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【摘 要】 文内综述介绍了近三十年来的国际岩石可钻性研究概况。对一些典型的分级方法做了介绍，对于深人开展我国创造性的岩石可钻性研究应当有所裨益。
【关键词】 岩石；可钻性；分级
1 石可钻性及可钻性分级研究概况
岩石可钻性是在某种规定的指标和技术下，以一定量度来表示岩石破碎的难易程度，也即是岩石对钻头破碎岩石的一种阻抗程度。岩石可钻性不仅取决于岩石自身的物理力学性质，还与钻进的工艺技术措施有关，所以它是岩石在钻进过程中显示出来的综合性指标。根据岩石本身固有抗钻能力的大小，结合不同碎岩方式，可对岩石可钻性做出定量划分。可钻性级值是指导地质分层及钻头选型工作的重要参数，也是提高机械钻速、降低钻井成本的重要途径，岩石的可钻性是决定钻进效率的基本因素。近几十年来，国内外对岩石可钻性研究的进程比较缓慢，仍然不能确切评价如何选取和设计钻头，不能充分挖掘钻头的使用潜力和提高地质钻探效率。岩石可钻性是极其复杂的，不可能单一的根据岩石的种类来确定它们的可钻性。在地质钻探过程中，岩石的可钻性评价通常方式主要分为传统法和统计法两大类，前者是在室内通过测试岩石试样的物理力学性能，此方法有滞后性、周期长、费用高等缺陷；后者是采用实际机械钻速表示，影响因素主要有地层岩石性质、钻头类型等。
2 现有的岩石可钻性分级方法
现有的岩石可钻性分级方法种类繁多，较有代表性的有下述几种。
2.1传统法
2.1.1压入硬度法
压入硬度法是利用压入硬度计测出岩石的压入硬度值作为岩石的可钻性指标。压入硬度法是测定岩石的某点或有限点抵抗外力入侵的能力，而岩石是由大大小小不规则的矿物颗粒组成的。矿物颗粒在空间的排列是任意的，颗粒间存在很多空洞和缝隙，岩石结构上的这种特殊性决定了岩石各点的压入硬度值有很大的差异，整块岩石的可钻性不应该也不可能由某点或某几点的压入硬度值来确定。
2.1.2点载法
点载法是由点载仪测得的，用点载强度系数作为衡量岩石的可钻性指标。点载强度系数由岩石样品在三向应力状态下产生破坏时的点载决定。点载法不能从可钻性上把岩石分开。这是因为岩石在三向应力状态下，产生张性破坏，而各种岩石都存在许多缝隙，岩石破坏是由于在缝隙处产生应力集中。这样点载法的测定结果实际上是岩石裂隙发育程度的反映。
2.1.3微钻头钻进法
微钻头钻进法是在室内运用可钻性测定仪确定岩石的可钻性，利用穿孔速度和牙轮磨损情况，压痕试验中确定的压痕器指数，以及抗压强度试验结果，对岩石的可钻性进行综合评定。这是一种很直观的方法，利用取自于地层的岩心测试能够真实的反映地层的可钻性范围，为钻头的选型及地质分层提供了强有力的参数，也是检验其它计算地层可钻性级值准确性的依据。
微钻头实验，要求从软到硬岩中的钻头性能是足够的，但对必须使用硬质合金齿钻头的极硬岩来说，则不完全可靠；实验所用的岩块试样必须具有充分的代表性，否则影响试验结果的真实性；试验中采用一种转速，当增大转速将提高钻速，可能增加钻头和轴承的磨损；试验中只考虑一种轴压，而实际上鉆速与轴压成正比变化。此外，室内实验测试需要大量的岩心，对于没有进行取心施工或者是岩心资料非常珍贵的区块，这种方法的应用就受到了一定的限制。
2.1.4摇摆法
Rehinder和P.A.用摇摆硬度计测量岩石的相对硬度，曾经获得一定的成功此法又叫阻尼振荡法，实质在于将银有金刚石或硬质合金摆尖的摆，悬吊于被测岩石的光滑表面，使其运动后，由于岩石局部破碎所吸收的能量，加上空气摩擦，使系统阻尼。阻尼大小与被测岩石的硬度H相关为
式中：为初始振幅；
为振幅随时间衰减的速率。
