第一章巖石的性質(zhì)與可鉆性

第一章巖石的性質(zhì)與可鉆性

1鉆探工作的對(duì)象是巖石。鉆探工作必須了解組成地殼的各種巖石礦物。巖石的物理力學(xué)性質(zhì)，因巖石成分和構(gòu)造的不同而相差很大，對(duì)鉆進(jìn)的影響和反應(yīng)也是各種各樣的。為了更好地進(jìn)行鉆探工作，提高鉆進(jìn)質(zhì)量和效率，必須對(duì)巖石的物理力學(xué)性質(zhì)進(jìn)行全面的了解。研究巖石的物理力學(xué)性質(zhì)，主要是研究與破碎巖石有關(guān)的因素，從而掌握其破碎的規(guī)律性，以便創(chuàng)造更有利的破碎條件，更好地選擇鉆進(jìn)方法、鉆進(jìn)規(guī)程和切削具、研磨材料及鉆探設(shè)備類型等。鉆探工作的對(duì)象是巖石。鉆探工作必須了解組成地殼的各種巖石礦物2第一節(jié)巖土的物理性質(zhì)巖石的物理性質(zhì)又可稱巖石的基本性質(zhì)。它是巖石在生成過程中，由于構(gòu)造變動(dòng)和風(fēng)化作用形成的，如相對(duì)密度(顆粒密度)、塊體密度(容重)、孔隙度、裂隙性，含水性、透水性、松散性、流散性和穩(wěn)定性等。與鉆進(jìn)有關(guān)的巖石物理性質(zhì)有以下幾種。第一節(jié)巖土的物理性質(zhì)巖石的物理性質(zhì)又可稱巖石的基本性質(zhì)。它是3一、塊體密度和孔隙度巖石質(zhì)量與其體積之比稱為巖石的塊體密度。假設(shè)用m表示巖石試樣的質(zhì)量。用V表示巖石試樣的總體積，則巖石的塊體密度ρ為：巖石的塊體密度分三種．即天然塊體密度、塊體干密度和塊體飽和密度。一、塊體密度和孔隙度4巖石孔隙的多少常用孔隙度n來(lái)表示；孔隙度n是巖石中孔隙的體積V0與巖石總體積V之比：巖石的孔隙度與巖石的塊體密度有關(guān)，孔隙度大的巖石易透水，并能降低巖石的強(qiáng)度及穩(wěn)定性。一般巖石埋藏越深.巖石的密度越大，其強(qiáng)度和硬度也愈大。巖漿巖比沉積巖致密、孔隙度小，因而其密度大，強(qiáng)度和硬度也大。巖石孔隙的多少常用孔隙度n來(lái)表示；孔隙度n是巖石中孔隙的體積5二、含水性、透水性和裂隙性由于巖石中有孔隙存在．水便會(huì)浸入巖體，從而使巖石含水。巖石含水的多少取決于孔隙的大小和數(shù)量。巖石的含水性一般用濕度或含水率來(lái)表示，一般用占干燥巖石質(zhì)量的百分?jǐn)?shù)來(lái)表示，如砂巖為60%，石灰?guī)r為2.5%。二、含水性、透水性和裂隙性6巖石透水的性能稱為透水性。它以單位面積和時(shí)間內(nèi)通過巖石的水量來(lái)表示。一般巖石孔隙度愈大，透水性愈高，巖石的強(qiáng)度和穩(wěn)定性愈低。由于水是一種溶劑，當(dāng)水透過巖石時(shí)，會(huì)溶解巖石中的某些成分而形成大孔隙或溶洞。因此，在透水性強(qiáng)的巖石中鉆進(jìn)，還容易發(fā)生沖洗液的漏失。巖石透水的性能稱為透水性。它以單位面積和時(shí)間內(nèi)通過巖石的水量7裂隙性也是巖石的重要物理性質(zhì)．它對(duì)巖石的強(qiáng)度及可鉆性都會(huì)產(chǎn)生很大影響。裂隙性也是巖石的重要物理性質(zhì)．它對(duì)巖石的強(qiáng)度及可鉆性都會(huì)產(chǎn)生8三、松散性、流散性當(dāng)巖石從巖體上分開后，巖石碎塊的體積比在天然埋藏下原有體積增大的性能稱松散性；松散性也是指巖石結(jié)構(gòu)的致密程度，松散性強(qiáng)的巖石其顆粒之間的連接力弱，鉆進(jìn)時(shí)容易破碎，但孔壁易坍塌。