深層超深層硬脆性地層巖爆傾向性判別方法研究

于洋，陳軍海 ，李丹丹 ，易浩，曾義金 ，李鑫

1 中國石化西北油田分公司，烏魯木齊 830011

2 頁巖油氣富集機理與有效開發國家重點實驗室，北京 102206

3 中國石化石油工程技術研究院，北京 102206

四川、新疆等地區深井超深井鉆井中，硬脆性地層井壁圍巖崩落掉塊頻繁，造成鉆井阻卡嚴重，更是存在井壁瞬時大量掉塊填埋鉆具現象，已使多口超7000 m的重點井多次側鉆或井眼報廢，成為了制約深層超深層油氣鉆探的關鍵難題之一。傳統井壁失穩理論主要考慮巖石強度、巖石組構特征、地應力等關鍵因素，分析得到維持井壁穩定的坍塌壓力，據此設計鉆井液性能與密度[1-5]，硬脆性地層巖石普遍具有強度高、水敏性弱等特征，傳統井壁失穩理論分析該類地層井壁穩定性較好，使得設計的鉆井液密度較低，無法平衡井壁坍塌壓力，造成該類地層鉆開后井壁圍巖持續崩落掉塊，現場只能依靠經驗提高鉆井液密度，并不能有效解決井壁圍巖掉塊，甚至會因鉆井液密度過高加劇掉塊或引起地層破裂漏失。筆者針對井壁崩落掉塊最為頻繁的灰巖、白云巖、頁巖等硬脆性地層開展巖石力學實驗時發現，巖石破壞時存在瞬間爆裂、體積破碎、巖塊呈不規則裂開等現象，并伴有不同程度的響聲，類似于礦山開采、隧道開挖等工程中的巖爆現象，說明該類地層具有巖爆傾向，將地層此種特征考慮到井壁失穩研究中至關重要。

巖爆是在高地應力條件下，隧道、礦山等地下工程開挖過程中硬脆性圍巖因開挖卸荷導致應力重新分布，從而使儲存于巖體中的彈性應變能突然釋放，產生爆裂、松脫、顆粒彈射甚至拋擲等破壞現象的一種動力災害[6]。國內外學者針對地下工程開挖巖爆問題進行了比較系統研究，從強度理論、能量理論、沖擊傾向性理論和時間相關性理論等方面揭示了巖爆發生機理[6-9]，根據巖爆時巖體破壞變形程度給出了巖爆烈度分級[10-13]。從巖性角度給出了強度脆性指數、彈性能量指數、巖爆能量比法等十余種評價巖爆傾向性方法[14-24]，其中，強度脆性指數R與彈性能量指數W最為常用，并且針對淺部地層工程開挖中的砂巖、灰巖、花崗巖、大理巖等巖性給出了巖爆傾向性定量評價準則，一般認為R＜10時無巖爆，10≤R＜18為中等程度巖爆，R≥18為強烈巖爆；W＜2時無巖爆，2≤W＜5為中等程度巖爆，W≥5為強烈巖爆[25]。但石油鉆井的地層埋藏深，巖性、巖石力學特征及應力條件等地層環境更加復雜，有必要基于隧道、礦山等地下工程開挖巖爆理論，開展深層超深層硬脆性地層的巖爆行為及傾向性判別方法研究，針對該類地層進行合理分類，進而指導深井超深井鉆井中硬脆性地層井壁失穩機制及防控理論方法研究。

本文基于巖爆理論，聚焦井壁崩落掉塊最為頻繁的灰巖、白云巖、頁巖等硬脆性地層，系統開展了巖石壓縮和抗拉巖石力學實驗，通過對比分析巖石力學實驗中巖石破壞形態及特征，進行了巖爆烈度分類，并采用巖石強度脆性指數R和彈性能量指數W進行了巖爆傾向性綜合分析，建立了R和W與巖石單軸抗壓強度間的對應關系，找出了基于R和W的巖爆傾向性定量評價準則，提出了一套深井超深井鉆井中硬脆性地層的井壁圍巖巖爆傾向性及分級判別方法。

