石油钻井设备与工具-王镇全 第二节 岩石破碎机理

第二节岩石破碎机理一、破岩方法与工具利用特定的机械工具在岩石表面施加载荷，使岩石所受载荷超过其强度极限而破碎的破岩方式称为机械破岩方法。石油钻井所用的破岩方式主要为机械破岩。根据加载方式不同，机械破岩基本方式分为:剪切、冲击、磨削三种。铁锹镐凿子剪切冲击冲击+剪切举例说明破岩的基本方式:通过原始劳动工具破岩过程的分析可以看出：1、工具不同、加载方式不同，形成破碎岩石的方式不同;2、岩石性质不同，适用的破岩方法不同；3、破岩方法不同，适用的破岩工具形状也不同。因此，为获得最优破岩效果需要根据地层条件选择不同的破岩工具。目前石油钻井常用的破岩工具（钻头）主要有以下种类：1、牙轮钻头；2、聚晶金刚石复合片钻头（PDC钻头）；3、单晶金刚石钻头。PDC钻头：剪切破岩牙轮钻头：冲击+剪切破岩单晶金刚石：磨削破岩（微剪切）弹性力学基于岩石的弹性变形范围进行应力分析，可以得到岩石的应力状态，据此可判定岩石最先发生破碎的危险地带。当岩石内部出现破裂裂纹后，岩石的连续性遭到破坏，则超出了弹性力学研究的范围。对于岩石的破碎过程和机理，塑性力学和断裂力学没有给出定量的描述和解释。但是人们在大量的试验分析的基础上，对工具压入岩石时岩石的破碎过程和机理有了定性的认识。二、岩石破碎机理对于机械破岩，虽然破岩方式不同破岩机理有所不同。但其最终都要通过钻头的牙齿与岩石发生相互作用来破碎岩石，也既牙齿受到不同形式的力的作用并将力传递到岩石，达到破岩的目的。因此分析破岩机理应从单齿破碎岩石的过程入手。一）常用的钻头齿形状根据牙齿切削刃的轮廓形状，可将牙齿的形状归为两类：1、片状片状是剪切类钻头齿的常用形状。2、球形1、剪切和磨削牙齿以压入力和切削力联合作用于岩石。二）加载方式简化PM钻头是在钻压和旋转扭矩的联合作用下钻进。PQ对于每一个切削齿，其受力可简化为受压入力和切削力的作用。2、冲击作用txfp,牙齿以瞬间力作用于岩石。3、滚压作用牙齿以冲击和剪切两种形式联合破岩。txfPP,11),(21txfQQ4、加载方式的简化总之，不同的破岩方式只是力的作用方式和作用时间不同，但其载荷作用方式可简化为：1、压入力（垂直力）；2、压入力和水平力同时作用。PQPQFP三)压头受单向垂直压力压入岩石岩石破碎的发展过程为简化分析，采用压头受单向垂直压力压入岩石时，岩石的破碎过程来分析。对于球形齿磨损后可认为形成平底圆柱形，因此以圆柱平底压头静压入岩石时岩石的破碎发展过程为例来分析岩石破碎的发展过程。圆柱平底受单向垂直力压入岩石表面图示1、岩石破碎过程根据弹性力学的基本理论：圆柱平底压头受单向垂直力作用，岩石表面所受应力的分布如图1。根据应力分布图1，圆柱压头作用于岩石表面的压力在压头周边存在应力分布的极值，随着载荷的增加，周边岩石所受应力首先达到屈服极限而发生塑性变形破坏。周边岩石发生塑性变形后，压头向下移动侵入岩石一定深度，载荷变为均布载荷如图2；同时由于压头的移动使得压头周边区域形成拉应力区。图1图2载荷变为均布图示圆柱平底压头作用于岩石，载荷变为均布载荷后，岩石内部应力分布根据弹性力学的计算得出如下结果：在对称轴处,剪应力存在最大值：（其中u为泊松比）uuaz27)1(2)1(2)1(922212maxuuup根据上述结论，随着力的进一步增加，在压头下方深度为Zm处，剪应力极值达到岩石的抗剪强度，此处形成剪应力破坏点。在载荷的进一步作用下,周边裂隙和Zm处裂隙贯穿，在压头下方形成破碎核—压实核。由于密实核处于全面压缩状态，不能形成剪切破坏。但压实核作为力的载体对周围岩石产生挤压作用。当载荷继续增加时，在最大剪应力点外侧的c点产生裂纹。这裂纹发展贯穿周围的岩石达到自由面，在压实核积压力的作用下形成大面积的崩裂，形成破碎坑。岩石破碎坑岩石崩裂位置破碎坑体积的大小如何界定呢?前苏联科学家波尔以摩尔强度理论为基础得出了压头压入岩石的岩石破碎坑大小的定量界定方法。假定密实体刚体，将压头和密实体作为一体，简化模型如下图：式中：φ—岩石的内摩擦角；与岩石性质有关的参数；θ—为压头下部压实体形成的近似锥体锥顶角的半角；与岩石性能和压头尺寸形状相关的参数；ψ—剪切面倾角。24破碎坑的大小可用下式界定：分析破碎坑倾角的影响因素可知:1、破碎坑体积的大小与岩石的性能有关；在压头形状面积一定的条件下脆性越大的岩石破岩体积越大。2、在岩石性能一定的条件下，破岩体积的大小与破岩工具的形状、尺寸有关。例如：某内摩擦角为=32°砂岩，采用圆柱压头压入。由弹性力学分析可知其θ近似可取0°;计算得：ψ=29°；也即形成破碎坑的内锥角为122°。