張 麗， 白永輝， 王長城， 景 龍

(河北省地礦局第四水文工程地質(zhì)大隊，河北 滄州 061000)

0 引言

古近系包括了古新統(tǒng)、始新統(tǒng)和漸新統(tǒng)，其頂界年齡為23.03 Ma，底界年齡為(65.5±0.3) Ma。河北平原古近系地層主要發(fā)育有東營組、沙河街組和孔店組地層，本文研究的古近系地層埋藏深度在1650～3450 m，巖性主要為泥灰?guī)r、鈣質(zhì)泥巖、石膏泥巖和砂巖。在河北平原古近系地層連續(xù)沉積，僅在臺拱區(qū)古近系底部地層有缺失，其巖性相近，礦物成分大體相同，其物理力學(xué)性質(zhì)也基本相同。

取心鉆探作業(yè)的對象是巖石，巖石的物理力學(xué)性質(zhì)是選擇鉆進工藝和指導(dǎo)鉆探生產(chǎn)的重要依據(jù)。地層巖石的基本性質(zhì)是影響鉆頭破碎效率所不可更改的客觀因素[1-2]。為了提高鉆進效率，對不同地層巖石物理力學(xué)性質(zhì)進行分析研究是十分必要的。巖石的物理力學(xué)性質(zhì)有許多，本文主要選取對取心鉆探影響較為明顯的巖石密度、巖石硬度、抗壓強度以及針對泥巖的彈塑性等物理力學(xué)因素進行分析研究。

本文的研究主要是基于我隊2012-2016年完成的河北省滄縣鹽礦普查項目及2017年開展的滄州深部大口徑鹽礦鉆進技術(shù)研究項目。其中鹽礦普查項目共施工取心鉆孔3個，孔深分別為3000、3250和3450 m，終孔孔徑216 mm，取心口徑為90～102 mm，終孔層位為孔店組地層。本文所研究的樣品測試數(shù)據(jù)和鉆進速度數(shù)據(jù)等均來自這3個鉆孔。

1 巖石物理力學(xué)特性分析

1.1 巖石密度、抗壓強度

巖石密度是指巖石原狀結(jié)構(gòu)巖塊的單位質(zhì)量，可以直觀反映巖石的硬度。通常情況下巖石的密度大，其硬度一定會高[3-4]。研究過程中巖石的硬度對取心鉆探速度的影響可以用巖石密度替代分析。巖石強度是其抵抗外力破壞的能力，根據(jù)外力性質(zhì)的區(qū)別可分為抗壓、抗拉、抗剪和抗彎強度，本文僅對抗壓強度進行分析?？箟簭姸瓤梢苑从称扑榭椎讕r石所需加在鉆頭上荷載(鉆壓)的大小。

鉆探施工采用RT30/1700型石油鉆機及QS-98-Ⅱ型單動雙管取心鉆具，通過鉆孔連續(xù)取心進行密度測試和抗壓強度測試，對比不同深度、不同地質(zhì)時代的差異，同時也可分析其對鉆速的影響。在2017年開展的鉆進技術(shù)研究項目中共在3個鉆孔中取得41件密度測試樣品數(shù)據(jù)和26件抗壓強度測試樣測試數(shù)據(jù)，巖石密度測試按照《煤和巖石物理力學(xué)性質(zhì)測定方法第2部分：煤和巖石真密度測定方法》(GB/T 23561.2-2009)進行；抗壓強度參照《煤和巖石物理力學(xué)性質(zhì)測定方法第7部分：單軸抗壓強度測定及軟化系數(shù)計算方法》(GB/T 23561.7-2009)進行，最終通過匯總統(tǒng)計形成表1所示的數(shù)據(jù)。

表1 巖石密度、抗壓強度測試數(shù)據(jù)統(tǒng)計

由表1分析研究可初步得出如下4個認(rèn)識：

(1)單孔內(nèi)，巖石密度隨著深度的增加具有增大趨勢，不同時代的地層，巖石密度有所區(qū)別，老地層較新地層密度大，這種現(xiàn)象與固結(jié)程度逐步增強、地層逐步密實相一致[5-7]。施工現(xiàn)場在進行巖心整理期間，同樣取心直徑的巖心，下部層段的巖心明顯要比上部層段重，這與巖石密度測試結(jié)果逐步增加相吻合。巖石密度的差異一定程度上表現(xiàn)了不同地質(zhì)時代地層的成巖程度。

