KS地區(qū)礫巖地層巖石力學(xué)特性試驗(yàn)研究

張重陽(yáng)， 熊 健， 梁利喜， 劉向君， 張 旭

(西南石油大學(xué)油氣藏地質(zhì)及開(kāi)發(fā)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 成都 610500)

中國(guó)西部某構(gòu)造帶是中國(guó)主要的天然氣勘探開(kāi)發(fā)區(qū)域之一，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)KL2、KS2、KS8等22個(gè)油氣藏，目前已探明的天然氣儲(chǔ)量就超過(guò)萬(wàn)億立方米[1-3]。對(duì)KS地區(qū)現(xiàn)有的部分已鉆井的資料統(tǒng)計(jì)分析，發(fā)現(xiàn)J組地層中發(fā)生了100余次井下復(fù)雜狀況，其中卡鉆、蹩鉆等類型占比約為90%。同時(shí)發(fā)現(xiàn)井下復(fù)雜情況與地層的巖性有較大關(guān)聯(lián)性，其發(fā)育巖性包括泥巖、砂巖和礫巖，其中礫巖地層所導(dǎo)致井下復(fù)雜狀況較為嚴(yán)重。礫巖地層主要有斷槽重力流、顆粒流和泥石流性近岸水下扇等成因類型，發(fā)育在沖擊扇、河流三角洲、近岸水下扇等坡度陡、物源近、古地形起伏大及構(gòu)造活動(dòng)較為強(qiáng)烈的地區(qū)[4-6]。普遍具有礫石大小分選磨圓較差、礫石顆粒物源和巖石礦物組成復(fù)雜、膠結(jié)類型多樣、膠結(jié)程度差異性大、非均質(zhì)性強(qiáng)等特點(diǎn)[7-9]。由于礫巖地層巖石礦物成分復(fù)雜，礫石顆粒分選差，非均質(zhì)性強(qiáng)，巖石可鉆性差、研磨性較強(qiáng)，經(jīng)常導(dǎo)致鉆頭進(jìn)尺較少、鉆頭斷齒、井壁垮塌等一系列井下復(fù)雜狀況[9-14]。在鉆井過(guò)程中礫石容易掉落，并且不易打碎，鉆井液的攜帶能力不夠強(qiáng)，造成礫巖顆粒在井筒中堆積，嚴(yán)重時(shí)將導(dǎo)致卡鉆、憋鉆等井下復(fù)雜狀況。因此，研究N1j組礫巖的巖石力學(xué)特性，揭示其力學(xué)行為，對(duì)優(yōu)化該地層的鉆井設(shè)計(jì)和預(yù)防井下復(fù)雜事故有重要意義。

針對(duì)礫地層力學(xué)特性及其相關(guān)問(wèn)題前人做了大量研究工作。閆建平等[15]利用圖像分析的方法結(jié)合巖心實(shí)際資料提出了一種定量描述和分類礫巖的方法；楊帆[16]根據(jù)室內(nèi)力學(xué)實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)礫巖巖石的抗壓強(qiáng)度是抗張強(qiáng)度的12～20倍，是抗剪強(qiáng)度的5～8倍；樊海柱[17]以室內(nèi)理學(xué)實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)結(jié)合多種研究手段，分析了礫巖的破壞特征和抗剪強(qiáng)度影響因素；Sonmez等[18]研究了礫石含量對(duì)礫巖抗壓強(qiáng)度的影響，建立了礫石含量和礫石強(qiáng)度對(duì)礫巖單軸抗壓強(qiáng)度的預(yù)測(cè)模型；陳海清等[19]以常規(guī)三軸壓縮試驗(yàn)為基礎(chǔ)，開(kāi)展了浸泡時(shí)間和溫度對(duì)礫巖巖石力學(xué)特性的影響；鐘自強(qiáng)等[20]利用室內(nèi)巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)結(jié)合礫巖地層測(cè)井資料提出了礫巖地層力學(xué)參數(shù)預(yù)測(cè)模型；Daneshy[21]通過(guò)理論推導(dǎo)，研究了天然裂縫、層間滑移等因素對(duì)礫巖裂縫擴(kuò)展的影響；李連崇等[22]利用RFPA2D-Flow研究了地應(yīng)力場(chǎng)、礫石含量和粒徑等因素對(duì)礫巖地層水力壓裂裂縫規(guī)律的影響；孫元偉等[23]基于RPFA軟件研究了礫石尺寸對(duì)礫巖巖石力學(xué)參數(shù)的影響規(guī)律；朱海燕等[24]研究了礫巖地層的巖石力學(xué)特性并提出了研究地區(qū)的礫巖地層鉆頭優(yōu)選方法。這些研究成果有助于人們對(duì)礫巖地層的力學(xué)特性的認(rèn)識(shí)，而針對(duì)KS地區(qū)礫巖地層的力學(xué)特性和破壞模式還未進(jìn)行深入研究，而在實(shí)際工程中，這些礫巖的基本性質(zhì)會(huì)深刻地影響在該地區(qū)鉆井的效率和質(zhì)量。

