1、第第1章章 巖石的工程力學性質巖石的工程力學性質1.1 巖石的類型及特點巖石的類型及特點1.2 巖石的工程力學性質巖石的工程力學性質1.3 巖石可鉆性與研磨性巖石可鉆性與研磨性1.1 巖石的類型及結構特點巖石的類型及結構特點（1 1） 巖石的組成巖石的組成巖石：巖石：是組成地殼的基本物質，它是由礦物或巖屑在地質是組成地殼的基本物質，它是由礦物或巖屑在地質作用下按一定規律聚集而形成的自然體，具有一定作用下按一定規律聚集而形成的自然體，具有一定的強度。的強度。礦物：礦物：在地殼中有一定的化學成份和物理性質的自然元素在地殼中有一定的化學成份和物理性質的自然元素或化合物稱為礦物，是地殼中的各種化學元素

2、在各或化合物稱為礦物，是地殼中的各種化學元素在各種作用下形成的產物。常見的造巖礦物如下表。種作用下形成的產物。常見的造巖礦物如下表。化合化合 組合組合元素元素 礦物礦物 巖石巖石 常見的造巖礦物常見的造巖礦物序號序號名稱名稱化學成分化學成分1正長石正長石kAISI3O82斜長石斜長石NaAISI3O8或或CaAI2SI2O83石英石英SIO24白云母白云母KAI2(SI3AI)O10(OH)25黑云母黑云母K2(MgFe)6(SIAI)8O20(OH)46角閃石角閃石Na、Ca、Mg、Fe、AI的硅酸鹽的硅酸鹽7輝石輝石Ca、Mg、Fe、AI的硅酸鹽的硅酸鹽8橄欖石橄欖石(MgFe)2SIO4

3、9方解石方解石CaCO310白云巖白云巖CaMg(CO3)211高嶺土高嶺土AI2SI2O5(OH)412氧化鐵氧化鐵2FeO33H2O或或Fe2O3花崗巖，是由石英、長石、和云母顆粒組成的?；◢弾r，是由石英、長石、和云母顆粒組成的。(2) (2) 巖石的類型巖石的類型根據成因分為三類：巖漿巖、沉積巖、變質巖根據成因分為三類：巖漿巖、沉積巖、變質巖成因成因舉例舉例特點特點巖漿巖巖漿巖（火成（火成巖）巖）巖漿在地下巨大的壓力的作用下沿地殼巖漿在地下巨大的壓力的作用下沿地殼薄弱地帶侵入地殼上部或噴出地表（火薄弱地帶侵入地殼上部或噴出地表（火山活動），隨著溫度、壓力的變化，冷山活動），隨著溫度、壓力

4、的變化，冷卻凝固而形成。卻凝固而形成。玄武巖玄武巖礦物結晶顆粒細小，礦物結晶顆粒細小，有的有流紋或氣孔有的有流紋或氣孔花崗巖花崗巖礦物結晶顆粒較大礦物結晶顆粒較大沉積巖沉積巖出露地表的巖石，在各種外力作用下，出露地表的巖石，在各種外力作用下，經過風化、侵蝕、搬運、沉積、固結而經過風化、侵蝕、搬運、沉積、固結而形成的巖石形成的巖石礫巖礫巖砂巖砂巖頁巖等頁巖等具有層理構造和含具有層理構造和含有化石有化石變質巖變質巖已形成巖石，在巖漿活動、地殼運動產已形成巖石，在巖漿活動、地殼運動產生的高溫、高壓條件下，使原巖石成分、生的高溫、高壓條件下，使原巖石成分、性質發生改變而形成的新巖石性質發生改變而形成的

5、新巖石大理巖大理巖板巖板巖具有片理構造具有片理構造鉆井中常遇到的巖石隨著地球隨著地球上主要地上主要地質過程的質過程的演變，這演變，這三類巖石三類巖石之間可以之間可以互相轉變。互相轉變。(3) (3) 沉積巖的類型沉積巖的類型根據沉積巖的成因、成份及結構分為：粘土巖、碎屑巖、根據沉積巖的成因、成份及結構分為：粘土巖、碎屑巖、碳酸鹽巖等。碳酸鹽巖等。(1) (1) 巖漿巖巖漿巖花崗巖、玄武巖、安山巖、橄欖巖、輝長巖、閃長巖、流紋巖等；花崗巖、玄武巖、安山巖、橄欖巖、輝長巖、閃長巖、流紋巖等；(2) (2) 變質巖變質巖片麻巖、片巖、大理巖方解石）、千枚巖、板巖、石英巖等；片麻巖、片巖、大理巖方解石

6、）、千枚巖、板巖、石英巖等；沉積巖：沉積巖：粘土巖：泥巖頁巖）：粘土巖：泥巖頁巖）：碎屑巖：礫巖、砂巖粗砂巖、中砂巖、細砂巖）、粉砂巖碎屑巖：礫巖、砂巖粗砂巖、中砂巖、細砂巖）、粉砂巖碳酸鹽巖：石灰巖、白云巖、鹽巖碳酸鹽巖：石灰巖、白云巖、鹽巖( (易水化易水化) )、石膏易變形）、鹽膏巖、石膏易變形）、鹽膏巖根據方解石和白云石的相對含量，碳酸鹽巖分為石灰巖和白云巖。根據方解石和白云石的相對含量，碳酸鹽巖分為石灰巖和白云巖。方解石含量方解石含量50%50%為石灰巖；白云石含量為石灰巖；白云石含量50%50%為白云石；為白云石；泥巖泥巖60% 60% ，砂巖，砂巖30%30%，碳酸鹽巖居第三位。

