测井资料在膏盐地层钻井工程中的应用.doc

文章编号：（）测井资料在膏盐地层钻井工程中的应用吴海燕，陆黄生，张元春（中国石化石油工程技术研究院，北京 ）摘要： 膏盐层地层最大、最小水平主应力在盐岩含量高的地层中表现为较强的不均衡性，造成钻井施工过程中卡 钻、井漏等事件时有发生。 结合石膏、盐岩地层的沉积 和 地 质 特 征，充分发挥钻井测井信息量大和连续测量、纵 向 分辨率高的优势，从地层岩石矿物分析、岩石力学参 数 计 算、孔 隙 压 力、破 裂 压 力、地层应力评价等方法入手，分 析 测井资料在膏盐地层确定合理钻井液密度、性能、井身结构设计等方面的应用效果，拓宽测井在石油钻井工程中的 应用领域。 用于岩石力学参数实验的膏盐层钻井取心非常有限，建议适当增加膏盐层钻井取心。关键词：测井评价；膏盐层；井壁稳定；井身结构；侵入特征；钻井工程中图分类号：文献标识码： ， ， （ ，）：， ， ， ， ， ：，穿膏盐层过程中通常会发生卡钻、遇阻等复杂工况；引言盐岩易溶解，造成地层不稳定、井眼尺寸 不 规 则、下套管固井后套管变形或被挤毁等现象。测井资料大都应用于油气水层的判识，应用于油气井工程评 价方面的较少。 如何充分发挥测井信息量大、连续 测量和纵向分辨率高的优势，提高测井资料在膏盐 地层钻井工程中的应用效果，是油气井顺利钻达设 计井深、完成油气勘探开发任务的关键。石油地质工程上常把含有石膏和盐岩的地层统称为膏盐层，二 者 虽 均 属 于 蒸 发 岩 类，但 在 沉 积 环 境、矿物成分、地质特征等方面均存在较大差异，因 而对钻井工程的影响也不同。不少油田目标储集层 通常处于膏盐层下面，要钻开油气层就必须先钻穿 膏盐层。膏盐地层本身具有特殊的地质特性，在钻项目来源：中国石化科技部重大科研项目“测井资料在元坝地区钻井工程中的应用研究”（）资助成果膏盐地层钻井工程特征及难点盐膏地层在工程上表现出常见的特征，一是盐 膏层塑性流动，盐岩易溶解的特点造成地层不稳定， 井眼不规则，钻井液性质及密度设计控制难度大，增 加了钻井过程中的不确定因素；二是膏岩层的塑性 蠕变，钻井过程中常造成缩径、卡钻，下套管施工困 难、固井质量难以保证、较强的地层应力不均衡等造 成套管变形和挤毁。膏盐地层地质及测井响应特征膏盐地层沉积地质特征石膏（）又称二水石膏、水石膏或图 元坝 井石膏层测井响应特征图软石膏，主 要 成 分 为 ， 为 ， 为 ，属蒸发岩类。 结构十分致密，孔隙率极低，化学 成 分 上 为微溶甚至难溶 物 质，强度并不随溶液浸泡作用而降低。盐岩主要矿物为石盐（），并含少量其他盐 类矿物。盐岩具有良好的蠕变特性、低渗透性及损伤自我愈合的特性。 研究证实，含高盐分 泥 岩 夹 层的盐岩的蠕变特性敏感，随着温度、应力的增高蠕 变更加显著。温度越 高，盐 岩 内 部 产 生 微 裂 纹 的 机 会 就 越 大，宏观上就表现为盐岩蠕 变 应 变 的 增 加，相 应 的 蠕变率也增大。图 元坝 井盐岩层测井响应特征图膏盐地层测井响应特征石膏在测井曲线上的响应特征（见图）表现在 较纯净的石膏地层中自然伽马曲线低值（ 左 右），中子值在，纵波时差在左右（非法定计量单位， ，下同），与碳酸盐岩最大的区别在于异常高的密度值，平均大于，这也是有别于其他岩性的最大特征。 电阻率分布范围较大，有高电阻率石膏，也有相对低 电阻率石膏。盐岩在测井曲线上的响应特征（见图）表现在 较纯净的盐岩地层中自然伽马曲线低值（ 左 右），部分盐岩地层也表现出较高的数值。