钻井技术员成长之路.doc

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1、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，

2、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

3、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

4、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

5、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

6、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

7、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

8、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

9、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

10、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

11、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

12、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

13、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。

14、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

15、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。由于强度不仅仅是材料本身的一种力学性质，而且与材料内部的应力状态有关。如直接剪切试验，虽然强制它在

16、预定剪切面上产生剪切破裂，但有时预定剪切面未必是最容易剪裂的方向，这与剪切面上的力分布有关。大多数岩石达到强度极限，岩石呈现出各向异特征，岩石内部具有一定的应力梯度，所以要真了解岩石的抗剪强度，目前还有一定困难。在没有考虑其它因素影响情况下，各种强度大小的顺序为：三轴抗压强度单轴抗压强度抗剪强度单轴抗拉强度。岩石的三轴抗压强度最高，而单轴抗拉强度最低。单轴抗拉强度为单轴拉强度的10-50倍，而为抗剪强度的3-10倍左右。岩石试件在载荷的作用下，试件内部首先产生微裂隙压密高变形，当载荷逐渐增加，达到屈服极限时，就开始产生微破裂(有微破裂面)，随着微破裂逐渐扩展。当达到破坏强度时，宏观破裂面已逐渐

17、形成，最后导致试件完全破裂成几块。 因此，变形，破裂时相互依存的两个不同发展过程，在变形达到一定阶段，既包含着破裂的因素，而破坏阶段的到来也是变形不断发展的结果，所以，破坏实质上是破裂从量变到质变的一个过程。 岩石在常温常压下一般产生脆性破坏，但深埋地下的岩石却表现为明显的延性，岩石这一性质的变化时由于所处物理环境改变造成的。所谓脆性与延性至今尚无十分明确的定义，一般所谓脆性破坏是指由弹性变形发生急剧破坏，破坏后塑性变形较小。延性是指弹性变形之后产生较大的塑性变形而导致破坏，或者接发展为延性流动。所谓延性流动是指有大量的永久变形而不至于破坏的性质。对于岩石而言，破坏前永久应变在3%以下可作为脆

18、性破坏，5%以上作为延性破坏，3-5%为过渡情况。 岩石在地下一般处于三向应力状态，为了模拟这种状态下的力学性质，一般在室内进行岩石三轴应力试验。 一般来说，压力对砂岩，花岗岩强度的影响要比对石灰岩，大理岩大。另外压力对强度的影响程度，不是在所有压力范围内都是一样的。在开始增大围压时，岩石的强度增加比较明显；在继续增加围压时，相应的强度增量就变得越来越小；最后当压力很高时，有些岩石(例如石灰岩)的强度便趋于常数。 在三轴应力作用下，岩石机械性质的另一个显著的变化，就是随着围压的增大，岩石表现出从脆性到塑性的转变，并且围压越大，岩石破坏前所呈现的塑性也越大。 围压对岩石的弹性模量的影响一般可分两

19、种情况；对坚硬低孔隙的岩石影响较小，而对软弱高孔隙的岩石影响较大。 总的来说，随着围压的增大，岩石的抗压强度显著增加；随着围压的增大，岩石的变形显著增大；随着围压的增大，岩石的弹性极限显著增大；随着围压的增大，岩石的应力一应变曲线形态发生明显改变。岩石的性质发生了变化；由弹脆性一弹塑性一应变硬化。 在来说说岩石的抗压入破碎强度。钻井时岩石的破碎过程是异常复杂的，这不单是由于钻头破碎工具的形状是多种多样的，而且载荷也不是静载荷而是动载，载荷的大小及方向又随着时间而改变。此外，在井底岩石上还作用有岩石压力(纵向和侧向)，洗井液的压力，从钻头喷嘴射出的射流的动压以及地层本身孔隙中存在着的液体或气体的

