劉生春 ，陽(yáng)松宇 ，單法銘 ，黃太 ，尹帥 ，劉小雪

（1.中國(guó)石油青海油田分公司采氣三廠，青海 冷湖 817400；2.西安石油大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院，陜西 西安 710065；3.中國(guó)石油玉門(mén)油田分公司老君廟釆油廠，甘肅 玉門(mén) 735200）

0 引言

膏泥巖作為一種蒸發(fā)巖，廣泛分布于全球各個(gè)時(shí)期的地層中。純膏巖的孔隙度通常小于1%，其滲透率則接近于0［1］。因此，膏泥巖為很好的油氣蓋層。當(dāng)膏泥巖的厚度超過(guò)1.0 m時(shí)，就可以對(duì)下伏油氣藏進(jìn)行良好的封閉，如美國(guó)Little Sand Draw油田的上覆膏泥鹽蓋層僅有1.2 m［2］。對(duì)于埋深和厚度均非常大的膏泥巖蓋層，巖體中的應(yīng)力分布特征復(fù)雜，鉆井難度大、周期長(zhǎng)，同時(shí)容易出現(xiàn)井壁失穩(wěn)等工程事故［3-5］。一旦出現(xiàn)工程事故，將會(huì)延誤施工進(jìn)度，增加費(fèi)用投入，還可能會(huì)造成井的報(bào)廢［6］。因此，通過(guò)采集深層膏泥巖井下樣品，系統(tǒng)分析其靜態(tài)巖石力學(xué)性質(zhì)，對(duì)于制定合理的鉆井方案具有重要意義。本文基于礦物組分分析及靜態(tài)巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)測(cè)試方法，對(duì)塔西南地區(qū)古近系厚層膏泥巖進(jìn)行了系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)巖石力學(xué)分析，研究了高地層圍壓條件下膏泥巖的破裂特征及硬石膏礦物組分對(duì)巖石應(yīng)力、應(yīng)變及巖石力學(xué)參數(shù)變化的影響。

1 研究區(qū)概況及樣品實(shí)驗(yàn)

研究區(qū)位于塔西南玉北地區(qū)，古近系膏泥巖在全區(qū)穩(wěn)定分布，厚度較大，通常為50～200 m，埋深大于3 500 m。區(qū)內(nèi)古近系的地層展布呈單斜構(gòu)造，由東北部地區(qū)到西南部地區(qū)逐漸變低，斷層在古近系內(nèi)部不發(fā)育［7］。研究區(qū)缺失中生代地層，古近系發(fā)育的蒸發(fā)巖包括膏泥巖和鹽巖，均形成于酷熱干燥的干旱條件下［8］。這些深層且厚度大的膏泥巖層是下伏古生代油氣儲(chǔ)層良好的區(qū)域性蓋層。

古近系膏泥巖樣品共8組，編號(hào)為Y1—Y8，樣品尺寸為φ2.5 cm×5.0 cm圓柱體。膏泥巖樣品中的主要礦物為硬石膏和泥質(zhì)，根據(jù)兩者體積分?jǐn)?shù)的大小，這些樣品分別命名為泥質(zhì)硬石膏巖（AR）和硬石膏質(zhì)泥巖（GMR）。AR中硬石膏質(zhì)組分的體積分?jǐn)?shù)大于泥巖組分，而GMR中泥巖組分的體積分?jǐn)?shù)大于硬石膏質(zhì)組分。利用OLYMPUS偏光顯微鏡對(duì)8組樣品進(jìn)行了礦物組分分析，各組樣品的礦物組分體積分?jǐn)?shù)如表1所示。樣品中的硬石膏具有多種分布形態(tài)，硬石膏組分和泥質(zhì)組分通常是相間分布的，兩者關(guān)系密切。

表1 巖樣各礦物組分體積分?jǐn)?shù) %

對(duì)樣品進(jìn)行了三軸巖石力學(xué)測(cè)試，測(cè)試儀器為MTS巖石物理測(cè)試系統(tǒng)。該系統(tǒng)可施加的極限圍壓和極限孔隙壓力分別為140 MPa和70 MPa，軸向最大載荷為1 000 kN。系統(tǒng)所施加應(yīng)力的誤差小于1%，位移誤差小于0.000 1 mm。

研究區(qū)古近系地層溫度實(shí)測(cè)值為85～87°C，應(yīng)力梯度0.024 MPa/m，地層壓力系數(shù)為1.0，地層有效圍壓50 MPa。實(shí)驗(yàn)溫度為85°C。8組樣品中每組含有樣品4個(gè)，分別施加有效圍壓 0，15，30，50 MPa。實(shí)驗(yàn)步驟：首先以0.05 MPa/s速度加載圍壓，圍壓每施加5 MPa后再施加大小相等的軸壓，軸壓的應(yīng)變加載速率為3.6×10-3s-1。當(dāng)圍壓增加至設(shè)定值后，圍壓保持恒定，然后繼續(xù)加載軸壓，直至試樣破壞，此時(shí)試驗(yàn)結(jié)束。

