第二節(jié)巖石破碎機理,一、破巖方法與工具,利用特定的機械工具在巖石表面施加載荷，使巖石所受載荷超過其強度極限而破碎的破巖方式稱為機械破巖方法。石油鉆井所用的破巖方式主要為機械破巖。根據(jù)加載方式不同，機械破巖基本方式分為:剪切、沖擊、磨削三種。,鐵鍬,鎬,鑿子,剪切,沖擊,沖擊+剪切,舉例說明破巖的基本方式:,通過原始勞動工具破巖過程的分析可以看出：1、工具不同、加載方式不同，形成破碎巖石的方式不同;2、巖石性質(zhì)不同，適用的破巖方法不同；3、破巖方法不同，適用的破巖工具形狀也不同。因此，為獲得最優(yōu)破巖效果需要根據(jù)地層條件選擇不同的破巖工具。目前石油鉆井常用的破巖工具（鉆頭）主要有以下種類：1、牙輪鉆頭；2、聚晶金剛石復(fù)合片鉆頭（PDC鉆頭）；3、單晶金剛石鉆頭。,PDC鉆頭：剪切破巖,牙輪鉆頭：沖擊+剪切破巖,單晶金剛石：磨削破巖（微剪切）,彈性力學(xué)基于巖石的彈性變形范圍進(jìn)行應(yīng)力分析，可以得到巖石的應(yīng)力狀態(tài)，據(jù)此可判定巖石最先發(fā)生破碎的危險地帶。當(dāng)巖石內(nèi)部出現(xiàn)破裂裂紋后，巖石的連續(xù)性遭到破壞，則超出了彈性力學(xué)研究的范圍。對于巖石的破碎過程和機理，塑性力學(xué)和斷裂力學(xué)沒有給出定量的描述和解釋。但是人們在大量的試驗分析的基礎(chǔ)上，對工具壓入巖石時巖石的破碎過程和機理有了定性的認(rèn)識。,二、巖石破碎機理,對于機械破巖，雖然破巖方式不同破巖機理有所不同。但其最終都要通過鉆頭的牙齒與巖石發(fā)生相互作用來破碎巖石，也既牙齒受到不同形式的力的作用并將力傳遞到巖石，達(dá)到破巖的目的。因此分析破巖機理應(yīng)從單齒破碎巖石的過程入手。,一）常用的鉆頭齒形狀,根據(jù)牙齒切削刃的輪廓形狀，可將牙齒的形狀歸為兩類：1、片狀片狀是剪切類鉆頭齒的常用形狀。,2、球形,1、剪切和磨削,牙齒以壓入力和切削力聯(lián)合作用于巖石。,二）加載方式簡化,P,M,鉆頭是在鉆壓和旋轉(zhuǎn)扭矩的聯(lián)合作用下鉆進(jìn)。,P,Q,對于每一個切削齒，其受力可簡化為受壓入力和切削力的作用。,2、沖擊作用,牙齒以瞬間力作用于巖石。,3、滾壓作用牙齒以沖擊和剪切兩種形式聯(lián)合破巖。,4、加載方式的簡化,總之，不同的破巖方式只是力的作用方式和作用時間不同，但其載荷作用方式可簡化為：1、壓入力（垂直力）；2、壓入力和水平力同時作用。,三)壓頭受單向垂直壓力壓入巖石巖石破碎的發(fā)展過程,為簡化分析，采用壓頭受單向垂直壓力壓入巖石時，巖石的破碎過程來分析。對于球形齒磨損后可認(rèn)為形成平底圓柱形，因此以圓柱平底壓頭靜壓入巖石時巖石的破碎發(fā)展過程為例來分析巖石破碎的發(fā)展過程。,圓柱平底受單向垂直力壓入巖石表面圖示,1、巖石破碎過程根據(jù)彈性力學(xué)的基本理論：圓柱平底壓頭受單向垂直力作用，巖石表面所受應(yīng)力的分布如圖1。根據(jù)應(yīng)力分布圖1，圓柱壓頭作用于巖石表面的壓力在壓頭周邊存在應(yīng)力分布的極值，隨著載荷的增加，周邊巖石所受應(yīng)力首先達(dá)到屈服極限而發(fā)生塑性變形破壞。周邊巖石發(fā)生塑性變形后，壓頭向下移動侵入巖石一定深度，載荷變?yōu)榫驾d荷如圖2；同時由于壓頭的移動使得壓頭周邊區(qū)域形成拉應(yīng)力區(qū)。