钻探工艺技术_第一章_岩石的性质与可钻性.doc

第一章 岩石的性质与可钻性
钻探工作的对象是岩石。钻探工作必须了解组成地壳的各种岩石矿物。岩石的物理力学性质，因岩石成分和构造的不同而相差很大，对钻进的影响和反应也是各种各样的。为了更好地进行钻探工作，提高钻进质量和效率，必须对岩石的物理力学性质进行全面的了解。
研究岩石的物理力学性质，主要是研究与破碎岩石有关的因素，从而掌握其破碎的规律性，以便创造更有利的破碎条件，更好地选择钻进方法、钻进规程和切削具、研磨材料及钻探设备类型等。
岩石是由各种晶质或非晶质的矿物组成。由于岩石本身分子结构以及成因条件的不同，岩石的基本状态可以分为坚硬的、可塑性的和松散性的三类。构成坚硬岩石的矿物颗粒间，存在着联结力和摩擦力，且联结力明显地大于摩擦力。这类岩石破碎以后，无论是湿润、压缩或同时湿润并压缩，都不能恢复原状，如花岗岩、石灰岩。和坚硬岩石一样，构成塑性岩石的矿物颗粒间也具有联结力和摩擦力，但是其联结力与湿润程度有关，在联结力受到破坏时，如果加以压缩和湿润，则其联结力可以部分地或全部地恢复，各种泥质类岩石都有这种塑性现象。可以把松散性岩石看成颗粒间相互没有联结力，而只靠摩擦力相结合的岩石。如疏松的岩石，在被水泡和或完全干燥的情况下，都没有联结力。当含水达15%～20%时，这种岩石则具有一定的联结力，典型的是砂子和砾石。岩石的上述三种状态并不是永恒的。它们可以在外界条件的影响下互相变化，如坚硬岩石经过地质构造和变质作用，能变成塑性岩石；经过外应力的风化作用，也能变成松散性岩石。而塑性岩石或松散性岩石，经过变质、沉积等作用，也会变成坚硬岩石。
组成地壳的各种岩石，按其成因特征可分为岩浆岩、沉积岩和变质岩。如果把变质岩包括在岩浆岩中，则在地壳内，岩浆岩占95%，沉积岩占5%(其中泥质页岩占4%，砂岩占0.75%，碳酸盐类岩石占0.25%)，上述三类岩石，钻探工作中几乎都会遇到，煤田钻探、石油天然气和地热井勘探，所遇到的岩石大都是沉积岩。
由于岩石的构成和状态不同。所表现出的物理力学性质也不相同。一般岩浆岩的硬度较大(如花岗岩等)，沉积岩的硬度较低(如页岩、泥岩等)，由地表风化作用变质的变质岩较软(如高岭土)，而由于温度及压力作用变质的变质岩较硬(如矽卡岩、石英岩等)。
第一节 岩土的物理性质
岩石的物理性质又可称岩石的基本性质。它是岩石在生成过程中，由于构造变动和风化作用形成的，如相对密度(颗粒密度)、块体密度(容重)、孔隙度、裂隙性，含水性、透水性、松散性、流散性和稳定性等。与钻进有关的岩石物理性质有以下几种。
一、块体密度和孔隙度
岩石质量与其体积之比称为岩石的块体密度。假设用m表示岩石试样的质量。用V表示岩石试样的总体积，则岩石的块体密度ρ为：

岩石的块体密度分三种．即天然块体密度、块体干密度和块体饱和密度。
大多数岩石往往不是完整无隙的。矿物颗粒之间的全部孔洞．不管其大小和形状如何．都是岩石的孔隙。岩石的孔隙是由于地质构造作用、外力和内部应力的作用而产生的。岩石孔隙又与组成岩石的颗粒形状、大小及性质有关。岩石孔隙的多少常用孔隙度n来表示；孔隙度n是岩石中孔隙的体积V0与岩石总体积V之比：

岩石的孔隙度与岩石的块体密度有关，孔隙度大的岩石易透水，并能降低岩石的强度及稳定性。一般岩石埋藏越深.岩石的密度越大，其强度和硬度也愈大。岩浆岩比沉积岩致密、孔隙度小，因而其密度大，强度和硬度也大。
常见岩石的孔隙度和密度的变化范围如表 11所示.
表 11 常见岩石的孔隙度和密度
岩石
密度/(g·cm3)
孔隙度/%
岩石
密度/(g·cm3)
孔隙度/%
花岗岩
粗晶玄武岩
流纹岩
安山岩
辉长岩
玄武岩
砂岩
2.6～2.7
3.0～3.05
2.4～2.6
2.2～2.3
3.0～3.1
2.8～2.9
2.0～2.6
0.5～1.5
0.1～0.5
4～6
10～15
0.1～0.2
0.1～1.0
5～25
页岩
石灰岩
白云岩
片麻岩
大理岩
石英岩
板岩
2.0～2.4
2.2～2.6
2.5～2.6
2.9～3.0
2.6～2.7
0.1～0.5
2.6～2.7
10～30
5～20
1～5
0.5～1.5
0.5～2

