4[海底巖石與鉆頭破巖]海洋鉆井工程(已修改)
2025-03-07 00:41 本頁面
【正文】 1海 洋 石 油 工 程李瑋 博士、副教授Tel:13936811904Email:1目目 錄錄 1. 海上鉆井發(fā)展?fàn)顩r及環(huán)境特點2. 海上鉆井裝置3. 海上鉆井主要系統(tǒng)4. 海底巖石與鉆頭破巖5. 井眼軌道設(shè)計與控制6. 優(yōu)選參數(shù)鉆井7. 海洋鉆井壓力預(yù)測與控制 8. 海上鉆井工藝技術(shù)本章主要內(nèi)容一、海底 巖石的力學(xué)性質(zhì)巖石的力學(xué)性質(zhì)二、海底二、海底 巖石的研磨性與可鉆性巖石的研磨性與可鉆性三、三、 刮刀鉆頭及其破巖原理刮刀鉆頭及其破巖原理四、四、 牙輪鉆頭及其破巖原理牙輪鉆頭及其破巖原理五、五、 金剛石鉆頭及其破巖原理金剛石鉆頭及其破巖原理一、海底巖石的力學(xué)性質(zhì)一、海底巖石的力學(xué)性質(zhì)水龍頭方鉆桿轉(zhuǎn) 盤鉆鉆 桿桿扶正器扶正器鉆鉆 鋌鋌鉆鉆 頭頭頂驅(qū)一、海底巖石的力學(xué)性質(zhì)一、海底巖石的力學(xué)性質(zhì)巖石的力學(xué)性質(zhì)變形特征強度特征自生石英晶體 ,溶孔中絨球狀綠泥石一、海底巖石的力學(xué)性質(zhì)一、海底巖石的力學(xué)性質(zhì)變形特征變形特征 :指巖石在各種載荷作用下的變形規(guī)律 (包括巖石的彈性變形、塑性變形、粘性流動和破壞規(guī)律 )。強度特征強度特征 :指巖石在載荷作用下開始破壞時的最大應(yīng)力 (強度極限 )以及應(yīng)力與破壞之間的關(guān)系，它反映了巖石抵抗破壞的能力和破壞規(guī)律。一、海底巖石的力學(xué)性質(zhì)一、海底巖石的力學(xué)性質(zhì)一、海底巖石的力學(xué)性質(zhì)一、海底巖石的力學(xué)性質(zhì)巖石試樣的鉆取及制備(一一 )、應(yīng)力應(yīng)變曲線、應(yīng)力應(yīng)變曲線(二二 ) 、強度、強度 (簡單應(yīng)力簡單應(yīng)力)(三三 ) 、強度、強度 (復(fù)雜應(yīng)力復(fù)雜應(yīng)力)一、海底巖石的力學(xué)性質(zhì)一、海底巖石的力學(xué)性質(zhì)圖 典型應(yīng)力應(yīng)變曲線OA段： 曲線稍向上凹，這反映巖石試件內(nèi)部裂隙逐漸被壓密。AB段： 隨著巖石內(nèi)裂隙被壓密進入 AB段，它的斜率為常數(shù)或接近于常數(shù)，該直線的斜率稱為楊氏彈性模量 E。 (一一 )、巖石的應(yīng)力、巖石的應(yīng)力 應(yīng)變曲線應(yīng)變曲線BC段： B點為屈服極限，是巖樣彈性行為到塑性行為過渡的點。 C點為強度極限，是巖樣所能承受的最大應(yīng)力。 C點以前的階段稱為破壞前階段，之后稱為破壞后階段。 特點： 變形和荷載呈非線性關(guān)系，裂隙進入不穩(wěn)定發(fā)展?fàn)顟B(tài)。卸載不能完全恢復(fù)，存在永久變形。 CD段： 該段曲線呈下降形態(tài)，巖樣承受應(yīng)力的能力下降，而巖石的應(yīng)變增加，巖石開始解體。 (一一 )、巖石的應(yīng)力、巖石的應(yīng)力 應(yīng)變曲線應(yīng)變曲線圖 典型應(yīng)力應(yīng)變曲線巖石的強度抗壓強度抗拉強度抗壓強度抗彎曲強度通常情況下：抗壓 抗剪 抗彎 抗拉強度強度獲取方法：對具體的巖石進行強度試驗 (二二 )、簡單應(yīng)力條件下巖石的強度、簡單應(yīng)力條件下巖石的強度巖石抗壓縮強度 指巖石抵抗外力壓縮的能力．