张阳
, 郑玉朝, 佟志远, 李燕, 潘素倩
中石化中原石油工程公司录井公司
Zhang Yang, Zheng Yuchao, Tong Zhiyuan, Li Yan, Pan Suqian
中图分类号: TE132.1
文献标识码: A
收稿日期: 2018-12-2
网络出版日期: 2018-12-25
版权声明: 2018 《录井工程》杂志社 《录井工程》杂志社 所有
作者简介:
作者简介：张阳 工程师,1987年生,2011年本科毕业于东北石油大学资源勘查专业,2016年硕士毕业于东北石油大学矿产普查与勘探专业,现在中原石油工程公司录井公司地质所从事储气库地质研究工作。通信地址:457001 河南省濮阳市华龙区五一路85号院录井公司地质所。电话:15239961173。E-mail:1007113592@qq.com
展开
摘要
膏盐岩盖层厚度是影响储气库盖层封闭性的首要因素,同时膏盐岩层段顶底的确定也决定着固井质量是否合格。文23储气库作为超大型储气库,精准卡取盖层顶底和厚度对该储气库建设至关重要。利用X射线元素分析能更直观地反映出地层元素变化,文23储气库膏盐岩盖层段特征元素Sr、Zr和Ca元素具有线性相关性,进入膏盐岩层Sr、Zr元素值急剧升高,膏盐岩层底Sr、Zr含量出现异常高值,曲线呈台阶状;Fe、K元素值变小,膏盐岩层底具有异常低峰值,S元素在膏盐岩层底有异常高峰值。Sr/Ba比值、Fe/Mn比值在膏盐岩层底表现为异常高值和异常低值,据此判断进入膏盐岩层底;Mg/Al比值为该区膏盐岩顶底特征比值元素,进入膏盐岩层Mg/Al比值会大幅度升高,Mg/Al比值在膏盐岩层顶和膏盐岩层底均存在一个尖峰,据此可以判断到达膏盐岩盖层顶底。
关键词：
Abstract
The thickness of gypsum salt caprocks is the primary factor affecting the sealing property of caprocks of gas storage facilities. At the same time, the determination of the top and bottom of gypsum salt rock section determines whether cementing quality is qualified or not. Therefore, Wen 23 gas storage facility as the first ultra-large gas storage facility with 10 billion storage capacity in Sinopec, accurately determining the top, bottom and thickness of caprocks is very important for the construction of gas storage facility. Using X-ray element analysis can more intuitively reflect the changes of formation elements. The characteristic elements Sr, Zr and Ca in gypsum salt caprocks of Wen 23 gas storage facility have linear correlation. Sr and Zr values increase sharply when entering gypsum salt rock layer. The content of Sr and Zr at the bottom of gypsum salt rock is abnormally high, and the curve is stepped. Fe and K values become smaller, and the bottom of gypsum salt rock has an abnormal platykurtic value. S element has an abnormal peak value at the bottom of gypsum salt rock. The ratios of Sr to Ba and Fe to Mn show abnormal high value and abnormal low value at the bottom of gypsum salt rock. The bottom of gypsum salt rock is judged accordingly. The ratio of Mg to Al is the characteristic ratio of the top and bottom of gypsum salt rocks in this region. The ratio of Mg to Al in gypsum salt rock layers will increase greatly. There is a peakedness of the ratio of Mg to Al at the top and bottom of gypsum salt rock section, which can be used to judge the top and bottom of the caprocks.