中子值较石膏低，一般在左右，纵波时差较石 膏 大， 分布范围在之间，电阻率表现异常高 值，经常会超出侧向电阻率仪器的探测范围。 与碳 酸盐岩及其他岩性最大的区别在于异常低的密度值 和井眼扩径严重的现象。 原因是盐岩地层易溶解， 造成大井眼，影响了地层真实密度值。膏盐层岩性测井识别、解释膏盐地层纵向上的矿物含量、分布规律、组合特 征的解释与评价，对钻井工程中钻井液配制、井身结 构、套管选型设计、固井方案优化等具有重要的指导 作用。就膏盐地层沉积相分析可知，膏盐地层在一 定区域范围内，纵向、横向分布相对稳定，因此，利用 测井资料对膏盐地层段中的泥质、石膏、盐岩、碳酸 盐岩等矿物含量进行精细解释、评价，对区块后续的 钻井工程设计意义重大。确定岩石矿物成分及其含量，就是确定岩石骨 架的矿物成分及其体积占岩石体积的百分数。测井 分辨能力一般只考虑岩石矿物成分种，最多考虑种矿物成分，其他忽略不计。（）利用自然伽马或自然伽马能谱资料中的去铀伽马曲线计算泥质含量。公式为 （ ）（）（）， （ ）（ ）（）式中，为泥质 含 量；， 为 相 对 泥 质 含 量； 为用来计算泥质 含 量 曲 线 在 纯 岩 石 的 测 井 值； 为用来计算泥质含量的曲线在纯泥岩的测井值；为泥质指示测 井 曲 线 数 值，主 要 为 测 井 曲 线 等； 为 与 地 层 有 关 的 指 数，新 地 层 取 ，老 地 层取。（）矿物 体 积 计 算。 对于含泥质双矿物岩 石， 复杂岩性分析程序 用式（）进行泥质校正，校 正到含水双矿物纯岩石模型，式（）中的系数可 根据地区经验进行调整 （ ）（） （ ，）（） （） （ ）（） 式中，为泥质密度值； 为 测 井 密 度 值；， 为 泥质补偿中子值； 为测井补偿中子值；为泥质声波时差值； 为 测 井 声 波 时 差 值； 为 孔 隙 度；、 分别为不同矿 物 百 分 含 量。 校 正 完 后 再 用 交 会法计算矿物体积和孔隙度，计算出来的、 再乘以（），恢 复 到 实际的含泥质双矿物 地 层的矿物体积和孔隙度。根据岩心岩石物理实验分析数据及地区经验，利用其他测井资料，例如有效光电吸收截面指数 参与计算，提高计算精度。 以元坝区块的嘉陵江组四段、五段含膏盐地层为例，建立了由砂岩、石灰岩、白云岩、砾岩、硬石膏、泥质、孔隙等组分组成的岩石体积模型，利用复杂岩性识别程序进行处理计算，计 算中矿物骨架值选取见表。表元坝地区常规测井资料处理矿物骨架参数矿物骨架值矿物中子密度（）声波（）岩性光电吸收截面指数砂岩灰岩 白云岩 硬石膏盐岩用上述参数对元坝区块口井海相碳酸盐岩地层的岩性进行了评价，按矿物含量将石膏含量大于解释为石膏层，石膏含量在 解释为 膏质层，包括膏质灰岩和膏质白云岩，盐岩含量大于 解释为盐岩层。 统计结果表明，盐膏地层主要 发育在三叠系雷口坡组、嘉陵江组、以及飞仙关组四段（飞四段）（见图），累计厚度 之 间，其中石膏层在嘉四五段和嘉二段厚度最大，平 均厚度分别为 和 。元坝地区从井深 进 入 雷 口 坡组地层，平均地层 厚 度 ，测 井 解 释 膏 岩平均 厚 度 为 ，元 坝 井 膏 岩 厚 度 最 大 为 ；从 进入嘉陵江组，平均地层厚度 ，测井解释膏岩层平均厚度为 ，其中元坝 井膏岩厚度最大为 ；飞四段平均地层厚度 ，测井解释膏岩层平均厚度为 。