第一章巖石力學性質(zhì)

1、 第一章第一章 鉆孔施工過程與巖石物理力學性質(zhì)鉆孔施工過程與巖石物理力學性質(zhì) 第一節(jié)、鉆孔施工過程第一節(jié)、鉆孔施工過程 第二節(jié)、巖石的物理力學性質(zhì)第二節(jié)、巖石的物理力學性質(zhì) 第三節(jié)、巖石可鉆性及其分級第三節(jié)、巖石可鉆性及其分級 第四節(jié)、鉆孔結構第四節(jié)、鉆孔結構云南國土資源職業(yè)學院云南國土資源職業(yè)學院第一節(jié)第一節(jié) 鉆孔施工過程鉆孔施工過程 以巖心鉆探為例說明基本鉆探工藝過程。一、鉆前準備一、鉆前準備 平整場地；鉆場布置；修筑地基；基臺安裝；挖好循環(huán)系統(tǒng)，安裝鉆塔、鉆機、泵和動力機；驗收。 1 1、平整場地、平整場地 要求地面平整、有足夠的面積、地表土層有一定的抗壓強度、填方面積小于總面積的四分之

2、一、易排水。 云南國土資源職業(yè)學院云南國土資源職業(yè)學院 2 2、鉆場布置、鉆場布置 鉆場的作用：安裝鉆塔、鉆探設備、循環(huán)系統(tǒng)等； 鉆場的大小：隨鉆孔深度增加而增大。 3 3、修筑地基、修筑地基 淺槽地基：適宜較堅實的地面； 臥枕地基：適宜較松軟的地面； 深坑地基：適宜做鉆機、內(nèi)燃機的基礎。 4 4、基臺安裝、基臺安裝 材料：用枕木或型鋼做成井字形排列，并用螺栓連接構成； 要求：周正、水平、穩(wěn)固； 形式：合組基臺、分組基臺。云南國土資源職業(yè)學院云南國土資源職業(yè)學院5 5、安裝鉆探設備、安裝鉆探設備 鉆塔的安裝 整體安裝法：適宜“A”型鉆塔和三角鉆塔； 分節(jié)安裝法：適宜四角鉆塔。 鉆機的安裝 要求

3、周正、水平、穩(wěn)固；鉆機立軸必須與天車中心、孔口中心在一條直線上。6 6、循環(huán)系統(tǒng)的布置、循環(huán)系統(tǒng)的布置 組成：水源箱、沉淀池和循環(huán)槽。 作用：凈化沖洗液。云南國土資源職業(yè)學院云南國土資源職業(yè)學院二、鉆進過程二、鉆進過程 鉆孔從開孔鉆進到終孔的施工過程叫鉆進過程。 鉆進時，由動力機帶動鉆機回轉(zhuǎn)，由鉆桿、巖心管、鉆頭組成鉆柱，并由鉆機提供軸向壓力和扭矩。從而使鉆頭上的切削具克取巖石實現(xiàn)鉆進。 按設計的方向開孔，在孔口固定孔口管； 根據(jù)所鉆巖石的物理力學性質(zhì)、鉆頭直徑、鉆頭類型和孔深選擇合理的規(guī)程參數(shù)，一邊沖洗鉆孔，一邊通過給進機構、鉆柱給鉆頭加軸向壓力和回轉(zhuǎn)速度；云南國土資源職業(yè)學院云南國土資源職

4、業(yè)學院 鉆頭在孔底鉆出一個環(huán)形空間，并形成巖心，隨著鉆孔加深巖心將充滿巖心管； 清潔孔底、冷卻鉆頭切削具后，攜帶巖屑的沖洗液上返流出孔口，并在沉淀槽、沉淀池中清除掉巖屑后，清潔的液體再流回泥漿池，如此循環(huán)； 把鉆具提至地表，從巖心管內(nèi)取出巖心。重新配好鉆具，再下放至孔內(nèi)繼續(xù)鉆進。云南國土資源職業(yè)學院云南國土資源職業(yè)學院三、終孔三、終孔 指鉆孔從停止鉆進到設備拆卸完為止所進行的全部工作。包括鉆孔彎曲測量、測水位、抽水試驗、封孔、起套管、拆卸設備等。 云南國土資源職業(yè)學院云南國土資源職業(yè)學院 第二節(jié)第二節(jié) 巖石的物理力學性質(zhì)巖石的物理力學性質(zhì) 巖石的力學性質(zhì)是巖石在外力作用下表現(xiàn)出來的特性。主要有