20、压力等等(如果必要，还要考虑井底温度的作用)。对这样复杂的问题，要完全从纯理论上进行分析几乎是不可能的，因此，人们都设法对实际井底的情况进行适当的模拟，以便在试验室条件下去掌握各种因素对岩石破碎的作用和影响，从而提出对钻井实践有意义的合理建议以改善或提高钻井效率。 对钻井过程中岩石破碎的特点进行的分析表明，”压入的破碎”在破碎过程中起主要作用，例如牙轮钻头的齿在纵向载荷作用下压入岩石(一般是冲击的动载荷过程)，使齿面下的岩石产生体积破碎，形成坑穴；然后由于齿沿井底的滚辗作用使破碎的坑穴扩大，再加上钻头的水力作用不断剥离清除钻屑，冲蚀并扩大岩石的破碎体积(对某些岩石甚至可实现水力直接破岩)。对于

21、切削或磨削型的钻头(刮刀或金刚石)，既有在钻压作用下对岩石的压入，又有在钻头扭力的作用下对岩石的切削。由于这两种作用的综合过程，使岩石破碎所需的纵向压力大大减少。试验证明，大约只相当于静压入破岩时的1/6到1/14。 由此看来，各种钻头破岩的过程是相当复杂的。为了研究能反映钻头破岩时的岩石力学特性，如果把破岩的工程进行简化，并把一些条件理想化，仅仅抓住”静压力破碎”这个特点进行分析还是有可能的。为此，苏联学者史立涅尔分析了具有圆柱形的平底压头静压入岩石时在岩石中产生的应力状态并提出了确定岩石”硬度”(即抗压入强度)和塑性性质的一套方法。 由于压入时岩石的破碎特点，对石油钻井时岩石的破碎过程具有

22、一定的代表性，所以用压入法所测定的岩石力学特性在一定程度上能相对地反映钻井时岩石抗破碎的能力。 脆性岩石开始屈服时便达到了脆性的破碎，而塑性岩石的屈服极限则出现于破碎发生之前。 由于脆性破坏和塑性破坏的性质差别很大，与钻井过程中所用工具(钻头)的设计，选用有很大的关系。因此了解岩石脆性塑性及其转变压力是很重要的。三影响岩石力学性质的因素1动载(冲击加载速度)的影响 动载荷的主要特点是它的作用速度快，在几秒钟内施加的载荷在理论上是不会在岩石中产生于静载荷根本不同的应力分布，但冲击钻具或爆炸的作用时间很短(不到几个微秒)，可以在岩石中激起综合应力或是弹塑性的振动波。岩石对动载荷的抗力要比静载大得多

23、。岩石的抗压强度也是随着试件加载速度的增大而增大的。在高速加载时所得的抗压强度值要比低速加载时大得多。 变形速率的增大引起了抗压强度的相应增大。在所试验的变形速率范围内，岩石的抗压强度最多可提高2倍左右。在三轴试验的条件下，同样也观察到了岩石的强度随加载速度的增加而增大。在动载条件下岩石强度大幅度增大的原因。是应力作用的短暂性，使岩石变形和破坏的有关机理，在应力波的作用时间内不能达到完全的程度。冲击速度的增大，相应地也是变形速度的增大，供岩石变形的时间缩短了，使塑性变形的扩展受到了抑制，所以表现了塑性系数的下降。研究还表明，变形速度对低强度，高塑性及多孔岩石的性质的影响要比对高强度，低塑性岩石

24、的影响来得大。综上所述，可以认为，在目前牙轮钻头冲击岩石的速度范围内(不大于5米/秒)，动压入与静压入破碎岩石时，岩石的机械性质并不呈现有本质上的差异。2压力的影响： 压力的影响包括地应力(含上覆岩层压力)，井筒液柱压力及地层的孔隙压力三个方面。 上覆岩层压力是来源于岩层本身的重量。因此，只要知道了地下不同深度处各岩层的密度，便可以推算出该深度处的上覆层压力。由于地下岩层的密度是随岩性和深度变化的，所以上覆层压力也是随深度变化的。密度测井提供了计算上覆层压力的依据。 理论分析表明，无论是垂直的上覆岩层压力或是水平的地应力(均匀的或非均匀的)都会影响井壁岩石的应力状态，从而影响到井壁的稳定。当井