盐岩地层主要分布在嘉四五段，盐层平均厚度为 ，其 中 元 坝 井 盐 岩 厚 度最大为 。 统 计 表 明，元 坝 地 区 膏 盐 层 分 布组（特别是嘉四嘉五段地层）膏盐含量高，对泥浆的污染严重且井径不规则，在较高泥浆密度下易发生卡钻，所以防喷、防膏盐侵、防硫化氢是该段重点。图元坝地区膏盐地层层位及厚度统计图膏盐地层岩石力学特性、地层应力、三压力剖面测井评价通过对常规、多极子阵列声波测井资料处理，得到已钻井地层连续的泥质含量、矿物组分、孔隙度、纵波时差、横波时差等参数，利用相应计算模型，评价地层岩石力学特性、地层应力大小及地层 孔隙 压岩石强度的计算岩石强度是指岩石在载荷作用下开始破坏时承 受的最大应力以及应力和破坏之间的关系，它反映 了岩石承受各种载荷的特性以及岩石抵抗破坏的能 力和破坏的规律。反映岩石强度特性的弹性参数主 要有弹性模量、泊松比、抗压强度、抗拉强度和抗剪 强度等。目前，获取岩石力学参数的方法主要有岩心室 内实测的方法和基于已建立的岩石强度与测井参数 间的关系模型，利用测井资料连续计算井剖面岩石 强度参数的方法。岩石力学实验是确定岩石力学参 数最基本的、直接的方法，但岩心实验数据有限，数 据离散，不能反映井剖面地层岩石强度的变化趋势。 将岩石强度的实验研究与测井连续计算相结合，通 常是获得对岩石强度剖面全面认识的重要途径。但 对于盐膏地层钻井取心资料非常少，因此，目前只有 沿用上下地层的计算模型。利用纵波和横波传播测井资料，联同体积密度 测井可由式（）至式（）求得地层各动态弹性模量变化。该方法依据的原理是压实观测参数的实际值和正常趋势值的比率与地层压力的关系是由上覆压 力梯度的变化所决定的。基于声波测井资料的孔隙 压力压力预测经验公式为正 常 值 （ ） （实 测 值 ）（）式中，为声波纵波时差； 为孔隙压力； 为上覆岩层压力； 为埋藏深度。（）斯伦贝谢组合模型 （）（）（） （） （）式中 、 分别为沿最大主应力方向与最小主应力方向构造应变系数； 为地层孔隙压力； 为测井起始点深度； （）为未测井段深度为 点的密度；（ ）泊松比（）（ ）（）为深度为 点的测井密度值 为重力加速度。； 其中，获取 、 是开展地层应力剖面研究的关键。通过多极子阵列声波测井资料提供的地层速度各向异性、声电成像测井及地层倾角测井提供的椭 圆井眼及钻 井 诱 导 缝 信 息 确 定 区 块 最 大 主 应 力 方 向。在元坝区块利用多极子阵列声波测井资料，经 过相关软件处理得到地层速度各向异性的大小和方 （ ）弹性模量（） 剪切模量（） 体积模量 （） 式中，、 分别为地层横波和纵波时差，；为地层密度值，；为 系数。鉴于现有的力学本构关系一般都是基于静态参数建立的，因此，在力学分析过程中，动态弹性模量 必须转换为静态弹性模量。许多研究工作者已对动 态和静态弹性模量进行了大量的对比研究，并建立 了相应的转换关系，其总趋势是动态弹性摸量一般 都远远高于静态弹性模量。由于泊松比本身变化范 围小，因此，动静泊松比值的差异一般不大。向（见图 ），在膏岩地层，特别是盐岩发育的层 段，地层速度各向异性非常明显，说明最大、最小水平主应力之间的差异明显，钻井井眼不规则，扩径明显。在盐膏地层这类塑性流动地层，由于地层应力 不均衡，套管承受的实际外挤力可能远大于上覆地 层压力，因而一般高强度套管本身的强度很难抵御 这样大的外挤力。 因此，在盐膏地层井段采用加厚 套管并作好强度校核是非常重要的。