長沙盆地紅層巖石地層可鉆性研究及應用

李奮強，粟瓊玉，劉素平，葉見玲，鄧 拓，陳 瀟，劉 梅，胡文輝，王 羲

（湖南省工程地質礦山地質調查監測所， 湖南 長沙 410014）

長沙機場地熱探采結合井是中南地區第一口中深層地熱科學研究試驗井，也是國內大型機場中第一個地熱利用為主多能互補的航站樓供能項目，鉆進工程一開選用?406.4 mm 鉆頭鉆至井深59.17 m，下入?339.7 mm 導管，二開采用?215.9 mm 鉆頭鉆至井深2611.58 m 完鉆。該井采用取熱不取水同軸套管換熱技術，主要目的是獲取地層巖性、溫度、厚度和單井換熱量等相關參數，為后續的中深層地熱井施工與優化設計提供技術支撐，本文就該套地層的巖石可鉆性和鉆頭的優選進行分析探討。巖石可鉆性是指在一定鉆頭規格、類型及鉆進工藝條件下巖石抵抗鉆頭破碎的能力［1-2］，它反映了鉆進作業中巖石破碎的難易程度，是指導地質分層及鉆頭選型工作的重要參數［3-7］。巖石可鉆性大小及分布規律的準確認識對提高機械速和減少鉆井周期具有重要意義［8-12］。由于可鉆性與許多因素有關，要找出它與諸影響因素之間的定量關系十分困難，目前國內外仍采用試驗的方法來確定巖石的可鉆性。不同部門使用的鉆進方法不同，其測定可鉆性的試驗手段，甚至可鉆性指標的量綱也不盡相同。

本文采用巖石壓入硬度計、電動應力式直剪儀和偏光顯微鏡分別對巖石樣品的壓入硬度、單軸抗壓強度和巖石特性進行測試，對巖石可鉆性的影響因素進行分析研究，初步確立構建該套地層的巖性可鉆性等級，并對鉆頭的優選提出建議，為本地區和類似地區的鉆探工程提供借鑒。

1 研究區域地質特征

長沙盆地大地構造位于華南斷塊區、長江中下游斷塊凹陷西南部的幕阜山隆起地區內，本區構造體系屬嘉義—柏家山新華夏系，以北撈刀河、以南瀏陽河為湘江東岸支流，其地貌屬白堊系陸相低矮剝蝕殘丘，地勢高低波狀起伏，多為新生界-中生界地層；在白堊紀末期，本地區地殼不斷下沉，形成陸相殘丘，最大沉積厚度＞600 m 的白堊系泥質粉砂巖等紅色地層，形成沖積階地基座；新近紀末期，地殼經歷多次上升旋回，構造運動極為強烈，其形跡主要表現為斷裂，同時逐漸形成湘江五級階地和瀏陽河二級階地。研究區處于丘陵地貌單元，根據區域地質資料、機場改擴建（飛行區）勘測成果和鉆孔揭露，項目區覆蓋層以第四系（Qh）殘積粉質粘土為主，下伏基巖為白堊系上統戴家坪組（K2d）、下統神皇山組（K1s）、冷家溪群第二巖組（Ptln2）地層。巖性如下：

（1）冷家溪群第二巖組（Ptln2）：上部淺灰色厚層條帶狀絹云母板巖與粉砂質板巖互層；厚層狀粉砂質板巖夾絹板巖或灰綠色絹云母板巖夾云母碎片的粉砂質板巖。下部為灰、淺灰色絹云母板巖、粉砂質板巖夾中厚層狀變質細砂巖，變質粘土質粉-細砂巖、凝灰質細砂巖等。厚度＞3011 m。

（2）戴家坪組（K1s）：下部為紫紅色厚-巨厚層狀礫巖與紫紅色中-厚層狀鈣質細砂巖、鈣質粉砂巖呈韻律，向上漸變為細粒鈣質石英砂巖與鈣質石英粉砂巖互層；上部為紫紅色中厚層狀細粒鈣質石英砂巖、鈣質石英粉砂巖及鈣質泥巖，三者互層產出，且以前二者為主，頂部夾多層細礫板巖質礫巖透鏡體。厚度560 m～850 m。

（3）戴家坪組（K2d）：下部紫紅色鈣質細砂巖夾鈣質粉砂巖、粉砂巖及砂質泥巖，厚約360 m；中部為紫紅色粉砂質鈣質泥巖、鈣質泥巖及粉砂質泥灰巖為主，夾灰綠色泥灰巖及少許薄層鈣質粉砂巖，厚約700 m；上部為紫紅色細-粗粒砂巖或鈣泥質細砂巖與粉砂巖、砂質泥巖、粉砂質泥巖互層，厚約250 m。

