基于可鉆性分析及三維地質(zhì)建模的鉆探有利區(qū)優(yōu)選：以雄安新區(qū)霧迷山組為例

魯 鍇，劉 玲，鮑志東，季漢成，劉金俠，李 磊，李 晉，鮑逸非，牛 博，陳振良，曹瑛倬，陳欣怡，李宗峰

(1.中國石油化工股份有限公司石油勘探開發(fā)研究院，北京 102206；2.中國石油大學(xué)(北京)地球科學(xué)學(xué)院，北京 102249； 3.中國石化集團公司新星石油有限責(zé)任公司，北京 100083；4.北京郵電大學(xué)理學(xué)院，北京 100876；5.中國石油大學(xué)(北京)石油工程學(xué)院，北京 102249)

0 引 言

為實現(xiàn)我國提出的“30—60”雙碳目標，2021年10月26日，國務(wù)院印發(fā)《2030年前碳達峰行動方案》，其中明確提出大力發(fā)展新能源，2030年非化石能源消費比重達到25%左右。地?zé)嶙鳛橐环N清潔可再生能源，具有儲量大、遍布廣、能效高、穩(wěn)定性好等特征，因此對其開發(fā)和利用是實現(xiàn)我國“雙碳”目標的重要途徑之一。雄安新區(qū)位于京津冀腹地，區(qū)域兼跨的牛駝鎮(zhèn)地?zé)崽铩⑷莩堑責(zé)崽锖透哧柕責(zé)崽锸呛颖笔∧酥琳麄€京津冀地區(qū)地?zé)峋C合條件最好的地區(qū)之一[1-2]。研究區(qū)地?zé)豳Y源利用歷史悠久，主要以中-低溫水熱型為主，具有水量大、礦化度低、出水穩(wěn)定等特征[3-4]，對雄安新區(qū)地?zé)崮艿某晒﹂_發(fā)及利用具有普遍性的示范意義。但目前，隨著研究區(qū)大量地?zé)峋_始施工，在鉆進過程中，普遍遇到地層預(yù)測情況與實際鉆探情況相差較大、巖溶地層漏失嚴重、鉆井液突然失返、遭遇卡鉆、鉆頭磨損嚴重等影響鉆進效率和鉆井成本的問題[5-7]。因此，本次研究基于豐富的鉆井、測井、巖心、薄片等資料，結(jié)合抗壓強度、硬度和研磨性等巖石力學(xué)實驗，利用三維地質(zhì)建模技術(shù)，實現(xiàn)對雄安新區(qū)及其周邊有利鉆探靶區(qū)的綜合預(yù)測，為鉆井工藝的優(yōu)化、鉆進效率的提高和鉆井成本的降低提供先導(dǎo)。

1 區(qū)域地質(zhì)概況

雄安新區(qū)位于渤海灣盆地西部的冀中坳陷的中西部(圖1(a))。整體構(gòu)造格局呈NW—SE走向，具有明顯的“凹、凸、斷”相間的特點[8-9]。主要構(gòu)造單元包括“三凸、四凹、兩斜坡”，具體為牛駝鎮(zhèn)凸起、容城凸起和高陽低凸起，霸縣凹陷、饒陽凹陷、保定凹陷和徐水凹陷，牛北斜坡和蠡縣斜坡。其中又可劃分出三個潛山發(fā)育帶，分別為牛駝鎮(zhèn)凸起上的牛駝鎮(zhèn)凸起潛山發(fā)育帶、蠡縣斜坡北部的同口—雁翎低潛山發(fā)育帶和任丘地區(qū)的任丘低潛山發(fā)育帶。另外，研究區(qū)整體被安新構(gòu)造轉(zhuǎn)換帶明顯分為南北兩部分，呈現(xiàn)出北高南低的格局(圖1(a))。研究區(qū)內(nèi)斷裂以NE向為主、NWW向斷裂為輔，主要為NE向的容城斷裂、牛東斷裂和高陽斷裂，以及NWW向的容南斷裂和牛南斷裂(圖1(a))。牛東斷裂位于牛駝鎮(zhèn)凸起東側(cè)，以正斷層活動為主，長達72 km，斷距大于2200 m[10]。容城斷裂為正斷層，位于容城凸起東側(cè)，傾向SEE，長約30 km，斷距1600 m[11-12]。牛東、容城兩條斷層都有不同程度彎曲，呈“S”形。高陽斷裂為正斷層，傾向NW，在研究區(qū)長度為43 km，是高陽低凸起和蠡縣斜坡的分界[13]。牛南斷層，NWW向展布，斷面傾向南，傾角45°，垂直斷距1200～3200 m，水平斷距1000～2500 m，為牛東斷層的南端，是安新橫向調(diào)節(jié)帶的組成部分[13]。容南斷裂位于容城凸起南側(cè)，牛南斷層的北西側(cè)，為NWW走向正斷層。