,圖1,圖2,載荷變?yōu)榫紙D示,圓柱平底壓頭作用于巖石，載荷變?yōu)榫驾d荷后，巖石內(nèi)部應(yīng)力分布根據(jù)彈性力學(xué)的計算得出如下結(jié)果：在對稱軸處,剪應(yīng)力存在最大值：（其中u為泊松比）,根據(jù)上述結(jié)論，隨著力的進(jìn)一步增加，在壓頭下方深度為Zm處，剪應(yīng)力極值達(dá)到巖石的抗剪強度，此處形成剪應(yīng)力破壞點。,在載荷的進(jìn)一步作用下,周邊裂隙和Zm處裂隙貫穿，在壓頭下方形成破碎核壓實核。由于密實核處于全面壓縮狀態(tài)，不能形成剪切破壞。但壓實核作為力的載體對周圍巖石產(chǎn)生擠壓作用。,當(dāng)載荷繼續(xù)增加時，在最大剪應(yīng)力點外側(cè)的c點產(chǎn)生裂紋。這裂紋發(fā)展貫穿周圍的巖石達(dá)到自由面，在壓實核積壓力的作用下形成大面積的崩裂，形成破碎坑。,破碎坑體積的大小如何界定呢?前蘇聯(lián)科學(xué)家波爾以摩爾強度理論為基礎(chǔ)得出了壓頭壓入巖石的巖石破碎坑大小的定量界定方法。,假定密實體剛體，將壓頭和密實體作為一體，簡化模型如下圖：,式中：巖石的內(nèi)摩擦角；與巖石性質(zhì)有關(guān)的參數(shù)；為壓頭下部壓實體形成的近似錐體錐頂角的半角；與巖石性能和壓頭尺寸形狀相關(guān)的參數(shù)；剪切面傾角。,破碎坑的大小可用下式界定：,分析破碎坑傾角的影響因素可知:1、破碎坑體積的大小與巖石的性能有關(guān)；在壓頭形狀面積一定的條件下脆性越大的巖石破巖體積越大。2、在巖石性能一定的條件下，破巖體積的大小與破巖工具的形狀、尺寸有關(guān)。例如：某內(nèi)摩擦角為=32砂巖，采用圓柱壓頭壓入。由彈性力學(xué)分析可知其近似可取0;計算得：=29；也即形成破碎坑的內(nèi)錐角為122。,壓頭壓入巖石形成破碎坑后，一個破碎過程結(jié)束。接下來破碎過程進(jìn)入第二循環(huán)，過程重復(fù)上述步驟。但由于圍巖的限制破巖體積減小。,2、巖石破碎的三個階段:從巖石破碎的過程分析，隨著壓力的增加，壓頭破碎巖石的過程可劃分為三個階段：裂紋發(fā)展階段（塑性變形）壓實體形成階段（局部破碎）巖石大體積崩切階段（體積破碎）在塑性變形階段，僅在巖石內(nèi)部形成裂紋；在壓實體形成階段，僅僅壓頭下部巖石發(fā)生破壞，破碎體積很??；只有在崩切階段產(chǎn)生大體積破碎，破巖效果好。,為獲得好的破巖效果，必須使壓頭所受的壓力超過巖石產(chǎn)生體積破壞所需要的載荷。對鉆頭來講，所有齒所受壓力的總和即為鉆頭鉆壓。根據(jù)壓頭破巖過程分析，鉆頭要取得良好的破巖效果必須使每個鉆頭齒所受的壓力超過巖石產(chǎn)生體積破壞所需要的載荷，也即鉆頭鉆壓存在最小值。試驗結(jié)果（見圖）也證明了此結(jié)論使鉆頭齒以體積破碎狀態(tài)破碎巖石的最小鉆壓值稱為門限鉆壓。,巖石破碎三個階段劃分的意義：,四）圓柱壓頭受垂直力和水平力聯(lián)合作用破碎巖石破碎坑的形狀,鉆進(jìn)中，牙齒破碎巖石的破碎實際上是在垂直和水平載荷同時作用下發(fā)生的。也即壓頭受傾斜力F的作用（如圖）。,在兩向載荷作用下，按照彈性理論得到的等應(yīng)力線如下圖：,從圖中可以明顯地看出：當(dāng)壓頭受傾斜力作用時，出現(xiàn)極值載荷的位置發(fā)生偏移，最大剪應(yīng)力出現(xiàn)在與作用力方向一致的軸線上。同時壓頭下部巖石的受力狀態(tài)發(fā)生變化，形成受力狀態(tài)不同的三個區(qū)域（如圖）。