钻井工程(txt+pdf+epub+mobi电子书下载)

作者：楼一珊,李琪

出版社：石油工业出版社

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钻井工程试读：

前言

2009年11月，长江大学、西安石油大学、东北石油大学、中国地质大学（北京）、重庆科技学院等5所学校的老师和专家聚集一堂，认真讨论了“钻井工程”课程定位，研究了该课程的教材内容，比较了现行教材的特点和优劣，并结合各校讲义，最终形成了高等院校石油天然气类规划教材《钻井工程》的编写大纲。

经过各参与院校的倾力打造，最终将本教材呈现在读者面前。本教材全面贯彻了理论联系实际教学方式，注重工程实践环节，并将钻井工程的新发展、科研成果融入其中，做到了实用、够用、管用。

本教材由长江大学楼一珊、西安石油大学李琪担任主编，重庆科技学院龙芝辉、长江大学熊青山担任副主编。具体编写分工如下：

绪论

本教材是5所石油高校钻井专业老师多年教学成果的积累和心血的结晶。在本书编写过程中编者参考了大量国内外相关教材、专著和文献，在本书的出版过程中中国石油大学（华东）金业权提出了大量宝贵建议和意见，在此，编者对参与本书编写的老师、参考文献的作者，以及支持和帮助本教材出版发行的单位、领导和师生表示衷心的感谢。

由于编者水平有限，书中难免存在缺点与错误，恳请读者批评和指正，以期日后修改与提高。编者2013年6月绪论

第一节 钻井工程在石油工业中的地位

石油与天然气是世界各国经济发展所需最重要的战略性资源之一。自19世纪大规模商业性开采以来，世界石油天然气的消费和需求不断增长，在全世界能源消费结构中的比重急剧上升。然而地下油气资源通常都埋藏在地表以下几百米到近万米深的各种岩层内。为了勘探开发这些油气资源，人们必须从地面或海底建立一条通往地下油气藏的通道，于是出现了石油工业及油气钻井工程。

石油工业是指从事石油和天然气的勘探、开发、炼制、储运的生产部门。油气钻井工程则是通过快速高效破碎井底岩石、取出岩屑、保护井壁等一系列的工艺技术，建立起一条开采油气通道，勘探开发地下油气资源不可或缺的重大工程，主要包括钻井、固井、完井和测井等多种工程技术，涉及地质学、岩石矿物学、物理学、化学、数学、力学、机械工程、系统工程和遥测遥控等多种学科，是一项多学科、多工种、技术复杂、造价昂贵的地下基建工程。

石油勘探方法虽有多种，但钻井是判断地下是否有油气最重要、最直接的手段。当一个地质圈闭经钻探并确认有工业开采价值的油气后，接下来的工作就是查明它的具体范围和出油能力。为此，要通过钻井查清油层层数、深度、厚度，搞清油层的岩性和其他物理性质，测试油层油气生产能力，分析原油性质，然后再扩大钻探，进一步探明圈闭含油气情况，计算出地下油气储藏量。

油田开发是指在认识和掌握油田地质及其变化规律的基础上，在油藏上合理地分布油井并确定投产顺序，以及通过调整采油井的工作制度和其他技术措施，把地下石油资源采集到地面的全过程。

由上可知，在石油勘探、开发各个阶段都要进行钻井。钻井是勘探、开发地下油气资源的基本手段，是探明油气储量和提高油气田产量的重要环节，直接影响着勘探开发的安全与进程，具有技术密集、高投资和高风险的特点。在世界范围内，油气钻井费用占油气勘探总投资的55%～80%，占油气田开发总投资的50%以上，钻井技术的优劣和水平直接影响着油气勘探开发效益。伴随着油气勘探开发的深入，钻井设备配套、工具仪器研发、钻井高新技术研究与应用得到了高度重视和快速发展，钻井前沿技术不断突破，储备技术研究投资不断加大。目前，钻井技术不仅仅只是建立油气通道，而且成为提高油气井产量、提高采收率等增储上产的新途径和主要手段。

第二节 钻井技术的发展

在远古时代，人类为生存和取得地下资源就已经开始掘井工作。我国在利用钻井开发地下资源方面有着悠久的历史。据记载，早在两千多年前我国在四川就已经钻凿了盐井，并创造了冲击钻，其基本原理至今仍为人们所利用。在北宋时代，人力绳索式顿钻方法得到了发展。在1521年就钻凿了油井和火井（天然气井），1835年在四川钻成1200m的火井（天然气井），这是当时世界上最深的井。中国陆上第一口油井在陕西延长油矿，目前日产量还有200kg。公元前—1840年的钻井为中国古代钻井，创造了辉煌历史（绳索顿钻）；1841—1948年间的钻井为中国近代钻井，水平由领先沦为落后（旋转钻）；1949—2000年的钻井为中国现代钻井，此期间中国钻井奋起直追，逐步缩小差距；2001年开始的钻井为中国21世纪钻井，期望第二次走向辉煌。