在六十年代中期，美国的Henis、R.W.和Street曾用精制的石灰岩及其它试块，做过检验性试验。试验中采用了比Rehinder更先进的测试仪表，试验程序也非常严密。试验后结论为用摇摆硬度法测得的岩石硬度随摆重而异。如以获得最大硬度时的摆重叫临界摆重，那末轻于临界摆重的摆，阻尼仅为空气摩擦的函数高于临界摆重的摆，阻尼才主要是岩石破碎能量的函数。只有重量等于临界摆重的摆，才能对被测岩石的硬度最为敏感。因此，这种方法貌似简单，实甚烦杂，只有严格选择适应于各种被测岩石硬度的摆才有其使用价值。
2.2统计法
2.2.1钻速方程反求法
实践证明，采用通用钻速方程反求岩石可钻性的方法比室内岩心实验求岩石可钻性的方法更为科学和便利，可节省大量的人力、物力和财力。用钻速方程反求法可以精确测量岩石的可钻性，可应用于现场计算。通过测井资料对岩石可钻性进行计算，将计算结果与微可钻性试验结果比较，两者的相对误差较小，小于5%，说明利用钻速方程可以较为精确地测量岩石的可钻性，是作为实时监测岩石可钻性的有效方法，另外通过对钻井参数的数据收集，通过计算机的程序处理就可以实时显现岩石的可钻性级值。但是在求取可钻性的时候需要大量的录井数据（如钻压、转速、钻井液密度和机械钻速等）和详实的井史资料，它同测量仪器仪表和钻井过程中的施工参数密切相关，所求取的可钻性级值不能完全代表地下岩石的真实情况。
2.2.2分形几何理论
分形几何学是一种定量研究和描述自然界中极不规则且看似无序的复杂结构、现象或行为的新方法，它的主要内容是研究一些具有自相似性的不规则曲线和形状（称为线性分形）；具有自反演性的不规则图形；具有自平方性的分形变换以及具有自仿射的分形集等等。分形的基本特征是自相似性，而且自然界中的自相似性或标度不变性常常是统计意义上的。由于没有特征尺度，分形体不能用一般测度（如长、宽、高等）进行度量，描述分形的特征参数叫做分形维数，也因其可以是分数而称其为分数维，简称分维。在实际应用中，这种自相似可以是数学上的严格自相似，但更多的是考虑研究对象的自相似性。更一般地，我经常把几何上并不明显的自相似性转变成统计意义上的自相似性，也就是虑研究对象的某些指标的局部概率分布与整体概率分布之间的相似关系。分形几何理论在上世纪70年代建立后，迅速在物理学、地理学、冶金学、材料科学和计算机图形学等领域得到应用。80年代，分形几何学在岩石力学方面得到了广泛应用，例如，在结构性岩体爆破破碎分形、矿山岩体断裂构造分形、岩石分形强度理论、岩石断裂、岩石损伤分形等研究方面，近几年国内外都取得了大量研究成果。尽管目前还没有人用分形理论研究钻井过程中的岩石破碎问题，但毫无疑问钻头破碎岩石的过程是自相似过程，可以用分形理论来描述钻井上返岩屑的分形规律，进而由此确定岩石破碎的难易程度。 3 地层可钻性研究的发展趋势
随着研究进程的深入，人们希望用实验室测量手段，也就是用物理力学性质来表示岩石可钻性。开始用单项力学性能指标来评定岩石可钻性，由于测量结果不准确，后改用多种物理力学性质来综合评定岩石可钻性，效果也不好。又改用多项物理力学性能指标与现场数据相结合的方法来评定岩石可钻性，结果仍无明显进展。現在又有人用多项力学指标、现场数据、室内模拟试验结果以及数理统计来综合评定岩石可钻性。虽然测量方法越来越复杂，但一直没有研究出精确反映岩石可钻性的测量方法。
4 结论与建议
通过以上的论述已经可以看出，常用的可钻性级值的求取各有特点，无法直接认为哪种方法最优。以上方法得到是可钻性级值的一个剖面，在实际使用中是不可能、也没有必要逐一地去分析每一点的可钻性级值，然后选取和设计出适合每一点的钻头类型。因此，建立不同岩性、不同地区的岩屑与岩心力学参数之间的相关关系模型，使之发展成为一套完整获取岩石可钻性级值等相关参数的实验体系。然后建立标准程序及配套应用方案，对不同方法得到的可钻性级值进行分层处理之后，再对该层内的可钻性级值进行加权平均，得到新的可钻性级值，从而为下一步钻头选型提供比较准确的参考依据。
参考文献：
[1]鄢泰宁，等.岩土钻掘工程学[M].徐州：中国地质大学出版社，2001.
