钻井技术员成长之路

实习技术员的基本功(前传)序言：本集的目的在于阐明岩石的基本物理机械性质和基本的破碎规律以及影响这些规律的与石油钻井有关的各种因素的作用，以便为设计和使用钻头，正确地掌握钻井工艺过程的主要原理方面打下一些必要的基础。

通过本集的学习，能对钻井过程中的，钻时，井斜，井下复杂情况，有个科学的认识。

切不可封建迷信，凭感觉打井。

正文：一．岩石基础知识所有岩石都是矿物颗粒的集合体。

石油钻井中遇到的多数是沉积岩，有时也碰到一些变质岩。

这些岩石很少由一种矿物组成，多数是由两种以上矿物所组成。

这些岩石按其结构特点可以区分为晶质岩石和碎屑岩石两类，前者多属于变质岩，而后者多为沉积岩。

首先，矿物是均匀的，通常是由无机作用形成的，具有一定的化学成分和特定的原子排列(结构)的均匀固体，不能用物理的方法把它分成在化学上互不相同的物质。

其次，岩石是由一种或几种矿物按一定方式结构而成的天然集合体。

沉积岩在地壳表层分布最广泛，沉积岩覆盖了大陆面积的75%(平均厚度为2km)和几乎全部的海洋地壳(平均厚度为1km)面积一样大。

沉积岩时成层堆积的松散沉积物固结而成的岩石。

也就是说，它是早先形成的岩石破坏后，又通过物理或化学作用在地球表面(大陆和海洋)的低凹部位沉积，经过压实，胶结再次硬化，形成的具有层状构造特征的岩石。

沉积岩的各类很多，但若考虑到矿物颗粒的大小以及矿物成分等方面的因素，则可以将沉积岩分为砂岩，页岩和石灰岩岩三类。

砂岩包含的矿物颗粒的大小范围约为1/16nn至2mn。

这些颗粒大多来源于风化等侵蚀作用后的火成岩的矿物颗粒或者岩石碎片，也有不少颗粒来源于已经存在的砂岩风化的产物。

砂岩的主要矿物时石英，还有长石，特别是钾长石。

在沉积岩总量中，砂岩约占25%。

砂岩是石油，天然气的主力储层。

砂岩是一种典型的沉积岩，它是由许多变圆了的石英颗粒被碳酸钙(方解石)，粘土矿物铁质或硅质的胎体胶结而成的。

其强度主要决定于胎体的强度以及其中所含有的空隙的类型和数量。

硅质石英岩的强度很高，甚至比花岗岩大。

粗粒的灰质砂岩胶结弱，不接触的空隙占有很高的比例，所以其强度很低。

泥质胶结的砂岩的强度就更弱。

石英颗粒的尺寸也能影响到孔隙的数量及颗粒间的接触面积，因而也对岩石的强度起影响作用。

页岩是由直径不超过1/16mn的细颗粒矿物组成的，它占沉积岩总量的50%。

页岩以粘土矿物为主要造岩矿物。

也包含许多颗粒的石英，长石等其他矿物。

尽管页岩含量丰富，但它在地表的出露却不如砂岩广泛。

页岩颗粒致密，渗透性很差，可以形成不透水层，能防止石油，水，天然气等流失。

页岩(泥岩)是压实了的粘土，由微细的，一般具有微米级(小于0.01毫米)的高岭土，胶岭土，云母和石英的细颗粒所组成。

页岩与粘土的区别在于其致密性。

若给粘土矿物以一定的分子联接力，即使在湿化的条件下仍不会完全消失。

而粘土在湿化时则丧失其全部强度，它的破坏完全取决于其密度(比重)及外荷的大小。

页岩中的片状结构有助于它的湿化破坏。

页岩中的高孔隙度，不够致密也是它强度较弱的一个主要原因。

如施以高压，减小其孔隙能相应地增大其强度。

一般终将变成板岩；如其中含有高组分的细粒石英，则其强度还要增大。

泥岩的性质是较差的，特别是红色岩层中的泥岩，厚度薄，抗水性差，强度低，易软化和泥化，建筑物易沿这些软化和泥化后的结构面滑动。

石灰岩占沉积岩总量的20%，是第三号重要的沉积岩。

它以方解石和白云石为主要造岩矿物，石英和长石的含量不足10%。

一般说来，岩石中的矿物颗粒是由胎体胶结在一起，或在颗粒的界面处靠接触力而联接在一起。