因此，以KS地區(qū)N1j組礫巖巖樣為研究對(duì)象，通過(guò)基礎(chǔ)物性、力學(xué)實(shí)驗(yàn)研究KS地區(qū)礫巖地層的巖石礦物組成、力學(xué)特性、破壞模式及機(jī)理，以期為KS地區(qū)礫巖地層鉆井過(guò)程中，優(yōu)化鉆井設(shè)計(jì)方案，改善該地區(qū)鉆井作業(yè)的效率，為預(yù)防井下復(fù)雜事故提供支撐。

1 實(shí)驗(yàn)樣品

實(shí)驗(yàn)樣品主要是中國(guó)西部KS地區(qū)N1j組井下6 000 m左右的礫巖，礫巖以雜色中礫巖和粗礫巖為主。根據(jù)井下取心樣品觀察可以發(fā)現(xiàn)該層組礫巖的分選性較差，最大粒徑8 cm左右，而礫石的磨圓較好，幾乎不可見(jiàn)尖銳的礫石角礫，這可能與其成巖地區(qū)有較強(qiáng)的成巖作用有關(guān)。實(shí)驗(yàn)樣品主要取自KS地區(qū)，實(shí)驗(yàn)樣品詳細(xì)信息如表1所示。從表1可以看出，礫巖巖心在縱向上分布差異大，礫石粒徑變化明顯，表明礫巖巖心存在比較強(qiáng)的非均質(zhì)性。通過(guò)巖心孔滲實(shí)驗(yàn)、X射線衍射分析實(shí)驗(yàn)(diffraction of X-rays，XRD)、單軸壓縮實(shí)驗(yàn)、三軸壓縮實(shí)驗(yàn)和壓入硬度試驗(yàn)，研究了KS地區(qū)N1j組礫巖的基礎(chǔ)物性、巖石礦物組成和巖石力學(xué)特性。

表1 巖心取樣基本信息Table 1 Basic information of the core samples

2 礫巖理化及基礎(chǔ)物性特征

2.1 礦物組成特征

礫巖主要由礫石和基質(zhì)組成，礫石的礦物組成與其母巖和原生礦物有關(guān)，基質(zhì)的礦物組成與礫巖的物源及成巖環(huán)境有關(guān)。依照行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《沉積巖中黏土礦物和常見(jiàn)非黏土礦物X衍射分析方法》(SY/T 5163—2010)，采用PANalytical公司生產(chǎn)的X射線衍射儀，對(duì)礫巖樣品基質(zhì)進(jìn)行礦物組分分析，測(cè)試結(jié)果如圖1所示。