1 巖爆烈度分級及傾向性判斷模型

1.1 巖爆烈度分級

對于礦山開采、隧道開挖等工程，巖爆烈度是巖石爆破對地下洞室、礦山坑道或礦體本身產生的直接破壞，以及由此誘發的其他礦區、地面建筑等間接破壞。對于石油鉆井，硬脆性地層井壁圍巖巖爆則是產生巖石崩落掉塊、井壁垮塌等不同程度的井下復雜情況，進而給鉆井帶來阻卡、埋鉆具、井眼報廢等不同嚴重程度的復雜事故。因此，需要進行巖爆烈度分級，以支撐井下復雜及事故的判別。

巖爆烈度分級是描述巖爆強烈程度與破壞規模的指標，通常簡稱為巖爆分級，巖爆分級主要側重于實際的表觀現象，即根據巖爆發生時巖體爆裂面的形態特征、破壞程度、聲學特征等方面進行分級。巖爆烈度一般分為3級：(1) 輕微巖爆活動：巖石有松脫和破裂，有微弱發自巖石的聲音。(2) 中等程度的巖爆活動：有不容忽視的巖石脫落、拋射，塊度較大，并伴隨有明顯爆裂聲。(3) 嚴重的巖爆活動：巖石瞬時發生嚴重崩落，崩落巖石多為小塊體與小巖片，具有強烈爆裂聲，聲響劇烈。

1.2 巖爆傾向性判斷模型

除了基于巖爆表觀現象進行巖爆行為定性判別及分級外，還可以通過能量理論來定量判斷巖爆傾向性，進而實現科學有效的巖爆分級。能量理論認為巖爆發生需滿足2個條件：一是能量條件，巖石破壞時釋放的能量除滿足破壞需要外，有剩余的能量使巖石發生剝離或彈射；二是強度條件，巖石所處的應力水平較高，能夠使巖石發生破壞。但能量理論對巖性及巖石結構特征等條件描述并不充分，工程實踐表明巖爆通常發生在結構完整的硬脆性地層中。綜合能量理論和工程實踐，選取巖石彈性能量指數、強度脆性指數兩項指標用于巖爆評價。

(1) 彈性能量指數W

彈性能量指數W是Neyman于1972年根據煤礦問題提出來的[26]，由于其概念明確、方法簡單，國內外學者在巖爆傾向性判斷中應用較多。如圖1，將樣品單軸加載到其抗壓強度Sc的70%～80%，然后卸載到抗壓強度的5%，卸載所釋放的彈性應變能為φsp，耗散的彈性應變能為φst，二者的比值即為彈性能量指數W。

圖1 彈性能量計算示意圖Fig.1 Schematic diagram of elastic energy calculation

彈性能量指數也稱為沖擊傾向指數，其值越大，破壞時釋放的能量越大。巖石的積累彈性應變能是巖爆發生的主要內部因素，從能量學觀點考慮，巖爆過程是圍巖積聚彈性應變能的釋放過程，聚集的能量越多，發生巖爆時釋放的能量就越大，巖爆烈度就越強，而彈性應變能的聚集能力可采用彈性應變能指數定量判定。

(2) 巖石強度脆性指數R

由于巖爆通常發生在脆性巖石中，巖爆發生不僅與巖石的單軸抗壓強度有關，也與巖石抗拉強度關系密切，因此，根據巖石的單軸抗壓強度Sc和抗拉強度St的比值，評價巖石的巖爆傾向性。

