库车河剖面砾岩层的岩石力学性质

李 皋，王智辉，刘厚彬，石祥超

(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)

大北-博孜地区巨厚砾岩层研磨性高、可钻性差，钻井过程中，井壁垮塌问题严重。砾岩的结构松散、弱胶结或者无胶结、砾石颗粒分布不均等、形状也各有差异[1]。因此，对该地区砾岩层的岩石力学分析是非常有必要的。砾石层是地球环境变迁和物质迁移等信息记录的重要载体[2]。前人在大北-博孜砾岩层的研究主要为获得构造解释模型[3-8]，以及提高地震数据的质量[9-10]、储层的敏感性研究[11]和油气成藏[12]。针对一些钻井难点及事故，结合现场实践经验，提出了一些建议及控制措施[13]，但对于砾岩层的力学性质及影响因素研究极少。在砾岩力学性质方面，前人的研究主要是单因素影响分析：在砾岩岩石力学测试过程中明显观察到的，砾石强度的限制因素是砾石与胶结物，这使得砾岩的岩石力学相关性扩展到非常规岩石类型时成为必须谨慎考虑的问题[14]。从研究的砾岩的矿物学特征来看，胶结物的百分含量与工程性能具有显著关系[15]。依据室内实验，得出砾岩的抗压强度是抗张强度的12～20 倍，是抗剪强度的5～8 倍，实验值高于理论计算值，岩石的动、静弹性参数一般是线性关系[16]。Akram等[17]发现粒径分布会影响砾岩的力学强度和损伤模式；规格(尺寸)的影响(保持微观结构相同)会影响砾岩的强度和弹性模量；发现砾石材料的力学性与在三轴应力状态下砾石的强度和刚度成正比，而对胶结物的强度和刚度的依赖性可以忽略[17]。Zhu等[18]通过对第三系弱胶结砾岩的研究得到极弱的胶结砾石的内聚力可忽略不计，其强度特性与非黏性土相似。刘向君等[19]讨论了砾石强度对裂缝扩展机制的影响。张重阳等[20]与钟自强等[21]同过力学实验研究砾岩的力学特性。在砾岩的空隙结构方面，秦国省对新疆百口泉油田百口泉组砂砾岩储层进行了直观、定量的测试分析[22]。印森林等[23]复模态岩石颗粒由砾石、中粗砂岩、粉砂或泥质三级颗粒组成，孔隙发育一般，孔隙呈星点状结构，相互连通较差。申波等[24]提出一种应用流动孔隙度预测砂砾岩储层渗透率的新方法。对于砾石的强度及强度的影响因素研究较少。

现通过大北-博孜地区库成河剖面砾岩层胶结程度分析、力学性质随深度变化情况分析及砾岩层力学性质影响因素分析，以促进对该区块地层的了解，对该地区地层参数及井壁稳定提供参考作用。

1 砾岩层宏观分布特征及微观结构

1.1 宏观分布特征

大北-博孜地区巨厚砾石层发育，已钻数口井平均砾石及含砾地层厚度5612m。第三系库车组、康村组、吉迪克组均发育砾层，厚度达5000m以上。通过对库车河剖面砾石层特征横向分布研究，能够为该区块岩石的岩性及力学强度提供依据，更有利于井壁稳定的研究。博孜-大北-克深地区自西向东分别为卡普沙良河剖面、温宿剖面、库车河剖面。相比其他两个剖面，库车河剖面的相同层位砾石层胶结物中，黏土矿物含量稍低，而碳酸盐岩含量较高，砾石颗粒尺寸最小；对库车河剖面进行分析，该区层状发育明显。库车组上部地层的岩性主要为杂色块状小砾岩和灰色的含砾砂岩，下部地层为杂色中层状小砾岩和灰色的含砾砂岩及中细砂岩与褐色泥岩略等厚互层，康村组底部地层为块状杂色的砂砾岩，与吉迪克组整合、密切接触；该剖面同层位自上而下砾石颗粒尺寸呈减小趋势，即同层位砾石颗粒尺寸表现出正旋回特征。

