4.1岩石的力学性质在线视频

好

大家知道一句古话叫

知己知彼百战不殆

那我们要钻井

我们的对象是什么呢

我们对象就是我们的岩石

我们就是要破碎岩石

形成我们的井眼

那么首先我们就需要

了解岩石的的力学性质

好

我们首先来看一下

岩石的变形特性

横坐标是我们的应变

纵坐标是我们的应力

那么

在这个压缩的条件下

首先

随着应力的增大

我们的应变的

这条曲线

是往上凹的

那么这个时候呢

是我们岩石它内部有孔隙结构的

那么它逐渐被压实

在压实以后呢

随着应力的增大

那么

它就从A点线性增大到B点

这个直线的斜率

就是我们岩石的弹性模量

当应力进一步增大的时候呢

那么岩石中的裂隙

就开始发生了不稳定的发展

产生了一个屈服的破坏

如果再继续增大我们的应力的话

那么我们的应力曲线就进入CD段

那么CD段

是我们的裂隙

已经是不稳定传播

这个岩石呢

已经开始解体了

那么在这个应力面曲线里面

我们可以看到

有这么几个点

第一是OA

A点

OA这一段

我们讲了是

岩石的孔隙被压实这个阶段

而AB段一直

就OA一直到AB

这一段

岩石发生的是

弹性变形

也就是说

你在任何时候

只要在这个OB以内

你现在它形变可以恢复

当你的应力超过B点以后

B点是它的屈服点

超过B点以后

岩石已经发生了屈服

那么它的变形就已经不可逆了

那么它的强度极限点

我们看到在C点

这个时候它应力最大

那么C点对应的就是

岩石的强度

通过刚才的应力曲线呢

我们可以得到

岩石的杨氏模量

就是它其中的一个弹性系数

那么同时我们在做

这个压缩实验的时候

我们把轴向 应变

纵向的应变

和横向的应变

记录下来以后

我们可以得到这么一个曲线

那么它纵坐标是压力

横坐标是应变

左边呢是横向应变

右边呢是纵向应变

那么

我们就可以通过

这个横向应变和纵向应变

的比值计算出

岩石的泊松比

那么通过弹性模量

和泊松比

我们就可以计算得到

岩石的另外两个弹性参数

剪切弹性模量

和体积弹性模量

然后我们看一下

在简单应力状态下

岩石的强度

那么岩石首先是它的抗压强度

那么它的这个测试呢

跟刚才我们看到的情况是一样的

那么在上下

跟它有一个压力

在这个压力的作用下

那么我们可以测到它的

单轴的抗压强度

另外

岩石还有抗拉强度

这个抗拉强度呢

我们是通过

巴西圆盘的办法去进行测试

因为大家知道

我们的金属材料的

抗拉强度你可以直接拉伸

但是我们岩石是非常脆

如果你是像金属材料那样

夹持这样拉伸的时候

它的夹头可能把我们的岩页夹碎了

所以说

我们只能通过这个

压得办法

去测到它的抗拉强度

那么这是著名的

巴西圆盘实验

它上下有一个压块

中间是我们的岩样

它是一个圆盘形状的

那么根据我们以前

学过的材料力学的知识

就可以知道

在这个条件的作用下

在这个力的作用下

在岩样的中心线上

正好承受了

纯拉应力

产生一个纯的拉应力

那么我们可以通过这样一个公式

可以计算得到

岩石的抗拉强度

简单应力状态下呢

还有

抗弯强度

那么实际真实的岩样

实际真实的岩石

它是深埋我们的地下

它受到的应力

上面有上覆地层压力

水平方向上

有最大水平应力和

最小水平应力

那么这个时候

它就处于一个复杂的应力状态下

这个时候它的强度

如何去测试呢

如果按岩石真实所处的应力状态

这个试样的制备

是比较难以制备

第二个

对设备的要求也是非常的高

因此呢

我们通常用这种

常规三轴的实验去取代

真三轴的实验

常规三轴的实验呢

是假设我们的

围压主应力和第三主应力相等

就是说σ2=σ3

就是我们的围压

而轴向

压力是我们的σ1

那么这就是我们

常规力学的三轴实验机

通过

这么一个岩石力学的三轴实验呢

可以得到

很多很有意义的结果

那么首先我们看到这么一个

那么它是不同岩样的测试结果

横坐标是围压

纵坐标是强度

大家可以看到

随着围压的增大

岩石的强度是在升高的

那么当然

对不同的岩样来讲

它升高的幅度是不一样的

比如说岩盐升高的幅度是比较小的

而石英砂岩升高的幅度是很大的

另外呢

