測井資料在膏鹽地層鉆井工程中的應用

吳海燕，陸黃生，張元春

（中國石化石油工程技術研究院，北京100101）

測井資料在膏鹽地層鉆井工程中的應用

吳海燕，陸黃生，張元春

（中國石化石油工程技術研究院，北京100101）

膏鹽層地層最大、最小水平主應力在鹽巖含量高的地層中表現為較強的不均衡性，造成鉆井施工過程中卡鉆、井漏等事件時有發生。結合石膏、鹽巖地層的沉積和地質特征，充分發揮鉆井測井信息量大和連續測量、縱向分辨率高的優勢，從地層巖石礦物分析、巖石力學參數計算、孔隙壓力、破裂壓力、地層應力評價等方法入手，分析測井資料在膏鹽地層確定合理鉆井液密度、性能、井身結構設計等方面的應用效果，拓寬測井在石油鉆井工程中的應用領域。用于巖石力學參數實驗的膏鹽層鉆井取心非常有限，建議適當增加膏鹽層鉆井取心。

測井評價；膏鹽層；井壁穩定；井身結構；侵入特征；鉆井工程

0 引 言

石油地質工程上常把含有石膏和鹽巖的地層統稱為膏鹽層，二者雖均屬于蒸發巖類，但在沉積環境、礦物成分、地質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。不少油田目標儲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特性，在鉆穿膏鹽層過程中通常會發生卡鉆、遇阻等復雜工況；鹽巖易溶解，造成地層不穩定、井眼尺寸不規則［1］、下套管固井后套管變形或被擠毀等現象。測井資料大都應用于油氣水層的判識，應用于油氣井工程評價方面的較少。如何充分發揮測井信息量大、連續測量和縱向分辨率高的優勢，提高測井資料在膏鹽地層鉆井工程中的應用效果，是油氣井順利鉆達設計井深、完成油氣勘探開發任務的關鍵。

1 膏鹽地層鉆井工程特征及難點

鹽膏地層在工程上表現出常見的特征，一是鹽膏層塑性流動，鹽巖易溶解的特點造成地層不穩定，井眼不規則，鉆井液性質及密度設計控制難度大，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、固井質量難以保證、較強的地層應力不均衡等造成套管變形和擠毀。

2 膏鹽地層地質及測井響應特征

2.1 膏鹽地層沉積地質特征

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%，屬蒸發巖類。結構十分致密，孔隙率極低，化學成分上CaSO4為微溶甚至難溶物質，強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，含高鹽分泥巖夾層的鹽巖的蠕變特性敏感，隨著溫度、應力的增高蠕變更加顯著［3］。

溫度越高，鹽巖內部產生微裂紋的機會就越大，宏觀上就表現為鹽巖蠕變應變的增加，相應的蠕變率也增大［4］。

2.2 膏鹽地層測井響應特征

石膏在測井曲線上的響應特征（見圖1）表現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.，縱波時差在50μs／ft左右（非法定計量單位，1 ft＝12 in＝0.304 8 m，下同），與碳酸鹽巖最大的區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特征（見圖2）表現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出較高的數值。中子值較石膏低，一般在－3 p.u.左右，縱波時差較石膏大，分布范圍在64～70μs／ft之間，電阻率表現異常高值，經常會超出側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別在于異常低的密度值和井眼擴徑嚴重的現象。原因是鹽巖地層易溶解，造成大井眼，影響了地層真實密度值。

圖1 元壩4井石膏層測井響應特征圖

圖2 元壩102井鹽巖層測井響應特征圖

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、分布規律、組合特征的解釋與評價，對鉆井工程中鉆井液配制、井身結構、套管選型設計、固井方案優化等具有重要的指導作用。就膏鹽地層沉積相分析可知，膏鹽地層在一定區域范圍內，縱向、橫向分布相對穩定，因此，利用測井資料對膏鹽地層段中的泥質、石膏、鹽巖、碳酸鹽巖等礦物含量進行精細解釋、評價，對區塊后續的鉆井工程設計意義重大。