礫巖基質(zhì)主要由黏土礦物、石英和方解石組成，黏土礦物含量分布在7.28%～29.6%，平均值為19.86%；石英含量分布在12.35%～28.2%，平均值為18.38%；方解石含量分布在24.12%～79.14%，平均值為49.51%。另外通過(guò)對(duì)礫巖礫石顆粒進(jìn)行巖石薄片分析，發(fā)現(xiàn)礫石顆粒主要是泥晶灰?guī)r和灰質(zhì)云巖組成。

圖1 礫巖基質(zhì)礦物組分分析Fig.1 Mineral composition analysis of conglomerate matrix

2.2 基礎(chǔ)物性特征

根據(jù)《巖心分析方法》(GB/T 29172—2012)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)巖心進(jìn)行孔隙度和滲透率測(cè)試。KS地區(qū)N1j組礫巖井下巖心的體積密度、孔隙度、滲透率結(jié)果如圖2所示，礫巖體積密度分布為2.545～2.656 g/cm3，平均值為2.590 g/cm3；孔隙度分布在1.08%～2.46%，平均值為1.72%；滲透率分布在0.002～0.044 mD，平均值為0.015 mD。從圖2(a)可以看出,礫巖的巖石密度分布均勻，不同樣品之間密度差異不大，而對(duì)比圖2(b)和圖2(c)可以發(fā)現(xiàn)，礫巖的孔隙多和滲透率相關(guān)性差，特別是滲透率分布差異較大，這可能與礫巖本身的不均勻性有關(guān)，礫石大小和含量的分布不均，使得不同樣品之間的滲透率差異明顯。

圖2 基礎(chǔ)物性特征測(cè)試結(jié)果Fig.2 Test results of basic physical charateristics

3 力學(xué)特性測(cè)試

通過(guò)三軸壓縮實(shí)驗(yàn)、壓入硬度實(shí)驗(yàn)獲取了KS地區(qū)N1j組井下礫巖的抗壓強(qiáng)度、壓入硬度等參數(shù)，分析礫巖的巖石力學(xué)特性。

3.1 礫巖巖石硬度特征

礫巖主要由礫石顆粒和基質(zhì)兩部分組成，為了探究礫巖礫石和基質(zhì)的力學(xué)性質(zhì)，利用硬度儀測(cè)試了礫巖礫石和基質(zhì)的壓入硬度，測(cè)試結(jié)果如圖3所示。由測(cè)試結(jié)果可知，礫巖礫石硬度分布在569.39～1 379.33 MPa，平均值為973.46 MPa；而基質(zhì)壓入硬度分布在236.59～536.56 MPa，平均值為379.22 MPa。礫石硬度為基質(zhì)硬度2～3倍，礫巖礫石主要由泥晶灰?guī)r和灰質(zhì)云巖組成，基質(zhì)以砂巖、泥質(zhì)為主。同時(shí)從圖3(e)和圖3(f)可以發(fā)現(xiàn)，不同樣品礫石和基質(zhì)的壓入硬度差異較大，而巖石硬度與巖石強(qiáng)度存在很好的相關(guān)性[25]，礫石硬度的差異和其與基質(zhì)硬度的差異將可能導(dǎo)致礫巖巖石力學(xué)特性的非均質(zhì)性。