7、，碳酸鹽巖居第三位。(4) (4) 過渡巖性泥質、砂質、粉砂質）：過渡巖性泥質、砂質、粉砂質）： 泥巖泥巖砂質泥巖砂質泥巖粉砂質泥巖頁巖；粉砂質泥巖頁巖； 礫巖砂巖泥質砂巖泥質粉砂巖粉砂巖；礫巖砂巖泥質砂巖泥質粉砂巖粉砂巖； 石灰巖含泥質灰巖、泥灰巖、砂質石灰巖、粉砂質石灰巖、含泥質白石灰巖含泥質灰巖、泥灰巖、砂質石灰巖、粉砂質石灰巖、含泥質白云巖、砂質白云巖、粉砂質白云巖白云巖。云巖、砂質白云巖、粉砂質白云巖白云巖。 沉積巖的類型沉積巖的類型根據沉積巖的成因、成份及結構分為：碎屑巖、粘土巖、根據沉積巖的成因、成份及結構分為：碎屑巖、粘土巖、碳酸鹽巖等。碳酸鹽巖等。0.5mm1.0mm0.25

8、mm0.1mm0.01mm粘土粉砂 細砂中砂粗砂礫石泥巖頁巖砂巖礫巖部分巖漿巖部分巖漿巖 沉積巖的特點沉積巖的特點 （1 1結構特點結構特點 結構指巖石的微觀組織特征，包括礦物成分、顆粒大小、結構指巖石的微觀組織特征，包括礦物成分、顆粒大小、形狀及排列方式、顆粒間的膠結情況等。形狀及排列方式、顆粒間的膠結情況等。 特點：礦物成分不確定，顆粒大小不等、顆粒形狀多樣、特點：礦物成分不確定，顆粒大小不等、顆粒形狀多樣、顆粒分布不均勻、膠結強度有強有弱。顆粒分布不均勻、膠結強度有強有弱。 （2 2構造特點構造特點 構造指巖石的宏觀組織特征，是指巖石組分的空間分布及構造指巖石的宏觀組織特征，是指巖石組分

9、的空間分布及其相互間的位置。如：層理、節理裂隙）、孔隙度等。其相互間的位置。如：層理、節理裂隙）、孔隙度等。 普通，沉積巖具有明顯的層理特征。普通，沉積巖具有明顯的層理特征。 層理：層理： 巖石一層一層疊起來的現象。傾斜的層狀結構是沉積巖的主巖石一層一層疊起來的現象。傾斜的層狀結構是沉積巖的主要構造特征。要構造特征。 形成層理的原因：形成層理的原因： 沉積巖常具有一層一層近似平行的層理，為不同時期沉積環沉積巖常具有一層一層近似平行的層理，為不同時期沉積環境變化所制。最初的層理近似水平，其后受到地殼變動影響可境變化所制。最初的層理近似水平，其后受到地殼變動影響可能傾斜、彎曲或斷裂。能傾斜、彎曲或

10、斷裂。 層理的分類：層理的分類： A A、成分相同時顆粒大小在垂直方向上的變化、成分相同時顆粒大小在垂直方向上的變化 B B、不同成分顆粒的交替沉積、不同成分顆粒的交替沉積 C C、某些礦物顆粒指向相同、某些礦物顆粒指向相同 D D、某種礦物顆粒呈規律性的分布、某種礦物顆粒呈規律性的分布在某些巖石中的化學沉積物，層理表現的很不明顯。有時在某些巖石中的化學沉積物，層理表現的很不明顯。有時在砂巖和層狀巖石中，只有在很大塊巖石中才可以區別出在砂巖和層狀巖石中，只有在很大塊巖石中才可以區別出層理來。層理來。在鉆井地質剖面上所表現的巖性變化、軟硬夾層等就是層在鉆井地質剖面上所表現的巖性變化、軟硬夾層等就

11、是層理變化的反映。理變化的反映。 (3)(3)各向異性和非均質性各向異性和非均質性 各向異性各向異性: :如果物體的某一性質隨方向的不同而不同如果物體的某一性質隨方向的不同而不同, ,則稱則稱物體具有各向異性。物體具有各向異性。 巖石一般具有各向異性的性質。如在垂直于或平行于層理面巖石一般具有各向異性的性質。如在垂直于或平行于層理面的方向上，巖石的力學性質彈性、強度等有較大的差的方向上，巖石的力學性質彈性、強度等有較大的差異。異。巖石的各向異性性質是由巖石的構造特點所決定的。巖石的各向異性性質是由巖石的構造特點所決定的。結晶礦物的定向排列、層理、片理、節理等使得巖石具有各結晶礦物的定向排列、層

