裂缝性碳酸盐岩微细观组构及力学性能研究

刘厚彬，崔 帅，孟英峰，邓 虎，韩 旭

(1.油气藏地质及开发工程国家重点实验室，四川 成都 610500；2.西南石油大学，四川 成都 610500；3.中国石油川庆钻探工程有限公司，四川 广汉 618300)

0 引 言

在常规钻井过程中井壁失稳的发生主要集中在砂泥岩地层，但在碳酸盐岩地层中，由于储层成因、构造作用及成岩作用的复杂性，井壁失稳也普遍存在，并且主要集中在裂缝性、易破碎以及地应力不平衡的硬脆性灰岩等地层中[1-2]。针对碳酸盐岩地层井壁稳定性问题开展了大量的研究工作。Santarelli等[3]利用离散元模型模拟破裂性地层来分析井眼不稳定的原因；Li等[4]研究了川东地区含气的裂缝性碳酸盐岩地层，提出了孔隙压力预测方法与井壁稳定预测方法；Labenski[5]对微裂缝发育地层的井壁稳定问题进行了研究，提出了用钻井液封堵裂缝提高井壁稳定性的方法；刘之的等[6-8]基于测井资料提出了评价碳酸盐岩地层井壁稳定的方法；潘林华[9]针对塔河碳酸盐岩地层的岩心开展了三轴压缩实验，分析了不同围压和孔隙压力对碳酸盐岩力学性能的影响规律；刘志远[10]分析了西部某裂缝性碳酸盐岩储层裸眼井壁失稳的机理，针对渗流场、水化、裂缝以及温度场的影响等建立了裸眼井壁稳定的评价模型。但裂缝对碳酸盐岩地层微细观结构、水理化性能和力学性能的影响并没有确切定论。因此，以川西马鞍塘—雷口坡组碳酸盐岩地层为研究对象，通过碳酸盐岩微细观结构特征研究和井下力学环境三轴力学实验测试，评价分析了裂缝发育、钻井液浸泡效应等对岩体力学性能的影响。

1 碳酸盐岩组成及理化特性

1.1 岩石微细观组构特征

研究对象为川西马鞍塘—雷口坡组碳酸盐岩地层，马鞍塘—雷口坡碳酸盐岩地层自上而下依次为上三叠系马鞍塘组(马二段和马一段)、中三叠系天井山组以及中三叠系雷口坡组(雷四段至雷一段)，储层主要发育于雷四段。利用XRD衍射仪测试了马鞍塘—雷口坡组碳酸盐岩的矿物组成及含量(表1)。

表1 马鞍塘—雷口坡组碳酸盐岩矿物组分及含量测定

由表1可知：马鞍塘—雷口坡组碳酸盐岩矿物组分主要以方解石和白云石为主，含少量石英和黏土矿物，其中，马一段井下岩心方解石含量达到81%，该类灰岩通常岩体坚硬，具有很高的力学强度；其余3个岩样普遍以方解石和白云石为主，为典型的白云质灰岩。

利用超景深体式显微镜和环境扫描电镜(SEM)分别测试了马鞍塘—雷口坡组碳酸盐岩的宏观裂缝和微细观结构特征(图1)，从微细观结构上揭示岩石力学特征及井壁稳定性等特征[11-12]。

由图1可知：马鞍塘—雷口坡组碳酸盐岩微裂缝、孔洞十分发育，且裂缝方向不统一。微裂缝和孔洞可作为天然气的渗流通道，同时，也可作为钻井液侵入的通道对井壁稳定产生影响。结合马鞍塘—雷口坡组碳酸盐岩微细观结构的分析，初步推断影响该地层井壁垮塌的主要因素是储层裂缝发育状况。

1.2 岩石水理化性能

1.2.1 碳酸盐岩孔渗性能实验

碳酸盐岩孔渗性能实验可用于评价井壁岩石渗流能力，为后期评价渗流场对井壁稳定性的影响提供基础参数[13]。马鞍塘—雷口坡组碳酸盐岩孔渗性能测试结果见表2。

由表2可知：碳酸盐岩孔隙度和渗透率普遍较低，裂缝的存在和走向对碳酸盐岩孔隙度无明显影响；当碳酸盐岩中存在垂直裂缝时，沿裂缝延伸方向渗透率明显增大，但存在其他角度的裂缝时，渗透率并未发生明显的变化，说明裂缝的走向对渗透率的影响相对明显。因此，在考虑碳酸盐岩井壁坍塌问题时应考虑渗流的影响。