(2)古近系地層與古老地層相比，其巖石抗壓強度較低，但隨深度增加，其抗壓強度呈緩慢增加趨勢。

(3)不同巖性之間，沙河街組四段石膏泥巖密度和抗壓強度均最高，平均值達2.83 g/cm3、42.9 MPa。泥灰?guī)r密度和抗壓強度相對較低。同一種巖性，其密度隨地層時代和埋藏深度不同而不同，即地質(zhì)時代越老，密度越大，抗壓強度越大。埋藏深度越深，密度越大，抗壓強度越大。這種現(xiàn)象與固結(jié)程度逐步增強、地層逐步密實的基本認(rèn)識相一致。

(4)從單孔鉆進難易程度分析，淺部地層固結(jié)不完全，密度稍低，鉆進刻取巖石較容易，鉆進速度較快；深部地層固結(jié)程度高，密度增大，鉆進刻取巖石較困難，鉆進速度下降明顯。密度變化幅度較大的孔段，鉆速變化也較大，同一時代的地層，密度越低，鉆進速度越高。

1.2 巖石的彈塑性

巖石在外力作用下，只改變其形狀和大小而不破壞自身的連續(xù)性，該性能稱之為塑性。巖石的塑性反映吸收殘余形變或吸收巖石未破碎前不可逆形變的機械能量的特性。巖石在外力作用下，首先發(fā)生彈性變形，然后產(chǎn)生塑性形變，最后發(fā)生脆性破壞，該類巖石稱之為彈塑性巖石。

由于古近系地層泥巖相對較多，從巖心表面觀察判斷古近系地層均具有脆性特征，在樣品切割過程中巖樣也的確表現(xiàn)出了脆性特征，容易開裂，甚至不能加工成形(如圖1所示)。但在實際鉆進期間，個別層段卻發(fā)生蠕變縮徑現(xiàn)象，塑性特征明顯。因此在古近系地層取心鉆進過程中分析地層巖石的彈塑性影響，有助于對孔內(nèi)鉆進情況進行正確判斷，從而指導(dǎo)鉆進工藝。

圖1 試樣加工崩散照片

在2017年開展的鉆進技術(shù)研究項目中共取得5件彈塑性測試樣品數(shù)據(jù)，均為沙河街組一段-三段地層測試樣。按巖性分類，鈣質(zhì)泥巖1件，泥灰?guī)r4件。經(jīng)測試，巖樣的塑性指數(shù)介于1.44～2.12。按照巖石塑性指數(shù)分類，均屬于彈塑性巖石。

2 鉆進速度影響因素分析

2.1 取心鉆進影響因素

為了更好地分析研究上述巖石物理力學(xué)特性對鉆進速度的影響，找出規(guī)律，本文對古近系不同地質(zhì)時代、不同巖性地層的巖石密度、抗壓強度測試結(jié)果與對應(yīng)深度范圍內(nèi)地層的平均鉆速進行了匯總統(tǒng)計(見表2)。

表2 巖石密度、強度與鉆速統(tǒng)計分析

由表2分析研究可以初步得出如下3條認(rèn)識：

(1)隨著深度的增加，巖石密度和抗壓強度具有增加之勢，造成了鉆進取心速度、難度增加，表現(xiàn)為機械鉆速下降趨勢。

(2)巖石密度越大，其強度也越大，影響巖石破碎工具的選擇，即鉆頭類型的選擇。淺部地層，巖石密度小、抗壓強度低，采用硬質(zhì)合金為主的切削刃鉆進效率較高；深部地層，巖石密度大、抗壓強度高，采用金剛石復(fù)合片為主的切削刃鉆進效果較好[8-9]。

(3)在同類鉆頭使用條件下，密度較低、抗壓強度較小的孔段，鉆速較高；密度較大、抗壓強度較高的層段，鉆速較低。

2.2 影響因素分析

為了進一步分析不同深度、不同地質(zhì)時代古近系地層取心鉆探過程中各影響因素的具體影響程度，本文繪制了某鉆孔巖石密度隨深度的變化曲線(見圖2)，繪制了同一鉆孔取心鉆進的平均鉆進速度隨深度的變化曲線(見圖3)。

