岩石强度与胶结物比例的关系及不同受载方式下的岩石强度

岩石强度是岩石在外载（静载或动载）作用下抵抗破坏的能力。岩石在载荷作用下变形到一定程度就会发生破坏。岩石在给定的变形方式（压、拉、弯、剪）下被破坏时的极限应力值称为岩石的（抗压、抗拉、抗弯、抗剪）强度极限。

岩石强度对钻进过程中碎岩效果和孔壁稳定性有显著影响。强度从总体上反映了破碎孔底岩石需要加在钻头上的载荷大小。目前还只能用室内试验的方法来测定岩石强度。

没有条件进行实测时，可以从自然因素和工艺因素两方面来定性分析岩石强度的大致范围。

（1）一般造岩矿物强度高其岩石的强度也高，但沉积岩的强度取决于胶结物所占的比例及其矿物成分。胶结物的比例愈大，则胶结物强度对岩石强度的影响愈大。细粒岩石的强度大于同一矿物组成的粗粒岩石。

（2）岩石的孔隙度增加，密度降低，其强度则降低，反之亦然。因此，一般岩石的强度随埋深的增大而增大。

（3）岩石的受载方式不同，岩石的强度值差异很大。不同受载方式下岩石强度相对值见表2-2。岩石的抗压强度最大，而抗剪强度是抗压强度的10%左右，抗拉强度则更小。因此，在钻进过程中应尽量使钻头以剪切和拉伸的方式来破碎岩石。理论分析和实验研究都证明，切削具压入岩石时其下方存在着剪应力最大的危险极值带，在回转切削具的后方岩面会出现许多张裂纹，这就为以剪切和拉伸方式破碎岩石创造了条件。

（4）多向应力状态下的岩石强度比简单应力状态下的强度高许多倍，但其变化趋势是一致的。在研究孔底岩石破碎过程和孔壁稳定时，都应该认为岩石处于多向应力状态下。

（5）加载速度的影响主要表现在两个方面：①外载作用速度的增加使岩石的应变速率增大，岩石的动强度永远大于静强度（达10倍左右）；②加载速度对塑性岩石强度的影响大于脆性岩石，但只有达到一定加载速度后才会显著影响岩石的强度。例如，一般牙轮钻头齿冲击岩石的速度不大于5m/s，这时岩石的强度并未出现本质性增大。

表2-2　不同受载方式下岩石强度相对值

1）静强度

所谓静强度是指在静载或在液压试验机上以很慢的速度加载时测得的岩石强度。岩石的单轴抗压强度极限按下式计算：

式中：σc——单轴抗压强度极限，MPa；

P——岩石破坏瞬时的轴向载荷，N；

F——岩石试样的截面积，cm2。

由于岩石为非均质物质，故其抗压强度极限应取多次重复试验的算术平均值：

式中：σc1，σc2，…，σcn——岩样各次试验的抗压强度极限，MPa；(www.xing528.com)

n——岩样试验的次数（对均质岩石，n=3；而非均质岩石，n=6）。

不同受载方式下常见岩石的强度极限值见表2-3。在野外不能自行测量强度的条件下，也可以通过表2-3查询。

表2-3　常见岩石的抗剪、抗压和抗拉强度极限

2）动强度

动强度是指在动载或在液压试验机上快速加载时测得的岩石强度。

考虑到钻进过程中钻头经常是以动载（如冲击、冲击回转和牙轮钻头等）或微动载（钻杆柱的震动作用于硬质合金和金刚石钻头上）方式破碎岩石，所以岩石的动强度更能反映孔底岩石破碎的难易程度。在确定岩石可钻性的时候，必须考虑岩石的动强度指标和岩石的研磨性。

岩石的动强度是通过捣碎法在俄罗斯ПОК强度仪上测定。首先用小锤把待测岩样打碎成直径1.5～2.0cm的小块；从打碎的岩样小块中选出5块样品，体积15～20cm3。测试时，把每个岩样放进管形钢筒内[图2-1（a）]，并让2.4kg的重锤从0.6m高落下冲击它10次。捣碎后，把全部5份样品倒在孔径0.5mm的筛网上过筛。把筛出的岩粉颗粒装入体积测量筒内[图2-1（b）]，然后往测量筒内插入刻度柱塞。由于柱塞从上至下刻有0～140mm的刻度，所以可以读出测量筒内岩粉柱的高度值l。岩石的动强度指标按下式确定：

式中：Fd——岩石的动强度指标；

l——被捣碎岩粉颗粒在测量筒内的高度，mm。

图2-1　用于捣碎法确定岩石动强度的仪器

（a）落锤筒：1—挡圈；2—落锤；3—铜筒；4—套筒。（b）测量筒

对于同一种岩石用这种方法得出的动强度指标结果比较稳定。根据动强度指标可把岩石分成6级（表2-4）。

表2-4　岩石的动强度指标分级表

注：岩石的动强度指标与岩石的单轴抗压强度和压入硬度变化趋势大致相同。