式中，Sc——巖石單軸抗壓強度，MPa；St——巖石抗拉強度，MPa。

一般來說，R越大說明巖石的脆性越大，則巖爆發生的傾向性越大。

巖石彈性能量指數W反映能量條件，巖石強度脆性指數R反映巖性及強度條件，兩項指標相互獨立、互為補充，綜合兩者可以對巖爆發生的可能性進行較為全面的描述。

2 實驗方案及結果分析

2.1 實驗方案

為了研究深井超深井硬脆性地層井壁圍巖巖爆行為特征，實驗選取了中國南方龍馬溪組、臨湘組、洗象池群等層位的不同埋深的頁巖、灰巖、白云巖，取心深度為2032.15 m～7299.23 m，系統開展巖石單軸壓縮及抗拉巖石力學實驗，均采用國際巖石力學學會實驗推薦標準方法。巖石單軸壓縮實驗采用Φ25 mm×50 mm標準試樣，巖樣端面平整度控制在0.02 mm以內；抗拉實驗采用直徑為25 mm±1 mm圓柱，厚度切割為直徑的0.25～0.75倍。

巖石單軸壓縮實驗采用美國TerraTek公司巖石力學三軸應力測試系統，軸向加載方式采用應變加載控制，加載速率為10-6mm/s，測試時全程監測軸向和徑向應變。抗拉強度實驗采用美國TerraTek公司巴西劈裂儀，加載速率為0.035～0.05 MPa/s。

2.2 實驗結果分析

本次研究針對不同深度的頁巖、灰巖及白云巖開展了41組單軸抗壓及抗拉實驗，實驗結果如表1所示。根據巖樣破裂后的形態及破裂時響聲，對巖爆劇烈程度進行直觀分成3種類型：弱巖爆、中等巖爆、強巖爆，并統計在表1中。

表1 巖石力學實驗結果Table 1 Results of rock mechanics experiments

(1) 弱巖爆

巖爆形態表現為巖石破裂形成多條裂縫，多沿弱面結構破碎，巖樣主體結構依然完整，常伴有微弱破裂聲音，如圖2(a)所示。

(2) 中等巖爆

巖爆形態表現為巖石破裂形成大尺寸塊體斷裂，斷口鋒利，呈現典型的斷裂特征，并伴有明顯的破碎爆裂聲音，如圖2(b)所示。

(3) 強巖爆

巖爆形態表現為塊體由片狀逐漸過渡為不規則塊體，在較小的應變下突然崩裂為較小塊體群體，巖樣主體呈現典型的碎裂型態，常伴有強烈的破碎爆裂聲音，如圖2(c)所示。

圖2 巖石單軸壓縮實驗呈現的不同巖爆劇烈程度表現形態Fig.2 The different fracture pattern of rock burst intensities in uniaxial compression test

通過應力—應變曲線進行分析，發現巖爆程度與全應力—應變具有一定的關聯性，具體表現為：(1) 對于不發生或發生弱巖爆巖樣，在達到單軸抗壓強度之后，巖樣通過體積變形持續吸收軸壓能量，體現在應力—應變曲線上為應力緩慢降低，軸向及徑向應變擴大明顯，應力—應變曲線平滑下降，最終達到穩態的殘余應力，如圖3(a)所示；(2) 對于中等巖爆巖樣，應力—應變曲線在達到單軸抗壓強度之后，曲線有明顯的跌落，跌落值在20%～60%之間不等，但由于巖樣主體結構保持完整，仍具有一定吸收軸向應力的能力，應力—應變曲線在瞬間跌落后有小幅上升，并最終能夠達到穩態的殘余應力，如圖3(b)所示；(3) 對于發生強巖爆巖樣，隨著軸壓的增加，巖石不進入塑性屈服階段，由彈性階段直接達到單軸抗壓強度，巖石迅速崩裂，應力—應變曲線瞬間跌落，很多時候會跌落至零點，巖樣無法通過擴容吸收多余能量，持續增加軸壓，應力—應變曲線不再增長，如圖3(c)所示。

圖3 不同等級巖爆應力—應變曲線Fig.3 Stress-strain curves of different rock burst grades

3 巖爆傾向性綜合分析

3.1 巖爆傾向表征指數分析

(1)彈性能量指數

根據實驗結果繪制不同井深的巖樣巖爆分級與巖石彈性能量指數關系散點圖，如圖4所示雖然數據分布具有一定的離散性，但彈性能量指數W一定程度反映了巖爆的發生傾向，總體而言：(1)W＜2為弱巖爆；(2) 2≤W＜3.7為中等巖爆；(3)W≥3.7為強巖爆。

