KS地區礫巖地層巖石力學特性試驗研究

張重陽， 熊 健， 梁利喜， 劉向君， 張 旭

(西南石油大學油氣藏地質及開發工程國家重點實驗室， 成都 610500)

中國西部某構造帶是中國主要的天然氣勘探開發區域之一，已經發現KL2、KS2、KS8等22個油氣藏，目前已探明的天然氣儲量就超過萬億立方米[1-3]。對KS地區現有的部分已鉆井的資料統計分析，發現J組地層中發生了100余次井下復雜狀況，其中卡鉆、蹩鉆等類型占比約為90%。同時發現井下復雜情況與地層的巖性有較大關聯性，其發育巖性包括泥巖、砂巖和礫巖，其中礫巖地層所導致井下復雜狀況較為嚴重。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、古地形起伏大及構造活動較為強烈的地區[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雜、膠結類型多樣、膠結程度差異性大、非均質性強等特點[7-9]。由于礫巖地層巖石礦物成分復雜，礫石顆粒分選差，非均質性強，巖石可鉆性差、研磨性較強，經常導致鉆頭進尺較少、鉆頭斷齒、井壁垮塌等一系列井下復雜狀況[9-14]。在鉆井過程中礫石容易掉落，并且不易打碎，鉆井液的攜帶能力不夠強，造成礫巖顆粒在井筒中堆積，嚴重時將導致卡鉆、憋鉆等井下復雜狀況。因此，研究N1j組礫巖的巖石力學特性，揭示其力學行為，對優化該地層的鉆井設計和預防井下復雜事故有重要意義。

針對礫地層力學特性及其相關問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合巖心實際資料提出了一種定量描述和分類礫巖的方法；楊帆[16]根據室內力學實驗研究發現礫巖巖石的抗壓強度是抗張強度的12～20倍，是抗剪強度的5～8倍；樊海柱[17]以室內理學實驗為基礎結合多種研究手段，分析了礫巖的破壞特征和抗剪強度影響因素；Sonmez等[18]研究了礫石含量對礫巖抗壓強度的影響，建立了礫石含量和礫石強度對礫巖單軸抗壓強度的預測模型；陳海清等[19]以常規三軸壓縮試驗為基礎，開展了浸泡時間和溫度對礫巖巖石力學特性的影響；鐘自強等[20]利用室內巖石力學實驗結合礫巖地層測井資料提出了礫巖地層力學參數預測模型；Daneshy[21]通過理論推導，研究了天然裂縫、層間滑移等因素對礫巖裂縫擴展的影響；李連崇等[22]利用RFPA2D-Flow研究了地應力場、礫石含量和粒徑等因素對礫巖地層水力壓裂裂縫規律的影響；孫元偉等[23]基于RPFA軟件研究了礫石尺寸對礫巖巖石力學參數的影響規律；朱海燕等[24]研究了礫巖地層的巖石力學特性并提出了研究地區的礫巖地層鉆頭優選方法。這些研究成果有助于人們對礫巖地層的力學特性的認識，而針對KS地區礫巖地層的力學特性和破壞模式還未進行深入研究，而在實際工程中，這些礫巖的基本性質會深刻地影響在該地區鉆井的效率和質量。

因此，以KS地區N1j組礫巖巖樣為研究對象，通過基礎物性、力學實驗研究KS地區礫巖地層的巖石礦物組成、力學特性、破壞模式及機理，以期為KS地區礫巖地層鉆井過程中，優化鉆井設計方案，改善該地區鉆井作業的效率，為預防井下復雜事故提供支撐。

1 實驗樣品

實驗樣品主要是中國西部KS地區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。根據井下取心樣品觀察可以發現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，幾乎不可見尖銳的礫石角礫，這可能與其成巖地區有較強的成巖作用有關。實驗樣品主要取自KS地區，實驗樣品詳細信息如表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的非均質性。通過巖心孔滲實驗、X射線衍射分析實驗(diffraction of X-rays，XRD)、單軸壓縮實驗、三軸壓縮實驗和壓入硬度試驗，研究了KS地區N1j組礫巖的基礎物性、巖石礦物組成和巖石力學特性。

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

2 礫巖理化及基礎物性特征

2.1 礦物組成特征

礫巖主要由礫石和基質組成，礫石的礦物組成與其母巖和原生礦物有關，基質的礦物組成與礫巖的物源及成巖環境有關。依照行業標準《沉積巖中黏土礦物和常見非黏土礦物X衍射分析方法》(SY/T 5163—2010)，采用PANalytical公司生產的X射線衍射儀，對礫巖樣品基質進行礦物組分分析，測試結果如圖1所示。

礫巖基質主要由黏土礦物、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%。另外通過對礫巖礫石顆粒進行巖石薄片分析，發現礫石顆粒主要是泥晶灰巖和灰質云巖組成。

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

2.2 基礎物性特征

根據《巖心分析方法》(GB/T 29172—2012)標準對巖心進行孔隙度和滲透率測試。KS地區N1j組礫巖井下巖心的體積密度、孔隙度、滲透率結果如圖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，而對比圖2(b)和圖2(c)可以發現，礫巖的孔隙多和滲透率相關性差，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，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 基礎物性特征測試結果Fig.2 Test results of basic physical charateristics

