毛勇军
, 周勇平, 向军武, 胡丰波, 李刚, 刘坤, 郭拉强
中国石油渤海钻探第一录井公司
中图分类号: TE132.1
文献标识码: A
收稿日期: 2019-08-12
网络出版日期: 2019-09-25
版权声明: 2019 《录井工程》杂志社 《录井工程》杂志社 所有
作者简介:
作者简介：毛勇军 工程师,1984年生,2008年毕业于长江大学地质学专业,现在中国石油渤海钻探第一录井公司西北项目部从事地质管理及现场录井技术支持工作。通信地址:300280 天津市大港油田团结东路第一录井公司。电话:15022010347。E-mail:276388951@qq.com.cn
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摘要
针对塔里木油田塔中、塔北、库车三大区块目的层埋深大、构造复杂、地层压力系统差异大、非均质性强以及钻井工艺提升导致的岩屑细碎、地质界面识别不清楚,碳酸盐岩地层划分、界面卡取及膏盐岩层界面卡取难,钻遇高压盐水层及孔、缝、洞发育段出现易漏、溢、卡的钻井复杂加大经济成本,影响钻井周期等一系列问题,在现场录井的基础上,利用元素录井技术将地层资料数据化、曲线化并成图,可直观反映地层变化特征。通过区域井应用元素录井技术并总结、寻找规律,进而对岩性进行有效识别、预判膏盐岩层底部界线、进行碳酸盐岩地层划分和层位卡取,在钻遇异常高压层及孔、缝、洞发育段实现提前预警、规避钻井复杂,在油气勘探开发领域切实发挥了元素录井技术优势。
关键词：
随着钻井工艺、定向井及测井技术的迅猛发展,各种新工艺、新技术得到不断的推广使用,现场综合录井运用的常规技术手段亟待新的创新突破,尤其是在特殊钻井条件下的现场岩性识别、碳酸盐岩地层划分、界面卡取及膏盐岩层界面卡取,高压盐水层及孔、缝、洞发育段的提前预判等方面一直是钻井工程面对的技术难题,现场综合录井面临严峻考验。X射线荧光元素录井技术的应用,为现场综合录井增添了有力手段,也为录井行业从定性向定量化发展提供了思路,奠定了基础[1]。本文针对X射线荧光元素录井技术在塔里木油田三大区块的应用情况,进行了分析、总结。元素录井技术在过渡岩性的识别,碳酸盐岩地层划分、界面卡取,缝、洞发育带的提前预测预警,古潜山风化壳的卡取,膏盐岩段盐底层位的预判和卡取上有较大优势,在现场应用中发挥了较大作用,降低了钻井工程复杂风险,为指导地质录井、钻井提速奠定了基础。
近年来钻井新工艺、新技术快速发展,传统岩屑录井方式已落后于现阶段的勘探开发技术,现场岩屑岩性识别难度逐渐加大,主要表现在以下3个方面:(1)在快速钻进条件下,如在空气钻井、PDC钻头+旋转导向系统+扭力冲击器等新的钻井工艺技术应用下,岩屑更加细碎,代表性更差;(2)现场岩屑定名主要为现场地质师、驻井监督,他们的认识、看法往往存在差异,人为因素较大;(3)现场肉眼对部分特殊岩性难以识别,如灰岩、白云岩及其过渡岩性的区分,深色泥岩与碳质泥岩、部分风化程度高的混积岩之间的区分等,应用碳酸盐岩分析仪、放大镜等传统工具都存在局限性且只能定性划分,无法进行定量化、精细化识别、定名。
塔里木油田塔中地区及塔北部分地区发育碳酸盐岩地层,平均埋深在6 000 m左右,是该区块主要目的层之一。该区在现场录井中主要面临地层卡取和对缝洞发育体的预测难题。主要难点有:
(1)塔北地区潜山风化壳上下地层压力系统变化大,现场施工必须确定潜山风化壳位置,成功封隔上部地层中完。但该地区二开裸眼段长达5 000 m,岩屑代表性差,仅凭钻时和碳酸盐岩含量分析等进行对比判断是否进山依据少、影响因素多,岩屑细碎挑样难,卡层准确率低,还易造成井漏等复杂风险,现场录井潜山界线卡取难。
(2)塔中地区碳酸盐岩地层类型复杂、非均质性强,裂缝、溶洞等异常高压储集层较发育,常规录井主要依靠地震资料、工程参数变化预测,特别是钻时、钻压等变化来判断,技术落后,不利于早期发现异常;加之该区地层能量大、压力高,井漏、溢流等工程复杂处理难度大,严重影响钻井工期、破坏油气层。因此,缝洞发育带的提前预测是关键点,也是现场施工中面临的技术难点。
