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,2005版权所有Copyright--DQPI,石油工程电子教案,第二章,岩石与钻头,DaqingPetroleumInstitute,2.1岩石的力学性质,2.2岩石的研磨性与可钻性,2.3刮刀钻头及其破岩原理,2.4牙轮钻头及其破岩原理,2.5金刚石钻头及其破岩原理,第二章岩石与钻头,岩石的力学性质,,变形特征强度特征,2.1岩石的力学性质,一、应力应变曲线,二、强度简单应力,主要内容,三、强度复杂应力,四、弹性,一、应力应变曲线,BC段随着荷载的继续增大，变形和荷载呈非线性关系，裂隙进入不稳定发展状态，这是破坏的先行阶段。这一段应力-应变曲线的斜率随着应力的增加逐渐减小到零，曲线向下凹，在岩石中引起不可逆变化。塑性变形阶段。,CD段曲线下降，是由于裂缝发生了不稳定传播，新的裂隙分叉发展，使岩石开始解体。CD段以脆性形态为其特征。,点B发生弹性到塑性行为过渡点，称为屈服点，σS称为屈服应力。,二、简单应力条件下岩石的强度,岩石的强度,抗压强度抗拉强度抗压强度抗弯曲强度,,通常情况下抗压抗剪抗弯抗拉强度,强度获取方法对具体的岩石进行强度试验,岩石抗压缩强度,指岩石抵抗外力压缩的能力．其大小等于在岩样上施加轴向压缩载荷直至破坏时单位面积上的载荷，可通过单轴抗压缩强度试验来获得。,,岩石抗拉伸强度,*设计恰当的夹紧机构；*制备一定形状的岩样；*确保加载方向严格平行于岩样轴线。,实验要求,测量方法,,间接抗拉伸强度试验,直接抗拉伸强度试验,,破裂从圆的中心开始,沿加载直径向上下扩展。岩石的抗张强度可按下式计算,巴西劈裂实验,三、复杂应力条件下的岩石强度,1.常规三轴试验,a液压作用下的压（拉）试验（常规三轴试验）,σ1,σ2σ3,c液压作用下的压扭试验,b三个液缸的柱塞进行三面压缩试验（真三轴试验）,σ1,σ2,σ3,d液压作用下的两面柱塞压缩试验,,σ1,Pσ2σ3,,σ3,Pσ1σ2,（a）压缩试验,（b）拉伸试验,库仑剪切强度曲线,2.三轴应力下岩石的强度和变形的特点,,,,O,A,B,,,库仑-莫尔强度理论,岩石的强度是随作用于破坏面或剪切滑动面的垂直法向压应力的增加而增大的。,四、三轴应力作用下岩石机械性质的变化,两方面显著变化,一随着围压的增大，岩石强度极限增大。（１）不同类型的岩石，增大幅度和倍数是不一样的；（２）围压对岩石强度的影响程度，并不是在所有压力范围内都相同。,二随着围压的增大，岩石表现出从脆性到塑性的转变，且围压越大，岩石破碎前所呈现的塑性也越大。,,岩石从脆性到塑性的转变点（或称临界压力）对深井钻井的重要意义,脆性破坏,塑性破坏,本质差别,,,不同的破碎工具,不同的破碎方式,不同的破碎参数,因此，确定岩石的脆塑性转变的“临界压力”将为设计和合理选择使用钻头提供科学依据。,岩石的硬度（即抗压入强度）岩石抵抗外力压入的能力。平底圆柱压模压入岩石时，在压头下的岩体中发展了轴对称分布的三向应力状态，这种应力状态使压头下岩石的强度会急剧增大，同时多数岩石具有塑性性质。