5、變形特性、強度特性和表面特性。 變形特性變形特性：彈性、塑性和脆性。 強度特性強度特性：抗壓強度、抗拉強度、抗剪強度和抗彎強度。 表面特性表面特性：硬度和研磨性。云南國土資源職業(yè)學院云南國土資源職業(yè)學院 彈性彈性：巖石受到外力后產(chǎn)生變形，外力取消后仍恢復到原來的形狀。 塑性塑性：巖石受到外力后改變形狀而不產(chǎn)生斷裂的性質(zhì)。 脆性脆性：巖石在外力作用下，不產(chǎn)生變形而直接破壞的性質(zhì)。云南國土資源職業(yè)學院云南國土資源職業(yè)學院脆性破壞（石英巖）脆性破壞（石英巖）塑脆性破壞（大理巖）塑脆性破壞（大理巖）塑性破壞塑性破壞 云南國土資源職業(yè)學院云南國土資源職業(yè)學院圖圖2 巖石的形變曲線巖石的形變曲線 細粒組織

6、巖石的彈性模數(shù)大于粗粒的。 巖石在被水或石油浸濕后，其彈性模數(shù)顯著下降；而塑性增加。 巖石的孔隙度增加，則巖石的彈性模數(shù)降低；而塑性增加。 巖石隨加載速度增大，塑性降低。巖石由塑性體轉(zhuǎn)為脆性體。云南國土資源職業(yè)學院云南國土資源職業(yè)學院 3 3、巖石的變形特性對鉆進的影響、巖石的變形特性對鉆進的影響 彈性彈性：彈性大的巖石除消耗部分功率于彈性變形外，還會使鉆具彈動。如石英等“打滑”地層。 塑性塑性：塑性大的巖層易產(chǎn)生縮徑、糊鉆。如粘土層。 脆性脆性：脆性大的巖層采心困難、易掉塊、坍塌等。如滑石、煙煤。云南國土資源職業(yè)學院云南國土資源職業(yè)學院二、強度特性二、強度特性 1 1、巖石的強度、巖石的強度

7、 巖石在載荷作用下變形到一定程度就發(fā)生破壞。破壞前巖石單位面積上所能承受的最大載荷。 2 2、強度分類、強度分類 抗拉強度抗拉強度抗壓強度抗壓強度抗彎強度抗彎強度抗剪強度抗剪強度云南國土資源職業(yè)學院云南國土資源職業(yè)學院3 3、影響巖石強度的因素、影響巖石強度的因素 巖石的礦物成分巖石的礦物成分：隨造巖礦物的強度和含量而變化； 礦物顆粒的尺寸礦物顆粒的尺寸：細粒巖石的抗壓強度大于粗粒巖石的抗壓強度； 巖石的容重和孔隙度巖石的容重和孔隙度：孔隙度增加，容重降低，則巖石的強度降低； 巖石的層理巖石的層理：巖石強度具有明顯的方向性。即垂直斜交平行； 云南國土資源職業(yè)學院云南國土資源職業(yè)學院 受力條件受

