吳海燕，陸黃生，張?jiān)?/p>

（中國石化石油工程技術(shù)研究院，北京100101）

測井資料在膏鹽地層鉆井工程中的應(yīng)用

吳海燕，陸黃生，張?jiān)?/p>

（中國石化石油工程技術(shù)研究院，北京100101）

膏鹽層地層最大、最小水平主應(yīng)力在鹽巖含量高的地層中表現(xiàn)為較強(qiáng)的不均衡性，造成鉆井施工過程中卡鉆、井漏等事件時(shí)有發(fā)生。結(jié)合石膏、鹽巖地層的沉積和地質(zhì)特征，充分發(fā)揮鉆井測井信息量大和連續(xù)測量、縱向分辨率高的優(yōu)勢，從地層巖石礦物分析、巖石力學(xué)參數(shù)計(jì)算、孔隙壓力、破裂壓力、地層應(yīng)力評價(jià)等方法入手，分析測井資料在膏鹽地層確定合理鉆井液密度、性能、井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等方面的應(yīng)用效果，拓寬測井在石油鉆井工程中的應(yīng)用領(lǐng)域。用于巖石力學(xué)參數(shù)實(shí)驗(yàn)的膏鹽層鉆井取心非常有限，建議適當(dāng)增加膏鹽層鉆井取心。

測井評價(jià)；膏鹽層；井壁穩(wěn)定；井身結(jié)構(gòu)；侵入特征；鉆井工程

0 引 言

石油地質(zhì)工程上常把含有石膏和鹽巖的地層統(tǒng)稱為膏鹽層，二者雖均屬于蒸發(fā)巖類，但在沉積環(huán)境、礦物成分、地質(zhì)特征等方面均存在較大差異，因而對鉆井工程的影響也不同。不少油田目標(biāo)儲(chǔ)集層通常處于膏鹽層下面，要鉆開油氣層就必須先鉆穿膏鹽層。膏鹽地層本身具有特殊的地質(zhì)特性，在鉆穿膏鹽層過程中通常會(huì)發(fā)生卡鉆、遇阻等復(fù)雜工況；鹽巖易溶解，造成地層不穩(wěn)定、井眼尺寸不規(guī)則［1］、下套管固井后套管變形或被擠毀等現(xiàn)象。測井資料大都應(yīng)用于油氣水層的判識，應(yīng)用于油氣井工程評價(jià)方面的較少。如何充分發(fā)揮測井信息量大、連續(xù)測量和縱向分辨率高的優(yōu)勢，提高測井資料在膏鹽地層鉆井工程中的應(yīng)用效果，是油氣井順利鉆達(dá)設(shè)計(jì)井深、完成油氣勘探開發(fā)任務(wù)的關(guān)鍵。

1 膏鹽地層鉆井工程特征及難點(diǎn)

鹽膏地層在工程上表現(xiàn)出常見的特征，一是鹽膏層塑性流動(dòng)，鹽巖易溶解的特點(diǎn)造成地層不穩(wěn)定，井眼不規(guī)則，鉆井液性質(zhì)及密度設(shè)計(jì)控制難度大，增加了鉆井過程中的不確定因素；二是膏巖層的塑性蠕變，鉆井過程中常造成縮徑、卡鉆，下套管施工困難、固井質(zhì)量難以保證、較強(qiáng)的地層應(yīng)力不均衡等造成套管變形和擠毀。

2 膏鹽地層地質(zhì)及測井響應(yīng)特征

2.1 膏鹽地層沉積地質(zhì)特征

石膏（CaSO4·2 H2O）又稱二水石膏、水石膏或軟石膏，主要成分CaO為32.6%，SO3為46.5%，H2O為20.9%，屬蒸發(fā)巖類。結(jié)構(gòu)十分致密，孔隙率極低，化學(xué)成分上CaSO4為微溶甚至難溶物質(zhì)，強(qiáng)度并不隨溶液浸泡作用而降低［2］。

鹽巖主要礦物為石鹽（NaCl），并含少量其他鹽類礦物。鹽巖具有良好的蠕變特性、低滲透性及損傷自我愈合的特性［3］。研究證實(shí)，含高鹽分泥巖夾層的鹽巖的蠕變特性敏感，隨著溫度、應(yīng)力的增高蠕變更加顯著［3］。

溫度越高，鹽巖內(nèi)部產(chǎn)生微裂紋的機(jī)會(huì)就越大，宏觀上就表現(xiàn)為鹽巖蠕變應(yīng)變的增加，相應(yīng)的蠕變率也增大［4］。

