KS地区砾岩地层岩石力学特性试验研究

2020-11-09张重阳梁利喜刘向君

科学技术与工程 2020年27期

张重阳，熊健，梁利喜，刘向君，张旭

(西南石油大学油气藏地质及开发工程国家重点实验室，成都 610500)

中国西部某构造带是中国主要的天然气勘探开发区域之一，已经发现KL2、KS2、KS8等22个油气藏，目前已探明的天然气储量就超过万亿立方米[1-3]。对KS地区现有的部分已钻井的资料统计分析，发现J组地层中发生了100余次井下复杂状况，其中卡钻、蹩钻等类型占比约为90%。同时发现井下复杂情况与地层的岩性有较大关联性，其发育岩性包括泥岩、砂岩和砾岩，其中砾岩地层所导致井下复杂状况较为严重。砾岩地层主要有断槽重力流、颗粒流和泥石流性近岸水下扇等成因类型，发育在冲击扇、河流三角洲、近岸水下扇等坡度陡、物源近、古地形起伏大及构造活动较为强烈的地区[4-6]。普遍具有砾石大小分选磨圆较差、砾石颗粒物源和岩石矿物组成复杂、胶结类型多样、胶结程度差异性大、非均质性强等特点[7-9]。由于砾岩地层岩石矿物成分复杂，砾石颗粒分选差，非均质性强，岩石可钻性差、研磨性较强，经常导致钻头进尺较少、钻头断齿、井壁垮塌等一系列井下复杂状况[9-14]。在钻井过程中砾石容易掉落，并且不易打碎，钻井液的携带能力不够强，造成砾岩颗粒在井筒中堆积，严重时将导致卡钻、憋钻等井下复杂状况。因此，研究N1j组砾岩的岩石力学特性，揭示其力学行为，对优化该地层的钻井设计和预防井下复杂事故有重要意义。

针对砾地层力学特性及其相关问题前人做了大量研究工作。闫建平等[15]利用图像分析的方法结合岩心实际资料提出了一种定量描述和分类砾岩的方法；杨帆[16]根据室内力学实验研究发现砾岩岩石的抗压强度是抗张强度的12～20倍，是抗剪强度的5～8倍；樊海柱[17]以室内理学实验为基础结合多种研究手段，分析了砾岩的破坏特征和抗剪强度影响因素；Sonmez等[18]研究了砾石含量对砾岩抗压强度的影响，建立了砾石含量和砾石强度对砾岩单轴抗压强度的预测模型；陈海清等[19]以常规三轴压缩试验为基础，开展了浸泡时间和温度对砾岩岩石力学特性的影响；钟自强等[20]利用室内岩石力学实验结合砾岩地层测井资料提出了砾岩地层力学参数预测模型；Daneshy[21]通过理论推导，研究了天然裂缝、层间滑移等因素对砾岩裂缝扩展的影响；李连崇等[22]利用RFPA2D-Flow研究了地应力场、砾石含量和粒径等因素对砾岩地层水力压裂裂缝规律的影响；孙元伟等[23]基于RPFA软件研究了砾石尺寸对砾岩岩石力学参数的影响规律；朱海燕等[24]研究了砾岩地层的岩石力学特性并提出了研究地区的砾岩地层钻头优选方法。这些研究成果有助于人们对砾岩地层的力学特性的认识，而针对KS地区砾岩地层的力学特性和破坏模式还未进行深入研究，而在实际工程中，这些砾岩的基本性质会深刻地影响在该地区钻井的效率和质量。

因此，以KS地区N1j组砾岩岩样为研究对象，通过基础物性、力学实验研究KS地区砾岩地层的岩石矿物组成、力学特性、破坏模式及机理，以期为KS地区砾岩地层钻井过程中，优化钻井设计方案，改善该地区钻井作业的效率，为预防井下复杂事故提供支撑。