0.1～0.5
二、含水性、透水性和裂隙性
由于岩石中有孔隙存在．水便会浸入岩体，从而使岩石含水。岩石含水的多少取决于孔隙的大小和数量。岩石的含水性一般用湿度或含水率来表示，一般用占干燥岩石质量的百分数来表示，如砂岩为60%，石灰岩为2.5%。
岩石的含水性对岩石的强度有影响，孔隙大的岩石，水浸后其抗压强度降低25%～45%，一般也要降低15%～20%。致密的岩浆岩，由予孔隙度小，所以其强度降低最少。水中含有表面活性物质，会使岩石的强度减低。因此，在坚硬岩石中钻进可试用软化剂处理。
岩石透水的性能称为透水性。它以单位面积和时间内通过岩石的水量来表示。一般岩石孔隙度愈大，透水性愈高，岩石的强度和稳定性愈低。由于水是一种溶剂，当水透过岩石时，会溶解岩石中的某些成分而形成大孔隙或溶洞。因此，在透水性强的岩石中钻进，还容易发生冲洗液的漏失。某些小孔隙的岩石，在吸收一定水分后，其体积会膨胀．如有的粘土吸水后体积可增加50%，高岭土可增加200%；此时水就不会通过，具有这种性质的岩石叫不透水岩石．钻进时易引起缩径，糊钻或憋泵现象。
裂隙性也是岩石的重要物理性质．它对岩石的强度及可钻性都会产生很大影响。岩石按裂隙性的分级见表 12所示。
表 12 岩石按裂隙性的分级
裂隙性
级别
岩石的裂
隙性程度
岩石裂隙性的估计值
成块率/(块·m-1)
裂隙性指标/(个·m-1)
岩心采取率/%
I
Ⅱ
Ⅲ
Ⅳ
Ⅴ
完整的
弱裂隙性的
裂隙性的
强裂隙性的
完全破碎的
1～5
6～10
11～30
31～50
≥51
≤0.5
0.5～1.0
1.01～2.0
2.01～3.0
≥8．01
100～70
90～60
80～50
70～40
60～30或更少
三、松散性、流散性
当岩石从岩体上分开后，岩石碎块的体积比在天然埋藏下原有体积增大的性能称松散性；松散性也是指岩石结构的致密程度，松散性强的岩石其颗粒之间的连接力弱，钻进时容易破碎，但孔壁易坍塌。
岩石的自由面有极力趋向水平的性能称流散性。在流散性强的岩石(如流砂)中钻进，孔壁极易陷落、淤塞钻孔，使钻进困难。
四、稳定性
在岩体内钻成钻孔(有自由面)后，岩石不坍塌不崩落的性能称稳定性。所有的岩石可分为稳定性良好的、稳定性中等的和稳定性差的三类。在稳定性差的岩石中钻进时容易发生孔壁坍塌现象，必须采取措施保护孔壁。
第二节 岩石的力学性质
岩石在机械外力作用下所表现的性质，称为岩石的力学性质。与钻进有关的岩石力学性质有强度、硬度和研磨性等。
一、强度
(一)岩石强度的概念
岩石的强度是指岩石在各种外力(拉伸、压缩、弯曲或剪切等)作用下，抵抗破碎的能力。常用的强度单位为Pa(N/m2)。
坚固岩石和塑性岩石(如粘土)的强度，主要取决于岩石的内连结力和内摩擦力。松散性岩石的强度主要取决于内摩擦力。
岩石的内连结力主要是矿物颗粒之间的相互作用力，或者是矿物颗粒与胶结物之间的连结力，或者是胶结物与胶结物之间的连结力，一般颗粒之间相互的作用力大于胶结物之间的连结力；而胶结物之间的连结力又大于颗粒与胶结物之间的连结力。
岩石的内摩擦力是颗粒之间的原始接触状态即将被破坏而要产生位移时的摩擦阻力。岩石的内摩擦阻力构成岩石破碎时的附加阻力，且随应力状态而变化。
(二)影响岩石强度的因素
影响岩石强度的因索是各种各样的。但基本上可分为两个方面：一种是自然因索，如岩石的矿物成分、结构及构造等；另一种是技术因素，如载荷作用的速度、形变的方式等。
1、自然因素方面
岩石的机械强度，在很大程度上取决于组成岩石的矿物成分。石英在造岩矿物中具有最高的强度，其强度值可达(3000～5000)×105Pa。因而在其它条件相同的情况下，岩浆岩中含石英矿物成分愈多则岩石的强度愈大。碳酸盐类岩石主要由方解石、白云石组成。方解石的强度是160×105Pa。自云石的强度是200×105Pa。随着方解石在岩石中的含量由100%减至7%时．则岩石的强度由1600×105Pa可增至3000×105Pa。由矿物颗粒胶结成的岩石，其强度决定于胶结矿物的成分，有时会遇到组成岩石的矿物本身强度很大，而整个岩石的强度很小；岩石内胶结物所占的比例愈大．则矿物颗粒本身强度对岩石强度的影响愈小。
在相同矿物结构下，组成岩石的矿物颗粒直径的尺寸对岩石的强度也有很大影响。根据对某些粘土质页岩的试验，其强度值与组成该岩石的颗粒直径成反比。当岩石中直径小于0.01mm的颗粒增加时,其强度很快增大；在花岗岩中，也存在同样的现象，粗粒花岗岩的抗压强度是(800～1200)×105Pa，而细粒花岗岩的强度则增加到(2000～2500)×105Pa。
岩石的孔隙度对岩石的强度也有巨大影响。一般岩石的强度随孔隙度的下降而增大。当石灰岩容重由1.5增至2.7时，其抗压强度就由50×105增至1800×105Pa；砂岩的容重由1.87增至2.57时．其抗压强度就由150×105增至900×105Pa．同样理由，岩石的孔隙度会随着深度的增加而减小。如图 11所示，因而岩石的强度随其埋藏深度的增加而增加。

