岩石的力学性质及其与钻头破碎机理的关系
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解释岩石可钻性的概念岩石可钻性是指钻井作业过程中所遇到的岩层对钻头钻进的难易程度。
钻井是一种获取地下天然资源、地质勘探和地质工程调查的重要技术手段,而岩石可钻性是决定钻探技术是否顺利开展的关键因素之一。
岩石可钻性受多种因素的影响。
首先是岩石的物理性质,如岩石的硬度、密度、强度、压缩性和耐磨性等。
硬度是指岩石抵抗外力压力的能力,对于柔软的岩石来说,可钻性较高,相对易于钻入;而对于坚硬的岩石,则相对困难。
岩石的密度决定了钻井液的压力所需的能量大小,密度大的岩石需要更大的能量才能钻入。
岩石的强度是指抵抗外力破坏的能力,其取决于岩石的粘结结构和韧性。
强度大的岩石通常较难钻入,需要选用更强的钻具。
岩石的压缩性是指岩石在受到压力作用下发生体积变化的能力,而耐磨性则是指岩石表面抵抗磨损的能力。
这些物理性质对钻井作业过程中的摩擦、切削和磨损等有直接影响,进而影响钻头在岩层中的钻进难易程度。
其次,岩石的岩性和结构也会影响岩石的可钻性。
不同的岩石种类具有不同的物理性质,例如,片麻岩、花岗岩等较坚硬的岩石通常难以钻进,而砂岩、泥岩等相对柔软的岩石则较易钻进。
而岩石的结构特征,如层理、节理、破碎带等,也会对其可钻性产生重要影响。
岩石中的节理和破碎带可导致岩石断裂和塌方,从而降低了岩石的可钻性。
另外,岩石中的岩浆岩、粉砂岩等特殊类型的岩石也具有较低的可钻性。
第三,岩石与钻具的匹配度也会影响可钻性。
钻具的选择包括钻杆、钻头和钻井液等,在不同的岩石环境下需要选择不同的钻具。
正确选用合适的钻具可以减少钻具的磨损,提高钻进速度,从而改善岩石的可钻性。
此外,钻井液作为钻井过程中的重要流体介质,对岩石的可钻性也有直接影响。
钻井液的密度、黏度、清洁度、过滤性能等都会直接影响到岩石的可钻性。
合理选择和调配钻井液的性能参数,可以减小钻井液与岩石之间的摩擦,减少井壁塌方和堵塞等问题,提高钻进速度和可钻性。
最后,还有其他因素也会影响岩石的可钻性,如地温、压力、地层流体等。
岩⽯的⼒学性质及其与钻头破碎机理的关系岩⽯的⼒学性质及其与钻头破碎机理的关系体会:Ⅰ、钻头⼀般破岩过程:压⼊剪切⽛轮:(1)主要⽅式—冲击、压碎,作⽤来源:①静压,②冲击载荷(⽛齿交替接触井底);(2)剪切作⽤,来源:①⽛齿吃⼊地层,楔形⾯对岩⽯的正压⼒与摩擦⼒合⼒,②主要来源:⽛轮滚动的同时产⽣⽛齿相对地层的滑动。
刮⼑:主要⽅式—剪切,辅以研磨和压碎PDC:主要⽅式—剪切,辅以研磨和压碎[1]P19:刮⼑和PDC钻头破岩是压⼊和剪切综合作⽤的结果,从⽽是破岩所需的纵向压⼒⼤⼤减⼩。
试验证明⼤约只相当于静压⼊破岩的1/6---1/4。
Ⅱ、可利⽤研磨性理论的⼀些结论解释如下现象:相对于泥岩,砂岩表⾯粗糙度⾼,摩擦⼒⼤,所以:PDC钻头钻遇砂岩时扭矩呈现⾼频⾼幅振荡⽛轮钻头扭矩增⼤但仍呈钻遇泥岩是的平直状。
Ⅲ、PDC⼑翼数量对扭矩的影响⼑翼数越多,扭矩越平稳;越少,扭矩波动越⼤。
原因:⼑翼数少,⼑翼钻头周期性接触井底波动越⼤,从⽽导致扭矩波动⼤。
实例:克深202井钻吉迪克第三套砂砾岩层,采⽤6⼑翼PDC,钻压10--12t,扭矩曲线平直;下部泥岩段,钻压10--12t,扭矩波动⼤11—16KN.m,扭矩曲线呈⾼频振荡。
地层可钻性分级、梯度规律地层可钻性梯度规律[3]①地层埋深越深越难钻,②年代越⽼越难钻由以下实例可知:地层可钻性梯度规律受埋深压实和成岩年代两种因素控制。