在世界上，美国于1859年在宾夕法尼亚州泰特斯维尔小镇打了一口20m深的油井，也就是所谓的世界上第一口油井；俄罗斯在1863年也打出20m深的井。

一、 钻井方法发展进程

钻井方法的发展一般分为4个阶段，即人工掘井、人力冲击钻、机械顿钻（冲击钻）与旋转钻。（1）人工掘井：1521年之前的钻井。（2）人力冲击钻（1521—1835年）：是靠人力、捞砂筒、特殊钻头、悬绳、游梁等来完成，实际上是利用了杠杆原理及自由落体的下落冲击作用来实现钻井。（3）机械顿钻（冲击钻）：1859—1901年，是现代石油钻井的开始。其优点是设备简单、起下钻方便；缺点是靠冲击作用破岩，钻头功率小，破岩效率低，钻井速度慢。（4）旋转钻：1901年发展起来，靠动力带动钻头旋转破碎井底岩石，同时循环钻井液以清洗井底。旋转钻井又分为转盘钻井、井下动力钻具钻井、顶部驱动旋转钻井及复合式钻井。其特点是破岩与清岩同时进行；旋转动力大，转速高，破碎效率高；设备复杂，起下钻繁琐。

到目前为止，旋转钻井方法仍然是石油钻井的主要方法。随着现代科学技术的发展，旋转钻井工艺技术也得到迅速发展，其特点是：从经验钻井发展到科学化钻井；从浅井、中深井发展到深井、超深井；从钻直井（垂直井）、定向井发展到钻大斜度定向井、丛式井、水平井；从陆地钻井发展到近海和深海钻井。

二、 旋转钻井技术的发展

旋转钻井技术的发展经历了概念阶段、发展阶段、科学化钻井阶段与自动化钻井阶段。

1.概念阶段（1901—1920年）

在这个阶段，开始把钻井和洗井两个过程联系在一起，并使用了牙轮钻头和注水泥封固套管的工艺。

2.发展阶段（1920—1948年）

这个时期的钻井工艺、固井工艺、牙轮钻头、钻井液等均得到进一步发展，同时出现了大功率钻井设备。

3.科学化钻井阶段（1948—1968年）

所谓科学化钻井，就是优化钻井工程设计和施工措施，科学地进行钻井工程施工，达到钻井工程所追求的最终目标。其内容主要包括科学化钻井设计、科学化钻井施工以及油气层保护。这个阶段开展了大量的科学研究，使钻井技术得以迅速发展。突出的技术成就有高压喷射钻井、高效牙轮钻头（镶齿、滑动密封轴承钻头）、优质钻井液（低固相、无固相不分散体系钻井液）以及优选参数钻井（优选钻压、转速和水力参数）等，这些技术使钻井速度产生了大的飞跃。地层压力检测技术、油气井压力控制技术、钻井液固相控制技术、平衡压力钻井技术等使钻井速度又一次产生了大的飞跃。

4.自动化钻井阶段（1968年至今）

这个时期主要体现电子仪表、自动测量和计算机在钻井工程中的应用，如钻井参数的自动测量、综合录井和随钻测量技术等。自动化钻机、井口机械化自动化工具、井眼轨迹遥控及自动闭环控制等技术也应运而生。由于以上新设备、新技术、新工艺的应用，才得以实现最优化钻井以及自动化钻井。

近些年来发展了小井眼井、大位移井、分支井、控压钻井、连续管钻井、套管钻井、膨胀管技术等，这些工艺技术的发展都有利于提高钻井效率，提高油田产量和采收率。

三、 世界钻井技术发展趋势

1.钻井技术总体发展趋势

据相关公司统计预测：世界范围未来几年内钻井井型将更趋复杂，但仍以常规井为主，水平井等复杂结构井（包括分支井、大位移井和老井重入侧钻水平井等）为辅；近三分之一的井（包括复杂结构井和直井防斜打快）要使用旋转导向技术；连续管钻井完井、井底压力及温度测量仪的应用增长快，控压钻井和气体钻井略有增加，主要在陆地上应用；智能完井维持在一定的比例，主要在海上应用。

纵观21世纪，世界钻井技术发展总的趋势是向自动化、智能化以及更加注重质量、健康、安全与环保（QHSE）等方向的发展，并以信息化、智能化为特点，将钻井、电测、信息采集和控制技术紧密结合，多技术集成一体化，最大限度地发现和保护油气藏，提高油气井产量和油气田采收率，提高钻井速度，降低成本，提高勘探开发的综合效益。

2.钻井单项技术发展趋势

未来需要发展或继续发展的单项技术有旋转导向、随钻录井（LWD）、顶驱下套管、钻直井眼的马达、钻台机械化、大位移井、膨胀套管（尾管）、高温井、连续管钻井、钻井最优化技术等，以期提高钻井速度，降低每米进尺费用。

第三节 建井过程

一口井从最初确定井位等到最后试油、投产，要完成许多作业，按其顺序可分为钻前准备、钻进、固井与完井三大部分，而每个阶段又包括许多具体工艺作业。

一、 钻前准备

在定好井位及完成井的设计之后，开始钻井施工中的第一道工序——钻前工程，主要包括以下内容。

1.修公路及桥涵

公路及桥涵应满足建井周期内运送钻井设备及器材的车辆安全通行。

2.平井场及打基础

井场是陆上打井时为了便于钻井施工在井口周围平整出来的一片平地。井场用于安装钻井设备，存放管柱，放置油罐、水罐、钻井液罐、灰罐、钻井液材料、值班房、发电房、库房等。井场面积大小应能满足搬家、安装、固井作业时大批车辆进出、摆放等要求，与钻机级别有关。若在海上钻井，则用钻井平台或钻井船来代替井场。

在钻井过程中，为防止钻井设备出现不均匀沉降等，需打基础。设备（包括井架、钻井泵、钻井液罐等）基础可采用现浇混凝土基础、块石基础、混凝土预制基础、桩基础以及金属结构。