25、壁岩石的最大和小主应力的差值越大时，问题表现得也越严重。如果井内泥浆的比重太小，一些软弱岩层就会产生剪切破坏而坍塌或者出现塑性流动使井眼产生缩径。如果井内泥浆的比重过大，又会使一些地层造成破裂(压裂)。地层的破裂压力决定于井壁上的应力状态，而这个应力状态又和地应力的大小紧密相关。 液柱压力和孔隙压力的影响：如果岩石是干的，不渗透的，孔隙度小且孔隙中不存在液体或气体，则增加液柱压力就好比在三轴试验时增大岩样的围压。 岩石的屈服强度随着孔隙压力的减小而增大。当围压一定时，只有当孔隙压力相对地小时，岩石才呈现塑性的破坏；增大孔隙压力将使岩石由塑性破坏转变为脆性的破坏。一些受压页岩由于孔隙压力相当高，

26、当钻开井眼后，从井壁上因产生脆性的破坏而崩落，大概与这种机理有关。因此，在考虑页岩井壁的稳定时应该对孔隙压力给予足够的重视。相反地，在钻井工程中，孔隙压力有助于岩石的破碎从而提高钻井速度。 因此，随着井的加深或泥浆密度的增大，钻速的下降不仅是由于岩石硬度的增大，而且也由于岩石塑性的增大，特别是由于钻头齿每次与岩石的作用所破碎岩石的体积减小的缘故。 实际井底岩层中有孔隙流体的压力存在，因此岩屑的”压持作用”是由井底压差(即泥浆液柱压力与地层孔隙压力之差)引起的。钻头齿在冲击的间歇中，泥浆不可能全部移走被压持的岩屑，于是出现了岩屑的重切现象，这就是不良的井底清洗降低钻井速度的一个原因。 温度对岩石

27、机械性质的影响：高压，高温对岩石力学性质的影响对于地球物理学家和够咋地质学家研究地壳应力和构造运动是非常重要的。对于钻井来说，随着所钻地层深度的增加。作用于其上的压力和温度是同时增大的。因此，如不考虑压力的作用只单独研究温度的影响就没有多大意义。 总的来说，在高温的各向压缩条件下，大部分沉积岩石是具有塑性变形能力的，而且沉积岩开始呈塑性变形的压力和温度值要比硅质的火成岩和变质岩低得多。 如果根据岩样破坏前呈现残余变形的大小来估计岩石的塑性，则在埋深10000米的范围内，可以把沉积岩石的塑性从大到小列出如下的顺序，盐岩，石灰岩，泥页岩，石膏，白云岩，石英岩。液体介质对岩石机械性质的影响：许多研究

28、者都发现，岩石中所含的水分使岩石的强度下降，而且含水量越多，强度下降得越多。含水量对一些岩石，例如泥页岩，也会影响其塑性性质，增大其流变特性。关于液体介质对固体的作用机理，苏联科学院院士列宾捷尔系统进行了研究，认为在液体介质的作用下，使固体在变形和破坏过程中产生机械性质变化的原因，主要是由于在固液面产生的物理化学现象-润湿和吸附。根据液体的润湿程度，所有固体可分为两大类-亲水固体和憎水固体。亲水固体被水润湿得好些。被烃类液体润湿得差些。憎水固体则相反。几乎所有的钻井中所遇到的岩石都是亲水固体，都能被水很好的润湿。水渗入到岩石中润湿岩石颗粒表面，减弱颗粒间界的联结力，导致岩石强度的降低。越是多孔

29、及富含裂隙的岩石，水渗入得越深，岩石的强度也降低得越多。加表面活性剂于水中，将提高水的活性，能更大幅度地降低岩石的强度。如果在水中加入烃类非活性液体，则降低了水的活性，岩石的强度降低的幅度就比单纯的水要小得多。钻井时岩石的破碎过程主要是在液体介质中进行的。这些液体介质-洗井液的物理化学性质往往是非常复杂的，包含有各种具有表面活性的无机和有机的物质。在一定的条件下，液体介质由于吸附及润湿作用将促进岩石的破碎过程。吸附本身不仅覆盖着可见的岩石表面，而且也沿着颗粒的接触边界及裂隙(主要是微裂隙)渗入到表面层的深处。在钻井的岩石破碎过程中，尤其在岩石的疲劳破碎过程中，井底岩石的表面层上充满了数量众多的