圖4 彈性能量指數與巖爆等級關系分布圖Fig.4 Distribution diagram of the relationship between elastic energy index and rock burst degree

對于處于線彈性狀態下的巖體來說，外力所作的功與巖體內部所存儲的彈性能基本相等，耗散能近似于0。而在巖石(峰后)破壞過程中，巖體內彈性能的增加會低于外力所作的功，因而耗散能大于0。耗散能的一部分消耗于巖石內部損傷的發展，其余部分則轉化為巖體的聲能、熱能及動能等形式，這種聲能及動能的能量形式與工程中的巖爆現象是相關的，因此，耗散能的幅值越高，則可能發展為巖體動力破壞的能量就越多，巖爆的可能性也就越高。但考慮到巖石破裂巖儲能能力不同(多與巖石抗壓強度與歷史所受圍壓性能相關)，且巖爆發生時所需能量不同，另外，受巖石非均質性的影響，巖石單軸壓縮實驗應力—應變曲線也會存在差異性，彈性能量指數W計算要求高，因此，通過彈性能量指數判斷巖爆發生傾向具有一定的局限性。

(2) 強度脆性指數

根據巖石的抗壓及抗拉強度計算得到巖石強度脆性指數R，圖5為不同井深的巖樣巖爆程度與巖石強度脆性指標關系散點圖，可以看出R值越大，巖石脆性越大，破壞過程中釋放的能量和巖爆發生的趨勢都更大。具體分級：(1)R＜6對應于弱巖爆，應力降特征明顯，多為深部縱裂爆破能量釋放所致；(2) 6≤R＜7.5對應于中等巖爆，拉伸破壞和剪切破壞導致大顆粒不規則塊體和巖石碎塊銳利破裂；(3)R≥7.5對應于強巖爆，拉伸破壞和剪切破壞共同作用，在小應變下突然破裂成相對較小的巖塊顆粒群。

圖5 巖石強度脆性指數與巖爆等級關系分布圖Fig.5 Distribution diagram of the relationship between rock strength brittleness index and rock burst degree

因此，在地應力、地質構造等其他條件一致時，巖石的脆性強度指標越高，巖石的脆性越強，越容易發生巖爆；利用巖石的單軸抗壓強度和抗拉強度的比值，能夠較好的評價巖石的巖爆傾向性。

3.2 巖爆傾向性綜合分析

在深/超深井硬脆性地層中，井壁圍巖力學特征是影響巖爆發生的基本條件，特別是巖石的抗壓強度，而且巖石單軸抗壓強度是比較容易獲取的一個巖石力學參數，因此，可以建立彈性能量指數、強度脆性指數與巖石單軸抗壓強度間的關系，有利于達到巖爆傾向性定量分析的目的。同樣，進一步探索彈性能量指數與強度脆性指數交互關系、不同巖性巖石的巖爆傾向性，可以促進深井超深井硬脆性地層井壁圍巖巖爆傾向性判別方法建立。

(1) 巖石彈性能量指數與單軸抗壓強度交互關系分析

利用巖石力學實驗結果繪制了巖石彈性能量指數W與單軸抗壓強度Sc間交互關系圖版(見圖6)，通過回歸得到了彈性能量指數與單軸抗壓強度間的關系模型：

式中，Sc——巖石單軸抗壓強度，MPa。

從圖6可以看出，該關系式對弱巖爆的符合率較高，但中等巖爆及強巖爆的定量分析具有誤差較大。

圖6 巖石彈性能量指數與單軸抗壓強度交互關系Fig.6 The relationship between rock elastic energy index and uniaxial compressive strength

(2) 巖石強度脆性指數與單軸抗壓強度交互關系分析

圖7是繪制的巖石強度脆性指數R與單軸抗壓強度Sc交互圖版，可以看出巖石強度脆性指數與單軸抗壓強度呈正相關關系：

圖7 強度脆性指數R與單軸抗壓強度交互關系圖Fig.7 The relationship between rock strength brittleness index and uniaxial compressive strength

