李奮強(qiáng)，粟瓊玉，劉素平，葉見玲，鄧 拓，陳 瀟，劉 梅，胡文輝，王 羲

（湖南省工程地質(zhì)礦山地質(zhì)調(diào)查監(jiān)測所， 湖南 長沙 410014）

長沙機(jī)場地?zé)崽讲山Y(jié)合井是中南地區(qū)第一口中深層地?zé)峥茖W(xué)研究試驗(yàn)井，也是國內(nèi)大型機(jī)場中第一個(gè)地?zé)崂脼橹鞫嗄芑パa(bǔ)的航站樓供能項(xiàng)目，鉆進(jìn)工程一開選用?406.4 mm 鉆頭鉆至井深59.17 m，下入?339.7 mm 導(dǎo)管，二開采用?215.9 mm 鉆頭鉆至井深2611.58 m 完鉆。該井采用取熱不取水同軸套管換熱技術(shù)，主要目的是獲取地層巖性、溫度、厚度和單井換熱量等相關(guān)參數(shù)，為后續(xù)的中深層地?zé)峋┕づc優(yōu)化設(shè)計(jì)提供技術(shù)支撐，本文就該套地層的巖石可鉆性和鉆頭的優(yōu)選進(jìn)行分析探討。巖石可鉆性是指在一定鉆頭規(guī)格、類型及鉆進(jìn)工藝條件下巖石抵抗鉆頭破碎的能力［1-2］，它反映了鉆進(jìn)作業(yè)中巖石破碎的難易程度，是指導(dǎo)地質(zhì)分層及鉆頭選型工作的重要參數(shù)［3-7］。巖石可鉆性大小及分布規(guī)律的準(zhǔn)確認(rèn)識對提高機(jī)械速和減少鉆井周期具有重要意義［8-12］。由于可鉆性與許多因素有關(guān)，要找出它與諸影響因素之間的定量關(guān)系十分困難，目前國內(nèi)外仍采用試驗(yàn)的方法來確定巖石的可鉆性。不同部門使用的鉆進(jìn)方法不同，其測定可鉆性的試驗(yàn)手段，甚至可鉆性指標(biāo)的量綱也不盡相同。

本文采用巖石壓入硬度計(jì)、電動應(yīng)力式直剪儀和偏光顯微鏡分別對巖石樣品的壓入硬度、單軸抗壓強(qiáng)度和巖石特性進(jìn)行測試，對巖石可鉆性的影響因素進(jìn)行分析研究，初步確立構(gòu)建該套地層的巖性可鉆性等級，并對鉆頭的優(yōu)選提出建議，為本地區(qū)和類似地區(qū)的鉆探工程提供借鑒。

1 研究區(qū)域地質(zhì)特征

長沙盆地大地構(gòu)造位于華南斷塊區(qū)、長江中下游斷塊凹陷西南部的幕阜山隆起地區(qū)內(nèi)，本區(qū)構(gòu)造體系屬嘉義—柏家山新華夏系，以北撈刀河、以南瀏陽河為湘江東岸支流，其地貌屬白堊系陸相低矮剝蝕殘丘，地勢高低波狀起伏，多為新生界-中生界地層；在白堊紀(jì)末期，本地區(qū)地殼不斷下沉，形成陸相殘丘，最大沉積厚度＞600 m 的白堊系泥質(zhì)粉砂巖等紅色地層，形成沖積階地基座；新近紀(jì)末期，地殼經(jīng)歷多次上升旋回，構(gòu)造運(yùn)動極為強(qiáng)烈，其形跡主要表現(xiàn)為斷裂，同時(shí)逐漸形成湘江五級階地和瀏陽河二級階地。研究區(qū)處于丘陵地貌單元，根據(jù)區(qū)域地質(zhì)資料、機(jī)場改擴(kuò)建（飛行區(qū)）勘測成果和鉆孔揭露，項(xiàng)目區(qū)覆蓋層以第四系（Qh）殘積粉質(zhì)粘土為主，下伏基巖為白堊系上統(tǒng)戴家坪組（K2d）、下統(tǒng)神皇山組（K1s）、冷家溪群第二巖組（Ptln2）地層。巖性如下：

