川東北深井剖面碳酸鹽巖力學參數分布特征研究

郭印同，陳軍海，楊春和，冒海軍

（1. 中國科學院武漢巖土力學研究所 巖土力學與工程國家重點實驗室，武漢 430071；2. 中國石油化工股份有限公司 石油工程技術研究院，北京 100101）

1 引 言

隨著油氣勘探開發深度的不斷增加，我國油氣資源戰略逐漸轉向深部、超深地層領域，深部巖石力學問題已成為研究的重點和熱點問題。南方海相油氣勘探區塊，有近300 km×104 km的碳酸鹽巖分布區。碳酸鹽巖地層本身復雜，如盆地形成時間跨度大、埋深跨度大、非均質性強、裂縫溶洞發育等等，造成其力學參數變化規律不易掌握，導致鉆井地質環境因素識別難度大、易漏，儲層損害嚴重,迫切需要開展深井剖面碳酸鹽巖宏觀與微觀分析，利用室內相關研究成果，獲取深部碳酸鹽巖力學特性參數規律，以減少碳酸鹽巖地層鉆井事故的發生。

目前國內外學者開展的相關研究主要有：Sternbach等[1]利用掃描電鏡對碳酸鹽巖孔隙結構進行微觀分析，研究了碳酸鹽巖裂縫與孔喉發育特怔;Mohammed等[2]通過三軸壓縮試驗,研究了碳酸鹽巖聲波（縱波、橫波）與巖石力學特性參數的關系，分析了測井數據與室內巖石力學特性的相關性;Jarot等[3]從溫度、滲透率、孔隙度與所受應力狀態等多個因素出發，分析了巖石力學特征參數與聲波速度的相關關系，獲得了有益的結論; Elena等[4]利用鉆井與測井數據（縱橫波時差、電阻率、密度、中子孔隙、伽馬射線），研究了雙孔隙碳酸鹽巖內部孔隙結構特征與巖石力學特性參數; 徐國盛[5]進行室內試驗，研究了濟陽坳陷古潛山碳酸鹽巖巖石力學與聲學特性關系，得出原始裂隙與溶蝕縫洞降低了力學特性導致巖石易破碎的結論; 韓來聚等[6]結合聲波測井資料研究了碳酸鹽巖地層的可鉆性，分析了巖石縱波、橫波與牙輪鉆頭可鉆性之間的相關關系，建立了利用聲波測井預測碳酸鹽巖地層剖面可鉆性的數學模型; 孟慶山等[7]對巖溶地區的碳酸鹽巖試樣進行了聲波測試，分析了灰巖、白云巖聲波速度規律，研究了巖石物理力學特性對聲波速度的影響。另有多位學者[8－16]通過室內碳酸鹽巖巖石力學與聲學特性的測試，獲得了巖石力學與聲學特性參數。

上述學者的研究成果，往往是針對某一特定層位碳酸鹽巖開展相應的研究工作，其成果并不能指導碳酸鹽巖深井剖面鉆井。最直接獲取碳酸鹽巖力學參數的方式就是室內巖石力學試驗，但由于深井鉆探每口井的取芯造價昂貴，不可能做到全剖面取芯，尚不能建立深井碳酸鹽巖力學特征參數剖面。本文綜合對比川東北地區已有鉆測井數據，通過地質信息分析，采集與深井相應層位的碳酸鹽巖露頭巖芯，開展室內巖石力學、聲波測試與微觀結構分析等，獲得碳酸鹽巖剖面巖石力學特征參數分布規律，為碳酸鹽巖地層安全鉆井提供技術參數。

2 試驗概況

2.1 取樣與試樣準備

本次試驗巖芯取自川東北海相碳酸鹽巖地層（巴中、通江地區）相應層位露頭。

圖1為露頭采樣現場，主要以二疊系、三疊系為主，地層相應埋深為3568～5983 m，包括6個層位白云巖，14個層位灰巖。試驗前完成了巖芯基本參數測定（見表 1）,巖芯密度范圍為 2.549～2.769 g/cm3，均值為2.698 g/cm3，縱波速度范圍為3324～6197 m/s，縱波速度與巖芯密度之間有一定的相關性，巖芯密度大，縱波速度相對較高。