,五、岩石的抗压入破碎强度,z,σz,σrσθ,z0,,,,,,,,,,σ,p,τ,σz,z,σr,σθ,σz,σrσθ,a,a,a,p,圆柱压模压入岩石的应力状态及分布,P-岩石平均压强a-压头底面的半径z-距岩石表面的深度ν-岩石泊松比,,,W0,O,C,E,D,W,载荷W/N,,,,,,W0,,,,载荷W/N,吃入深度ε/m,,b塑脆性岩石,E,D,W,吃入深度ε/m,,,,,,载荷W/N,吃入深度ε/m,a脆性岩石,c塑性岩石,O,O,B,A,压入实验确定岩石的硬度和塑性系数,,硬度,屈服极限,塑性系数,,,2.2岩石的研磨性与可钻性,钻井过程中，钻井工具和岩石产生接触和摩擦，从而在破碎岩石的同时，工具本身也受到岩石的磨损而逐渐变钝甚至损坏。岩石磨损这些材料的能力称为岩石的研磨性。,,一、岩石的研磨性,测定岩石研磨性的方法,钻磨法,磨削法,微钻头钻进法,摩擦磨损法,各种岩石的研磨性,二、岩石的可钻性,岩石破碎的难易性称为岩石的可钻性，由此把岩石分为难钻的和易钻的。,,研究可钻性方法,生产工艺的指标,岩石机械性质,可钻性的单位采用在确定条件下的钻头进尺或者机械钻速,可用抗压强度，d指数、压痕指数、纵波速度、抗钻强度、实钻速度、杨氏钻速模式中的地层可钻性系数等几十种评价方法,2.3刮刀钻头及其破岩原理,,刮刀钻头特点,,,结构简单，制造方便。,在软地层中，可以得到高的机械钻速和钻头进尺。,在较硬地层中，钻头吃入困难，钻井效率低。,一、刮刀钻头刀翼的几何形状和结构参数,1.刀翼结构角,刀翼结构角,,刃尖角β,切削角α,刃前角φ,刃后角ψ,,,,,刀翼尖端前后刃之间的夹角，它表示刀翼的尖锐程度。,刀翼前刃和水平面之间的夹角。,刃前角φ与切削角互为补角,刃后角ψα-β,2.刀翼几何形状,背部几何形状,,抛物线型,刀翼的厚度随距刀刃的距离增加应逐渐增厚，呈抛物线形。,,刀翼底部形状,,平底,正阶梯,反阶梯,反锥,二、刮刀钻头破碎岩石的基本原理,根据摩尔强度理论，如果忽略摩擦力，当F力等于或大于剪切面积与岩石抗剪极限强度乘积时，岩石沿剪切面破碎。,1.塑性岩石,塑性岩石硬度小，在钻压W的作用下容易吃入地层，刃前岩石在扭转力T作用下不断产生塑性流动。因此，吃入深度要比力W单独作用时深得多。,2.塑脆性岩石,塑脆性岩石的破碎过程,,碰撞,,压碎及小剪切,大剪切,,2.4牙轮钻头及其破岩原理,,牙轮钻头分类,,单牙轮钻头,两牙轮钻头,三牙轮钻头,四牙轮钻头,,一、三牙轮钻头破碎岩石的基本原理,1、钻头的复合运动,绝对速度,牵连速度,,,2.钻头的冲击和压碎作用,由于牙轮钻头的纵向振动，钻头对岩石产生冲击和压碎，单双齿着地的频率为,,3.牙轮对地层的剪切作用,二、牙轮钻头的结构和类型,,钻头直径,牙轮轴线偏移值,牙轮轴线与钻头轴线夹角,牙轮的形状与布置,牙轮上牙齿的布置,１.牙轮钻头的基本参数,2.牙轮钻头的牙齿,3.牙轮钻头的轴承,4.钻头水眼,铣齿也称钢齿,硬质合金齿简称镶齿,,滚动轴承,滑动轴承,,,普通钻头水眼，在钻头适当部位开孔焊。,喷射式钻头在水眼处安装硬质合金喷嘴，且对水眼有关的钻头结构有特殊要求。,2.5金刚石钻头及其破岩原理,类型,,金刚石钻头是以锋利、耐磨和能够自锐的天然金刚石或人造金刚石为切削齿，在钻低钻压下即可获得较高的钻速和钻头进尺，是石油钻井中广泛使用的一种高效钻头。