其大小等于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，可通過單軸抗壓縮強度試驗來獲得。三軸應(yīng)力機巖石抗壓縮強度真實的應(yīng)力應(yīng)變曲線巖石抗壓縮強度*設(shè)計恰當(dāng)?shù)膴A緊機構(gòu)；*制備一定形狀的巖樣；*確保加載方向嚴格平行于巖樣軸線。實驗要求測量方法 間接抗拉伸強度試驗直接抗拉伸強度試驗巖石抗拉伸強度 破裂從圓的中心開始 ,沿加載直徑向上下擴展。巖石的抗張強度可按下式計算：巴西劈裂實驗1. 常規(guī)三軸試驗 （ a） （ b） （ c） （ d） 圖 110三軸巖石試驗方法 （ a）液壓作用下的壓（拉）試驗（常規(guī)三軸試驗）； （ b）用三個液缸的柱塞進行的三面壓縮試驗（真三軸試驗）； （ c）液壓作用下的壓扭試驗； (d）液壓作用下的兩面柱塞壓縮試驗。(三三 )、復(fù)雜應(yīng)力條件下的巖石強度、復(fù)雜應(yīng)力條件下的巖石強度σ1 P=σ2 = σ3σ3P=σ1 = σ2（ a）壓縮試驗 （ b）拉伸試驗1. 常規(guī)三軸試驗2θσ1σ3ψ CστoOAB庫侖剪切強度曲線庫侖剪切強度曲線2. 三軸應(yīng)力下巖石的強度和變形的特點 巖石的強度是隨作用于破壞面 (或剪切滑動面 )的垂直 (法向 )壓應(yīng)力的增加而增大的?！ ? 庫侖 — 莫爾強度理論n 莫爾提出巖石的強度曲線是一系列莫爾提出巖石的強度曲線是一系列 不同圍壓下的極不同圍壓下的極限應(yīng)力圓的包絡(luò)線限應(yīng)力圓的包絡(luò)線n 畫在畫在 τστσ 平面上的巖石強度曲線變成了近似于斜率平面上的巖石強度曲線變成了近似于斜率逐漸減小的逐漸減小的 拋物線，可適用于高圍壓的情況拋物線，可適用于高圍壓的情況 。?? O 莫爾應(yīng)力圓包絡(luò)線τσ0庫侖 — 莫爾強度理論卡爾曼在室溫下的試驗結(jié)果（應(yīng)力 應(yīng)變曲線）三軸試驗的應(yīng)力－應(yīng)變曲線（圖中有 X者為脆性破壞）?3 = 3260 bar?3 = 1650 bar?3 = 850 bar?3 = 500 bar?3 = 235 bar?3 = 0應(yīng)變 ∑ z，％（大理巖）(?1－ ?3)，bar應(yīng)變 ∑ z，％（砂巖）?3＝ 2175 bar?3＝ 1550 bar?3＝ 555 bar?3＝ 275 barX?3＝ 0(?1－ ?3)，bar6000400030002023100060004000300020231000X X0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 (四四 )、三軸應(yīng)力作用下巖石機械性質(zhì)的變化、三軸應(yīng)力作用下巖石機械性質(zhì)的變化兩兩方方面面顯顯著著變變化化隨著圍壓的增大，巖石強度極限增大。（１）不同類型的巖石，增大幅度和倍數(shù)是不一樣的；（２）圍壓對巖石強度的影響程度，并不是在所有壓力 范圍內(nèi)都相同?！ ‰S著圍壓的增大，巖石表現(xiàn)出從脆性到塑性的轉(zhuǎn)變，且圍壓越大，巖石破碎前所呈現(xiàn)的塑性也越大。(四四 )、三軸應(yīng)力作用下巖石機械性質(zhì)的變化、三軸應(yīng)力作用下巖石機械性質(zhì)的變化 巖石從脆性到塑性的
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