庫車河剖面礫巖層的巖石力學性質(zhì)

李 皋，王智輝，劉厚彬，石祥超

(西南石油大學油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國家重點實驗室，成都 610500)

大北-博孜地區(qū)巨厚礫巖層研磨性高、可鉆性差，鉆井過程中，井壁垮塌問題嚴重。礫巖的結(jié)構(gòu)松散、弱膠結(jié)或者無膠結(jié)、礫石顆粒分布不均等、形狀也各有差異[1]。因此，對該地區(qū)礫巖層的巖石力學分析是非常有必要的。礫石層是地球環(huán)境變遷和物質(zhì)遷移等信息記錄的重要載體[2]。前人在大北-博孜礫巖層的研究主要為獲得構(gòu)造解釋模型[3-8]，以及提高地震數(shù)據(jù)的質(zhì)量[9-10]、儲層的敏感性研究[11]和油氣成藏[12]。針對一些鉆井難點及事故，結(jié)合現(xiàn)場實踐經(jīng)驗，提出了一些建議及控制措施[13]，但對于礫巖層的力學性質(zhì)及影響因素研究極少。在礫巖力學性質(zhì)方面，前人的研究主要是單因素影響分析：在礫巖巖石力學測試過程中明顯觀察到的，礫石強度的限制因素是礫石與膠結(jié)物，這使得礫巖的巖石力學相關(guān)性擴展到非常規(guī)巖石類型時成為必須謹慎考慮的問題[14]。從研究的礫巖的礦物學特征來看，膠結(jié)物的百分含量與工程性能具有顯著關(guān)系[15]。依據(jù)室內(nèi)實驗，得出礫巖的抗壓強度是抗張強度的12～20 倍，是抗剪強度的5～8 倍，實驗值高于理論計算值，巖石的動、靜彈性參數(shù)一般是線性關(guān)系[16]。Akram等[17]發(fā)現(xiàn)粒徑分布會影響礫巖的力學強度和損傷模式；規(guī)格(尺寸)的影響(保持微觀結(jié)構(gòu)相同)會影響礫巖的強度和彈性模量；發(fā)現(xiàn)礫石材料的力學性與在三軸應力狀態(tài)下礫石的強度和剛度成正比，而對膠結(jié)物的強度和剛度的依賴性可以忽略[17]。Zhu等[18]通過對第三系弱膠結(jié)礫巖的研究得到極弱的膠結(jié)礫石的內(nèi)聚力可忽略不計，其強度特性與非黏性土相似。劉向君等[19]討論了礫石強度對裂縫擴展機制的影響。張重陽等[20]與鐘自強等[21]同過力學實驗研究礫巖的力學特性。在礫巖的空隙結(jié)構(gòu)方面，秦國省對新疆百口泉油田百口泉組砂礫巖儲層進行了直觀、定量的測試分析[22]。印森林等[23]復模態(tài)巖石顆粒由礫石、中粗砂巖、粉砂或泥質(zhì)三級顆粒組成，孔隙發(fā)育一般，孔隙呈星點狀結(jié)構(gòu)，相互連通較差。申波等[24]提出一種應用流動孔隙度預測砂礫巖儲層滲透率的新方法。對于礫石的強度及強度的影響因素研究較少。

現(xiàn)通過大北-博孜地區(qū)庫成河剖面礫巖層膠結(jié)程度分析、力學性質(zhì)隨深度變化情況分析及礫巖層力學性質(zhì)影響因素分析，以促進對該區(qū)塊地層的了解，對該地區(qū)地層參數(shù)及井壁穩(wěn)定提供參考作用。

1 礫巖層宏觀分布特征及微觀結(jié)構(gòu)

1.1 宏觀分布特征

大北-博孜地區(qū)巨厚礫石層發(fā)育，已鉆數(shù)口井平均礫石及含礫地層厚度5612m。第三系庫車組、康村組、吉迪克組均發(fā)育礫層，厚度達5000m以上。通過對庫車河剖面礫石層特征橫向分布研究，能夠為該區(qū)塊巖石的巖性及力學強度提供依據(jù)，更有利于井壁穩(wěn)定的研究。博孜-大北-克深地區(qū)自西向東分別為卡普沙良河剖面、溫宿剖面、庫車河剖面。相比其他兩個剖面，庫車河剖面的相同層位礫石層膠結(jié)物中，黏土礦物含量稍低，而碳酸鹽巖含量較高，礫石顆粒尺寸最?。粚燔嚭悠拭孢M行分析，該區(qū)層狀發(fā)育明顯。庫車組上部地層的巖性主要為雜色塊狀小礫巖和灰色的含礫砂巖，下部地層為雜色中層狀小礫巖和灰色的含礫砂巖及中細砂巖與褐色泥巖略等厚互層，康村組底部地層為塊狀雜色的砂礫巖，與吉迪克組整合、密切接觸；該剖面同層位自上而下礫石顆粒尺寸呈減小趨勢，即同層位礫石顆粒尺寸表現(xiàn)出正旋回特征。

