石油钻井设备与工具-王镇全 第二节 岩石破碎机理.ppt

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1、第二节岩石破碎机理一、破岩方法与工具利用特定的机械工具在岩石表面施加载荷，使岩石所受载荷超过其强度极限而破碎的破岩方式称为机械破岩方法。石油钻井所用的破岩方式主要为机械破岩。根据加载方式不同，机械破岩基本方式分为:剪切、冲击、磨削三种。铁锹镐凿子剪切冲击冲击+剪切举例说明破岩的基本方式:通过原始劳动工具破岩过程的分析可以看出：1、工具不同、加载方式不同，形成破碎岩石的方式不同;2、岩石性质不同，适用的破岩方法不同；3、破岩方法不同，适用的破岩工具形状也不同。因此，为获得最优破岩效果需要根据地层条件选择不同的破岩工具。目前石油钻井常用的破岩工具（钻头）主要有以下种类：1

2、、牙轮钻头；2、聚晶金刚石复合片钻头（PDC钻头）；3、单晶金刚石钻头。PDC钻头：剪切破岩牙轮钻头：冲击+剪切破岩单晶金刚石：磨削破岩（微剪切）弹性力学基于岩石的弹性变形范围进行应力分析，可以得到岩石的应力状态，据此可判定岩石最先发生破碎的危险地带。当岩石内部出现破裂裂纹后，岩石的连续性遭到破坏，则超出了弹性力学研究的范围。对于岩石的破碎过程和机理，塑性力学和断裂力学没有给出定量的描述和解释。但是人们在大量的试验分析的基础上，对工具压入岩石时岩石的破碎过程和机理有了定性的认识。二、岩石破碎机理对于机械破岩，虽然破岩方式不同破岩机理有所不同。但其最终都要通过钻头的牙齿

3、与岩石发生相互作用来破碎岩石，也既牙齿受到不同形式的力的作用并将力传递到岩石，达到破岩的目的。因此分析破岩机理应从单齿破碎岩石的过程入手。一）常用的钻头齿形状根据牙齿切削刃的轮廓形状，可将牙齿的形状归为两类：1、片状片状是剪切类钻头齿的常用形状。2、球形1、剪切和磨削牙齿以压入力和切削力联合作用于岩石。二）加载方式简化PM钻头是在钻压和旋转扭矩的联合作用下钻进。PQ对于每一个切削齿，其受力可简化为受压入力和切削力的作用。2、冲击作用牙齿以瞬间力作用于岩石。3、滚压作用牙齿以冲击和剪切两种形式联合破岩。4、加载方式的简化总之，不同的破岩方式只是力的作用方式和作用时间不同

4、，但其载荷作用方式可简化为：1、压入力（垂直力）；2、压入力和水平力同时作用。PQPQFP三)压头受单向垂直压力压入岩石岩石破碎的发展过程为简化分析，采用压头受单向垂直压力压入岩石时，岩石的破碎过程来分析。对于球形齿磨损后可认为形成平底圆柱形，因此以圆柱平底压头静压入岩石时岩石的破碎发展过程为例来分析岩石破碎的发展过程。圆柱平底受单向垂直力压入岩石表面图示1、岩石破碎过程根据弹性力学的基本理论：圆柱平底压头受单向垂直力作用，岩石表面所受应力的分布如图1。根据应力分布图1，圆柱压头作用于岩石表面的压力在压头周边存在应力分布的极值，随着载荷的增加，周边岩石所受应力首先达

5、到屈服极限而发生塑性变形破坏。周边岩石发生塑性变形后，压头向下移动侵入岩石一定深度，载荷变为均布载荷如图2；同时由于压头的移动使得压头周边区域形成拉应力区。图1图2载荷变为均布图示圆柱平底压头作用于岩石，载荷变为均布载荷后，岩石内部应力分布根据弹性力学的计算得出如下结果：在对称轴处,剪应力存在最大值：（其中u为泊松比）根据上述结论，随着力的进一步增加，在压头下方深度为Zm处，剪应力极值达到岩石的抗剪强度，此处形成剪应力破坏点。在载荷的进一步作用下,周边裂隙和Zm处裂隙贯穿，在压头下方形成破碎核—压实核。由于密实核处于全面压缩状态，不能形成剪切破坏。但压实核作为力的载体

6、对周围岩石产生挤压作用。当载荷继续增加时，在最大剪应力点外侧的c点产生裂纹。这裂纹发展贯穿周围的岩石达到自由面，在压实核积压力的作用下形成大面积的崩裂，形成破碎坑。岩石破碎坑岩石崩裂位置破碎坑体积的大小如何界定呢?前苏联科学家波尔以摩尔强度理论为基础得出了压头压入岩石的岩石破碎坑大小的定量界定方法。假定密实体刚体，将压头和密实体作为一体，简化模型如下图：式中：φ—岩石的内摩擦角；与岩石性质有关的参数；θ—为压头下部压实体形成的近似锥体锥顶角的半角；与岩石性能和压头尺寸形状相关的参数；ψ—剪切面倾角。破碎坑的大小可用下式界定：分析破碎坑倾角的影响因素可知:1、破碎坑体积

7、的大小与岩石的性能有关；在压头形状面积一定的条件下脆性越大的岩石破岩体积越大。2、在岩石性能一定的条件下，破岩体积的大小与破岩工具的形状、尺寸有关。例如：某内摩擦角为=32°砂岩，采用圆柱压头压入。由弹性力学分析可知其θ近似可取0°;计算得：ψ=29°；也即形成破碎坑的内锥角为122°。压头压入岩石形成破碎坑后，一个破碎过程结束。接下来破碎过程进入第二循环，过程重复上述步骤。但由于围岩的限制破岩体积减小。2、岩石破碎的三个阶段:从岩石破碎的过程分析，随着压力的增加，压头破碎岩石的过程可划分为三个阶段：①裂纹发展阶段（塑性变形）②压实体形成阶段（局部