庫(kù)車河剖面礫巖層的巖石力學(xué)性質(zhì)

李 皋，王智輝，劉厚彬，石祥超

(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)

大北-博孜地區(qū)巨厚礫巖層研磨性高、可鉆性差，鉆井過(guò)程中，井壁垮塌問(wèn)題嚴(yán)重。礫巖的結(jié)構(gòu)松散、弱膠結(jié)或者無(wú)膠結(jié)、礫石顆粒分布不均等、形狀也各有差異[1]。因此，對(duì)該地區(qū)礫巖層的巖石力學(xué)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(chǔ)層的敏感性研究[11]和油氣成藏[12]。針對(duì)一些鉆井難點(diǎn)及事故，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，提出了一些建議及控制措施[13]，但對(duì)于礫巖層的力學(xué)性質(zhì)及影響因素研究極少。在礫巖力學(xué)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(xué)測(cè)試過(guò)程中明顯觀察到的，礫石強(qiáng)度的限制因素是礫石與膠結(jié)物，這使得礫巖的巖石力學(xué)相關(guān)性擴(kuò)展到非常規(guī)巖石類型時(shí)成為必須謹(jǐn)慎考慮的問(wèn)題[14]。從研究的礫巖的礦物學(xué)特征來(lái)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(shí)驗(yàn)，得出礫巖的抗壓強(qiáng)度是抗張強(qiáng)度的12～20 倍，是抗剪強(qiáng)度的5～8 倍，實(shí)驗(yàn)值高于理論計(jì)算值，巖石的動(dòng)、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(huì)影響礫巖的力學(xué)強(qiáng)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(huì)影響礫巖的強(qiáng)度和彈性模量；發(fā)現(xiàn)礫石材料的力學(xué)性與在三軸應(yīng)力狀態(tài)下礫石的強(qiáng)度和剛度成正比，而對(duì)膠結(jié)物的強(qiáng)度和剛度的依賴性可以忽略[17]。Zhu等[18]通過(guò)對(duì)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(jì)，其強(qiáng)度特性與非黏性土相似。劉向君等[19]討論了礫石強(qiáng)度對(duì)裂縫擴(kuò)展機(jī)制的影響。張重陽(yáng)等[20]與鐘自強(qiáng)等[21]同過(guò)力學(xué)實(shí)驗(yàn)研究礫巖的力學(xué)特性。在礫巖的空隙結(jié)構(gòu)方面，秦國(guó)省對(duì)新疆百口泉油田百口泉組砂礫巖儲(chǔ)層進(jìn)行了直觀、定量的測(cè)試分析[22]。印森林等[23]復(fù)模態(tài)巖石顆粒由礫石、中粗砂巖、粉砂或泥質(zhì)三級(jí)顆粒組成，孔隙發(fā)育一般，孔隙呈星點(diǎn)狀結(jié)構(gòu)，相互連通較差。申波等[24]提出一種應(yīng)用流動(dòng)孔隙度預(yù)測(cè)砂礫巖儲(chǔ)層滲透率的新方法。對(duì)于礫石的強(qiáng)度及強(qiáng)度的影響因素研究較少。

現(xiàn)通過(guò)大北-博孜地區(qū)庫(kù)成河剖面礫巖層膠結(jié)程度分析、力學(xué)性質(zhì)隨深度變化情況分析及礫巖層力學(xué)性質(zhì)影響因素分析，以促進(jìn)對(duì)該區(qū)塊地層的了解，對(duì)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(kù)車組、康村組、吉迪克組均發(fā)育礫層，厚度達(dá)5000m以上。通過(guò)對(duì)庫(kù)車河剖面礫石層特征橫向分布研究，能夠?yàn)樵搮^(qū)塊巖石的巖性及力學(xué)強(qiáng)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(kù)車河剖面。相比其他兩個(gè)剖面，庫(kù)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，礫石顆粒尺寸最小；對(duì)庫(kù)車河剖面進(jìn)行分析，該區(qū)層狀發(fā)育明顯。庫(kù)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(xì)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(shì)，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(chǎng)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(kù)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(kù)車組礫巖電鏡掃描照片。可以看出，庫(kù)車組礫石顆粒與礫石間充填物結(jié)合不是很緊密，存在貼粒縫，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(qiáng)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(qiáng)度較庫(kù)車組礫石層的膠結(jié)強(qiáng)度來(lái)說(shuō)較高，該類礫石層整體強(qiáng)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，存有少量貼粒縫。通過(guò)掃描電鏡，發(fā)現(xiàn)庫(kù)車河剖面由上至下壓實(shí)程度越好，膠結(jié)越致密。