8、力條件：抗沖擊強度抗拉抗彎抗剪抗壓； 應力狀態(tài)應力狀態(tài)：巖石在雙向或多向應力狀態(tài)下，其抗壓強度比單向應力狀態(tài)下要高出許多； 載荷速度載荷速度：巖石強度隨加載速度增加而增大； 巖樣的線性尺寸巖樣的線性尺寸：隨巖樣的線性尺寸增大，巖石的強度降低； 介質(zhì)的影響介質(zhì)的影響：巖石的強度隨液體量的增加而降低。云南國土資源職業(yè)學院云南國土資源職業(yè)學院 圖圖3 3 巖石單軸抗壓試驗巖石單軸抗壓試驗 1 1巖樣；巖樣； 2 2球座；球座； 3 3鋼墊板鋼墊板4 4、巖石強度的測定、巖石強度的測定云南國土資源職業(yè)學院云南國土資源職業(yè)學院 圖圖4 4 巖石單軸拉伸試驗巖石單軸拉伸試驗 1 1巖樣；巖樣； 2 2夾頭

9、；夾頭； 圖中尺寸單位：圖中尺寸單位：cmcm云南國土資源職業(yè)學院云南國土資源職業(yè)學院 圖圖5 5 剪切試驗剪切試驗 1 1巖樣；巖樣； 2 2上下剪切模具；上下剪切模具； 3 3模套；模套； 4 4斜鍥塊；斜鍥塊； 5 5上下墊板；上下墊板； 6 6鋼滾子鋼滾子云南國土資源職業(yè)學院云南國土資源職業(yè)學院 5 5、巖石強度與鉆進碎巖的關系、巖石強度與鉆進碎巖的關系 隨著巖石強度值的升高，破碎巖石的效果降低，鉆進速度下降； 隨著孔深的增加巖石的致密程度升高，巖石的強度升高破碎巖石的效果也降低，鉆速下降。云南國土資源職業(yè)學院云南國土資源職業(yè)學院三、表面特性三、表面特性1 1、巖石的硬度、巖石的硬度

10、概念：巖石表面對工具壓入的反抗特性。 硬度與強度的區(qū)別：巖石抗壓強度是巖石整塊抗破碎的能力；而硬度則是巖石表面局部抵抗破碎的能力。 硬度與強度的關系： 巖石抗壓入硬度為單向抗壓強度的（1+2）倍。測定壓入硬度實際上是使巖樣產(chǎn)生局部破碎，而這種局部破碎是在多向受壓狀態(tài)下進行的。云南國土資源職業(yè)學院云南國土資源職業(yè)學院 影響巖石硬度的因素 影響巖石硬度的因素和影響巖石強度的因素相似。即巖石的礦物成分、 礦物顆粒的尺寸、巖石的容重和孔隙度、巖石的層理、受力條件、應力狀態(tài)、載荷速度、巖樣的線性尺寸、介質(zhì)等均有影響。但層理對硬度的影響正好與強度相反。即：垂直層理方向的硬度最??；而平行層理方向的硬度最大。

11、云南國土資源職業(yè)學院云南國土資源職業(yè)學院 巖石硬度的測量 莫氏硬度：用十種礦物為代表，后一種可在前一種礦物上擦痕，硬度依次增高。 莫氏硬度表莫氏硬度表硬度等級硬度等級12345678910典型礦物滑石石膏方解石螢石磷灰石正長石石英黃玉剛玉金剛石云南國土資源職業(yè)學院云南國土資源職業(yè)學院 顯維硬度：如洛氏硬度；指甲指甲鐵刀鐵刀鋼刀鋼刀玻璃玻璃鋸條鋸條銼刀銼刀硬合金硬合金 2.53.555.5679云南國土資源職業(yè)學院云南國土資源職業(yè)學院 巖石硬度與鉆進碎巖的關系巖石硬度與鉆進碎巖的關系 巖石硬度越高，則鉆速越低。2 2、巖石的研磨性、巖石的研磨性 概念：巖石對工具的磨損能力稱之。 影響巖石研磨性的