图 11 岩石孔隙度和埋藏深度的关系

图 12 岩石层理对强度的影响
岩石的层理对强度的影响具有明显的方向性，垂直于层理方向的抗压强度最大，平行层理方向的抗压强度最小，与层理方向成某种角度的抗压强度介于二者之间。其原因是岩石层理面之间的连结力最薄弱，在沿平行于层理方向加压时，岩石易从层理面裂开。据实验资料证明：泥质页岩垂直于层理的强度比平行于层理的强度大1.05～2.00倍，砂岩大1.03～1.20倍，石灰岩大1.08～1.35之间。如图 12。
另外，岩石结构构造上的缺陷，也对强度有一定影响。在外力作用下，应力会在岩石缺陷处集中，使岩石局部破碎，因而使岩石的强度降低。
裂隙性也是岩石重要物理性质，也对岩石强度有重要影响，岩石的裂隙性分级见表 12。
2、技术因素方面
影响岩石强度的技术因素，最明显的是岩石产生变形的形式。据实验，相同的岩石对抗压、抗拉、抗剪、抗弯的变形有很大差别。岩石的抗压强度最大，而抗剪、抗弯和抗拉强度依次减小，抗拉强度仅为抗压强度的10％以下。其表现形式是：
抗压>抗剪>抗弯>抗拉
表 13列出几种岩石对不同变形时强度的实际数据。其中，取单向抗压强度为100%。一些岩石的相对强度极限列于表 13中,供实际工作时参考。
表 13 不同受载方式下的岩石强度相对值
岩石
不同受载方式下的岩石强度相对值
抗压
抗拉
抗弯
抗剪
花岗岩
1
0.02～0.04
0.08.
0.09
砂岩
1
0.02～0.05
0.06～0.20
0.10～0.12
石灰岩
1
0.04～0.10
0.08～0.10
0.15
各种典型的岩石的强度见表 14。
表 14 典型的岩石的强度
岩石
岩石的强度/MPa
岩石
岩石的强度/MPa
抗压σc
抗拉σt
抗剪σs
抗压σc
抗拉σt
抗剪σs
粗粒砂岩
142.0
5.1
—
白云岩
162.0
6.0
11.8
中砂岩
151.0
5.2
—
石灰岩
138.0
9.1
14.5
细粒砂岩
185.0
8.0
—
花岗岩
166.0
12.0
19.8
页岩
14.0～61.0
1.7～8.0
—
正长岩
215.2
14.3
22.1
泥岩
18.0
3.2
—
灰长岩
230.0
13.5
24.4
石膏
17.0
1.9
—
石英岩
305.0
14.4
31.6
含膏灰岩
42.0
2.4
—
灰绿岩
343.0
13.4
34.7
安山岩
98.6
5.8
9.6