圖1 地表露頭采樣現場Fig.1 Collecting outcrop in the field

表1 地層剖面信息Table1 Stratigraphic section information

2.2 試驗設備

本次單三軸壓縮、巴西劈裂、直接剪切試驗在中國科學院武漢巖土力學研究所 MTS815.03型和RMT－150C型巖石力學試驗機完成，碳酸鹽巖薄片顯微鏡分析在中國地質大學（武漢）資源學院偏光顯微鏡上完成，聲波測試采用中科院武漢巖土力學研究研制的RSM-SYS5型超聲波檢測儀。圖2為RMT－150C型巖石力學試驗機，圖3為偏光顯微鏡，圖4為RSM-SYS5型超聲波檢測儀。

圖2 RMT-150C型巖石試驗機Fig.2 Rock mechanics test equipment RMT-150C

圖3 偏光顯微鏡Fig.3 Microscopy

圖4 RSM-SYS5型超聲波檢測儀Fig.4 RSM-SYS5 ultrasonic tester

3 試驗結果分析

3.1 碳酸鹽巖微觀結構特征

選取典型層位巖芯，先對薄片內礦物成分與結構進行整體分析，確定其中礦物顆粒的成分、粒徑和相對含量。再對其中的孔隙、裂縫體系進行分析，了解孔隙的形態、孔徑和含量。最后將同一塊樣的不同切片進行分析對比，綜合了解試樣內部顆粒與孔隙特征。限于篇幅，本文只選取了2組典型的白云巖和灰巖進行描述。圖5和圖6分別為白云巖顯微鏡觀測圖和灰巖顯微鏡觀測圖。

圖5 白云巖顯微鏡觀測圖Fig.5 Microscope observation of dolostone

圖6 灰巖顯微鏡觀測圖Fig.6 Microscope observation of Limestone

由圖5定名的試樣為粉晶殘余砂屑白云巖，其重結晶作用較強，晶粒以粉晶為主，一般在 0.04 mm，因重結晶作用強烈，砂、藻屑顯殘余結構，部分見殘余輪廓，粒徑為0.6 mm，局部見藻團。孔隙類型較為發育，主要包括有粒間孔隙、粒內溶孔和溶孔，約占10%，形態不規則，孔徑0.5～5.0 mm不等，相互之間連通性差，裂縫局部發育。環境解釋為淺海，中低能。由圖6定名的試樣為灰色泥晶灰巖，晶粒以泥晶、微晶為主，泥晶占80%，粒徑小于 0.02 mm，部分地區有微晶、粉晶，粒徑約0.02～0.10 mm，薄片顯示晶粒為自形～半自形。泥晶方解石呈近似定向，可見有紋層，紋層附近可見由中晶～粉晶方解石顆粒，部分溶解形成孔隙，孔隙總含量不超過5%，孔隙粒徑0.1～0.2 mm。沉積環境解釋為深水、低能、潮下帶。

由表2薄片顯微鏡分析可知，南方海相碳酸鹽巖二疊系、三疊系主要以生物碎屑白云巖、泥晶灰巖為主，填隙物主要包括硅質膠結物、黏土充填等，粒徑范圍在0.01～0.20 mm之間，孔隙類型以粒內溶蝕孔隙、粒間孔隙、晶間溶孔為主，白云巖裂縫較發育，孔隙率差異較大，范圍為2%～12%。

表2 碳酸鹽巖微觀結構綜合分析Table2 Analysis of microscopic structure of carbonate rock

3.2 碳酸鹽巖力學試驗測試

共完成了20組不同層位的單、三軸壓縮試驗，每組試驗分別測試3個巖芯，取其平均值。圖7、8分別為典型白云巖和灰巖應力-應變關系，試驗結果統計見表3。

圖7 典型白云巖B9三軸應力-應變關系曲線Fig.7 The relationship between the axial stress and strain of typical dolostone B9

圖8 典型灰巖H14三軸應力-應變關系曲線Fig.8 The relationship between the axial stress and strain of typical limestone H14