巖石的自由面有極力趨向水平的性能稱流散性。在流散性強(qiáng)的巖石(如流砂)中鉆進(jìn)，孔壁極易陷落、淤塞鉆孔，使鉆進(jìn)困難。三、松散性、流散性9四、穩(wěn)定性在巖體內(nèi)鉆成鉆孔(有自由面)后，巖石不坍塌不崩落的性能稱穩(wěn)定性。所有的巖石可分為穩(wěn)定性良好的、穩(wěn)定性中等的和穩(wěn)定性差的三類。在穩(wěn)定性差的巖石中鉆進(jìn)時(shí)容易發(fā)生孔壁坍塌現(xiàn)象，必須采取措施保護(hù)孔壁。四、穩(wěn)定性10第二節(jié)巖石的力學(xué)性質(zhì)巖石在機(jī)械外力作用下所表現(xiàn)的性質(zhì)，稱為巖石的力學(xué)性質(zhì)。與鉆進(jìn)有關(guān)的巖石力學(xué)性質(zhì)有強(qiáng)度、硬度和研磨性等。第二節(jié)巖石的力學(xué)性質(zhì)巖石在機(jī)械外力作用下所表現(xiàn)的性質(zhì)，稱11一、強(qiáng)度(一)巖石強(qiáng)度的概念巖石的強(qiáng)度是指巖石在各種外力(拉伸、壓縮、彎曲或剪切等)作用下，抵抗破碎的能力。常用的強(qiáng)度單位為Pa(N/m2)。堅(jiān)固巖石和塑性巖石(如粘土)的強(qiáng)度，主要取決于巖石的內(nèi)連結(jié)力和內(nèi)摩擦力。松散性巖石的強(qiáng)度主要取決于內(nèi)摩擦力。巖石的內(nèi)連結(jié)力主要是礦物顆粒之間的相互作用力，或者是礦物顆粒與膠結(jié)物之間的連結(jié)力，或者是膠結(jié)物與膠結(jié)物之間的連結(jié)力，一般顆粒之間相互的作用力大于膠結(jié)物之間的連結(jié)力；而膠結(jié)物之間的連結(jié)力又大于顆粒與膠結(jié)物之間的連結(jié)力。巖石的內(nèi)摩擦力是顆粒之間的原始接觸狀態(tài)即將被破壞而要產(chǎn)生位移時(shí)的摩擦阻力。巖石的內(nèi)摩擦阻力構(gòu)成巖石破碎時(shí)的附加阻力，且隨應(yīng)力狀態(tài)而變化。一、強(qiáng)度12(二)影響巖石強(qiáng)度的因素影響巖石強(qiáng)度的因索是各種各樣的。但基本上可分為兩個(gè)方面：一種是自然因索，如巖石的礦物成分、結(jié)構(gòu)及構(gòu)造等；另一種是技術(shù)因素，如載荷作用的速度、形變的方式等。1、自然因素方面巖石的機(jī)械強(qiáng)度，在很大程度上取決于組成巖石的礦物成分。在相同礦物結(jié)構(gòu)下，組成巖石的礦物顆粒直徑的尺寸對(duì)巖石的強(qiáng)度也有很大影響。巖石的孔隙度對(duì)巖石的強(qiáng)度也有巨大影響。巖石的層理對(duì)強(qiáng)度的影響具有明顯的方向性，垂直于層理方向的抗壓強(qiáng)度最大，平行層理方向的抗壓強(qiáng)度最小，與層理方向成某種角度的抗壓強(qiáng)度介于二者之間。另外，巖石結(jié)構(gòu)構(gòu)造上的缺陷，也對(duì)強(qiáng)度有一定影響。在外力作用下，應(yīng)力會(huì)在巖石缺陷處集中，使巖石局部破碎，因而使巖石的強(qiáng)度降低。裂隙性也是巖石重要物理性質(zhì)，也對(duì)巖石強(qiáng)度有重要影響。(二)影響巖石強(qiáng)度的因素132、技術(shù)因素方面影響巖石強(qiáng)度的技術(shù)因素，最明顯的是巖石產(chǎn)生變形的形式。據(jù)實(shí)驗(yàn)，相同的巖石對(duì)抗壓、抗拉、抗剪、抗彎的變形有很大差別。