外载作用的速度与岩石的强度也有一定影响，据实验证明，物体(包括岩石在内)的强度与其内部应力增长的速度、外力作用的时间有关，例如，利用花岗岩进行抗压缩试验时，把应力增长的速度由每秒19×105Pa提高到40×105Pa，其抗压强度由1588×105Pa增加到1840×105Pa。在外力瞬时作用下，石灰岩、砂岩、泥质页岩等的强度，均较外力缓慢作用时增加10%～15%，加载速度对塑性岩石的影响要比脆性岩石大。
钻进时所用的冲洗介质对岩石强度的影响，在实际生产中有现实意义，值得我们注意。因绝大多数岩石的破碎，都是在含有各种电解质和有机表面活性物质的液体介质中进行的。大量的电解质和表面活性物质可以被吸附在岩石表面，形成吸附层；吸附层不仅在岩石表面形成，而且也会顺着联结力弱的地方(岩石交界面或细微裂隙)，浸人表层的深处。这样，岩石细微裂隙表面，很快被吸附物质的单分子组成的吸附层遮盖住，从而使自由表面能下降，产生所谓楔裂压力，使岩石在变形过程中保持或扩展其细微裂隙，使岩石的强度降低。必须指出的是。介质对岩石性质的影响，在很大程度上取决于岩石中孔隙和裂缝的存在。孔隙和裂缝都给介质深人岩石深处创造了条件，只有在这种条件下，岩石强度才会受到较为显著的影响，例如，孔隙大的砂岩和灰岩为水所饱和时，其强度减小25%～45%。
岩样的线性尺寸对强度的影响，只在室内对岩样进行破碎实验时。才会对实验结果产生影响。一般情况下，岩石的强度随岩样尺寸的增大而降低，为消除这种线性尺寸的影响，实验用的每批岩石线性尺寸应是一致的。一般做抗压强度试验时，广泛采用5cm×5cm×5cm的试样，或采用长度等于直径的圆柱体试样。
(三)岩石强度的测定方法
强度一直是各工程部门衡量材料力学性质的通用指标。钻探工作常采用各单元应力(压、拉、弯、剪)形式的极限强度作指标；其中，最常用的是单(轴)向抗压强度指标。
单向抗压强度是指岩石试样在破碎时，单位初始断面积上的最大破碎力，也就是说，单向抗压强度σ等于总压力P和岩样断面S之比，即：

可用(5～10)×105Pa材料试验机作压机，岩样采用5cm×5cm×5cm或Φ25mm×25mm的试块(高度等于直径的岩心)，岩样试块须经过细磨加工，使样品规正，表面光滑。加载速度一般规定为每秒0.5MPa—0.8MPa的加荷速率加荷。
二、硬度
(一)岩石硬度的概念
岩石的硬度是指岩石抵抗其它物体压人的阻力。岩石的硬度在本质上与强度，特别是抗压强度有着密切的关系；但不能把岩石的单向抗压强度作为其硬度的指标。
据纯理论分析，岩石的抗压强度与压入硬度的关系，可由下式表示：

式中：P—压人硬度；
σ—单向抗压强度。
由上式可知，物体的硬度是其单向抗压强度的七倍。但实验证明，岩石的抗压人硬度与其单向抗压强度之比在5～20之间。
一般地质上把矿物的硬度分为10级，即莫氏硬度。因岩石是由各种矿物组成的，所以也可间接地以划分矿物硬度的办法来划分岩石。岩石的硬度在一定程度上，直接反映了破碎岩石的难易程度。岩石越硬。切削具越难切入岩石，钻进效率就愈低，如燧石、石英岩、矽卡岩等就很硬，页岩、泥岩等就较软。
(二)影响岩石硬度的因素．
影响岩石硬度的因素与影响强度的因素很相似。但层理对硬度的影响正好与强度相反，垂直层理方向的硬度值最小，而平行层理方向的硬度值最大。实验证明：一般岩石．平行层理的硬度为垂直于层理硬度的1.1～1.8倍．所以，在垂直层理方向上，岩石比较容易破碎．在实际工作中，可以发现钻孔向垂直层理偏斜的现象，据此可以解释孔斜原因和孔斜的规律。
值得提出的是，水浸入岩石后．对岩石的硬度有一定的影响。如当石灰岩含水时．其硬度仅为干燥岩石的70%，如果含有浓度为1%表面活性物质的溶液时，其硬度则降低到33%。另外一种现象是，当岩石含水时，用压模压入破碎时，其破碎穴的尺寸减小。
另外，据生产实践知，岩石在各向压缩状态下，其压力愈大则硬度亦大。如沉积岩在全压100MPa时的硬度，比在1个大气压时增大1.1～3.1倍，岩石硬度愈低，增加愈快，倍数愈大。又据实验说明，岩石随温度的增高而硬度逐渐降低(在低温时某些岩石的硬度有所增加)，如对大理岩加热至600℃时，该岩石变成粉末。
(三)岩石硬度的测定方法
岩石硬度的测定方法很多，按测定原理不同，常用的有以下三种方法：
1．矿物的莫氏硬度和显微硬度
矿物的莫氏硬度是地质上最普通的一种表示矿物硬度的简单方法。它用十种矿物为代表，如表 15所示．后一个矿物可在前一个矿物上擦痕．依此硬度增高(1～10度)。
矿物的显微硬度是用顶角为1300的金刚石锥体压头，在极小的载荷下压入脆性物体，并在其表面形成以微米计算的显微压痕测得的。所测显徽硬度Hμ
(MPa)
式中：P —载荷，N；
σ —压头顶角，1300；
d —压痕对角线长，m。
表 15列出了标准矿物的莫氏硬度及显微硬度值。
表 15 标准矿物的莫氏硬度及显微硬度值
测试方法
滑石
石膏
方解石
萤石
磷灰石
正长石
石英
黄玉
刚玉
金刚石
莫氏硬度
1
2
3
4
S
6
7
8
9
10
显微硬度/MPa
2.5
290
1080
1860
5300
7750
11000
14700
22600
98100
2.静压入法
用静压入法进行岩样压人试验时，是借助于极限荷载不小于100×9.8N的液压机进行的。载荷的记录准确度不低于1%；测量压人深度用千分表，测量精确度不低于0.01～0.002mm。压入试验的装置如图 13所示。使用的压模类型如图 14所示。钢质圆柱形压模用于研磨性不大，硬度在(250～300)MPa以下的岩石，研磨性高。硬度在250MPa以上者，应用硬质合金压模；当岩石硬度大于(400～500)MPa时应使用顶角大于600的截头圆锥形压模。压模底面积为(1～5)×10-6m2，经常用底面积为(1～2)×10-6m2的压模，而5×10-6m2的压模只适用于硬度较低、孔隙度高的岩石。

