第3章钻井岩石力学基础.doc

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6371 km，分地壳、地幔、地核三个圈层； 地壳厚度30～40 km，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 mm 的粘土矿物微粒组成） 2、泥岩及页岩（孔隙少，渗透率低） 3、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。 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 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） 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 体积模量 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 P----破坏时的轴向载荷 A----岩样横截面积 岩样长径比L/D＝2.5～3.0 D＝2.2～6.6 cm or 5 cm （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 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 2α Mpa P----岩盘破裂时载荷，N； r0----岩盘半径，mm；25mm t----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 s1 s1 s1 s3 s2s3 s2s3 s2 s1 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 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1～5 mm2 2、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 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 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 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200 lb907.2N，55 rpm，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。 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 22