2.2 膏鹽地層測井響應(yīng)特征

石膏在測井曲線上的響應(yīng)特征（見圖1）表現(xiàn)在較純凈的石膏地層中自然伽馬曲線低值（15 API左右），中子值在0～3 p.u.，縱波時(shí)差在50μs／ft左右（非法定計(jì)量單位，1 ft＝12 in＝0.304 8 m，下同），與碳酸鹽巖最大的區(qū)別在于異常高的密度值，平均大于3 g／cm3，這也是有別于其他巖性的最大特征。電阻率分布范圍較大，有高電阻率石膏，也有相對低電阻率石膏。

鹽巖在測井曲線上的響應(yīng)特征（見圖2）表現(xiàn)在較純凈的鹽巖地層中自然伽馬曲線低值（15 API左右），部分鹽巖地層也表現(xiàn)出較高的數(shù)值。中子值較石膏低，一般在－3 p.u.左右，縱波時(shí)差較石膏大，分布范圍在64～70μs／ft之間，電阻率表現(xiàn)異常高值，經(jīng)常會(huì)超出側(cè)向電阻率儀器的探測范圍。與碳酸鹽巖及其他巖性最大的區(qū)別在于異常低的密度值和井眼擴(kuò)徑嚴(yán)重的現(xiàn)象。原因是鹽巖地層易溶解，造成大井眼，影響了地層真實(shí)密度值。

圖1 元壩4井石膏層測井響應(yīng)特征圖

圖2 元壩102井鹽巖層測井響應(yīng)特征圖

2.3 膏鹽層巖性測井識別、解釋

膏鹽地層縱向上的礦物含量、分布規(guī)律、組合特征的解釋與評價(jià)，對鉆井工程中鉆井液配制、井身結(jié)構(gòu)、套管選型設(shè)計(jì)、固井方案優(yōu)化等具有重要的指導(dǎo)作用。就膏鹽地層沉積相分析可知，膏鹽地層在一定區(qū)域范圍內(nèi)，縱向、橫向分布相對穩(wěn)定，因此，利用測井資料對膏鹽地層段中的泥質(zhì)、石膏、鹽巖、碳酸鹽巖等礦物含量進(jìn)行精細(xì)解釋、評價(jià)，對區(qū)塊后續(xù)的鉆井工程設(shè)計(jì)意義重大。

確定巖石礦物成分及其含量，就是確定巖石骨架的礦物成分及其體積占巖石體積的百分?jǐn)?shù)。測井分辨能力一般只考慮巖石礦物成分1～2種，最多考慮6種礦物成分，其他忽略不計(jì)。

（1）利用自然伽馬或自然伽馬能譜資料中的去鈾伽馬曲線計(jì)算泥質(zhì)含量Vsh。公式為

式中，Vsh為泥質(zhì)含量；Vsh，1為相對泥質(zhì)含量；Gmin為用來計(jì)算泥質(zhì)含量曲線在純巖石的測井值；Gmax為用來計(jì)算泥質(zhì)含量的曲線在純泥巖的測井值；Gsh為泥質(zhì)指示測井曲線數(shù)值，主要為GR測井曲線等；GCUR為與地層有關(guān)的指數(shù)，新地層取3.7，老地層取2。

（2）礦物體積計(jì)算。對于含泥質(zhì)雙礦物巖石，復(fù)雜巖性分析程序CRA用式（3）進(jìn)行泥質(zhì)校正，校正到含水雙礦物純巖石模型，式（3）中的系數(shù)0.8可根據(jù)地區(qū)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行調(diào)整

式中，ρsh為泥質(zhì)密度值；ρb為測井密度值；φN，sh為泥質(zhì)補(bǔ)償中子值；φN為測井補(bǔ)償中子值；Δtsh為泥質(zhì)聲波時(shí)差值；Δt為測井聲波時(shí)差值；φ為孔隙度；V1、V2分別為不同礦物百分含量。校正完后再用交會(huì)法計(jì)算礦物體積和孔隙度，計(jì)算出來的φ、V1、V2再乘以（1－0.8 Vsh），恢復(fù)到實(shí)際的含泥質(zhì)雙礦物地層的礦物體積和孔隙度。

根據(jù)巖心巖石物理實(shí)驗(yàn)分析數(shù)據(jù)及地區(qū)經(jīng)驗(yàn)，利用其他測井資料，例如有效光電吸收截面指數(shù)Pe參與計(jì)算，提高計(jì)算精度。以元壩區(qū)塊的嘉陵江組四段、五段含膏鹽地層為例，建立了由砂巖、石灰?guī)r、白云巖、礫巖、硬石膏、泥質(zhì)、孔隙等組分組成的巖石體積模型，利用復(fù)雜巖性識別程序進(jìn)行處理計(jì)算，計(jì)算中礦物骨架值選取見表1。

