PDC鉆頭鉆井條件下凝灰質(zhì)儲(chǔ)層巖性識(shí)別方法＊

黃導(dǎo)武 何賢科 程俊陽(yáng) 朱毅秀

（1．中海石油（中國(guó)）有限公司上海分公司 上海 200335； 2．中國(guó)石油大學(xué)（北京） 北京 102249）

PDC鉆頭鉆井條件下凝灰質(zhì)儲(chǔ)層巖性識(shí)別方法＊

黃導(dǎo)武1何賢科1程俊陽(yáng)1朱毅秀2

（1．中海石油（中國(guó)）有限公司上海分公司 上海 200335； 2．中國(guó)石油大學(xué)（北京） 北京 102249）

PDC鉆頭鉆井巖屑粒徑小，一般小于2 mm，通過(guò)巖屑進(jìn)行巖性識(shí)別面臨較大挑戰(zhàn)。以東海西湖凹陷某氣田上白堊統(tǒng)八角亭組鉆遇的一套凝灰質(zhì)地層為例，通過(guò)巖屑薄片鑒定、X－衍射分析、掃描電鏡及能譜分析等技術(shù)方法組合，建立了凝灰質(zhì)儲(chǔ)層巖性識(shí)別方法，識(shí)別出了4種主要巖石類型：凝灰?guī)r、晶屑凝灰?guī)r、晶屑－玻屑凝灰?guī)r及凝灰質(zhì)砂巖，其中凝灰質(zhì)砂巖儲(chǔ)層物性較好。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合巖電特征分析，明確了研究區(qū)凝灰質(zhì)砂巖儲(chǔ)層測(cè)井響應(yīng)特征；試采結(jié)果證實(shí)了凝灰質(zhì)砂巖為有效儲(chǔ)層，從而為東海天然氣勘探與開發(fā)開辟了新領(lǐng)域。本文探索出的毫米級(jí)鉆井巖屑凝灰質(zhì)儲(chǔ)層巖性識(shí)別方法，對(duì)于缺少巖心情況下的復(fù)雜巖性識(shí)別提供了一種有借鑒價(jià)值的技術(shù)組合方法，具有一定的推廣意義。

PDC鉆頭；鉆井巖屑；凝灰質(zhì)儲(chǔ)層；巖性識(shí)別；西湖凹陷；東海

近年來(lái)，PDC鉆頭在石油鉆井中正得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用，但PDC鉆頭下的鉆井巖屑基本呈毫米級(jí)（最大顆粒約2 mm×2 mm），巖屑的巖性成分、結(jié)構(gòu)、構(gòu)造等特征遭到破壞，甚至造成假象，而且成分混雜并常被泥漿包裹，因此通過(guò)肉眼甚至顯微鏡觀察很難鑒定這種毫米級(jí)巖屑的巖性［1－3］。

東海西湖凹陷首次在一套富凝灰質(zhì)地層中發(fā)現(xiàn)氣層，為了確定有效儲(chǔ)層，對(duì)9口井共計(jì)1 000 m以上的富凝灰質(zhì)層段的巖屑進(jìn)行觀察、挑樣，通過(guò)巖屑薄片制備及鑒定、X衍射分析、掃描電鏡和能譜分析等微觀分析以及巖電特征綜合分析，揭示研究區(qū)目的層段為一套富凝灰質(zhì)的火山碎屑巖與正常砂泥巖互層的復(fù)雜巖性組合，其中凝灰質(zhì)砂巖為有效儲(chǔ)層，為東海天然氣勘探開發(fā)開辟了新領(lǐng)域。本文探索出的一套PDC鉆頭鉆井條件下富凝灰質(zhì)儲(chǔ)層巖性識(shí)別方法，對(duì)于缺少巖心情況下的毫米級(jí)鉆井巖屑復(fù)雜巖性識(shí)別具有一定的推廣意義。