30、各种尺寸和方向的裂纹，吸附层便沿着这些形成的表面裂隙挤入到井底岩石的深部，直到所吸附的原子或分子的尺寸等于裂纹的宽度为止。列宾捷尔认为，吸附层挤入微裂隙是由于产生吸附时，岩石的自由表面能减小的缘故。外来的介质，包括水，参与了岩石的破碎过程，而水的活性又由于加入吸附质而大大提高。这些被吸附的物质可称为”硬度减低剂”。而这种因吸附作用而降低硬度的现象被称为” 列宾捷尔效应”。对吸附降低硬度起主要作用的是微裂纹。大的裂隙只提供吸附层赖以挤入到最细薄裂纹入口处的通道。吸附层挤入微裂纹的速度与微裂缝的厚度无关。当液体流到为裂缝口时，液体能紧密地吸附在固体表面上的表面活性物质分子就能超过液体的侵入速度，沿

31、裂缝两面而跑在前头，一直跑到微裂缝最狭窄的地方。另外，还可以推测出被吸附物质进入固体内的另一种机理：当微裂缝在液面下形成时，为裂缝空间处于真空状态，所以液体的蒸汽以及液体中所溶解的物质能马上饱和微裂缝的空间，同时被吸附层能覆盖住微裂缝的整个表面，并在微裂缝两侧产生附加的契入压力以阻止裂缝的闭合，从而有助于疲劳裂纹的扩展，提高岩石破碎的效率。根据选择性吸附的道理，只要选择恰当的表面活性剂使其只对岩石表面产生吸附，而不是被金属或硬质合金所吸附，则也能同时到达提高钻头的耐磨性。四岩石的研磨性在用机械方法破碎岩石的过程中，钻井工具和岩石产生连续的或间歇的接触和摩擦，从而在破碎岩石的同时，这些工具本身也

32、受到岩石的磨损而逐渐变钝，损坏。除了金刚石以外，制造钻头的材料多为淬火钢或硬质合金，岩石磨损这些材料的能力称为岩石的研磨性。钻头刃的磨损 一般是表面的研磨性磨损，在有些情况下也可能出现疲劳的磨损，至于刮刀钻头硬质合金工作刃或人造金刚石聚晶块的脱落折断不属于正常的磨损。表面磨损，它是由钻头工作刃与岩石相摩擦的过程中产生微切削，刻划，擦痕等所造成的。这种研磨性磨损除了与摩擦材料的性质有关外，还取决于摩擦的类型和特点，摩擦表面的形状和尺寸，摩擦面的温度，摩擦的速度，摩擦体间的接触压力，磨损产物的性质和性状及其清除情况，参与摩擦的介质等因素。然而研究岩石的研磨性对于正确地设计和选择使用钻头，提高钻头的

33、进尺，延长其工作面的寿命(轴承的磨损及寿命问题不在此讨论之列)，对于提高钻井速度乃是极为重要的问题。晶质岩石的研磨性：相当于淬火钢而言，晶质岩石的研磨性是与组成它的矿物的微硬度成正比。组成晶质岩石的矿物的硬度越大，该岩石的研磨性也越大。在这类岩石中，研磨性由小到大的顺序为硫酸盐类岩石(石膏，重晶石)，碳酸盐岩(石灰岩和白云岩)，硅质岩石(玉髓和燧石)，铁-镁长石岩，石英岩。研磨性最小的是硫酸盐类岩石。如果岩石是由多晶矿物所组成的，则其研磨性决定于这些组成矿物的平均硬度。但是多晶(多种矿物成分)成分在结构上出现一个新的问题，即其表面粗糙度较高(矿物间的硬度及耐磨性的差别越大，表面粗糙度也显得越大

34、)，因此，在多晶岩石和单晶岩石的矿物硬度相同的情况下(多晶矿物的硬度是计算的平均值)，前者的研磨性略高于后者。不过，如果组成矿物的微硬度小，则附加的表面粗糙度对淬火钢的磨损并没有明显的影响。碎屑岩石的研磨性：按研磨性质而言，最重要的碎屑岩石是石英砂岩和粉砂岩，其余的碎屑岩因其组成的矿物具有较低的硬度，故具有和其矿物组成相当的晶质岩石相同的研磨性。晶质岩石和碎屑岩石的主要的本质的区别在于后者的强度性质决定于其胶结物的强度和结构。因此，在分析这类岩石的研磨性时作为主要的机械力学特征应该采用压入的硬度，因为它代表了碎屑颗粒间的联结强度即胶结物的强度。具有相同矿物成分的碎屑和晶质的研磨性的主要区别在于