表1 元壩地區(qū)常規(guī)測井資料處理礦物骨架參數(shù)

用上述參數(shù)對元壩區(qū)塊8口井海相碳酸鹽巖地層的巖性進(jìn)行了評價(jià)，按礦物含量將石膏含量大于50%解釋為石膏層，石膏含量在25%～50%解釋為膏質(zhì)層，包括膏質(zhì)灰?guī)r和膏質(zhì)白云巖，鹽巖含量大于50%解釋為鹽巖層。統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，鹽膏地層主要發(fā)育在三疊系雷口坡組、嘉陵江組、以及飛仙關(guān)組四段（飛四段）（見圖3），累計(jì)厚度349.6～591.7 m之間，其中石膏層在嘉四－五段和嘉二段厚度最大，平均厚度分別為147.7 m和79.6 m。

元壩地區(qū)從井深4 760～5 300 m進(jìn)入雷口坡組地層，平均地層厚度500～700 m，測井解釋膏巖平均厚度為161.9 m，元壩3井膏巖厚度最大為253.6 m；從5 600～6 000 m進(jìn)入嘉陵江組，平均地層厚度750～1 000 m，測井解釋膏巖層平均厚度為235.6 m，其中元壩4井膏巖厚度最大為287.8 m；飛四段平均地層厚度60～70 m，測井解釋膏巖層平均厚度為2.5 m。鹽巖地層主要分布在嘉四－五段，鹽層平均厚度為72.2 m，其中元壩12井鹽巖厚度最大為204.5 m。統(tǒng)計(jì)表明，元壩地區(qū)膏鹽層分布十分穩(wěn)定，顯示了較好的區(qū)域性展布特征。嘉陵江組（特別是嘉四－嘉五段地層）膏鹽含量高，對泥漿的污染嚴(yán)重且井徑不規(guī)則，在較高泥漿密度下易發(fā)生卡鉆，所以防噴、防膏鹽侵、防硫化氫是該段重點(diǎn)［5］。

圖3 元壩地區(qū)膏鹽地層層位及厚度統(tǒng)計(jì)圖

3 膏鹽地層巖石力學(xué)特性、地層應(yīng)力、三壓力剖面測井評價(jià)

通過對常規(guī)、多極子陣列聲波測井資料處理，得到已鉆井地層連續(xù)的泥質(zhì)含量、礦物組分、孔隙度、縱波時(shí)差、橫波時(shí)差等參數(shù)，利用相應(yīng)計(jì)算模型，評價(jià)地層巖石力學(xué)特性、地層應(yīng)力大小及地層孔隙壓力、坍塌壓力、破裂壓力，為鉆井設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

3.1 巖石強(qiáng)度的計(jì)算

巖石強(qiáng)度是指巖石在載荷作用下開始破壞時(shí)承受的最大應(yīng)力以及應(yīng)力和破壞之間的關(guān)系，它反映了巖石承受各種載荷的特性以及巖石抵抗破壞的能力和破壞的規(guī)律。反映巖石強(qiáng)度特性的彈性參數(shù)主要有彈性模量、泊松比、抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和抗剪強(qiáng)度等。

目前，獲取巖石力學(xué)參數(shù)的方法主要有巖心室內(nèi)實(shí)測的方法和基于已建立的巖石強(qiáng)度與測井參數(shù)間的關(guān)系模型，利用測井資料連續(xù)計(jì)算井剖面巖石強(qiáng)度參數(shù)的方法。巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)是確定巖石力學(xué)參數(shù)最基本的、直接的方法，但巖心實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)有限，數(shù)據(jù)離散，不能反映井剖面地層巖石強(qiáng)度的變化趨勢。將巖石強(qiáng)度的實(shí)驗(yàn)研究與測井連續(xù)計(jì)算相結(jié)合，通常是獲得對巖石強(qiáng)度剖面全面認(rèn)識的重要途徑。但對于鹽膏地層鉆井取心資料非常少，因此，目前只有沿用上下地層的計(jì)算模型［3］。

