定•对于大部分矿物和岩石，金属盘的单位摩擦路程的磨损不取决于圆盘的旋转速度，只与载荷p成正比，•Δvs＝ωp•式中Δvs—圆盘的单位摩擦路程磨损量，立方厘米/米；•ω—研磨系数；•p—摩擦面上的接触压力，牛。•Δvs可通过称重量获得，它等于失重除以金属的密度再除以摩擦总路程。•ω的物理意义是，在9.8牛的垂直载荷作用下与岩石产生单位路程的摩擦时金属圆盘的磨损体积。•②相对磨损量ω0•相对磨损量就是单位摩擦路程中的钢的磨损体积Δvs与岩石磨损体积ΔvR的比值，即•ω0＝Δvs/ΔvR•岩石按研磨性系数大小可分为12级。3）.影响岩石研磨性的因素（1）化学岩的研磨性化学岩的研磨性与组成岩石的矿物的硬度成正比。研磨性由小到大的顺序为：硫酸盐岩、碳酸盐岩、硅质岩石、铁—镁长石岩、石英。（2）碎屑岩的研磨性砂岩的研磨性与岩石的硬度成反之，即随着岩石胶结强度的降低其研磨性增大。在硬度相同时粉砂岩的研磨性比砂岩要小。（3）介质的影响具有冷却作用和润滑作用的介质将减少磨损量，而具有分散和磨损作用的介质将增大磨损。•本节重点1.岩石的力学性质（受力表现出来的变形特性和强度特性）。2、岩石的强度（抗拉强度＜抗弯强度≤抗剪强度＜抗压强度）3、岩石在三轴应力条件下的强度与变形特性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。随着围压的增大，岩石由脆性向塑性转变，且围压越大，岩石破坏前呈现的也塑性越大4、有效应力与各向压缩效应的概念；5、岩石硬度和塑性系数的概念、计算6、岩石硬度和塑性分级（硬度：6类，12级，塑性3类，6级）7、岩石的可钻性和研磨性