体会:浅部地层不存在特别难钻的地层。
如⼤北202井1324~3900m井段,对纯岩性地层钻时⼀致,含少量的砾⽯即可导致钻时上升。
3496.46~3783.23m 采⽤95/8″Power-V +16″M1665SSCR PDC 3685~3706m为褐⾊泥岩,钻时31~43min/m;3715~3723m为褐⾊含砾泥岩和含少量(5%左右)砾的褐⾊泥岩,钻时51~103min/m。
例:济阳凹陷①地层埋深越深越难钻,②年代越⽼越难钻古⽣界奥陶系地层,虽然由于造⼭运动上升⾄1800~2000m,但其平均可钻性为6.09,其深度与东营组相当,但其平均Kd值却⽐东营组⾼1倍多。
岩石的力学性质岩矿的破碎是个力学过程,岩矿是被破碎的对象,因此,研究破碎前必须对岩矿的力学性质有所认识。
岩矿的力学性质依破碎力方式的不同而具有不同的表现.如岩矿受压力作用时岩矿表现出抵抗压碎的能力,受剪切力作用时表现出抵抗剪切的能力,受弯折力作用时表现出抵抗弯折的能力等。
通常用强度来表征岩矿的抵抗能力,同种岩矿抵抗不同作用力的能力是不同的,一般地,岩矿的抗压强度最大,抗剪强度次之,抗弯强度较小,抗拉强度最小。
假设抗压强度为1,则其他强度只是它的很小的分数。
M.M.普罗托吉雅可诺夫认为,岩石的坚固性在各方面的表现是趋于一致的,难破碎的岩石,用各种方法都难破碎,而易破碎的岩石,用各种方法都易破碎,于是,他提出厂“坚固性系数”f(即普氏硬度系数),用以表示岩石的相对坚固性。
一种岩石较另种岩石的坚固性系数大若干倍,就意味着用任何一种方法破碎前者都比破碎后者困难许多倍。
普氏硬度系数f约为单轴抗压强度压的百分之一,即f=因此,求出岩矿的抗压强度压也就能通过式求出普氏系数,而普氏系数综合反映了岩矿的综合强度。
按照M.M.普罗托吉雅可诺大的说法,当知道一种岩矿的压、拉、剪、弯曲及冲击时,只要再知道另一种岩矿的压,就可以由已知岩矿的各种强度推算另—种岩矿的各种强度。
普罗托吉雅可诺夫提出的办法,得到矿业界的公认,行业学者还把普氏硬度系数f作为岩矿的综合强度,作为综合矿山工艺过程的方法。
岩矿的破碎及磨碎,无论是其机械的设计还是工艺过程的实施均必须依据岩矿的力学强度值,否则,设计的破碎机或是机械强度不够,或是破碎不能顺利进行。
破碎过程实施时也必须依据岩矿力学强度值调整破碎参数其效果才能良好。
岩矿的普氏硬度系数f反映了岩矿的综合强度,可以由它确定破碎力的强度。
破碎力的作用方式也是影响破碎的重要因素,而影响破碎力作用方式的是岩矿的韧性,包括脆性、柔性、延展性、挠性及弹性等。
这就必须测定岩矿的弹件模量及泊松比(反映纵向变形与横向变形比值的参数)。
岩石的物理机械性质对钻探工作的影响
岩石的物理机械性质对钻探工作的影响
(1)硬度:岩石的硬度是指岩石抵抗其它物体压入的能力,又叫抗压入强度。
它是影响钻进切入深度(或压入深度)的主要因素。
(2)强度:岩石强度是指岩石在各种外力(拉伸、压缩、弯曲和剪切力)作用下抵抗破碎的能力。
(3)弹性和脆性:岩石在去掉负荷后能恢复原来形状的特性称为弹性。
钻进具有弹性的岩石,弹性变形要消耗一部分能量,增加了钻进的困难。
岩石在外力作用下不下引起残留变形,即破碎的特性称为脆性。
(4)塑性:岩石在外力作用下改变了形状而不断裂的性质叫做岩石的塑性。
在钻进中塑性变形要消耗很大一部分能量,而且易产生糊钻、缩径等现象。
(5)研磨性:岩石磨损研磨材料的性能称岩石的研磨性或摩擦性。
岩石的研磨性对钻进的影响是摩擦力,它要消耗能量和使切削具磨损,大大影响钻头的有效工作时间。