巖石的抗壓強(qiáng)度最大，而抗剪、抗彎和抗拉強(qiáng)度依次減小，抗拉強(qiáng)度僅為抗壓強(qiáng)度的10％以下。其表現(xiàn)形式是：抗壓>抗剪>抗彎>抗拉與其內(nèi)部應(yīng)力增長(zhǎng)的速度、外力作用的時(shí)間有關(guān)。鉆進(jìn)時(shí)所用的沖洗介質(zhì)對(duì)巖石強(qiáng)度的影響，在實(shí)際生產(chǎn)中有現(xiàn)實(shí)意義，值得我們注意。巖樣的線性尺寸對(duì)強(qiáng)度的影響。只在室內(nèi)對(duì)巖樣進(jìn)行破碎實(shí)驗(yàn)時(shí)。才會(huì)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生影響。一般情況下，巖石的強(qiáng)度隨巖樣尺寸的增大而降低，為消除這種線性尺寸的影響，實(shí)驗(yàn)用的每批巖石線性尺寸應(yīng)是一致的。2、技術(shù)因素方面14(三)巖石強(qiáng)度的測(cè)定方法強(qiáng)度一直是各工程部門衡量材料力學(xué)性質(zhì)的通用指標(biāo)。鉆探工作常采用各單元應(yīng)力(壓、拉、彎、剪)形式的極限強(qiáng)度作指標(biāo)；其中，最常用的是單(軸)向抗壓強(qiáng)度指標(biāo)。單向抗壓強(qiáng)度是指巖石試樣在破碎時(shí)，單位初始斷面積上的最大破碎力，也就是說，單向抗壓強(qiáng)度σ等于總壓力P和巖樣斷面S之比。(三)巖石強(qiáng)度的測(cè)定方法15二、硬度(一)巖石硬度的概念巖石的硬度是指巖石抵抗其它物體壓人的阻力。巖石的硬度在本質(zhì)上與強(qiáng)度，特別是抗壓強(qiáng)度有著密切的關(guān)系；但不能把巖石的單向抗壓強(qiáng)度作為其硬度的指標(biāo)。據(jù)純理論分析，巖石的抗壓強(qiáng)度與壓入硬度的關(guān)系，可由下式表示：式中：P—壓人硬度；σ—單向抗壓強(qiáng)度。二、硬度16一般地質(zhì)上把礦物的硬度分為10級(jí)，即莫氏硬度。因巖石是由各種礦物組成的，所以也可間接地以劃分礦物硬度的辦法來(lái)劃分巖石。巖石的硬度在一定程度上，直接反映了破碎巖石的難易程度。巖石越硬。切削具越難切入巖石，鉆進(jìn)效率就愈低，如燧石、石英巖、矽卡巖等就很硬，頁(yè)巖、泥巖等就較軟。一般地質(zhì)上把礦物的硬度分為10級(jí)，即莫氏硬度。因巖石是由各種17(二)影響巖石硬度的因素．影響巖石硬度的因素與影響強(qiáng)度的因素很相似。但層理對(duì)硬度的影響正好與強(qiáng)度相反，垂直層理方向的硬度值最小，而平行層理方向的硬度值最大。值得提出的是，水浸入巖石后．對(duì)巖石的硬度有一定的影響。如當(dāng)石灰?guī)r含水時(shí)．其硬度僅為干燥巖石的70%，如果含有濃度為1%表面活性物質(zhì)的溶液時(shí)，其硬度則降低到33%。另外一種現(xiàn)象是，當(dāng)巖石含水時(shí)，用壓模壓入破碎時(shí)，其破碎穴的尺寸減小。另外，據(jù)生產(chǎn)實(shí)踐知，巖石在各向壓縮狀態(tài)下，其壓力愈大則硬度亦大。(二)影響巖石硬度的因素．18(三)巖石硬度的測(cè)定方法巖石硬度的測(cè)定方法很多，按測(cè)定原理不同，常用的有以下三種方法：1．礦物的莫氏硬度和顯微硬度2.靜壓入法用靜壓入法進(jìn)行巖樣壓人試驗(yàn)時(shí)，是借助于極限荷載不小于100×9.8N的液壓機(jī)進(jìn)行的。3．動(dòng)壓入法動(dòng)壓人法采用最廣泛的測(cè)定金屬硬度的肖氏法。