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數。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。

（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算泥質含量Vsh。公式為

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

（2）礦物體積計算。對于含泥質雙礦物巖石，復雜巖性分析程序CRA用式（3）進行泥質校正，校正到含水雙礦物純巖石模型，式（3）中的系數0.8可根據地區經驗進行調整

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

根據巖心巖石物理實驗分析數據及地區經驗，利用其他測井資料，例如有效光電吸收截面指數Pe參與計算，提高計算精度。以元壩區塊的嘉陵江組四段、五段含膏鹽地層為例，建立了由砂巖、石灰巖、白云巖、礫巖、硬石膏、泥質、孔隙等組分組成的巖石體積模型，利用復雜巖性識別程序進行處理計算，計算中礦物骨架值選取見表1。

表1 元壩地區常規測井資料處理礦物骨架參數

用上述參數對元壩區塊8口井海相碳酸鹽巖地層的巖性進行了評價，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%解釋為膏質層，包括膏質灰巖和膏質白云巖，鹽巖含量大于50%解釋為鹽巖層。統計結果表明，鹽膏地層主要發育在三疊系雷口坡組、嘉陵江組、以及飛仙關組四段（飛四段）（見圖3），累計厚度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。

元壩地區從井深4 760～5 300 m進入雷口坡組地層，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。統計表明，元壩地區膏鹽層分布十分穩定，顯示了較好的區域性展布特征。嘉陵江組（特別是嘉四－嘉五段地層）膏鹽含量高，對泥漿的污染嚴重且井徑不規則，在較高泥漿密度下易發生卡鉆，所以防噴、防膏鹽侵、防硫化氫是該段重點［5］。

圖3 元壩地區膏鹽地層層位及厚度統計圖

3 膏鹽地層巖石力學特性、地層應力、三壓力剖面測井評價

通過對常規、多極子陣列聲波測井資料處理，得到已鉆井地層連續的泥質含量、礦物組分、孔隙度、縱波時差、橫波時差等參數，利用相應計算模型，評價地層巖石力學特性、地層應力大小及地層孔隙壓力、坍塌壓力、破裂壓力，為鉆井設計提供依據。

3.1 巖石強度的計算

巖石強度是指巖石在載荷作用下開始破壞時承受的最大應力以及應力和破壞之間的關系，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律。反映巖石強度特性的彈性參數主要有彈性模量、泊松比、抗壓強度、抗拉強度和抗剪強度等。

目前，獲取巖石力學參數的方法主要有巖心室內實測的方法和基于已建立的巖石強度與測井參數間的關系模型，利用測井資料連續計算井剖面巖石強度參數的方法。巖石力學實驗是確定巖石力學參數最基本的、直接的方法，但巖心實驗數據有限，數據離散，不能反映井剖面地層巖石強度的變化趨勢。將巖石強度的實驗研究與測井連續計算相結合，通常是獲得對巖石強度剖面全面認識的重要途徑。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算模型［3］。

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

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

鑒于現有的力學本構關系一般都是基于靜態參數建立的，因此，在力學分析過程中，動態彈性模量必須轉換為靜態彈性模量。許多研究工作者已對動態和靜態彈性模量進行了大量的對比研究，并建立了相應的轉換關系，其總趨勢是動態彈性摸量一般都遠遠高于靜態彈性模量。由于泊松比本身變化范圍小，因此，動靜泊松比值的差異一般不大。

3.2 基于測井資料的地層應力估算與評價

基于測井資料的地層應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年根據墨西哥灣等地區經驗及測井方法實驗研究的基礎上，利用孔隙壓力和其他幾個參數（聲波時差、鉆井dc指數、電阻率）的冪指數關系而提出，這種關系并不隨巖性或深度的變化而改變，只是其中的指數冪會隨不同地區（不同地質沉積盆地）巖性、成巖作用的程度而變化。該方法依據的原理是壓實觀測參數的實際值和正常趨勢值的比率與地層壓力的關系是由上覆壓力梯度的變化所決定的。基于聲波測井資料的孔隙壓力壓力預測經驗公式為