,按来源分,按功用分,按镶嵌方式分,按钻井方式分,天然金刚石钻头人造金刚石钻头,全面钻进钻头,表镶,孕镶,转盘钻井,涡轮钻井,取心钻头,一、金刚石钻头,,1、金刚石钻头的结构,钢体,胎体,切削刃,水眼与水槽,,1钢体,双锥阶梯形剖面,软到中硬地层,,带波纹的“B”型剖面,坚硬地层,,上部螺纹连接钻具，下部与胎体烧结。,2胎体,镶嵌金刚石颗粒的基体．胎体形状，主要指工作面的几何形状和工作面积的大小，根据岩性设计的。,3切削刃,切削刃,,表镶式,孕镶式,表孕镶式,4水眼与水槽,金刚石钻头的水眼与水槽是构成钻头水动力的通道。,水眼和水槽的布置原则,,使金刚石钻头在钻进时，保证供给钻头工作面有足够的水力能量。,用于软到中硬地层的金刚石钻头，由于工作小，金刚石颗粒粗而稀，钻进时钻速快，岩屑多而粗，因此水槽应宽而少。,对于硬和坚硬地层，钻头工作面大、金刚石颗粒细而密，且出刃低，钻压大，水槽应多、密、窄。,2.金刚石钻头破岩原理,当钻某些硬地层时，钻头上的每粒金刚石在钻压作用下压入岩石使下面的岩石处于极高的应力状态，呈现塑性，同时在旋转扭矩的作用下产生切削作用，破碎岩石的体积大体上等于金刚石吃入岩石的位移体积。,二、PDC钻头,PDC钻头为一整体式钻头，整个钻头没有活动零部件，结构比较简单，大致由钻头基体、钻头切削齿、喷嘴及排屑槽等几部分组成。,1.PDC钻头结构,（1）钻头基体,,,PDC钻头基体冠部外形,,鱼尾形,浅锥形,短抛物线形,抛物线形,特点钻头的磨损更为平衡。,特点钻头的磨损更为平衡。,特点快速钻进中，能保持方位和井斜。,特点较长的寿命；要求较高的水力能量，钻头鼻部在夹层时易损坏。,,,,,标准切削齿,,牙嵌式切削齿,增加金刚石薄层厚度、金刚石层与碳化钨基片的接触面积，提高研磨性和强度。,环嵌式切削齿,嵌牙外缘增加一周聚晶金刚石环，提高耐磨、冲击强度。,（2）钻头切削齿,,,,凿形切削齿,倒角切削齿,凸圆形切削齿,齿状碳化钨基柱,,（3）切削齿的排列方向,PDC钻头设计中用负前角、侧偏角和切削齿出露高度规定排列方向。,负前角又称后倾角,,侧偏角,切削齿的出露高度,复合片层面与岩石工作面垂线之间的夹角。,切削齿面与钻头径向平面之间的夹角。,与岩性有关，分全出露和部分出露两种。,,,,（4）喷嘴水道及排屑槽,喷嘴出口形状、射流喷嘴方向、流道的设计，以及排屑槽的形状和布置都是PDC钻头设计中重要组成部分。,喷嘴的配置和取向基本原则,每个喷嘴或水眼能清洗和冷却一组复合片,喷嘴形状分类,,标准喷嘴,扇射式喷嘴,矩形喷嘴,六角形喷嘴,排屑槽的形状,,楔形,扇形,半圆形,PDC钻头是以切削齿对地层进行切削来破碎岩石，整个切削过程，与金属切削过程很相似。岩石的切削过程实质是一种挤压过程，在挤压过程中，岩石主要以滑移变形方式成为切屑。,2.PDC钻头破岩原理,PDC钻头的破岩机理可概括为PDC钻头切削齿在钻压作用下能自锐地吃入地层，在扭矩作用下向前移动剪切岩石。,岩石经过OA面在当切削刃移动时，滑移变形越来越大，当岩石移到OE面时，将不在沿OE面滑移（如1、2面），而是一起沿切削齿前倾面流出，所以称OA为初始滑移线，而称OE为终止滑移线。,