渤海JZ區(qū)塊變質(zhì)巖潛山“坡積巖層”巖石特征及工程錄井識(shí)別方法

譚偉雄，徐 昱，張志虎，王建立，郭喜佳，董國富中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術(shù)分公司，天津

2中海石油(中國)有限公司天津分公司，天津

渤海JZ區(qū)塊變質(zhì)巖潛山“坡積巖層”巖石特征及工程錄井識(shí)別方法

譚偉雄1，徐 昱1，張志虎1，王建立2，郭喜佳2，董國富11中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術(shù)分公司，天津

2中海石油(中國)有限公司天津分公司，天津

渤海JZ區(qū)塊變質(zhì)花崗巖潛山界面之上局部發(fā)育一套較薄的砂礫巖和砂巖(坡積巖層)。該坡積巖層厚薄分布不均，橫向可對(duì)比性差，為現(xiàn)場鉆井地質(zhì)作業(yè)帶來諸多問題。利用巖心、巖屑資料分析坡積巖的巖性特征，可分為長石砂巖和巖屑砂巖2種巖性，表明該坡積巖層應(yīng)為2種不同成因形成的砂巖。通過分析工程錄井參數(shù)與地層巖性的響應(yīng)特征，應(yīng)用鉆井工程參數(shù)建立功指數(shù)和機(jī)械比能模型，結(jié)合其他錄井手段，實(shí)現(xiàn)對(duì)潛山坡積巖的隨鉆實(shí)時(shí)判別。經(jīng)過研究區(qū)多口井的實(shí)際資料處理與驗(yàn)證，隨鉆識(shí)別率高達(dá)86.7%，應(yīng)用效果較好。

坡積巖，巖石特征，功指數(shù)，機(jī)械比能，隨鉆識(shí)別

AbstractThere developed a suite of thinner sandy conglomerate and sandstones (slope rock stratum) over the interface of metamorphic granite buried hill in Block JZ of Bohai Bay Basin. The slope rock stratum was distributed with different thicknesses. Its lateral comparison was poor, by which problems were induced in drilling operations. The lithologic characteristics of the slope rock were analyzed based on core and cuttings data. The rock layer was divided into feldspathic sandstone and lithic sandstone, which indicated that the slope rock stratum was the sandstone of two different geneses. Based on analysis of engineering logging parameters and lithologic response characteristics of the formation, the parameters of drilling engineering are used to establish work index and mechanical specific energy models and combined with other logging means, the slope rock in the buried hill is identified in real-time while drilling. This method is used in several wells in the block with an identification rate of while drilling to 86.7%. It is proven that the method is effective.

KeywordsSlope Rock, Rock Characteristics, Work Index, Mechanical Specific Energy,While Drilling Identification

1. 引言

隨著石油鉆探認(rèn)識(shí)的不斷增加，具有工業(yè)性開采價(jià)值的潛山油氣藏越來越引起人們的重視。渤海JZ區(qū)塊發(fā)現(xiàn)的大型變質(zhì)巖潛山油氣藏與典型的碳酸鹽潛山油氣藏不同，其主要靠風(fēng)化殼和裂縫儲(chǔ)集油氣。在鉆進(jìn)變質(zhì)巖潛山的作業(yè)過程中，常常會(huì)在潛山界面之上鉆遇一層較薄的砂礫巖和砂巖。該巖層特征與潛山及其上覆巖性具有差異性，由于其主要分布于潛山頂面緩坡區(qū)，故稱之為“坡積巖”。坡積巖層橫向發(fā)育無規(guī)律，預(yù)測難度大；縱向上較薄，由于隨鉆測井測量工具和鉆頭的距離差，無法及時(shí)判斷是否鉆進(jìn)坡積巖，在潛山界面、取心位置和下套管位置的判斷上等存在較大困難，造成鉆井風(fēng)險(xiǎn)增大。因此，為了降低鉆井風(fēng)險(xiǎn)，獲取更為精確的地質(zhì)資料，筆者在分析坡積巖層的巖石特征和錄井工程參數(shù)響應(yīng)特征的基礎(chǔ)上，利用鉆井工程參數(shù)建立功指數(shù)和機(jī)械比能模型，實(shí)現(xiàn)了對(duì)潛山坡積巖層的隨鉆判別，達(dá)到了降低鉆井地質(zhì)作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)的目的。

