钻探工艺教案第1章 岩石的性质与可钻性.docx

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1、第一章岩石的性质与可钻性钻探工作的对象是岩石。钻探工作必须了解组成地壳的各种岩石矿物。岩石的物理力学性质，因岩石成分和构造的不同而相差很大，对钻进的影响和反应也是各种各样的。为了更好地进行钻探工作，提高钻进质量和效率，必须对岩石的物理力学性质进行全面的了解。研究岩石的物理力学性质，主要是研究与破碎岩石有关的因素，从而掌握其破碎的规律性，以便创造更有利的破碎条件，更好地选择钻进方法、钻进规程和切削具、研磨材料及钻探设备类型等。岩石是由各种晶质或非晶质的矿物组成。由于岩石本身分子结构以及成因条件的不同，岩石的基本状态可以分为坚硬的、可塑性的和松散性的三类。构成坚硬岩石的矿物颗粒间，存在着联结力和摩

2、擦力，且联结力明显地大于摩擦力。这类岩石破碎以后，无论是湿润、压缩或同时湿润并压缩，都不能恢复原状，如花岗岩、石灰岩。和坚硬岩石一样，构成塑性岩石的矿物颗粒间也具有联结力和摩擦力，但是其联结力与湿润程度有关，在联结力受到破坏时，如果加以压缩和湿润，则其联结力可以部分地或全部地恢复，各种泥质类岩石都有这种塑性现象。可以把松散性岩石看成颗粒间相互没有联结力，而只靠摩擦力相结合的岩石。如疏松的岩石，在被水泡和或完全干燥的情况下，都没有联结力。当含水达15%20%时，这种岩石则具有一定的联结力，典型的是砂子和砾石。岩石的上述三种状态并不是永恒的。它们可以在外界条件的影响下互相变化，如坚硬岩石经过地质构

3、造和变质作用，能变成塑性岩石；经过外应力的风化作用，也能变成松散性岩石。而塑性岩石或松散性岩石，经过变质、沉积等作用，也会变成坚硬岩石。组成地壳的各种岩石，按其成因特征可分为岩浆岩、沉积岩和变质岩。如果把变质岩包括在岩浆岩中，则在地壳内，岩浆岩占95%,沉积岩占5%（其中泥质页岩占4%,砂岩占0.75%,碳酸盐类岩石占025%）,上述三类岩石，钻探工作中几乎都会遇到，煤田钻探、石油天然气和地热井勘探，所遇到的岩石大都是沉积岩。由于岩石的构成和状态不同。所表现出的物理力学性质也不相同。一般岩浆岩的硬度较大（如花岗岩等），沉积岩的硬度较低（如页岩、泥岩等），由地表风化作用变质的变质岩较软（如高岭土

4、），而由于温度及压力作用变质的变质岩较硬（如矽卡岩、石英岩等）。第一节岩土的物理性质岩石的物理性质又可称岩石的基本性质。它是岩石在生成过程中，由于构造变动和风化作用形成的，如相对密度（颗粒密度）、块体密度（容重）、孔隙度、裂隙性，含水性、透水性、松散性、流散性和稳定性等。与钻进有关的岩石物理性质有以下几种。一、块体密度和孔隙度岩石质量与其体积之比称为岩石的块体密度。假设用机表示岩石试样的质量。用婕示岩石试样的总体积，则岩石的块体密度为：mP=-V岩石的块体密度分三种.即天然块体密度、块体干密度和块体饱和密度。大多数岩石往往不是完整无隙的。矿物颗粒之间的全部孔洞.不管其大小和形状如何.都是岩石的

5、孔隙。岩石的孔隙是由于地质构造作用、外力和内部应力的作用而产生的。岩石孔隙又与组成岩石的颗粒形状、大小及性质有关。岩石孔隙的多少常用孔隙度来表示；孔隙度是岩石中孔隙的体积%与岩石总体积V之比：=%XlO0%V岩石的孔隙度与岩石的块体密度有关，孔隙度大的岩石易透水，并能降低岩石的强度及稳定性。-般岩石埋藏越深岩石的密度越大，其强度和硬度也愈大。岩浆岩比沉积岩致密、孔隙度小，因而其密度大，强度和硬度也大。常见岩石的孔隙度和密度的变化范围如表所示.表1-1常见岩石的孔隙度和密度岩石密度/(gcm3)孔隙度/%岩石密度/(gCnP)孔隙度/%花岗岩2.62.70.51.5页岩2.02.41030粗晶玄

6、武岩3.03.050.10.5石灰岩2.22.6520流纹岩2.42.646白云岩2.52.61-5安山岩2.22.31015片麻岩2.93.0().51.5辉长岩3.03.10.1-0.2大理岩2.62.7().52玄武岩2.82.90.11.0石英岩0.10.5二、含水性、透水性和裂隙性由于岩石中有孔隙存在.水便会浸入岩体，从而使岩石含水。岩石含水的多少取决于孔隙的大小和数量。岩石的含水性一般用湿度或含水率来表示，一般用占干燥岩石质量的百分数来表示，如砂岩为60%,石灰岩为2.5%。岩石的含水性对岩石的强度有影响，孔隙大的岩石，水浸后其抗压强度降低25%45%,一般也要降低15%20%。致