3.搬迁设备并安装

搬迁设备与安装包括设备就位、找正、调整、固定以及油、水、气、电与保温等管线安装。

4.准备井口图0-1 导管及鼠洞示意图1—转盘；2—钻台；3—钻井液出口；4—导管；5—井架底座；6—圆井；7—井架基础；8—水泥砂浆；9—鼠洞管；10—鼠洞

准备井口工作包括挖圆形井、立导管、钻鼠洞以及下鼠管等。如图0-1所示，在井口中央挖一个圆形井，下导管，用水泥砂浆固结；在井口中心左前侧不远处钻一个浅洞，下入钢管（鼠洞管），形成大鼠洞，用来存放方钻杆；另外，在井口中心正前方钻一个浅孔，下入一根钢管（鼠洞管），形成小鼠洞，用以存放单根。鼠洞管一般用旧套管制成，大多数鼠洞是用水直接冲刺出来的。

5.备足钻井所需各种工具及器材

该项工作主要包括钻杆、钻铤、钻头及钻井泵等必要配件以及钻井液处理剂等的准备工作。

二、 钻进

钻井方法虽说有多种，但目前常用的是通过转盘带动钻柱破碎岩石的旋转钻井法。直接破碎岩石的工具称为钻头。

1.钻进的内涵

钻进是指给钻头施加一定的压力，并使钻头旋转，使之破碎井底岩石，井眼逐渐加深的过程。给钻头施加压力（钻压），可使钻头切屑刃吃入岩石中；钻头旋转，可剪切掉切屑刃之间的岩石。钻压通过部分钻柱（钻铤）的重量获得，钻头的旋转可通过转盘、井下动力钻具或顶驱实现。钻进速度的快慢可用机械钻速等来表示。

2.洗井

钻头破碎井底岩石产生的小碎块称为岩屑。钻头工作时不断钻出岩屑，若不及时用冲洗介质将岩屑冲离孔底而带到地表，则会造成井底岩屑重复破碎，不仅影响钻进效率，加剧钻头及钻具的磨损，降低钻头使用寿命，而且会造成烧钻、卡钻等孔内事故，所以要及时清除井底岩屑。岩屑通过循环冲洗介质被携带到地面上来，这一过程称为洗井。冲洗介质可以是水、油等液体或空气、天然气等气体。现场所用冲洗介质常称为钻井液，俗称泥浆。

3.接单根

钻进过程中井眼不断加深，钻柱长度必然也相应增加。每接入一根钻杆称为接单根，打一口井需要接多次单根。

4.起下钻

钻头在井底破碎岩石时会逐渐磨损，当磨损到一定程度时，需要更换新钻头，为此需将钻头及全部钻柱从井内起出，此过程称为起钻。更换新钻头后，再将新钻头及全部钻柱下入井内，此过程称为下钻。此外，处理各种事故、测井等也需进行起下钻操作。

5.开钻

钻进过程中会遇到各种地层岩石，有的岩石强度低，有的地层含高压水、油、气等流体，有的含有盐、石膏、芒硝等成分。强度低的地层会发生坍塌或被密度大的钻井液压裂，地层中的高压流体易进入井眼，含盐、石膏等地层易产生缩径，这些都会妨碍继续钻进。为此需要下入套管并注水泥予以封固，然后用小一级钻头继续钻出新的井段。每改变一次钻头尺寸（井眼尺寸），开始钻新的井段的工艺均称为开钻。一般情况下一口井应有几次开钻。井深和地层情况不同，则开钻次数也不同。开钻的基本工艺过程包括：（1）第一次开钻，简称一开，从地面钻出较大井眼，到一定设计深度后下表层套管。（2）第二次开钻，简称二开，在表层套管内下入较小的钻头且继续钻进，若地层不复杂，则可直接钻到目的层后下油层套管完井；如果地层复杂，很难用钻井液控制时，则要下技术套管。（3）第三（n）次开钻，简称三（n）开，从技术套管内再用小一些的钻头往下钻进。根据情况，或一直钻达预定井深，或再下第二层、第三层、…、第n层套管，直到钻到目的地层深度，下油层套管，进行固井、完井作业。

三、 固井与完井

1.固井

为了保护已钻成的井眼及使后续钻井工作顺利进行，或为采油提供通路，应在井眼中下入套管，并在井眼与套管之间环空注入水泥浆以固定套管，封住某些地层，称为固井。一口井从开始到完成往往需要数次固井作业，通常有表层套管、技术套管以及油层套管固井作业。

2.完井

完井包括钻开生产层、确定完井的井底结构、使井眼与产层连通、安装井底及井口等环节。

在整个油井的建井过程中，除上述作业外，还有井下事故处理、取心、录井、测井、地层测试等。

第四节 钻井分类及特点

一、 钻井分类

在油气勘探开发各个阶段，需要钻各种类型的井。在地质普查阶段，为了研究地层剖面，寻找储油构造，要钻地质井、基准井、制图井等；在区域详探阶段，为了寻找油气藏，并详细研究其储量、性质，要钻预探井、详探井、边探井等；在油田开发阶段为了把油气开采出来，要钻生产井、注水井、观察井等。

1.按钻井深度分类

油气井按钻井深度可分为浅井、中深井、深井、超深井以及特超深井。（1）浅井：井深小于2000m的井；（2）中深井：井深介于2000～4500m之间的井；（3）深井：井深介于4500～6000m之间的井；（4）超深井：井深介于6000～9000m之间的井；（5）特超深井：井深大于9000m的井。

2.按钻井目的分类

按钻井目的可分为探井和开发井。（1）探井：是指为了探明地质情况，获得地层油气资源分布及相应性质等方面资料而钻的井。探井又可分为地质浅井、地质探井、预探井与详探井等。