Keywords：
我国天然气资源储量大,但存在资源区和消费区市场分离问题,储气调峰能力欠缺成为我国天然气市场的短板。地下天然气储气库建设具有储存量大,机动性强,调峰范围广的特点,我国储气库建设已经开始进入扩张期。文23储气库作为中国石化第一座百亿库容量的超大型储气库,其建设成功后将很好地解决华北地区多条输气管道的调峰问题,对用气高峰区天然气供应起到至关重要的作用。
众所周知,储气库前期地质评价中[1,2],盖层的落实是重中之重,良好的盖层封闭性是改建地下储气库的首要条件。文23气田储气层上方沙三下亚段发育一套早期湖盆深水沉积的膏盐岩盖层(文23盐),其厚度大(400~600 m),分布广,连续性好。但因文23储气库所在区域沙三段为构造剧烈活动期[3],盖层受断层影响巨大,深度变化大。从目前现场反映的情况来看,二开固井质量不理想,井筒封闭性受到质疑。已有研究表明,膏盐岩盖层的厚度是影响储气库盖层封闭性、井筒封闭性的首要因素,精确卡取盖层顶底及其厚度对储气库建设至关重要[4]。但目前现场中完卡层技术方法单一,不能完全满足当前储气库膏盐岩层段精准卡取的需要。尽管X射线荧光元素录井技术在我国录井作业中已经发挥了重要的作用,在地层对比划分中应用较多并取得了丰硕的成果,但是在储气库膏盐岩盖层中的应用仍处于起步阶段。本文尝试借助X射线荧光元素录井技术开展储气库随钻快速卡取膏盐岩盖层顶底的应用研究。
通过对文23气田的老井及一期新钻井膏盐岩层顶底卡层的总结发现,该区盖层膏盐岩与泥岩互层从上至下均有发育,膏盐岩单层厚度最大40 m,泥岩单层厚度最大20 m;纯白色盐岩多分布于中部,单层厚度最大32 m,含膏泥岩多分布于中下部,单层最大厚度17 m,厚度小、分布广。膏盐岩盖层在卡层过程中存在诸多难点:(1)对比依据少,膏盐岩层顶底没有固定沉积模式,没有区域标志层;(2)对比方法单一,只是以邻井资料为参照,因断层多而复杂,井与井之间差别大;(3)对比参数少,钻时加快,气测参数值升高、氯根含量变大,录井出口电导率增加是常规膏盐岩层的特征,但是由于该区岩性多变,与泥岩、砂岩互层分布,主要指标反应并不灵敏;(4)地层蠕动特性差异大,容易使钻井过程中发生盐溶扩径、蠕变缩径、井壁坍塌等问题,井眼钻开后极易造成卡钻、井漏等工程事故,处理事故过程中的化学剂混杂于岩屑中,造成岩屑质量下降,影响卡层。
X射线元素录井技术是以岩石化学为理论基础,通过对随钻岩石样品进行X射线荧光光谱分析(XRF),获取岩石化学组分分析数据,进而研究岩石化学特征及其应用的一项录井技术[5]。该技术可以分析的元素种类多(表1),而且实际应用中需要的样品数量少,分析周期短,无论岩心样品还是岩屑样品均可利用。随着钻头技术的不断进步,井下破碎岩屑样品越来越细,识别难度变大,导致在膏盐岩盖层顶底卡取失误率高。X射线元素录井对样品形态没有要求,能够较真实的反映出岩样的元素特征,结合膏盐岩盖层元素特征,能很好地反映出地层真实特征。
表1 X射线元素录井技术分析元素种类
| 元素 分类 | 分析元素 种类/个 | 分析元素 |
|---|---|---|
| 主量 元素 | 14 | Na、Mg、Al、Si、P、S、Cl、 K、Ca、Ti、V、Cr、Mn、Fe |
| 微量 元素 | 20 | Co、Ni、Cu、Zn、As、Rb、 Sr、Y、Zr、Nb、Mo、Ag、Cd、 In、Sn、W、Pb、Th、U、Ba |
文23储气库所在区域内井均为三开井,二开钻至膏盐岩层底50 m,沙四段1砂层组中完,下套管,封固膏盐层[6,7]。常规方法是落实膏岩、盐岩标志层组合,一旦钻时突然变快,见膏盐岩岩屑,即预示进入盖层段。该区盖层段同时也是烃源岩,具有较高的烃浓度,气测参数会升高;由于盖层段采用饱和盐水钻井液,可能会析出盐粒。当钻穿膏盐岩组合后钻时变慢,确定高钻时岩性为灰色泥岩时,预示进入沙四段1砂层组地层,膏盐岩盖层结束。采用元素录井技术,通过检测多种元素识别岩性,利用元素Fe、K、Ca、S、Na、Cl及Sr、Zr含量来指导地质卡层,可降低人为的主观因素影响,提高膏盐岩层底卡层的准确率。
(1)该区膏盐岩地层中的主要岩石属于蒸发岩系,主要产于气候干旱的内陆盆地盐湖中[8,9]。膏盐岩地层中沉积岩除了盐岩和膏岩外,还有与其共生的碳酸盐系,如灰岩、灰质白云岩、泥灰岩等,故Fe、K、Ca、S、Na、Cl元素含量有明显的变化。