(6)稳定性:岩石在有自由面(如孔壁)的情况下,不坍塌、不崩落的性质称为稳定性。
岩石的稳定性与岩石本身的结构有关,与冲洗液性能的关系也很大,在沉积岩中钻进,如果泥浆配制得不合适,就会造成孔壁坍塌或掉块现象。
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钻井岩石力学基础钻进过程是钻头破碎岩石与岩石反破碎的过程。
为了提高破碎效率,加快钻井速度,安全、优质、低成本开发油气田,必须研究岩石的结构特性、力学性质以及破碎规律。
以便设计出合适的岩石破碎工具——钻头,制定出最优钻井参数及技术措施。
为此,我们要学习岩石结构特性和力学性质、岩石的破碎规律、影响岩石强度的因素等。
1.钻井岩石力学基础主要介绍岩石的物理力学性质以及破碎规律,进一步研究影响岩石力学性质的因素。
为学习钻井与完井工程打下基础。
1.1岩石的基本知识岩石:由各种矿物晶体或矿物颗粒组成的集合体;矿物:具有一定物理化学性质的无机物;造岩矿物:能生成矿物岩石的无机物。
造岩矿物由八元素组成:,Si ,Fe,K,Na,Ca,Mg,Al。
O2地球上有12种主要造岩矿物。
他们是:正长石、斜长石、石英、白云母、黑云母、角闪石、辉石、橄榄石、方解石、白云石、高岭土、氧化铁。
它们约占98%以上。
1.1.1.岩石分类地球主要是由岩石组成,而岩石是千变万化的,但归纳起来氛围分为两大类:A岩浆岩(晶质岩):由岩浆冷却或结晶而成,花岗岩、玄五岩等,通常埋藏很深;B沉积岩(碎屑岩):矿物颗粒由水或风力以及其他作用搬运后沉积而成。
分为结晶沉积岩和碎屑岩。
结晶沉积岩由盐类物质结晶而成。
如岩盐、石灰岩、白云岩、石膏等。
碎屑岩由岩屑堆积而成,如砾石、砂岩、泥岩等。
变质岩:矿物颗粒在高温高压下发生物理化学变化后形成的新岩石。
1.1.2岩石的组织结构特点岩石的组织结构是指组成岩石的微晶或碎屑岩的颗粒的形状、粒度大小和表面性质等。
(1)岩石的微观结构A 岩石微观结构是指组成岩石的微晶和颗粒的大小、形状、表面性质、胶结物质、孔隙度等。
B 造岩矿物本身的性质影响岩石的性质。
但岩石的破坏不是造岩矿物的破坏而是胶结物的破坏。
所以,影响岩石性质的主要因素是胶结物的性质或强度。
按胶结物性质分,岩石胶结分为为硅质胶结、钙质胶结和泥质胶结三种,其胶结强度的关系是:硅质胶结强度>钙质胶结强度>泥质胶结强度。
牙轮钻机破岩作用机理及受力分析内蒙古包头市014080摘要:牙轮钻机合理的工作制度取决于被射孔岩石的物理力学特性和射孔参数的选择。
大量实际统计数据表明,钻具的损坏、磨损和过早报废与钻具质量和操作人员有关。
各矿山都将钻具列为“大宗消耗件”,除了价格昂贵外,还会造成废孔,效率低下,成本上升。
钻具主要由钻杆、扶正器和牙轮钻头组成。
每一次过早损坏都会改变其他物品的载荷和作用,增加钻井设备的振动和载荷,导致过早损坏。
因此,研究矿用牙轮钻头的力学性能非常重要。
与传统的弹塑性强度理论和解析方法相比,基于有限元方法的仿真分析和研究是矿用牙轮钻头研究领域的重要发展趋势之一。
关键词:牙轮钻机;破岩机理;有限元;受力;牙轮钻头是牙轮钻机工作时进行破碎岩石的工具,它的性能优劣将直接影响钻孔质量、钻孔速度和钻孔成本。
牙轮钻头在孔底的运动是非常复杂的,特别是牙轮钻头与岩石的相互作用机理尚。
矿用牙轮钻机是露天矿山开采的主要穿孔设备之一。
广泛用于冶金、煤炭、化工、建材等工业部门的大中型露天矿山钻凿炮孔。