因此，岩石的强度将首先决定于胎体(或胶结物)的强度和颗粒间的接触面积。

在其他因素不变的情况下，同类岩石的强度便与颗粒的接触面积成正比，而与颗粒的尺寸成反比。

碎屑岩是由单个颗粒通过胶结物胶结而成的，其中有大量的孔隙，常见的胶结物有钙质和硅质两种。

结晶沉积岩的结构是由沉积过程中生成的晶体决定的，晶体形成一种紧密排列结构，没有孔隙，如岩盐，它不能成为生油，储油层，但却是油气层的很好的盖层。

由于岩石微观结构上的特点使多数岩石具有内部的孔隙空间，其孔隙度随岩石的类型及其内部结构而异。

岩石的孔隙空间，一般是由连续的不规则的由矿物颗粒所分开的毛细裂缝所构成。

沉积岩的孔隙度在很大程度上取决于所含胶结物的数量，颗粒组成的粒度及其排列充填情况。

岩石的力学性质受其孔隙，裂隙，含有薄弱杂质点等的影响。

岩石是由固体的矿物和矿物颗粒之间的孔隙组成的，孔隙中通常有孔隙流体存在。

在砂岩的扫描电子显微镜照片，我们可以清楚地看到砂岩中的石英颗粒，并且还可以看到石英颗粒之间存在流体流通的网络。

岩石正是这样一种特殊的多孔介质，一种由固相矿物体和流动的孔隙流体组成的多相体。

孔隙流体的存在，对岩石性质有极其重要的影响。

例如，岩石中孔隙体积增加1%，会导致岩石弹性参数变化10倍，或者更多，也会导致岩石渗透率发生几个数量级的变化。

岩石内部孔隙及孔隙流体的存在，是石油得以生成，矿物得以富集的前提。

岩石中的孔隙在很大程度上影响岩石的密度。

一般认为，岩石的孔隙度会随其埋藏深度的增加而减小，或岩石的密度会随埋藏的增加而增大。

这已由密度测井所证实。

因此，一般地讲，岩石的强度将随其埋藏深的增加而增大。

但是有时也会出现例外的情况，例如对于非正常压实的泥页岩地层，由于孔隙中的水分未被充分排出而显现密度异常，从而降低了它的强度。

有些泥页岩具有明显的层理。

泥浆中的水分常沿这些层理面侵入而引起井壁坍塌；从地下取出这些岩层的岩芯也常由于地应力的解除和吸水，会沿层理而裂开破碎。

以上介绍的是本油田经常遇到岩石类型的内部结构，接着谈谈这些岩石的断裂(即岩石的裂隙性)和层理等特点。

沉积岩的主要外部结构特征是在沉积岩沉积过程中所形成的层理。

层理可以定义为在垂直方向上岩石成分变化的情况。

层理的形象主要决定于下列原因：成分相同时颗粒大小在垂直方向上的变化；不同成分颗粒的交替和某些矿物颗粒在一定方向的指向等。

在某些岩石中，特别是在化学沉积物中和在碳酸盐类岩石中，层理表现很不明显。

甚至在砂岩和层状岩石中，只有在很大块岩石中才可以区别出层理来。

在钻井地质剖面上锁表示的岩性变化，软硬夹层等就是层理变化的反映。

片理是岩石沿平行的平面分裂为薄片的能力。

片理常常不与层理面相一致。

片理面常发生于单向地质构造压力作用的方向，而这种压力可以和层理面成不同的角度。

除了片理外，有时还会产生两个裂隙系，在大多数情况下，这两个裂隙系成斜角相交，井垂直于片理面而分布着。

由于岩石在结构上的特点使多数岩石的性质具有不均匀性和各向异性。

即使不具有裂隙和明显层状的岩块试件，也可以带有各向异性的特点。

这是岩石内部结构性(微观结构)的反映。

岩石中的矿物定向排列，沉积过程中具有的微层理性，变质过程中所形成的片理以及在地壳构造力作用下所形成的劈理等等。

都会使岩石的物理力学性质带上各向异性的特征。

岩石的各向异性，表现在它的强度及变形特性等各方面。

二．岩石的力学性质首先补充一下，本油田内部区块岩石约为：白色盐岩，灰褐色油浸泥岩，深灰色泥岩，深灰色膏质泥岩，灰色泥岩，灰色泥质粉砂岩，灰色砂质泥岩，灰色膏质泥岩，灰色泥质盐岩，白色盐质泥岩，褐灰色油迹泥质粉砂岩，褐灰色油迹粉砂岩。