(2)Sr、Zr是自然界广泛分布的微量元素,它们的离子半径介于Ca和K之间,能经常进入各种富Ca或者富K的矿物中[10,11]。在膏盐岩地层中Sr、Zr元素含量有异常高值。
(3)单个元素的变化幅度不明显且变化幅度不统一,但不同元素间比值变化就较为明显。例如:Mn/Ti和Mg/Al比值是沉积速率的指示剂,锰铁比值(Mn/Fe)是广泛应用的地球化学示踪剂,锶钡比值(Sr/Ba)为沉积水体盐度指数。因此,利用元素含量比值可以很好地反映出地层变化。
储气库一期工程计划新钻井66口,计划全部井进行膏盐岩段的XRF元素录井。利用已钻29口新井分析膏盐岩层元素特征,规律明显。
从Sr、Zr和Ca元素含量交会图(图1)可以看出,在沙一段、沙二段、沙四下亚段中,Sr与Ca元素,Zr与Ca元素含量没有明显的数学统计关系,而在沙三下亚段和沙四上亚段具有明显的线性关系,尤其是在沙三下亚段。这说明进入膏盐岩层段,Ca元素与Sr、Zr元素含量呈现同升同降关系。另外,沙三下亚段Sr元素含量在0.03%~0.27%之间,Zr元素含量在0.007%~0.023%之间,含量比沙一段、沙二段、沙四段高。因此Ca、Sr、Zr 元素含量值突然升高,预示进入膏盐岩层段。
从Sr、Zr和Ca这3个元素含量纵向曲线对比可以看出(图2、图3),进入膏盐岩层,它们的含量曲线均向右大幅度偏移,曲线整体呈密集的齿状,同时膏盐岩层底特征元素Sr、Zr含量从异常高值向低值转换,曲线形态呈台阶状,以此预示到达膏盐岩层底,即将进入储集层。此后向下钻进50 m,二开结束并中间完钻。
从Fe、K、S、Na、Cl元素含量曲线对比来看(图4),该区膏盐岩盖层段Fe、K元素含量具有明显向左偏移,曲线值变小的趋势。该区沙三下亚段沉积为咸化深湖相,属于高还原环境。因此,可以认为曲线开始急剧变小的点就是膏盐岩层顶,而膏盐岩层底Fe、K元素含量具有一个异常低值,呈现尖峰状,据此判断膏盐岩层底。
按照化学分类,该区膏盐岩层主要为两种:纯盐岩层和膏岩层,主要成分除晶态的NaCl外,还有芒硝、石膏、方解石、碳酸盐岩等。虽然矿物种类多,但元素种类以Ca、S、Na、Cl为主,因此在膏盐岩层段S、Na、Cl元素含量急剧升高。但是该区二开采用的是饱和盐水钻井液,故Na和Cl元素含量不能反映出膏盐岩层底特征,不能作为划分地层的依据。S元素含量反映明显,在膏盐岩层底以一个异常高峰值结束。
Sr/Ba含量比值为沉积水体盐度指数,比值一般在0.2~3.0之间;Fe/Mn含量比值为沉积水体的富氧指数,Fe与O的亲和力高于Mn与O的亲和力,Fe/Mn指数可以作为环境的近岸指数或氧化指数,该区其比值一般在37~104之间。从Sr/Ba和Fe/Mn含量比值随深度变化曲线图可以看出(图5a、图5b),进入沙三下亚段膏盐岩层,Sr/Ba水体盐度指数大幅度升高达到最大,反映出沙三下亚段咸化深湖亚相特征,Fe/Mn富氧指数达到最小,反映出强还原环境特征,可以据此判断是否到达膏盐岩层底。Mn/Ti含量比值为沉积水体深度指数,Mn/Ti含量比值一般在0.1~0.4之间,该区水体深度指数整体上变化不大(图5c),划分膏盐岩段不明显。
Mg/Al元素含量比值为该区膏盐岩顶底特征元素(图5d),比值反映地层特征明显。进入膏盐岩层Mg/Al含量比值会大幅升高,一般在0.4~0.8之间。Mg/Al含量比值在膏盐岩层顶和膏盐岩层底均存在一个尖峰,以此可以判断盖层顶底(图6)。
C 4-3井为文23储气库一期工程唯一一口在膏盐岩层段部署的取心井,取心目的是进一步落实膏盐岩盖层岩性微观特征,测试盖层突破压力,评价文23储气库盖层物性封闭性能力。根据地质设计,该井受断层影响断失沙三上亚段和沙三中亚段,沙二下亚段红色地层结束后直接进入沙三下亚段膏盐岩盖层,设计沙三下亚段垂深为2 275~2 715 m;岩性上,上部为中厚层盐岩与灰色泥岩、泥质粉砂岩不等厚互层,中下部以厚层白色膏盐层为主。因此,依据地质设计,指定取心原则为:取全取准沙三下亚段中下部厚层膏盐层,预计取心顶深为2 300 m。取心段底深为膏盐岩层底向下30 m,进入沙四段1号砂层组见灰色含膏泥岩与泥岩互层结束并中完。在现场取心过程中,尚无测井数据支持,严格开展X射线元素录井随钻卡取膏盐岩层段。