式中，Δt為聲波縱波時差；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分別為沿最大主應力方向與最小主應力方向構造應變系數；pφ為地層孔隙壓力；H0為測井起始點深度；ρ0（h）為未測井段深度為h點的密度；ρ（h）為深度為h點的測井密度值；g為重力加速度。其中，獲取εH、εh是開展地層應力剖面研究的關鍵。

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縫信息確定區塊最大主應力方向。在元壩區塊利用多極子陣列聲波測井資料，經過相關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、最小水平主應力之間的差異明顯，鉆井井眼不規則，擴徑明顯。

在鹽膏地層這類塑性流動地層，由于地層應力不均衡，套管承受的實際外擠力可能遠大于上覆地層壓力，因而一般高強度套管本身的強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度校核是非常重要的。

4 應用實例

在新探區或新的層系進行油氣鉆探，針對鄰井鉆探的風險記錄，由測井資料計算的巖石力學相關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力和方向。通過相關的計算模型可以計算出最大鉆井液密度、最小鉆井液密度，有效指導鉆井的泥漿密度設計，特別是解決窄泥漿窗口的難題，幫助安全、平穩地鉆井，避免鉆井過程中的井眼跨塌或對地層造成壓裂的泥漿漏失［8］。

勝科1井設計井深7 000 m，目的是探索勝利油區東營凹陷孔二段有效烴源巖和孔一段儲集層能力。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，而進孔一段砂巖儲層要進行泥漿調整以保護可能鉆遇的油氣層［9－10］，該井根據鄰井聲波和本井聲波與VSP層速度預測底部待鉆井段的孔隙壓力。如圖5所示，為了預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性，重點是預測未鉆地層的孔隙壓力。圖5中共有4個道，從左第2道為VSP計算出的層速度；第3道是偶極聲波測量的地層傳播時差；第4道是由偶極聲波和VSP估算的地層孔隙壓力。從結果看二者吻合很好。在未鉆地層4 160～5 660 m給出的預測壓力曲線分析，在4 640～5 000 m和5 280～5 720 m存在2個異常的高壓區，地層孔隙壓力系數大于1.5，后經鉆井證實，在4 660 m開始進入高壓層，鉆井液密度調整到1.78 g／cm3才維持平衡鉆井，預測結果成功。

圖4 元壩地區膏鹽地層速度各向異性成果圖

圖5 勝科1井孔隙壓力預測

5 認識和建議

（1）在膏鹽地層中，地層最大、最小水平主應力在鹽巖含量高的地層中表現為較強的不均衡性，造成鉆井施工過程中卡鉆、井漏等事件時有發生。利用已鉆井測井資料，對地層礦物含量、地層應力、地層壓力等進行評價，對區塊鄰井相同層位的鉆井液、鉆頭選型、井身結構及固井方案設計具有重要指導作用。

（2）應用地層巖性、黏土與非黏土礦物種類和百分含量、密度、力學參數、組構、孔隙壓力、破裂壓力、地層應力、井徑等資料來研討潛在的井下復雜情況及預防措施，在優選泥漿類型、配方、性能及泥漿維護處理措施方面具有很好的發展前景。

（3）用于巖石力學參數實驗的膏鹽地層鉆井取心非常有限，給膏鹽地層巖石力學參數、地層應力、地層孔隙壓力、破裂壓力計算建模及評價帶來的很大的局限性。為了提高該類地層巖石物理參數評價精度，拓寬其在石油工程中的應用范圍，建議適當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

項目來源：中國石化科技部重大科研項目“測井資料在元壩地區鉆井工程中的應用研究”（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用研究。

2011－08－02 本文編輯 李總南）