牙轮钻机穿孔原理,主要是通过其回转、加压机构使钻具回转,并给钻头施加轴向压力,由这种动压和静压产生的应力,使岩石破碎(剪碎和压碎),同时用压缩空气将岩渣排出,形成炮孔。
通过对矿用牙轮钻头牙爪进行瞬态动力学研究,以新的钻头运动学和动力学模型为基础对矿用牙轮钻头牙爪进行有限元力学数值模拟。
一、矿用牙轮钻头结构由于牙轮钻头结构的特殊性及在孔底运动的复杂性,使得人们对它的研究还不是很深入,尤其对移轴牙轮钻头的研究时间比较短,在移轴牙轮啮合图的绘制、运动学的研究方面的文献还很少,而在动力学方面的研究大都基于钻头为刚性体、岩石为弹性体的假设,这并不能够真实合理的反映牙轮钻头与岩石之间的相互作用。
1.牙掌。
牙掌是一个形状复杂的锻造零件。
其主要部位是各部轴承的轴颈、掌背、以及牙掌体上部与钻杆相联接的螺纹部分。
通常爪尖是整个牙掌的薄弱部分,为了减小掌背的磨损,在掌背与孔壁之间有一30~5的夹角,并在爪尖外表面处堆焊一层硬质合金粉,且镶嵌一些平头的硬质合金柱。
岩石的物理机械性质对钻探工作的影响岩石的物理机械性质对钻探工作的影响岩石作为地质构造中的重要组成部分,其物理机械性质对钻探工作具有重要影响。
岩石的物理机械性质主要包括岩石的强度、硬度、刚度、稳定性等,这些性质的差异会直接影响到钻探的效率与质量。
因此,本文将从岩石物理机械性质的角度探讨其对钻探工作的影响。
1.强度岩石的强度是指其抵抗外力破坏的能力,强度高的岩石相对难以被钻探。
岩石的强度与其成分、结构和岩石中存在的裂隙和断层有关。
强度高的岩石,如花岗岩、玄武岩等成分均匀的岩石,在钻探时所需的钻头摩擦力大,钻探速度较慢,而且容易造成钻头磨损。
而弱的岩石,如泥岩、砂岩等,容易被钻探穿过,但是在穿过的过程中易造成岩石剥落或塌方而导致隐患。
因此,在钻探工作中,钻探工程师需要根据地质情况调整钻探方案,选用不同的钻头和钻探机械来协调钻井工作。
2.硬度硬度是岩石抵抗划痕和磨损的能力,硬度越高的岩石,其钻探难度也越大。
例如,石灰岩的压实度较高,硬度也比较大,难以被钻探。
在地质勘探过程中,遭遇到硬度较高的岩石时,需要使用更高强度的钻头,增加转速和钻头磨损抗力,确保钻头能够有效地穿过岩石。
3.刚度刚度是指岩石在受力作用下的变形程度,刚度越大的岩石,其在钻探过程中产生的振动和位移也越大,可能对钻井工程造成影响。
对此,钻探工程师需要根据岩石的刚度特点,选择恰当的钻探工具并根据实际情况进行加强工程控制,以确保钻井过程的安全稳定。
4.稳定性钻探过程中,稳定性是一个关键的问题。
稳定性较好的岩石易于控制,反之,钻探难度会大大增加。
例如,泥岩、粘土等含水量较大、粘性较强的岩石,钻探时往往表现出不稳定性,阻力较大,呈现振动、抖动等现象,容易影响钻井工作的稳定性与质量。
在钻探过程中,对于容易变形、不稳定的岩石,需要及时采取措施进行支护或灌浆固化等处理措施,以保证钻井安全,降低安全隐患。
岩石的物理机械性质与钻井工作密切相关。
在进行钻井勘探时,钻探工程师需要充分理解岩石的物理机械性质,并根据岩石的特点选择合适的钻探方案,以确保钻井工作安全、高效、稳定。
第一节影响岩石爆破性的因素岩石是爆破的对象,金属矿山的绝大部分、非金属矿及煤矿等矿山的不少矿岩都采用爆破方法进行破碎和采掘。
为了取得良好的爆破效果,必须了解和掌握岩石的爆破性。
岩石的爆破性是岩石自身物理力学性质和炸药、爆破工艺的综合反映,它不仅是岩石的单一固有属性,而且是岩石一系列固有属性的复合体,,在爆破过程中表现出来,并影响着整个爆破效果。