通過(guò)以上測(cè)試，可以獲得不同圍壓條件下巖石樣品的抗壓強(qiáng)度、彈性模量及泊松比等參數(shù)。

2 巖石破裂特征

研究區(qū)古近系膏泥巖在測(cè)井上的主要特征為：1）低自然伽馬值，通常分布在10～65 API；2）高密度值，當(dāng)硬石膏體積分?jǐn)?shù)大于90%時(shí)，巖石密度通常大于2.9 g/cm3；3）聲波時(shí)差通常為 164～328 μs/m，相比鹽巖和泥巖要高。

樣品在單軸條件下具有明顯的張性破裂特征，而在三軸圍壓條件下則表現(xiàn)出較為明顯的剪裂特征。這種情況表明，圍壓對(duì)破裂縫的形成及延展起到了一定的阻礙作用［9］。隨著圍壓增加，各應(yīng)變的變化特征如圖1所示。隨著應(yīng)力加載的進(jìn)行，軸向應(yīng)變量和環(huán)向應(yīng)變量均逐漸增加，體積應(yīng)變量則變化較小。圖1中軸向應(yīng)變曲線發(fā)生曲折是由于軸向壓力和圍壓的施加是同步進(jìn)行的。為保證樣品的完整性，不至于造成樣品的人為破壞，圍壓每施加5 MPa后，施加一定的軸向壓力。此時(shí)，會(huì)造成軸向應(yīng)變曲線的波動(dòng)。

圖1 三軸加載過(guò)程中各應(yīng)變的變化特征

不同圍壓條件下樣品的應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖2所示。單軸條件下，曲線表現(xiàn)為明顯的彈性變形特征（見(jiàn)圖2a）；而在三軸應(yīng)力載荷狀態(tài)下，巖石具有明顯的彈性和塑性變形特征（見(jiàn)圖2b—2d）。由巖石應(yīng)力-應(yīng)變曲線可以看出，地層圍壓50 MPa條件下，膏泥巖樣品的軸向應(yīng)變可以劃分為5個(gè)階段（見(jiàn)圖2d）：第1個(gè)階段從初始點(diǎn)到A點(diǎn)，該階段巖石被擠壓壓密，內(nèi)部微裂縫和孔隙迅速閉合；第2個(gè)階段從A點(diǎn)到B點(diǎn)，為線彈性變形階段，在持續(xù)增加的應(yīng)力載荷條件下，巖石的應(yīng)力-應(yīng)變呈線性關(guān)系增加，此時(shí)巖石內(nèi)部通常沒(méi)有新微裂縫的產(chǎn)生；第3個(gè)階段從B點(diǎn)到C點(diǎn)，為非線性、穩(wěn)定延展階段，該階段應(yīng)力載荷的增加速度強(qiáng)于圍壓增加所提升的巖石強(qiáng)度，因而巖石內(nèi)部出現(xiàn)大量孔隙的坍塌，同時(shí)產(chǎn)生一些新微裂縫；第4個(gè)階段從C點(diǎn)到D點(diǎn)，為非線性、非穩(wěn)定延展階段，此階段巖石內(nèi)部出現(xiàn)大量新微裂縫，并最終導(dǎo)致巖石中巖心尺度宏觀破裂的發(fā)生；最后一個(gè)階段從D點(diǎn)之后，為峰后應(yīng)變階段，巖石發(fā)生破裂，其內(nèi)部?jī)H剩余殘余強(qiáng)度。

3 硬石膏體積分?jǐn)?shù)對(duì)應(yīng)力、應(yīng)變的影響

分析了硬石膏礦物組分體積分?jǐn)?shù)在地層圍壓50 MPa條件下，膏泥巖樣品的偏應(yīng)力（軸向應(yīng)力與圍壓的差）與應(yīng)變關(guān)系（見(jiàn)圖3）。由圖3a可知，具有低硬石膏礦物組分體積分?jǐn)?shù)的樣品首先達(dá)到極限強(qiáng)度并發(fā)生破裂。例如，同屬于GMR的樣品Y1和Y3，Y3首先發(fā)生破裂，而同屬于AR的樣品Y6和Y7，Y6首先發(fā)生破裂。分析認(rèn)為，硬石膏體積分?jǐn)?shù)的增加能提高巖石的破裂強(qiáng)度，延緩巖石發(fā)生破裂的時(shí)間。由圖3b所示的環(huán)向應(yīng)變曲線可以看出，樣品Y1和Y7具有最長(zhǎng)的塑性變形段，表明這2塊巖石樣品具有較強(qiáng)的塑性。在高地層圍壓條件下，這種長(zhǎng)時(shí)間的塑性行為會(huì)導(dǎo)致巖石內(nèi)部礦物發(fā)生滑移位錯(cuò)，類(lèi)似于長(zhǎng)期的蠕變行為，從而集聚巨大的額外應(yīng)力，從而對(duì)鉆井井壁或套管造成破壞［1，3］。