图 13 压入试验的装置
1—阀门；2—调压器；3—调节闸门；4—岩芯；
5—活塞；6—压膜；7—支柱；8—压力表；9—千分表

图 14 压模类型
1—圆柱形压模；2—截头圆锥压膜
试验样品一般均做成高30～50mm，直径40～60mm的圆柱形，或者做成0.05m×0.05m×0.05m立方体，岩样的上下两个表面必须磨光，且应保持平行。
进行压人试验时，如果为了获得详细的变形曲线，在岩石弹性变形区和塑性变形区内，载荷应数次逐渐增加，以取得足够的变形数据；如不需取得变形曲线，就可以不断地迅速加压，使在20～40s内发生破碎。压人试验时，由于岩样边缘上受有很大的应力，使破碎过程分二个阶段，先是边缘上局部破碎，而后是压膜底部的岩石完全破碎。因此．必须取岩石发生完全破碎时的载荷作为岩石硬度的标准，用下式进行计算：

式中；PH——岩石的抗压人硬度，Pa；
P——发生完全破碎时的压力，N;
S——压模的底面积，m2．
根据压人硬度的不同，可以将岩石分为三组。每组又分为四级。第一组为软岩石；第二组为中等硬度岩石;第三组为坚硬岩石。这种岩石硬度等级的划分法,可与可钻性十二级分级法基本上相适应,如表 16所示。
表 16 压人硬度和可钻性级别对照表
组别
第一组

第二组

第三组

级别
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
硬度
9.8×105Pa
≤10
10～25
25～50
50～100
100～150
150～200
200～300
300～400
400～500
500～600
600～700
>700
3．动压入法
动压人法采用最广泛的测定金属硬度的肖氏法。以一个钢球从一定高度自由下落，打击岩石试样；试样越硬、钢球打击试样消耗在破碎试样的能量越小，则钢球回弹的能力愈大。这样根据钢球回弹的高度，便可以测出试样的硬度。测量时，取钢球重量为0.0025kg,下落高度为254mm。
除以上测定岩石硬度的方法外，还有阻止摆动和刻划法以及摆球硬度仪测定法等。
三、研磨性
(一)研磨性的概念
用切削具切削岩石时，它必然与岩石发生摩擦。在摩擦过程中，岩石磨损切削具的能力称为岩石的研磨性或磨蚀性。通常是用切削具磨损的体积与所消耗的摩擦功之比来表示研磨性的大小，其衡量的单位是m3/J。
实验证明，脆性物体相对移动时的磨损与摩擦功成正比。硬质合金等切削具，也可以看成脆性体。因而其相对移动时的摩擦功可用下式表示：

式中：A——产生磨损的摩擦功，J；
F——摩擦力，N；
d——两个物体相对移动的距离，m；
当切削具对岩石进行体积破碎时，切削具加在岩石表面上的正压力正比于岩石的局部抗压人强度，在这种情况下：