影响岩石爆破性的主要因素,一方面是岩石本身的物理力学性质的内在因素(见表1.1);表1.1 几种典型岩石的物理力学特性另一方面是炸药性质、爆破工艺等外在因素。
前者决定于岩石的地质生成条件、矿物成分、结构和后期的地质构造,它表征为岩石密度或容重、孔隙性、碎胀性、弹性、塑性、脆性和岩石强度等物理力学性质;后者则取决于炸药类型、药包形式和重量、装药结构、起爆方式和间隔时间、最小抵抗线与自由面的大小、数量、方向以及自由面与药包的相对位置等等。
此外,还包括对爆破块度、爆堆形式以及抛掷距离等爆破效果的影响。
显然,岩石本身的物理力学性质是最主要的影响因素。
炸药爆炸对岩石的爆破作用主要有两个方面,其一是克服岩石颗粒之间的内聚力,使岩石内部结构破裂,产生新鲜断裂面;其二是使岩石原生的、次生的裂隙扩张而破坏。
前者取决于岩石本身的坚固程度;后者则受岩石裂隙性所控制。
因此,岩石的坚固性和岩石的裂隙性是影响岩石爆破性最根本的影响因素。
一、岩石的结构(组分)、内聚力和裂隙性对岩石爆破性的影响岩石由固体颗粒组成,其间有空隙,充填有空气、水或其它杂物。
当岩石受外载荷作用,特别是在受炸药爆炸冲击载荷作用下,将引起物态变化,从而导致岩石性质的变化。
矿物是构成岩石的主要成分,矿物颗粒愈细、密度愈大,愈坚固,则愈难于爆破破碎。
矿物密度可达4g/cm3以上,岩石的容重不超过其组成矿物的密度。
岩石容重一般为1.0~3.5g/cm3。
随着密度增加,岩石的强度和抵抗爆破作用的能力增大,同时,破碎或抛移岩石所消耗的能量也增加,这就是一般岩浆岩比较难以爆破的原因。
岩石的物理机械性质对钻探工作的影响岩石是地球表面最常见的构成物质之一,一直以来都是勘探工作中所重视的对象。
岩石的物理机械性质是指岩石在力学作用下所表现出来的性质。
在钻探工作中,了解岩石物理机械性质的重要性无法被低估。
本文将深入探讨岩石的物理机械性质对钻探工作的影响。
岩石物理机械性质的含义岩石物理机械性质指的是岩石在受到外部力以及其他作用下所产生的变形和破坏性质。
故,岩石物理机械性质包括以下几个方面:岩石的弹性模量岩石的弹性模量指的是岩石在受到外力作用时,与变形程度的关系。
弹性模量的数值越大,岩石的弹性越好,岩石越能够抵御变形。
这个性质对钻探工作影响很大。
在钻探过程中,钻具在岩石中作业,若岩石的弹性模量过低,就会发生钻具的堵塞、偏转等问题,影响钻探工作的正常进行。
岩石的塑性、粘性岩石的塑性、粘性是岩石物理性质的一个重要因素。
岩石的塑性是指其在变形后能够恢复原样的能力,而岩石的粘性则是指其在变形过程中奇怪的粘附作用。
这两个因素也直接影响到钻探工作。
若岩石的塑性、粘性太高,钻探过程中容易出现卡钻、断钻等问题。
岩石的抗压强度岩石的抗压强度是指其抗压的极限值。
显然,抗压强度的大小直接决定钻探的难度。
若岩石的抗压强度过高,就需要用更强大的钻具进行钻井。
岩石的稳定性岩石的稳定性影响到其自身的坍塌情况。
若岩石的稳定性差,就容易在钻探过程中发生岩石坍塌,导致钻孔变形,并增加出钻的难度。
岩石物理机械性质对钻探工作的影响通过上述的介绍可知,岩石的物理机械性质对钻探工作的影响十分重要。
下面将通过几个实例进一步说明这个问题。
钻探工作中岩石的粘塑性对出钻的影响对于粘土性固体,如泥岩、页岩以及富有机质突围物质等,钻探的过程中,由于其本身的粘塑性,很容易造成钻具的卡钻,出钻困难。
而在工作中,钻具如果长时间卡钻,则会给整个主钻孔带来极大的影响,会大范围缩小主钻孔的直径,造成损失。
因此,在钻探工作中,对岩石粘塑性的了解至关重要,对于出现此类情况,应及时采用完善的钻具救援现场,保证正常钻探。