[2]尹宏锦.实用岩石可钻性[M].东营：中国石油大学出版社，1988.
[3]鞍山黑色冶金矿山设计研究院，长沙矿山研究院.国外牙轮钻机[M].北京：冶金工业出版社，1980.
[4]杜镰，水运震，邢纪国，杨雄.钻井过程中预测钻速的一种新方法[J].江汉石油学院学报，1995（3）.
[5]鲁凡.岩石可钻性分级的讨论及可钻性精确测量[J].超硬材料工程，2007（2）.
[6]李荣，何世明，等.钻井工程中岩石可钻性求取综合研究[J].钻采工艺，2004（5）.
[7]高峰，谢和平.岩石块度分布的分形性质及细观结构效应[J].岩石力学与工程学报，1994，13（3）：240-246.
[8]张绍和等.一种新的岩石可钻性分级法研究.探矿工程，1999，（6）.
[9]史晓亮，段隆臣等.微钻法进行岩石可钻性分级.金刚石与磨料磨具工程，2002，（6）.
[10] Fowell，R.J.，“A simple method for assessing the machineability of rock”，Tunnels and tunneling.July，1970.
【关键词】 岩石；可钻性；分级
1 石可钻性及可钻性分级研究概况
岩石可钻性是在某种规定的指标和技术下，以一定量度来表示岩石破碎的难易程度，也即是岩石对钻头破碎岩石的一种阻抗程度。岩石可钻性不仅取决于岩石自身的物理力学性质，还与钻进的工艺技术措施有关，所以它是岩石在钻进过程中显示出来的综合性指标。根据岩石本身固有抗钻能力的大小，结合不同碎岩方式，可对岩石可钻性做出定量划分。可钻性级值是指导地质分层及钻头选型工作的重要参数，也是提高机械钻速、降低钻井成本的重要途径，岩石的可钻性是决定钻进效率的基本因素。近几十年来，国内外对岩石可钻性研究的进程比较缓慢，仍然不能确切评价如何选取和设计钻头，不能充分挖掘钻头的使用潜力和提高地质钻探效率。岩石可钻性是极其复杂的，不可能单一的根据岩石的种类来确定它们的可钻性。在地质钻探过程中，岩石的可钻性评价通常方式主要分为传统法和统计法两大类，前者是在室内通过测试岩石试样的物理力学性能，此方法有滞后性、周期长、费用高等缺陷；后者是采用实际机械钻速表示，影响因素主要有地层岩石性质、钻头类型等。
2 现有的岩石可钻性分级方法
现有的岩石可钻性分级方法种类繁多，较有代表性的有下述几种。
2.1传统法
2.1.1压入硬度法
压入硬度法是利用压入硬度计测出岩石的压入硬度值作为岩石的可钻性指标。压入硬度法是测定岩石的某点或有限点抵抗外力入侵的能力，而岩石是由大大小小不规则的矿物颗粒组成的。矿物颗粒在空间的排列是任意的，颗粒间存在很多空洞和缝隙，岩石结构上的这种特殊性决定了岩石各点的压入硬度值有很大的差异，整块岩石的可钻性不应该也不可能由某点或某几点的压入硬度值来确定。
2.1.2点载法
点载法是由点载仪测得的，用点载强度系数作为衡量岩石的可钻性指标。点载强度系数由岩石样品在三向应力状态下产生破坏时的点载决定。点载法不能从可钻性上把岩石分开。这是因为岩石在三向应力状态下，产生张性破坏，而各种岩石都存在许多缝隙，岩石破坏是由于在缝隙处产生应力集中。这样点载法的测定结果实际上是岩石裂隙发育程度的反映。
2.1.3微钻头钻进法
