科普 | 钻探岩石力学

研究钻探过程中孔底岩石破碎的实质和破碎机理以及孔壁稳定的学科，是岩石力学的一个分支。岩石力学是研究岩石或岩体在一定条件下所表现的物理力学性质以及这些性质与人类各种生产活动的关系的学科。当今岩石力学主要研究岩体稳定和岩石破碎两方面的内容。由于岩石成分和形成过程的多样性，结构和构造的复杂性，给研究工作带来许多困难，所以目前钻探岩石力学还处于以实验为主的阶段。

岩石的机械强度研究岩体的稳定和岩石的破碎，最重要的是岩石的强度，即岩石在外力作用下的抗破碎能力。所以岩石力学中的强度皆指岩石的极限强度。岩石在不同应变形式下其强度差异很大，其基本状况是：σc>τs>σb>σt。 以花岗岩、砂岩、石灰岩为例， 假如把它们的抗压强度(σc)定为 100，其抗剪强度(τs)大约为 10～15， 其抗弯强度(σb)为5～10， 其抗拉强度(σt)仅为2～5。这表明要使岩石能够耐力或趋于稳定最好使其承受压力。要使岩石易于破碎，最好应用拉剪方式。

岩石在多向压缩条件下的机械性质在钻探中孔底岩石承受围压作用，呈多向（三轴）压缩的复杂应力状态。近年来人们设计了各式高压釜，研究在多向压缩条件下岩石的性质。试验表明，岩石受有围压作用时其强度增大、性质改变。当围压达到一定值时岩石由脆性转变为塑性。此转变点的围压称"临界压力"。随着孔深增加，围压增大，不仅岩石的强度增高而难于破碎，同时岩石性质也由脆变塑而更难钻进。

局部破碎的岩石性质钻探时，孔底破碎的岩石仅为岩体的一小部分，这与整体破碎测定岩石的强度所处条件不同。因而人们又进行了岩面局部破碎的试验研究。其中以前苏联Л．А．施赖奈尔研究的压模压入破碎试验最有代表性。施氏用圆柱平底压模对各种岩石进行了大量的试验，以产生第一个崩裂破碎时的压力P为准，除以模底面积S，称为岩石的压入硬度Py。以Py表示岩石的抗破碎能力更接近钻探破碎岩石的实际情况。同时施氏研究了压入破碎岩石的过程，发现不同性质的岩石压入破碎所消耗的功能不同。他把破碎消耗的总功(AF)与其中的弹性变形功(AE)的比值称为岩石的塑性系数(K)。以K值表示岩石的塑脆性，为分辨岩石性质提供了科学的依据。1

钻探条件对岩石性质的影响上述岩石试验研究都具有特定条件。而在实际钻探工作中还有许多其他影响因素，其中对动载（加载速度）、温度、介质（主要是水）等因素研究较深。其结果是：加载速度增大，由于载荷时间短暂，而岩石表现有较大的抗动载能力。如花岗岩、大理岩，其抗动载能力比抗静载能力高5～8倍。当岩石受高温（如200℃）作用时，其强度与硬度都有所降低，而塑性增大。特别是在温压同时作用下，更为明显。岩石在水介质中其强度和硬度都有降低。如砂岩饱含水时其抗压强度仅为全干时的45%左右。特别是水中含有适度的表面活性剂，对于富含微裂隙的坚硬岩石的强度影响更大。

在深孔钻探中，孔底各项压力对钻探（碎岩）效率影响甚大。钻孔周围的上覆岩层随岩性不同，按一定比例，对孔底岩石形成很大的围压，增大孔底岩石的强度和塑性，使钻探更加困难。钻孔中液柱压力成倍地增大岩石的强度，例如 1000米水柱使泥灰岩的强度增大2倍，使大理岩的强度增大近 1倍。同时井筒液柱直接压在孔底岩面上，对碎岩过程和所碎的岩屑产生很大的"压持作用"，使岩屑紧贴原处，难于分离下来，大大影响钻探效率。喷射钻探法利用从喷嘴喷出的高速液流有效地克服了这种"压持作用"，提高了钻速，成为当今一项先进钻探技术。岩层内的孔隙压力(也称地层压力)对岩石所受的前述多向压缩效应可起到补偿作用，即地层的内压可以抵消其外压的作用。经美国阿德里奇等人试验研究，外压与内压之差才是对岩石实际的"有效压力"。因此，测得所钻岩层的孔隙压力，调节和控制钻孔底部压力，把两者之差降到最低限度。用钻孔压力平衡地层压力，可使岩石更易破碎，大幅度提高钻速，这就是平衡钻探法的理论依据。

岩石的研磨性钻探过程中，在碎岩刃具破碎岩石的同时，不可避免地岩石也磨损刃具。岩石研磨刃具的性能称岩石的研磨性。从需要看，这是一个亟待解决的问题。多年来许多学者采用不同方法和工具与岩石相磨，测定岩石的研磨性能，提出了许多衡量岩石研磨性的指标，前苏联Л．И．博罗以磨杆的失重来划分岩石的研磨性。施赖奈尔以磨轮单位路程的体积磨损作为分辨岩石研磨性的系数，虽然各有其特点和试验依据，但又各有其局限性，都未得到公认。

岩石破碎机理的研究在岩石破碎机理的研究方面，人们曾利用弹塑性力学原理分析了岩石受外力作用时其内部应力状态。研究表明，无论用平底的、球面的或楔形的哪一种压模压缩岩面，在压模对称轴下岩体内一定深度（随压模不同深度不同）都产生最大剪应力点，在岩面压模边缘处都因拉应力而产生裂纹，这些都是岩石破碎的发源处。同时在压模下岩体内都形成一个多向压缩的压密核，这是产生崩裂破碎的主体。对于岩石具体的破碎机理和过程，现有许多不同的归整方法和解释。一般说来，对塑性较大的岩石其崩落破碎前压模下塑性流动较大、压入较深、破碎坑穴也稍大、所需破碎功也较大，表现为较难压碎；对脆性较大的岩石，崩落破碎前压模下沉不大、破碎坑穴较浅、需功较小，表现为较易产生崩落破碎。

总之，钻探岩石力学尚处于试验、定性和解释阶段，其学科体系尚未定型。但它是钻探工作的基础，许多研究成果对钻探工作已起了重要的指导作用。

本词条内容贡献者为:

杨刚 - 教授 - 西南大学

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