1 研究區(qū)富凝灰質(zhì)地層巖石學(xué)特征

東海西湖凹陷在上白堊統(tǒng)八角亭組鉆遇一套埋深約3 800～4 300 m的富凝灰質(zhì)火山碎屑巖與正常砂泥巖互層的復(fù)雜巖性組合，目的層巖性可分為火山碎屑巖和火山碎屑沉積巖兩類，其中前者進(jìn)一步分為凝灰?guī)r、晶屑凝灰?guī)r、晶屑－玻屑凝灰?guī)r，后者主要為凝灰質(zhì)砂巖。對(duì)于凝灰?guī)r、晶屑凝灰?guī)r、晶屑－玻屑凝灰?guī)r，凝灰質(zhì)含量一般大于50%，主要以火山玻璃和隱晶質(zhì)基質(zhì)的形式存在，其粒徑一般小于2 mm，且均可發(fā)生不同程度的蝕變。三者的區(qū)別主要在于晶屑的含量及產(chǎn)狀，其中凝灰?guī)r含有少量的脫玻化作用形成的細(xì)小石英、長(zhǎng)石顆粒，總體含量較低；晶屑凝灰?guī)r的晶屑含量較高，可見粒徑較大的石英、長(zhǎng)石晶屑；晶屑－玻屑凝灰?guī)r的晶屑以半定向排列的柱狀長(zhǎng)石為主。上述3種火山碎屑巖一般孔隙不發(fā)育，物性較差，為非儲(chǔ)層。

對(duì)于凝灰質(zhì)砂巖，凝灰質(zhì)含量一般為10%～50%，以凝灰質(zhì)巖屑及基質(zhì)兩種方式存在，碎屑組分主要為石英、長(zhǎng)石及少量巖屑、云母等，多以泥質(zhì)為雜基，以灰質(zhì)、硅質(zhì)和自生黏土礦物為膠結(jié)物，具明顯的碎屑結(jié)構(gòu)，巖性特征與正常沉積巖有許多相似之處。凝灰質(zhì)砂巖除發(fā)育少量原生孔隙外，還發(fā)育一定量的次生溶蝕孔隙及微裂縫，儲(chǔ)層物性相對(duì)較好，是研究區(qū)有效儲(chǔ)層。

由于研究區(qū)缺少巖心資料，且普遍使用PDC鉆頭，巖屑顆粒細(xì)碎，巖性識(shí)別面臨很大的困難，因此必須探索出一套毫米級(jí)鉆井巖屑富凝灰質(zhì)儲(chǔ)層巖性識(shí)別方法。

2 凝灰質(zhì)儲(chǔ)層巖性識(shí)別方法

2．1 巖屑挑樣

巖屑樣品的代表性是巖性鑒定分析工作的前提和基礎(chǔ)。在實(shí)際挑樣時(shí)，須先將取到的巖屑進(jìn)行清洗。由于巖屑顆粒細(xì)小，清洗時(shí)只能通過(guò)緩慢漂洗而不能淘洗或者沖洗，以保證有足夠的巖屑樣品。巖屑清洗后須經(jīng)過(guò)較長(zhǎng)時(shí)間的自然晾干，也可進(jìn)行適當(dāng)?shù)暮婵净虼碉L(fēng)機(jī)吹干；然后放到不同目數(shù)的篩子上進(jìn)行觀察挑樣。

巖屑挑樣最重要的是注意區(qū)分凝灰質(zhì)砂巖巖屑和正常砂泥巖巖屑。根據(jù)研究區(qū)大量巖屑的觀察分析，正常砂巖的巖屑一般呈灰白色、淺灰色、灰黃色，顆粒感強(qiáng)，砂質(zhì)較為純凈；正常泥巖的巖屑一般呈灰黑色、深灰色，且由于泥巖更容易被泥漿包裹而呈相對(duì)較大的塊狀或片狀；凝灰質(zhì)巖屑一般具有兩種形態(tài)，一種為灰綠色細(xì)小鱗片狀，另一種為灰白色粉末狀［4－5］。通過(guò)顏色和產(chǎn)狀可以大致區(qū)分該井段是否含凝灰質(zhì)。