微钻头钻进法是在室内运用可钻性测定仪确定岩石的可钻性，利用穿孔速度和牙轮磨损情况，压痕试验中确定的压痕器指数，以及抗压强度试验结果，对岩石的可钻性进行综合评定。这是一种很直观的方法，利用取自于地层的岩心测试能够真实的反映地层的可钻性范围，为钻头的选型及地质分层提供了强有力的参数，也是检验其它计算地层可钻性级值准确性的依据。
微钻头实验，要求从软到硬岩中的钻头性能是足够的，但对必须使用硬质合金齿钻头的极硬岩来说，则不完全可靠；实验所用的岩块试样必须具有充分的代表性，否则影响试验结果的真实性；试验中采用一种转速，当增大转速将提高钻速，可能增加钻头和轴承的磨损；试验中只考虑一种轴压，而实际上鉆速与轴压成正比变化。此外，室内实验测试需要大量的岩心，对于没有进行取心施工或者是岩心资料非常珍贵的区块，这种方法的应用就受到了一定的限制。
2.1.4摇摆法
Rehinder和P.A.用摇摆硬度计测量岩石的相对硬度，曾经获得一定的成功此法又叫阻尼振荡法，实质在于将银有金刚石或硬质合金摆尖的摆，悬吊于被测岩石的光滑表面，使其运动后，由于岩石局部破碎所吸收的能量，加上空气摩擦，使系统阻尼。阻尼大小与被测岩石的硬度H相关为
式中：为初始振幅；
为振幅随时间衰减的速率。
在六十年代中期，美国的Henis、R.W.和Street曾用精制的石灰岩及其它试块，做过检验性试验。试验中采用了比Rehinder更先进的测试仪表，试验程序也非常严密。试验后结论为用摇摆硬度法测得的岩石硬度随摆重而异。如以获得最大硬度时的摆重叫临界摆重，那末轻于临界摆重的摆，阻尼仅为空气摩擦的函数高于临界摆重的摆，阻尼才主要是岩石破碎能量的函数。只有重量等于临界摆重的摆，才能对被测岩石的硬度最为敏感。因此，这种方法貌似简单，实甚烦杂，只有严格选择适应于各种被测岩石硬度的摆才有其使用价值。
2.2统计法
2.2.1钻速方程反求法
实践证明，采用通用钻速方程反求岩石可钻性的方法比室内岩心实验求岩石可钻性的方法更为科学和便利，可节省大量的人力、物力和财力。用钻速方程反求法可以精确测量岩石的可钻性，可应用于现场计算。通过测井资料对岩石可钻性进行计算，将计算结果与微可钻性试验结果比较，两者的相对误差较小，小于5%，说明利用钻速方程可以较为精确地测量岩石的可钻性，是作为实时监测岩石可钻性的有效方法，另外通过对钻井参数的数据收集，通过计算机的程序处理就可以实时显现岩石的可钻性级值。但是在求取可钻性的时候需要大量的录井数据（如钻压、转速、钻井液密度和机械钻速等）和详实的井史资料，它同测量仪器仪表和钻井过程中的施工参数密切相关，所求取的可钻性级值不能完全代表地下岩石的真实情况。
2.2.2分形几何理论
分形几何学是一种定量研究和描述自然界中极不规则且看似无序的复杂结构、现象或行为的新方法，它的主要内容是研究一些具有自相似性的不规则曲线和形状（称为线性分形）；具有自反演性的不规则图形；具有自平方性的分形变换以及具有自仿射的分形集等等。分形的基本特征是自相似性，而且自然界中的自相似性或标度不变性常常是统计意义上的。由于没有特征尺度，分形体不能用一般测度（如长、宽、高等）进行度量，描述分形的特征参数叫做分形维数，也因其可以是分数而称其为分数维，简称分维。