① 地质浅井：为配合地面地质和地球物理工作，以了解区域地质构造、地层剖面和局部构造为目的，一般使用轻便钻机所钻的井，例如剖面探井、制图井、构造井等。

② 地质探井：在对地质情况了解不多的地区，为了了解地层的沉积年代、岩性、厚度以及生储盖层组合，并为地球物理解释提供各种参数所钻的井。

③ 预探井：在地震详查和地质综合研究基础上所确定的有利圈闭范围内为了发现油气藏所钻的井，或在已知油气田范围内以发现未知新油气藏为目的所钻的井。

④ 详探井（评价井）：在已发现的油气圈闭上，以探明含油气边界和储量、了解油气层结构变化和产能为目的所钻的井。（2）开发井：为开发油气田所钻的各种采油、采气井，注水、注气井，或在开发油气田内为保持一定产量并研究地下情况变化所钻的调整井、补充井、扩边井以及检查资料井等。

3.按适应不同阶段及不同任务的需要分类（1）基准井：在区域普查阶段，为了解地层的沉积特征和含油气情况，验证物探成果，提供地球物理参数而钻的井。一般钻到基岩并要求全井取心。（2）剖面井：在覆盖区沿区域性大剖面所钻的井。目的是为了揭露区域地质剖面，研究地层岩性、岩相变化并寻找构造。剖面井主要用于区域普查阶段。（3）参数井：在含油盆地内，为了解区域构造，提供岩石物性参数所钻的井。参数井主要用于综合详查阶段。（4）构造井：为了编制地下某一标准层的构造图，了解其地质构造特征，验证物探成果所钻的井。（5）资料井：为了编制油气田开发方案，或在开发过程中为某些专题研究取得资料数据而钻的井。（6）生产井：在进行油田开发时，为开采石油和天然气而钻的井。生产井又可分为产油井和产气井。（7）注水（气）井：为了提高采收率及开发速度而对油田进行注水（气）以补充和合理利用地层能量所钻的井。专为注水而钻的井称为注水井，专为注气而钻的井称为注气井，两者可统称为注入井。（8）检查井：油田开发到某一含水阶段，为了搞清各油层的压力和油、气、水分布状况以及剩余油饱和度的分布和变化情况并了解各项调整挖潜措施的效果而钻的井。（9）观察井：在油田开发过程中，专门用来了解油田地下动态的井，如观察各类油层的压力、含水变化规律和单层水淹规律等，一般不负担生产任务。（10）调整井：在油田开发中后期，为进一步提高开发效果和最终采收率而调整原有开发井网所钻的井，包括生产井、注入井、观察井等。这类井的生产层压力或因采油后期呈现低压，或因注入井保持能量而呈现高压。

二、 钻井特点（1）生产的连续性。

一口井从开始钻井到完井，整个过程连续进行。除特殊情况外施工不可以中断，否则易造成井下复杂情况甚至事故的发生，如卡钻等。（2）钻进的不连续性。

钻进过程中要不断地接单根、起下钻，体现出钻进的不连续性。（3）工作的周期性、单调性与枯燥性。

在正常钻井施工中，其工序是：下钻→钻进→接单根→钻进→起钻→换钻头→下钻……。对各工种而言，工作内容也基本固定。（4）井下情况的复杂性。

钻头在井下深处旋转破碎岩石，既看不见，也摸不着，属隐蔽钻进，只有借助于地面上的各种仪表和某些设备运转的声音、速度变化等来分析判断井下情况是否正常。由于地层情况的复杂，这些分析判断的正确性受到一定的局限。（5）工作流动性大。

每钻完一口井，就要搬迁，呈现出流动性。由于建井周期大多较短，故钻井工作流动性大。（6）工作场所的多变性。

钻井地点可能是在旷野、沙漠，也可能是海洋等，钻井工作场所表现为多变性。（7）工作场所大、震动大、噪声大。

由于钻井设备较多，多工种协调操作，需有一个较大的场地。其中所摆放设备（如柴油机）功率大，设备传动采用链条、皮带传动，震动大、噪声大。随着钻机的不断完善，震动及噪声在不断降低。（8）劳动强度较大。

在起下钻过程中，井口所使用的卡瓦、吊卡及吊钳的操作与钻柱移位等都由于工具设备管材笨重而需较大的体力。当然，随着钻机自动化程度的不断提高，劳动强度也在不断降低。（9）艰苦性。

许多井位人烟稀少，极其荒芜，周围环境极其恶劣，相当一部分钻机作业在露天进行，钻井作业表现出艰苦性。（10）需要丰富的经验和知识。

钻井工程在我国有着悠久的历史，前人留下了大量的宝贵经验和教训可以借鉴。但是随着钻井工艺的日趋完善，尤其是近几十年来的飞跃发展，由过去的经验钻井阶段进入科学钻井阶段，又由于井深逐渐增加等问题，要求钻井工作者必须具备多方面的知识，积累丰富的经验，以适应日趋复杂的钻进工艺要求，做到安全、优质、低耗、快速打井。

第一章 钻井工程地质条件

钻井是利用设备、工具将地层钻出具有一定深度圆柱形孔眼的工程，其主要工作对象是地下岩石。钻井工程地质条件是指与钻井工程有关地质因素的综合。要制定一口井的钻井工程方案，不得不考虑其钻井工程地质条件，其中岩石的工程力学性质是必须要弄清楚的一个重要方面。除此之外，地质因素还包括地层中流体及其压力分布情况等。