圖1 雄安新區(qū)構(gòu)造單元與地層劃分

研究區(qū)地層可明顯分為上、下兩個部分，上部新生界碎屑巖地層直接不整合覆蓋于下部中元古界碳酸鹽巖地層之上(圖1(b))。研究區(qū)上部新生界由老到新可劃分為古近系、新近系和第四系，皆為陸相碎屑巖沉積(圖1(b))。古近系由下到上可分為孔店組、沙河街組和東營組。古近系在本區(qū)具有低孔低滲的特征，富水性差，且礦化度較高，一般不構(gòu)成有經(jīng)濟價值的熱儲層。因此，在本次研究中將古近系各組作為整體分析。新近系由老到新可分為館陶組和明化鎮(zhèn)組。館陶組下部巖性主要為灰色粗砂巖和砂礫巖，中部巖性以灰綠色泥巖夾粉砂巖為主，上部巖性為灰白色砂巖夾紫紅色泥巖。館陶組熱儲砂體發(fā)育，砂體單層厚度較大，物性較好，熱水礦化度較低，是本區(qū)重要的淺層熱水儲層。明化鎮(zhèn)組為一套下細上粗的河流相砂泥沉積，在全區(qū)均有分布。第四系平原組以未成巖的黃色黏土質(zhì)細砂為特征，覆蓋全區(qū)，自西向東逐漸增厚。作為目前雄安新區(qū)主力熱儲的薊縣系霧迷山組為一套巨厚的潮坪相白云巖沉積[14-15]。由華北地區(qū)野外露頭實測結(jié)果可知，其厚度由幾百米到超過3000 m不等，由北東向南西呈現(xiàn)逐漸減薄的趨勢[16]。研究區(qū)霧迷山組自沉積后經(jīng)歷了多期構(gòu)造抬升，受到多期風(fēng)化、剝蝕、淋濾和構(gòu)造破裂作用疊加影響，溶蝕孔洞和裂縫極為發(fā)育，形成了以“孔、洞、縫”為主的復(fù)合儲集體[17-18]。

基于研究區(qū)及周邊100余口鉆井分層數(shù)據(jù)所繪制各層段頂面埋深等值圖可知：研究區(qū)不同構(gòu)造單元的霧迷山組埋深差異較大，主體埋深在600～4000 m之間(圖2(a))，殘余厚度在310～1265.5 m之間。除容城凸起和牛駝鎮(zhèn)凸起核部位外，古近系全區(qū)皆有分布，埋深在600～1800 m之間(圖2(b))，厚度變化較大，最厚可超過4000 m。除本區(qū)北部的容城凸起和牛駝鎮(zhèn)凸起缺失外，館陶組在本區(qū)其他地區(qū)均有分布。其埋深在1000～1600 m之間(圖2(c))，主體厚度在200～600 m之間，最厚可超過900 m。明化鎮(zhèn)組主體埋深在50～450 m之間(圖2(d))，厚度在400～1400 m之間。

圖2 雄安新區(qū)主要層系頂面埋深等值線圖

2 雄安新區(qū)巖性識別與巖石可鉆性參數(shù)

2.1 雄安新區(qū)碎屑巖系測井巖性識別及巖石可鉆性分析

綜合前人研究成果[19-21]，結(jié)合研究區(qū)鉆井巖心、薄片和錄井資料，將雄安新區(qū)霧迷山組上覆碎屑巖巖性細分為泥巖、粉砂巖、細砂巖、中砂巖、粗砂巖、礫巖、砂質(zhì)泥巖、泥質(zhì)砂巖和含礫砂巖9種。根據(jù)研究區(qū)中較多取心的關(guān)鍵井中已知巖性地層的測井參數(shù)，優(yōu)選對雄安新區(qū)碎屑巖敏感的自然伽馬和聲波時差曲線進行交匯分析，劃分出具有地質(zhì)意義的測井相，進而通過巖心對比與標定建立測井巖性識別模型圖版[22]，對雄安新區(qū)碎屑巖系巖性進行識別。結(jié)果顯示：研究區(qū)泥巖自然伽馬>45 API，聲波時差>380 μs/m；粉砂巖的自然伽馬為7～9 API，聲波時差為230～270 μs/m；中砂巖的自然伽馬為6.5～11 API，聲波時差為340～375 μs/m；細砂巖自然伽馬為7～9 API，聲波時差為270～340 μs/m；粗砂巖自然伽馬為7.5～11 API，聲波時差為375～400 μs/m；礫巖自然伽馬為9～15 API，聲波時差為275～340 μs/m；砂質(zhì)泥巖自然伽馬為45～75 API，聲波時差為300～380 μs/m；泥質(zhì)砂巖自然伽馬為8.5～15 API，聲波時差為>400 μs/m；含礫砂巖自然伽馬為5.5～9 API，聲波時差為320～340 μs/m(圖3)。

