·曹妃甸油田C构造辉绿岩井场快速识别方法及地质工程意义

0 引 言

曹妃甸油田C构造位于南堡凹陷的西南端,南邻沙垒田凸起,为南堡凹陷和沙垒田凸起之间断阶带上的一个局部断块,其主要目的层为古近系沙河街组和奥陶系碳酸盐潜山,油田属古潜山背景上发育、被断层复杂化的披覆构造。在该区域沙河街组碳酸盐岩地层均出现不同程度的地层坍塌,沙河街组辉绿岩为该区域进入碳酸盐岩之前重要的标志层,对该段辉绿岩进行快速准确识别对下步工程措施起到关键性的作用。本文通过对区域辉绿岩的成因和分布特点进行分析,在井场岩性识别存在一系列困难和挑战的情况下,采取针对性的应对技术方法,同时结合录井技术和测井技术进行快速的岩性识别,对工程作业安全、顺利进行意义重大。

1 辉绿岩成因分析及分布特点

辉绿岩为深源玄武质岩浆向地壳浅部侵入结晶形成,呈岩脉、岩墙、岩床或充填于玄武岩火山口中^[1]呈岩株状产出,也常常在造山带单独出现。辉绿岩主要由辉石和基性长石(与辉长岩成分相当的浅成岩类)组成,含少量橄榄石、黑云母、石英、磷灰石、磁铁矿、钛铁矿等。基性斜长石常蚀变为钠长石、黝帘石、绿帘石和高岭石;辉石常蚀变为绿泥石、角闪石和碳酸盐类矿物。辉绿岩与辉长岩的成分差不多,但形成得比较浅,不像辉长岩那样深,所以粒度较小,也不像玄武岩那样喷出地表以玻璃质为主。

在火成岩中玄武岩和辉绿岩从矿物结构和构造上比较相似,在现场作业过程中也比较容易混淆。从形成条件和分布位置来看玄武岩和辉绿岩存在区别^[1]:侵入岩是岩浆侵入在地壳中冷凝而成,而喷出岩则是岩浆喷出地表堆积冷凝而成;侵入岩一般分布在熔岩管道周围^[1],按侵入深度不同又分为深成岩和浅成岩,而喷出岩分布比较广。

2 井场岩性识别难点及对应技术方法

2.1 井场岩性识别难点

曹妃甸油田C构造设计钻探2口井(定向井和水平井各1口),采用直径215.90 mm的PDC钻头钻遇辉绿岩,在实际井场地质作业过程中存在岩性识别难点:岩屑采集困难,代表性样品挑选困难,真假岩屑识别困难^[4]。

2.1.1 岩屑采集困难

由于PDC钻头结构的特殊性和破碎岩石机理的特殊性,使得钻进井段的岩屑颗粒研磨细碎,而钻井施工现场为了达到振动筛不跑钻井液的目的,在应用PDC钻头进行快速钻井的时候使用振动筛布,使很多细小的岩屑颗粒随着钻井液返回循环池,达不到采集真正岩屑的目的,或是岩屑采集量达不到要求,影响现场地质录井对地层岩性的描述。

2.1.2 代表性样品挑选困难

由于PDC钻头返出的岩屑细碎,造成无大颗粒岩样,给井场薄片鉴定挑样带来了很大困难,只能通过对混样磨片,薄片鉴定结果的可靠性大打折扣。

2.1.3 真假岩屑识别困难

小井眼、大井斜的井段由于破碎地层体积小、井底易出现岩屑床,存在上返岩屑少、岩屑混杂的特点,在这种情况下,如何区分真假岩屑,给现场地质作业人员带来了挑战;同时,由于岩屑细碎,在PDC钻头加压研磨作用下,真假岩屑混杂再压实形成新的岩屑碎块,进一步增加了岩屑识别的难度。

2.2 井场岩性识别技术

针对困难和挑战,采取了一系列的技术手段和改进方法去识别标准层岩性,做好精细化归位对比工作。

2.2.1 岩屑采集和清洗方法改进

在岩屑采集方面,和井队进行积极沟通,在保证安全、高效、优质钻井的前提下,处理好钻井液性能,使用高目数振动筛筛布,保证细小的岩屑颗粒不易漏失,为捞取足够的岩屑样本奠定基础;其次对现有的岩屑采集方法进行改进,现有的岩屑采集方法主要是铁锹、捞砂桶和挡板,为了能够准确采集到细小的岩屑,需要对现有的岩屑采集方法进行改进,加密测量岩屑返出的迟到时间,根据标志层的地层特点,反推出岩屑返出迟到时间,使迟到时间更加准确。如果采集到的岩屑样品还不能满足要求,可以把从振动筛取样改为从除砂、除泥器取样。