2. 工區(qū)地質(zhì)背景

渤海JZ區(qū)塊變質(zhì)巖潛山位于遼東灣遼西低凸起中北段，西側(cè)以遼西大斷層與遼西凹陷相鄰，東側(cè)向遼中凹陷下傾，毗鄰遼中凹陷中、北洼，處于油氣富集的有利位置[1]。自上而下主要發(fā)育新近系明化鎮(zhèn)組(N1m)和館陶組(N1g)、古近系東營組(E3d)、沙河街組一～三段(E3s1、E3s2、E3s3)，基底為上太古界，缺失古近系沙河街組四段、孔店組，中生界，古生界和元古界[2]。變質(zhì)巖潛山油藏主力產(chǎn)層為太古宇變質(zhì)巖，蓋層為上覆E3s3泥巖，屬風(fēng)化體塊狀儲(chǔ)集層地貌潛山[3]。

根據(jù)巖性特征和裂縫發(fā)育特征，變質(zhì)巖潛山可分為半風(fēng)化殼上段、半風(fēng)化殼下段、基巖等。在研究區(qū)內(nèi)，潛山上部的風(fēng)化黏土層通常被剝蝕掉，在半風(fēng)化殼之上直接沉積E3s3[4]。E3s3沉積特征復(fù)雜、相變快、巖性類型多樣，尤其是E3s3底部局部發(fā)育有坡積巖層。坡積巖層以下為花崗質(zhì)變質(zhì)巖，受長期風(fēng)化影響，變質(zhì)巖上部裂縫及溶洞十分發(fā)育，部分裂縫被充填。

3. 坡積巖層的巖石特征

盡管在油田實(shí)施開發(fā)井鉆井作業(yè)中，受作業(yè)手段限制，缺少坡積巖層的測井等資料，但通過現(xiàn)場巖屑和巖心資料及探井試驗(yàn)資料，可對(duì)坡積巖層進(jìn)行較為系統(tǒng)的分析。

分別對(duì)研究區(qū)的坡積段砂巖、E3s2砂巖和E3s3砂巖開展了巖石薄片分析鑒定，通過三角圖(圖1)投點(diǎn)發(fā)現(xiàn)，E3s2砂巖主要落在V和VI區(qū)域，屬于巖屑長石砂巖和長石巖屑砂巖；E3s3砂巖主要落在VI區(qū)域，屬于長石巖屑砂巖；坡積巖層砂巖分為2種，一種是長石含量較多的長石砂巖，另一種是巖屑含量較多的巖屑砂巖。

Figure 1. The delta pitch point diagram of sandstones in the studied area圖1. 研究區(qū)砂巖三角投點(diǎn)圖

研究區(qū)的E3s2砂巖、E3s3砂巖以及坡積巖層砂巖的巖石薄片體積分?jǐn)?shù)具有較大差異(圖2)。E3s2砂巖和E3s3砂巖的成分及其含量較為一致，以石英、長石為主；相比之下，坡積巖層的長石砂巖和巖屑砂巖的含量差異較大；坡積巖層巖屑砂巖的火成巖巖塊體積分?jǐn)?shù)較高，達(dá)到了66%，使得石英、長石的體積分?jǐn)?shù)較低；坡積巖層長石砂巖不含有火成巖巖塊，其鉀長石比其他3種巖石的體積分?jǐn)?shù)平均值都要高。

Figure 2. The histogram of sandstone composition and its average volumetric fraction (rock slice identification) in the studied area圖2. 研究區(qū)砂巖成分及其平均體積分?jǐn)?shù)柱狀圖(巖石薄片鑒定)

圖3為E3s2砂巖、E3s3砂巖以及坡積巖層砂巖的粒度分布圖，分析認(rèn)為坡積巖層巖屑砂巖和長石砂巖的粒度中值要大于E3s2砂巖、E3s3砂巖的粒度中值。坡積巖層巖屑砂巖的磨圓度差，有粗粒也有細(xì)粒，且分布范圍較廣；坡積巖層長石砂巖的粒徑主要分布在1 mm左右，最大2.6 mm，比巖屑砂巖的分布范圍小；E3s2砂巖、E3s3砂巖粒度較小，在1 mm以下。

Figure 3. The distribution of sandstone grain size in the studied area圖3. 研究區(qū)砂巖粒度的分布圖

通過上述資料可以看出，坡積巖層分為巖屑砂巖和長石砂巖2種類型的砂巖；在成分和粒度對(duì)比上，巖屑砂巖更趨近于花崗巖，長石砂巖更趨近于正常砂巖，表明該坡積巖層應(yīng)為2種不同成因形成的砂巖，其中巖屑砂巖的形成與花崗巖存在一定關(guān)系。

4. 鉆井工程參數(shù)識(shí)別模型

鉆井工程參數(shù)具有實(shí)時(shí)性、連續(xù)性的優(yōu)點(diǎn)，根據(jù)鉆井工程參數(shù)建立的功指數(shù)模型和機(jī)械比能模型，兩者能從不同角度反映地層的致密程度，從側(cè)面反映巖性的變化，結(jié)合巖屑分析結(jié)果，可實(shí)現(xiàn)對(duì)坡積巖層的隨鉆識(shí)別。

