1. 引言
克深区块位于塔里木盆地库车坳陷的克拉苏构造带上,目的层白垩系蕴藏着丰富的天然气资源。其上部古近系库姆格列木群(E1
-2 km
)发育着巨厚的膏盐岩,为油藏提供了优质盖层,是形成大型超高压气藏的关键因素之一。而超深、超厚的膏盐层与下覆地层(目的层)存在着相差巨大的压力系统,给钻井工程带来巨大的施工风险。为了确保钻井施工安全,目前在库车坳陷山前井的膏盐岩地层主要采用油基钻井液钻进,保持井壁稳定,并用技术套管封住膏盐岩层。如果未钻穿,提前下入套管,造成目的层小井眼钻进,难以达到钻探目的;而在钻穿膏盐岩层后,又极易发生井漏和卡钻事故,因此卡准盐底界面成为确保钻井正常施工的关键。
常规的卡层方法是通过肉眼观察岩屑,结合综合录井仪器采集工程参数(如钻时、扭矩、钻压等资料)来判断是否钻穿膏盐岩 [1] 。随着钻井工艺的发展,如PDC钻头的应用,钻时快慢的差异变得不明显;由井底返出的岩屑也十分细碎,使得岩屑录井对岩性难以识别,也不利于地层对比,因此卡取盐底界面仍然很困难。笔者利用X射线元素录井技术分析岩屑中的Na、Mg、Al、Si、P、S、Cl、K、Ca、Ba、Ti、Mn、Fe、V、Ni、Sr、Zr等17种元素含量,对获取的数据进行分析研究,可以识别岩性及盐底卡层;并提出了一套现场操作性强的盐底卡层的方法,使用该方法极大地提高了盐底卡层的成功率,保障区内膏盐岩地层安全快速钻进。
2. X射线荧光录井技术
X射线荧光录井技术(XRF)利用X射线录井仪来检测和分析岩屑中的元素的种类和含量。该项技术是在X射线荧光分析原理与岩石地球化学理论基础上发展而来。目前,塔里木油田采用的是HB-X100型X射线录井仪,它具有分析速度快、工作稳定、仪器体积小、对岩屑需求量小、岩屑样品粒度要求低等优点,非常适合用于现场岩性识别和卡层。
3. 元素录井识别岩性
E1-2km主要岩性为泥岩、石膏岩、盐岩、白云岩、灰岩等。目前,岩性的识别主要是通过肉眼观察来定名、受制于岩屑客观条件和录井队的鉴定水平,X射线荧光录井技术则是一种全新的,定量化识别岩性的技术手段,能够解决岩屑细碎、人为主观因素等造成的岩性识别困难。
众所周知,元素是构成所有岩石最基本的化学单元,不同类型的岩石具有不同的元素组成,X射线荧光录井技术就是通过元素地球化学成分分析进行岩性识别。砂岩的主要成分是SiO2,因此Si元素在砂岩中富集;A1、Fe等元素的含量在富含黏土矿物的泥岩中很高;纯石灰岩的化学成分为CaCO3,Ca元素在灰岩中富集;纯白云岩(白云石)的化学成分为MgCa(CO3)2,Mg、Ca在白云岩中富集;石膏岩的主要化学成分为CaSO4,石膏岩中富集Ca、S元素;盐岩的主要化学成分为NaCl,盐岩中富集Na、Cl元素。利用上述富集规律并通过图谱法、数值法、曲线法、XRF分析数据处理法、曲线交会法等岩性解释方法 [2] ,可以准确地区分岩性(图1)。总而言之,通过现场使用证明元素录井解释岩性是一种有效岩性识别方法。
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Figure 1. The sectional view of lithologic interpretation of X-ray fluorescence logging
图1. X射线荧光录井岩性解释剖面图
4. 盐底界面的卡取
库车坳陷经历了多期的构造运动,膏盐岩层受挤压变形严重,纵向和横向都难以对比,无法准确地预测盐底深度。通过X射线荧光元素录井技术分析发现盐底卡层并不是无迹可循,可以利用元素标志层进行地层对比,确定是否进入最后一套膏盐岩层,并通过盐底泥岩与盐间泥岩的区别来准确地卡取盐底界面。
4.1. 元素标志层
通过对克深区块多口井分析发现,Sr质量浓度会出现一个异常高值段(图2),预示着该段为最后一套膏盐岩层,即接近盐底。Sr的X射线荧光录井的异常高值是海侵的一个重要特征 [3] 。库车盆地古近纪早期发生过一次较明显的海侵 [4] ,气候持续的干燥炎热,Sr通过生物化学作用沉淀下来。Sr对沉积环境具有重要的指示意义,笔者利用Sr质量浓度的异常高值段作为标志层,在地层对比中也起着至关重要的作用。
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Figure 2. The diagram of formation contrast in the studied area
图2. 研究区地层对比图
4.2. 盐底泥岩与盐间泥岩对比分析
标志层下的膏盐岩厚度分布不均,井与井之间差别巨大,准确地识别盐底的褐色泥岩和盐间的褐色泥岩是卡层的另一关键点。
岩石中各种所含矿物多以单质矿物、氧化物和氢氧化物等形态存在,如组成泥岩的黏土矿物主要以SiO2、Al2O3、Fe2O3、CaO等为主 [5] ,而这些化合物又以Al、Fe、Si等为主要元素。为了便于对比盐间泥岩与盐底泥岩,对克深区块的8口井,分析了Na、Mg、Al、Si、S、Cl、K、Ca、Fe共9种主要元素(表1)。