（4）第四系（Qh）：紅褐、棕紅色粘土、粉質粘土，含少量碎石，殘坡積成因，厚0.5～10 m。

2 研究方法原理

研究區域主要以沉積巖為主，局部有變質巖入侵。組成沉積巖的物質成分有顆粒和膠結物兩大部分，膠結物對沉積巖的強度有很大的影響。膠結物按其成分可分為：（1）泥質膠結物（如泥土或粘土），膠結成的巖石強度小，易碎，斷面呈土狀；（2）鈣質膠結物（成分為CaCO3），膠結成的巖石強度比泥質膠結的大些；（3）鐵質膠結物（成分為FeO、Fe2O3或Fe（OH）3），膠結成的巖石強度比前兩種都大；（4）硅質膠結物（成分為SiO2），所膠結的巖石強度最大。為使研究區域的巖石可鉆性等級劃分能夠更加貼近實際生產效果，對巖石樣本進行了分類，分別以壓入硬度和單軸抗壓強度為主要力學性能指標對巖石進行了可鉆性等級劃分。為了獲得對送檢巖樣的整體認知，以及形成對巖石各向異性的整體把控，同時對送檢巖樣進行了巖性測試。

2.1 按壓入硬度劃分

巖石可鉆性可依據巖石壓入硬度劃分。巖石的壓入硬度反映巖石抵抗外部更硬物體壓入其表面的能力［13］。巖石的壓入硬度（Hy）用專門儀器或液壓機確定，為破碎壓力（P）與壓模面積（S）之比：

式中：Hy——壓入硬度，MPa；P——在壓入作用下巖石產生局部脆性破碎時的軸載，N；S——壓頭端面面積，mm2。

2.2 按單軸抗壓強度劃分

巖石可鉆性可依據巖石堅固性系數劃分，巖石堅固性系數由單軸抗壓強度計算而得。巖石單軸抗壓強度是指巖石試件在單向受壓至破壞時，單位面積上所能承受的荷載［14］。單軸抗壓強度（σc）在液壓機上試驗，按下式計算：

式中：σc——單軸抗壓強度，MPa；Pc——巖石破壞瞬間的軸向荷載，N；S——巖石試樣的截面積，mm2。

巖石堅固性系數表征的是巖石抵抗破碎的相對值，可把巖石單軸抗壓強度極限的1/10 作為巖石的堅固性系數［15］，即

式中：n——巖石的堅固性系數；σc——巖石的單軸抗壓強度，MPa。

3 測試結果分析

3.1 巖層采樣與編號

本次探采結合井，取心段深度為400、700、1000、1300、1600、1900、2090、2370 m，各層的取心深度編號依次為1、2、3、4、5、6、7、8。

每層巖石取心≮3 組，每組長度≮30 cm，各組的編號依次為1、2、3。巖層的編號由深度號和組號構成，編號為1-1 至8-3，共24 組。

3.2 壓入硬度測試結果

分別對巖樣2-1、2-2、2-3、3-1、3-3、4-1、4-2、6-2、6-3 和8-3 號進行了壓入硬度測試，結果見表1。

表1 巖石壓入硬度測試結果Table 1 Results of rock indentation hardness tests

6-2 號巖樣中，碎屑顆粒占巖石的68%左右。碎屑幾乎全部為石英，含量約為99%；少量白云母含量1%，偶見硅質巖、長石和電氣石碎屑；膠結物占巖石的32%左右；雜基（80%），鐵質（20%）。對6-2 號巖樣深磚紅色含鐵質泥質粉砂巖中的粗粉砂層和細粉砂層，分別進行10 倍鏡單偏光和正交鏡測試，測試結果如圖1 所示。

圖1 6-2 號巖樣電鏡測試結果Fig.1 Electron microscopy test results of rock sample No.6-2

巖性組分含量及其膠結物含量對巖石壓入硬度影響變化規律見圖2。為了對比分析需要，將石英含量和鈣質膠結物放大30 倍、硅質巖含量和硅質膠結放大300 倍，巖性組分及其膠結物變化與壓入硬度的變化呈現一致性的變化規律。

圖2 巖性組分及其膠結物對壓入硬度的影響Fig.2 Influence of lithologic constituent and cementation on rock indentation hardness

3.3 單軸抗壓強度測試結果

對14 組巖樣進行巖性和單軸抗壓強度測試，結果見表2；1-1 至6-1 號巖樣的組分及其膠結物對抗壓強度的影響見圖3，可見石英含量、硅質含量及其膠結與抗壓強度變化呈現一致性。