圖3 雄安新區(qū)碎屑巖系巖性測井識別圖版[22]

由研究區(qū)霧迷山組上覆碎屑巖的鉆進過程實踐可知，除了在構(gòu)造凸起處新近系膠結(jié)程度較弱的松散地層易發(fā)生井壁失穩(wěn)坍塌事故、在大套泥巖發(fā)育段易發(fā)生縮徑卡鉆等風(fēng)險外[23]，目前碎屑巖段已可以實現(xiàn)高效鉆進。因此，研究區(qū)碎屑巖系的可鉆性參數(shù)符合常規(guī)規(guī)律(表1)[24]，即碎屑巖系中泥巖的硬度和抗壓強度最低，但二者隨埋深增大而增大；而砂巖中石英等堅硬礦物含量越多、埋深越大、膠結(jié)作用越強、顆粒越細，則巖石的硬度、抗壓強度越大，均布性越小且磨圓越差的巖石研磨性越強，越容易對鉆頭造成磨損。

表1 常見碎屑巖強度、硬度分布(據(jù)王益民等[24]修改)

2.2 雄安新區(qū)霧迷山組巖石學(xué)特征及測井識別

本區(qū)霧迷山組巖性以白云巖為主，通過對野外剖面、巖心和薄片的觀察鑒定，以白云巖中所含不同結(jié)構(gòu)為依據(jù)，將雄安新區(qū)霧迷山組巖石類型主要分為結(jié)晶白云巖、顆粒白云巖、微生物白云巖、硅質(zhì)白云巖和角礫白云巖5大類。

(1)結(jié)晶白云巖。

結(jié)晶白云巖在霧迷山組中是分布最廣的白云巖類型。依據(jù)鏡下所見的晶體尺寸，霧迷山組中的結(jié)晶白云巖以泥晶白云巖和粉晶白云巖為主，含有少量的細晶白云巖。野外與巖心觀察結(jié)果顯示，泥晶白云巖一般為灰白色至灰色，可呈薄層、中層、厚層和塊狀產(chǎn)出(圖4(a)和(b))。鏡下觀察結(jié)果顯示，泥晶白云巖中白云石含量大于90%，晶體直徑小于0.005 mm(圖4(c))，結(jié)構(gòu)較為均一，在陰極發(fā)光下主要發(fā)昏暗光或者不發(fā)光。由物性資料統(tǒng)計可知，結(jié)晶白云巖平均孔隙度為2.83%，平均滲透率為41.84×10-3μm2，孔隙度范圍為0.014%～10.47%，滲透率范圍為0.01×10-3～3870.00×10-3μm2。

圖4 雄安新區(qū)及周邊霧迷山組巖石類型圖版

(2)顆粒白云巖。

顆粒白云巖中顆粒含量一般大于60%(圖4(d))，顆粒類型以砂屑、球粒、鮞粒和核形石為主，顯示其沉積于潮坪環(huán)境中水動力較強的部位，多在研究區(qū)的中南部發(fā)育。由于早期膠結(jié)作用的支撐，顆粒之間多數(shù)為點、線接觸。不同顆?？砂l(fā)生不同程度的硅化，砂屑和球粒中多見顆粒被整體硅化(圖4(e))，鮞粒和核形石顆粒多表現(xiàn)為核心或紋層部分被硅質(zhì)交代(圖4(f))。由物性資料統(tǒng)計可知，顆粒白云巖的平均孔隙度為3.26%，平均滲透率為24.67×10-3μm2，孔隙度范圍為0.51%～16.90%，滲透率范圍為0.01×10-3～102.00×10-3μm2。