12、因素 礦物的硬度越大，顆粒越粗，則巖石的研磨性越強； 在軸向壓力未達到巖石的壓入硬度前，動摩擦系數(shù)值隨壓力值增加而增大； 相對運動速度較低時，隨速度的增加動摩擦系數(shù)增大； 干摩擦系數(shù)大于濕摩擦系數(shù)。云南國土資源職業(yè)學院云南國土資源職業(yè)學院 巖石研磨性的測量 研磨法：利用一定形狀的金屬桿或環(huán)與巖石作相對運動，然后測出巖石的研磨性。 鉆孔法：在與實際鉆進相似的條件下測出巖石的研磨性。 巖石研磨性對鉆進的影響 研磨性越強，對切削具磨損越嚴重。云南國土資源職業(yè)學院云南國土資源職業(yè)學院第三節(jié)第三節(jié) 巖石可鉆性及其分級巖石可鉆性及其分級一、巖石可鉆性一、巖石可鉆性 在一定的技術條件下，鉆進時巖石破碎的難易

13、程度。二、影響巖石可鉆性的因素二、影響巖石可鉆性的因素 巖石可鉆性是個多變量的函數(shù)。它不僅受控于巖石的性質(zhì)，而且與外界技術條件和工藝參數(shù)有密切的關系。 巖石的物理力學性質(zhì)巖石的物理力學性質(zhì)：強度、硬度、彈性、塑性、脆性、研磨性等。 破碎巖石的技術條件破碎巖石的技術條件：鉆進方法、鉆進參數(shù)、鉆探設備等。云南國土資源職業(yè)學院云南國土資源職業(yè)學院三、衡量指標三、衡量指標 在相同技術條件下，鉆進時的機械速度作為巖石可鉆性指標。四、巖石可鉆性分級在鉆探生產(chǎn)中的作用四、巖石可鉆性分級在鉆探生產(chǎn)中的作用 是合理選擇鉆進方法、鉆頭結構及鉆進規(guī)程參數(shù)的依據(jù)； 是制訂鉆探生產(chǎn)定額和編制鉆探生產(chǎn)計劃的基礎； 是對生

14、產(chǎn)機臺評定的客觀依據(jù)。云南國土資源職業(yè)學院云南國土資源職業(yè)學院 第四節(jié)第四節(jié) 鉆孔結構設計鉆孔結構設計一、什么是鉆孔結構？一、什么是鉆孔結構？ 鉆孔由開孔至終孔，鉆孔剖面中各孔段的深度和口徑的變化叫做鉆孔結構。二、鉆孔結構設計的依據(jù)二、鉆孔結構設計的依據(jù) 鉆孔的用途和目的； 地層的地質(zhì)結構、巖石的物理力學性質(zhì)； 鉆孔的設計深度； 必需的終孔直徑； 鉆進方法、鉆探設備參數(shù)。云南國土資源職業(yè)學院云南國土資源職業(yè)學院13011091鉆孔結構示意圖鉆孔結構示意圖三、鉆孔結構設計的內(nèi)容三、鉆孔結構設計的內(nèi)容 1、確定各種巖層的鉆進方法、確定各種巖層的鉆進方法 主要依據(jù)地層的地質(zhì)條件、鉆孔深度、鉆孔直徑等

15、確定。2、確定鉆孔直徑、確定鉆孔直徑 包括終孔直徑、開孔直徑和中間變徑。 影響終孔直徑的因素：鉆進方法、不同礦種允許的最小巖礦心直徑、鉆孔用途、鉆機動力機容量、孔內(nèi)測井儀的規(guī)格等。云南國土資源職業(yè)學院云南國土資源職業(yè)學院 3 3、確定套管層次、下放深度和套管直徑、確定套管層次、下放深度和套管直徑 鉆進松散的沙礫石層、流沙層、泥漿護孔無效時； 穿過較厚的破碎帶、坍塌掉塊嚴重時； 接近地面的表土層、風化層； 遇到含水構造與大裂隙貫通，嚴重涌水或漏失時。 四、鉆孔結構設計的方法四、鉆孔結構設計的方法 以終孔直徑作為擬定鉆孔結構的標準，對照理想柱狀圖并考慮換徑次數(shù)，自下而上地擬定出鉆孔各孔段直徑和開孔