圖3 巖性組分及其膠結物對抗壓強度的影響Fig.3 Influence of lithologic constituent and cementation on the compressive strength

表2 巖石單軸抗壓強度測試結果Table 2 Results of uniaxial compressive strength tests

從偏光顯微鏡的巖性測試結果可以看出，5-2號碎屑的石英含量為0，變質砂礫巖占60%；5-3 號碎屑的石英含量為14%，變質砂礫巖占43%；7-1 號及以后無膠結物。

對7-1 號巖樣白云質泥晶石灰巖進行茜素紅染色，分別進行20 倍和10 倍鏡單偏光和正交鏡測試，測試結果如圖4 所示。7-1 號巖樣主要礦物：方解石（含量65%左右），白云石（含量25%左右）；次要礦物：泥質（含量5%左右），有機炭質（含量5%左右）；巖石為具微晶結構，薄層狀構造。

圖4 7-1 號巖樣電鏡測試結果Fig.4 Electron microscopy test results of rock sample No.7-1

4 地層可鉆性及鉆頭選擇

4.1 巖石可鉆性等級界定

從偏光顯微鏡的巖性測試結果可知，該套地層的變質程度較高，對鉆進工藝參數選擇和鉆頭優選提出了較高的要求。為更好使用并與壓入硬度劃分的12 個等級相對應，基于單軸抗壓強度進一步提出了普氏強度系數法［15-16］，普氏強度系數計算公式如下：

由式（4）、文獻［15］，可推得巖樣的可鉆性等級，見表3。

表3 巖石可鉆性等級界定Table 3 Classification of rock drillability

4.2 地層可鉆性分析

長沙機場地熱探采結合井實際鉆遇地層如下：

0～1375 m 為白堊系上統戴家坪組上段，巖性主要為紫紅色鈣質粉砂巖、鈣質細砂巖與粉砂質泥巖互層，局部夾灰、灰綠色泥巖，巖屑中可見少量石膏和方解石脈發育；

1375～1615 m 為白堊系上統戴家坪組下段，巖性主要雜色砂礫巖，顏色以紫紅、灰綠、灰白色為主，礫石成分較為復雜，有石灰巖礫石、火山碎屑角礫、泥巖礫石、大理石礫石及砂巖礫石，可見少量石英顆粒，發育少量石膏和方解石脈；

1615～1850 m 為白堊系下統神皇山組下段，巖性主要雜色砂礫巖，顏色以暗紫紅、灰、灰白色為主，礫石成分較為復雜，有火山碎屑角礫、泥巖礫石、砂巖礫石、石英砂巖礫石，發育少量石膏和方解石脈；

1850～2055 m 為泥盆系中統跳馬澗組紫紅色細砂巖、泥巖、灰色石英砂巖互層，泥巖較純較脆，巖屑整體滴稀鹽酸無明顯反應。

2055～2611.58 m 為板溪群：上部為深灰色夾紫紅色含礫砂、泥巖互層，礫石為灰色含鈣質礫石，局部夾少量灰黑色泥質，發育少量方解石脈；下部為深灰色泥質板巖與淺灰色砂質板巖互層。

該套地層的平均鉆時及其可鉆性見表4。

表4 地層可鉆性分析Table 4 Formation drillability analysis

4.3 鉆頭選擇

工程實踐中，先后采用了取心鉆頭、牙輪鉆頭、PDC 鉆頭、金剛石鉆頭，從鉆井井段、進尺、純鉆時間、鉆速、鉆壓、轉速、排量和泵壓等不同參數下的鉆頭磨損程度作了對比分析。

一開0～60 m 地層可鉆性較好，可采用5 刀19片PDC 鉆頭，加大PDC 切削齒仰角，增強鉆頭碎巖效率，配合高速螺桿提高機械鉆速；二開59～1537 m 井段使用PDC+螺桿復合鉆具組合，鉆進1537 m后因地層礫石含量增高，容易造成PDC 鉆頭切削齒早期崩齒，不適合PDC 鉆頭鉆進，推薦使用牙輪鉆頭。

5 結論及建議

（1）巖石可鉆性分級是一個復雜的問題，研究目的在于指導具體的工程實踐。在長沙紅層盆地首次取得2376 m 的巖樣進行測試分析和巖石可鉆性界定，具有重要工程指導意義。

（2）從偏光顯微鏡的巖性測試結果和平均鉆時可推斷出，該套地層自上而下地層致密度越來越高，整體可鉆性逐漸降低。

（3）1537 m 以淺地層，建議選擇PDC+螺桿復合鉆具組合；1537 m 以深地層，推薦使用牙輪鉆頭。