由圖7、8可知，白云巖、灰巖在圍壓35 MPa時總軸向應變一般不超過1%，應力-應變曲線彈性階段持續很長，表現為彈性變形特征；塑性變形階段很短，達到峰值強度后表現為脆性破壞，應力跌落明顯。在圍壓70、100 MPa時，經歷較長的塑性變形階段，試樣延性特征明顯，在達到峰值后仍具有一定的承載能力，應力改變很小，而能引起應變的快速增加，對應的總軸向應變超過 2%，試件沒有明顯的剪切破壞面，表現出現魚鱗狀擴張，為側向膨脹破壞。

根據單軸抗壓強度設定 4級法向載荷分別為10、30、50、70 kN進行直接剪切試驗，計算得到巖石抗剪強度黏聚力c和內摩擦角φ，典型剪應力-剪切應變關系曲線如圖9所示，數據結果見表3。

圖9 典型白云巖B9剪應力-應變關系曲線Fig.9 The relationship between the shear stress and strain of typical dolostone B9

由圖9可見，（1）加載初期曲線的斜率較小，剪應力增加緩慢而剪應變增加較快，這一階段試樣內開始產生張裂紋，但產生的張裂紋并不就是沿剪切面發生破壞；（2）當剪應力達到一定數值后，剪切變形受阻增加緩慢，而剪應力迅速增加，曲線斜率變陡，臨近峰值時曲線斜率逐漸由陡變緩達到峰值。這一階段較短，很快達到峰值；（3）達到峰值后曲線階段比較陡，剪切變形變化較小，而剪應力迅速降低，達到峰值強度的60%左右，曲線由陡變平緩，直到達到殘余強度。

表3 巖石力學試驗統計結果Table3 The test results of rock mechanics

3.3 碳酸鹽巖力學強度特征參數分析

由表3可以看出，川東北地區白云巖與灰巖頻繁互層，不同地層埋深碳酸鹽巖力學參數變化范圍較寬，這是由巖芯組成和結構的差異性因素，包括其中碎屑成分、泥質含量、膠結物以及孔隙度的不同造成的。圖 10為碳酸鹽巖單軸抗壓強度空間分布特征圖。從表3和圖10可以看出，單軸抗壓強度的分布范圍為40.99～131.31 MPa，最大抗壓強度為最小值的 3.2倍，其中白云巖分布范圍為 40.99～104.6 MPa，灰巖分布范圍為54.91～131.31 MPa，深度從3568～4267 m范圍內，大致趨勢為逐漸增加；深度4267～5643 m范圍內，大致趨勢為逐漸減小；深度5643～5983 m范圍內，抗壓強度無明顯的規律性，為無序分布。

圖10 碳酸鹽巖單軸抗壓強度空間分布特征Fig.10 Spatial distribution characteristics of uniaxial compressive strength

根據地層埋深不同，三軸壓縮試驗圍壓分別設定為35、70、100 MPa和40、80、120 MPa。圖11、12為碳酸鹽巖三軸抗壓強度空間分布特征圖。三軸抗壓強度與深度之間似乎無規律可言，表現出某種混沌的特征。此特征表明，埋深不是影響三軸抗壓強度的主要因素。當圍壓為35 MPa時，三軸抗壓強度分布范圍為185.20～290.64 MPa；當圍壓為70 MPa時，分布范圍為277.17～435.93 MPa；當圍壓為100 MPa時，分布范圍為348.14～510.06 MPa；當圍壓為40 MPa時，分布范圍為 211.04～364.38 MPa；當圍壓為 80 MPa時，分布范圍為 256.0～429.65 MPa；當圍壓為 120 MPa時，分布范圍為328.73～509.76 MPa。

綜合分析已有試驗結果，單軸壓縮條件時抗壓強度差異性最大與最小值達到3.2倍，圍壓條件不同時埋深巖芯三軸抗壓強度差異性區間逐漸減小；單軸抗壓強度最低的白云巖B18在圍壓條件下抗壓強度顯著增加，分析認為，B18巖芯內部溶蝕孔隙結構在圍壓作用下閉合，抗壓強度提高；而灰巖H16單軸抗壓強度最高，在圍壓條件下其抗壓強度增幅一般。由此可得，單軸抗壓強度僅反映單向受壓條件下巖石試件破壞時的極限壓應力值，與圍壓條件下的破壞值之間無一致性，與巖石的組成、內部孔隙結構相關。