12、理、片理、節理等使得巖石具有各向異性的特點。向異性的特點。片理是巖石沿平行的平面分裂為薄片的能力。片理是巖石沿平行的平面分裂為薄片的能力。不均質性不均質性: : 如果物體中不同部分的物理、化學性質不同，稱如果物體中不同部分的物理、化學性質不同，稱該物體是不均質的。該物體是不均質的。l 巖石一般為非均質體。這是由巖石成分、顆粒大小、顆巖石一般為非均質體。這是由巖石成分、顆粒大小、顆粒間的膠結強度粒間的膠結強度 、孔隙度密度等不均質性造成的。、孔隙度密度等不均質性造成的。l 測定巖石的力學性質時，不同部位的實驗結果常存在很測定巖石的力學性質時，不同部位的實驗結果常存在很大的差異，因此，采用統計學理

13、論，取合適的均值作為大的差異，因此，采用統計學理論，取合適的均值作為代表。代表。 生油層最下面）：泥質巖類和碳酸鹽巖類。生油層最下面）：泥質巖類和碳酸鹽巖類。 泥質巖類生油層以泥巖、頁巖為主，其次為砂質泥巖、泥質粉砂巖等；泥質巖類生油層以泥巖、頁巖為主，其次為砂質泥巖、泥質粉砂巖等； 碳酸鹽巖類生油層以灰巖、泥灰巖、石灰巖、白云巖為主。碳酸鹽巖類生油層以灰巖、泥灰巖、石灰巖、白云巖為主。 儲集層中部）：能夠儲集石油和天然氣，并在其中流動的巖層。分為碎屑巖類、儲集層中部）：能夠儲集石油和天然氣，并在其中流動的巖層。分為碎屑巖類、碳酸鹽巖類。碎屑巖儲集層為主，碳酸鹽巖儲集層在四川油田、華北油田等存

14、在。碳酸鹽巖類。碎屑巖儲集層為主，碳酸鹽巖儲集層在四川油田、華北油田等存在。 碎屑巖儲集層巖性包括礫巖、礫狀砂巖、粗砂巖、中砂巖、細砂巖和粉砂巖。中、碎屑巖儲集層巖性包括礫巖、礫狀砂巖、粗砂巖、中砂巖、細砂巖和粉砂巖。中、細砂巖儲集層分布最廣，儲油物性最好；細砂巖儲集層分布最廣，儲油物性最好； 碳酸鹽巖類儲集層巖性包括石灰巖、白云巖、白云質灰巖、生物碎屑灰巖、鮞狀碳酸鹽巖類儲集層巖性包括石灰巖、白云巖、白云質灰巖、生物碎屑灰巖、鮞狀灰巖等，特征：有裂縫、孔洞等?；規r等，特征：有裂縫、孔洞等。 蓋層上部）：指位于儲集層之上的一個封隔儲集層，避免其中油氣向上逸散的蓋層上部）：指位于儲集層之上的一個

15、封隔儲集層，避免其中油氣向上逸散的保護層。保護層。 常見的蓋層巖性類型為：頁巖、泥巖、鹽巖、石膏和無水石膏等。常見的蓋層巖性類型為：頁巖、泥巖、鹽巖、石膏和無水石膏等。 其中，頁巖和泥巖蓋層常與碎屑巖儲集層伴生；鹽巖、石膏則多與碳酸鹽巖儲集其中，頁巖和泥巖蓋層常與碎屑巖儲集層伴生；鹽巖、石膏則多與碳酸鹽巖儲集層共存。層共存。生、儲、蓋組合生、儲、蓋組合第第1章章 巖石的工程力學性質巖石的工程力學性質1.1 巖石的類型及結構特點巖石的類型及結構特點1.2 巖石的工程力學性質巖石的工程力學性質1.3 巖石可鉆性與研磨性巖石可鉆性與研磨性1.2 巖石的工程力學性質巖石的工程力學性質 物理性質：密度，

16、孔隙度，飽和度物理性質：密度，孔隙度，飽和度水理性質：吸水性、透水性、軟化性、抗凍水理性質：吸水性、透水性、軟化性、抗凍性、可溶性、膨脹性及崩解性性、可溶性、膨脹性及崩解性工程力學性質：巖石受力后表現出來的變形工程力學性質：巖石受力后表現出來的變形特性和強度特性特性和強度特性強度性質：抗壓強度、抗拉強度、抗強度性質：抗壓強度、抗拉強度、抗剪強度等剪強度等變形性質：彈性模量及泊松比變形性質：彈性模量及泊松比幾個概念：幾個概念：彈性：巖石在外力作用下產生變形，外力撤銷后變形隨之消失，彈性：巖石在外力作用下產生變形，外力撤銷后變形隨之消失，恢復到原來的形狀和體積的性質稱為彈性，相應的變形稱為恢復到原

