庫車河剖面礫巖層的巖石力學性質

李 皋，王智輝，劉厚彬，石祥超

(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)

大北-博孜地區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。礫巖的結構松散、弱膠結或者無膠結、礫石顆粒分布不均等、形狀也各有差異[1]。因此，對該地區礫巖層的巖石力學分析是非常有必要的。礫石層是地球環境變遷和物質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造解釋模型[3-8]，以及提高地震數據的質量[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，結合現場實踐經驗，提出了一些建議及控制措施[13]，但對于礫巖層的力學性質及影響因素研究極少。在礫巖力學性質方面，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物，這使得礫巖的巖石力學相關性擴展到非常規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，膠結物的百分含量與工程性能具有顯著關系[15]。依據室內實驗，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、靜彈性參數一般是線性關系[16]。Akram等[17]發現粒徑分布會影響礫巖的力學強度和損傷模式；規格(尺寸)的影響(保持微觀結構相同)會影響礫巖的強度和彈性模量；發現礫石材料的力學性與在三軸應力狀態下礫石的強度和剛度成正比，而對膠結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礫巖的研究得到極弱的膠結礫石的內聚力可忽略不計，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。在礫巖的空隙結構方面，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]復模態巖石顆粒由礫石、中粗砂巖、粉砂或泥質三級顆粒組成，孔隙發育一般，孔隙呈星點狀結構，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。

現通過大北-博孜地區庫成河剖面礫巖層膠結程度分析、力學性質隨深度變化情況分析及礫巖層力學性質影響因素分析，以促進對該區塊地層的了解，對該地區地層參數及井壁穩定提供參考作用。

1 礫巖層宏觀分布特征及微觀結構

1.1 宏觀分布特征

大北-博孜地區巨厚礫石層發育，已鉆數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，能夠為該區塊巖石的巖性及力學強度提供依據，更有利于井壁穩定的研究。博孜-大北-克深地區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；對庫車河剖面進行分析，該區層狀發育明顯。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出正旋回特征。

1.2 礫巖層微觀組構

借助室內高倍掃描電子顯微鏡可以觀察現場巖樣微結構分布情況，探究微裂縫發育情況。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。可以看出，庫車組礫石顆粒與礫石間充填物結合不是很緊密，存在貼粒縫，顆粒間充填物膠結較為疏松，存在較多縫洞，膠結物自身強度較低。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較為致密，為鈣質膠結，存有微量的短小裂縫，膠結強度較庫車組礫石層的膠結強度來說較高，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物較為致密，粒間充填物與礫石顆粒結合較為緊密，存有少量貼粒縫。通過掃描電鏡，發現庫車河剖面由上至下壓實程度越好，膠結越致密。

圖 1 庫車河剖面礫石SEM掃描電鏡照片Fig.1 SEM of gravel in Kuchehe section

2 巖石力學參數在縱向上的變化

利用室內試驗與地表露頭回彈儀數據對庫車河剖面礫石層力學性質進行分析，由于礫石抗壓強度值較膠結物太大，礫巖破裂都是從礫石表面剝落，故先不考慮礫石力學性質。表 1為庫車河剖面部分巖石力學參數，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含量較多，最大達到41%；吉迪克組泥質含量則比較少，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。總體來說，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物抗壓強度分布剖面。數據表明，隨著埋深的增加，礫石層粒間膠結物強度都呈增加趨勢；庫車組、康村組、吉迪克組礫石層膠結物平均抗壓強度分別為24.76、28.00、28.43MPa。圖 2為各地層室內數據與回彈儀數據對比，由室內試驗所得單軸抗壓強度與地面露頭所測膠結物強度對比可以看出，回彈儀測得的單軸抗壓強度數據與室內試驗數據趨勢相同，都隨地層深度的增加而增加，佐證了室內數據。

表 3 庫車河剖面礫石顆粒尺寸統計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據Table 2 Data of resilience of rock outcrop in Kuchehe section

圖 2 各地層室內數據與單軸抗壓強度數據對比Fig.2 Comparison of uniaxial compressive strength data obtained from indoor experiments and rebound hammers

3 影響巖石力學性質的因素分析

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

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物組成，研究礫石顆粒的粒徑分布是影響礫石層性質的最基本的因素[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，其數據擬合誤差比較小，分別為2.0309、3.0928。可以看出庫車河剖面主要礫徑和主要礫徑跨度都呈遞減趨勢。在同層位礫石及膠結物礦物組分相差不大的情況下，結合該剖面的巖石力學分析，發現礫石粒徑越小、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 膠結物

庫車河剖面由上到下壓實程度越好，膠結越致密。圖 4為庫車河剖面礫石層粒間膠結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物變化規律。由圖 4可以看出，庫車河剖面不同層位礫石層粒間膠結物礦物組分分布具有明顯差異，不同層位礫石層粒間膠結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物黏土含量減小。同時，不同層位礫石層粒間膠結物碳酸鹽巖含量變化規律與黏土含量相反，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物主要以黏土為主，對應的膠結物抗壓強度較小，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物是以碳酸鹽巖為主的灰質膠結，結合圖 5庫車河剖面礫石層力學參數圖發現對應的彈性模量膠結物抗壓強度大，泊松比較小。綜上，膠結物中泥質含量和碳酸鹽巖礦物均會影響礫巖的力學性質，其膠結物強度值跟泥質含量成反比，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Fig.5 Mechanical parameters of gravel layer cement in Kuqahe section

4 結論

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；膠結物主要為黏土和碳酸鹽巖礦物，且隨地層深度增加，膠結程度增加，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影響因素分析，發現礫徑越小、粒徑組成差距越小的層位，巖石的彈性模量值越大；膠結程度越好，灰質膠結含量越高的層位，力學強度越高。