羌塘盆地巖石物理力學(xué)特性分析及孔壁泥漿穩(wěn)定技術(shù)

吳紀(jì)修， 尚玉虎， 李鑫淼， 薛倩冰

(1.中國地質(zhì)科學(xué)院勘探技術(shù)研究所，河北 廊坊 065000； 2.山東正元建設(shè)工程有限責(zé)任公司，山東 濟(jì)南 250101)

0 引言

羌塘盆地位于青藏高原腹地的藏北地區(qū)，是青藏高原凍土最為發(fā)育、凍土相對較厚的地區(qū)，同時也是成油氣最好的地區(qū)。目前，羌塘盆地的基礎(chǔ)地質(zhì)及深部巖石物理力學(xué)特性研究水平較低，研究區(qū)實施的全孔取心巖心鉆探多為淺孔。QK- 7孔為中國地質(zhì)科學(xué)院勘探技術(shù)研究所2016年在羌塘盆地完成的一口全孔取心天然氣水合物鉆探試驗孔，終孔孔深1011.36 m。該孔處于工程及地層條件復(fù)雜的多年凍土帶典型區(qū)域，依次鉆遇三疊系土門格拉組泥巖、砂質(zhì)泥巖、泥質(zhì)粉砂巖、粉砂巖、細(xì)粒砂巖、中粒砂巖等，全孔段地層破碎、地層條件復(fù)雜并且鉆遇多個夾泥夾沙破碎帶、成孔困難、取心困難、孔壁極其不穩(wěn)定，鉆時坍塌、漏失，取心即大量涌水、涌泥，導(dǎo)致多起孔內(nèi)事故。

1 鉆探區(qū)水文地質(zhì)及工程地質(zhì)環(huán)境(圖1)

根據(jù)鉆探區(qū)地層揭露情況，第四系覆蓋層深度為48～180 m，主要由沖積、洪積堆積的半固結(jié)黃褐色泥巖、多年凍土層組成，第四系中含有孔隙潛水，為第一含水層。第一含水層以多年凍土層的上限為依托，貯藏在受季節(jié)影響變化的活動層中，屬潛水類型，這類含水層具有非常顯著的季節(jié)變化特征，只有當(dāng)多年凍土層的上限活動層在秋季的凍結(jié)階段出現(xiàn)

瞬時弱承壓狀態(tài)，該層主要由大氣降水、冰川、雪融水、河流入滲和活動層中第四系含冰層融化水補(bǔ)給，地下徑流方向由盆地四周向中心或低洼處運(yùn)動，并在這些地區(qū)以地下徑流或者地上徑流方式輸出，在第一含水層中實施鉆探多表現(xiàn)為塌孔、涌水；上三疊統(tǒng)土門格拉群深度為180～1000 m(未見底)，巖性主要以泥灰色中薄層狀泥巖、砂巖為主，局部夾劣質(zhì)煤層并多處發(fā)育破碎帶，為第二含水層。第二含水層以多年凍土層為隔水頂板，具有承壓水性質(zhì)，從上游河湖的貫穿區(qū)域補(bǔ)給，在下游通過斷裂或深切河谷等排泄，承壓水性質(zhì)隨季節(jié)性變化較小[2-9]。由于第二含水層具有弱承壓水的性質(zhì)，且地層多發(fā)育小斷層和裂隙，因此，受承壓水滲流作用影響、孔壁圍巖物理力學(xué)性質(zhì)影響在實施鉆探過程中孔壁失穩(wěn)、坍塌、漏失，孔內(nèi)大量涌水、涌泥。

2 地層巖性及物性特征分析

綜合測井解釋井段為0～1000 m，共解釋36層地層，巖性8種，分別為泥巖、砂質(zhì)泥巖、泥質(zhì)粉砂巖、粉砂巖、細(xì)粒砂巖、中粒砂巖及表土砂礫層(QK- 7孔位置見圖2)。

圖1 鉆探區(qū)水文及工程地質(zhì)環(huán)境

圖2鴨湖地區(qū)地質(zhì)圖及天然氣水合物地質(zhì)調(diào)查鉆孔位置[1]