（1）冷家溪群第二巖組（Ptln2）：上部淺灰色厚層條帶狀絹云母板巖與粉砂質(zhì)板巖互層；厚層狀粉砂質(zhì)板巖夾絹板巖或灰綠色絹云母板巖夾云母碎片的粉砂質(zhì)板巖。下部為灰、淺灰色絹云母板巖、粉砂質(zhì)板巖夾中厚層狀變質(zhì)細(xì)砂巖，變質(zhì)粘土質(zhì)粉-細(xì)砂巖、凝灰質(zhì)細(xì)砂巖等。厚度＞3011 m。

（2）戴家坪組（K1s）：下部為紫紅色厚-巨厚層狀礫巖與紫紅色中-厚層狀鈣質(zhì)細(xì)砂巖、鈣質(zhì)粉砂巖呈韻律，向上漸變?yōu)榧?xì)粒鈣質(zhì)石英砂巖與鈣質(zhì)石英粉砂巖互層；上部為紫紅色中厚層狀細(xì)粒鈣質(zhì)石英砂巖、鈣質(zhì)石英粉砂巖及鈣質(zhì)泥巖，三者互層產(chǎn)出，且以前二者為主，頂部夾多層細(xì)礫板巖質(zhì)礫巖透鏡體。厚度560 m～850 m。

（3）戴家坪組（K2d）：下部紫紅色鈣質(zhì)細(xì)砂巖夾鈣質(zhì)粉砂巖、粉砂巖及砂質(zhì)泥巖，厚約360 m；中部為紫紅色粉砂質(zhì)鈣質(zhì)泥巖、鈣質(zhì)泥巖及粉砂質(zhì)泥灰?guī)r為主，夾灰綠色泥灰?guī)r及少許薄層鈣質(zhì)粉砂巖，厚約700 m；上部為紫紅色細(xì)-粗粒砂巖或鈣泥質(zhì)細(xì)砂巖與粉砂巖、砂質(zhì)泥巖、粉砂質(zhì)泥巖互層，厚約250 m。

（4）第四系（Qh）：紅褐、棕紅色粘土、粉質(zhì)粘土，含少量碎石，殘坡積成因，厚0.5～10 m。

2 研究方法原理

研究區(qū)域主要以沉積巖為主，局部有變質(zhì)巖入侵。組成沉積巖的物質(zhì)成分有顆粒和膠結(jié)物兩大部分，膠結(jié)物對沉積巖的強(qiáng)度有很大的影響。膠結(jié)物按其成分可分為：（1）泥質(zhì)膠結(jié)物（如泥土或粘土），膠結(jié)成的巖石強(qiáng)度小，易碎，斷面呈土狀；（2）鈣質(zhì)膠結(jié)物（成分為CaCO3），膠結(jié)成的巖石強(qiáng)度比泥質(zhì)膠結(jié)的大些；（3）鐵質(zhì)膠結(jié)物（成分為FeO、Fe2O3或Fe（OH）3），膠結(jié)成的巖石強(qiáng)度比前兩種都大；（4）硅質(zhì)膠結(jié)物（成分為SiO2），所膠結(jié)的巖石強(qiáng)度最大。為使研究區(qū)域的巖石可鉆性等級劃分能夠更加貼近實(shí)際生產(chǎn)效果，對巖石樣本進(jìn)行了分類，分別以壓入硬度和單軸抗壓強(qiáng)度為主要力學(xué)性能指標(biāo)對巖石進(jìn)行了可鉆性等級劃分。為了獲得對送檢巖樣的整體認(rèn)知，以及形成對巖石各向異性的整體把控，同時(shí)對送檢巖樣進(jìn)行了巖性測試。

2.1 按壓入硬度劃分

巖石可鉆性可依據(jù)巖石壓入硬度劃分。巖石的壓入硬度反映巖石抵抗外部更硬物體壓入其表面的能力［13］。巖石的壓入硬度（Hy）用專門儀器或液壓機(jī)確定，為破碎壓力（P）與壓模面積（S）之比：

式中：Hy——壓入硬度，MPa；P——在壓入作用下巖石產(chǎn)生局部脆性破碎時(shí)的軸載，N；S——壓頭端面面積，mm2。

2.2 按單軸抗壓強(qiáng)度劃分

巖石可鉆性可依據(jù)巖石堅(jiān)固性系數(shù)劃分，巖石堅(jiān)固性系數(shù)由單軸抗壓強(qiáng)度計(jì)算而得。巖石單軸抗壓強(qiáng)度是指巖石試件在單向受壓至破壞時(shí)，單位面積上所能承受的荷載［14］。單軸抗壓強(qiáng)度（σc）在液壓機(jī)上試驗(yàn)，按下式計(jì)算：