式中：μ——动摩擦系数；
P——岩石的局部抗压人强度，Pa；
S——岩石接触的摩擦面积，m2。
因而摩擦功可写成：

图 15 石英含量与工具单位路程磨损关系曲线
(二)影响岩石研磨性的因素
影响岩石研磨性的因素有两方面，即自然因素和技术因素。
1．自然因素
影响岩石研磨性的自然因素主要是岩石的硬度、组成岩石矿物颗粒的大小和形状，以及岩石的裂隙和孔隙度等。
岩石破碎时，首先是在矿物颗粒交界面处产生破碎，多数情况下颗粒本身不破碎．因此，岩石上的矿物颗粒与破碎下来的矿物颗粒，都直接磨损工具，所以矿物颗粒的硬度愈大，则磨损作用愈大。一般随岩石石英的含量增大而研磨性增大。如石英岩、砂岩的研磨性较大，而页岩、大理岩的研磨性较小。
图 15列出岩石中石英含量与工具在单位路程内磨损的曲线关系。表 17的资料说明造岩矿物的硬度对岩石研磨性的影响，如：长石砂岩的研磨性只为石英质砂岩的1/20。
砂岩随其胶结物强度的降低，其研磨性增加。胶结物强度愈低，则岩石的表面愈容易被工具更新，新的锐利矿物颗粒不断裸露出来。对工具的磨损能力就很显著。相反，如果砂岩的胶结物强度很大，新表面不易产生，已裸露出来的表面，由于磨损的结果，矿物颗粒的锐利棱角将被磨平，则研磨能力就逐渐降低。
表 17 造岩矿物的硬度对岩石研磨性的影响
岩石
体积磨损功/(9.8×106m3J-1)
单位功磨损体积/(10-7m3J-1)
砂质页岩
20
0.5
含铁石英岩
6

1.5

长石砂岩

2

5.1

花岗岩

1.6

6.1

石英质砂岩
0.1
102
2．技术因素
影响岩石研磨性的技术因素，也就是影响动摩擦系数的各种技术因素。
(1)压力：实验证明，当正压力未达到岩石局部抗压人硬度以前，岩石不产生体积破碎，工具与岩石接触表面是以凹凸不平的点接触为主要形式；随着正压力增加，由于工具与岩石弹性变形的结果，使这些点接触的面积增大，接触状态更完善，增大了工具与岩石颗粒之间的粘滞力，因而摩擦系数增大。当压力超过岩石的局部抗压人硬度值时，岩石产生体积破碎，岩石的表面在工具的破碎作用下，不断地被更新，因而使摩擦系数略有降低，或者表现为常数，不再随着正压力的增加而改变。
所以在生产实践中，为了获得较高的生产率。并降低切削具的磨损，应采用大于岩石局部抗压入硬度的压力值。
(2)相对运动速度：相对运动速度是指切削具与岩石的相对运动速度。目前，对相对运动速度对动摩擦系数的影响程度，还研究得不够。一般情况下，当相对运动速度较低时，随着运动速度的增加，动摩擦系数也增加；但当运动速度达到某一数值时，动摩擦系数就不再增加，反而减小。钻进时．动摩擦系数可由下式近似求得：

式中：μ—动摩擦系数；
μ0—静摩擦系数；
v—工具与岩石的相对运动速度。
(3)介质：介质能改变切削具和岩石间的摩擦特征。如果岩石表面干燥或湿润不好，则摩擦系数增大；如当用泥浆时．则摩擦系数减小；当有表面活性溶液或乳状液时，因有润滑作用而使摩擦系数更小。从表 18所列数据，可看出介质对摩擦系数的影响。
温度对互相摩擦的物体的摩擦系数也有影响。当温度升高时，研磨性则增大。
(三)岩石研磨性的测定方法
岩石研磨性的测定，没有统一的方法，往往只能间接表达或不定量表达。其测定方法可归纳为三类：
1．直接测定法
可测切削具的磨损高度、切削具磨损接触面积或测量磨损重量、体积等。
2．间接测定法(相对磨损)
可测量钻头完全磨损前的进尺。单位进尺研磨材料的消耗或测量机械钻速的曲线变化。
表 18 介质对摩擦系数的影响
岩石
岩石表面磨擦系数
干燥
用水湿润
用泥浆湿润
石灰岩
0.35～0.40
0.33～0.38
0.31～0.35
白云岩
0.38～0.42
0.36～0.48
0.34～0.38
交结不强的尖角颗粒砂岩
0.32～0.42
0.27～0.40
0.25～0.35
交结不强的圆角颗粒砂岩
0.22～0.34
0.20～0.30
0.17～0.25
硬质砂岩
0.43～0.48
0.43～0.45
0.40～0.43
石英岩
0.46～0.48
0.48～0.50
0.42～0.44
花岗岩
0.47～0.55
0.46～0.53
0.45～0.52
无水石膏