7、密的岩浆岩，由予孔隙度小，所以其强度降低最少。水中含有表面活性物质，会使岩石的强度减低。因此，在坚硬岩石中钻进可试用软化剂处理。岩石透水的性能称为透水性。它以单位面积和时间内通过岩石的水量来表示。一般岩石孔隙度愈大，透水性愈高，岩石的强度和稳定性愈低。由于水是一种溶剂，当水透过岩石时,会溶解岩石中的某些成分而形成大孔隙或溶洞。因此，在透水性强的岩石中钻进，还容易发生冲洗液的漏失。某些小孔隙的岩石，在吸收一定水分后，其体积会膨胀.如有的粘土吸水后体积可增加50%,高岭土可增加200%；此时水就不会通过，具有这种性质的岩石叫不透水岩石.钻进时易引起缩径，糊钻或憋泵现象。裂隙性也是岩石的重要物理性质

8、.它对岩石的强度及可钻性都会产生很大影响。岩石按裂隙性的分级见表1-2所示。表1-2岩石按裂隙性的分级裂隙性级别岩石的裂隙性程度岩石裂隙性的估计值成块率/（块”）裂隙性指标/（个，/）岩心采取率展I完整的15W0.510070II弱裂隙性的6100.51.09060III裂隙性的11301.012.080501舟到隙件的31So?。aO7C40三、松散性、流散性当岩石从岩体上分开后，岩石碎块的体积比在天然埋藏下原有体积增大的性能称松散性；松散性也是指岩石结构的致密程度，松散性强的岩石其颗粒之间的连接力弱，钻进时容易破碎，但孔壁易坍塌。岩石的自由面有极力趋向水平的性能称流散性。在流散性强的岩石(

9、如流砂)中钻进，孔壁极易陷落、淤塞钻孔，使钻进困难。四、稳定性在岩体内钻成钻孔(有自由面)后，岩石不坍塌不崩落的性能称稳定性。所有的岩石可分为稳定性良好的、稳定性中等的和稳定性差的三类。在稳定性差的岩石中钻进时容易发生孔壁坍塌现象，必须采取措施保护孔壁。第二节岩石的力学性质岩石在机械外力作用下所表现的性质，称为岩石的力学性质。与钻进有关的岩石力学性质有强度、硬度和研磨性等。一、强度(一)岩石强度的概念岩石的强度是指岩石在各种外力(拉伸、压缩、弯曲或剪切等)作用下，抵抗破碎的能力。常用的强度单位为&(N).坚固岩石和塑性岩石(如粘土)的强度，主要取决于岩石的内连结力和内摩擦力。松散性岩石的强度主

10、要取决于内摩擦力。岩石的内连结力主要是矿物颗粒之间的相互作用力，或者是矿物颗粒与胶结物之间的连结力，或者是胶结物与胶结物之间的连结力，一般颗粒之间相互的作用力大于胶结物之间的连结力；而胶结物之间的连结力又大于颗粒与胶结物之间的连结力。岩石的内摩擦力是颗粒之间的原始接触状态即将被破坏而要产生位移时的摩擦阻力。岩石的内摩擦阻力构成岩石破碎时的附加阻力，且随应力状态而变化。(二)影响岩石强度的因素影响岩石强度的因索是各种各样的。但基本上可分为两个方面：一种是自然因索，如岩石的矿物成分、结构及构造等；另一种是技术因素，如载荷作用的速度、形变的方式等。1、自然因素方面岩石的机械强度，在很大程度上取决于组

11、成岩石的矿物成分。石英在造岩矿物中具有最高的强度，其强度值可达(30005000)X105P因而在其它条件相同的情况下，岩浆岩中含石英矿物成分愈多则岩石的强度愈大。碳酸盐类岩石主要由方解石、白云石组成。方解石的强度是160X1()5月。自云石的强度是200乂105&。随着方解石在岩石中的含量由100%减至7%时.则岩石的强度由1600X1()5Pa可增至3000X105&。由矿物颗粒胶结成的岩石，其强度决定于胶结矿物的成分，有时会遇到组成岩石的矿物本身强度很大，而整个岩石的强度很小；岩石内胶结物所占的比例愈大.则矿物颗粒本身强度对岩石强度的影响愈小。在相同矿物结构下，组成岩石的矿物颗粒直径的尺

12、寸对岩石的强度也有很大影响。根据对某些粘土质页岩的试验，其强度值与组成该岩石的颗粒直径成反比。当岩石中直径小于0.01机川的颗粒增加时,其强度很快增大：在花岗岩中，也存在同样的现象，粗粒花岗岩的抗压强度是(8001200)Xl()5p4,而细粒花岗岩的强度则增加到(20002500)X105Pa抗剪抗弯抗拉表1-3列出几种岩石对不同变形时强度的实际数据。其中，取单向抗压强度为100%。一些岩石的相对强度极限列于表1-3中,供实际工作时参考。表3不同受载方式下的岩石强度相对值岩石不同受载方式下的岩石强度相对值抗压抗拉抗弯抗剪花岗岩10.02-0.040.08.0.09砂岩10.02-0.050.06-0.200.10-0.12石灰岩10.04-0.100.08-0.100.15各种典型的岩石的强度见表1-4。表14典型的岩石的强度岩石岩石的强度Pa岩石岩石的强度/MPa抗压OC抗拉抗剪（JS抗压Gc抗拉6抗剪6粗粒砂岩142.05.1白云岩162.06.011.8中砂岩151.05.2石灰岩138.09.114.5细粒砂岩185.08.0花岗岩166.012.019.8页岩14.061.01.7-8.0一正长岩215.214.322.1泥岩18.03.2一灰长岩230.013.524.4石膏17.01.9石英岩305.014.431.6含宫灰岩42.02.4