(3)微生物白云巖。

霧迷山組的微生物白云巖是由于藍細菌的生物化學(xué)作用對碳酸鹽巖顆粒的黏結(jié)捕捉使其沉淀而形成的[25]，不僅是一種生物沉積構(gòu)造，同時也是一種巖石。由于沉積時期的水體能量的差異，不同藻類所形成的構(gòu)造也不同。依據(jù)白云巖中不同的微生物構(gòu)造，霧迷山組中常見的微生物白云巖包括水平層狀疊層石白云巖、波狀疊層石白云巖、錐-柱狀疊層石白云巖和藻凝塊白云巖。水平層狀疊層石白云巖是發(fā)育在浪基面之下，水體能量較弱，波浪擾動較少的潮下低能帶中，藻類呈水平狀發(fā)育而形成。當水體能量變強，藻類紋層受到的波浪擾動作用變強，進而形成波狀疊層石白云巖(圖4(g))。當水體逐漸變淺，能量逐漸增加，藻類紋層由波狀變?yōu)殄F狀-柱狀，形成可對抗風(fēng)浪的錐-柱狀疊層石白云巖(圖4(h))。而藻凝塊白云巖則主要是由于藻類在生長過程中被波浪攪動、打碎而產(chǎn)生的團塊、碎屑和凝塊形成的，多產(chǎn)出于潮下帶上部或潮間帶下部(圖4(i))。由物性資料統(tǒng)計可知，微生物白云巖的平均孔隙度為3.17%，平均滲透率為17.97×10-3μm2，孔隙度范圍為0.32%～7.90%，滲透率范圍為0.01×10-3～285.00×10-3μm2。

(4)硅質(zhì)白云巖。

研究區(qū)霧迷山組中常見原生沉積和次生交代成因的硅質(zhì)巖，原生沉積的燧石通常呈紋層狀、條帶狀、團塊狀和結(jié)核狀產(chǎn)出。但若原生硅質(zhì)結(jié)構(gòu)與白云巖交互沉積，或在次生交代成因的硅質(zhì)白云巖中，存在局部硅化不完全，當受到溶蝕作用，白云巖易發(fā)生溶蝕，形成溶孔；硅質(zhì)難溶，可形成格架結(jié)構(gòu)，利于白云巖中溶孔保存(圖4(j))。同時，硅質(zhì)結(jié)構(gòu)中易發(fā)育裂縫(圖4(k))，因此可作為儲層。由物性測試結(jié)果可知，硅質(zhì)白云巖的平均孔隙度為2.74%，平均滲透率為29.68×10-3μm2，孔隙度范圍為0.30%～6.30%，滲透率范圍為0.01×10-3～308.00×10-3μm2。

(5)角礫白云巖。

角礫白云巖的產(chǎn)生需要巖溶作用有一定強度和持續(xù)時間，其分布在縱向和垂向上有很大差異，可作為巖溶作用的識別標志。角礫巖一般是由上覆地層的重力和壓力下，溶洞頂板和洞壁產(chǎn)生裂縫，隨著巖溶作用加劇，裂縫會切割巖石，或者巖石發(fā)生崩塌，從而產(chǎn)生尺寸各異、形態(tài)不一的角礫。依據(jù)1999年Loucks對巖溶角礫巖的分類[26]，本區(qū)霧迷山組中角礫白云巖主要包括裂縫角礫白云巖(圖4(l))、鑲嵌角礫白云巖(圖4(m))、紊亂角礫白云巖(圖4(n))和洞穴沉積物充填(圖4(o))。裂縫角礫巖是角礫化初期的產(chǎn)物，是由霧迷山組白云巖中極為發(fā)育的、多期次、寬度較小的裂縫將巖石切割為碎屑，且碎屑未發(fā)生位移或位移較小而形成(圖4(l))。隨著巖溶作用加劇，引起巖層內(nèi)發(fā)生崩、塌、滑等作用，使大量碎屑的位移和旋轉(zhuǎn)量增加，從而形成紊亂角礫白云巖(圖4(n))。而鑲嵌角礫白云巖與裂縫角礫巖相似，但碎屑間位移較大，是裂縫角礫巖和紊亂角礫巖間的過渡類型(圖4(m))。洞穴沉積物充填主要是在巖溶洞穴中，由含碎屑和巖塊的沉積物組成(圖4(o))。在雄安新區(qū)霧迷山組巖心中常見角礫白云巖發(fā)育，通常此類巖石具有較高的原始孔隙度，但受后期壓實作用和膠結(jié)作用影響，孔隙度大幅減小。由物性測試結(jié)果可知，角礫白云巖的平均孔隙度為6.39%，平均滲透率為106.68×10-3μm2，孔隙度為2.40%～15.70%，滲透率為0.17×10-3～858.00×10-3μm2。