0.39～0.95
0.37～0.40
3．室内测定法
可测量岩石硬度及摩擦系数的乘积，测定标准材料的磨损(如合金、截杆、圆盘等)，或作冲击磨损试验等。
直接和间接测定法已用于硬合金和金刚石钻进中。测量钻头完全磨损前的进尺的例子，是用硬合金钻头，取进尺前后钻头重量差与进尺之比作为研磨性指标α(g/m)，如表 19所示。
钢杆磨损法测定岩石研磨性是比较简单的。在台钻夹头中夹持Φ8mm钢杆，钢杆为含碳0.9%的优质高碳钢，Hb≌250，不淬火。两端研磨，一头中心有Φ4mm的孔，其深度为10～12mm。试验时，每端在岩石面上各磨10min，加压力150×9.8N。转数为400r/min(经常加水,使温度低于220℃)。取10min钢杆的磨耗量(10mg)作为岩石研磨性指标。按此指标的岩石研磨性分类，见表 110。
表 19 研磨性指标α(g/m)
岩石
灰岩
白云岩
安山岩
含铁矿石
粉砂岩
灰绿岩
辉岩
砂岩
研磨性(10-3kg·m-1)
0.2
0.4
0.9
3.8
4.2
4.3
4.9
5.0
岩石
辉长岩
正长岩
矽卡岩
矽卡灰岩
花岗岩
碧玉岩
角砾岩
研磨性(10-3kg·m-1)
6.0
7.6
11.6
11.6
52.7
75.0
75.3
目前，还没有从定量上对岩石研磨性做出详细分级，只能根据在生产实践中的感性概念来划分研磨性的大小。一般常把研磨性划分成8级。如表 110所示。
岩石研磨性越大，对切削具的磨损越严重，钻进时钻头的寿命就越低，以致影响钻进效率和回次长度。所以在一般情况下，为提高钻进效率和延长钻头寿命，在钻进研磨性强的岩石时，应采用较大压力和适当转速；而在钻进研磨性弱的岩石时，则应采用高转速和适当的压力。
表 110 研磨性详细分级
研磨性等级
研磨性程度
研磨性指标
代表岩石及矿物
1
极低
<5
石英岩、大理岩、不含石英的软硫化矿(方铅矿、闪锌矿、磁黄铁矿)，磷灰岩、岩盐、叶岩
2
低
5～10
硫化矿及重晶石硫化矿、粘土、软的片岩(碳质、泥质、绿泥质、绿泥板状的)
3
中下
10～18
碧玉岩、角岩(含矿及不含矿的)、石英硫化矿石、细粒岩浆岩、石英及长石细粒砂岩、铁矿石、矽化石灰岩
4
中
18～30
石英及长石细粒砂岩、辉绿岩、粗粒黄铁矿、砷黄铁矿、脉石英，石英硫化矿石、细粒岩浆岩、矽化灰岩、碧玉铁质岩
5
中上
30～45
石英及长石中粗粒砂岩、斜长花岗岩、霞石正长岩、细粒花岗岩及闪长岩、玢岩、云英岩、辉长岩、片麻岩、矽卡岩(含矿及不含矿的)、黄铁长英岩．滑石菱镁片岩
6
较高
45～65
花岗岩、闪长岩、花岗闪长岩、花岗正长岩、玢岩、霞石正长岩、角闪石斑岩、辉岩、二长岩、闪岩、石英及矽化灰岩、片麻岩
7
高

65～90

玢岩、闪长岩、花岗岩、花岗霞石正长岩
8
极高
>90

含刚玉岩石
四、岩土的弹性、塑性脆性
外力作用于岩石时，岩石发生变形。随后，载荷不断增加，变形也不断发展，最终导致岩石破坏。
岩石的变形可能有两种情况：一种是外力消除后岩石的外形和尺寸完全恢复原状，这种变形称为弹性变形；另一种是外力消除后岩石的外形和尺寸不能完全恢复而产生残留变形，这种变形称为塑性变形。
岩石从变形到破坏可能有三种形式：如破坏前不存在塑性变形，则这种破坏称脆性破坏，呈脆性破坏的岩石称脆性岩石；如破坏前发生大量塑性变形，则称塑性破坏。呈塑性破坏的岩石称塑性岩石；如先经弹性变形，然后塑性变形，最终导致破坏，则称为塑脆性破坏，呈塑脆性破坏的岩石称塑脆性岩石。
众所周知。岩石的矿物组成和结构比较复杂，所以岩石不是理想的弹性固体，故其变形不可能完全恢复。但在某种变形的情况下，大部分岩石在破坏以前都存在着一段弹性应变，也就是说，岩石通常接近于弹性脆性体。
一般常用弹性模量E和泊松比μ来表示岩石的弹性。表 111列出常见岩石的弹性模量E和泊松比μ值。
表 111 常见岩石的弹性模量E和泊松比μ值
岩石种类
弹性模量E/×104MPa
泊松比 μ
岩石种类
弹性模量E/×104MPa
泊松比 μ
闪长岩
10.1021～11.7565
0.26～0.37
细砂岩
2.7900～4.7622
0.15～0.52
细粒花岗岩
8.1201～8.2065
0.24～0.29
中砂岩
2.5782～4.0308
0.10～0.22
斜长花岗岩
6.1087～7.3984
0.19～0.22
中灰岩
2.4056～3.8296
0.18～0.35
斑状花岗岩
5.4938～5.7537
0.13～0.23
石英岩
1.7946～6.9374
0.12～0.27
花岗闪长岩
5.5605～5.8302
0.20～0.23
板状页岩
1.7319～2.1163
--
石英砂岩
5.3105～5.8685
0.12～0.14
粗砂岩
1.6642 4.0306
0.10～0.45
片麻花岗岩
5.0800～5.4164
0.16～0.18
片麻岩
1.4043 5.5125
0.20～0.34
正长岩
4.8387～5.3104
0.18～0.26
页岩
1.2503 4.1179
0.09～0.35
片岩
4.3298～7.0129
0.12～0.25
大理岩
0.9620 7.4827
0.06～0.35
玄武岩
4.1366～9.6206
0.23～0.32
炭质砂岩
0.5482 2.0781
0.08～0.25
安山岩
3.8482～7.6965
0.21～0.32
泥灰岩
0.3658 0.7316
0.30～0.40
绢云母页岩
3.3677
--
石膏
0.1157 0.7698
0.30
花岗岩
2.9823～6.1087
0.17～0.36