在岩屑清洗方面,要注意保护好细小的岩屑颗粒不流失。在进行岩屑的清洗时,要缓慢进行冲洗,并用小耙子进行缓慢搅动,除去岩屑样品里面的泥饼,直至露出岩屑样品真实的颜色,同时要观察洗砂池水的颜色变化。

2.2.2 岩性识别相关技术方法

(1)颜色识别法

在现场地质录井岩屑识别中,常规方法是“远观颜色,近看岩性”。这种方法操作简单、实用,但需要现场地质工作者具有一定的经验积累。一般情况下,砂岩颜色相对较浅,泥岩颜色相对较深;酸性火成岩颜色较浅,基性火成岩颜色较深。在一包混合的岩屑样品中,通过远观和近看的颜色的变化,对比前后岩屑颜色差别,分辨出对应深度的真实岩屑样品,进而识别岩性。

(2)硬度识别法

硬度识别法是现场很常用的一种岩屑识别方法,这种方法主要分为两个步骤:第一步是岩屑清洗人员在进行岩屑清洗时根据清洗硬度的不同来对岩屑样品进行记录;第二步是岩屑识别描述人员根据清洗人员的记录用手和镊子进行识别。因为不同的岩石是由不同的成分组成的,硬度也各有差异,如泥岩相对较软,砂岩相对较硬,火成岩和变质岩上返的岩屑更硬,工作人员可根据细碎岩屑的硬度差异,将不同岩性的岩屑区分开,为进一步落实岩性提供真实的地层样品。

(3)井场薄片岩性鉴定技术

井场薄片岩性鉴定技术是针对海上平台作业空间狭小而产生的一项技术。它将磨片工具进行改进,以提高井场磨片的质量和效率,并将磨片制作设备体积缩小至40 cm×50 cm×60 cm;而且选用更小、更轻便的偏光显微镜,通过显微照相系统拍照并储存到笔记本电脑。在海上井场快速作业中保持了简单、经济、及时、准确的特点。对于PDC钻头研磨的细碎岩屑,在挑选代表性岩屑的基础上,将岩屑用胶水固定,形成达到磨片条件的岩块,进而对岩性进行识别^[5],保证海上地质作业快速决策管理。

另外还有一系列针对海上岩性识别的技术,如X射线元素录井(XRF)技术、X射线全岩矿物分析录井(XRD)技术,由于作业成本的原因,本次作业过程中未应用于现场。

3 井场测井曲线响应特征

测井响应是地层的岩性、物性、含流体特性及流体和岩石相互作用在测井曲线上的综合响应。火成岩的测井曲线特征一般是高密度、高电阻率、低声波时差等。但由于火成岩岩性复杂,很难用一种测井曲线就把所有的岩性区分出来。要准确识别火成岩岩性,一定要选择特征测井曲线并配合多种常规测井曲线的综合应用^[6,7]。

C 7井钻探过程中,在馆陶组、东营组以及沙河街组钻遇一系列玄武岩、沉凝灰岩、凝灰岩、凝灰质泥岩、辉绿岩等火成岩,岩性种类多,有喷出岩也有侵入岩,岩性复杂。由于火成岩从基性到酸性自然伽马值逐渐增大,利用测井自然伽马曲线来识别火成岩岩性具有较好的效果。但是由相同矿物成分组成的火成岩一般具有相同的自然伽马值,此时,就不能仅利用自然伽马来识别岩性。例如:玄武岩和辉绿岩的自然伽马差别不大,但电阻率却相差比较大。因此, GR(自然伽马)和R_T(地层电阻率)的交会可以弥补这方面的不足,能够对火成岩进行有效区分。在应用常规的高声波密度、高电阻率、低声波时差等电性特征的基础上,配合现场的测井数据绘制GR与R_T交会图板识别辉绿岩^[8]。

根据该区实测数据得到GR与R_T交会图板(图1)。由图1可以看出,辉绿岩和玄武岩的GR值几乎相差不大,但辉绿岩的R_T值比较大,辉绿岩位于交会图板的左上方,玄武岩位于交会图板的左下方。沉凝灰岩的GR值大于玄武岩,但R_T值比玄武岩小,位于交会图板的右下方。

4 应用效果

曹妃甸油田C构造的C 7井和C 8井均在沙一段钻遇辉绿岩,而且距离目的层沙一段碳酸盐岩的垂深分别只有68.00 m、3.00 m,可以作为区域标志层,对目的层的卡取意义重大。C 8井在目的层沙一段的泥质灰岩井段和上部辉绿岩附近出现了严重井眼垮塌,同时,在中途完钻后起下钻过程中,由于憋卡严重出现了钻具断裂的复杂工程情况,最终导致更改井身结构,增加了钻井工期近10 d,造成了巨大的经济损失。在这种情况下,准确、快速地识别辉绿岩,对C 8井侧钻井眼实钻过程中地层对比以及目的层深度跟踪尤为重要。