4.1. 功指數(shù)模型

鉆頭鉆進(jìn)過程實(shí)際是其做功的過程，不同強(qiáng)度的地層其做功也有不同。要計(jì)算鉆頭每破碎單位體積巖石所做的功是十分困難的，目前國內(nèi)外尚無較好的計(jì)算方法。因此需要引入經(jīng)過變形簡化后的計(jì)算模型，該模型的計(jì)算結(jié)果即為鉆頭的做功指數(shù)，即“功指數(shù)”。功指數(shù)與鉆頭做功大小呈正相關(guān)性，從而可以從側(cè)面反映鉆頭的做功情況。

鉆頭破巖做功可簡要表述為垂直縱向力做功與水平剪切力做功之和，縱向力分為靜鉆壓和沖擊鉆壓，水平剪切力為扭矩，則鉆頭每進(jìn)尺一個(gè)單位深度(1 m)所做功為：

式中：Wz為鉆頭每進(jìn)尺一個(gè)深度單位所做功大小，kJ；YJ為靜鉆壓，kN；YC為沖擊鉆壓，kN；R為轉(zhuǎn)速，r/min；Z為鉆時(shí)，min；N為扭矩，kN?m。

YC目前尚無法獲取，其余參數(shù)均可通過綜合錄井系統(tǒng)監(jiān)測得到，因此需對(duì)式(1)進(jìn)行變形，使之能夠直接計(jì)算并具應(yīng)用價(jià)值。變形后的功指數(shù)表達(dá)式為[5]：

式中：Wm為變形后的功指數(shù)，kJ；a為區(qū)域經(jīng)驗(yàn)靜鉆壓值，kN；b為區(qū)域經(jīng)驗(yàn)轉(zhuǎn)速值，r/min；c為區(qū)域經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，1。

4.2. 機(jī)械比能模型

機(jī)械比能理論是作為一種用來描述鉆頭性能的概念而被提出，它提供了一種實(shí)時(shí)評(píng)價(jià)鉆井性能的工具。開展機(jī)械比能的研究對(duì)隨鉆監(jiān)測井下工作狀態(tài)，隨鉆巖性分析，提前預(yù)測而避免發(fā)生鉆井事故，及時(shí)做出合理的鉆進(jìn)參數(shù)調(diào)整，提高鉆井效率，降低鉆井成本等方面都具有重要意義。在國外，機(jī)械比能理論已廣泛應(yīng)用于鉆進(jìn)過程的監(jiān)測與預(yù)測、鉆井工程設(shè)計(jì)優(yōu)化、隨鉆巖性評(píng)價(jià)等方面，并取得了很好的應(yīng)用效果。國內(nèi)對(duì)機(jī)械比能的研究相對(duì)較少，主要應(yīng)用于鉆頭選型、監(jiān)測鉆頭磨損等。

一種完善的機(jī)械比能模型應(yīng)具備的條件是：① 在巖性不同的地層內(nèi)鉆進(jìn)，最小機(jī)械比能值應(yīng)該約等于巖石的抗壓強(qiáng)度；② 模型參數(shù)易于測量和計(jì)算；③ 適用范圍廣，能很好地適用于各類鉆頭與各種井型。

通過分析不同模型的優(yōu)劣，并結(jié)合渤海JZ地區(qū)的特點(diǎn)，研究區(qū)使用樊洪海模型[6]：

式中：EMS為機(jī)械比能，MPa；Ab為鉆頭面積，mm2；vROP為機(jī)械鉆速，m/h；Db為鉆頭直徑，mm。

4.3. 模型識(shí)別規(guī)律

通過對(duì)渤海JZ區(qū)塊功指數(shù)和機(jī)械比能曲線響應(yīng)特征的分析及研究，確定模型系數(shù)，計(jì)算識(shí)別特征值范圍，從而達(dá)到隨鉆識(shí)別的效果。渤海JZ地區(qū)的功指數(shù)模型系數(shù)，E3d為：a= 145 kN，b= 125 r/min，c= 0.8；E3s (沙河街組)為：a= 180 kN，b= 127 r/min，c= 0.8；太古界為：a= 212 kN，b= 103 r/min，c= 0.8。