在地质钻探和石油钻井中，通常利用压头静压入时所得到的载荷—侵深曲线来确定岩石的塑性系数K，并按塑性系数把岩石分为6级：脆性岩石属第1级；塑脆性岩石属于第2～5级；塑性岩石和孔隙度大的岩石属第6级(见表 112)。
表 112 岩石按塑性系数的分级
岩石类别
脆性
塑脆性
塑性
低塑性——>高塑性
级别
1
2
3
4
5
6
塑性系数 K
1
>1～2
2～3
3～4
4～5
>6～∞
岩石强度相同时，岩石硬度与其它指标的对比，见表 113
表 113 岩石强度相同时，岩石硬度与其它指标的对比
岩石
强度/MPa
压人硬度/MPa
塑性系数 K
研磨性 α
抗压
抗拉
正长岩-玢岩
磁铁矿
磁铁矿
凝灰岩
泥质灰岩
150
140
150
160
144
20
24
19
21
10
3950
3300
2800
4140
l500
7
1.9
2.1
2.4
3.5
15.0
5.7
0.6
19.5
10.0
第三节岩土的可钻性及其分级
一、概述
岩石的可钻性就是在一定技术条件下钻进岩石的难易程度．也可以说是钻进时岩石抵抗破碎的能力。
岩石的可钻性是岩石在钻进过程中显示出来的综合性指标。它取决于许多因素．其中主要的是岩石的物理力学性质、钻进方法和钻进技术参数等。通常是在相同的钻进方法和相同的钻进技术参数条件下，通过试验来确定。
岩石可钻性分级在实际钻探生产中非常重要。它是合理选择钻进方法及相应的钻进工具和钻进规程的依据，也是制定钻探生产定额、编制钻探生产计划的依据；同时．也是对钻探机台生产评定的客观依据。
岩石可钻性的表示方法，目前尚不统一。不同部门因所用的钻进方法不同，采用了不同的表示方式。例如，目前我国岩心钻探所采用的50年代由地质部确定的12级岩石分类表，是根据实际标定机械钻速所得到的。这种分类方法部分地反映了岩石的物理力学性质，更大程度上反映了当时的钻进工艺与钻探设备的水平。随着技术工艺与设备水平的提高，钻进的机械速度将不断提高，因而等级之间的比例也将改变。因此，这种根据标定所测得的机械钻速来确定岩石分级的方法，只能反映在一定技术条件下岩石的相对性质。具有一定的时间性。应每隔一定时期进行修改。
目前，在岩心钻探中衡量可钻性的指标有二：
(1)机械钻速：以每小时进尺米数为指标(指纯钻进时间)；
(2)一次提钻长度：以每回次进尺数为指标。对软岩石来说，由于岩心的采取而受到限制；对硬岩石来说，该指标主要是指钻头在孔底的工作寿命。
我国岩心钻探采用的是12级岩石分类，如表 115所示。目前，金刚石钻进已普遍推广，因此，制订出了金刚石钻进的岩石分级(见表 116，表 117，表 118)。
二、岩石的可钻性划分
地质勘探钻进工作中，经常用以下方法来划岩石的可钻性级别。
1．刻划对比法
刻划对比法是比较粗略的，但操作简单易行。具体指标如下：
(1)大拇指甲：刻划1～3级的岩石矿物；
(2)铁刀：刻划3～4级的岩石矿物；
(3)普通钢刀：刻划4～5级的岩石矿物；
(4)锉刀：刻划5～6级的岩石矿物；
(5)合金刀：刻划7～8级的岩石矿物。
2．岩石力学性质进行分级
按岩石力学性质进行分级是采用单一的岩石力学性质来划分岩石的可钻性级别。如按压入硬度值把岩石分成6类12级（表 16），也可据摆球的回弹次数(岩石动力硬度)把岩石分成12级（表 114）。
表 114 按摆球硬度计的回弹次数对岩石的可钻性分级表
岩石级别
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
回弹次数
≤14
15～29
30～44
45～54
55～64
65～74
75～84
85～94
95～104
105～125
≥125
3．按机械钻速分级
按机械钻速分级的方法。是在规定的设备、工具和技术规范条件下进行现场实际钻进，以所得的纯钻进速度作为岩