压头压入岩石形成破碎坑后，一个破碎过程结束。接下来破碎过程进入第二循环，过程重复上述步骤。但由于围岩的限制破岩体积减小。2、岩石破碎的三个阶段:从岩石破碎的过程分析，随着压力的增加，压头破碎岩石的过程可划分为三个阶段：①裂纹发展阶段（塑性变形）②压实体形成阶段（局部破碎）③岩石大体积崩切阶段（体积破碎）在塑性变形阶段，仅在岩石内部形成裂纹；在压实体形成阶段，仅仅压头下部岩石发生破坏，破碎体积很小；只有在崩切阶段产生大体积破碎，破岩效果好。为获得好的破岩效果，必须使压头所受的压力超过岩石产生体积破坏所需要的载荷。对钻头来讲，所有齿所受压力的总和即为钻头钻压。根据压头破岩过程分析，钻头要取得良好的破岩效果必须使每个钻头齿所受的压力超过岩石产生体积破坏所需要的载荷，也即钻头钻压存在最小值。试验结果（见图）也证明了此结论使钻头齿以体积破碎状态破碎岩石的最小钻压值称为门限钻压。岩石破碎三个阶段划分的意义：四）圆柱压头受垂直力和水平力联合作用破碎岩石破碎坑的形状钻进中，牙齿破碎岩石的破碎实际上是在垂直和水平载荷同时作用下发生的。也即压头受倾斜力F的作用（如图）。PQPQF在两向载荷作用下，按照弹性理论得到的等应力线如下图：Ⅰ区—多项压缩区Ⅱ区—拉应力区Ⅲ区—拉压混合区从图中可以明显地看出：当压头受倾斜力作用时，出现极值载荷的位置发生偏移，最大剪应力出现在与作用力方向一致的轴线上。同时压头下部岩石的受力状态发生变化，形成受力状态不同的三个区域（如图）。岩石的应力状态可分为三个区：1—多向压缩区；2—拉应力区；3—拉压混合区。由于压头下部岩石应力状态的变化，导致压头下部岩石的破碎区出现不对称性，在水平力作用方向压头前方出现大体积的剪切破坏，密实核的趋向也向水平作用力方向偏移，压头后部出现拉应力破坏但范围较小。形成的破碎坑的形状示意如图：压碎形成的密实核压头崩切区作用力拉应力破坏区三、实际钻井过程中影响破岩效果的因素破岩效果地层因素钻井参数钻头结构（几何参数）一）地层因素地层岩石的力学性质、环境等对破岩效果影响很大（此为不可控因素）。二）钻井参数钻井参数钻压转速排量与泥浆密度1、钻压根据破岩过程分析，岩石破碎分为三种状态，为减小岩石的单位体积破碎功，钻头钻压必须使钻头齿吃入地层一定深度，达到体积破碎状态。使钻头齿吃入地层一定深度以体积破碎状态破碎岩石的最小钻压成为门限钻压。在实际钻井过程中钻压值一定要大于门限钻压。门限钻压当钻压超过门限钻压后，钻压越大，钻头齿压入地层深度越大，破岩体积越大，破岩速度越快。实验和钻井数据统计表明：钻压与机械钻速的关系为指数关系：nWWkROP0ROP—机械钻速；k—与地层和切削齿形状有关的系数；W——钻压;W0——门限钻压；n——指数，一般小于1。如果牙齿为长条形或楔形，压入深度与钻压成正比，且切削齿足够长的前提下，指数接近于1。当切削齿为锥形或锋利齿磨钝后n小于1。2、转速从破岩机理分析可知：在一定钻压作用下钻头齿压入地层一定深度不变，在扭矩作用下剪切破碎岩石，破碎岩石的体积与转速成正比，也即机械钻速与转盘转速成正比。但实际工程中转盘转速与机械钻速的关系也为指数关系：qkNROPN—转速；q—指数(1)转速（机械钻速（米/小时）从曲线可以看出：在一定范围内，钻速与转速近似成正比关系。但当转速增加到一定程度后，钻速开始下降。原因有二：①当机械钻速达到一定程度后，由于井底岩粉不能及时清除，造成岩粉的重复破碎，影响了机械钻速的提高。②外载所引起的应力随着时间以某种速度衰减。如果应力增长的速度超过其内部应力衰减的速度，则岩石变形不够得到充分发展,影响破碎效果。当转速增加到一定程度，力的作用速度超过岩石内部应力衰减的速度，岩石的塑性变形不充分，破岩效果变差，钻速会下降。3、泥浆排量与密度泥浆排量对钻速的影响从两方面考虑：①泥浆的功用之一是携带井底的岩粉，排量不足，井底岩粉不能及时清除，造成岩粉重复破碎，因此要有一定的泥浆排量，保证携岩。②排量大小与井底水马力有关，即排量越大井底水马力越大，水力的辅助破岩效果越好。泥浆密度的影响从岩性分析可知：岩石强度、压入硬度等指标与岩石的应力状态有关。在多向压缩状态下（围压），岩石的强度、压入硬度等指标等提高，破碎极限载荷增加，岩石可钻性降低。泥浆密度影响破岩效果的原因主要体现在井底岩石的受力状态即围压的大小的影响。井底岩石的多向压缩应力应力状态是由上覆压力、地层压力和液柱压力形成的，其中液柱压力与泥浆密度成正比。密度越大，液柱压力越大，岩石多向压应力增加，岩石强度增加，抵抗破碎的能力增加。因此，在条件允许的情况下，泥浆密度应尽量减小。