進而基于研究區(qū)鉆井巖心、薄片、錄井和測井資料，利用自然伽馬和聲波時差曲線建立霧迷山組測井巖性識別模型圖版。結(jié)果顯示，硅質(zhì)白云巖自然伽馬為0.5～3.3 API，聲波時差為130～163 μs/m；微生物白云巖自然伽馬為1.3～3.3 API，聲波時差為163～200 μs/m；顆粒白云巖自然伽馬為0.8～1.3 API，聲波時差為163～200 μs/m；角礫白云巖自然伽馬為0.8～4.5 API，聲波時差>200 μs/m；泥晶白云巖自然伽馬>3.3 API，聲波時差為130～178 μs/m(圖5)。在霧迷山組白云巖儲層中，白云巖中所含的不同結(jié)構(gòu)決定了儲層發(fā)育規(guī)模。以任丘潛山的霧迷山組油氣儲層為例，其中具有藻類結(jié)構(gòu)的白云巖儲層厚度約占總厚度的45%，角礫白云巖儲層厚度占比超過20%，而硅質(zhì)白云巖和泥晶白云巖二者相加儲層占比接近20%，其余類型白云巖儲層占比則不超過15%[27]。因此，在雄安新區(qū)霧迷山組熱儲層中作為主要儲集巖的巖石類型主要為角礫白云巖、微生物白云巖、泥晶白云巖和硅質(zhì)白云巖。顆粒白云巖由于其發(fā)育規(guī)模的局限和后期成巖作用的影響，不是主要的儲集巖類。

圖5 雄安新區(qū)霧迷山組巖性測井識別圖版

2.3 雄安新區(qū)霧迷山組巖石可鉆性參數(shù)分析

巖石可鉆性參數(shù)主要是用來評價巖石破碎難易程度的綜合指標，為了在霧迷山組巖溶地層中能夠?qū)崿F(xiàn)鉆進效率提高和鉆井成本下降的目標，依據(jù)前文分析，本次研究選取研究區(qū)霧迷山組儲層中最發(fā)育的塊狀泥晶白云巖、角礫白云巖、柱狀疊層石白云巖、硅質(zhì)白云巖和層紋石5類巖石的柱塞和巖塊樣品，基于地質(zhì)力學(xué)實驗的方法，對霧迷山組巖石的抗壓強度、硬度和研磨性等參數(shù)進行綜合測定，進而劃分巖石可鉆性級次，對霧迷山組地層可鉆性進行分析與預(yù)測。

(1)巖石抗壓強度測試。

本次研究采用單軸壓縮、圍壓為20 MPa和40 MPa條件下的三軸壓縮方法對霧迷山組含有不同結(jié)構(gòu)的白云巖柱塞樣品進行測試。結(jié)果(表2)顯示，抗壓強度與圍壓呈正相關(guān)關(guān)系(圖6(a))，白云巖的平均抗壓強度由大到小依次為：塊狀泥晶白云巖>硅質(zhì)白云巖>層紋石>角礫白云巖>柱狀疊層石白云巖。實驗結(jié)果說明與相對均質(zhì)的塊狀泥晶白云巖相比，白云巖中所含有的硅質(zhì)、藻紋層和角礫等結(jié)構(gòu)都會降低其抗壓強度。另外，排列更為緊密的水平狀藻紋層結(jié)構(gòu)相對于非均質(zhì)性更強的柱狀藻疊層結(jié)構(gòu)具有更高的抗壓強度，非均質(zhì)性最強的角礫白云巖的抗壓強度最低。因此，霧迷山組白云巖中所含有的不同結(jié)構(gòu)影響了巖石的抗壓強度。

表2 雄安新區(qū)霧迷山組巖石力學(xué)測試結(jié)果

圖6 雄安新區(qū)霧迷山組巖石可鉆性參數(shù)測試結(jié)果

(2)巖石硬度測試。

巖石的礦物成分和結(jié)構(gòu)對其抗鉆能力起了決定性的作用。利用壓入硬度法，將上述霧迷山組巖石塊體樣品放入全自動巖石硬度測定儀，對同一巖樣的兩個不同部位施加點載荷，分次測定其最大試驗載荷，進而計算其硬度均值。實驗結(jié)果顯示(表2)，平均巖石硬度由大到小為：硅質(zhì)白云巖、塊狀泥晶白云巖、層紋石、角礫狀云巖和柱狀疊層石白云巖(圖6(b))，且由巖石硬度分類結(jié)果(表3)[24，28]可知，霧迷山組巖石硬度分級主要為中硬-硬。由對測試樣品的全巖X射線衍射(XRD)分析結(jié)果可知，除硅質(zhì)白云巖中石英含量明顯較高(>50%)外，其余巖石樣品中的石英含量均小于10%。因此，影響霧迷山組中各巖石硬度的主要因素為其結(jié)構(gòu)。具有較為均一且致密結(jié)構(gòu)的泥晶白云巖和層紋石，其硬度也高于非均質(zhì)性較強的角礫白云巖和柱狀疊層石白云巖，這與巖石抗壓強度測試結(jié)果相一致。

表3 巖石硬度劃分表(據(jù)王益民等[24]和尹宏錦[28]修改)