由圖2可發(fā)現(xiàn)，該取心鉆孔古近系地層基本可以2400 m為界，淺部巖石的密度明顯小于深部地層的密度，淺部巖石密度平均2.5 g/cm3左右，深部巖石密度平均2.9 g/cm3左右。鉆探地質(zhì)編錄表明，2400 m左右是沙河街組三段和四段交界處，也就是說古近系沙河街組四段以深地層巖石密度遠大于淺部地層密度，淺部以泥灰?guī)r為主，下部以石膏泥巖和砂巖為主。針對平均鉆速而言，古近系沙河街組四段以深的鉆進速度應(yīng)遠低于沙河街組四段以淺地層，與表2反映出的統(tǒng)計規(guī)律基本吻合。

圖2 巖石密度隨深度變化趨勢曲線

圖3 鉆速隨深度變化趨勢曲線

由圖3可見，該取心鉆孔古近系地層基本可以2500 m為界，淺部地層平均鉆速在1.5～2.0 m/h，深部地層平均鉆速在0.5 m/h左右，與圖2所反映的規(guī)律基本一致，即巖石密度小，鉆速快，巖石密度大，鉆速慢。

由圖3可以發(fā)現(xiàn)局部鉆速異常，該取心鉆孔在1750～2080 m段的取心鉆速明顯比前后地層偏低，最低的僅0.40 m/h左右。同時從圖2可見該段地層的巖石密度與前后地層基本相同，該段地層的鉆進速度與前所述巖石密度小鉆速快，巖石密度大鉆速慢這一基本規(guī)律明顯不符。

為分析查找1750～2080 m段鉆進速度異常的原因，通過查閱地質(zhì)鉆探班報記錄，記錄顯示：該段鉆遇地層巖性以泥灰?guī)r、泥巖為主，鉆進過程中出現(xiàn)了嚴(yán)重縮徑以致產(chǎn)生“抱鉆”現(xiàn)象，但取出的巖心其硬度并無異常；該段鉆進過程中起鉆阻力較大，甚至出現(xiàn)“拔活塞”現(xiàn)象[10-12]；同時局部巖心采取率降低，巖心脫落嚴(yán)重。上述現(xiàn)象的產(chǎn)生表明孔內(nèi)壓力失衡產(chǎn)生鉆孔形變，壓力失衡導(dǎo)致地層蠕變，地層蠕變，擠抱鉆頭，導(dǎo)致鉆速緩慢。這些現(xiàn)象反映出鉆速受巖石彈塑性特征影響明顯。該段地層的彈塑性較強，是造成鉆進速度降低的主要原因，它的影響比巖石密度對鉆速的影響更為明顯。

巖石物理力學(xué)性質(zhì)主要受巖石礦物成分的控制。為此，對古近系不同地質(zhì)時代、不同深度的地層取樣進行礦物成分化驗分析，從而可以從更深層次研究巖石礦物成分對鉆進速度的影響。在2017年開展的鉆進技術(shù)研究項目中共采取古近系地層巖樣礦物成分分析58件，采用X射線衍射分析了巖樣的礦物成分。據(jù)統(tǒng)計，古近系地層的巖石礦物成分可達到20多種，將各類礦物進行分類統(tǒng)計，主要成分按含量大小排序為石英、粘土礦物(蒙脫石、伊利石、高嶺石、綠泥石等)、方解石、白云石、石膏、云母，含少量的長石、黃鐵礦等。為了更好地研究上段所述鉆速異常，本文繪制了該取心鉆孔對應(yīng)層段的地層巖石礦物成分隨深度變化的曲線(如圖4所示)。

圖4 不同深度巖石礦物成分含量統(tǒng)計

根據(jù)一般規(guī)律，巖石中石英含量及其它堅硬礦物或碎屑含量愈多，巖石的硬度越大，鉆頭切削刃鉆進難度越大，切削刃磨損嚴(yán)重，鉆速降低[13]；方解石含量愈多，巖石的脆性越大，鉆頭切削刃鉆進難度越小，鉆速加快；巖石中的粘土礦物含量愈多，巖石的韌性越高，即巖石的彈塑性越強，鉆進取心速度降低。