1.2 礫巖層微觀組構(gòu)

借助室內(nèi)高倍掃描電子顯微鏡可以觀察現(xiàn)場巖樣微結(jié)構(gòu)分布情況，探究微裂縫發(fā)育情況。圖 1為庫車河剖面礫石掃描電子顯微鏡(scanning electron microscope，SEM)照片。其中圖1(a)～圖1(d)為庫車組礫巖電鏡掃描照片?？梢钥闯?，庫車組礫石顆粒與礫石間充填物結(jié)合不是很緊密，存在貼?？p，顆粒間充填物膠結(jié)較為疏松，存在較多縫洞，膠結(jié)物自身強度較低。圖1(e)、圖1(f)為康村組礫巖電鏡掃描照片，可以看出，康村組礫石層中，礫石顆粒之間的膠結(jié)較為致密，為鈣質(zhì)膠結(jié)，存有微量的短小裂縫，膠結(jié)強度較庫車組礫石層的膠結(jié)強度來說較高，該類礫石層整體強度較高。圖1(g)、圖1(h)為吉迪克組礫巖電鏡掃描照片，可以看出，吉迪克組礫巖顆粒間膠結(jié)物較為致密，粒間充填物與礫石顆粒結(jié)合較為緊密，存有少量貼?？p。通過掃描電鏡，發(fā)現(xiàn)庫車河剖面由上至下壓實程度越好，膠結(jié)越致密。

圖 1 庫車河剖面礫石SEM掃描電鏡照片F(xiàn)ig.1 SEM of gravel in Kuchehe section

2 巖石力學參數(shù)在縱向上的變化

利用室內(nèi)試驗與地表露頭回彈儀數(shù)據(jù)對庫車河剖面礫石層力學性質(zhì)進行分析，由于礫石抗壓強度值較膠結(jié)物太大，礫巖破裂都是從礫石表面剝落，故先不考慮礫石力學性質(zhì)。表 1為庫車河剖面部分巖石力學參數(shù)，可以看出,庫車河剖面地層巖石密度主要集中在2.2～2.3g/cm3，庫車組和康村組泊松比差距不大，吉迪克組泊松比最小，為30%左右。庫車組和康村組泥質(zhì)含量較多，最大達到41%；吉迪克組泥質(zhì)含量則比較少，在17% 左右。庫車組巖石的彈性模量最低，其次是康村組，再次是吉迪克組?？傮w來說，庫車河剖面巖石彈性模量隨深度的增加而增大，泊松比則隨深度的增加而減小。表 2為庫車河剖面礫巖層粒間膠結(jié)物抗壓強度分布剖面。數(shù)據(jù)表明，隨著埋深的增加，礫石層粒間膠結(jié)物強度都呈增加趨勢；庫車組、康村組、吉迪克組礫石層膠結(jié)物平均抗壓強度分別為24.76、28.00、28.43MPa。圖 2為各地層室內(nèi)數(shù)據(jù)與回彈儀數(shù)據(jù)對比，由室內(nèi)試驗所得單軸抗壓強度與地面露頭所測膠結(jié)物強度對比可以看出，回彈儀測得的單軸抗壓強度數(shù)據(jù)與室內(nèi)試驗數(shù)據(jù)趨勢相同，都隨地層深度的增加而增加，佐證了室內(nèi)數(shù)據(jù)。

表 3 庫車河剖面礫石顆粒尺寸統(tǒng)計Table 3 Grain size statistics of Kuchehe section

圖 3 線性擬合對比Fig.3 Comparison of linear fitting

表 1 庫車河剖面地層巖石的力學參數(shù)Table 1 Mechanical parameters of formation rocks in Kuchehe section

表 2 庫車河剖面地層巖石露頭回彈儀數(shù)據(jù)Table 2 Data of resilience of rock outcrop in Kuchehe section

圖 2 各地層室內(nèi)數(shù)據(jù)與單軸抗壓強度數(shù)據(jù)對比Fig.2 Comparison of uniaxial compressive strength data obtained from indoor experiments and rebound hammers

3 影響巖石力學性質(zhì)的因素分析

由實驗數(shù)據(jù)可以看出庫車河剖面同層力學參數(shù)差距小，不同層差距較大，但由上到下呈遞增趨勢。針對這種實驗現(xiàn)象，從礫石的粒徑和膠結(jié)物礦物組分方面進行分析，研究對力學性質(zhì)的影響。