圖11 碳酸鹽巖三軸抗壓強度空間分布特征圖Fig.11 Spatial distribution characteristics of triaxial compressive strength

圖12 碳酸鹽巖三軸抗壓強度空間分布特征圖Fig.12 Spatial distribution characteristics of triaxial compressive strength

圖13、14為碳酸鹽巖抗剪強度參數空間分布特征圖。在空間分布上，碳酸鹽巖抗剪強度參數呈無序分布，黏聚力的空間分布范圍為 4.73～19.03 MPa，內摩擦角為16.58°～46.76°，其中白云巖黏聚力分布范圍4.73～11.82 MPa，內摩擦角分布范圍為36.02°～46.58°；灰巖黏聚力分布范圍為 6.71～19.03 MPa，內摩擦角分布范圍為16.58°～46.76°。綜上分析，總體上白云巖的黏聚力相對灰巖要小，內摩擦角變化范圍也窄，灰巖抗剪強度參數跨度更大。

圖13 碳酸鹽巖抗剪強度參數黏聚力空間分布特征Fig.13 Spatial distribution characteristics of the shear strength parameters c

圖14 碳酸鹽巖抗剪強度參數內摩擦角空間分布特征Fig.14 Spatial distribution characteristics of the shear strength parameters φ

圖15、16分別為碳酸鹽巖抗拉強度空間分布特征和壓拉比空間分布特征。碳酸鹽巖抗拉強度呈無序分布，空間分布范圍為1.85～5.33 MPa，其中白云巖抗拉強度分布范圍1.85～4.62 MPa，灰巖抗拉強度分布范圍1.95～5.33 MPa。由圖16可知，絕大多數層位巖芯壓拉比在8.87～26.61之間，與國際巖石力學試驗規程范圍值相當，也有個別層位巖芯白云巖B17、灰巖H14和H5的壓拉比接近或超過50，表現出明顯的抗壓強度高，抗拉強度低的特性。在鉆井過程中，該壓拉比過高的層位井壁穩定性分析尤為重要，存在鉆井液壓漏地層，造成鉆井液漏失、井壁失穩的風險。

圖15 碳酸鹽巖抗拉強度空間分布特征Fig.15 Spatial distribution characteristics of tensile strength

圖16 碳酸鹽巖壓拉比空間分布特征Fig.16 Spatial distribution characteristics of the ratio of uniaxial compressive strength and tensile strength

實際鉆井工程中，井壁圍巖實際承受的應力要遠小于其抗壓強度，所以，井壁很少發生因抗壓強度過低而導致的工程事故，井壁失穩主要是由于剪切破壞與抗拉破壞，造成井壁坍塌與地層漏失[17]。因此，本文獲得的碳酸鹽巖抗剪與抗拉強度參數對深部鉆井工程具有重要的意義。

3.4 碳酸鹽巖聲波特性參數分析

碳酸鹽巖（白云巖、灰巖）影響聲波速度的主要因素為沉積環境、孔隙度和裂隙結構。圖17為碳酸鹽巖常溫靜水壓-縱波速度關系圖。

圖17 碳酸鹽巖常溫圍壓-縱波速度關系Fig.17 Relationships between confining pressure and velocity of longitudinal wave of normal temperature

由圖 17可見，（1）白云巖縱波波速隨靜水壓增加而增大，初始加載過程中，縱波波速隨靜水壓增加，其增幅明顯；后隨靜水壓增加，其增幅逐漸減緩，這是由于天然條件白云巖內部存在孔隙結構和微裂隙，結構疏松，施加靜水壓后，白云巖內部的孔隙和微裂紋逐漸閉合，波速顯著增加；微裂紋閉合后，繼續增加靜水壓，主要使白云巖的內部結構更加緊密，在等向壓縮過程中，白云巖骨架的變形不再那么明顯，因此波速變化比較緩慢；（2）灰巖縱波波速隨靜水壓增加其增幅不大，分析認為灰巖內部結構與白云巖相比致密，孔隙率很低，靜水壓的增加并未對其內部結構有大的改變，因而其縱波波速改變相對不明顯；（3）由掃描顯微鏡分析可知，灰巖試件中的原始張裂紋，裂紋斷續相連，裂紋壁呈彎曲狀，由數段小裂紋連接，局部過渡為裂紋不連續；或由其內部生物腐殖充填，而使裂隙愈合；白云巖試件中，晶粒上有斷續張裂紋，多呈不規則狀，裂紋較灰巖發育，孔隙呈局部連通。灰巖和白云巖在微觀裂隙上的，造成了灰巖和白云巖波速上的差異。