了解岩石工程力学性质，是为选用合适的钻头和确定最优的钻进参数提供依据。井眼的形成使地层裸露于井壁上，这又涉及井眼与地层之间的压力平衡问题，对此问题处理不当，则会发生井涌、井喷或压裂地层等复杂情况或事故，使钻进难以进行，甚至使井眼报废。因此，在一个地区钻井之前，充分认识和了解该地区的工程地质资料（包括岩石的工程力学性质、地层压力特性等）是进行一口井设计的重要基础。

第一节 岩石分类与结构

本节主要介绍岩石的分类及结构等内容，以达到在学习岩石工程力学特性之前掌握有关岩石基本概念的目的。

一、 岩石的分类

目前钻井工程所开展的主要地层处于地壳范围。地壳由岩石组成，岩石又由矿物组成。从结构和组成上来看，岩石可以看做是由一种或几种矿物按一定方式结合而成的天然集合体。矿物则是由组成地壳的化学元素如O、Si、Al、Fe、Ca、K、Na、Mg等的化合物组成，天然产出的这些元素的化合物即为矿物。矿物是具有一定化学成分和特定的原子排列（结构）的均匀固体，如石英、长石、方解石等。

自然界中有各种各样的岩石，不同成因的岩石具有不同的力学特性，因此有必要根据不同成因对岩石进行分类。根据地质学岩石成因，岩石可分为岩浆岩、沉积岩和变质岩三大类，见表1-1。表1-1 岩石分类表1-1 岩石分类（续）-1

岩浆是存在于地壳下面的熔融性硅酸盐物质。岩浆沿地壳的薄弱带向地壳表层侵入或喷出而冷凝固化形成的岩石称为岩浆岩，也称为火成岩，如玄武岩、花岗岩等。沉积岩是成层堆积的松散沉积物固结而成的岩石，沉积岩的种类很多，但若考虑到矿物颗粒的大小以及矿物成分等方面的因素，则可以将沉积岩分为砂岩、页岩和石灰岩三类。变质岩是在地球内部高温或高压的作用下，原有岩石发生各种物理、化学变化，使其中的矿物重结晶或发生交互作用，进而形成新的矿物组合体。

尽管岩浆岩占据了地壳总体积的95%之多，但在地壳表层分布最广泛的却是沉积岩，沉积岩覆盖了大陆面积的75%和几乎全部的海洋地壳面积。

二、 岩石的结构

岩石由矿物组成，不同矿物所形成的岩石性质不同。岩石中主要的造岩矿物有正长石、斜长石、石英、黑云母、白云母、角闪石、辉石、橄榄石、方解石、白云石、高岭石、赤铁矿等。不同的岩石，其造岩矿物的含量不同，岩石的结构也不同，如图1-1所示。图1-1 两种不同岩石颗粒结构

岩石的结构是指岩石中矿物及岩屑颗粒相互之间的关系，包括颗粒的大小、形状、排列、结构联结特点及岩石中的微结构面（即内部缺陷），其中，以结构联结和岩石中的微结构面对岩石工程性质影响最大。

岩石中结构联结类型主要有两种，分别为结晶联结和胶结联结。

1.结晶联结

结晶联结的岩石中矿物颗粒通过结晶相互嵌合在一起，如岩浆岩、大部分变质岩及部分沉积岩的结构联结。这种联结使晶体颗粒之间紧密接触，故岩石强度一般较大，但随结构的不同而有一定的差异。一般来说，构成岩石的晶粒越细、越均匀，则强度越高。具有结晶联结的一些变质岩，如石英岩、大理岩等情况与岩浆岩类似。

沉积岩中的化学沉积岩是以可溶的结晶联结为主，联结强度较大，但这种联结的缺点是抗水性差，能不同程度地溶于水中，对岩石的可溶性有一定的影响。

黏土岩的联结有一部分是再结晶的结晶联结，其强度比其他坚硬岩石要差很多。

2.胶结联结

胶结联结指颗粒与颗粒之间通过胶结物胶结在一起的联结，如沉积碎屑岩、部分黏土岩的结构联结就属于这种联结类型。对于这种联结的岩石，其强度主要取决于胶结物及胶结类型。从胶结物来看，硅质、铁质胶结的岩石强度较高，钙质次之，而泥质胶结强度最低。

除了结晶联结和胶结联结外，岩石中还存在一些特殊的微结构面。这些存在于岩石中的微结构面（或称内部缺陷）是指存在于矿物颗粒内部或矿物颗粒及矿物集合体之间微小的弱面与空隙。岩石中微结构面一般很小，通常需在显微镜下观察才能见到，但是它们对岩石工程性质的影响却是很大的。由于微结构面在岩石中常具有方向性（如裂隙等），因此它们的存在常导致岩石的各向异性。

第二节 岩石工程力学性质

岩石是钻井的主要工作对象。在钻井过程中，一方面要提高破碎岩石效率，另一方面要保证井壁岩层稳定，这些都取决于对岩石工程力学性质的认识和了解。本节在岩石概念及分类的基础上，结合钻井工程的需要，阐明岩石工程力学性质以及影响这些性质的有关因素，为正确掌握钻井工程的主要理论与技术打下基础。