17、來的形狀和體積的性質稱為彈性，相應的變形稱為彈性變形。彈性變形。塑性：巖石在外力作用下產生變形，外力撤銷后變形不能完全塑性：巖石在外力作用下產生變形，外力撤銷后變形不能完全恢復的性質。相應的殘余變形稱為塑性變形?；謴偷男再|。相應的殘余變形稱為塑性變形。脆性：巖石在外力作用下變形很小小于脆性：巖石在外力作用下變形很小小于3%3%）就發生破壞的性）就發生破壞的性質。相應的破壞稱為脆性破壞。質。相應的破壞稱為脆性破壞。強度：巖石在外力作用下發生破壞時所承受的最大應力。強度：巖石在外力作用下發生破壞時所承受的最大應力。 抗拉強度抗拉強度巖石單純受拉伸應力破壞時的強度巖石單純受拉伸應力破壞時的強度 抗壓

18、強度抗壓強度巖石單純受壓縮應力破壞時的強度巖石單純受壓縮應力破壞時的強度 抗剪強度抗剪強度巖石單純受剪切應力破壞時的強度巖石單純受剪切應力破壞時的強度 抗彎強度抗彎強度巖石單純受彎曲應力破壞時的強度巖石單純受彎曲應力破壞時的強度 巖石名稱巖石名稱抗壓強度抗壓強度(MPa)抗拉強抗拉強度度 (MPa)巖石名稱巖石名稱抗壓強度抗壓強度(MPa)抗拉強度抗拉強度 (MPa)花崗巖花崗巖100250725頁頁 巖巖5100210流紋巖流紋巖1603001230粘土巖粘土巖2150.31閃長巖閃長巖1202801230石灰巖石灰巖40250720安山巖安山巖1403001020白云巖白云巖8025015

19、25輝長巖輝長巖1603001235板板 巖巖60200720輝綠巖輝綠巖1503501535片片 巖巖10100110玄武巖玄武巖1503001030片麻巖片麻巖50200520礫巖礫巖10150215石英巖石英巖1503501030砂砂 巖巖20250425大理巖大理巖100250720常見巖石的抗壓及抗拉強度常見巖石的抗壓及抗拉強度巖石的變形性質：彈性模量和泊松比巖石的變形性質：彈性模量和泊松比產生彈性變形的物體在變形階段，應力與應變產生彈性變形的物體在變形階段，應力與應變的關系服從虎克定律：的關系服從虎克定律：=E彈性模量彈性模量：巖石每增加單位應變所需增加的應力。：巖石每增加單位應變

20、所需增加的應力。式中：式中：E彈性模量；彈性模量； 應力；應力；應變應變泊松比：壓縮應力作用下巖石橫向應變與縱向應泊松比：壓縮應力作用下巖石橫向應變與縱向應變之比。變之比。/E縱橫常常見見巖巖石石的的彈彈性性模模量量與與泊泊松松比比巖石名稱巖石名稱彈性模量彈性模量 (104MPa)泊松比泊松比巖石名巖石名稱稱彈性模量彈性模量 (104MPa)泊松比泊松比花崗巖花崗巖510O.10.3頁頁 巖巖O.280.2O.4流紋巖流紋巖510O.10.25石灰巖石灰巖5100.20.35閃長巖閃長巖715O.1O.3白云巖白云巖59.40.150.35安山巖安山巖5120.2O.3板巖板巖28O.20.3

21、輝長巖輝長巖7150.10.3片巖片巖19O.2O.4玄武巖玄武巖612010.35片麻巖片麻巖1100.10.35砂砂 巖巖0.510O.20.3石英巖石英巖6200.080.25點點B B：發生彈性到塑：發生彈性到塑性行為過渡點，稱為性行為過渡點，稱為屈服點，屈服點，SS稱為屈稱為屈服應力。服應力。CD段：曲線下降，是由段：曲線下降，是由于裂縫發生了不穩定傳播，于裂縫發生了不穩定傳播，新的裂隙分叉發展，使巖新的裂隙分叉發展，使巖石開始解體。石開始解體。最高點最高點C C的應力稱為強度極限的應力稱為強度極限C(C(如為單軸如為單軸試驗便稱為單軸抗壓強度試驗便稱為單軸抗壓強度) )BCBC段：

22、隨著載荷的繼續增大，變形和載荷呈非線性關系，裂隙進入不穩定發展狀段：隨著載荷的繼續增大，變形和載荷呈非線性關系，裂隙進入不穩定發展狀態，這是破壞的先行階段。這一段應力態，這是破壞的先行階段。這一段應力- -應變曲線的斜率隨著應力的增加逐漸減小應變曲線的斜率隨著應力的增加逐漸減小到零，曲線向下凹，在巖石中引起不可逆變化。塑性變形階段。到零，曲線向下凹，在巖石中引起不可逆變化。塑性變形階段。強度獲取方法：對具體的巖石進行強度試驗強度獲取方法：對具體的巖石進行強度試驗 巖巖石石的的強強度度抗壓強度抗壓強度抗拉強度抗拉強度抗剪強度抗剪強度抗彎曲強度抗彎曲強度通常情況下：通常情況下：抗壓抗壓 抗剪抗剪