(3)巖石研磨性測試。

巖石的研磨性通常被定義為巖石對鉆頭的磨損能力[29]。在鉆井的過程中，巖石對鉆頭的磨損會增加鉆頭的消耗，使鉆頭破巖的效率降低，增加鉆井的成本。因此，對巖石研磨性進行研究可以為鉆頭設(shè)計、選型、提高鉆進效率和降低鉆井成本都有著指導(dǎo)意義。本次研究結(jié)合研究區(qū)巖樣實際情況，選擇1.5 kN的正壓力和150 r/min的轉(zhuǎn)速進行實驗，研磨時間設(shè)置為10 min，進而采用以研磨環(huán)的磨損失重與巖石破損單位體積的比率來作為巖石研磨性指標，即：

λ=ΔW/ΔV

(1)

式中：ΔW為研磨環(huán)磨損的質(zhì)量，mg；ΔV為巖石磨損的體積，cm3；λ為研磨性指標，mg/cm3。

巖石磨損的體積可以通過研磨槽長度和寬度進行計算得到，計算公式，

(2)

式中：ΔV為巖石磨損的體積，R為研磨環(huán)半徑，L為研磨槽長度，h為研磨槽深度。

為了更好地區(qū)分霧迷山組巖石的研磨性和更為方便地與其他巖石類型進行對比，采用公比為2的等比級數(shù)分級方法對測定值進行計算。實驗和計算結(jié)果(表2)顯示，霧迷山組巖石研磨性由大到小排序為：塊狀泥晶白云巖、硅質(zhì)白云巖、層紋石、角礫狀白云巖和柱狀疊層石白云巖(圖6(c))。由地層巖石研磨性分級表(表4)[29-30]可知，霧迷山組不同結(jié)構(gòu)白云巖研磨性分級為中低-中高級。與巖石硬度和抗壓強度相同，巖石的研磨性也是取決于巖石內(nèi)部礦物含量與形態(tài)結(jié)構(gòu)。其中高硬度的硬質(zhì)礦物、膠結(jié)程度、顆粒大小和巖石組構(gòu)對其研磨性的影響很大。對于霧迷山組中的不同結(jié)構(gòu)白云巖來說，石英含量越高、內(nèi)部結(jié)構(gòu)越均一，則巖石研磨性越高。

表4 地層巖石研磨性分級(據(jù)鄒德永等[29]和袁軍等[30]修改)

(4)雄安新區(qū)霧迷山組白云巖可鉆性分級。

綜合巖石抗壓強度、硬度和研磨性三種可鉆性參數(shù)的測定結(jié)果，將柱狀疊層石白云巖和角礫白云巖劃分為易鉆級，層紋石劃分為中鉆級，硅質(zhì)白云巖和塊狀泥晶白云巖劃分為難鉆級(表5)。另外，需要補充說明的一點是，由于顆粒白云巖在研究區(qū)分布較為局限，且在霧迷山組熱儲巖石類型中占比較低，因此，在巖石力學(xué)實驗的樣品中未選擇顆粒白云巖進行測試。但為使測井巖性識別和后續(xù)建模工作盡量全面地反映研究區(qū)地層巖性情況，本次研究依據(jù)顆粒白云巖的測井電性響應(yīng)特征(與微生物云巖相似)、顆粒大小(一般小于2 mm，較為均質(zhì))、膠結(jié)程度(后期顆粒間硅質(zhì)膠結(jié)嚴重)和物性特征等特點，將其與層紋石一并劃分為中鉆級。由于測井巖性識別的局限性，難以將柱狀疊層石白云巖和層紋石區(qū)分，因此在建模工作中統(tǒng)稱為微生物白云巖，其應(yīng)屬易鉆級與中鉆級之間的較易鉆級。

表5 雄安新區(qū)霧迷山組可鉆性分級

對于研究區(qū)內(nèi)一鋪南1井中不同地層的實際鉆進速度進行統(tǒng)計，結(jié)果顯示：一鋪南1井進行了以分鐘為單位的鉆時觀測工作，新近系與古近系地層中鉆速為0.4～21.7 min/m，在霧迷山組地層中鉆速為0.9 ～77.98 min/m；鉆速差異說明研究區(qū)深部霧迷山組地層可鉆性差于其上覆碎屑巖地層。