1 实验样品

实验样品主要是中国西部KS地区N1j组井下6 000 m左右的砾岩，砾岩以杂色中砾岩和粗砾岩为主。根据井下取心样品观察可以发现该层组砾岩的分选性较差，最大粒径8 cm左右，而砾石的磨圆较好，几乎不可见尖锐的砾石角砾，这可能与其成岩地区有较强的成岩作用有关。实验样品主要取自KS地区，实验样品详细信息如表1所示。从表1可以看出，砾岩岩心在纵向上分布差异大，砾石粒径变化明显，表明砾岩岩心存在比较强的非均质性。通过岩心孔渗实验、X射线衍射分析实验(diffraction of X-rays，XRD)、单轴压缩实验、三轴压缩实验和压入硬度试验，研究了KS地区N1j组砾岩的基础物性、岩石矿物组成和岩石力学特性。

表1 岩心取样基本信息Table 1 Basic information of the core samples

2 砾岩理化及基础物性特征

2.1 矿物组成特征

砾岩主要由砾石和基质组成，砾石的矿物组成与其母岩和原生矿物有关，基质的矿物组成与砾岩的物源及成岩环境有关。依照行业标准《沉积岩中黏土矿物和常见非黏土矿物X衍射分析方法》(SY/T 5163—2010)，采用PANalytical公司生产的X射线衍射仪，对砾岩样品基质进行矿物组分分析，测试结果如图1所示。

砾岩基质主要由黏土矿物、石英和方解石组成，黏土矿物含量分布在7.28%～29.6%，平均值为19.86%；石英含量分布在12.35%～28.2%，平均值为18.38%；方解石含量分布在24.12%～79.14%，平均值为49.51%。另外通过对砾岩砾石颗粒进行岩石薄片分析，发现砾石颗粒主要是泥晶灰岩和灰质云岩组成。

图1 砾岩基质矿物组分分析Fig.1 Mineral composition analysis of conglomerate matrix

2.2 基础物性特征

根据《岩心分析方法》(GB/T 29172—2012)标准对岩心进行孔隙度和渗透率测试。KS地区N1j组砾岩井下岩心的体积密度、孔隙度、渗透率结果如图2所示，砾岩体积密度分布为2.545～2.656 g/cm3，平均值为2.590 g/cm3；孔隙度分布在1.08%～2.46%，平均值为1.72%；渗透率分布在0.002～0.044 mD，平均值为0.015 mD。从图2(a)可以看出,砾岩的岩石密度分布均匀，不同样品之间密度差异不大，而对比图2(b)和图2(c)可以发现，砾岩的孔隙多和渗透率相关性差，特别是渗透率分布差异较大，这可能与砾岩本身的不均匀性有关，砾石大小和含量的分布不均，使得不同样品之间的渗透率差异明显。

图2 基础物性特征测试结果Fig.2 Test results of basic physical charateristics

3 力学特性测试

通过三轴压缩实验、压入硬度实验获取了KS地区N1j组井下砾岩的抗压强度、压入硬度等参数，分析砾岩的岩石力学特性。

3.1 砾岩岩石硬度特征

砾岩主要由砾石颗粒和基质两部分组成，为了探究砾岩砾石和基质的力学性质，利用硬度仪测试了砾岩砾石和基质的压入硬度，测试结果如图3所示。由测试结果可知，砾岩砾石硬度分布在569.39～1 379.33 MPa，平均值为973.46 MPa；而基质压入硬度分布在236.59～536.56 MPa，平均值为379.22 MPa。砾石硬度为基质硬度2～3倍，砾岩砾石主要由泥晶灰岩和灰质云岩组成，基质以砂岩、泥质为主。同时从图3(e)和图3(f)可以发现，不同样品砾石和基质的压入硬度差异较大，而岩石硬度与岩石强度存在很好的相关性[25]，砾石硬度的差异和其与基质硬度的差异将可能导致砾岩岩石力学特性的非均质性。