已鉆完測井資料中，得到的真實可信資料包括聲波測井數據，因此通過實驗室測定不同巖石的縱波速度，對比巖石力學試驗結果，分析其力學參數與縱波速度的相關性。選取典型白云巖與灰巖，分析三軸抗壓強度值與相應圍壓縱波速度測定值的相關關系，為建立測井縱波速度與巖石力學特征參數提供基礎。

綜合分析碳酸鹽巖力學與聲波測試結果，不同圍壓抗壓強度與縱波波速具有正相關性，采用如下相關關系進行擬合，即

白云巖：

灰巖：

式中：Rc為三軸抗壓強度（MPa）；Vp為相應圍壓縱波速度（m/s）；a、b為待定參數，見表4。

通過建立室內巖石抗壓強度與圍壓聲波速度關系，再結合測井聲波與室內聲波參數相關性，即可建立由測井聲波參數直接求取巖石抗壓強度參數的方法，在后續研究中將詳細介紹。

4 結 論

（1）川東北二疊系、三疊系碳酸鹽巖以生物碎屑白云巖、泥晶灰巖為主，粒徑范圍在 0.01～0.20 mm之間，孔隙類型以粒內溶蝕孔隙、粒間孔隙、晶間溶孔為主，孔隙率差異較大，范圍從2%～12%。

（2）單軸與低圍壓條件下，碳酸鹽巖表現為脆性劈裂破壞，對應的總軸向應變小于 1%；高圍壓條件下，表現出延性破壞特征，對應總軸向應變大于2%，試樣沒有明顯的破裂面，表現為側向膨脹。

（3）碳酸鹽巖單軸抗壓強度特征在空間分布上有一定的規律性，不同層位力學參數值差異性大；三軸抗壓強度在空間上為無序分布，表現出某種混沌的特征，表明埋深并不是影響碳酸鹽巖抗壓強度的主要因素；抗剪強度參數方面，白云巖黏聚力比灰巖要小，內摩擦角變化范圍也窄，灰巖抗剪強度參數跨度更大。

（4）圍壓作用下，碳酸鹽巖縱波速度都隨圍壓的增加而增大，增加幅度上白云巖大于灰巖，獲得不同圍壓下云巖和灰巖抗壓強度與縱波速度不同的相關關系。

[1]STERNBACH C A,FRIEDMAN G M,et al.Radioisotope X-ray fluorescence: A rapid,precise,inexpensive method to determine bulk elemental concentrations of geologic samples for determination of porosity in hydrocarbon reservoirs[J]. Chemical Geology,1985,51(3-4): 165－174.

[2]MOHAMMED S A,BRIAN G D S,SOMERVILLE J M,et al. Predicting rock mechanical properties of carbonates from wire line logs: A case study-Arab-D reservoir,Ghawar field,Saudi Arabia[J]. Marine and Petroleum Geology,2009,26: 430－444.

[3]JAROT S,ARIFFIN S. Characterization,pressure,and temperature influence on the compressional and shear wave velocity in carbonate rock[J]. International Journal of Engineering and Technology IJET,2009,9(10): 80－93.

[4]KAZATCHENKO E,MARKOV M,MOUSATOV A et al. Joint inversion of conventional well logs for evaluation of double-porosity carbonate formations[J].Journal of Petroleum Science and Engineering,2007,56(4): 252－266.