圖2 不同圍壓條件下膏泥巖應(yīng)力-應(yīng)變曲線特征

圖3 測(cè)試樣品備應(yīng)變與偏應(yīng)力關(guān)系

4 硬石膏體積分?jǐn)?shù)對(duì)巖石力學(xué)參數(shù)影響

抗壓強(qiáng)度、彈性模量和泊松比隨著圍壓的增加而增加（見(jiàn)圖4）。由圖4a可以看出，圍壓50 MPa、三軸條件下，測(cè)試樣品的抗壓強(qiáng)度與硬石膏體積分?jǐn)?shù)之間具有較強(qiáng)的正相關(guān)性，隨著硬石膏體積分?jǐn)?shù)從10%增加到90%，樣品抗壓強(qiáng)度從120 MPa增加到了200 MPa，增幅十分明顯。

對(duì)于具有相同硬石膏體積分?jǐn)?shù)的膏泥巖樣品，隨著圍壓的增加，泊松比表現(xiàn)出明顯的增長(zhǎng)趨勢(shì)（見(jiàn)圖4c）。這說(shuō)明，膏泥巖樣品所承受的應(yīng)力環(huán)境越大，其塑性越強(qiáng)［10］。持續(xù)的塑性變形行為會(huì)在套管壁上發(fā)生應(yīng)力集中，造成套管擠壓變形。對(duì)于三軸巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)中的樣品，其在加載過(guò)程中的基本變化為軸向的縮短及環(huán)向的擴(kuò)張［11］。很顯然，對(duì)于脆性巖石，其在破裂前通常不會(huì)發(fā)生明顯的環(huán)向擴(kuò)張，因此其泊松比值較??；而對(duì)于塑性巖石，其通常會(huì)發(fā)生較顯著的塑性變形行為，因而其泊松比值較高。具有高硬石膏體積分?jǐn)?shù)的樣品同樣具有較高的泊松比，表明具有高硬石膏體積分?jǐn)?shù)的樣品也具有較強(qiáng)的塑性。這與硬石膏礦物的內(nèi)部晶體結(jié)構(gòu)有關(guān)，在高應(yīng)力條件下，這種礦物容易發(fā)生晶間滑動(dòng)行為［12］。

圖4 樣品巖石力學(xué)參數(shù)與硬石膏體積分?jǐn)?shù)的關(guān)系

此外，水平方向主應(yīng)力差對(duì)膏泥巖的塑性行為及套管壁面上的應(yīng)力集中也有較大影響。對(duì)于研究區(qū)古近系膏鹽層，當(dāng)水平方向主應(yīng)力差值高于18.5 MPa時(shí)，常規(guī)套管（外徑250.8 mm）會(huì)出現(xiàn)不同程度擠壓變形的現(xiàn)象，表明水平方向應(yīng)力的差異性越大，越利于膏泥巖中礦物晶體的滑動(dòng)［13］。當(dāng)采用高強(qiáng)度套管（外徑265.1 mm）時(shí)，各井均無(wú)變形現(xiàn)象出現(xiàn)。因此，對(duì)于深層且厚度較大的膏泥巖地層，其所處的應(yīng)力環(huán)境較大，特別對(duì)于水平方向主應(yīng)力差值較大的情況，可選用高強(qiáng)度套管，從而降低鉆探風(fēng)險(xiǎn)。

5 結(jié)論

1）單軸條件下，膏泥巖具有明顯的張性離散破裂特征，而三軸條件下則表現(xiàn)為明顯的剪裂特征。硬石膏組分體積分?jǐn)?shù)的增加能明顯延緩巖石破裂的時(shí)間，提高巖石的抗張剪能力及強(qiáng)度極限。

2）硬石膏體積分?jǐn)?shù)增加能提高巖樣的抗壓強(qiáng)度、彈性模量及泊松比，同時(shí)延緩巖石的弱化，但在高應(yīng)力條件下膏泥巖具有較為明顯的塑性特征。

3）長(zhǎng)時(shí)間的膏泥巖塑性行為會(huì)導(dǎo)致礦物內(nèi)部發(fā)生滑移位錯(cuò)，類(lèi)似于長(zhǎng)期蠕變行為，從而集聚巨大的額外應(yīng)力，對(duì)井壁或套管造成破壞。膏泥巖地層中的水平方向主應(yīng)力差的差異性越大，越利于膏泥巖中礦物晶體的滑動(dòng)，進(jìn)而對(duì)套管造成破壞。