1.2 砾岩层微观组构

借助室内高倍扫描电子显微镜可以观察现场岩样微结构分布情况，探究微裂缝发育情况。图 1为库车河剖面砾石扫描电子显微镜(scanning electron microscope，SEM)照片。其中图1(a)～图1(d)为库车组砾岩电镜扫描照片。可以看出，库车组砾石颗粒与砾石间充填物结合不是很紧密，存在贴粒缝，颗粒间充填物胶结较为疏松，存在较多缝洞，胶结物自身强度较低。图1(e)、图1(f)为康村组砾岩电镜扫描照片，可以看出，康村组砾石层中，砾石颗粒之间的胶结较为致密，为钙质胶结，存有微量的短小裂缝，胶结强度较库车组砾石层的胶结强度来说较高，该类砾石层整体强度较高。图1(g)、图1(h)为吉迪克组砾岩电镜扫描照片，可以看出，吉迪克组砾岩颗粒间胶结物较为致密，粒间充填物与砾石颗粒结合较为紧密，存有少量贴粒缝。通过扫描电镜，发现库车河剖面由上至下压实程度越好，胶结越致密。

图 1 库车河剖面砾石SEM扫描电镜照片Fig.1 SEM of gravel in Kuchehe section

2 岩石力学参数在纵向上的变化

利用室内试验与地表露头回弹仪数据对库车河剖面砾石层力学性质进行分析，由于砾石抗压强度值较胶结物太大，砾岩破裂都是从砾石表面剥落，故先不考虑砾石力学性质。表 1为库车河剖面部分岩石力学参数，可以看出,库车河剖面地层岩石密度主要集中在2.2～2.3g/cm3，库车组和康村组泊松比差距不大，吉迪克组泊松比最小，为30%左右。库车组和康村组泥质含量较多，最大达到41%；吉迪克组泥质含量则比较少，在17% 左右。库车组岩石的弹性模量最低，其次是康村组，再次是吉迪克组。总体来说，库车河剖面岩石弹性模量随深度的增加而增大，泊松比则随深度的增加而减小。表 2为库车河剖面砾岩层粒间胶结物抗压强度分布剖面。数据表明，随着埋深的增加，砾石层粒间胶结物强度都呈增加趋势；库车组、康村组、吉迪克组砾石层胶结物平均抗压强度分别为24.76、28.00、28.43MPa。图 2为各地层室内数据与回弹仪数据对比，由室内试验所得单轴抗压强度与地面露头所测胶结物强度对比可以看出，回弹仪测得的单轴抗压强度数据与室内试验数据趋势相同，都随地层深度的增加而增加，佐证了室内数据。

表 3 库车河剖面砾石颗粒尺寸统计Table 3 Grain size statistics of Kuchehe section

图 3 线性拟合对比Fig.3 Comparison of linear fitting

表 1 库车河剖面地层岩石的力学参数Table 1 Mechanical parameters of formation rocks in Kuchehe section

表 2 库车河剖面地层岩石露头回弹仪数据Table 2 Data of resilience of rock outcrop in Kuchehe section

图 2 各地层室内数据与单轴抗压强度数据对比Fig.2 Comparison of uniaxial compressive strength data obtained from indoor experiments and rebound hammers

3 影响岩石力学性质的因素分析

由实验数据可以看出库车河剖面同层力学参数差距小，不同层差距较大，但由上到下呈递增趋势。针对这种实验现象，从砾石的粒径和胶结物矿物组分方面进行分析，研究对力学性质的影响。

3.1 砾石的粒径

砾岩是指粒径大于2 mm的圆状和次圆状的砾石占岩石总量30%以上的碎屑岩，它是由大小不一的砾石和胶结物组成，研究砾石颗粒的粒径分布是影响砾石层性质的最基本的因素[1]。通常砾石层砾石颗粒越小，砾石颗粒越致密，胶结强度高，力学强度高。