[5]徐國盛. 濟陽坳陷故潛山碳酸鹽巖儲集層聲力學特征[J]. 成都理工大學學報(自然科學版),2004,31(6):663－667.XU Guo-sheng. Acoustic and mechanical characteristics of carbonate rock reservoir of buried hills in Jiyang Depression,China[J]. Journal of Chengdu University of Technology(Science &Technology Edition),2004,31(6):663－667.

[6]韓來聚,李祖奎,燕靜. 碳酸鹽巖地層巖石聲學特性的試驗研究與應用[J]. 巖石力學與工程學報,2004,23(14): 2444－2447.HAN Lai-ju,LI Zu-kui,YAN Jing,et al. Test and application of sonic properties of carbonate rock[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,2004,23(14): 2444－2447.

[7]孟慶山,汪稔. 碳酸鹽巖的聲波特性研究及其應用[J].中國巖溶,2005,24(4): 344－348.MENG Qing-shan,WANG Ren. Study and application of sonic wave properties of carbonate rock[J]. Carsologica Sinica,2005,24(4): 344－348.

[8]PUNTURO R.,KEM H,CIRRINCIONE R,et al. P-and S-wave velocities and densities in silicate and calcite rocks from the Peloritani Mountain,Sicily (Italy): The effect of pressure,temperature and the direction of wave propagation[J]. Journal of Tectonophysics,2005,409:55－72.

[9]DEMIRDAG S,TUFEKCI K,KAYACAN R. Dynamic mechanical behavior of some carbonate rocks[J].International Journal of Rock Mechanics & Mining Sciences,2010,47: 307－312.

[10]ADAM P K,GEORGE A M. Effects of diagenetic processes on seismic velocity anisotropy in near-surface sandstone and carbonate rocks[J]. Journal of Applied Geophysics,2004,56: 165－176.

[11]CHANG Chan-dong,MARK D Z,ABBAS K.Empirical relations between rock strength and physical properties in sedimentary rocks[J]. Journal of Petroleum Science and Engineering,2006,51: 223－237.

[12]劉榮和,馮文光,龍玲,等. 致密碳酸鹽巖力學與聲學實驗研究[J]. 大慶石油地質與開發,2008,27(6): 131－135.LIU Rong-he,FENG Wen-guang,LONG Ling,et al.Experimental studies on the mechanics and acoustics of tight carbonate rock[J]. Petroleum Geology & Oilfield Development in Daqing,2008,27(6): 131－135.

[13]李智武,羅玉宏,劉樹根,等. 川東北地區地層條件下致密儲層力學性質實驗分析[J]. 礦物巖石,2005,25(4):52－60.LI Zhi-wu,LUO Yu-hong,LIU Shu-gen,et al. The experimental analysis of mechanical properties of compact reservoir rocks under formation conditions northeast of Sichuan Basin,China[J]. Journal of Mineralogy and Petrology,2005,25(4): 52－60.

[14]夏昌敬,謝和平,鞠楊. 孔隙巖石的SHPB試驗研究[J].巖石力學與工程學報,2006,25(5): 896－900.XIA Chang-jing,XIE He-ping,JU Yang. SHPB test on porous rock[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering. 2006,25(5): 896－900.

[15]王敏生,李祖奎. 測井聲波預測巖石力學特性的研究與應用[J]. 采礦與安全工程,2007,24(1): 74－79.WANG Min-sheng,LI Zu-kui. Research and application prediction of rock mechanics parameters based on acoustic log data[J]. Journal of Mining and Safety Engineering. 2007,24(1): 74－79.

[16]周宏偉,謝和平,左建平,等. 賦存深度對巖石力學參數影響的實驗研究[J]. 科學通報,2010,55(34): 3276－3284.ZHOU Hong-wei,XIE He-ping,ZUO Jian-ping,et al.Experimental study of the effect of depth on mechanical parameters of rock[J]. Chinese Sci Bull(Chinese Ver),2010,55(34): 3276－3284.

[17]陳勉. 中國深層巖石力學研究及在石油工程中的應用[J]. 巖石力學與工程學報,2004,23(14): 2455－2462.CHEN Mian. Review of study on rock mechanics at great depth and its applications to petroleum engineering of China[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,2004,23(14): 2455－2462.