1.2.2 碳酸盐岩膨胀性能实验

岩石的膨胀性能实验可以评价在钻井液浸泡条件下岩石的膨胀性能，可作为优选钻井液体系的参考因素之一[14]，同时，也可以评估钻井液对于该类岩石地层的实用性，研究岩石膨胀能力及井壁垮塌失稳机理。选取了马鞍塘—雷口坡组有裂缝和无裂缝的2种碳酸盐岩岩样进行测试，评价了碳酸盐岩基岩和碳酸盐岩浸泡在现场使用的油基钻井液条件下的膨胀性能，浸泡时间为48 h，实验结果如表3所示。

图1 马鞍塘—雷口坡组碳酸盐岩微细观结构

表2 马鞍塘—雷口坡组碳酸盐岩孔渗性能测试结果

表3 油基钻井液浸泡后岩样的膨胀性能实验结果

由表3可知：碳酸盐岩在油基钻井液浸泡条件下的膨胀性较弱；当岩石中有裂缝存在时，在毛细管力作用下，钻井液沿裂缝吸附运移，在裂缝面形成水化膜，引发裂缝间距增大，进而导致碳酸盐岩膨胀。因此，存在裂缝的碳酸盐岩膨胀性略高于致密基岩。

结合XRD衍射实验数据分析可知：碳酸盐岩中黏土矿物含量低，膨胀性能弱，钻井液水化效应对碳酸盐岩地层井壁稳定的影响很小；对于裂缝发育的碳酸盐岩，膨胀性能略高于基岩，但影响仍较小。初步分析认为，碳酸盐岩的水化膨胀性能对井壁稳定性的影响较小。

2 岩石力学特性测试分析

2.1 岩石力学特性测试实验

通过室内三轴压缩实验，可以获取井下压力环境下的岩石力学参数，用于评价不同钻井液体系、裂缝发育及裂缝走向等因素对井壁岩石力学性能的影响[15]，也可用于校核测井数据获得的地层岩石力学参数剖面，获取更为可靠的地层岩石力学参数剖面，提高地层井壁稳定性预测精度。

用采集到的金河剖面三叠系马鞍塘组以及雷口坡组碳酸盐岩露头分别开展了干燥碳酸盐岩基岩(A1)、油基钻井液浸泡后碳酸盐岩基岩(A2)、干燥裂缝性碳酸盐岩(B1)以及油基钻井液浸泡后裂缝性碳酸盐岩(B2)4种岩心的三轴力学实验，分别测试了围压为0、20、40、60 MPa时的岩石力学性能参数，以分析各种不同工况条件对碳酸盐岩力学性能的影响。

裂缝性碳酸盐岩(B1、B2)为含有0、30、45、60、90 °裂缝的碳酸盐岩。干燥岩心(A1、B1)在100 ℃的烘箱中烘干24 h后分别在不同围压条件下进行三轴压缩实验。对于油基钻井液浸泡的岩心(A2、B2)，在100 ℃烘箱中烘干24 h后，再将其放于现场油基钻井液中浸泡48 h，然后分别在不同围压条件下开展三轴压缩实验。

2.2 钻井液浸泡前后岩石力学实验结果

2.2.1 基岩(A1、A2)实验结果

干燥碳酸盐岩基岩与油基钻井液浸泡后的碳酸盐岩基岩三轴压缩实验结果如图2所示。

图2 干燥碳酸盐岩基岩与油基钻井液浸泡后碳酸盐岩基岩三轴压缩实验结果

由图2可知：在相同围压环境下，油基钻井液浸泡后的碳酸盐岩基岩的弹性模量和抗压强度没有明显降低，说明马鞍塘—雷口坡组碳酸盐岩基岩受钻井液水化作用影响较小。

2.2.2 干燥岩心(A1、B1)实验结果

干燥碳酸盐岩基岩与干燥裂缝性碳酸盐岩的三轴压缩实验结果如图3所示。

由图3可知：2种岩心的弹性模量没有明显差异，且均呈现随围压增加而增大的趋势；干燥碳酸盐岩基岩与裂缝角度为0、30、45、90 °的干燥裂缝性碳酸盐岩的抗压强度总体上差异不明显，但裂缝角度为60 °的干燥裂缝性碳酸盐岩的抗压强度出现最低值，说明马鞍塘—雷口坡组碳酸盐岩受裂缝走向及力学弱面效应影响较为明显。

图3 干燥碳酸盐岩基岩和干燥裂缝性碳酸盐岩三轴压缩实验结果(不同裂缝角度)

2.2.3 浸泡岩心(A2、B2)实验结果

油基钻井液浸泡裂缝性碳酸盐岩基岩与油基钻井液浸泡裂缝性碳酸盐岩的三轴压缩实验结果如图4所示。

图4 浸泡基岩与浸泡裂缝性碳酸盐岩三轴压缩实验结果(不同围压)