2．2 巖屑薄片鑒定

薄片鑒定是巖性識(shí)別最重要的方法之一。通過(guò)對(duì)研究區(qū)46個(gè)巖屑薄片的觀察發(fā)現(xiàn)：凝灰質(zhì)在鏡下多為長(zhǎng)英質(zhì)或中性、中酸性火山玻璃，并含有部分凝灰質(zhì)巖屑及少量晶屑，而正常砂泥巖不含或含很少的火山玻璃；部分火山玻璃脫?；饔脧?qiáng)烈，可見脫?；纬傻氖ⅰ㈤L(zhǎng)石、黏土礦物等，而研究區(qū)正常的砂巖薄片一般為典型的碎屑結(jié)構(gòu)，主要礦物為石英、長(zhǎng)石，砂質(zhì)較為純凈（圖1）。

在識(shí)別出凝灰質(zhì)組分的基礎(chǔ)上，根據(jù)其含量可初步識(shí)別出凝灰?guī)r、晶屑凝灰?guī)r、凝灰質(zhì)砂巖、含凝灰砂巖等巖性類型。

2．3 X－衍射分析

X－衍射分析是細(xì)粒級(jí)樣品（如黏土礦物）以及變化很大甚至面目全非的礦物非常有效的分析手段，通過(guò)X－衍射圖譜可以定量分析礦物的組分及含量。

圖1 研究區(qū)凝灰質(zhì)層段巖屑薄片鑒定圖版Fig．1 Cuttings thin section identification plate of tuffaeous interval in the study area

表1 西湖凹陷D3HP井目的層X(jué)－衍射分析結(jié)果（14個(gè)樣品）Table 1 X－ray diffraction analysis of the study layer of Well D3HP in Xihu sag（14 samples）

表1為西湖凹陷D3HP井目的層段14個(gè)巖屑樣品的X－衍射分析結(jié)果，可以看出該層段巖石礦物組分以石英為主，含量近60%，表現(xiàn)出明顯的富硅質(zhì)特點(diǎn)；其次為黏土礦物、斜長(zhǎng)石、鉀長(zhǎng)石、方解石，還含有少量的銳鈦礦、重晶石、鐵白云石等。這種巖石成分與國(guó)內(nèi)外發(fā)現(xiàn)的富凝灰質(zhì)儲(chǔ)層或露頭具有較好的相似性［6－10］。結(jié)合薄片鑒定成果，認(rèn)為該層段巖性為典型的凝灰質(zhì)砂巖。

X－衍射分析能夠通過(guò)識(shí)別巖石中的礦物成分定性判別凝灰質(zhì)的存在，但凝灰質(zhì)中含有非晶態(tài)火山玻璃，這些非晶態(tài)物質(zhì)在X－衍射圖譜上沒(méi)有明顯的晶相衍射峰顯示，譜線基線會(huì)明顯偏高［8］。而正常砂巖的成分中主要為石英、長(zhǎng)石等礦物晶體，因此每種礦物都會(huì)有相應(yīng)的晶相衍射峰，而且譜線的基線也不會(huì)偏移。所以，具體區(qū)分石英晶體與非晶態(tài)火山玻璃還須借助其他手段，如掃描電鏡及能譜分析。

2．4 掃描電鏡及能譜分析

巖石與組成巖石的礦物在掃描電鏡下均呈一定形貌特征，據(jù)此可以研究巖石與礦物的組成、結(jié)構(gòu)及成因，從而正確鑒定這些礦物。在形貌特征難以鑒定時(shí)，可以結(jié)合電子探針波譜和能譜儀來(lái)分析巖石或礦物的微成分，利用成分上的微弱差異準(zhǔn)確鑒定礦物。