通过表1可以看出,Mg、Cl元素的平均质量分数在盐间泥岩与盐底泥岩中差异具有一定的规律。盐间泥岩Mg平均质量分数在2.26%~3.92%之间,盐底泥岩Mg平均质量分数在4.34%~7.20%之间,盐底泥岩的Mg平均质量分数高于盐间泥岩。盐底泥岩Cl平均质量分数在2.01%~4.98%之间,盐底泥岩Cl平均质量分数在0.43%~1.81%之间,盐底泥岩的Cl平均含量低于盐间泥岩。而Na、Al、Si、S、K、Ca、Fe几种元素的平均平均质量分数在盐间泥岩与盐底泥岩中差异不大。
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Table 1. The average mass fractions of major elements in the salt interbed and salt on the bottom layer in Keshen Block
表1. 克深区块盐间泥岩与盐底泥岩的主要元素平均质量分数
利用盐间与盐底泥岩元素含量差异开发出了三角图版(图3)和交会图版(图4)。图中蓝色代表盐间泥岩,粉红色代表盐底泥岩。通过图版法可以更直观地判断是否是盐底泥岩。
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Figure 3. The tran-angular chart board of mudstone elements between the salt interbed and salt on the bottom
图3. 盐间与盐底泥岩元素三角图版
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Figure 4. The cross-plot of mudstone elements between salt interbed and salt on the bottom
图4. 盐间与盐底泥岩元素交会图版
5. 应用实例
克深504井卡层分析:
1) 井深6347 m,ρSr为14067 mg/L;6348 m,ρSr达到13504 mg/L (图5)。ρSr异常高值是一个元素标志层,预示着接近盐底,钻穿盐岩段见泥岩可能为盐底泥岩。
2) 钻进至井深6405 m时,岩屑见少量褐色泥岩,元素录井分析wCl为9.75%,wMg为2.31% (表2),且泥岩中的盐质成分较多(图5),不符合盐底泥岩特征。
3) 现场录井认为该段见褐色泥岩,且岩性组合关系与邻井一致,认为该段为盐底褐色泥岩,决定在井深6419 m (图5中红线)中完下套管作业。元素录井认为本段无盐底泥岩特征,下部地层可能有盐岩,建议继续钻进。
4) 钻进至井深6421 m,岩屑中wCl上升至15.13%;6421~6435 m,wCl为8.86%~15.85%,岩性主要为盐岩。
5) 钻进至井深6436 m时,wCl下降至0.55%,wMg上升至3.79% (表2),岩性为泥岩,元素录井认为6436 m符合盐底泥岩特征。
6) 图版验证,6138~6212 m段中的泥岩(蓝色)落入三角图版和交会图版中的盐间泥岩区域,6405~6416 m (黄色)也落入三角图版和交会图版中的盐间泥岩区域,6436~6445 m (粉红色)落入三角图版和交会图版中的盐底泥岩区域(图6、图7)。
综合以上的特征,判断已经进入盐底泥岩。通过下步钻进证实盐底界面卡取准确,确保了钻井施工正常进行。
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Figure 5. The sectional view of lithlogic interpretation of X-ray fluorescence logging
图5. X射线荧光录井岩性解释剖面图
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Table 2. The data of Mg and Cl element mass fraction in Well Keshen 504
表2. 克深504井Mg、Cl元素质量分数数据表
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Figure 6. The tranangular chart board of mudstone elements between salt interbed and salt on the bottom in Well Keshen 504
图6. 克深504井盐间与盐底泥岩元素三角图版
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Figure 7. The cross-plot of mudstone elements between salt interbed and salt on the bottom in Well Keshen 504
图7. 克深504井盐间与盐底泥岩元素交会图版
6. 结论
1) X射线荧光录井技术通过元素地球化学成分分析识别岩性,为岩性定名提供依据。
2) 元素录井分析出的微量元素的异常高值符合成岩时期的沉积环境,可作为元素标志层,利于井间横向对比。
3) 利用元素定量化分析,区分盐间泥岩与盐底泥岩,并建立相应图版,准确地卡取盐底界面。