塔里木油田塔北地区英买力、玉东区块发育一套膏盐岩,库车山前广泛分布一套复合盐层,通常分为上泥岩段、盐岩段、中泥岩段、膏盐岩段和下泥岩段5个岩性段,纵向上不同区块岩性组合各异,断层较为发育,盐底判断依据不足;横向上膏盐层段的厚度变化大,厚度从几十米至几千米,深度难以预测。现场录井在盐层的卡取上存在诸多难点:
(1)膏盐岩层顶、底没有固定沉积模式,没有区域标志层,对比依据少。
(2)断层发育,可能重复出现多套复合盐层,且在横向上厚度变化大,没有规律,与邻井差异大,难以判断和预测。
(3)地层蠕动性大,易缩径、垮塌,极易造成工程事故,并且卡层时起下钻频繁,岩屑细碎、代表性差,盐底泥岩与盐间泥岩难以区分,卡层困难。
(4)地层压力系统差大,钻揭盐底泥岩极易发生井漏(部分井井漏发生在1 m以内),给中完卡层带来很大困难,且处理钻井事故复杂,极大影响工期甚至造成在钻井报废。
元素录井技术也叫X射线荧光(简称XRF)分析技术,通过X射线照射样品(岩屑、岩心)产生X荧光,根据不同元素产生的X荧光能量不同,利用光谱分析仪器探测X荧光的能量峰位和峰高来确定元素的种类和含量,结合岩石地球化学理论和岩石矿物组成成分进行数据处理、计算出各类矿物质含量(塔里木油田主要为泥质、砂质、灰质、白云质、石膏质、盐质6类),并给出相应岩性解释的一项录井技术。
该技术以X射线分析原理和岩石地球化学理论为基础,对石油钻井中岩屑和岩心进行分析,可检测从Na到U的82种元素(表1)。根据主要造岩矿物化学式及元素组成[2],针对塔里木油区范围内岩性特点,主要选取Si、Al、Fe、Ca、Mg、Na、K、S、Cl、P、Mn、Ba、Ti、Sr、Zr共15种元素进行重点分析研究。
表1 主要造岩矿物化学式及元素组成
| 矿物类别 | 分子式 | 主要元素组成 | 变质岩 | 沉积岩 | 火成岩 |
|---|---|---|---|---|---|
| 石英 | SiO2 | Si | ● | ● | ● |
| 长石 | (K,Na,Ca)AlSi3O8 | K、Na、Ca、Al、Si | ● | ● | ● |
| 云母 | K(Mg,Fe,Al)3[AlSi3O8][OH]2 | K、Mg、Fe、Al、Si | ● | ○ | ● |
| 角闪石 | (Ca,Na)2-3(Mg,Fe,Al)5[(Si,Al)Si3O11]2[OH]2 | Ca、Na、Mg、Fe、Al、Si | ● | ● | |
| 辉石 | Ca(Mg,Fe,Al)[(Si,Al)2O6] | Ca、Mg、Fe、Al、Si | ● | ||
| 橄榄石 | (Mg,Fe)2[SiO4] | Mg、Fe、Si | ● | ||
| 高岭石 | Al4[Si4O10][OH]8 | Al、Si | ● | ||
| 蒙脱石 | (Na,Ca)(H2O)4{(Al2-x,Mgx)2[(Si,Al)4O10](OH)2} | Na、Ca、Al、Mg、Si | ● | ||
| 伊利石 | K0.75(Al1.75,Mg,Fe)[Si3.5Al0.5O10](OH)2 | K、Al、Mg、Fe、Si | ● | ||
| 海绿石 | (K,Na,Ca)1.2-2(Fe,Al,Mg)4[Si7-7.6Al0.4-1O20][OH]4 | K、Na、Ca、Fe、Al、Mg、Si | ● | ||
| 绿泥石 | (Mg,Fe,Al)3[(Al,Si)4O10][OH]2(Mg,Fe,Al)2[OH]6 | Mg、Fe、Al、Si | ● | ○ | |
| 方解石 | CaCO3 | Ca | ● | ||
| 白云石 | CaMg[CO3]2 | Ca、Mg | ● | ||
| 硬石膏 | CaSO4 | Ca、S | ● | ||
| 盐岩 | NaCl | Na、Cl | ● |
在现场录井中,元素录井技术由于不受钻井方式、岩屑形态等影响,具有取样少、分析时间短、精度高等特点,能够较真实地还原地层岩性变化特征,主要用于解决细碎岩屑、特殊岩性识别,层位判断、地质卡层等难题[3]。元素录井技术正是利用X射线荧光分析快速、定量分析岩屑中元素含量的特点,结合岩石地球化学及矿物学基础理论,对岩屑进行定名,从而实现从定性向定量的转变。