利用縱波和橫波傳播測井資料，聯(lián)同體積密度測井可由式（4）至式（7）求得地層各動(dòng)態(tài)彈性模量

式中，Δts、Δtc分別為地層橫波和縱波時(shí)差，μs／ft；ρb為地層密度值，g／cm3；α為Biot系數(shù)。

鑒于現(xiàn)有的力學(xué)本構(gòu)關(guān)系一般都是基于靜態(tài)參數(shù)建立的，因此，在力學(xué)分析過程中，動(dòng)態(tài)彈性模量必須轉(zhuǎn)換為靜態(tài)彈性模量。許多研究工作者已對動(dòng)態(tài)和靜態(tài)彈性模量進(jìn)行了大量的對比研究，并建立了相應(yīng)的轉(zhuǎn)換關(guān)系，其總趨勢是動(dòng)態(tài)彈性摸量一般都遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于靜態(tài)彈性模量。由于泊松比本身變化范圍小，因此，動(dòng)靜泊松比值的差異一般不大。

3.2 基于測井資料的地層應(yīng)力估算與評價(jià)

基于測井資料的地層應(yīng)力大小估算模型通常用Eaton模型［6］和斯倫貝謝模型［7］。

（1）Eaton模型。Eaton在1972年根據(jù)墨西哥灣等地區(qū)經(jīng)驗(yàn)及測井方法實(shí)驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上，利用孔隙壓力和其他幾個(gè)參數(shù)（聲波時(shí)差、鉆井dc指數(shù)、電阻率）的冪指數(shù)關(guān)系而提出，這種關(guān)系并不隨巖性或深度的變化而改變，只是其中的指數(shù)冪會(huì)隨不同地區(qū)（不同地質(zhì)沉積盆地）巖性、成巖作用的程度而變化。該方法依據(jù)的原理是壓實(shí)觀測參數(shù)的實(shí)際值和正常趨勢值的比率與地層壓力的關(guān)系是由上覆壓力梯度的變化所決定的?；诼暡y井資料的孔隙壓力壓力預(yù)測經(jīng)驗(yàn)公式為

式中，Δt為聲波縱波時(shí)差；p為孔隙壓力；S為上覆巖層壓力；D為埋藏深度。

（2）斯倫貝謝組合模型

式中，εH、εh分別為沿最大主應(yīng)力方向與最小主應(yīng)力方向構(gòu)造應(yīng)變系數(shù)；pφ為地層孔隙壓力；H0為測井起始點(diǎn)深度；ρ0（h）為未測井段深度為h點(diǎn)的密度；ρ（h）為深度為h點(diǎn)的測井密度值；g為重力加速度。其中，獲取εH、εh是開展地層應(yīng)力剖面研究的關(guān)鍵。

通過多極子陣列聲波測井資料提供的地層速度各向異性、聲電成像測井及地層傾角測井提供的橢圓井眼及鉆井誘導(dǎo)縫信息確定區(qū)塊最大主應(yīng)力方向。在元壩區(qū)塊利用多極子陣列聲波測井資料，經(jīng)過相關(guān)軟件處理得到地層速度各向異性的大小和方向（見圖4），在膏巖地層，特別是鹽巖發(fā)育的層段，地層速度各向異性非常明顯，說明最大、最小水平主應(yīng)力之間的差異明顯，鉆井井眼不規(guī)則，擴(kuò)徑明顯。

在鹽膏地層這類塑性流動(dòng)地層，由于地層應(yīng)力不均衡，套管承受的實(shí)際外擠力可能遠(yuǎn)大于上覆地層壓力，因而一般高強(qiáng)度套管本身的強(qiáng)度很難抵御這樣大的外擠力。因此，在鹽膏地層井段采用加厚套管并作好強(qiáng)度校核是非常重要的。

4 應(yīng)用實(shí)例

在新探區(qū)或新的層系進(jìn)行油氣鉆探，針對鄰井鉆探的風(fēng)險(xiǎn)記錄，由測井資料計(jì)算的巖石力學(xué)相關(guān)特征和模型得到地層的破裂壓力、地層孔隙壓力、最大和最小水平主應(yīng)力和方向。通過相關(guān)的計(jì)算模型可以計(jì)算出最大鉆井液密度、最小鉆井液密度，有效指導(dǎo)鉆井的泥漿密度設(shè)計(jì)，特別是解決窄泥漿窗口的難題，幫助安全、平穩(wěn)地鉆井，避免鉆井過程中的井眼跨塌或?qū)Φ貙釉斐蓧毫训哪酀{漏失［8］。