在实际应用中，这种自相似可以是数学上的严格自相似，但更多的是考虑研究对象的自相似性。更一般地，我经常把几何上并不明显的自相似性转变成统计意义上的自相似性，也就是虑研究对象的某些指标的局部概率分布与整体概率分布之间的相似关系。分形几何理论在上世纪70年代建立后，迅速在物理学、地理学、冶金学、材料科学和计算机图形学等领域得到应用。80年代，分形几何学在岩石力学方面得到了广泛应用，例如，在结构性岩体爆破破碎分形、矿山岩体断裂构造分形、岩石分形强度理论、岩石断裂、岩石损伤分形等研究方面，近几年国内外都取得了大量研究成果。尽管目前还没有人用分形理论研究钻井过程中的岩石破碎问题，但毫无疑问钻头破碎岩石的过程是自相似过程，可以用分形理论来描述钻井上返岩屑的分形规律，进而由此确定岩石破碎的难易程度。 3 地层可钻性研究的发展趋势
随着研究进程的深入，人们希望用实验室测量手段，也就是用物理力学性质来表示岩石可钻性。开始用单项力学性能指标来评定岩石可钻性，由于测量结果不准确，后改用多种物理力学性质来综合评定岩石可钻性，效果也不好。又改用多项物理力学性能指标与现场数据相结合的方法来评定岩石可钻性，结果仍无明显进展。現在又有人用多项力学指标、现场数据、室内模拟试验结果以及数理统计来综合评定岩石可钻性。虽然测量方法越来越复杂，但一直没有研究出精确反映岩石可钻性的测量方法。
4 结论与建议
通过以上的论述已经可以看出，常用的可钻性级值的求取各有特点，无法直接认为哪种方法最优。以上方法得到是可钻性级值的一个剖面，在实际使用中是不可能、也没有必要逐一地去分析每一点的可钻性级值，然后选取和设计出适合每一点的钻头类型。因此，建立不同岩性、不同地区的岩屑与岩心力学参数之间的相关关系模型，使之发展成为一套完整获取岩石可钻性级值等相关参数的实验体系。然后建立标准程序及配套应用方案，对不同方法得到的可钻性级值进行分层处理之后，再对该层内的可钻性级值进行加权平均，得到新的可钻性级值，从而为下一步钻头选型提供比较准确的参考依据。
参考文献：
[1]鄢泰宁，等.岩土钻掘工程学[M].徐州：中国地质大学出版社，2001.
[2]尹宏锦.实用岩石可钻性[M].东营：中国石油大学出版社，1988.
[3]鞍山黑色冶金矿山设计研究院，长沙矿山研究院.国外牙轮钻机[M].北京：冶金工业出版社，1980.
[4]杜镰，水运震，邢纪国，杨雄.钻井过程中预测钻速的一种新方法[J].江汉石油学院学报，1995（3）.
[5]鲁凡.岩石可钻性分级的讨论及可钻性精确测量[J].超硬材料工程，2007（2）.
[6]李荣，何世明，等.钻井工程中岩石可钻性求取综合研究[J].钻采工艺，2004（5）.
[7]高峰，谢和平.岩石块度分布的分形性质及细观结构效应[J].岩石力学与工程学报，1994，13（3）：240-246.
[8]张绍和等.一种新的岩石可钻性分级法研究.探矿工程，1999，（6）.
[9]史晓亮，段隆臣等.微钻法进行岩石可钻性分级.金刚石与磨料磨具工程，2002，（6）.
[10] Fowell，R.J.，“A simple method for assessing the machineability of rock”，Tunnels and tunneling.July，1970.