C 8h井为C 8井侧钻井眼,于层位东二下亚段,斜深3 171.00 m、垂深3 069.24 m回填侧钻,C 8井在斜深3 610.00 m、垂深3 341.16 m开始钻遇辉绿岩,对比两口井的轨迹设计,新井眼C 8h井位于老井眼C 8井的东北方向,无断层及其他构造变化,具有较强的对比关系。

4.1 录井技术识别

C 8h井采用了常规录井技术、井场薄片鉴定技术以及碳酸盐岩技术对岩性进行识别和鉴定。

岩屑录井对比C 8井和C 8h井岩屑(图2、图3),基本上难以区分识别。只能从外观颜色上看,都为深灰色的细碎岩屑;从硬度上看,岩屑颗粒均有扎手的感觉;从显微镜下都能看见少了长石辉石及角闪石,岩性大体相似。

岩屑从偏光显微镜下看具有相似性,主要都是由长板状自形的基性斜长石构成(图4、图5):C 8井主要矿物为辉石、角闪石,次要矿物为基性斜长石,另见蚀变矿物黏土矿物,由长板状自形的基性斜长石构成多角形孔隙,其中充填单个辉石、角闪石他形颗粒(辉石、角闪石部分蚀变为黏土矿物,较上部岩样蚀变程度低,基性斜长石晶型较好,个别可见其环带);C 8h井主要矿物为基性斜长石,次要矿物为辉石等,另见少量黏土矿物,为蚀变产物,副矿物为磁铁矿等,由长柱状自形基性斜长石构成多角形孔隙,其中充填单个辉石他形颗粒或磁铁矿颗粒,辉石多已高度黏土化。

从碳酸盐岩含量来看,由于岩石蚀变程度和微裂缝间充填物基本一样,岩石的碳酸盐岩含量相同:C 8井3 635.00 m岩样中方解石含量2%、白云石含量2%;C 8h井3 654.00 m岩样中方解石含量3%、白云石含量2%。

4.2 测井曲线识别

C 8h井测井主要测量地层电阻率、自然伽马、中子孔隙度、声波密度曲线,之前对曹妃甸油田C构造的各种火成岩测井响应特征研究对该井识别辉绿岩有很强的指导意义。

C 8h井3 631.00~3 638.50 m及3 651.50~3 658.00 m特殊岩性井段,测井曲线(图6)具有低自然伽马、低中子孔隙度、高电阻率、高声波密度的电性特征,自然伽马值基本在40 API以下,电阻率为41~137 Ω·m,声波密度为2.65~2.84 g/cm³,中子孔隙度为3.5%~7.8%。从GR与R_T交会图板(图7)上看,该井特殊岩性段位于辉绿岩区域,具有高电阻率、低自然伽马的特征。

4.3 钻井工程意义重大

C 8井在沙河街组碳酸盐岩顶部出现严重的井眼垮塌,造成起钻憋卡严重钻具断裂的复杂工程情况^[9],最终导致侧钻,增加一层钻头套管程序,增加了钻井工期近10 d,造成了巨大的经济损失。C 8h井在快速、准确识别辉绿岩的情况下,调整钻井液性能,在C 8井同一井段钻井液密度只有1.3 g/cm³的情况下,将C 8h井钻井液密度由1.35 g/cm³慢慢提升到1.45 g/cm³,虽然钻井及起钻过程中仍有掉块,但相对C 8井发生垮塌有很大的改善,最终顺利将177.8 mm尾管下到位,为后续152.4 mm井眼水平段安全、顺利钻井作业打下了基础。

5 结束语

曹妃甸油田C构造的火成岩主要有玄武岩、凝灰岩、沉凝灰岩、辉绿岩4种。为了降低主要目的层碳酸盐岩层段作业风险,通过录井和测井技术方法对该区的辉绿岩特征进行研究,可快速、准确地识别目的层段附近的辉绿岩标志层,具有很好的效果,降低了作业风险。

(1)优快钻井条件下的岩屑采集、岩性识别将面临越来越大的挑战,通过改进常规的岩屑采集、清洗、挑样方式,以及引进适用于海上作业的岩性识别技术等手段,能有效提高岩性识别准确性。

(2)该区玄武岩、辉绿岩从岩屑录井看不易区分,通过对比C 8井与C 8h井岩屑成分变化,结合井场薄片鉴定技术以及碳酸盐岩含量测定技术,矿物主要为辉石、角闪石、基性斜长石,碳酸盐岩含量低,方解石含量3%,白云石含量2%,综合鉴定为辉绿岩。

(3)C 8h井在测井曲线上具有低自然伽马、低中子孔隙度、高电阻率、高声波密度的特征。通过对该区的GR与R_T交会图板进行研究,能有效地区分辉绿岩、玄武岩、凝灰岩以及沉凝灰岩,特别是对岩屑录井不易区分的玄武岩和辉绿岩的区分效果明显。

The authors have declared that no competing interests exist.

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参考文献

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