鑽探岩石力學
正文
研究鑽探過程中孔底岩石破碎的實質和破碎機理以及孔壁穩定的學科，是岩石力學的一個分支。岩石力學是研究岩石或岩體在一定條件下所表現的物理力學性質以及這些性質與人類各種生產活動的關係的學科。當今岩石力學主要研究岩體穩定和岩石破碎兩方面的內容。由於岩石成分和形成過程的多樣性，結構和構造的複雜性，給研究工作帶來許多困難，所以目前鑽探岩石力學還處於以實驗為主的階段。岩石的機械強度 研究岩體的穩定和岩石的破碎，最重要的是岩石的強度，即岩石在外力作用下的抗破碎能力。所以岩石力學中的強度皆指岩石的極限強度。岩石在不同應變形式下其強度差異很大,其基本狀況是: σc>τs>σb>σt。 以花崗岩、砂岩、石灰岩為例, 假如把它們的抗壓強度(σc)定為 100，其抗剪強度(τs)大約為 10～15, 其抗彎強度(σb)為5～10, 其抗拉強度(σt)僅為2～5。這表明要使岩石能夠耐力或趨於穩定最好使其承受壓力。要使岩石易於破碎，最好套用拉剪方式。
岩石在多向壓縮條件下的機械性質 在鑽探中孔底岩石承受圍壓作用，呈多向（三軸）壓縮的複雜應力狀態。近年來人們設計了各式高壓釜，研究在多向壓縮條件下岩石的性質。試驗表明，岩石受有圍壓作用時其強度增大、性質改變。當圍壓達到一定值時岩石由脆性轉變為塑性。此轉變點的圍壓稱“臨界壓力”。隨著孔深增加，圍壓增大，不僅岩石的強度增高而難於破碎，同時岩石性質也由脆變塑而更難鑽進。
局部破碎的岩石性質 鑽探時，孔底破碎的岩石僅為岩體的一小部分，這與整體破碎測定岩石的強度所處條件不同。因而人們又進行了岩面局部破碎的試驗研究。其中以前蘇聯Л．А．施賴奈爾研究的壓模壓入破碎試驗最有代表性。施氏用圓柱平底壓模對各種岩石進行了大量的試驗,以產生第一個崩裂破碎時的壓力P為準，除以模底面積S，稱為岩石的壓入硬度Py。以Py表示岩石的抗破碎能力更接近鑽探破碎岩石的實際情況。同時施氏研究了壓入破碎岩石的過程，發現不同性質的岩石壓入破碎所消耗的功能不同。他把破碎消耗的總功(AF)與其中的彈性變形功(AE)的比值稱為岩石的塑性係數(K)。以K值表示岩石的塑脆性，為分辨岩石性質提供了科學的依據。
鑽探條件對岩石性質的影響 上述岩石試驗研究都具有特定條件。而在實際鑽探工作中還有許多其他影響因素，其中對動載（載入速度）、溫度、介質（主要是水）等因素研究較深。其結果是：載入速度增大，由於載荷時間短暫，而岩石表現有較大的抗動載能力。如花崗岩、大理岩，其抗動載能力比抗靜載能力高5～8倍。當岩石受高溫（如200℃）作用時,其強度與硬度都有所降低，而塑性增大。特別是在溫壓同時作用下，更為明顯。岩石在水介質中其強度和硬度都有降低。如砂岩飽含水時其抗壓強度僅為全乾時的45％左右。特別是水中含有適度的表面活性劑，對於富含微裂隙的堅硬岩石的強度影響更大。
在深孔鑽探中，孔底各項壓力對鑽探（碎岩）效率影響甚大。鑽孔周圍的上覆岩層隨岩性不同，按一定比例，對孔底岩石形成很大的圍壓，增大孔底岩石的強度和塑性，使鑽探更加困難。鑽孔中液柱壓力成倍地增大岩石的強度，例如 1000米水柱使泥灰岩的強度增大2倍，使大理岩的強度增大近 1倍。同時井筒液柱直接壓在孔底岩面上，對碎岩過程和所碎的岩屑產生很大的“壓持作用”，使岩屑緊貼原處，難於分離下來，大大影響鑽探效率。噴射鑽探法利用從噴嘴噴出的高速液流有效地克服了這種“壓持作用”，提高了鑽速，成為當今一項先進鑽探技術。岩層內的孔隙壓力(也稱地層壓力)對岩石所受的前述多向壓縮效應可起到補償作用，即地層的內壓可以抵消其外壓的作用。經美國阿德里奇等人試驗研究，外壓與內壓之差才是對岩石實際的“有效壓力”。因此，測得所鑽岩層的孔隙壓力，調節和控制鑽孔底部壓力，把兩者之差降到最低限度。用鑽孔壓力平衡地層壓力，可使岩石更易破碎，大幅度提高鑽速，這就是平衡鑽探法的理論依據。
岩石的研磨性 鑽探過程中，在碎岩刃具破碎岩石的同時，不可避免地岩石也磨損刃具。岩石研磨刃具的性能稱岩石的研磨性。從需要看，這是一個亟待解決的問題。多年來許多學者採用不同方法和工具與岩石相磨，測定岩石的研磨性能，提出了許多衡量岩石研磨性的指標，前蘇聯Л．И．博羅以磨桿的失重來劃分岩石的研磨性。施賴奈爾以磨輪單位路程的體積磨損作為分辨岩石研磨性的係數，雖然各有其特點和試驗依據，但又各有其局限性，都未得到公認。
岩石破碎機理的研究 在岩石破碎機理的研究方面，人們曾利用彈塑性力學原理分析了岩石受外力作用時其內部應力狀態。研究表明，無論用平底的、球面的或楔形的哪一種壓模壓縮岩面，在壓模對稱軸下岩體內一定深度（隨壓模不同深度不同）都產生最大剪應力點，在岩面壓模邊緣處都因拉應力而產生裂紋，這些都是岩石破碎的發源處。同時在壓模下岩體內都形成一個多向壓縮的壓密核，這是產生崩裂破碎的主體。對於岩石具體的破碎機理和過程，現有許多不同的歸整方法和解釋。一般說來，對塑性較大的岩石其崩落破碎前壓模下塑性流動較大、壓入較深、破碎坑穴也稍大、所需破碎功也較大，表現為較難壓碎；對脆性較大的岩石，崩落破碎前壓模下沉不大、破碎坑穴較淺、需功較小，表現為較易產生崩落破碎。
總之，鑽探岩石力學尚處於試驗、定性和解釋階段，其學科體系尚未定型。但它是鑽探工作的基礎，許多研究成果對鑽探工作已起了重要的指導作用。
參考書目
劉希聖等編：《鑽井工藝原理》，石油工業出版社，北京，1981。
武漢地質學院主編：《鑽探工藝學》（上冊），地質出版社，北京，1980。