图3 为不同地层砾径跨度值与砾径中值线性拟合对比图，分析不同地层粒径差异。结合表 1、表 2、图 3分析砾石粒径对于岩石弹性模量的影响。表 3为库车河剖面砾石颗粒尺寸统计，展示了库车河剖面的砾径分布。由表 3可以看出，库车河剖面砾石层的砾径偏大，最大达到了253 mm；且不同层位主要粒径范围跨度差异较大，库车组、康村组和吉迪克组最大跨度分别为24、71、35 mm；剖面由上到下最大砾径值差距也比较大，最大与最小值相差101 mm。同层之间主要粒径范围较不同层位差距较小，且在同层中由上到下递减。主要粒径中值和主要粒径跨度值都从侧面反映了砾石层粒径的大小和砾径分布的均匀程度。图 3为主要砾径跨度及主要砾径中值线性拟合图，其数据拟合误差比较小，分别为2.0309、3.0928。可以看出库车河剖面主要砾径和主要砾径跨度都呈递减趋势。在同层位砾石及胶结物矿物组分相差不大的情况下，结合该剖面的岩石力学分析，发现砾石粒径越小、砾径分布越均匀的地方，弹性模量越大，力学强度越高。基于实验测试的砾石颗粒尺寸库车河剖面砾石颗粒尺寸如表 3所示。

图 4 库车河剖面砾石层胶结物各矿物组分含量Fig.4 The content of each mineral component in the gravel layer in Kuqa River

3.2 胶结物

库车河剖面由上到下压实程度越好，胶结越致密。图 4为库车河剖面砾石层粒间胶结物矿物组分对比分析图，对比分析了库车河剖面库车组、康村组及吉迪克组砾石粒间胶结物变化规律。由图 4可以看出，库车河剖面不同层位砾石层粒间胶结物矿物组分分布具有明显差异，不同层位砾石层粒间胶结物石英含量变化不明显，但黏土和碳酸盐岩含量具有明显变化，库车组及康村组上部地层黏土含量普遍在30%～40%，康村组中下部、吉迪克组砾石层粒间胶结物黏土含量减小。同时，不同层位砾石层粒间胶结物碳酸盐岩含量变化规律与黏土含量相反，黏土含量相对偏高的砾石层，碳酸盐岩含量偏低，即该类砾石层粒间胶结物主要以黏土为主，对应的胶结物抗压强度较小，泊松比较大；黏土含量减小的砾石层，碳酸盐岩含量增加，康村组中下部、吉迪克组砾石层粒间胶结物是以碳酸盐岩为主的灰质胶结，结合图 5库车河剖面砾石层力学参数图发现对应的弹性模量胶结物抗压强度大，泊松比较小。综上，胶结物中泥质含量和碳酸盐岩矿物均会影响砾岩的力学性质，其胶结物强度值跟泥质含量成反比，跟碳酸岩盐矿物含量成正比。

图 5 库车河剖面砾石层力学参数Fig.5 Mechanical parameters of gravel layer cement in Kuqahe section

4 结论

库车河剖面砾石层不同层位的砾径较同层位差异较大，同层位砾径由上到下递减；胶结物主要为黏土和碳酸盐岩矿物，且随地层深度增加，胶结程度增加，碳酸盐岩矿物含量也变大。该剖面砾岩弹性模量在34.11～48MPa，泊松比在0.17～0.27，砾岩层胶结物抗压强度在21.9～32.33MPa；由上到下，弹性模量逐渐增大，与其相反的是泊松比则递减。对砾岩岩石力学参数影响因素分析，发现砾径越小、粒径组成差距越小的层位，岩石的弹性模量值越大；胶结程度越好，灰质胶结含量越高的层位，力学强度越高。