基于测井资料的地层应力估算与评价基于测井资料的地层应力大小估算模型通常用模型和斯伦贝谢模型。（）模型。在 年根据墨西哥湾等地区经验及测井方法实验研究的基础上，利用孔隙压力和其他几个参数（声波时差、钻井指数、 电阻率）的幂指数关系而提出，这种关系并不随岩性 或深度的变化而改变，只是其中的指数幂会随不同 地区（不同地质沉积盆地）岩性、成岩作用的程度而应用实例在新探区或新的层系进行油气钻探，针对邻井 钻探的风险记录，由测井资料计算的岩石力学相关 特征和模型得到地层的破裂压力、地层孔隙压力、最 大和最小水平主应力和方向。通过相关的计算模型 可以计算出最大钻井液密度、最小钻井液密度，有效 指导钻井的泥浆密度设计，特别是解决窄泥浆窗口的难题，帮助安全、平稳地钻井，避免钻井过程中的井眼跨塌或对地层造成压裂的泥浆漏失。胜科井设计井深，目的是探索胜利油 区东营凹陷 孔 二 段 有 效 烃 源 岩 和孔一段储集层能 力。该井在沙四段盐岩层为防止塑性膏盐岩的流变采用高密度钻井液，而进孔一段砂岩储层要进行泥 浆调整以保 护 可 能 钻 遇 的 油 气 层，该 井 根 据 邻 井声波和本井声波与 层速度预测底 部 待 钻 井段的孔隙压力。如图 所示，为了预测底部未钻地层的孔隙压力，除斯伦贝谢公司的偶极声波（）测量外，还 完 成 了 三 维 测 井，目 的 是 在已测量井段对比由偶极声波与 估算 的 孔 隙 压力的相关性，重点是预测未钻地层的孔隙压力。 图中共有个道，从左第 道为 计算出的层速 度；第道是偶极声波测量的地层传播时差；第道 是由偶极声波和 估算的地 层 孔 隙 压 力。 从 结果看二者吻 合 很 好。 在 未 钻 地 层 给出的 预 测 压 力 曲 线 分 析，在 和 存在 个 异 常 的 高 压 区，地 层 孔 隙压力系数大于，后经钻井证实，在 开始进入高压层，钻井液密度调整到 才维持平衡钻井，预测结果成功。图元坝地区膏盐地层速度各向异性成果图图 胜科 井孔隙压力预测丁次乾矿场地 球 物 理 东 营：中国石油大学出版 社，：梁卫国，张传达，高红波，等盐水浸泡作用下石膏岩力学特性试 验 研 究 岩石力学与工程学报，（）： ， ，：周 军层 状 盐 岩高温蠕变特性研究 煤，（）：认识和建议（）在膏盐地层中，地层最大、最小水平主应力 在盐岩含量高的地层中表现为较强的不均衡性，造成钻井施工过程中卡钻、井漏等事件时有发生。 利 用已钻井测井资料，对地层矿物含量、地层应力、地 层压力等进行评价，对区块邻井相同层位的钻井液、 钻头选型、井身结构及固井方案设计具有重要指导 作用。（）应用地 层 岩 性、黏 土 与 非 黏 土 矿 物 种 类 和 百分含量、密度、力学参数、组构、孔隙压力、破裂压力、地层应力、井径等资料来研讨潜在的井下复杂情 况及预防措施，在优选泥浆类型、配方、性能及泥浆 维护处理措施方面具有很好的发展前景。（）用于岩石力学参数实验的膏盐地层钻井取 心非常有限，给膏盐地层岩石力学参数、地层应力、地层孔隙压力、破裂压力计算建模及评价带来的很 大的局限性。为了提高该类地层岩石物理参数评价 精度，拓宽其在石油工程中的应用范围，建议适当增 加膏盐地层钻井取心。 ， ，黄荣樽地层破裂压力预测 模 式 的 探 讨 华 东 石 油学院学报，（）：张奇，徐亮，金小林，等川东地区嘉陵江组四段膏盐岩分布的沉积环境分析盐湖研究，（）：巨满成，林勇，吴 学 升气体欠平衡钻 井工艺技术在长 庆气田的研究