巖石的應(yīng)力狀態(tài)可分為三個區(qū)：1多向壓縮區(qū)；2拉應(yīng)力區(qū)；3拉壓混合區(qū)。,由于壓頭下部巖石應(yīng)力狀態(tài)的變化，導(dǎo)致壓頭下部巖石的破碎區(qū)出現(xiàn)不對稱性，在水平力作用方向壓頭前方出現(xiàn)大體積的剪切破壞，密實核的趨向也向水平作用力方向偏移，壓頭后部出現(xiàn)拉應(yīng)力破壞但范圍較小。形成的破碎坑的形狀示意如圖：,三、實際鉆井過程中影響破巖效果的因素,破巖效果,地層因素,鉆井參數(shù),鉆頭結(jié)構(gòu)（幾何參數(shù)）,一）地層因素,地層巖石的力學(xué)性質(zhì)、環(huán)境等對破巖效果影響很大（此為不可控因素）。,二）鉆井參數(shù),鉆井參數(shù),鉆壓,轉(zhuǎn)速,排量與泥漿密度,1、鉆壓,根據(jù)破巖過程分析，巖石破碎分為三種狀態(tài)，為減小巖石的單位體積破碎功，鉆頭鉆壓必須使鉆頭齒吃入地層一定深度，達(dá)到體積破碎狀態(tài)。使鉆頭齒吃入地層一定深度以體積破碎狀態(tài)破碎巖石的最小鉆壓成為門限鉆壓。在實際鉆井過程中鉆壓值一定要大于門限鉆壓。,門限鉆壓,當(dāng)鉆壓超過門限鉆壓后，鉆壓越大，鉆頭齒壓入地層深度越大，破巖體積越大，破巖速度越快。實驗和鉆井?dāng)?shù)據(jù)統(tǒng)計表明：鉆壓與機械鉆速的關(guān)系為指數(shù)關(guān)系：,ROP機械鉆速；k與地層和切削齒形狀有關(guān)的系數(shù)；W鉆壓;W0門限鉆壓；n指數(shù)，一般小于1。,如果牙齒為長條形或楔形，壓入深度與鉆壓成正比，且切削齒足夠長的前提下，指數(shù)接近于1。當(dāng)切削齒為錐形或鋒利齒磨鈍后n小于1。,2、轉(zhuǎn)速,從破巖機理分析可知：在一定鉆壓作用下鉆頭齒壓入地層一定深度不變，在扭矩作用下剪切破碎巖石，破碎巖石的體積與轉(zhuǎn)速成正比，也即機械鉆速與轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速成正比。但實際工程中轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速與機械鉆速的關(guān)系也為指數(shù)關(guān)系：,N轉(zhuǎn)速；q指數(shù)(1),從曲線可以看出：在一定范圍內(nèi)，鉆速與轉(zhuǎn)速近似成正比關(guān)系。但當(dāng)轉(zhuǎn)速增加到一定程度后，鉆速開始下降。原因有二：當(dāng)機械鉆速達(dá)到一定程度后，由于井底巖粉不能及時清除，造成巖粉的重復(fù)破碎，影響了機械鉆速的提高。外載所引起的應(yīng)力隨著時間以某種速度衰減。如果應(yīng)力增長的速度超過其內(nèi)部應(yīng)力衰減的速度，則巖石變形不夠得到充分發(fā)展,影響破碎效果。當(dāng)轉(zhuǎn)速增加到一定程度，力的作用速度超過巖石內(nèi)部應(yīng)力衰減的速度，巖石的塑性變形不充分，破巖效果變差，鉆速會下降。,3、泥漿排量與密度,泥漿排量對鉆速的影響從兩方面考慮：泥漿的功用之一是攜帶井底的巖粉，排量不足，井底巖粉不能及時清除，造成巖粉重復(fù)破碎，因此要有一定的泥漿排量，保證攜巖。排量大小與井底水馬力有關(guān)，即排量越大井底水馬力越大，水力的輔助破巖效果越好。,泥漿密度的影響從巖性分析可知：巖石強度、壓入硬度等指標(biāo)與巖石的應(yīng)力狀態(tài)有關(guān)。在多向壓縮狀態(tài)下（圍