掃描電鏡除了對(duì)礦物的微晶能夠清晰分辨外，對(duì)介于晶態(tài)與非晶態(tài)之間的凝灰質(zhì)、火山灰也可定性認(rèn)識(shí)，對(duì)應(yīng)能譜分析中會(huì)出現(xiàn)O、Si、Al、K、Fe等元素在一定范圍內(nèi)組合，因此通過(guò)形貌與成分綜合分析可準(zhǔn)確鑒定含凝灰質(zhì)組分的半晶態(tài)物質(zhì)。

通過(guò)對(duì)研究區(qū)5口井59個(gè)掃描電鏡樣品的觀察發(fā)現(xiàn)，部分礦物可見其典型形貌，如石英晶體的貝殼狀斷口，在能譜圖上也顯示SiO2對(duì)應(yīng)元素的峰值（圖2）；而玻璃質(zhì)組分沒(méi)有固定的形態(tài)，在能譜圖上顯示出明顯的富硅質(zhì)特點(diǎn)（圖3）。通過(guò)該方法，能夠區(qū)分晶態(tài)的石英與非晶態(tài)的火山玻璃以及長(zhǎng)石、方解石等其他礦物，進(jìn)而準(zhǔn)確鑒別巖性。

圖2 西湖凹陷W2井石英能譜分析結(jié)果（井深3 850 m）Fig．2 Quartz spectrum analysis results of Well W2in Xihu sag（depth：3 850 m）

圖3 西湖凹陷D3H井玻璃質(zhì)能譜分析結(jié)果（井深4 188．3 m）Fig．3 Volcanic glass spectrum analysis results of Well D3Hin Xihu sag（depth：4 188．3 m）

3 巖性識(shí)別結(jié)果

通過(guò)巖屑薄片鑒定、X－衍射分析、掃描電鏡及能譜分析等實(shí)驗(yàn)手段，對(duì)研究區(qū)正常砂巖和凝灰質(zhì)砂巖的微觀鑒定特征進(jìn)行了總結(jié)對(duì)比（表2），結(jié)果表明：薄片鑒定方法能相對(duì)直觀、準(zhǔn)確地識(shí)別巖性，但無(wú)法確定各種礦物的相對(duì)含量；而X－衍射分析可以根據(jù)圖譜上的晶相峰顯示定量分析礦物的組分及含量；對(duì)于非晶態(tài)火山玻璃與石英晶體的區(qū)分，須借助掃描電鏡及能譜分析方法。

根據(jù)典型層段的巖性鑒定結(jié)果，結(jié)合電性特征，建立了研究區(qū)凝灰質(zhì)砂巖的巖電關(guān)系（表3），由此可建立其他層段的巖性剖面。與正常的砂巖相比，研究區(qū)凝灰質(zhì)砂巖具有自然伽馬中等偏低、密度中等、電阻率低、補(bǔ)償中子中等偏低、聲波時(shí)差中等的特點(diǎn)，與我國(guó)其他地區(qū)火山巖儲(chǔ)層測(cè)井響應(yīng)特征相似［11－14］。

研究區(qū)D3H井試采證實(shí)了凝灰質(zhì)砂巖為有效儲(chǔ)層，初期日產(chǎn)氣7萬(wàn)～9萬(wàn)m3（圖4），開辟了東海油氣勘探開發(fā)的新領(lǐng)域。綜合分析認(rèn)為，凝灰質(zhì)砂巖儲(chǔ)層在研究區(qū)廣泛分布，具有較大的資源潛力。

表2 研究區(qū)凝灰質(zhì)砂巖與正常砂巖微觀鑒定特征Table 2 Identification characteristics of tuffaceous sandstone and normal sandstone in the study area

表3 研究區(qū)主要巖性測(cè)井響應(yīng)特征Table 3 Logging features of the main lithology in the study area