3.1 礫石的粒徑

礫巖是指粒徑大于2 mm的圓狀和次圓狀的礫石占巖石總量30%以上的碎屑巖，它是由大小不一的礫石和膠結(jié)物組成，研究礫石顆粒的粒徑分布是影響礫石層性質(zhì)的最基本的因素[1]。通常礫石層礫石顆粒越小，礫石顆粒越致密，膠結(jié)強度高，力學強度高。

圖3 為不同地層礫徑跨度值與礫徑中值線性擬合對比圖，分析不同地層粒徑差異。結(jié)合表 1、表 2、圖 3分析礫石粒徑對于巖石彈性模量的影響。表 3為庫車河剖面礫石顆粒尺寸統(tǒng)計，展示了庫車河剖面的礫徑分布。由表 3可以看出，庫車河剖面礫石層的礫徑偏大，最大達到了253 mm；且不同層位主要粒徑范圍跨度差異較大，庫車組、康村組和吉迪克組最大跨度分別為24、71、35 mm；剖面由上到下最大礫徑值差距也比較大，最大與最小值相差101 mm。同層之間主要粒徑范圍較不同層位差距較小，且在同層中由上到下遞減。主要粒徑中值和主要粒徑跨度值都從側(cè)面反映了礫石層粒徑的大小和礫徑分布的均勻程度。圖 3為主要礫徑跨度及主要礫徑中值線性擬合圖，其數(shù)據(jù)擬合誤差比較小，分別為2.0309、3.0928?？梢钥闯鰩燔嚭悠拭嬷饕[徑和主要礫徑跨度都呈遞減趨勢。在同層位礫石及膠結(jié)物礦物組分相差不大的情況下，結(jié)合該剖面的巖石力學分析，發(fā)現(xiàn)礫石粒徑越小、礫徑分布越均勻的地方，彈性模量越大，力學強度越高。基于實驗測試的礫石顆粒尺寸庫車河剖面礫石顆粒尺寸如表 3所示。

圖 4 庫車河剖面礫石層膠結(jié)物各礦物組分含量Fig.4 The content of each mineral component in the gravel layer in Kuqa River

3.2 膠結(jié)物

庫車河剖面由上到下壓實程度越好，膠結(jié)越致密。圖 4為庫車河剖面礫石層粒間膠結(jié)物礦物組分對比分析圖，對比分析了庫車河剖面庫車組、康村組及吉迪克組礫石粒間膠結(jié)物變化規(guī)律。由圖 4可以看出，庫車河剖面不同層位礫石層粒間膠結(jié)物礦物組分分布具有明顯差異，不同層位礫石層粒間膠結(jié)物石英含量變化不明顯，但黏土和碳酸鹽巖含量具有明顯變化，庫車組及康村組上部地層黏土含量普遍在30%～40%，康村組中下部、吉迪克組礫石層粒間膠結(jié)物黏土含量減小。同時，不同層位礫石層粒間膠結(jié)物碳酸鹽巖含量變化規(guī)律與黏土含量相反，黏土含量相對偏高的礫石層，碳酸鹽巖含量偏低，即該類礫石層粒間膠結(jié)物主要以黏土為主，對應的膠結(jié)物抗壓強度較小，泊松比較大；黏土含量減小的礫石層，碳酸鹽巖含量增加，康村組中下部、吉迪克組礫石層粒間膠結(jié)物是以碳酸鹽巖為主的灰質(zhì)膠結(jié)，結(jié)合圖 5庫車河剖面礫石層力學參數(shù)圖發(fā)現(xiàn)對應的彈性模量膠結(jié)物抗壓強度大，泊松比較小。綜上，膠結(jié)物中泥質(zhì)含量和碳酸鹽巖礦物均會影響礫巖的力學性質(zhì)，其膠結(jié)物強度值跟泥質(zhì)含量成反比，跟碳酸巖鹽礦物含量成正比。

圖 5 庫車河剖面礫石層力學參數(shù)Fig.5 Mechanical parameters of gravel layer cement in Kuqahe section

4 結(jié)論

庫車河剖面礫石層不同層位的礫徑較同層位差異較大，同層位礫徑由上到下遞減；膠結(jié)物主要為黏土和碳酸鹽巖礦物，且隨地層深度增加，膠結(jié)程度增加，碳酸鹽巖礦物含量也變大。該剖面礫巖彈性模量在34.11～48MPa，泊松比在0.17～0.27，礫巖層膠結(jié)物抗壓強度在21.9～32.33MPa；由上到下，彈性模量逐漸增大，與其相反的是泊松比則遞減。對礫巖巖石力學參數(shù)影響因素分析，發(fā)現(xiàn)礫徑越小、粒徑組成差距越小的層位，巖石的彈性模量值越大；膠結(jié)程度越好，灰質(zhì)膠結(jié)含量越高的層位，力學強度越高。