為降低不同埋深引起的圍壓差異所造成的鉆速誤差，本次研究選取研究區(qū)及周邊3口鉆井鉆遇霧迷山組中相鄰層段不同類型白云巖的鉆速進行統(tǒng)計，結(jié)果顯示：淀6-4井1191～1207 m角礫白云巖層段中鉆速為5.0～21.0 min/m，平均鉆速為7.1 min/m；1207～1230 m塊狀泥晶白云巖層段中鉆速為3.0～27.0 min/m，平均鉆速為14.0 min/m。高10井3536～3545 m硅質(zhì)白云巖層段中鉆速為12.0～34.0 min/m，平均鉆速為18.8 min/m；3546～3573 m塊狀泥晶白云巖層段中鉆速為11.0～56.0 min/m，平均鉆速為23.2 min/m。文古1井5288～5297 m硅質(zhì)白云巖層段中鉆速為19.0～68.0 min/m，平均鉆速為35.2 min/m；5298～5328 m塊狀泥晶白云巖層段中鉆速為15.0～93.0 min/m，平均鉆速為37.1 min/m。不同類型白云巖實際鉆速顯示的差異與本次研究的霧迷山組可鉆性分級結(jié)果一致。另外，不同井中不同埋深層段的同一巖性實際鉆速的區(qū)別說明了隨埋深增大，巖石的可鉆性變差。

3 雄安新區(qū)三維地質(zhì)模型構(gòu)建

基于雄安新區(qū)各地層巖石類型測井識別結(jié)果和巖石可鉆性參數(shù)研究的基礎(chǔ)，利用地質(zhì)建模技術(shù)，從三維可視化角度實現(xiàn)對研究區(qū)地?zé)徙@探靶區(qū)的預(yù)測。針對本區(qū)復(fù)雜的地層，選用Schlumberger Petrel 2018.2版本軟件對其進行地質(zhì)建模。

3.1 數(shù)據(jù)準備

基于各類資料的綜合利用，本次建模收集處理了研究區(qū)101口鉆井的井軌跡坐標、補心海拔、分層和測井曲線以及經(jīng)測井解釋的巖性參數(shù)等數(shù)據(jù)。其中，為使模型更為直觀，將研究區(qū)地層分為平原組、明化鎮(zhèn)組、館陶組、古近系(內(nèi)部不分組)、霧迷山組及霧迷山組之下地層，從而確定各地層頂、底的深度界限。

網(wǎng)格是建立地質(zhì)模型的基礎(chǔ)，根據(jù)研究區(qū)建模面積及井位間距和計算機運行速度，最終合理設(shè)定模型平面網(wǎng)格為350 m×350 m，垂向上將霧迷山組及其上覆地層劃分為145個小層，其中第四系共15個小層，明化鎮(zhèn)組30個小層，館陶組20個小層，古近系30個小層，霧迷山組50個小層，霧迷山組之下地層視為整體不分小層。模擬精度較高，滿足建模要求。

3.2 模型搭建

由于本區(qū)未采集覆蓋全區(qū)的三維地震數(shù)據(jù)，本次研究采取地震剖面解釋成果與構(gòu)造數(shù)據(jù)相結(jié)合的手段，刻畫出本區(qū)內(nèi)主要正斷層，走向為北東—南西向、近東西向。層面模型主要反映了地層界面的三維分布，疊合的層面模型即為地層格架模型。本次研究主要利用測井分層數(shù)據(jù)在斷層模型的基礎(chǔ)上建立層面模型，包括平原組頂面、明化鎮(zhèn)組頂面、館陶組頂面、古近系頂面、霧迷山組頂面和底面。進而對局部插值異常進行檢查和消除，以盡可能如實地反映出地層的形態(tài)(圖7)。通過測井曲線解釋成果對未取心井或井段的巖石類型進行識別，使所有井段都得到連續(xù)的巖石類型曲線。在構(gòu)造模型基礎(chǔ)上，應(yīng)用離散曲線的粗化方法，將巖石類型粗化到三維地質(zhì)模型中，利用隨機模擬方法中適應(yīng)性較強且能夠綜合各種參數(shù)的序貫指示方法建立三維地質(zhì)模型。

圖7 雄安新區(qū)層面模型

模擬結(jié)果如圖8所示，雄安新區(qū)上部碎屑巖系巖性平面上整體分布較為穩(wěn)定，但縱向厚度差異大，主要受研究區(qū)構(gòu)造單元控制。霧迷山組巖性與上覆巖層具有明顯區(qū)分，且內(nèi)部縱向巖性變化較頻繁。因此，雄安地區(qū)碎屑巖系與霧迷山組地層可鉆性具有明顯差異，霧迷山組內(nèi)部巖石可鉆性具有頻繁變化的特征。