一、 概述

岩石由矿物组成，按成因，岩石可划分为岩浆岩、沉积岩和变质岩。岩石成因类型不一样，其工程性质也不一样。

不同岩石构造特征和结构特征决定了岩石的工程力学性质。岩石的构造是指岩石在大范围内的结构特征，岩石的结构是指小块岩石的组织特征。前者可看做是岩石宏观层面上的特征，后者可认为是岩石微观层面上的特征。例如，有的岩浆岩在构造上具有气孔构造、流纹构造，而有的岩浆岩由中细晶质和隐晶质构成，其透水性差，抗风化性能好；对于沉积岩来说，在构造上表现出的主要特点就是层理和页理，层理是岩石在垂直方向上岩石成分和结构的变化，页理是岩石沿平行剖面分裂成为薄片的能力；而变质岩的工程力学性质往往与其原岩性质有关。几种岩石的结构特征如图1-2所示。图1-2 几种岩石的结构特征

从目前油气钻探开发的进程来看，钻遇地层岩石类型主要是沉积岩。在我国西部油田也钻遇有较多的岩浆岩，对于岩浆岩的钻探开发工作，现在是一个比较热门的方向，在石油地质、石油钻井以及测井等方面都开展了大量的工作。

岩石结构是说明小块岩石的组织特征，主要指岩石晶体结构和胶结物的结构。从结构上看，沉积岩可分为碎屑沉积岩和结晶沉积岩两大类。碎屑沉积岩是由单个颗粒通过胶结物胶结而成，其中有大量的孔隙，包括砂岩、泥岩、砾岩等。常见的胶结物有硅质、钙质、石灰质、铁质以及黏土质等。结晶沉积岩的结构是由沉积过程中生成的晶体决定，晶体形成一种紧密排列结构，没有孔隙，如盐岩，它不能成为生油、储油层，但却是油气层很好的盖层，例如石灰岩、白云岩、盐膏岩等。

岩石的构造是指岩石在大范围内的结构特征，对沉积岩主要包括层理和页理。层理是指沉积岩在垂直方向上岩石成分和结构的变化，它主要表现为不同成分的岩石颗粒在垂直方向上交替变化沉积，岩石颗粒大小在垂直方向上有规律地变化，某些岩石颗粒按一定方向排列等；页理是指岩石沿平行平面分裂为薄片的能力，它与岩石的显微结构有关。

对于岩浆岩来说，它是由矿物晶体组成的，岩浆冷却结晶的时间越长，形成的晶体越大，具有较高的力学强度。

变质岩的结构有片状结构和非片状结构两种，片状结构是在高温高压下由重结晶作用和各种矿物的分离作用而造成的明暗矿物间互带。

除此之外，对于钻井工程而言，岩石的工程力学性质还主要表现在其机械性质上，包括岩石的变形及其与强度性能相关的一些指标。

二、 岩石的机械性质

岩石的机械性质可理解为岩石的力学性质，是指岩石受力后表现出来的变形特性、强度特性以及脆性、塑性与硬度特性。

1.岩石变形特性

如果物体受力时内部各点之间的位置发生了改变，则称物体产生了变形。一般从广义上讲，变形是在外力或温度的作用下物体大小和形状发生改变。岩石变形也定义在这个概念之内。岩石的变形特性通常是通过应力—应变曲线来描述的。图1-3是某油田地层岩石的应力—应变曲线，在这一变形过程中，可以看出岩石不同的变形特征。图1-3 某油田地层岩石的应力—应变曲线

在谈论岩石的变形特征时，通常提及的是岩石弹塑性变形。当然，除此之外，有一些岩石还会表现出明显的流变特性。

物体在外力作用下产生变形，外力撤除以后，变形随之消失，物体恢复到原来形状和体积的性质称为弹性变形；当外力撤除后，变形不能消失的性质称为塑性变形。产生弹性变形的物体在变形阶段，其应力与应变的关系服从虎克定律：

式中 σ──应力，MPa；

ε──应变，无量纲；

E──弹性模量，MPa。

物体在弹性变形阶段，在一个方向上的应力除产生在此方向的应变外，还会引起物体在与此方向垂直的其他方向的应变。例如，当材料在z轴方向上作用有应力σ时，除了在z轴方向发生应变ε外，还会zz引起横向（x方向和y方向）上的应变ε和ε。如果材料各向同性，则xy有：

根据式（1-2）有：

式中 μ──泊松比，无量纲。

物体在弹性变形阶段，剪切变形同样也服从虎克定律，即

式中 τ——剪应力，MPa；

γ──剪应变，无量纲；

G──剪切模量，MPa。

对于同一种材料，3个弹性常数E、G和μ之间有如下关系：

对于岩石，特别是沉积岩，由于矿物组成、结构等方面的特点，其与理想弹性材料相比有很大的差别，但仍可以测出岩石的有关弹性常数，以满足工程和施工的需要。组成岩石的矿物在单独存在时的应力、应变特性一般都服从虎克定律。表1-2与表1-3分别列出了部分岩石及矿物的弹性常数。表1-2 部分岩石的弹性模量E和泊松比μ表1-3 矿物的弹性模量

2.岩石强度特性

1）岩石强度的概念

岩石在一定条件下受外力作用而达到破坏时的应力，称为岩石在这种条件下的强度，其单位是MPa。岩石强度是岩石在一定条件下抵抗外力使岩石发生整体破坏的能力。

岩石强度的大小取决于岩石的内聚力和岩石颗粒间的内摩擦力。岩石的内聚力表现为矿物晶体或碎屑间的相互作用力，或是矿物颗粒与胶结物之间的连接力。岩石内摩擦力是颗粒之间原始接触状态即将被破坏而要产生位移时的摩擦阻力，岩石内摩擦力产生岩石破碎时的附加阻力，且随应力状态变化而变化。坚固岩石和塑性岩石的强度主要取决于岩石内聚力和内摩擦力；松散岩石的强度则主要取决于内摩擦力。