35、摩擦表面具有不同的粗糙度特点。碎屑岩具有更高的表面粗糙度，而且岩石的孔隙度越大，颗粒越粗，棱角越多。其表面的粗糙度也高。高的粗糙度的表面导致增大摩擦时的真实接触压力。在自然条件下，许多低研磨性的岩石(泥质的，硫酸盐和碳酸盐的岩石)往往或多或少地含有石英颗粒。对于这类岩石，实际上钢的单位摩擦路程磨损和石英粒的含量百分比之间存在着正比的关系。而这类岩石的主要胎体矿物，相对来说，对研磨性的影响很小。从曲线看出，砂岩的研磨性与其压入硬度成反比。也就是说，随着砂岩胶结强度的降低，砂岩的研磨性增大。这可以解释为胶结物强度低，颗粒越容易从岩石上剥离出来而形成新的摩擦表面，并导致表面粗糙度增高。而且砂岩的孔隙

36、度越大(孔隙度本身也反映了低的压入硬度)，其表面的粗糙度也高。随着砂岩硬度的增大，摩擦表面越来越变成研磨的表面，粗糙度便降低了，这是砂岩的研磨性随着硬度增大而降低的主要原因。粉砂岩和砂岩的区别只在于粒度之不同，所以上述砂岩研磨性的规律也适用于粉砂岩。但是由于粉砂岩的粒度比砂岩小2/3到3/4，所以在硬度相同时，粉砂岩的研磨性要比砂岩小。硬质合金在碎屑石英岩石上的磨损规律也和淬火钢在低研磨性岩石上的磨损规律那样简单。随着砂岩和粉砂岩硬度的减小，硬质合金的磨损也增大，但增大得不多。而在同样的岩石硬度范围内，随着硬度的减小，淬火钢的磨损量却增大好几倍。这个道理是显而易见的，因为石英的硬度要比碳化钨的

37、硬度小得多。综上所述，盐岩，泥岩和一些硫酸盐岩，碳酸盐岩(当不含有石英颗粒时)属于研磨性最小的岩石；其次应为石灰岩和白云岩等，属于低研磨性的岩石；火成岩的研磨性一般属于中等或较高，要看这些岩石中所含长石和石英成分的多少以及颗粒粒度和多晶矿物间的硬度差而定。含长石及石英成分少，粒度细，矿物间的硬度差小的研磨性也小些，反之则研磨性较高；含有刚玉矿物成分的岩石应属于高研磨性的岩石；沉积碎屑岩的研磨性主要视其石英颗粒的含量极其胶结硬度而定，石英颗粒含量越多，粒度越粗，胶结强度越小的岩石，其研磨性越高，反之，如石英颗粒的含量少，颗粒细，胶结强度大的岩石，则其研磨性应较低。五岩石的流变特性岩石在长期载荷作

38、用下，应力，应变随时间而变化的性质称为岩石流变性。岩石是具有流变性的。李四光教授指出：”岩石的非弹性表象，除了岩石的塑性以外，还牵涉到岩石的弹塑性，滞弹性以及松弛现象，蠕变现象等问题。在近代，人们把这些问题统称为流变学问题。因此，岩石是一种具有流变性的物体”。某些在特定条件下的岩体，如破碎带，软弱夹层，断层，充填着粘土质的裂隙以及边坡等，在现今构造应力或自重作用下，随着时间的增长亦会产生显著的蠕变现象。在石油工程中的流变现象：在石油钻井过程中，当钻遇盐膏层时，会发生缩径现象；油田开发过程中，由于注水，泥页岩部位的套管会受到非均匀外载的作用等都与岩石蠕变有关。蠕变的定义：岩石在恒定载荷持续作用下