勝科1井設(shè)計(jì)井深7 000 m，目的是探索勝利油區(qū)東營凹陷孔二段有效烴源巖和孔一段儲(chǔ)集層能力。該井在沙四段鹽巖層為防止塑性膏鹽巖的流變采用高密度鉆井液，而進(jìn)孔一段砂巖儲(chǔ)層要進(jìn)行泥漿調(diào)整以保護(hù)可能鉆遇的油氣層［9－10］，該井根據(jù)鄰井聲波和本井聲波與VSP層速度預(yù)測底部待鉆井段的孔隙壓力。如圖5所示，為了預(yù)測底部未鉆地層的孔隙壓力，除斯倫貝謝公司的偶極聲波（DSI＋MSIP）測量外，還完成了三維VSP測井，目的是在已測量井段對比由偶極聲波與VSP估算的孔隙壓力的相關(guān)性，重點(diǎn)是預(yù)測未鉆地層的孔隙壓力。圖5中共有4個(gè)道，從左第2道為VSP計(jì)算出的層速度；第3道是偶極聲波測量的地層傳播時(shí)差；第4道是由偶極聲波和VSP估算的地層孔隙壓力。從結(jié)果看二者吻合很好。在未鉆地層4 160～5 660 m給出的預(yù)測壓力曲線分析，在4 640～5 000 m和5 280～5 720 m存在2個(gè)異常的高壓區(qū)，地層孔隙壓力系數(shù)大于1.5，后經(jīng)鉆井證實(shí)，在4 660 m開始進(jìn)入高壓層，鉆井液密度調(diào)整到1.78 g／cm3才維持平衡鉆井，預(yù)測結(jié)果成功。

圖4 元壩地區(qū)膏鹽地層速度各向異性成果圖

圖5 勝科1井孔隙壓力預(yù)測

5 認(rèn)識和建議

（1）在膏鹽地層中，地層最大、最小水平主應(yīng)力在鹽巖含量高的地層中表現(xiàn)為較強(qiáng)的不均衡性，造成鉆井施工過程中卡鉆、井漏等事件時(shí)有發(fā)生。利用已鉆井測井資料，對地層礦物含量、地層應(yīng)力、地層壓力等進(jìn)行評價(jià)，對區(qū)塊鄰井相同層位的鉆井液、鉆頭選型、井身結(jié)構(gòu)及固井方案設(shè)計(jì)具有重要指導(dǎo)作用。

（2）應(yīng)用地層巖性、黏土與非黏土礦物種類和百分含量、密度、力學(xué)參數(shù)、組構(gòu)、孔隙壓力、破裂壓力、地層應(yīng)力、井徑等資料來研討潛在的井下復(fù)雜情況及預(yù)防措施，在優(yōu)選泥漿類型、配方、性能及泥漿維護(hù)處理措施方面具有很好的發(fā)展前景。

（3）用于巖石力學(xué)參數(shù)實(shí)驗(yàn)的膏鹽地層鉆井取心非常有限，給膏鹽地層巖石力學(xué)參數(shù)、地層應(yīng)力、地層孔隙壓力、破裂壓力計(jì)算建模及評價(jià)帶來的很大的局限性。為了提高該類地層巖石物理參數(shù)評價(jià)精度，拓寬其在石油工程中的應(yīng)用范圍，建議適當(dāng)增加膏鹽地層鉆井取心。

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Application of Log Information to Drilling Engineering of Salt and Gypsum Layers

WU Haiyan，LU Huangsheng，ZHANG Yuanchun
（Research Institute of Petroleum Engineering，SINOPEC，Beijing 100101，China）

Drill－pipe frozon and mud loss often appear in drilling operations because the maximum and minimum horizontal main stress is greatly non－isostatic.The drilled well’s log data are used to evaluate rock constituents，formation stress and formation pressure，etc.，which is very important in designs about drilling fluid density，drill bit，wellbore structure and cementing of the same layers in near wells.And，formation lithology，clay and non－clay mineral composition，drilling fluid density，rock machanics parameters，pore pressure，fracturing pressure may be used to investigate complex downhole environments and determine preventive measures，which is also important in optimizing drilling fluids，mud program，mud property and mud maintenance，etc.At present，there are limited drill cores of the salt and gypsum layers used for rock mechanics parameters experiments，so it is suggested we should properly increase the drill cores of such layers.

log evaluation，salt and gypsum layer，sidewall stability，well structure，invasion characteristic，drilling engineering

1004－1338（2011）06－0603－06

P631.84

A

項(xiàng)目來源：中國石化科技部重大科研項(xiàng)目“測井資料在元壩地區(qū)鉆井工程中的應(yīng)用研究”（P10042）資助成果

吳海燕，女，高級工程師，從事測井資料解釋及工程應(yīng)用研究。

2011－08－02 本文編輯 李總南）