圖8 雄安新區(qū)三維地質(zhì)模型與柵狀圖

3.3 雄安新區(qū)霧迷山組鉆探靶區(qū)優(yōu)選

由研究區(qū)三維地質(zhì)模型東西向和南北向切片可知，牛駝鎮(zhèn)凸起和容城凸起處上部碎屑巖系較研究區(qū)其他構(gòu)造部位具有厚度小、埋深淺、砂巖含量較泥巖多、膠結(jié)作用較弱等特征，屬較易鉆進地層，但在鉆進過程中需注意松散砂巖層造成井壁失穩(wěn)的問題。兩個凸起處霧迷山組埋深最淺，牛駝鎮(zhèn)凸起處霧迷山組巖性隨深度變大，由角礫白云巖、微生物白云巖和顆粒白云巖的組合向硅質(zhì)白云巖和泥晶白云巖組合轉(zhuǎn)變，鉆進難度增大(圖9(a))；容城凸起處霧迷山組巖性則以較易鉆進的微生物白云巖和角礫白云巖為主(圖9(a)和(c))。因此，綜合而言，研究區(qū)北部兩大凸起處是熱儲鉆進效率相對最高、成本最低的最有利地區(qū)。在對于此處的霧迷山組進行鉆探時應(yīng)注意巖溶地層造成的泥漿漏失、失反、鉆具放空和卡鉆等問題，同時需注意角礫巖和硅質(zhì)巖對鉆頭造成的崩壞和沖擊等影響。

圖9 雄安新區(qū)三維模型切片(切片位置見圖1)

在研究區(qū)南部的高陽低凸起、同口—雁翎低潛山和任丘低潛山部位，霧迷山組埋深雖較北部凸起處變大，但上部碎屑巖層泥質(zhì)含量較多，并且霧迷山組以微生物云巖、角礫白云巖與泥晶白云巖混雜為主，屬較易鉆進級次，是未來開發(fā)的潛力地區(qū)(圖9(b))。在鉆進時需注意大套泥巖可能造成的卡鉆、縮徑等問題。

在研究區(qū)北部的牛北斜坡處，由于砂巖厚度和埋深的增大，鉆探時會面臨上覆碎屑巖地層鉆進難度較凸起處增大，而霧迷山組的可鉆性變化與牛駝鎮(zhèn)凸起處相似，同樣呈現(xiàn)隨深度變深而增大的特征(圖9(d))。研究區(qū)南部的蠡縣斜坡較同口—雁翎和任丘潛山部位埋深略大，整體鉆進難度稍強(圖9(c))。因此，研究區(qū)斜坡部位可作為次于凸起和潛山部位的未來地?zé)釢摿^(qū)進行勘探開發(fā)。而研究區(qū)4個凹陷處上部碎屑巖系厚度大，壓實、膠結(jié)作用強烈，鉆進難度增大；霧迷山組埋深巨大，并以泥晶白云巖和硅質(zhì)白云巖為主，凹陷處地層均屬難鉆級。因此，較研究區(qū)其他地區(qū)，凹陷處熱儲鉆進難度大、效率低、成本高(圖9)。

4 結(jié) 論

雄安新區(qū)碎屑巖系巖性可細分為泥巖、粉砂巖、細砂巖、中砂巖、粗砂巖、礫巖、砂質(zhì)泥巖、泥質(zhì)砂巖和含礫砂巖9種。霧迷山組巖石類型主要分為結(jié)晶白云巖、顆粒白云巖、微生物白云巖、硅質(zhì)白云巖和角礫白云巖5類。

采用巖石力學(xué)實驗的方法，對霧迷山組各種含有不同結(jié)構(gòu)白云巖的抗壓強度、硬度和研磨性等可鉆性參數(shù)進行綜合測定。結(jié)果顯示，不同類型白云巖的可鉆性參數(shù)受到其中巖石內(nèi)部結(jié)構(gòu)的控制。塊狀泥晶白云巖和硅質(zhì)白云巖的三種參數(shù)都明顯大于其他類型巖石，因此將二者劃為難鉆級。而相較于其他巖石類型來說，角礫白云巖和微生物白云巖的三種參數(shù)明顯較低，因此將二者歸為易鉆級。層紋石和顆粒白云巖則歸為中鉆級。

基于雄安新區(qū)各地層巖石類型測井識別結(jié)果和巖石可鉆性參數(shù)研究的基礎(chǔ)，利用地質(zhì)建模技術(shù)建立雄安新區(qū)三維地質(zhì)模型。從三維可視化角度明確研究區(qū)各地層展布、巖性變化和可鉆性分布的規(guī)律，為鉆井設(shè)計奠定基礎(chǔ)。進而圈定牛駝鎮(zhèn)凸起和容城凸起為鉆進效率最高、鉆井成本最低的鉆探靶區(qū)。高陽低凸起、同口—雁翎低潛山帶、任丘低潛山帶、牛北斜坡和蠡縣斜坡區(qū)域為次有利的潛力鉆探靶區(qū)。而凹陷區(qū)鉆探風(fēng)險、難度較大，成本較高，對于凹陷區(qū)地?zé)豳Y源的鉆探需進一步考量。