石油鉆井設(shè)備與工具-王鎮(zhèn)全第一節(jié)巖石基本知識(shí)(編輯修改稿)
2025-01-26 07:41 本頁(yè)面
【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 分 ①一般巖漿巖和變質(zhì)巖的彈性模數(shù)大于沉積巖，而塑性系數(shù)則相反。 ②對(duì)于沉積巖來(lái)說(shuō)，彈性模數(shù)決定于巖石的碎屑和膠結(jié)物以及膠結(jié)狀況。在膠結(jié)物和膠結(jié)狀況相同的情況下，碎屑顆粒的彈性模數(shù)大，則巖石的彈性模數(shù)也大；在碎屑顆粒成分相同的情況下，膠結(jié)物為硅質(zhì)者，巖石的彈性模數(shù)最大，膠結(jié)物為鈣質(zhì)者次之，膠結(jié)物為泥質(zhì)者最小。 2．巖石結(jié)構(gòu)、構(gòu)造的影響 ①造巖礦物顆粒的大小對(duì)彈性模數(shù)有較大的影響。細(xì)粒巖石的彈性模數(shù)大于粗粒巖石，如細(xì)砂巖的 E=，而粗砂巖的E=。 ②層理對(duì)巖石的彈性模數(shù)也有明顯影響。平行于層理方向的彈性模數(shù) E‖ 大于垂直于層理方向的彈性模數(shù) E⊥ ，如泥質(zhì)頁(yè)巖 E‖ ／ E⊥ ≈2 ，這是因?yàn)閹r石顆粒定向排列，在垂直于層面方向加載時(shí)，在巖石的彈性限度內(nèi)形變較大，而沿平行于層理方向加載，形變較小的緣故。 ③巖石孔隙度增加，其彈性模數(shù)降低，塑性系數(shù)增加。例如沉積巖，其膠結(jié)形式為基底膠結(jié)者，孔隙度較小，彈性模數(shù)大，而膠結(jié)形式為充填膠結(jié)或接觸膠結(jié)者，孔隙度較大，彈性模數(shù)小。 ④巖石越均質(zhì)致密，彈性模數(shù)越大，塑性系數(shù)越小 。巖石結(jié)構(gòu)缺陷越多 ,裂隙越發(fā)育，彈性模數(shù)越小，塑性系數(shù)越大。 3．應(yīng)力狀態(tài) 在不同的應(yīng)力狀態(tài)下，巖石的變形性質(zhì)存在著很大的差別。在單向壓縮下巖石往往表現(xiàn)為彈性脆性體，破壞前無(wú)顯著的塑性變形。但是在各向壓縮下巖石則表觀出不同程度的塑性，破壞前都要產(chǎn)生一定的塑性變形。 深部孔底的巖石受上覆巖層壓力、孔內(nèi)液柱壓力和地層孔隙壓力的綜合作用，處于三向應(yīng)力狀態(tài)。為了了解巖石在各向壓縮下的力學(xué)性質(zhì)，通常進(jìn)行模擬孔底狀態(tài)的三軸試驗(yàn)。 試驗(yàn)表明，隨著圍巖壓力增大，巖石表現(xiàn)出從脆性到塑性的轉(zhuǎn)變，并且圍巖壓力越大，巖石破壞前呈現(xiàn)的塑性也越大。對(duì)于深孔鉆進(jìn)來(lái)說(shuō)，研究巖石從脆性到塑性的轉(zhuǎn)變點(diǎn) (即從脆性變?yōu)樗苄缘膰鷰r壓力，又稱臨界圍壓 )有很大實(shí)際意義。因?yàn)榇嘈云茐暮退苄云茐氖莾煞N本質(zhì)不同的破壞，破碎這兩種狀態(tài)的巖石應(yīng)采用不同的破碎方式、破碎工具和破碎參數(shù)。 同一種巖石受壓縮時(shí)，顆粒之間距離縮小，顆粒間相互作用力有所增大，故彈性模數(shù)表現(xiàn)提高，而受拉伸時(shí)，顆粒之間距離增大，顆粒間相互作用力減小，故彈性模數(shù)降低。壓縮時(shí)的彈性模數(shù)是拉伸時(shí)彈性模數(shù)的 ～ 4倍。彎曲時(shí)的彈性模數(shù)是拉伸時(shí)彈性模數(shù)的 ～ 。 二）巖石的強(qiáng)度特性 （一）巖石強(qiáng)度的概念 巖石在載荷不斷作用下變形到一定程度就發(fā)生破壞。破壞前巖石所能承受的最大載荷稱為極限載荷，單位面積上的極限載荷稱為極限強(qiáng)度。 研究巖石的強(qiáng)度特性就是研究極限強(qiáng)度特性。巖石強(qiáng)度的單位是 Pa(帕 )或 MPa(兆帕 )。 根據(jù)受力條件不同，巖石的極限強(qiáng)度可分為抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度和抗彎強(qiáng)度等， 根據(jù)應(yīng)力狀態(tài)，巖石強(qiáng)度又可分為單向應(yīng)力狀態(tài)下的強(qiáng)度、兩向應(yīng)力狀態(tài)下的強(qiáng)度和三向應(yīng)力狀態(tài)下的強(qiáng)度。 (二 )影響巖石強(qiáng)度的因素 1．巖石的物質(zhì)成分 不同礦物組成的巖石具有不同的強(qiáng)度。例如，石英是強(qiáng)度較大的造巖礦物，巖石中石英含量高，并且石英顆粒在巖石中連結(jié)成骨架時(shí)，則巖石的強(qiáng)度也高，而方解石和白云石等強(qiáng)度較小，因此在碳酸鹽類巖石中方解石含量增加，則巖石強(qiáng)度降低。 對(duì)于沉積碎屑巖來(lái)說(shuō)，膠結(jié)物的成分對(duì)巖石強(qiáng)度有較大的影響。例如，硅質(zhì)膠結(jié)的砂巖，其抗壓強(qiáng)度高達(dá) 200MPa以上，而鈣質(zhì)膠結(jié)的砂巖，強(qiáng)度則為 20～ 100MPa；泥質(zhì)膠結(jié)的砂巖，強(qiáng)度往往在 20MPa以下。巖石中膠結(jié)物所占比例越大，膠結(jié)物對(duì)巖石強(qiáng)度影響越大，而被膠結(jié)的巖屑或礦物對(duì)巖石強(qiáng)度的影響越小。 2．巖石的結(jié)構(gòu)、構(gòu)造 礦物顆粒大小對(duì)巖石強(qiáng)度有一定的影響。一般說(shuō)來(lái)，細(xì)粒巖石的強(qiáng)度高于粗粒巖石的強(qiáng)度，并且顆粒越細(xì)，這種影響越大。例如，粗?；◢弾r的抗壓強(qiáng)度是 80 ～ 120MPa，而細(xì)?；◢弾r的抗壓強(qiáng)度則高達(dá) 200～ 250MPa。 另一對(duì)巖石強(qiáng)度有影響的因素是層理。層理發(fā)育巖石的強(qiáng)度具有明顯的各向異性。垂直于層理方向的抗壓強(qiáng)度最大，平行于層理方向的抗壓強(qiáng)度最小，與層理方向呈某種角度時(shí)的抗壓強(qiáng)度介于二者之間。 26 3．巖石的容重和孔隙度 同一種巖石，其孔隙度增加，容重降低，從而巖石強(qiáng)度也降低，反之亦然。例如石灰?guī)r容重由 ／ m3增加到 ／ m3時(shí)，其抗壓強(qiáng)度就由 5MPa增至 180MPa。又如砂巖的容重由／ m3 增加到 ／ m3 時(shí)，其抗壓強(qiáng)度也由 15MPa增加到 90MPa。 一般來(lái)說(shuō)，巖石的孔隙度隨其埋藏深度的增加而減小。因此，巖石的強(qiáng)度隨其埋藏深度的增加而增大。例如，埋藏在深部的粘土的強(qiáng)度比靠近地表處的粘土的強(qiáng)度大。 4．加載方式 巖石的抗壓、抗拉、抗剪和抗彎強(qiáng)度有很大的差別。在單向應(yīng)力狀態(tài)下，巖石的抗壓強(qiáng)度最大，而抗拉強(qiáng)度最小，抗剪和抗彎強(qiáng)度介于抗壓和抗拉強(qiáng)度之間。這是因?yàn)閹r石受壓縮的顆粒之間的距離縮小，顆粒間相互作用力增加，所以強(qiáng)度增加；而受拉伸時(shí)顆粒之間的距離增大，顆粒間相互作用力減弱，所以強(qiáng)度下降。 巖石的抗剪強(qiáng)度約為其抗壓強(qiáng)度的 1／ 5～ 1／ 11；巖石的抗彎強(qiáng)度約為抗壓強(qiáng)度的 1／ 5～ 1／ 12，而巖石的抗拉強(qiáng)度僅為巖石抗壓強(qiáng)度的 1／ 10～ 1／ 50。 利用巖石抗剪、抗彎和抗拉強(qiáng)度小的弱點(diǎn)，尋求相應(yīng)的破碎方法，對(duì)提高碎巖效率非常有利。 27 28 5．應(yīng)力狀態(tài) 巖石在兩向應(yīng)力和三向應(yīng)力狀態(tài)下，其抗壓強(qiáng)度比單向應(yīng)力狀態(tài)下要高出許多倍。巖石的強(qiáng)度極限隨著圍壓的增加而明顯增大。例如當(dāng)圍壓從零增加到 165MPa時(shí)，大理巖的抗壓強(qiáng)度從 136增加到 490MPa，當(dāng)圍壓從零增加到 155MPa時(shí)，砂巖的強(qiáng)度從 69增至 330MPa。 巖石強(qiáng)度隨圍壓增加而增大的原因是：巖石的圍壓增大，各向壓縮增強(qiáng)，巖石的體積產(chǎn)
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