目前,元素录井技术在塔里木油田的现场应用主要有:(1)细碎岩屑、特殊岩性的识别,灰岩、白云岩及其过渡岩性的区分,部分风化程度高的混积岩之间的区分;(2)塔中地区碳酸盐岩地层划分、界面卡取,缝、洞发育带的提前预测;(3)塔北部分地区古潜山风化壳的卡取;(4)库车山前及英买力、玉东区块盐底层位的卡取。此外,依据元素分析数据及元素的相关性变化特征,元素录井技术也能够在很大程度上反映岩石岩性、物性、含油气性等,应用范围广。元素录井技术为沉积相研究、油气富集相带分布、油气显示的发现和评价、指导现场录井等研究开辟了新途径,具有很大的指导意义,有待进一步的开发研究。
元素录井技术经前人探索研究和在多个油田区块进行的现场应用对比,主要利用图谱法、交会图板法、定量解释法、特征元素比值法以及曲线法等开展岩性识别和地层划分[4,5,6]。本文在前人研究的基础上,从塔里木油田现场实际需求出发,通过在各区块对元素分析数据的应用总结,在岩性识别、地质卡层、异常预警等方面形成了一定的认识和现场解释应用方法,辅助解决录井难题,在现场应用中效果较好,具有显著的优势。
通常,对于灰岩、白云岩及过渡岩性的识别,在现场采取的手段为肉眼观察、邻井对比、碳酸盐岩含量分析等,主要依据碳酸盐岩含量和曲线形态确定主体岩性,主观因素影响较大,不能直观反映岩屑中白云质、灰质含量变化特征。采用元素录井技术可直接通过元素分析仪定量分析Mg、Ca元素含量,进而计算出岩屑中白云质、灰质含量进行岩屑定名。具有很好的对应性[7]。
塔里木油田库车山前区块井,在古近系库姆格列木群膏盐岩段底部均有一套标志层白云岩,与石膏岩、泥膏岩、膏盐岩等互层。在元素录井中,主要依据元素含量变化特征判断和划分地层。同时,由于单个元素变化幅度不明显,可通过多个元素间比值变化对比判断,即元素的相关性,如利用Ca/Mg、(Ca+S)/(Si+Al+Fe)、(Ca+Mg)/(Si+Al+Fe)等比值来判断灰质与白云质、石膏含量就较为明显。通过元素录井可以将这套白云岩及其中所夹的泥岩、膏岩、盐岩含量在元素分析数据、录井图及岩性解释上直观地反映出来(表2、图1),为现场录井过渡岩性识别、层位对比提供了准确、可靠的数据。
表2 元素分析数据及岩性解释
| 井深/ m | Na/% | Mg/% | Al/% | Si/% | S/% | Cl/% | Ca/% | Fe/% | Sr/% | Zr/% | 元素 解释 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 7 340.00 | 5.330 6 | 1.720 2 | 0.013 5 | 0.592 2 | 17.813 6 | 3.053 9 | 16.106 5 | 0.187 3 | 1 035.82 | 149.91 | 膏岩 |
| 7 341.00 | 7.767 1 | 6.653 5 | 0.112 5 | 1.060 0 | 3.718 0 | 11.938 3 | 15.674 0 | 0.253 6 | 1 697.52 | 249.46 | 含盐白云岩 |
| 7 342.00 | 9.658 1 | 6.905 8 | 0.380 3 | 1.898 7 | 1.967 2 | 15.199 2 | 14.846 1 | 0.272 0 | 237.51 | 64.19 | 盐质白云岩 |
| 7 343.00 | 6.821 3 | 9.756 0 | 0.110 7 | 0.879 2 | 0.837 5 | 9.108 4 | 17.987 7 | 0.159 6 | 346.54 | 73.40 | 含盐白云岩 |
| 7 344.00 | 5.393 1 | 8.745 1 | 0.365 4 | 1.737 3 | 2.009 2 | 6.119 8 | 18.544 5 | 0.180 7 | 465.71 | 90.52 | 含盐白云岩 |