C 4-3井X射线元素录井自沙二下亚段红色地层底部开始,根据特征元素含量和比值元素含量变化曲线图卡取膏盐岩层顶、取心井段顶和取心井段底。
从图7可以看出,自井深2 239 m开始实施X射线元素录井,至井深2 294 mMg、Fe、K元素含量从高值向低值渐变,以此3项参数的变化卡取膏盐岩盖层顶;至井深2 444 m,特征元素S、Ca、Sr、Zr含量从低值向高值转换,曲线呈台阶状,比值元素Sr/Ba、Fe/Mn、Mn/Ti含量均出现一个异常高值,呈尖峰状,以此判断进入厚层膏盐岩段,自此开始取心。取心段X射线元素录井样品采用现场岩心,测试间隔从2 m改为1 m。从图7还可以看出,至井深2 720 m,Mg、Fe、K元素含量从低值向高值渐变,S、Ca、Sr、Zr元素含量从高值向低值转换,Mg/Al比值从高值向低值转换,曲线呈台阶状,判断2 720 m为沙三下亚段膏盐岩盖层底,向下取心30 m,二开结束并中间完钻。与中完电测数据对比,感应电导率曲线在膏盐岩层段呈大幅度指状,与X射线元素含量变化能够较好的匹配。中完讨论结果,沙三下亚段膏盐岩盖层段深度为2 275~2 732 m,X射线元素录井卡取深度为2 287.0~2 737.5 m。由此可见,X射线元素录井技术在C 4-3井中卡取地层符合率效果明显。
截至2018年11月底,文23储气库一期工程完钻并完成数据处理47口井。这47口新钻井均应用X射线元素录井技术随钻卡取膏盐岩层。其在实际应用中效果良好,主要体现在:
(1)在录井现场,一包岩屑从样品采集、干燥、挑选、压片、仪器分析到数据处理仅需10 min,实现了随钻快速解析的目的。
(2)特征元素和比值元素规律明显,47口井中,有35口井Mg、Fe、K元素含量指标规律明显,进入膏盐岩段含量呈向左偏移的低值;有41口井S、Ca、Sr、Zr元素含量指标规律明显,进入膏盐岩段含量呈向右偏移的高值;有34口井Sr/Ba、Fe/Mn、Mn/Ti、Mg/Al比值变化能够用于精准卡取地层。整体上来看,该区Ca、Sr、Zr元素含量在反映地层变化上最为明显。
(3)指导录井技术人员精确卡取膏盐岩层段顶底,实时通知司钻钻进过程中注意防卡防漏,及时向甲方通报钻井层位,为中间完钻的井深定位提供技术支持,为甲方节约了钻井成本。
(4)将X射线元素录井卡取的膏盐岩盖层顶、底深度和盖层厚度与实际情况进行对比可以看出(表2),盖层顶卡取的平均误差为9.6 m,盖层底卡取的平均误差为12.0 m,盖层厚度平均误差为11.0 m,误差值较小。由此可见,X射线元素录井技术在钻井现场较真实地反映了地层情况。
(5)在录井现场快速精准卡取膏盐岩盖层也为后续完整封固膏盐层提供了保障,目前47口新钻井的二开固井质量测试全部达标,达到了完整封固膏盐岩层的目的。
X射线元素录井技术在文23储气库膏盐岩盖层随钻卡层的现场应用证实,元素含量变化能够精准反映砂泥岩地层与膏盐岩地层的不同,进而有效地划分沙三下亚段盖层。文23储气库膏盐岩层段以特征元素Sr、Zr、Ca、Fe、K、S,元素比值Sr/Ba、Fe/Mn、Mn/Ti、Mg/Al的含量变化作为卡层依据,其中以Sr、Zr、Ca元素含量变化最具代表性。同时,文23储气库一期工程仍在建设中,根据元素含量特征随钻卡取膏盐岩层方法仍需在后续新钻井中进一步验证。
The authors have declared that no competing interests exist.
| [1] |
|
| [2] |
|
| [3] |
渤海湾盆地东濮凹陷文留构造发育特征与气藏形成 [J]. |
| [4] |
泥岩盖层的超压封闭演化特征及封气有效性 [J]. |
| [5] |
X射线荧光岩屑录井可行性试验研究 [J]. |
| [6] |
断陷盆地天然气运聚成藏史研究——以东濮凹陷文23气田为例 [J]. |
| [7] |
东濮凹陷深层气盖层封闭性及有效性研究 [J]. |
| [8] |
枯竭气藏改建储气库需要关注的几个关键问题 [J]. |
| [9] |
X射线荧光元素录井技术应用方法研究 [J]. |
| [10] |
X射线荧光元素录井在川西坳陷须家河组地层划分中的应用 [J]. |
| [11] |
含水层构造改建地下储气库盖层封闭能力评价研究——以冀中坳陷大5目标为例 [J]. |
/
| 〈 |
|
〉 |