39、，其变形随时间逐渐缓慢地增长现象称为蠕变。应力松弛的定义：若控制变形保持不变，应力随时间的延长而逐渐减少的现象称为松弛或称应力松弛。岩石的蠕变性态可以通过单轴或三轴压缩，扭转或弯曲等蠕变试验来进行研究。试验表明：在恒定载荷作用下，只要有充分长的时间，应力低于或高于弹性极强性极限均能产生蠕变现象。但在不同的恒定载荷下，变形随时间增长的蠕变曲线却有差异。六井壁稳定 钻井之前，深埋地下的岩层受上覆岩层压力，最大水平地应力，最小水平地应力和孔隙压力的作用，处于平衡状态，打开井眼后，井内的岩石被取走，井壁岩石失去了所有的支撑，取而代之的是泥浆静液压力，在这种新条件下，井眼应力将产生重新分布，使井壁附近产

40、生很高的应力集中，如果岩石强度不够大，就会出现井壁不稳定现象。 井壁失稳问题，从广义上讲包括脆性泥页岩，低强度砂岩的井壁坍塌，塑性泥页岩井壁的缩径和粘弹性变形以及一些岩层在钻井液压力作用下的破裂。井壁失稳一般表现为坍塌(扩径)，缩径，破裂。 缩径：井眼压力较小，井壁岩石发生延性流动。缩径经常发生在易水化膨胀的泥页岩地层，在钻井过程中其主要表现形式为：起钻遇卡拔活塞，下钻遇阻划眼。 井漏：井眼压力大于地层破裂压力。井壁破裂常出现在裂缝或胶结差甚至无胶结物的破碎性地层。 井塌：井眼压力小于地层坍塌压力，同时容易发生井喷事故。井壁坍塌是井壁失稳中最常见的形式。 井壁不稳定的原因：如果井眼内的泥浆密度

41、过低，井壁应力将超过岩石的抗剪强度而产生剪切破坏(表现为井眼坍塌扩径或屈服缩径)，此时的临界井眼压力定义为坍塌压力。如果泥浆密度过高，井壁上将产生的拉伸应力，当拉伸应力大于岩石的抗拉强度时，将产生拉伸破坏(表现为井漏)，此时的临界井眼压力定义为破裂压力。在实际工程中，可以通过调整泥浆密度，来改变井眼附近地应力状态，达到稳定井眼的目的。 井壁失稳与岩石破坏类型的关系：井壁失稳时岩石的破坏类型主要有两种：拉伸破坏，剪切破坏。 剪切破坏又分为两种类型：一种是脆性破坏，导致井眼扩大，这会给固井，测井带来问题，这种破坏通常发生在脆性岩石中，但对于弱胶结地层由于冲地作用也可能出现井眼扩大。另一种是缩径，发

42、生在软泥岩，砂岩，盐岩等地层。在工程上遇到这种现象要不断地划眼，否则会出现卡钻现象。拉伸破坏或水力压裂会导致井漏，严重时可造成井喷。实际上井壁稳定与否最终都表现在井眼围岩的应力状态。应力超过强度包络线，井壁就要破坏，否则井壁就是稳定的。 综上所述，井壁失稳的原因可以概括其来分四大类:(1)地质力因素，原地应力状态、地层孔隙压力、原地温度、地质构造特征等。这些因素是不可改变的,只能准确地确定它们。 (2)岩石的综合性质，岩石的强度和变形特征等、孔隙度、含水量、粘土含量、组成和压实情况等。就一口井而言, 约75% 的岩层由泥页岩组成,而95% 的井壁失稳发生在泥页岩段, 且绝大多数受物理化学因素影

43、响所致。粘土矿物的这种特性在油气井钻井中又被称为泥页岩的水敏, 正是由于泥页岩的水敏性, 降低了泥页岩的强度, 改变了井周的应力分布, 造成井壁坍塌。(3)钻井液的综合性质、化学组成、连续相的性质、内部相的组成和类型、与连续相有关的添加剂类型、泥浆体系的维护等。特别是对于泥页岩和泥质胶结的砂岩，钻井液对它们的物理力学性质的影响非常的大。 (4)其它工程因素，包括打开井眼的时间、裸眼长度、井身结构参数（井深、井斜角、方位角）、压力激动和抽吸等。这些因素和参数之间相互作用、相互影响、使井壁稳定问题变得非常复杂。 总结： 通过上面对岩石的力学性质的介绍，大家对钻头破岩有了个理性的理解。如果要做更深入