3.2 礫巖巖石抗壓強(qiáng)度

為探究礫巖的抗壓強(qiáng)度特性，對(duì)比分析了浸泡鉆進(jìn)液前后礫巖抗壓強(qiáng)度數(shù)據(jù)。如圖4所示，礫巖地層的巖石力學(xué)參數(shù)變化范圍非常大，礫巖未浸泡鉆井液條件下，抗壓強(qiáng)度分布在59.74～75.5 MPa；而在80 MPa圍壓條件下礫巖的抗壓強(qiáng)度分布在140.06～170.06 MPa。而在浸泡現(xiàn)場(chǎng)鉆進(jìn)液后礫巖的抗壓強(qiáng)度明顯下降，在單軸實(shí)驗(yàn)條件下，其抗壓強(qiáng)度分布在33.35～44.15 MPa。從圖4還可以發(fā)現(xiàn)，不同礫巖樣品的抗壓強(qiáng)度差異較大，在浸泡鉆進(jìn)液后礫巖的抗壓強(qiáng)度下降幅度達(dá)到42.71%，說(shuō)明礫巖在浸泡鉆井液后，由于鉆進(jìn)液進(jìn)入礫巖巖石內(nèi)部，造成礫巖的基質(zhì)部分發(fā)生水化，導(dǎo)致礫巖強(qiáng)度降低。為了防止研究區(qū)塊的礫巖段發(fā)生井下復(fù)雜狀況，現(xiàn)場(chǎng)鉆井液還需要進(jìn)一步優(yōu)化，降低鉆進(jìn)液對(duì)礫巖巖石力學(xué)特性的影響，保證鉆井高效安全開(kāi)展。

圖3 礫巖礫石基質(zhì)硬度對(duì)比Fig.3 The hardness contrast of matrix and gravels

圖4 礫巖抗壓強(qiáng)度分析Fig.4 Compressive strength analysis of the conglomerate

3.3 礫巖破壞模式及機(jī)理

礫巖破壞形態(tài)如圖5所示，全直徑礫巖巖心的破壞模式以劈裂為主，裂縫的形態(tài)多與軸線相平行，裂縫的延伸形態(tài)多以繞礫為主。礫巖的裂縫形成主要是由于在軸向施加荷載的情況下，巖石內(nèi)部能量段加大，當(dāng)?shù)[巖的壓縮應(yīng)力達(dá)到峰值后，能量急劇釋放，在巖樣表面形成多個(gè)與軸向平行的宏觀裂縫，使得巖樣瞬間破壞。礫石顆粒對(duì)裂縫具有很好的屏蔽作用，多數(shù)裂縫的延伸都是圍繞著礫石的邊緣，從礫石的一側(cè)或者兩側(cè)繞過(guò)。礫石強(qiáng)度遠(yuǎn)大于基質(zhì)硬度，裂縫選擇性向礫石與基質(zhì)間膠結(jié)較弱、強(qiáng)度較差的地方延展導(dǎo)致裂縫在礫石顆粒周圍延展[25]。同時(shí)在一些裂縫不發(fā)育的礫石顆粒邊緣同樣有一些宏觀裂縫發(fā)育，這主要是由巖石在加載過(guò)程中內(nèi)部應(yīng)力加大、聚集的能量變多所致，在巖石脆弱區(qū)域產(chǎn)生局部破壞的原因。

同時(shí)也可以觀察到，在圖5(c)中存在一些裂縫穿過(guò)礫石顆粒的情況，這可能主要是因?yàn)椴糠值[石顆粒的強(qiáng)度和基質(zhì)強(qiáng)度差距不大，或者礫巖膠結(jié)程度極好，使得礫石顆粒與基質(zhì)形成一個(gè)整體，裂縫延伸的時(shí)候就會(huì)貫穿整個(gè)礫石。礫巖裂縫的形成和延伸極為復(fù)雜，與礫石顆粒和基質(zhì)的巖石礦物組成、強(qiáng)度，礫石顆粒的大小、分布，礫巖膠結(jié)的類型、程度等因素有關(guān)。該研究結(jié)論與瑪湖礫巖破壞模式有一定的相似性[26]，其研究結(jié)果表明瑪湖凹陷百口泉組礫巖中壓裂縫多以繞礫形式延伸(圖6)。礫巖裂縫擴(kuò)展延伸形態(tài)與礫巖礫石和基質(zhì)的強(qiáng)度有關(guān)，當(dāng)?shù)[石強(qiáng)度和基質(zhì)強(qiáng)度差異不大時(shí)，裂縫延伸的時(shí)候?qū)⒁源┑[為主，裂縫將切開(kāi)礫石，繼續(xù)向前延展，而當(dāng)?shù)[石強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于基質(zhì)強(qiáng)度時(shí)，礫巖的裂縫擴(kuò)展將以繞礫為主，裂縫延展的張力不足以撐開(kāi)礫石繼續(xù)延展[27]。