23、抗彎抗彎 抗拉強度抗拉強度 在巖樣上施加軸向壓縮載荷直在巖樣上施加軸向壓縮載荷直至破壞時單位面積上的載荷，通過至破壞時單位面積上的載荷，通過單軸抗壓試驗來獲得。單軸抗壓試驗來獲得。實驗要求：實驗要求：* *施加壓力的方向應平行于巖心的軸線施加壓力的方向應平行于巖心的軸線* *巖樣長度巖樣長度L L應適當，應適當，L/DL/D很小時，試件中的很小時，試件中的應力分布趨于三軸應力狀態，具有較高的強應力分布趨于三軸應力狀態，具有較高的強度；度；L/DL/D很大時，將發生彈性不穩定破壞；很大時，將發生彈性不穩定破壞；L/DL/D應適中，一般以應適中，一般以L/D=2.53.0L/D=2.53.0較好。

24、較好。* *盡量減小端面效應，設法降低試件端面與盡量減小端面效應，設法降低試件端面與加壓板間的摩擦。加壓板間的摩擦。* *試件尺寸取決于組成巖石的顆粒的尺寸，試件尺寸取決于組成巖石的顆粒的尺寸，試件直徑與最大顆粒尺寸的比值至少為試件直徑與最大顆粒尺寸的比值至少為1010：1 1。因此，原則上應盡量采用較大直徑的試。因此，原則上應盡量采用較大直徑的試件。建議采用件。建議采用2.22.62.22.6厘米直徑的試件。厘米直徑的試件。按抗壓強度對地層進行分類按抗壓強度對地層進行分類地層地層極軟極軟軟軟中軟中軟中中硬硬極硬極硬抗壓強度抗壓強度（MPaMPa）25200200直接測量：直接測量： 把巖樣加

25、工成拉伸試樣，置于材料把巖樣加工成拉伸試樣，置于材料拉伸試驗機上進行簡單應力狀態下拉伸試驗機上進行簡單應力狀態下( (或或稱單軸抗拉伸狀態稱單軸抗拉伸狀態) )的拉伸試驗。巖樣的拉伸試驗。巖樣拉斷時的應力值即為巖石的抗拉伸強度。拉斷時的應力值即為巖石的抗拉伸強度。 可通過直接和間接抗拉伸強度試驗來確定可通過直接和間接抗拉伸強度試驗來確定實驗要求：實驗要求：* *設計恰當的夾緊機構；設計恰當的夾緊機構；* *制備一定形狀的巖樣；制備一定形狀的巖樣；* *確保加載方向嚴格平行于巖樣軸線。確保加載方向嚴格平行于巖樣軸線。巴西劈裂實驗：巴西劈裂實驗： 將一個薄圓盤試件直徑將一個薄圓盤試件直徑40mm4

26、0mm* *厚度厚度25mm25mm沿其直徑方向加沿其直徑方向加載，在沿著加載直徑上分布著垂直于加載方向拉伸應力，如下載，在沿著加載直徑上分布著垂直于加載方向拉伸應力，如下圖。圖。間接測量方法：巴西劈裂實驗間接測量方法：巴西劈裂實驗 圓盤的破裂從圓中心開始圓盤的破裂從圓中心開始, ,當拉應力達到巖樣的抗拉強度當拉應力達到巖樣的抗拉強度時，試件在加載點連線上呈現清晰的破裂。巖石的抗張強度時，試件在加載點連線上呈現清晰的破裂。巖石的抗張強度可按下式計算可按下式計算(r(r半徑，半徑，t t厚度厚度) )：trPt0 首先用液壓首先用液壓p p使其四周處于三向均勻壓縮的應力狀態，使其四周處于三向均勻

27、壓縮的應力狀態，然后保持此壓力圍壓不變，對巖樣加載，直到使其然后保持此壓力圍壓不變，對巖樣加載，直到使其破壞。破壞。 可以進行三軸壓縮試驗，也可以進行三軸拉伸試驗?？梢赃M行三軸壓縮試驗，也可以進行三軸拉伸試驗。 常規三軸試驗常規三軸試驗(a)液壓作用下的壓拉實液壓作用下的壓拉實驗常規三軸試驗）驗常規三軸試驗）12 = 3(b)用三個液缸的柱塞進行的用三個液缸的柱塞進行的三面壓縮試驗真三軸試驗）三面壓縮試驗真三軸試驗）12 3三軸應力作用下巖石機械性質的變化三軸應力作用下巖石機械性質的變化研究巖石從脆性到塑性的轉變點或稱臨界壓力對深井鉆井具有重要意義：研究巖石從脆性到塑性的轉變點或稱臨界壓力對深

28、井鉆井具有重要意義： 脆性破壞和塑性破壞是兩種具有本質差別的破壞形式，需分別用不同的破碎工具如不同結構的鉆頭類型），采用不同的破碎方式沖擊、壓碎、擠壓、剪切或切削、磨削等），以及不同的破碎參數鉆壓、轉速及水力參數等的組合。因此，確定巖石的脆塑性轉變的“臨界壓力將為設計和合理選擇使用鉆頭提供科學依據。 巖石在三軸應力條件下的強度明顯增加。隨著圍巖石在三軸應力條件下的強度明顯增加。隨著圍壓的增大，巖石強度增大。壓的增大，巖石強度增大。 隨著圍壓的增大，巖石由脆性向塑性轉變，且圍隨著圍壓的增大，巖石由脆性向塑性轉變，且圍壓越大，巖石破壞前呈現的塑性也越大。巖石從壓越大，巖石破壞前呈現的塑性也越大。巖