以一個(gè)鋼球從一定高度自由下落，打擊巖石試樣；試樣越硬、鋼球打擊試樣消耗在破碎試樣的能量越小，則鋼球回彈的能力愈大。這樣根據(jù)鋼球回彈的高度，便可以測(cè)出試樣的硬度。測(cè)量時(shí)，取鋼球重量為0.0025kg,下落高度為254mm。(三)巖石硬度的測(cè)定方法19三、研磨性(一)研磨性的概念用切削具切削巖石時(shí)，它必然與巖石發(fā)生摩擦。在摩擦過程中，巖石磨損切削具的能力稱為巖石的研磨性或磨蝕性。通常是用切削具磨損的體積與所消耗的摩擦功之比來(lái)表示研磨性的大小，其衡量的單位是m3/J。三、研磨性20(二)影響巖石研磨性的因素影響巖石研磨性的因素有兩方面，即自然因素和技術(shù)因素。1．自然因素影響巖石研磨性的自然因素主要是巖石的硬度、組成巖石礦物顆粒的大小和形狀，以及巖石的裂隙和孔隙度等。砂巖隨其膠結(jié)物強(qiáng)度的降低，其研磨性增加。(二)影響巖石研磨性的因素212．技術(shù)因素影響巖石研磨性的技術(shù)因素，也就是影響動(dòng)摩擦系數(shù)的各種技術(shù)因素。(1)壓力：實(shí)驗(yàn)證明，當(dāng)正壓力未達(dá)到巖石局部抗壓人硬度以前，巖石不產(chǎn)生體積破碎，工具與巖石接觸表面是以凹凸不平的點(diǎn)接觸為主要形式；隨著正壓力增加，由于工具與巖石彈性變形的結(jié)果，使這些點(diǎn)接觸的面積增大，接觸狀態(tài)更完善，增大了工具與巖石顆粒之間的粘滯力，因而摩擦系數(shù)增大。(2)相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度：相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度是指切削具與巖石的相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度。目前，對(duì)相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度對(duì)動(dòng)摩擦系數(shù)的影響程度，還研究得不夠。一般情況下，當(dāng)相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度較低時(shí)，隨著運(yùn)動(dòng)速度的增加，動(dòng)摩擦系數(shù)也增加；但當(dāng)運(yùn)動(dòng)速度達(dá)到某一數(shù)值時(shí)，動(dòng)摩擦系數(shù)就不再增加，反而減小。(3)介質(zhì)：介質(zhì)能改變切削具和巖石間的摩擦特征。2．技術(shù)因素22(三)巖石研磨性的測(cè)定方法巖石研磨性的測(cè)定，沒有統(tǒng)一的方法，往往只能間接表達(dá)或不定量表達(dá)。其測(cè)定方法可歸納為三類：1．直接測(cè)定法可測(cè)切削具的磨損高度、切削具磨損接觸面積或測(cè)量磨損重量、體積等。2．間接測(cè)定法(相對(duì)磨損)可測(cè)量鉆頭完全磨損前的進(jìn)尺。單位進(jìn)尺研磨材料的消耗或測(cè)量機(jī)械鉆速的曲線變化。3．室內(nèi)測(cè)定法可測(cè)量巖石硬度及摩擦系數(shù)的乘積，測(cè)定標(biāo)準(zhǔn)材料的磨損(如合金、截桿、圓盤等)，或作沖擊磨損試驗(yàn)等。(三)巖石研磨性的測(cè)定方法23四、巖土的彈性、塑性脆性外力作用于巖石時(shí)，巖石發(fā)生變形。隨后，載荷不斷增加，變形也不斷發(fā)展，最終導(dǎo)致巖石破壞。