可以看出

随着围压的增大

岩石的强度变大

而且呢

它的破坏的形式

由塑性转换成脆性

刚开始比如说围压等于0的时候

它基本上没有什么抵抗变形的能力

就已经发生了破坏

而当这个围压逐渐增大的时候

岩石的强度变的很高

而且它这个抵抗破坏的

塑性变形的能力也大大的增大

也大大的增加了

这是一个

在脆性破坏的示意图

那么当围压逐渐增大的时候

它就产生了一个

脆塑性的一个破坏

它的破坏比较大这样子

当围压进一步增大

它就已经是一个塑性体了

随着应力的增大

它不产生破坏

只是产生很大的变形

那么

这种特性

对我们钻井来讲

是非常有重要的参考意义的

因为塑性破坏和脆性破坏

本质上是两种不同的破坏

那么

在这种条件下

在这条件下

我们要采用的破碎工具的话

肯定是不一样的

要选用不同的钻头类型

而且要采用不同的破碎方式

比如说是冲击压碎

还是挤压剪切

还是切削磨削

那么而且呢

还会影响到我们这个

破碎参数的选取

也影响到我们钻井

机械参数和水平参数的设计

岩石的

跟我们破岩有关的

另外一个参数就是

岩石的硬度及塑性系数

什么叫硬度呢

这是一种物体

抵抗另一种物体入侵的能力

那我们用这样一个压头

在一个恒定的力的作用下

去压出一个坑

那么这是两种不同的岩石

可以看到

在相同再好的作用下

一个坑比较小

一个坑比较大

坑比较小明显它的硬度要高很多

那么不同硬度的岩石呢

对我们的

岩石的破碎有很大影响

我们有不同硬度岩石的分级

我们可以从软一直到硬、极硬

这么一个分级

越硬的岩石是越难破碎的

那么

岩石的塑性系数是如何去表示的呢

开展岩石的硬度测试的时候

我们能找到三种典型的曲线

第一种

随着刺入深度的增加

载荷在线性增加

然后突然岩石发生了崩碎

第二种

随着刺入深度的增加

载荷缓慢的增加

然后呢产生了比较大的变形

这个时候才发生了破碎

第三种

随着这个载荷的增加

它刺入深度不断的增大

岩石没有发生破碎

那么这三种曲线就代表了

岩石的不同的塑性

第一种就是脆性的岩石

第二种是脆塑性的岩石

第三种是塑性的岩石

那么

我们可以根据岩石破碎前

耗费的总能量

去和弹性变形的能量进行比较

这样就得到我们岩石的

塑性系数

那么在B这个图里面

由O\D\E作为分子

而我们的OABC做成我们的分母

去得到这个塑性系数

那么

它这个塑性系数肯定是大于1的

那么不同的岩石

我们可以把它

如果是1呢

认为是脆性的

如果是大于6的时候

我们认为是塑性

中间呢

我们认为是脆塑性的岩石

那么

对不同的岩石

它的破岩

大家可以想一下

肯定是不一样的

比如说我一个很脆的岩石

对它施加一点压力

或者冲击它一下

它就碎掉了

而对于一个塑性的岩石

像一个橡皮或者面团一样

你敲击它一下

它并不会发生破碎

而是发生变形

那么跟我们破岩有关的

还有我们岩石的研磨性

什么是研磨性呢

它是

岩石磨损破岩工具表面的这个能力

它是由钻头工作刃与

岩石相互摩擦过程中

产生微切削刻划擦痕等造成的

你们看

这么一个钻头

它上面的齿是硬质合金的

应该是非常硬的材质

但是入井以后

全都被磨光了

说明岩石的研磨性是很强的

那么它岩石的研磨性

主要取决于

它的矿物组成

一般来讲我们硫酸盐类的岩石

研磨性是比较小的

而石英岩的研磨性是非常强的

那么根据研磨性的不一样的话

我们选择我们的钻头

选择破碎工具肯定是不一样的

岩石好不好破碎

其实有一个最直接的参数

就是岩石的可钻性

他就是表征

我们岩石破碎的难易程度

受各种钻井因素的综合影响

那么

我们在做钻头选型之前

一般要开展岩石可钻性的测试

它方法就是

微钻头法

用钻头直径是35.75mm

在恒定钻压907.2N

钻速55rpm的条件下

当进尺2.381mm

我们测量花掉的时间

那么通过这个公式

我们就可以得到

可钻性极值

比如说这是两个岩样实测的结果

第一个图它得到的可钻性是4.83

那么它是一个比较软的地层

可钻性良好

而第二个呢

它得到可钻性值是8.39

是很硬的地层

它的可钻性相对来说就是比较差的

好关于岩石这一节呢

我们就结束了

谢谢