由圖4可見，該段地層的礦物成分中石英含量隨著孔深增加逐漸降低，方解石含量增加，1750～2080 m段地層中的粘土礦物含量相比前后占比明顯偏高。反映到地層的物理力學(xué)性質(zhì)是巖石的硬度降低，脆性增強，單從取心鉆探而言，鉆探速度應(yīng)該加快。而實際鉆進速度卻很慢，也就是說粘土礦物含量的增加，巖石彈塑性的增強，大大降低了鉆進取心速度。對該段地層取心鉆探而言，地層中粘土礦物含量的影響明顯高于石英和方解石含量對鉆進速度的影響。

3 地層可鉆性與鉆頭類型選擇

3.1 地層可鉆性

巖石的可鉆性反映了鉆進時巖石被破碎的難易程度。影響可鉆性的因素有巖層的物理特征、力學(xué)特性、技術(shù)條件、工藝因素等。根據(jù)《地質(zhì)鉆探手冊》按壓入硬度將巖石可鉆性分為12級(如表3所示)。

表3 按壓入硬度對巖石的可鉆性分級

據(jù)本次測試數(shù)據(jù)，古近系地層巖樣的壓入硬度測試值分布在200～700 MPa，對應(yīng)巖石可鉆級別為Ⅱ到Ⅳ級，屬于軟-中硬地層。

3.2 鉆頭類型選擇

取心鉆進碎巖形式存在塑性剪切破碎和脆性壓切破碎兩種情況，其中在較松軟的半固結(jié)狀泥巖中以塑性碎巖為主；在固結(jié)較好的砂巖、泥巖以脆性碎巖為主。在實際的鉆探過程中應(yīng)采取必要的措施加強防范，重點是選擇合理的鉆頭類型[14-15]。

本文研究的古近系地層深度范圍1650～2500 m主要為彈塑性地層和軟脆性地層，深度范圍2500～3450 m主要為硬脆性地層和膠結(jié)較好的堅固地層。在鉆頭類型的選擇上，使用合金系列鉆頭，以剪切破碎為主，隨著地層膠結(jié)強度的增加，下部的層段(左右)主要使用金剛石復(fù)合片系列鉆頭，鉆頭破碎地層的方式也由塑性破碎為主轉(zhuǎn)變?yōu)榇嘈运閹r為主。

根據(jù)實際鉆進經(jīng)驗對鉆頭類型進行了優(yōu)選，針對古近系地層1650～1750 m應(yīng)對軟脆性地層優(yōu)選H-1-Ⅰ型硬質(zhì)合金鉆頭，1750～2000 m應(yīng)對彈塑性層段優(yōu)選H-4-Ⅱ型硬質(zhì)合金鉆頭，2000～2500 m應(yīng)對脆性層段優(yōu)選H-4-Ⅱ型硬質(zhì)合金鉆頭，2500～3000 m應(yīng)對硬脆性層段優(yōu)選F-3型(M124)復(fù)合片鉆頭，3000～3450 m應(yīng)對堅固層段優(yōu)選F-6型(M433)復(fù)合片鉆頭。

4 結(jié)語

綜上所述，在取心鉆探過程中影響鉆進速度的因素較多，本文僅針對個別影響因素進行了分析研究，得出了巖石密度大則鉆進速度低，巖石密度小則鉆進速度快的結(jié)論。結(jié)合鉆孔數(shù)據(jù)分析得出了河北平原古近系地層中的東營組、沙河街組一至三段地層巖石密度明顯要比沙河街組四段和孔店組低，鉆進取心速度差異明顯；文中對古近系地層中的泥巖段由于粘土礦物成分占比增加造成巖石彈塑性增強，對鉆進速度的影響比較明顯；文中提出了古近系地層取心鉆探過程中古近系地層的可鉆性及合理的鉆頭類型匹配。

考慮到測試樣品數(shù)量有限，提供分析研究的數(shù)據(jù)偏少，研究深度仍不足，本文的研究結(jié)論可能存在一定的片面性和局限性，如對鉆頭類型的匹配建議等，有必要在今后的工作中進一步加強研究。