16、直徑。云南國土資源職業(yè)學院云南國土資源職業(yè)學院1、簡述鉆探生產(chǎn)的工藝過程。2、簡述巖石的物理力學性質(zhì)對鉆進的影響。3、簡述巖石可鉆性分級在鉆探生產(chǎn)中的作用。4、簡述鉆孔結構的設計方法。云南國土資源職業(yè)學院云南國土資源職業(yè)學院 第四節(jié)第四節(jié) 鉆頭碎巖刃具與巖石作用的主要方式鉆頭碎巖刃具與巖石作用的主要方式 一、平底圓柱形壓頭壓入時巖石的應力狀態(tài)一、平底圓柱形壓頭壓入時巖石的應力狀態(tài)( )222rPpa ar2Ppa圖圖1.134 平底圓柱壓頭壓力面上的壓力分布平底圓柱壓頭壓力面上的壓力分布圖圖1.136 球形壓頭壓力面上的壓力分球形壓頭壓力面上的壓力分布布圖圖1.137 平底壓頭壓入時沿平底壓頭

17、壓入時沿 對稱軸的應力分布對稱軸的應力分布圖215 軸向力作用時巖石 內(nèi)的應力分布圖216 軸向力和切向力共同作用時巖石內(nèi)的應力分布 （a）等應力線圖；（b）應力狀態(tài)特征 壓應力區(qū)；拉應力區(qū)；過渡區(qū) 在回轉(zhuǎn)鉆進中，破碎巖石工具以軸向和切向載荷作用于巖石上。彈性力學研究表明：只有軸向力單獨作用于壓頭時，彈性半無限體內(nèi)等應力線分布是均勻的、對稱的（如圖215）。而軸向力和切向力共同作用時，等應力線分布則是非均勻的、不對稱的（如圖216）。在接觸面上，切向力作用的前方將產(chǎn)生壓應力，而切應力作用的后方則產(chǎn)生拉應力，在半無線體內(nèi)（如圖216(b)所示），形成正應力區(qū)（）、拉應力區(qū)（）和過渡區(qū)（） 。由此

18、可以推知，在兩向載荷作用下，碎巖工具對巖石的作用具有以下的特點： 1. 軸向力和切向力共同作用時，可視為碎巖工具對孔底巖石表面以某一角度施加作用力。巖石破碎效果將由此作用力的數(shù)值和方向來決定。軸向力和切向力之間存在最優(yōu)比值，或者說有最優(yōu)的作用力方向。這一方向?qū)τ诓煌膸r石可能是不同的。所以鉆進不同巖石時，軸向壓力和回轉(zhuǎn)速度應用一個合理的配合關系。 2. 軸向力與切向力共同作用時，碎巖工具下方巖石中產(chǎn)生不均勻的應力狀態(tài)。壓縮區(qū)隨軸向力增加而擴大，隨切向力的增加而縮?。焕靺^(qū)則與上述情況相反；過渡區(qū)內(nèi)既有正應力的作用，又有拉應力的作用。 3. 當巖石中出現(xiàn)拉應力時，在其他條件相同的情況下，巖石將在作用力比較小的時，在拉應力區(qū)開始破碎。 一、巖石的變形破碎方式一、巖石的變形破碎方式圖圖1.145 破碎功與破碎產(chǎn)物粉碎度的關系破碎功與破碎產(chǎn)物粉碎度的關系 1根據(jù)黎金格爾定律；根據(jù)黎金格爾定律；2根據(jù)基爾切夫定律根據(jù)基爾切夫定律圖圖1.146 轉(zhuǎn)速與載荷的關系曲線轉(zhuǎn)速與載荷的關系曲線 二、平底壓?；蚯驙钋邢骶邏喝霑r的巖石變形破碎過程二、平底壓?；蚯驙钋邢骶邏喝霑r的巖石變形破碎過程 三、尖楔狀切削具壓入時和沖擊碎巖機理三、尖楔狀切削具壓入