影响岩石强度的因素可以分为自然因素和工艺技术因素两类。

自然因素方面包括：岩石的矿物成分（对沉积岩而言还包括胶结物的成分和比例）、矿物颗粒的大小、岩石密度和孔隙度。同种岩石的孔隙度增加，密度降低，岩石强度也随之降低，反之亦然。一般情况下，岩石的孔隙度随着岩石埋深增加而减小，因此，岩石强度一般情况下随着埋藏深度的增加而增大。由于沉积岩存在层理，岩石的强度有明显的异向性。岩石的结构及缺陷也对岩石的强度有影响。

工艺技术因素方面包括：岩石的受载方式、岩石的应力状态、外载作用的速度、液体介质性质等。

2）简单应力条件下的岩石强度

岩石在单一的外载作用下所表现出来的强度称为简单应力条件下的岩石强度，包括单轴抗压强度、单轴抗拉强度、抗剪强度及抗弯强度。不同岩石简单应力条件下的强度见表1-4。表1-4 岩石的抗压、抗拉、抗剪和抗弯强度（1）简单应力条件下岩石强度的变化规律。

大量的实验结果表明，简单应力条件下岩石强度变化有如下规律：

① 在简单应力条件下，对同一种岩石，加载方式不同，岩石的强度也不同。一般说来，岩石强度有以下顺序关系：抗拉＜抗弯≤抗剪＜抗压。

如果抗压强度为1，则其余加载方式下的强度与抗压强度的比例关系见表1-5。表1-5 岩石各种强度之间的比例关系

② 沉积岩由于层理的影响，在不同的方向上强度不同。表1-6是几种沉积岩在平行于层理方向（用“//”表示）及垂直于层理方向（用“⊥”表示）上4种强度的测量结果。表1-6 某些沉积岩强度的各向异性

岩石的抗压强度可以作为钻头选型时的参考，也可作为在完井作业时预测地层临界生产压差的依据，以及在进行钻头选型时反映地层特征的重要参数。（2）强度的测试方法。

① 单轴抗压强度试验。

岩石单轴抗压强度就是岩石试件在单轴压力条件下达到破坏时的极限值，它在数值上等于破坏时的最大压应力。岩石抗压强度一般在实验室内用压力机进行加压试验测定，如图1-4所示。图1-4 单轴抗压强度测试示意图

在进行试验时，应该先将岩心按照国际岩石力学学会的要求加工成岩样，然后将加工好的岩样放到试验机压头上，控制好加压速率，并实时记录岩样的应力应变数据。当通过加压板压头施加到岩样端面的载荷达到岩样所能承受的极限强度时，岩样发生破坏，此时对应的载荷通过式（1-6）即可得到岩样的单轴抗压强度。图1-4中的加压板可看做是试验压力机的压头，β为破裂角。

式中 σ──岩石单轴抗压强度，MPa；c

P──试件破坏时的荷载，MN；c2

A──试件的横断面面积，m。

② 抗拉强度试验。

岩石抗拉强度是指岩石试件在单向拉伸条件下试件达到破坏时的极限值，它在数值上等于破坏时的最大拉应力。和岩石抗压强度相比较，抗拉强度的研究要少得多。这可能是因为直接进行抗拉强度的试验比较困难，目前大多进行的是间接试验，再通过理论公式计算出抗拉强度。一般地，进行抗拉强度的测试是通过岩石劈裂试验（巴西试验）进行测算，其试验示意图如图1-5所示，计算公式如下：

式中 P──破裂时的最大荷载，N；max

D──圆柱形试样的直径，mm；

l──圆柱形试样的长度，mm。图1-5 抗拉强度试验示意图P—试件破坏时的载荷c

③ 抗剪强度试验。

岩石抗剪强度就是岩石抵抗剪切滑动的能力，是岩石力学中需要研究的最重要指标之一，往往比抗压强度和抗拉强度更有意义。目前实验室测算岩石抗剪强度的方法是通过岩石三轴抗压强度试验，即复杂应力条件下岩石强度试验来获取。

3）复杂应力条件下的岩石强度

岩石在成岩过程中受到各向压缩作用及温度场等因素的影响，使岩石形成后处于复杂而不是单一的简单应力状态，研究这种复杂多向应力作用下的岩石强度对于石油工程来说更有实际意义。

岩石所受到的复杂应力在实际条件下很难模拟，一般通过室内三轴岩石试验方法来实现对岩石复杂应力条件下的力学强度测试。试验时，两个水平方向上的应力通常考虑为相等，即均匀围压。三轴应力试验是在复杂应力状态下定量测试岩石机械性质的可靠方法。图1-6表示出几种三轴应力试验方案，其中（a）图是最常见的一种，称为常规三轴试验。它是将岩样按照国际岩石力学学会的实验规范加工成圆柱状岩样，并将其置于高压容器中，首先用液压使其四周处于均匀压缩的应力状态，然后保持此压力不变，对岩样进行纵向加载，直到破坏。试验过程中记录下纵向应力和应变关系曲线。当岩样被破坏时，根据对应的载荷可计算出三轴围压条件下的岩石强度。图1-6中的（b）图表示的是岩样为立方体结构时的三向围压状态；（c）图为长方体结构岩样的三向受力状态；（d）图为中空圆柱体结构岩样的三向受力状态。