| 7 345.00 | 5.056 7 | 6.255 3 | 0.029 7 | 1.037 5 | 6.998 3 | 4.613 2 | 17.376 6 | 0.150 9 | 4 407.47 | 759.75 | 膏质白云岩 |
| 7 346.00 | 4.958 2 | 4.395 2 | 0.008 5 | 0.828 4 | 11.292 2 | 3.592 1 | 17.033 7 | 0.228 9 | 4 456.75 | 780.19 | 含白云膏岩 |
| 7 347.00 | 3.930 9 | 2.111 1 | 0.062 4 | 0.532 3 | 17.692 3 | 1.224 1 | 16.495 0 | 0.114 3 | 1 319.22 | 181.49 | 膏岩 |
| 7 348.00 | 3.656 5 | 1.405 0 | 0.036 9 | 0.433 5 | 19.166 5 | 0.757 5 | 16.607 7 | 0.092 5 | 1 086.45 | 161.34 | 膏岩 |
| 7 349.00 | 4.104 8 | 1.606 9 | 0.465 0 | 2.815 7 | 15.560 9 | 2.247 8 | 14.653 7 | 0.430 1 | 903.20 | 155.16 | 含砂膏岩 |
| 7350.00 | 17.590 5 | 1.996 9 | 0.743 6 | 4.181 9 | 5.723 8 | 29.983 2 | 6.469 9 | 0.351 7 | 184.26 | 53.81 | 膏质盐岩 |
| 7 351.00 | 21.252 7 | 2.334 0 | 0.920 1 | 4.090 5 | 3.930 7 | 35.677 5 | 4.390 8 | 0.328 8 | 141.72 | 67.21 | 含膏盐岩 |
| 7 352.00 | 9.982 6 | 4.188 4 | 2.635 5 | 12.823 2 | 3.304 1 | 14.564 1 | 5.737 3 | 1.273 5 | 213.44 | 106.79 | 盐质泥岩 |
(1)数据分析:通过元素数据分析,本段Mg元素含量明显升高(1.72%升高至9.76%),Ca元素含量为14.85%~18.54%,S元素含量相对降低(17.81%下降到0.84%),元素特征表明,岩屑中石膏含量降低,出现新成分白云岩。该井段中主要元素为Ca、Mg,与白云岩中富集的元素一致。
(2)曲线分析:从元素录井综合剖面图上可以直观看出各种元素含量的变化,与岩屑成分比例变化相对应,表现特征一致。
一般情况下,风化壳上下地层压力系统不同,并且风化壳往往还是潜山型油气藏,这就要求现场录井及时识别并准确卡取风化壳。塔里木油田塔北地区就属于这种情况,需要卡准潜山顶面界线中完。由于该区上部地层压力系统稳定,裸眼段长达5 000 m,岩屑代表性差,影响因素多,仅凭钻时和碳酸盐岩含量分析进行对比划分地层,准确性低。区域地质资料表明,塔北地区奥陶系地层一般可划分为:奥陶系桑塔木组、良里塔格组、吐木休克组、一间房组,地层特征见表3。由于各种矿物中元素的抗风化能力不同,体现在古风化壳上,其特征表现为不稳定矿物向稳定矿物转变,即不迁移、弱迁移元素(Al、Fe、Si等)相对富集,易迁移元素(Na、Mg、Ca、Cl、S等)相对流失[2,3,4,5,6,7,8]。通过对该区块古潜山风化壳上下地层元素特征分析,发现Ca元素明显升高,Si、Fe元素相应降低,元素变化明确反映出风化壳风化淋滤特征[8],是该区卡取古潜山风化壳的关键特征(图2)。
表3 FY-X井古潜山风化壳段地层特征
| 地层 | 岩性描述 | 元素含量变化特征/% | |||
|---|---|---|---|---|---|
| Ca | Al | Si | Fe | ||
| 桑塔木组 | 中厚层状灰色泥岩、灰质泥岩、泥灰岩 | 6.30~12.40 | 7.18~14.80 | 36.11~47.00 | 3.05~5.70 |