式中，Sc——巖石單軸抗壓強度，MPa。

可以看出，巖石的單軸抗壓強度越高，其儲能性質越好，強度脆性指數越高，可能發生的巖爆程度越高。整體而言，該模型對于弱巖爆、中等巖爆具有較好的符合率，對于強巖爆則誤差較大。

(3) 巖石強度脆性指數與彈性能量指數交互關系分析

進一步探索了巖石強度脆性指數R與彈性能量指數W交互關系，圖8為繪制二者之間的交互圖版，強度脆性指數R與彈性能量指數W存在如下關系。

從圖8可以看出，強度脆性指數R與彈性能量指數W交互關系可以更好的定量分析巖爆傾向性及進行巖爆分級，對于弱巖爆、中等巖爆、強巖爆均具有較好的符合性。

圖8 強度脆性指數與彈性能量指數交互關系Fig.8 The relationship between rock strength brittleness index and elastic energy index

(4) 3種巖性巖石的巖爆傾向性分析

繪制了白云巖、灰巖、頁巖3種巖性的巖石單軸抗壓強度Sc及強度脆性指數R間的交互關系圖，見圖9，可以看出，頁巖基本分布于為弱巖爆區域，灰巖在弱巖爆、中等巖爆和強巖爆均有分布，規律性不強，白云巖則處于中等巖爆及強巖爆區。總之，3種巖性巖石發生巖爆傾向性的順序為：白云巖＞灰巖＞頁巖。

圖9 3種巖性巖石的強度脆性指數與單軸抗壓強度交互關系Fig.9 The relationship between uniaxial compressive strength and strength brittleness index of three types of lithological rocks

通過上面分析可以看出，利用巖石單軸抗壓強度可以較好的獲取強度脆性指數、彈性能量指數，但，強度脆性指數與單軸抗壓強度間的關聯性更好。另外，利用強度脆性指數及彈性能量指數間的交互關系更加利于巖爆傾向性判別。

3.3 硬脆性地層井壁圍巖巖爆傾向性判別方法

綜合本次開展石油鉆井中井壁圍巖易發生崩落掉塊的白云巖、灰巖、頁巖巖爆傾向性研究，初步給出了深井超深井硬脆性地層巖爆傾向性判別方法，見表2。依據該巖爆傾向性判別方法可以解釋深井超深井硬脆性地層井壁圍巖頻繁崩落掉塊及瞬時垮塌現象，為有效制定有效的防控措施提供科學依據。

表2 深井超深井硬脆性地層巖爆傾向性綜合因素分級表Table 2 Classification of comprehensive factors of rock burst tendency in deep hard/brittle formations

4 結論與建議

(1) 巖石力學實驗研究表明，石油工業深井超深井鉆井中遇到的硬脆性地層井壁圍巖崩落現象可以用巖爆理論解釋。利用巖石單軸壓縮實驗時巖石的破裂程度、聲響等表觀特征可以針對巖爆烈度進行合理的分級。

(2) 基于巖石力學實驗確定的巖石強度脆性指數R與彈性能量指數W表明，R值及W值越高，巖爆烈度越高，且R值及W值與巖爆分級之間具有較好對應關系，可以對深井超深井鉆井中硬脆性地層井壁圍巖巖爆傾向性進行判別與分級。本研究表明，白云巖巖爆傾向性更高,與實鉆井壁失穩情況一致。

(3) 利用巖石單軸抗壓強度可以求取強度脆性指數、彈性能量指數，綜合利用強度脆性指數與彈性能量指數交互分析可以實現巖爆傾向性定量判別及分級，可以針對深井超深井鉆遇的硬脆性地層進行合理分類。

(4) 本研究探索給出了石油鉆井中硬脆性地層井壁圍巖巖爆傾向性判別方法，還需要考慮復雜的鉆井工況及地質環境等因素，系統開展井壁失穩機制及防控理論方法研究，進而解決硬脆性地層井壁崩落掉塊難題。