岩石力学性质主要是指岩石的变形特征及岩石的强度。

影响岩石力学性质的因素很多，例如岩石的类型，组构，围压，温度，应变率，含水量，载荷时间以及载荷性质等等。

由于下面的内容，在资料1中(作者：专业教科书)中有详细的描述，这里就没有出现的结论做简单的介绍。

大家可以参照教科书加深了解。

在一定的形式的应变情况下，拉伸应力的作用愈大，则在这种应力状态下岩石的强度会愈小。

因此，岩石的抗剪强度大于抗弯强度，更大于抗拉强度，而岩石的抗压强度最大。

当有外力作用于物体使其变形时，这种分子间作用力便阻碍其变形。

待物体因受外力而变形至某一程度，分子间的作用力适与外力相等而成平衡。

此时物体便处于平衡状态。

当除去外力，物体能回复原来状态的特性，称为弹性。

当除去外力，物体不能恢复原状的特性，称为塑性，有的也称受范性。

除了残余变形(非弹性变形)属于塑性的现象以外，松弛，后效，蠕变，疲劳等也属于塑性的变形现象。

第一种类型为弹性变形，由加载直至破坏应力-应变曲线近似线性特征，例如玄武岩，石英岩，辉绿岩，白云岩和坚硬的石灰岩等。

第二种类型为弹一塑性变形，应力一应变曲线在接近破坏载荷时出现连续的非弹性变形。

例如软弱的石灰岩，粉砂岩和凝灰岩等。

第三种类型为塑弹性变形，应力一应变曲线在低应力下表现出向上弯曲的现象，随后近似线性关系，直到破坏，例如砂岩，花岗岩。

第四种类型及第五种类型为塑一弹一塑性变形，应力一应变曲线均呈现S形曲线。

这两种曲线不同之点：前者近似直线部分较陡，且初始阶段压缩性较小，例如变质岩中大理石和片麻岩。

后者直线部分较缓，表示同样应力下变形量较大，且初始阶段具有高度压缩性。

它们之间的共同特点是在接近破坏时均显示出不同程度的非弹性变形。

第六种类型为弹一塑一孺变变形，曲线的直线部分很短，随后产生非弹性变形和连续蠕变，例如盐岩和软泥等。

岩石强度的含义是值岩石不致产生破坏而能抵抗的最大应力，而岩石力学中常将破坏应力定义为岩石强度。

单轴强度是指岩石试件在单轴载荷下达到破坏时的最大应力，一般分成抗压，抗拉，抗剪强度等等。

我们知道岩石的力学性质取决于组成晶体，颗粒和胶结物之间的相互作用以及裂缝，节理，层面和断层的存在。

在研究岩石的力学性质时，一方面，很难根据它的组成颗粒的性质来说明该岩石的力学性质，特别是它的强度；另一方面，由于裂缝，节理，层面和断层的分布如此多变，以至于受这种分离影响的大块岩石的力学性质，对于任何其它大块岩体来说很少有共同的联系。

因此在确定岩石的最基本的力学性质时，应包含足够数量的组成颗粒，同时要排除较大的结构不连续性，使试件具备大致均匀的性质，尺寸为几到几十厘米的岩样一般适用于此要求，并且可以很方便地在实验室进行试验。

岩石抗拉强度远远低于抗压强度，一般前者为后者的1/10到1/20，甚至1/50。

其抗拉强度低的原因主要是出于岩石内部孔隙的影响，一般情况由于岩石内部微裂隙，孔孔较为发育，这种缺陷以抗拉强度降低尤为敏感，在拉应力作用下具有削弱岩石强度的效应。

岩石的抗拉强度还受到岩石本身内部组分的影响，例如矿物成分，颗粒间胶结物的强度都影响岩石的抗拉强度。

另外，岩石的抗拉强度一般随着加载速率的增加而增大。

岩石的抗拉强度随着俄温度，湿度及孔隙度增加而降低。

这个结论与抗压强度相同，但增加或减低的幅度却并不一样。

抗剪试验表明，剪切面上所受的正应力越大，试件被剪破坏前剪切面上所能承受的剪应力也越大，因为剪切破坏发生前一要克服粘结力(内聚力)，二要克服剪切面上的摩擦力，正应力越大，摩擦力也越大。