| 良里塔格组 | 中厚-厚层状灰褐色泥质灰岩夹含泥灰岩 | ||||
| 吐木休克组 | 厚层状褐灰、褐色灰岩、泥质灰岩互层 夹中厚-厚层状褐色灰质泥岩、含泥灰岩 | ↑43.90 | ↓2.62 | ↓11.33 | ↓1.50 |
| 一间房组 | 厚层状灰色含泥灰岩、褐灰色灰岩 | ↑53.12 | ↓0.15 | ↓0.01 | ↓0.12 |
塔里木油田塔北地区英买力、玉东区块及库车山前广泛分布一套复合盐层,主要以泥岩、盐岩、膏盐岩组合而成,该段膏盐岩厚度变化大、断层发育,一直是现场录井卡层的难点。在前人多年的研究总结基础上,通过现场元素录井实例分析验证了该区存在如下特征:(1)元素Sr、Zr出现异常高值;(2)标志层白云岩的出现;(3)盐底泥岩Mg元素含量较高;(4)盐下泥岩Na、Cl含量明显降低。这些特征是盐底卡层的重要依据(图3)。
塔里木油田塔中地区主要以奥陶系碳酸盐岩储集层为主要目标。在奥陶系桑塔木组底界至鹰山组发育“串珠”型储集层,存在异常高压储集层,埋深大、与邻井对比性差,难以预测,导致钻井施工井控风险增大。元素录井利用这些储集层上部缝洞充填的泥岩、有机质残余物等在元素上的反映特征,结合地震剖面资料预测,间接判断“串珠”型储集层位置,进行工程预警,同时加强池体积监测并提示井队提前做好了井漏、溢流及硫化氢的预防准备工作。主要依靠缝洞充填的泥质(Si、Al、Fe)、有机质(S)等的变化进行对比判断(图4)。图4在井深4 718 m处S元素上升,表征地层有机质含量增加,现场预测在20 m左右将钻遇下一异常高压储集层,据此发布异常预告,加强池体积监测,提示钻井做好井漏、溢流及H2S的预防准备工作。
元素录井技术结合测井GR曲线特征,重点参考地层中砂质、泥质、白云质、灰质和K2O矿物成分,进行系数配比,拟合GR曲线(图1),反映地层岩性特征(泥质含量),可以弥补常规测井测不到井底、部分不具备测井条件的井等不足。
基于元素录井技术理论,结合塔里木油田各区块地层岩性组合特征以及现场录井的技术难点,主要选取了15种元素作为特征元素,分析归纳了元素录井在塔里木油田现场录井应用中的一些规律,在岩性识别、地层划分、标志层的卡取、膏盐岩底界判断、“串珠”型异常高压储集层的提前预判等方面应用中都得到较好的验证。元素录井技术以其独特的技术优势攻克了现场录井难题,同时有效降低了钻井施工中的高压井控风险。元素录井技术为现场录井指明了新的方向,在近年的勘探开发领域中其应用已逐步加大,当然其适用性和规律仍有局限,需大量的现场实践总结、验证和优化、完善,才能适用于现场应用。
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元素录井在川渝地区地层划分中的应用 [J].Application of elemental logging in stratigraphic division of Sichuan-Chongqing region [J]. |
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X射线荧光元素分析在普光地区茅口组白云岩化程度识别中的应用 [J].Application of X-ray fluorescence elemental analysis in the identification of dolomite degree in Maokou formation in Puguang area [J]. |
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岩屑录井数字化技术在塔里木油田的应用 [J].Application of cuttings digital logging technology in Tarim Oilfield [J]. |
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