式中：σc——單軸抗壓強(qiáng)度，MPa；Pc——巖石破壞瞬間的軸向荷載，N；S——巖石試樣的截面積，mm2。

巖石堅(jiān)固性系數(shù)表征的是巖石抵抗破碎的相對值，可把巖石單軸抗壓強(qiáng)度極限的1/10 作為巖石的堅(jiān)固性系數(shù)［15］，即

式中：n——巖石的堅(jiān)固性系數(shù)；σc——巖石的單軸抗壓強(qiáng)度，MPa。

3 測試結(jié)果分析

3.1 巖層采樣與編號

本次探采結(jié)合井，取心段深度為400、700、1000、1300、1600、1900、2090、2370 m，各層的取心深度編號依次為1、2、3、4、5、6、7、8。

每層巖石取心≮3 組，每組長度≮30 cm，各組的編號依次為1、2、3。巖層的編號由深度號和組號構(gòu)成，編號為1-1 至8-3，共24 組。

3.2 壓入硬度測試結(jié)果

分別對巖樣2-1、2-2、2-3、3-1、3-3、4-1、4-2、6-2、6-3 和8-3 號進(jìn)行了壓入硬度測試，結(jié)果見表1。

表1 巖石壓入硬度測試結(jié)果Table 1 Results of rock indentation hardness tests

6-2 號巖樣中，碎屑顆粒占巖石的68%左右。碎屑幾乎全部為石英，含量約為99%；少量白云母含量1%，偶見硅質(zhì)巖、長石和電氣石碎屑；膠結(jié)物占巖石的32%左右；雜基（80%），鐵質(zhì)（20%）。對6-2 號巖樣深磚紅色含鐵質(zhì)泥質(zhì)粉砂巖中的粗粉砂層和細(xì)粉砂層，分別進(jìn)行10 倍鏡單偏光和正交鏡測試，測試結(jié)果如圖1 所示。

圖1 6-2 號巖樣電鏡測試結(jié)果Fig.1 Electron microscopy test results of rock sample No.6-2

巖性組分含量及其膠結(jié)物含量對巖石壓入硬度影響變化規(guī)律見圖2。為了對比分析需要，將石英含量和鈣質(zhì)膠結(jié)物放大30 倍、硅質(zhì)巖含量和硅質(zhì)膠結(jié)放大300 倍，巖性組分及其膠結(jié)物變化與壓入硬度的變化呈現(xiàn)一致性的變化規(guī)律。

圖2 巖性組分及其膠結(jié)物對壓入硬度的影響Fig.2 Influence of lithologic constituent and cementation on rock indentation hardness

3.3 單軸抗壓強(qiáng)度測試結(jié)果

對14 組巖樣進(jìn)行巖性和單軸抗壓強(qiáng)度測試，結(jié)果見表2；1-1 至6-1 號巖樣的組分及其膠結(jié)物對抗壓強(qiáng)度的影響見圖3，可見石英含量、硅質(zhì)含量及其膠結(jié)與抗壓強(qiáng)度變化呈現(xiàn)一致性。

圖3 巖性組分及其膠結(jié)物對抗壓強(qiáng)度的影響Fig.3 Influence of lithologic constituent and cementation on the compressive strength

表2 巖石單軸抗壓強(qiáng)度測試結(jié)果Table 2 Results of uniaxial compressive strength tests

從偏光顯微鏡的巖性測試結(jié)果可以看出，5-2號碎屑的石英含量為0，變質(zhì)砂礫巖占60%；5-3 號碎屑的石英含量為14%，變質(zhì)砂礫巖占43%；7-1 號及以后無膠結(jié)物。

對7-1 號巖樣白云質(zhì)泥晶石灰?guī)r進(jìn)行茜素紅染色，分別進(jìn)行20 倍和10 倍鏡單偏光和正交鏡測試，測試結(jié)果如圖4 所示。7-1 號巖樣主要礦物：方解石（含量65%左右），白云石（含量25%左右）；次要礦物：泥質(zhì)（含量5%左右），有機(jī)炭質(zhì)（含量5%左右）；巖石為具微晶結(jié)構(gòu)，薄層狀構(gòu)造。

圖4 7-1 號巖樣電鏡測試結(jié)果Fig.4 Electron microscopy test results of rock sample No.7-1