圖5 礫巖樣品試驗(yàn)后照片F(xiàn)ig.5 Photographs of the conglomerate after the experiment

圖6 瑪湖凹陷百口泉組礫巖裂縫擴(kuò)展形態(tài)[26] Fig.6 Fracture extension morphology of Baikouquan Formation conglomerate in Mahu Sag[26]

3.4 礫巖巖石應(yīng)力-應(yīng)變特征

以礫巖為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，利用巖石力學(xué)三軸實(shí)驗(yàn)，分析了礫巖浸泡鉆進(jìn)液前后的巖石力學(xué)特性。礫巖應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖7所示，可以觀察到礫巖的軸向應(yīng)變均大于其徑向應(yīng)變，而在圍壓(80 MPa)條件下礫巖的脆性明顯減弱，塑性增強(qiáng)，巖石的殘余應(yīng)力增大。在單軸條件下礫巖的軸向峰值應(yīng)變都小于2%，表明研究區(qū)塊的礫巖具有比較強(qiáng)的脆性，而在浸泡現(xiàn)場(chǎng)鉆井液后，礫巖的峰值強(qiáng)度降低和峰值應(yīng)變降低到1%左右，巖石抗壓強(qiáng)度降低了42.71%，表明在浸泡鉆井液后礫巖脆性變強(qiáng)[28]，弱化了力學(xué)性質(zhì)，造成井下復(fù)雜狀況更易發(fā)生。

圖7 迪克組礫巖巖樣壓縮試驗(yàn)應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系Fig.7 Stress-strain relationship in compression test of Dike conglomerate sample

研究區(qū)塊的礫巖本身脆性較強(qiáng)，在應(yīng)力作用下容易產(chǎn)生裂縫，而在浸泡鉆井液后礫巖脆性更強(qiáng)，在施工鉆井過(guò)程中礫巖容易發(fā)生破裂、掉塊等井下復(fù)雜狀況，嚴(yán)重影響鉆井施工質(zhì)量和效率[23]。這說(shuō)明了在KS地區(qū)N1j組礫巖地層鉆井施工過(guò)程中要充分考慮礫巖本身的力學(xué)特性和鉆井液對(duì)礫巖巖石力學(xué)特性的影響。

4 結(jié)論

(1)KS地區(qū)N1j組地層礫巖礫石顆粒主要由泥晶灰?guī)r和灰質(zhì)云巖組成，而礫巖基質(zhì)中碳酸鹽巖含量最高，其次為黏土礦物、石英、長(zhǎng)石礦物。礫巖地層碳酸鹽化較為嚴(yán)重，膠結(jié)能力變差，可能造成礫巖的非均質(zhì)性更強(qiáng)。

(2)礫石的壓入硬度分布在569.39～1 379.33 MPa，平均值為973.46 MPa，是礫巖基質(zhì)硬度的2～3倍，N1j組礫巖巖石具有極強(qiáng)的非均質(zhì)性，礫巖巖石力學(xué)特性差異明顯，礫石和基質(zhì)強(qiáng)度差異較大。在鉆開(kāi)地層后，礫石不易擊碎，將加大鉆井液的攜帶巖屑的難度，易造成阻卡、循環(huán)不暢等井下復(fù)雜。

(3)礫巖礫石非均質(zhì)性強(qiáng)，礫巖的力學(xué)特性表現(xiàn)為脆性特征，礫巖的峰值應(yīng)變小于2%，在浸泡現(xiàn)場(chǎng)鉆井液后脆性更為明顯，峰值應(yīng)變小于1%，巖石抗壓強(qiáng)度降低了42.71%，礫巖破壞形式以劈裂為主，裂縫擴(kuò)展形態(tài)主要以繞礫為主，可見(jiàn)少量穿礫和止礫。