砂礫層主要巖性為棕黃色砂土與棕黃色、灰色粘土互層，含礫石。中粒砂巖層平均密度為2.47 g/cm3，孔隙度為10.27%，滲透率為0.74，分析表明該巖層較致密，孔壁穩(wěn)定；細(xì)粒砂巖平均密度為2.45 g/cm3，孔隙度為11.07%，滲透率為1.03，分析表明該巖層分布不均勻，部分較破碎，孔壁坍塌和掉塊；粉砂巖在該孔較為發(fā)育，顏色一般為淺灰、灰及深灰色，泥質(zhì)含量較細(xì)粒砂巖增多，平均密度為2.40 g/cm3，孔隙度為11.22%，滲透率為1.26；泥質(zhì)粉砂巖在該孔同樣較為發(fā)育，一般為灰黑、黑色層狀，泥質(zhì)含量較高，炭質(zhì)紋層較發(fā)育，地層破碎，平均密度為2.33 g/cm3，孔隙度為21%，滲透率為1.31；泥巖在該孔最為發(fā)育，為深灰、灰黑色泥巖，夾灰色薄層狀巖屑石英砂巖，由于泥質(zhì)含量高平均密度為2.33 g/cm3，孔隙度為21%，滲透率為1.41，孔壁坍塌、縮徑、取心困難，成孔困難 。圖3是QK- 7孔孔隙度、滲透率隨深度變化曲線，圖4是QK- 7孔圍巖密度隨深度變化曲線，圖5是QK- 7孔滲透率隨孔隙度變化曲線。

圖3 QK- 7孔孔隙度、滲透率隨深度變化曲線

圖4 QK- 7孔圍巖密度隨深度變化曲線

圖5 QK- 7孔圍巖滲透率隨孔隙度變化曲線

3 地層巖石彈性力學(xué)參數(shù)分析

巖石力學(xué)性質(zhì)通過巖石彈性力學(xué)參數(shù)來表征，主要有楊氏模量E、體積模量K、剪切模型G和泊松比μ等。巖石力學(xué)參數(shù)是地層縱、橫波時差的函數(shù)，可根據(jù)測井資料所獲得的縱波時差及巖性、密度測井資料計算地層的巖石力學(xué)參數(shù)。QK- 7孔地層縱波速度主要集中在2400～4800 μs/m，橫波速度主要分布在1200～2400 μs/m；楊氏模量分布范圍較大，6～44 GPa都有分布，主要集中在16～30 GPa；體積模量分布在10～32 GPa；切變模量主要分布在4～13 GPa；泊松比變化范圍較小，主要為0.27～0.30。QK- 7孔屬中孔中滲地層，以砂泥巖為主，地層的非均質(zhì)性造成了測井響應(yīng)與巖石力學(xué)參數(shù)的差異。粉砂巖巖石力學(xué)特征表現(xiàn)為“三高一低”，即楊氏模量、體積模量和剪切模量表現(xiàn)為高值，泊松比相對較低。砂巖楊氏模量一般大于15 GPa；體積模量一般大于14 MPa；剪切模量5～12 GPa；泊松比在2.27左右，變化較小。泥巖巖石力學(xué)特征表現(xiàn)為“三低一高”，泥巖楊氏模量變化不大，一般在7～12 GPa；體積模量在9 MPa；剪切模量2.7～4.3 GPa；泊松比0.26～0.33，平均為0.28，表明該井泥巖具有很強(qiáng)的可塑性。圖6是QK- 7孔楊氏模量頻率分布直方圖，圖7是QK- 7孔體積模量頻率分布直方圖，圖8是QK- 7孔剪切模量頻率分布直方圖，圖9是QK- 7孔泊松比頻率分布直方圖。

圖6 QK- 7孔楊氏模量頻率分布直方圖

圖7 QK- 7孔體積模量頻率分布直方圖

4 孔壁穩(wěn)定泥漿工藝

由于鉆遇地層處于凍土帶異常孔隙水壓力極復(fù)雜地層的典型區(qū)域，對泥漿性能提出了較高的要求。在鉆進(jìn)過程中根據(jù)地層孔隙水壓力變化情況適時調(diào)整泥漿密度以平衡異?？紫端畨毫?，防止壓差卡鉆，涌水、涌泥。根據(jù)地層情況，總結(jié)以往鉆探施工經(jīng)驗及孔壁圍巖物理力學(xué)特性分別制定了泥漿配制方法。

圖8 QK- 7孔剪切模量頻率分布直方圖

圖9 QK- 7孔泊松比頻率分布直方圖

泥漿材料主要有進(jìn)口粘土粉(QUIK- GLE)、降失水劑(PAC- LE)、廣譜護(hù)壁劑Ⅲ型、聚丙烯酸鉀、堵漏劑(N- SEAL)、增粘劑(CMC)等。加入粘土粉和處理劑前先在水中加入適量純堿，將pH調(diào)整至8.0～8.5。孔壁穩(wěn)定時泥漿性能參數(shù)：泥漿密度為1.02～1.04 g/cm3，粘度在26 s左右，失水量8～10 mL/30 min，含砂量<0.6%，鉆遇不穩(wěn)定地層的泥漿調(diào)配及配方見表1。