29、石從脆性向塑性轉變的壓力圍壓稱為臨界壓力。脆性向塑性轉變的壓力圍壓稱為臨界壓力。把重量為把重量為5.7g5.7g的鋼球，用長的鋼球，用長250mm250mm的線懸起的線懸起來，從水平方向落下，撞擊在巖樣的側面上。來，從水平方向落下，撞擊在巖樣的側面上。打擊巖石消耗掉一部分能量，剩余的能量將打擊巖石消耗掉一部分能量，剩余的能量將鋼球回彈起一定的角度鋼球回彈起一定的角度。巖石表面的硬度越高，鋼球回彈的角度越大，巖石表面的硬度越高，鋼球回彈的角度越大，鋼球從第一次回跳到完全停跳所經歷的回跳鋼球從第一次回跳到完全停跳所經歷的回跳次數也越多。因此，可按回彈角度和回跳次次數也越多。因此，可按回彈角度和回跳

30、次數來確定巖石的硬度。數來確定巖石的硬度。試驗用的巖樣一般都是圓柱狀巖芯，直徑大試驗用的巖樣一般都是圓柱狀巖芯，直徑大于于40mm40mm，長度大于，長度大于65mm65mm，兩端切平，端面與，兩端切平，端面與巖芯軸線垂直，受試面還必須拋光。巖芯軸線垂直，受試面還必須拋光。擺球硬度沖擊回彈法）擺球硬度沖擊回彈法）摩氏硬度：表示材料的相對硬度。測量方法是用兩種材料互摩氏硬度：表示材料的相對硬度。測量方法是用兩種材料互相刻劃，在表面留下擦痕者則硬度較低。相刻劃，在表面留下擦痕者則硬度較低。用用10種礦物為代表，作為摩氏硬度的標準，依次為：種礦物為代表，作為摩氏硬度的標準，依次為：滑石滑石(1度度)

31、、石膏、石膏(2度度)、方解石、方解石(3度度)、螢石、螢石(4度度)、磷灰石、磷灰石(5度度)、長石、長石(6度度)、石英、石英(7度度)、黃玉、黃玉(8度度)、剛玉、剛玉(9度度)、金剛、金剛石石(10度度)。巖石礦物的硬度是選擇破巖工具的重要參考依據，若在巖石巖石礦物的硬度是選擇破巖工具的重要參考依據，若在巖石中占一定比例的礦物的硬度達到或接近破巖工具工作部位材中占一定比例的礦物的硬度達到或接近破巖工具工作部位材料的硬度，則工具磨損很快。料的硬度，則工具磨損很快。史氏硬度的測量方法。史氏硬度的測量方法。要求：巖樣的長度為要求：巖樣的長度為303050mm50mm，直徑，直徑404050m

32、m50mm，兩端面光滑且相互平行；兩端面光滑且相互平行；試驗儀器：巖石壓入硬度測試儀。試驗儀器：巖石壓入硬度測試儀。巖石的脆性和塑性巖石的脆性和塑性 三類：脆性巖石三類：脆性巖石brittle rockbrittle rock）、塑性巖石）、塑性巖石plastic rockplastic rock和塑脆性巖石和塑脆性巖石brittle-plastic rockbrittle-plastic rock。 在外力作用下，巖石只改變其形狀和大小而不破壞自身的連續在外力作用下，巖石只改變其形狀和大小而不破壞自身的連續性，這種情況稱為塑性的；巖石在外力作用下，直至破碎而性，這種情況稱為塑性的；巖石在外力

33、作用下，直至破碎而無明顯的形狀改變，這種情況稱為脆性的；介乎于兩者之間無明顯的形狀改變，這種情況稱為脆性的；介乎于兩者之間的是塑脆性巖石。的是塑脆性巖石。脆性和塑脆性巖石的硬度為：脆性和塑脆性巖石的硬度為：式中：式中：PP產生脆性破碎時壓頭上的載荷產生脆性破碎時壓頭上的載荷( (牛頓牛頓) )； S S壓頭的底面積壓頭的底面積( (毫米毫米2)2)；對塑性巖石，取產生屈服對塑性巖石，取產生屈服( (即從彈性變形開始向塑性變形轉化即從彈性變形開始向塑性變形轉化) )時的載荷時的載荷P0P0代替代替P P，即：，即：MPaSPPYMPaSPPY0 巖石級別及巖石硬度的關系巖石級別及巖石硬度的關系巖

34、石類巖石類別別軟軟中軟中軟中硬中硬硬硬堅硬堅硬極硬極硬巖石級巖石級別別123456789101112壓入硬壓入硬度度,MPa1001002502505005001000100015001500200020003000300040004000500050006000600070007000塑性系數：巖石破碎前耗費的總功塑性系數：巖石破碎前耗費的總功AFAF與巖石破碎前彈性變形功與巖石破碎前彈性變形功AEAE的比值。的比值。用巖石的塑性系數用巖石的塑性系數KPKP作為定量表征巖石塑性及脆性大小的參數。作為定量表征巖石塑性及脆性大小的參數。 對于塑脆性巖石：對于塑脆性巖石：脆性巖石脆性巖石K=1K=