由图4可知：浸泡后碳酸盐岩基岩和浸泡后裂缝性碳酸盐岩的弹性模量在围压为0 MPa时相差较小，但随着围压的增加，浸泡后碳酸盐岩基岩受围压的影响相对明显，弹性模量略高；2种岩心的抗压强度均随着围压的增加而增大，且2种岩心的抗压强度相差较小；不同围压下，裂缝角度为60 °时，浸泡后裂缝性碳酸盐岩的抗压强度出现最低值。说明碳酸盐岩基岩和裂缝性碳酸盐岩受钻井液水化作用影响较小，但受裂缝走向及力学弱面效应影响较为明显。

2.2.4 裂缝性碳酸盐岩(B1、B2)实验结果

干燥裂缝性碳酸盐岩(B1)与油基钻井液浸泡裂缝性碳酸盐岩(B2)的三轴压缩实验结果如图5所示。

图5 干燥裂缝性碳酸盐岩与浸泡裂缝性碳酸盐岩三轴实验结果(不同裂缝角度)

由图5可知：在围压为60 MPa时，干燥裂缝性碳酸盐岩比浸泡后裂缝性碳酸盐岩的弹性模量高，而其他3种围压条件下2种岩心的弹性模量差异较小，且2种岩心的弹性模量均随围压增加有一定程度的增大；钻井液浸泡前后岩心的抗压强度均随围压增加而增大；相对于干燥裂缝性碳酸盐岩，油基钻井液浸泡裂缝性碳酸盐岩的抗压强度并没有明显降低，有的甚至比干燥裂缝性碳酸盐岩抗压强度更高，但在裂缝角度为60 °时抗压强度出现最低值，说明油基钻井液浸泡效应对裂缝性碳酸盐岩影响较小，而受裂缝弱面效应影响最大。

综合前文实验分析可知：油基钻井液对碳酸盐岩抗压强度影响较小，且碳酸盐岩水化膨胀性能较弱，因此，该地层的碳酸盐岩井壁稳定性受钻井液浸泡水化作用影响较小；裂缝的发育对碳酸盐岩的抗压强度影响较大，尤其在裂缝角度为60 °左右时，抗压强度出现最低值；裂缝的存在提高了碳酸盐岩的渗透率[16]，引发裂缝间距增大，同时裂缝的发育造成地层破碎，影响岩石内聚力，导致地层岩石强度降低，坍塌密度升高，从而加大对井壁稳定性的影响。

3 结论及建议

(1)马鞍塘—雷口坡组碳酸盐岩矿物组分主要以方解石和白云石为主，含少量石英和黏土矿物；该地区微裂缝比较发育，同时发育有溶蚀孔洞，水化膨胀性能较弱。

(2)马鞍塘—雷口坡组碳酸盐岩的孔隙度为2%～3%，无裂缝基岩的渗透率为0.003 00 mD左右，裂缝的存在和走向对碳酸盐岩的孔隙度无明显影响。存在非渗流方向的裂缝时，对渗透率影响不明显；当存在与渗流方向一致的裂缝时，渗透率会明显升高，说明裂缝会对井壁渗流产生一定的影响，从而影响孔隙压力，进而影响坍塌压力。

(3)油基钻井液水化效应对马鞍塘—雷口坡组碳酸盐岩力学性能的影响不是特别明显，裂缝走向及力学弱面效应对马鞍塘—雷口坡组碳酸盐岩力学性能的影响更为显著。当裂缝倾角为60 °时，受裂缝弱面效应的影响最为明显，碳酸盐岩抗压强度出现最低值，其他角度受裂缝力学弱面效应影响相对较弱，略低于不带裂缝的基岩；而在不同围压条件下，碳酸盐岩的力学参数基本都是随围压的增加而增大。

(4)马鞍塘—雷口坡组碳酸盐岩地层垮塌的主要原因是地层裂缝发育，发育的裂缝会增加井壁的渗流能力；同时，发育的裂缝受到力学弱面效应的影响造成地层破碎，从而影响岩石内聚力，导致地层岩石强度降低，坍塌压力升高。

(5)针对该类破碎裂缝性碳酸盐岩地层，钻进时应考虑井眼轨迹的优化，选择合适的角度钻穿裂缝性地层，降低裂缝弱面和压力穿透的影响；钻井液应该提高泥浆封堵能力，要求在钻开地层刚形成井眼时，在很短时间内将井壁的各种细微裂缝在入口处“封死”，以尽量减少在破碎地层刚形成井眼时产生掉块的数量，提高封堵速度，尽量防止和减少后续掉块的发生。