44、的了解，大家可以通过学习别的关于岩石及岩石力学的书籍去加深。参考资料：1管志川，刘希圣钻井工程理论及技术2刘希圣钻井工艺原理3. 蔡美峰岩石力学与工程实习技术员的基本功（一）序言： 很感谢有这种机会，可以学习井队技术员方面的相关知识，特地将自己学习到的知识点总结起来，不是每位同学都能碰到好师傅，也不是每位师傅都会倾力相授自己的绝学，所以将自己所学习到的知识分享下，如果您有更好的，请及时补充！正文： 到了实习技术员这个岗位上，做任何事都要讲究精确和认真。言归正传，那么实习技术员第一项基本功就是读卡片，其次就是能准确完成每天的IADC和日报任务。一卡片上读当天的工况(1)修理时的工况 “卡片记录了

45、大钩上提与下放，通过这个卡片，我们可以从中看出很多工况。” -技术员如上图，这是某天中修理泵的工况，上提钻柱并刹住，是为了把钻头提离井底，防止钻具被埋。那么悬重在一段时间内都是固定的值，正常是一条直线，由于修泵时间过长，要时常活动钻具，防止粘卡，所以卡片上出现了记录指针的异动。(2)下套管时的工况如上图，由于表套和技术套管下的并不深，所以大钩悬重不会太高，井口下套管的操作是，大钩提起某根套管，出现小的悬重记录甚至忽略不计，与已入井口套管连接，上扣，这时大钩几乎没有悬重，所以出现了约十分钟的直线，上扣完，提起套管柱，解开吊卡，出现累计套管的悬重。然后重新接新的套管，大钩几乎又没有悬重。这一系列循

46、环步骤正好解释上面大钩记录。请读者仔细体会。(3)钻水泥塞如上图，由于钻水泥塞是轻钻压，慢慢把水泥塞钻穿，又因为我们队记录笔记已经记录了一口井，所以记录的不是很清晰，但是从时间上判断水泥塞钻了接近两个小时。由于钻水泥塞有：每45米上提划眼23次，每2530米大排量洗井12周，将水泥屑充分循环出地面的工艺要求，所以出现悬重变化频繁。(4)单点测斜上图是我队单点测斜记录状态，用测斜小绞车，钢丝带测斜杆下去。A段为卸开方钻杆时，大钩的一系列动作，卸开方钻杆，提起时悬重几乎为零，所以出现了一条直线的B段，然后下放测斜仪器，这一上一下几乎在25分钟左右。上图正好能解释。(5)循环如上图，钻进段的工况从接

47、单根开始，悬重是有大起伏的波动，最大时为整段钻柱悬重，最小时就是根方钻杆，然后就是接了一根小鼠洞里的钻杆，而且这一系列动作的时间都很短，上图钻进部分的前后两部分线可以解释，中间的送钻是时时刻刻的，所以出现了象苹果核似的形状。请读者细细体会。重点是循环，循环时要不停的上下划眼，所以大钩活动频繁，而且在一段循环时间内出现很多次高低峰值。(6)起钻仔细观察上图，不难发现，仿佛波峰是在慢慢减小。对了，就是这样，起钻时，刚开始悬重是整个钻柱的重量，此时悬重就是最大的，随着钻柱行成立柱进入了钻柱盒，这时悬重是慢慢减小的，待完全取出钻具，则悬重几乎为零。(7)下钻如上图，下钻就象是把起钻的过程反过来，大钩的悬重由小慢慢变大，直到后面悬重为整个钻杆柱的重量，然后开始划眼。(8)定向及复合钻进如上图，复合钻进了几根，根据每口井的不同，定向出现的位置也不同，但是都是有其特点的，要么反复提起，因为要摆正工具面，要么工具面已经摆正，因为是滑动钻进，所以大钩没有复杂的变化，送钻频率也很低。读者可以详细比较复合段和定向段，不难发现，它们之间的不同。(9)定向工况详细分析(能力提高) 我们要从卡片上详细读出实际接单根时间和纯钻进时间的话，应当怎么去判断？首先要说明下，所谓的接单根时间应该是划眼，定向和接单根开泵的时间。清楚这一点，我们就