35、1；塑性巖石，；塑性巖石，KP=KP=。的面積的面積ODEOABCAAKEFP五、影響巖石力學性質的因素分析五、影響巖石力學性質的因素分析 1、巖石結構、巖石結構 （1對晶質巖石，由硬度較高的礦物組成的巖石，其硬度對晶質巖石，由硬度較高的礦物組成的巖石，其硬度也較高，也較高， 如：玄武巖斜長石、輝石，如：玄武巖斜長石、輝石，6）白云巖）白云巖4）石）石灰巖灰巖5）。）。 （2砂巖的強度隨著石英砂巖的強度隨著石英7含量的增加而增大；含量的增加而增大； 硅質膠結鈣質鐵質泥質。硅質膠結鈣質鐵質泥質。 （3同種巖石孔隙度增大，密度降低，強度降低。同種巖石孔隙度增大，密度降低，強度降低。 因此，巖石的強

36、度一般隨埋藏深度的增加而增大。因此，巖石的強度一般隨埋藏深度的增加而增大。 2、井底各種壓力、井底各種壓力 （1有效應力外壓與內壓之差有效應力外壓與內壓之差 ）越大，巖石強度越大，）越大，巖石強度越大，塑性越塑性越 大，（各向壓縮效應大，（各向壓縮效應 ）。）。 （2井內液柱壓力與孔隙度壓力之差越大，巖石強度越大，井內液柱壓力與孔隙度壓力之差越大，巖石強度越大，塑性越塑性越 大。大。3、載荷性質的影響、載荷性質的影響 巖石對動載的抗力要比靜載大得多，隨著沖擊速度的增大，巖石對動載的抗力要比靜載大得多，隨著沖擊速度的增大，硬度增大，塑性系數減小。硬度增大，塑性系數減小。 但在沖擊速度小于但在沖擊

37、速度小于10m/s時，巖石硬度和塑性系數變化不時，巖石硬度和塑性系數變化不大，接近于大，接近于 靜載時的數值。靜載時的數值。 在在10000米深度范圍內：米深度范圍內： 強度：鹽巖強度：鹽巖泥頁巖泥頁巖石灰巖石灰巖石膏石膏 鐵質、鈣質鐵質、鈣質 泥泥質膠結質膠結 塑性：鹽巖石灰巖泥頁巖石膏白云巖石英巖塑性：鹽巖石灰巖泥頁巖石膏白云巖石英巖第第1章章 巖石的工程力學性質巖石的工程力學性質1.1 巖石的類型及結構特點巖石的類型及結構特點1.2 巖石的工程力學性質巖石的工程力學性質1.3 巖石可鉆性與研磨性巖石可鉆性與研磨性1.3 巖石可鉆性和研磨性巖石可鉆性和研磨性 1、巖石可鉆性、巖石可鉆性Ro

38、ck Drillability） （1） 概念：概念： 指巖石破碎的難易程度，可以理解為在一定的鉆頭規格、指巖石破碎的難易程度，可以理解為在一定的鉆頭規格、類型及鉆井工藝條件下巖石抵抗鉆頭破碎的能力。類型及鉆井工藝條件下巖石抵抗鉆頭破碎的能力。 （2評價方法評價方法 在鉆壓在鉆壓890(500)N、轉速、轉速55 rpm的固定條件下，用直徑的固定條件下，用直徑31.75mm的微型鉆頭在巖心上鉆孔，以鉆進的微型鉆頭在巖心上鉆孔，以鉆進2.4mm3mm孔孔深所需的時間深所需的時間t作為巖石可鉆性指標，由此把巖石分為易鉆和難作為巖石可鉆性指標，由此把巖石分為易鉆和難鉆的。鉆的。 為應用方便，常用為應

39、用方便，常用 作為可鉆性指標，稱為可作為可鉆性指標，稱為可鉆性級值。鉆性級值。 tLogKd2可鉆性級值越大，巖石越難破碎。可鉆性級值越大，巖石越難破碎。實驗時的各項技術指標如下：實驗時的各項技術指標如下：微鉆頭直徑：微鉆頭直徑：31.75mm31.75mm。鉆壓：牙輪鉆頭：鉆壓：牙輪鉆頭：890N890N20N20N，PDCPDC鉆頭：鉆頭：500N500N20N20N。轉速：轉速：55r/min55r/min1r/min1r/min。鉆孔深度鉆孔深度 牙輪鉆頭：牙輪鉆頭：2.6mm2.6mm。預鉆深度：。預鉆深度：0.2mm0.2mm，計時鉆孔深度：，計時鉆孔深度：2.4mm2.4mm。

40、PDC PDC鉆頭：鉆頭：4mm4mm。預鉆深度：。預鉆深度：1.0mm1.0mm，計時鉆孔深度：，計時鉆孔深度：3.0mm3.0mm。 實驗時，在每塊巖心試樣上鉆三個孔，取其鉆時平均值作為該巖石實驗時，在每塊巖心試樣上鉆三個孔，取其鉆時平均值作為該巖石試樣的鉆時試樣的鉆時T T，該巖石的可鉆性級值，該巖石的可鉆性級值 室內巖心微鉆頭實驗求取可鉆性室內巖心微鉆頭實驗求取可鉆性TKd2log2、巖石的研磨性、巖石的研磨性 鉆井過程中，鉆井工具和巖石產生連續的或間歇的接觸和摩鉆井過程中，鉆井工具和巖石產生連續的或間歇的接觸和摩擦，從而在破碎巖石的同時，這些工具本身也受到巖石的磨損而擦，從而在破碎巖