總結(jié)了研究區(qū)E3s3泥巖、坡積巖層、太古界花崗巖的功指數(shù)、機(jī)械比能曲線變化規(guī)律(見表1)。該區(qū)E3s3泥巖功指數(shù)較低，一般小于2 kJ；太古界花崗巖較高，一般大于8 kJ；坡積巖層功指數(shù)則呈現(xiàn)出高低值跳躍變化，一般分布于1～8 kJ之間。機(jī)械比能與功指數(shù)曲線類似，將其放置同一圖道中，賦予相同刻度，則E3s3泥巖段呈填充特征，太古界花崗巖段呈重疊特征，坡積巖層段則呈現(xiàn)出曲線填充、重疊交替變化特征。

Table 1. The characteristics of work index and mechanical specific energy identification表1. 研究區(qū)功指數(shù)、機(jī)械比能識(shí)別特征表

5. 實(shí)例應(yīng)用分析

Figure 4. The method of model identification in Well JZ-X1圖4. JZ-X1井模型識(shí)別方法圖

以JZ-X1井為例，從圖4中可以看出，E3s3泥巖與太古界花崗巖功指數(shù)特征差異明顯，E3s3泥巖功指數(shù)較低，平均在0.6左右；太古界花崗巖潛山功指數(shù)則較高，平均在100左右；而坡積巖功指數(shù)則出現(xiàn)高、低值跳動(dòng)的現(xiàn)象，最高達(dá)8，最低僅為1。分析認(rèn)為，功指數(shù)高、低變化值主要與坡積巖自身的致密程度相關(guān)，坡積巖越致密，其功指數(shù)越高，坡積巖越疏松，則功指數(shù)越低。將功指數(shù)與機(jī)械比能曲線放置在同一圖道，賦予相同刻度，機(jī)械比能與功指數(shù)曲線形態(tài)呈類似特征。機(jī)械比能與功指數(shù)曲線在 E3s3泥巖段呈填充特征，在太古界花崗巖段呈重疊特征，在坡積巖層段卻呈現(xiàn)出曲線填充、重疊交替變化特征。

應(yīng)用該方法對(duì)研究區(qū)21口實(shí)際井資料的處理與驗(yàn)證，隨鉆識(shí)別率高達(dá)86.7%，表明該方法效果較好，可用于研究區(qū)的坡積巖層隨鉆識(shí)別應(yīng)用。

6. 結(jié)論

1) 渤海JZ區(qū)塊變質(zhì)花崗巖潛山中的坡積巖層位于E3s3泥巖與太古界變質(zhì)花崗巖之間，分為2種類型砂巖，一種是長石含量較高的長石砂巖，其特征與正常沉積的砂巖相似，另一種是巖屑含量較高的巖屑砂巖，其特征與下覆花崗巖特征相似。表明該坡積巖層應(yīng)為2種不同成因形成的砂巖。

2) 功指數(shù)、機(jī)械比能曲線組合能夠較好地對(duì)坡積巖層進(jìn)行隨鉆識(shí)別。在E3s3泥巖段，功指數(shù)呈低值，功指數(shù)與機(jī)械比能曲線呈填充特征；在太古界花崗巖段，功指數(shù)呈高值，功指數(shù)與機(jī)械比能曲線呈重疊特征；在坡積巖層段，功指數(shù)呈高、低值跳躍變化，且功指數(shù)與機(jī)械比能曲線亦呈填充、重疊交替變化特征。

3) 功指數(shù)模型、機(jī)械比能模型構(gòu)建參數(shù)簡單、易得，有利于后期的推廣及應(yīng)用。在潛山界面識(shí)別、潛山內(nèi)部儲(chǔ)層儲(chǔ)集性能快速識(shí)別等方面具有廣泛的應(yīng)用價(jià)值。

References)

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[編輯]龔丹

Rock Characteristics and Engineering Logging Identification Method of “Slope Rock Stratum” in the Metamorphic Buried Hill of Block JZ in Bohai Bay Basin

Xiongwei Tan1, Yu Xu1, Zhihu Zhang1, Jianli Wang2, Xijia Guo2, Guofu Dong11Engineering and Technology Branch, CNOOC Energy Development Co. Ltd., Tianjin
2Tianjin Branch Company, CNOOC, Tianjin

譚偉雄(1981-)，男，高級(jí)工程師，現(xiàn)主要從事隨鉆地層評(píng)價(jià)技術(shù)研究工作。

2017年3月14日；錄用日期：2017年7月6日；發(fā)布日期：2017年8月15日

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Received: Mar. 14th, 2017; accepted: Jul. 6th, 2017; published: Aug. 15th, 2017

文章引用: 譚偉雄, 徐昱, 張志虎, 王建立, 郭喜佳, 董國富. 渤海JZ區(qū)塊變質(zhì)巖潛山“坡積巖層”巖石特征及工程錄井識(shí)別方法[J]. 石油天然氣學(xué)報(bào), 2017, 39(4): 182-188.

10.12677/jogt.2017.394053