4 地層可鉆性及鉆頭選擇

4.1 巖石可鉆性等級界定

從偏光顯微鏡的巖性測試結(jié)果可知，該套地層的變質(zhì)程度較高，對鉆進(jìn)工藝參數(shù)選擇和鉆頭優(yōu)選提出了較高的要求。為更好使用并與壓入硬度劃分的12 個(gè)等級相對應(yīng)，基于單軸抗壓強(qiáng)度進(jìn)一步提出了普氏強(qiáng)度系數(shù)法［15-16］，普氏強(qiáng)度系數(shù)計(jì)算公式如下：

由式（4）、文獻(xiàn)［15］，可推得巖樣的可鉆性等級，見表3。

表3 巖石可鉆性等級界定Table 3 Classification of rock drillability

4.2 地層可鉆性分析

長沙機(jī)場地?zé)崽讲山Y(jié)合井實(shí)際鉆遇地層如下：

0～1375 m 為白堊系上統(tǒng)戴家坪組上段，巖性主要為紫紅色鈣質(zhì)粉砂巖、鈣質(zhì)細(xì)砂巖與粉砂質(zhì)泥巖互層，局部夾灰、灰綠色泥巖，巖屑中可見少量石膏和方解石脈發(fā)育；

1375～1615 m 為白堊系上統(tǒng)戴家坪組下段，巖性主要雜色砂礫巖，顏色以紫紅、灰綠、灰白色為主，礫石成分較為復(fù)雜，有石灰?guī)r礫石、火山碎屑角礫、泥巖礫石、大理石礫石及砂巖礫石，可見少量石英顆粒，發(fā)育少量石膏和方解石脈；

1615～1850 m 為白堊系下統(tǒng)神皇山組下段，巖性主要雜色砂礫巖，顏色以暗紫紅、灰、灰白色為主，礫石成分較為復(fù)雜，有火山碎屑角礫、泥巖礫石、砂巖礫石、石英砂巖礫石，發(fā)育少量石膏和方解石脈；

1850～2055 m 為泥盆系中統(tǒng)跳馬澗組紫紅色細(xì)砂巖、泥巖、灰色石英砂巖互層，泥巖較純較脆，巖屑整體滴稀鹽酸無明顯反應(yīng)。

2055～2611.58 m 為板溪群：上部為深灰色夾紫紅色含礫砂、泥巖互層，礫石為灰色含鈣質(zhì)礫石，局部夾少量灰黑色泥質(zhì)，發(fā)育少量方解石脈；下部為深灰色泥質(zhì)板巖與淺灰色砂質(zhì)板巖互層。

該套地層的平均鉆時(shí)及其可鉆性見表4。

表4 地層可鉆性分析Table 4 Formation drillability analysis

4.3 鉆頭選擇

工程實(shí)踐中，先后采用了取心鉆頭、牙輪鉆頭、PDC 鉆頭、金剛石鉆頭，從鉆井井段、進(jìn)尺、純鉆時(shí)間、鉆速、鉆壓、轉(zhuǎn)速、排量和泵壓等不同參數(shù)下的鉆頭磨損程度作了對比分析。

一開0～60 m 地層可鉆性較好，可采用5 刀19片PDC 鉆頭，加大PDC 切削齒仰角，增強(qiáng)鉆頭碎巖效率，配合高速螺桿提高機(jī)械鉆速；二開59～1537 m 井段使用PDC+螺桿復(fù)合鉆具組合，鉆進(jìn)1537 m后因地層礫石含量增高，容易造成PDC 鉆頭切削齒早期崩齒，不適合PDC 鉆頭鉆進(jìn)，推薦使用牙輪鉆頭。

5 結(jié)論及建議

（1）巖石可鉆性分級是一個(gè)復(fù)雜的問題，研究目的在于指導(dǎo)具體的工程實(shí)踐。在長沙紅層盆地首次取得2376 m 的巖樣進(jìn)行測試分析和巖石可鉆性界定，具有重要工程指導(dǎo)意義。

（2）從偏光顯微鏡的巖性測試結(jié)果和平均鉆時(shí)可推斷出，該套地層自上而下地層致密度越來越高，整體可鉆性逐漸降低。

（3）1537 m 以淺地層，建議選擇PDC+螺桿復(fù)合鉆具組合；1537 m 以深地層，推薦使用牙輪鉆頭。