巖石的變形可能有兩種情況：一種是外力消除后巖石的外形和尺寸完全恢復(fù)原狀，這種變形稱為彈性變形；另一種是外力消除后巖石的外形和尺寸不能完全恢復(fù)而產(chǎn)生殘留變形，這種變形稱為塑性變形。四、巖土的彈性、塑性脆性24巖石從變形到破壞可能有三種形式：如破壞前不存在塑性變形，則這種破壞稱脆性破壞，呈脆性破壞的巖石稱脆性巖石；如破壞前發(fā)生大量塑性變形，則稱塑性破壞。呈塑性破壞的巖石稱塑性巖石；如先經(jīng)彈性變形，然后塑性變形，最終導(dǎo)致破壞，則稱為塑脆性破壞，呈塑脆性破壞的巖石稱塑脆性巖石。眾所周知。巖石的礦物組成和結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，所以巖石不是理想的彈性固體，故其變形不可能完全恢復(fù)。但在某種變形的情況下，大部分巖石在破壞以前都存在著一段彈性應(yīng)變，也就是說，巖石通常接近于彈性脆性體。巖石從變形到破壞可能有三種形式：如破壞前不存在塑性變形，則這25第三節(jié)巖土的可鉆性及其分級(jí)一、概述巖石的可鉆性就是在一定技術(shù)條件下鉆進(jìn)巖石的難易程度．也可以說是鉆進(jìn)時(shí)巖石抵抗破碎的能力。巖石的可鉆性是巖石在鉆進(jìn)過程中顯示出來(lái)的綜合性指標(biāo)。它取決于許多因素．其中主要的是巖石的物理力學(xué)性質(zhì)、鉆進(jìn)方法和鉆進(jìn)技術(shù)參數(shù)等。通常是在相同的鉆進(jìn)方法和相同的鉆進(jìn)技術(shù)參數(shù)條件下，通過試驗(yàn)來(lái)確定。第三節(jié)巖土的可鉆性及其分級(jí)一、概述26巖石可鉆性分級(jí)在實(shí)際鉆探生產(chǎn)中非常重要。它是合理選擇鉆進(jìn)方法及相應(yīng)的鉆進(jìn)工具和鉆進(jìn)規(guī)程的依據(jù)，也是制定鉆探生產(chǎn)定額、編制鉆探生產(chǎn)計(jì)劃的依據(jù)；同時(shí)．也是對(duì)鉆探機(jī)臺(tái)生產(chǎn)評(píng)定的客觀依據(jù)。目前，在巖心鉆探中衡量可鉆性的指標(biāo)有二：(1)機(jī)械鉆速：以每小時(shí)進(jìn)尺米數(shù)為指標(biāo)(指純鉆進(jìn)時(shí)間)；(2)一次提鉆長(zhǎng)度：以每回次進(jìn)尺數(shù)為指標(biāo)。對(duì)軟巖石來(lái)說，由于巖心的采取而受到限制；對(duì)硬巖石來(lái)說，該指標(biāo)主要是指鉆頭在孔底的工作壽命。巖石可鉆性分級(jí)在實(shí)際鉆探生產(chǎn)中非常重要。它是合理選擇鉆進(jìn)方法27二、巖石的可鉆性劃分地質(zhì)勘探鉆進(jìn)工作中，經(jīng)常用以下方法來(lái)劃巖石的可鉆性級(jí)別。1．刻劃對(duì)比法刻劃對(duì)比法是比較粗略的，但操作簡(jiǎn)單易行。具體指標(biāo)如下：(1)大拇指甲：刻劃1～3級(jí)的巖石礦物；(2)鐵刀：刻劃3～4級(jí)的巖石礦物；(3)普通鋼刀：刻劃4～5級(jí)的巖石礦物；(4)銼刀：刻劃5～6級(jí)的巖石礦物；(5)合金刀：刻劃7～8級(jí)的巖石礦物。二、巖石的可鉆性劃分282．巖石力學(xué)性質(zhì)進(jìn)行分級(jí)按巖石力學(xué)性質(zhì)進(jìn)行分級(jí)是采用單一的巖石力學(xué)性質(zhì)來(lái)劃分巖石的可鉆性級(jí)別。如按壓入硬度值把巖石分成6類12級(jí)（表1?6），也可據(jù)擺球的回彈次數(shù)(巖石動(dòng)力硬度)把巖石分成12級(jí)（表1?14）。2．