3.2 砾岩岩石抗压强度

为探究砾岩的抗压强度特性，对比分析了浸泡钻进液前后砾岩抗压强度数据。如图4所示，砾岩地层的岩石力学参数变化范围非常大，砾岩未浸泡钻井液条件下，抗压强度分布在59.74～75.5 MPa；而在80 MPa围压条件下砾岩的抗压强度分布在140.06～170.06 MPa。而在浸泡现场钻进液后砾岩的抗压强度明显下降，在单轴实验条件下，其抗压强度分布在33.35～44.15 MPa。从图4还可以发现，不同砾岩样品的抗压强度差异较大，在浸泡钻进液后砾岩的抗压强度下降幅度达到42.71%，说明砾岩在浸泡钻井液后，由于钻进液进入砾岩岩石内部，造成砾岩的基质部分发生水化，导致砾岩强度降低。为了防止研究区块的砾岩段发生井下复杂状况，现场钻井液还需要进一步优化，降低钻进液对砾岩岩石力学特性的影响，保证钻井高效安全开展。

图3 砾岩砾石基质硬度对比Fig.3 The hardness contrast of matrix and gravels

图4 砾岩抗压强度分析Fig.4 Compressive strength analysis of the conglomerate

3.3 砾岩破坏模式及机理

砾岩破坏形态如图5所示，全直径砾岩岩心的破坏模式以劈裂为主，裂缝的形态多与轴线相平行，裂缝的延伸形态多以绕砾为主。砾岩的裂缝形成主要是由于在轴向施加荷载的情况下，岩石内部能量段加大，当砾岩的压缩应力达到峰值后，能量急剧释放，在岩样表面形成多个与轴向平行的宏观裂缝，使得岩样瞬间破坏。砾石颗粒对裂缝具有很好的屏蔽作用，多数裂缝的延伸都是围绕着砾石的边缘，从砾石的一侧或者两侧绕过。砾石强度远大于基质硬度，裂缝选择性向砾石与基质间胶结较弱、强度较差的地方延展导致裂缝在砾石颗粒周围延展[25]。同时在一些裂缝不发育的砾石颗粒边缘同样有一些宏观裂缝发育，这主要是由岩石在加载过程中内部应力加大、聚集的能量变多所致，在岩石脆弱区域产生局部破坏的原因。

同时也可以观察到，在图5(c)中存在一些裂缝穿过砾石颗粒的情况，这可能主要是因为部分砾石颗粒的强度和基质强度差距不大，或者砾岩胶结程度极好，使得砾石颗粒与基质形成一个整体，裂缝延伸的时候就会贯穿整个砾石。砾岩裂缝的形成和延伸极为复杂，与砾石颗粒和基质的岩石矿物组成、强度，砾石颗粒的大小、分布，砾岩胶结的类型、程度等因素有关。该研究结论与玛湖砾岩破坏模式有一定的相似性[26]，其研究结果表明玛湖凹陷百口泉组砾岩中压裂缝多以绕砾形式延伸(图6)。砾岩裂缝扩展延伸形态与砾岩砾石和基质的强度有关，当砾石强度和基质强度差异不大时，裂缝延伸的时候将以穿砾为主，裂缝将切开砾石，继续向前延展，而当砾石强度远远高于基质强度时，砾岩的裂缝扩展将以绕砾为主，裂缝延展的张力不足以撑开砾石继续延展[27]。

图5 砾岩样品试验后照片Fig.5 Photographs of the conglomerate after the experiment

图6 玛湖凹陷百口泉组砾岩裂缝扩展形态[26] Fig.6 Fracture extension morphology of Baikouquan Formation conglomerate in Mahu Sag[26]

3.4 砾岩岩石应力-应变特征

以砾岩为实验对象，利用岩石力学三轴实验，分析了砾岩浸泡钻进液前后的岩石力学特性。砾岩应力-应变曲线如图7所示，可以观察到砾岩的轴向应变均大于其径向应变，而在围压(80 MPa)条件下砾岩的脆性明显减弱，塑性增强，岩石的残余应力增大。在单轴条件下砾岩的轴向峰值应变都小于2%，表明研究区块的砾岩具有比较强的脆性，而在浸泡现场钻井液后，砾岩的峰值强度降低和峰值应变降低到1%左右，岩石抗压强度降低了42.71%，表明在浸泡钻井液后砾岩脆性变强[28]，弱化了力学性质，造成井下复杂状况更易发生。