41、石的同時，這些工具本身也受到巖石的磨損而逐漸變鈍甚至損壞。逐漸變鈍甚至損壞。 巖石磨損鉆頭切削刃材料的能力稱為巖石的研磨性。巖石磨損鉆頭切削刃材料的能力稱為巖石的研磨性。 至今尚沒有統一的測定巖石研磨性的方法和分級標準。至今尚沒有統一的測定巖石研磨性的方法和分級標準。測定巖石研測定巖石研磨性的方法磨性的方法微鉆頭鉆進法微鉆頭鉆進法用金屬棒如銅棒、淬火或未淬火的鋼棒在加壓旋轉的條件下與巖石用金屬棒如銅棒、淬火或未淬火的鋼棒在加壓旋轉的條件下與巖石相摩擦。在給定的載荷、轉速和時間內，按金屬棒被磨損掉的質量來衡相摩擦。在給定的載荷、轉速和時間內，按金屬棒被磨損掉的質量來衡量巖石研磨性的大小。量巖石研

42、磨性的大小。用硬質材料做成的刀具與巖石試件相對旋轉磨削。在給定接觸壓力、旋用硬質材料做成的刀具與巖石試件相對旋轉磨削。在給定接觸壓力、旋轉速度線速度下，測量固定時間或旋轉過的路程內刀具的磨損量以轉速度線速度下，測量固定時間或旋轉過的路程內刀具的磨損量以估價巖石的研磨性相對大小。估價巖石的研磨性相對大小。用與全尺寸鉆頭形狀相似的微型模擬鉆頭在一定的鉆進參數下與巖石鉆用與全尺寸鉆頭形狀相似的微型模擬鉆頭在一定的鉆進參數下與巖石鉆磨，測量給定時間內鉆頭切削刃的外形磨損，以比較各類巖石的研磨性。磨，測量給定時間內鉆頭切削刃的外形磨損，以比較各類巖石的研磨性。實質是確定一個轉動的金屬圓環在巖石表面上相互

43、摩擦時的磨損量，以實質是確定一個轉動的金屬圓環在巖石表面上相互摩擦時的磨損量，以此作為度量巖石研磨性的指標。此作為度量巖石研磨性的指標。鉆磨法鉆磨法磨削法磨削法摩擦磨損法摩擦磨損法 實驗證明，金屬環的單位摩擦路程的磨損不取決于圓盤的轉速，而只與載W成正比，因而可用一個比例常數來表示：WVs摩擦磨損法摩擦磨損法優點：優點： 在相對較小的載荷作用下，可使圓環與巖石試件間的接觸壓在相對較小的載荷作用下，可使圓環與巖石試件間的接觸壓力達到非常高的值；力達到非常高的值； 圓環的轉動使其接觸表面不斷改變，有利于冷卻和清除磨損圓環的轉動使其接觸表面不斷改變，有利于冷卻和清除磨損產物；產物； 巖石試件的平移也

44、保證了巖石的摩擦表面不斷更新，并且使巖石試件的平移也保證了巖石的摩擦表面不斷更新，并且使得接觸壓力在實驗過程中保持不變。得接觸壓力在實驗過程中保持不變。 巖石的研磨性不僅取決于巖石的結構和組織特點、組成巖石的礦物巖石的研磨性不僅取決于巖石的結構和組織特點、組成巖石的礦物的性質和顆粒大小對于碎屑巖還取決于膠結強度等一系列巖石本身的性質和顆粒大小對于碎屑巖還取決于膠結強度等一系列巖石本身的性質，還取決于用于磨損的金屬材料的性質。的性質，還取決于用于磨損的金屬材料的性質。研磨性最小的巖石研磨性最小的巖石低研磨性巖石低研磨性巖石高研磨性巖石高研磨性巖石鹽巖、泥巖和一些硫酸鹽巖鹽巖、泥巖和一些硫酸鹽巖石

45、灰巖和白云巖石灰巖和白云巖含有剛玉礦物含有剛玉礦物成分的巖石成分的巖石與所含長石和石英成分的多少及顆粒粒度和多與所含長石和石英成分的多少及顆粒粒度和多晶礦物間的硬度差而定。含長石及石英成分少，晶礦物間的硬度差而定。含長石及石英成分少，粒度細，礦物的硬度差小的，研磨性也小一些，粒度細，礦物的硬度差小的，研磨性也小一些，反之研磨性較高；反之研磨性較高；火成巖火成巖中等或高研磨性巖石中等或高研磨性巖石主要視其石英顆粒的含量及膠結強度而定，石英顆主要視其石英顆粒的含量及膠結強度而定，石英顆粒含量越多，粒度越粗，膠結強度越小的巖石，其粒含量越多，粒度越粗，膠結強度越小的巖石，其研磨性越高；反之，如果石英顆粒含量少，顆粒細