3 力學特性測試

通過三軸壓縮實驗、壓入硬度實驗獲取了KS地區N1j組井下礫巖的抗壓強度、壓入硬度等參數，分析礫巖的巖石力學特性。

3.1 礫巖巖石硬度特征

礫巖主要由礫石顆粒和基質兩部分組成，為了探究礫巖礫石和基質的力學性質，利用硬度儀測試了礫巖礫石和基質的壓入硬度，測試結果如圖3所示。由測試結果可知，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。礫石硬度為基質硬度2～3倍，礫巖礫石主要由泥晶灰巖和灰質云巖組成，基質以砂巖、泥質為主。同時從圖3(e)和圖3(f)可以發現，不同樣品礫石和基質的壓入硬度差異較大，而巖石硬度與巖石強度存在很好的相關性[25]，礫石硬度的差異和其與基質硬度的差異將可能導致礫巖巖石力學特性的非均質性。

3.2 礫巖巖石抗壓強度

為探究礫巖的抗壓強度特性，對比分析了浸泡鉆進液前后礫巖抗壓強度數據。如圖4所示，礫巖地層的巖石力學參數變化范圍非常大，礫巖未浸泡鉆井液條件下，抗壓強度分布在59.74～75.5 MPa；而在80 MPa圍壓條件下礫巖的抗壓強度分布在140.06～170.06 MPa。而在浸泡現場鉆進液后礫巖的抗壓強度明顯下降，在單軸實驗條件下，其抗壓強度分布在33.35～44.15 MPa。從圖4還可以發現，不同礫巖樣品的抗壓強度差異較大，在浸泡鉆進液后礫巖的抗壓強度下降幅度達到42.71%，說明礫巖在浸泡鉆井液后，由于鉆進液進入礫巖巖石內部，造成礫巖的基質部分發生水化，導致礫巖強度降低。為了防止研究區塊的礫巖段發生井下復雜狀況，現場鉆井液還需要進一步優化，降低鉆進液對礫巖巖石力學特性的影響，保證鉆井高效安全開展。

圖3 礫巖礫石基質硬度對比Fig.3 The hardness contrast of matrix and gravels

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

3.3 礫巖破壞模式及機理

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

同時也可以觀察到，在圖5(c)中存在一些裂縫穿過礫石顆粒的情況，這可能主要是因為部分礫石顆粒的強度和基質強度差距不大，或者礫巖膠結程度極好，使得礫石顆粒與基質形成一個整體，裂縫延伸的時候就會貫穿整個礫石。礫巖裂縫的形成和延伸極為復雜，與礫石顆粒和基質的巖石礦物組成、強度，礫石顆粒的大小、分布，礫巖膠結的類型、程度等因素有關。該研究結論與瑪湖礫巖破壞模式有一定的相似性[26]，其研究結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)。礫巖裂縫擴展延伸形態與礫巖礫石和基質的強度有關，當礫石強度和基質強度差異不大時，裂縫延伸的時候將以穿礫為主，裂縫將切開礫石，繼續向前延展，而當礫石強度遠遠高于基質強度時，礫巖的裂縫擴展將以繞礫為主，裂縫延展的張力不足以撐開礫石繼續延展[27]。

圖5 礫巖樣品試驗后照片Fig.5 Photographs of the conglomerate after the experiment

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

3.4 礫巖巖石應力-應變特征

以礫巖為實驗對象，利用巖石力學三軸實驗，分析了礫巖浸泡鉆進液前后的巖石力學特性。礫巖應力-應變曲線如圖7所示，可以觀察到礫巖的軸向應變均大于其徑向應變，而在圍壓(80 MPa)條件下礫巖的脆性明顯減弱，塑性增強，巖石的殘余應力增大。在單軸條件下礫巖的軸向峰值應變都小于2%，表明研究區塊的礫巖具有比較強的脆性，而在浸泡現場鉆井液后，礫巖的峰值強度降低和峰值應變降低到1%左右，巖石抗壓強度降低了42.71%，表明在浸泡鉆井液后礫巖脆性變強[28]，弱化了力學性質，造成井下復雜狀況更易發生。

圖7 迪克組礫巖巖樣壓縮試驗應力-應變關系Fig.7 Stress-strain relationship in compression test of Dike conglomerate sample

研究區塊的礫巖本身脆性較強，在應力作用下容易產生裂縫，而在浸泡鉆井液后礫巖脆性更強，在施工鉆井過程中礫巖容易發生破裂、掉塊等井下復雜狀況，嚴重影響鉆井施工質量和效率[23]。這說明了在KS地區N1j組礫巖地層鉆井施工過程中要充分考慮礫巖本身的力學特性和鉆井液對礫巖巖石力學特性的影響。

4 結論

(1)KS地區N1j組地層礫巖礫石顆粒主要由泥晶灰巖和灰質云巖組成，而礫巖基質中碳酸鹽巖含量最高，其次為黏土礦物、石英、長石礦物。礫巖地層碳酸鹽化較為嚴重，膠結能力變差，可能造成礫巖的非均質性更強。

(2)礫石的壓入硬度分布在569.39～1 379.33 MPa，平均值為973.46 MPa，是礫巖基質硬度的2～3倍，N1j組礫巖巖石具有極強的非均質性，礫巖巖石力學特性差異明顯，礫石和基質強度差異較大。在鉆開地層后，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、循環不暢等井下復雜。

(3)礫巖礫石非均質性強，礫巖的力學特性表現為脆性特征，礫巖的峰值應變小于2%，在浸泡現場鉆井液后脆性更為明顯，峰值應變小于1%，巖石抗壓強度降低了42.71%，礫巖破壞形式以劈裂為主，裂縫擴展形態主要以繞礫為主，可見少量穿礫和止礫。