圖4 西湖凹陷D3H井凝灰質(zhì)砂巖層段綜合解釋成果圖Fig．4 Synthetic interpretation of tuffaceous sandstone interval in Well D3H，Xihu sag

4 結(jié)論

針對(duì)東海西湖凹陷某氣田PDC鉆頭鉆井條件下的毫米級(jí)巖屑，通過(guò)巖屑薄片鑒定、X－衍射分析、掃描電鏡及能譜分析等技術(shù)方法組合，彌補(bǔ)了常規(guī)地質(zhì)錄井鑒定方法的不足，建立了富凝灰質(zhì)儲(chǔ)層巖性識(shí)別方法；在此基礎(chǔ)上，結(jié)合電性特征分析，明確了研究區(qū)凝灰質(zhì)砂巖儲(chǔ)層測(cè)井響應(yīng)特征，為氣田評(píng)價(jià)提供了翔實(shí)的基礎(chǔ)資料，為后續(xù)的滾動(dòng)勘探開發(fā)奠定了基礎(chǔ)。本文研究成果對(duì)于缺少鉆井取心情況下的復(fù)雜巖性識(shí)別提供了一種有借鑒價(jià)值的技術(shù)組合方法，具有一定的推廣意義。

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Lithology identification method of tuffaceous reservoir under PDC bit drilling condition

HUANG Daowu1HE Xianke1CHENG Junyang1ZHU Yixiu2
（1．Shanghai Branch of CNOOC Ltd．，Shanghai 200335，China；2．China University of Petroleum，Beijing102249，China）

Drilling cuttings of PDC bit are generally less than2 mm of diameter，which causes big challenge for lithology identification．Taking tuffaceous strata of Upper Cretaceous Bajiaoting Formation in a gas field in Xihu sag，the East China Sea as an example，the lithology identification method is established by combing cutting thin sections observation，X－ray diffraction analysis，scanning electron microscopy and energy dispersive spectrometer analysis，and 4 main lithology types are identified：tuff，crystal tuff，crystalglass tuff and tuffaceous sandstone，in which the tuffaceous sandstone reservoir has good properties．Combined with analysis of lithology and electrical properties，the logging response characteristics of tuffaceous sandstone reservoir in the study area are clarified．The effective tuffaceous sandstone reservoir is confirmed by production test，which opens a new area of natural gas exploration and development in the East China Sea．The lithology identification method of tuffaceous reservoir based on millimeter scale drilling cuttings provides a technical combination for the complex lithological identification without core and has certain popularization significance．

PDC bit；drill cuttings；tuffaceous reservoir；lithology identification；Xihu sag；East China Sea

TE142

A

黃導(dǎo)武，何賢科，程俊陽(yáng)，等．PDC鉆頭鉆井條件下凝灰質(zhì)儲(chǔ)層巖性識(shí)別方法［J］．中國(guó)海上油氣，2017，29（5）：56－61．

HUANG Daowu，HE Xianke，CHENG Junyang，et al．Lithology identification method of tuffaceous reservoir under PDC bit drilling condition［J］．China Offshore Oil and Gas，2017，29（5）：56－61．

1673－1506（2017）05－0056－06

10．11935／j．issn．1673－1506．2017．05．007

＊中國(guó)海洋石油總公司“十二五”科技重大項(xiàng)目“中國(guó)近海低孔低滲油氣藏勘探開發(fā)關(guān)鍵技術(shù)與實(shí)踐（編號(hào)：CNOOC－KJ 125 ZDXM07 LTD）”部分研究成果。

黃導(dǎo)武，男，高級(jí)工程師，1994年畢業(yè)于中國(guó)石油大學(xué)（北京），長(zhǎng)期從事油氣田開發(fā)技術(shù)研究。地址：上海市長(zhǎng)寧區(qū)通協(xié)路388號(hào)中海油大廈 A633室（郵編：200335）。E－mail：huangdw＠cnooc．com．cn。

2016－11－24 改回日期：2017－04－14

（編輯：張喜林）