圖 1 庫(kù)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(xué)參數(shù)在縱向上的變化

利用室內(nèi)試驗(yàn)與地表露頭回彈儀數(shù)據(jù)對(duì)庫(kù)車河剖面礫石層力學(xué)性質(zhì)進(jìn)行分析，由于礫石抗壓強(qiáng)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(xué)性質(zhì)。表 1為庫(kù)車河剖面部分巖石力學(xué)參數(shù)，可以看出,庫(kù)車河剖面地層巖石密度主要集中在2.2～2.3g/cm3，庫(kù)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(kù)車組和康村組泥質(zhì)含量較多，最大達(dá)到41%；吉迪克組泥質(zhì)含量則比較少，在17% 左右。庫(kù)車組巖石的彈性模量最低，其次是康村組，再次是吉迪克組。總體來(lái)說(shuō)，庫(kù)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(kù)車河剖面礫巖層粒間膠結(jié)物抗壓強(qiáng)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(qiáng)度都呈增加趨勢(shì)；庫(kù)車組、康村組、吉迪克組礫石層膠結(jié)物平均抗壓強(qiáng)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(duì)比，由室內(nèi)試驗(yàn)所得單軸抗壓強(qiáng)度與地面露頭所測(cè)膠結(jié)物強(qiáng)度對(duì)比可以看出，回彈儀測(cè)得的單軸抗壓強(qiáng)度數(shù)據(jù)與室內(nèi)試驗(yàn)數(shù)據(jù)趨勢(shì)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(kù)車河剖面礫石顆粒尺寸統(tǒng)計(jì)Table 3 Grain size statistics of Kuchehe section

圖 3 線性擬合對(duì)比Fig.3 Comparison of linear fitting

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

表 2 庫(kù)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(qiáng)度數(shù)據(jù)對(duì)比Fig.2 Comparison of uniaxial compressive strength data obtained from indoor experiments and rebound hammers

3 影響巖石力學(xué)性質(zhì)的因素分析

由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出庫(kù)車河剖面同層力學(xué)參數(shù)差距小，不同層差距較大，但由上到下呈遞增趨勢(shì)。針對(duì)這種實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，從礫石的粒徑和膠結(jié)物礦物組分方面進(jìn)行分析，研究對(duì)力學(xué)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(qiáng)度高，力學(xué)強(qiáng)度高。

圖3 為不同地層礫徑跨度值與礫徑中值線性擬合對(duì)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(duì)于巖石彈性模量的影響。表 3為庫(kù)車河剖面礫石顆粒尺寸統(tǒng)計(jì)，展示了庫(kù)車河剖面的礫徑分布。由表 3可以看出，庫(kù)車河剖面礫石層的礫徑偏大，最大達(dá)到了253 mm；且不同層位主要粒徑范圍跨度差異較大，庫(kù)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。可以看出庫(kù)車河剖面主要礫徑和主要礫徑跨度都呈遞減趨勢(shì)。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(xué)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(xué)強(qiáng)度越高。基于實(shí)驗(yàn)測(cè)試的礫石顆粒尺寸庫(kù)車河剖面礫石顆粒尺寸如表 3所示。

圖 4 庫(kù)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(kù)車河剖面由上到下壓實(shí)程度越好，膠結(jié)越致密。圖 4為庫(kù)車河剖面礫石層粒間膠結(jié)物礦物組分對(duì)比分析圖，對(duì)比分析了庫(kù)車河剖面庫(kù)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(kù)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(kù)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(shí)，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(duì)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(duì)應(yīng)的膠結(jié)物抗壓強(qiáng)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(kù)車河剖面礫石層力學(xué)參數(shù)圖發(fā)現(xiàn)對(duì)應(yīng)的彈性模量膠結(jié)物抗壓強(qiáng)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(huì)影響礫巖的力學(xué)性質(zhì)，其膠結(jié)物強(qiáng)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(kù)車河剖面礫石層力學(xué)參數(shù)Fig.5 Mechanical parameters of gravel layer cement in Kuqahe section

4 結(jié)論

庫(kù)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(qiáng)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(duì)礫巖巖石力學(xué)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(xué)強(qiáng)度越高。