大量实验结果分析表明，三轴应力条件下的岩石强度与简单单轴应力条件下的强度变化表现出不同的特点：岩石在三轴应力条件下其强度明显增加。图1-7列出了卡尔曼在室温条件下的岩石三轴抗压试验结果；图1-8是根据汉丁和哈格尔的试验数据整理的一些岩石三轴抗压强度随围压变化情况。图1-6 三轴岩石试验受力示意图σ —轴向压力；σ，σ—围压123图1-7 三轴试验的应力—应变曲线B—脆性破坏；σ—围压3

由图1-7和图1-8可以看出，当围压增加时，所有岩石强度均增大，但增加的幅度不同，如围压对砂岩强度的影响要比对石灰岩、大理岩等要大。此外，围压对岩石强度的影响程度并非在所有压力范围内都一样。刚开始增大围压时，岩石强度增加比较明显；再继续增加围压时，强度增量变得越来越小；最后当压力很高时，有些岩石强度趋于常量。图1-8 围压对岩石强度的影响（室温为24℃）Ⅰ—石英砂岩（Quartz Sandstone）；Ⅱ—白云岩（Dolomite）；Ⅲ—硬石膏（Anhydrite）；Ⅳ—大理岩（Marble）；Ⅴ—砂岩（Sandstone）及石灰岩（Limestone）；Ⅵ—页岩（Shale）；Ⅶ—盐岩（Salt Rock）

3.岩石脆性和塑性

岩石受力后，根据其表现出的形态可将岩石分为脆性岩石、塑性岩石和塑脆性岩石。一般通过岩石力学试验对岩石的塑脆性进行判别。

在室内用于岩石塑脆性判别的试验仪器如图1-9所示。在试验时，要依照试验要求将岩石两端磨平，保证下端面平稳地放在试验台架上，且上、下端面平行。该试验是通过一个微小压头对岩石表面进行压迫的方式来进行测量的。试验时用平底圆柱压头（图1-10）加载并压入岩石，压入过程中记录载荷与吃入深度的相关曲线，如图1-11所示。所有岩石压入试验曲线都可以分为如图1-11所示的3种典型形态。图1-9 岩石塑脆性判别试验装置图1-10 平底圆柱压头d—压头直径

从图1-11可以看出，岩石在外力作用下产生变形直至破坏的过程不同。一种情况是岩石在外力作用下直至破碎而无明显的形状改变，这种性质称为脆性[图1-11（a）]；另一种情况是在外力作用下岩石只改变其形状和大小而不破坏自身的连续性，这种性质称为塑性[图1-11（c）]。岩石塑性是岩石吸收残余形变或吸收岩石未破碎前不可逆形变的机械能量的特性；岩石脆性则反映岩石破碎前不可逆形变中没有明显地吸收机械能量，即没有明显的塑性变形的特性。图1-11 平底圆柱压头压入岩石时的变形曲线

在图1-11中，图（a）表示脆性岩石，其特点是OD段为弹性变形阶段，达到D点后发生脆性破坏；图（b）表示塑脆性岩石，OA段为弹性变形，AB段为塑性变形，到达B点时产生脆性破碎；图（c）表示塑性岩石，施加不大的载荷即产生塑性变形，其后变形随变形时间的延长而增大，无明显的脆性破坏现象。

在进行分析时，用岩石的塑性系数来定量表征岩石塑性及脆性大小。塑性系数定义为岩石破碎前耗费的总功A与岩石破碎前弹性变F形功A的比值。计算依据如图1-11所示的岩石压入破碎过程中的载E荷压头吃入深度曲线。对于脆性岩石，破碎前的总功A与弹性变形F功A相等，塑性系数K=1；对于塑脆性岩石：Ep

对于塑性岩石，K=∞。p

根据岩石塑性系数的大小，可将岩石分为3类6级，见表1-7。表1-7 岩石按塑性系数分类

在三轴应力条件下，岩石机械性质的一个显著变化特点就是随着围压的增大，岩石表现出从脆性向塑性的转变，并且围压越大，岩石破坏前所呈现的塑性也越大。

岩石在高围压下的塑性性质可以从应力—应变曲线看出来。一般认为，当岩石的总应变量达到3%～5%时就可以说该岩石已开始具有塑性性质或已开始由脆性向塑性转变。例如，在图1-7中，大理岩和砂岩的围压分别超过23.5MPa和27.5MPa后，这两种岩石已开始呈现塑性状态。表1-8列出了图1-7中的几种岩石在室温下破坏前所达到的应变量。可以看出，除了石英砂岩在200MPa围压范围内始终保持着脆性破坏以外，其余几种岩石在100MPa均具有明显的塑性性质，只不过塑性程度有所差别而已。表1-8 岩石在围压下的塑性变形

布莱克（Black A.D.）和格林（Green S.J.）在1978年开展了对美国盐湖城地区部分岩石的试验研究，其研究结果确定了白云岩、砂岩和页岩由脆性向塑性转化时的压力分别为100～150MPa、40～70MPa和20～40MPa。

对于深井钻井而言，认识并了解岩石从脆性向塑性的转变压力（或称临界压力——Threshold pressure）具有重要的实际意义。因为脆性破坏和塑性破坏是本质上两种完全不同的破坏方式，破坏这两类岩石要应用不同的破碎工具（不同结构类型的钻头），采用不同的破碎方式（冲击、压碎、挤压、剪切或切削、磨削等）以及不同破碎参数的合理组合，才能取得较好的破岩效果。

由此可见，了解各类岩石的塑性、脆性以及临界压力，是设计、选择和使用钻头的重要依据。

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