利用泥漿密度計、粘度計、含砂量計、失水量儀及pH試紙等，在現(xiàn)場每班對泥漿的密度、粘度、含砂量、失水量等參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測，采用泥漿密度微調(diào)法控制調(diào)整泥漿密度，各孔段泥漿性能參數(shù)見表2。

為了解決凍土區(qū)異?？紫端畨毫Φ貙鱼@時坍塌、漏失，取心即涌水、涌泥的難題，對泥漿進(jìn)口與出口的密度、返漿率等參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測以便于及時進(jìn)行堵漏和平衡地層孔隙水壓力。QK- 7孔自開鉆至終孔多次出現(xiàn)孔內(nèi)漏失、涌水、坍塌等問題，而且分別在348、517、624 m處出現(xiàn)惡性漏失、坍塌，以致一度出現(xiàn)越鉆越淺的現(xiàn)象，針對上述問題所采取的技術(shù)措施為先確定漏失點(diǎn)進(jìn)行堵漏，堵漏完成后平衡泥漿壓力從而鉆穿漏層。第一次堵漏：鉆進(jìn)至170 m全孔漏失，停鉆即大量涌水、坍塌，隨后提出全面鉆進(jìn)鉆具，下入繩索取心鉆具后泵入堵漏泥漿靜置3 h，然后掃孔鉆進(jìn)。堵漏泥漿配方為：1 m3清水+18%QUIK- GLE+1%高粘防塌劑+5%單向壓力封閉劑+3%堵漏劑。密度控制在1.10～1.15 g/cm3，粘度40～50 s。鉆至178 m此時泥漿返漿率80%，密度1.08～1.10 g/cm3，堵漏效果較好。第二次堵漏：繩索取心鉆進(jìn)至517 m，泥漿密度1.18 g/cm3，泥漿上返率為20%，說明此時泥漿液柱壓力大于地層壓力。隨后調(diào)整泥漿密度至1.06 g/cm3，上返率為80%，泥漿上返后孔口密度為1.04 g/cm3，泥漿液柱壓力略小于地層壓力并伴有少量涌水。第三次堵漏：繩索取心鉆進(jìn)至724 m，泥漿密度1.18 g/cm3，泥漿上返率為零，全孔漏失，停鉆即大量涌水。采用高粘堵漏配方：1 m3清水+10%QUIK- GLE+2%高粘防塌劑+5%單向壓力封閉劑。密度控制在1.08～1.15 g/cm3，泥漿上返率為80%，堵漏效果良好。

表1 各孔段泥漿配方

表2 各孔段泥漿性能參數(shù)

5 結(jié)論

(1)對羌塘盆地凍土帶異?？紫端畨毫Φ湫蛥^(qū)域的水文地質(zhì)及工程地質(zhì)環(huán)境進(jìn)行了經(jīng)驗總結(jié)和理論分析，并對鉆探區(qū)孔隙水壓力賦存條件和賦存方式進(jìn)行了分類。

(2)羌塘盆地勘探程度低，深孔鉆探的實鉆資料較少，缺乏對該區(qū)深部巖層的巖石物理力學(xué)參數(shù)研究，結(jié)合地球物理測井技術(shù)、取心和實驗測試結(jié)果對QK- 7孔鉆遇地層巖石物理力學(xué)參數(shù)進(jìn)行分析，明確了QK- 7孔地層巖性、密度、孔隙度、滲透率等物性指標(biāo)以及物性參數(shù)隨孔深分布曲線；并對楊氏模量(E)、體積模量(K)、剪切模型(G)和泊松比(μ)等巖石彈性力學(xué)參數(shù)進(jìn)行了計算，對了解羌塘盆地鴨湖地區(qū)巖石物理力學(xué)特性提供了支持。

(3)根據(jù)羌塘盆地凍土帶鉆探區(qū)的水文地質(zhì)及工程地質(zhì)環(huán)境提出了凍土帶異?？紫端畨毫︺@探孔壁穩(wěn)定泥漿配方，并根據(jù)鉆探工程實踐及巖石物理力學(xué)性質(zhì)進(jìn)行了優(yōu)化和完善，為羌塘盆地油氣資源戰(zhàn)略開發(fā)深孔鉆探的順利實施提供了實踐經(jīng)驗。

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