PDC鉆頭鉆井條件下凝灰質儲層巖性識別方法＊

黃導武 何賢科 程俊陽 朱毅秀

（1．中海石油（中國）有限公司上海分公司 上海 200335； 2．中國石油大學（北京） 北京 102249）

PDC鉆頭鉆井條件下凝灰質儲層巖性識別方法＊

黃導武1何賢科1程俊陽1朱毅秀2

（1．中海石油（中國）有限公司上海分公司 上海 200335； 2．中國石油大學（北京） 北京 102249）

PDC鉆頭鉆井巖屑粒徑小，一般小于2 mm，通過巖屑進行巖性識別面臨較大挑戰。以東海西湖凹陷某氣田上白堊統八角亭組鉆遇的一套凝灰質地層為例，通過巖屑薄片鑒定、X－衍射分析、掃描電鏡及能譜分析等技術方法組合，建立了凝灰質儲層巖性識別方法，識別出了4種主要巖石類型：凝灰巖、晶屑凝灰巖、晶屑－玻屑凝灰巖及凝灰質砂巖，其中凝灰質砂巖儲層物性較好。在此基礎上，結合巖電特征分析，明確了研究區凝灰質砂巖儲層測井響應特征；試采結果證實了凝灰質砂巖為有效儲層，從而為東海天然氣勘探與開發開辟了新領域。本文探索出的毫米級鉆井巖屑凝灰質儲層巖性識別方法，對于缺少巖心情況下的復雜巖性識別提供了一種有借鑒價值的技術組合方法，具有一定的推廣意義。

PDC鉆頭；鉆井巖屑；凝灰質儲層；巖性識別；西湖凹陷；東海

近年來，PDC鉆頭在石油鉆井中正得到越來越廣泛的應用，但PDC鉆頭下的鉆井巖屑基本呈毫米級（最大顆粒約2 mm×2 mm），巖屑的巖性成分、結構、構造等特征遭到破壞，甚至造成假象，而且成分混雜并常被泥漿包裹，因此通過肉眼甚至顯微鏡觀察很難鑒定這種毫米級巖屑的巖性［1－3］。

東海西湖凹陷首次在一套富凝灰質地層中發現氣層，為了確定有效儲層，對9口井共計1 000 m以上的富凝灰質層段的巖屑進行觀察、挑樣，通過巖屑薄片制備及鑒定、X衍射分析、掃描電鏡和能譜分析等微觀分析以及巖電特征綜合分析，揭示研究區目的層段為一套富凝灰質的火山碎屑巖與正常砂泥巖互層的復雜巖性組合，其中凝灰質砂巖為有效儲層，為東海天然氣勘探開發開辟了新領域。本文探索出的一套PDC鉆頭鉆井條件下富凝灰質儲層巖性識別方法，對于缺少巖心情況下的毫米級鉆井巖屑復雜巖性識別具有一定的推廣意義。

1 研究區富凝灰質地層巖石學特征

東海西湖凹陷在上白堊統八角亭組鉆遇一套埋深約3 800～4 300 m的富凝灰質火山碎屑巖與正常砂泥巖互層的復雜巖性組合，目的層巖性可分為火山碎屑巖和火山碎屑沉積巖兩類，其中前者進一步分為凝灰巖、晶屑凝灰巖、晶屑－玻屑凝灰巖，后者主要為凝灰質砂巖。對于凝灰巖、晶屑凝灰巖、晶屑－玻屑凝灰巖，凝灰質含量一般大于50%，主要以火山玻璃和隱晶質基質的形式存在，其粒徑一般小于2 mm，且均可發生不同程度的蝕變。三者的區別主要在于晶屑的含量及產狀，其中凝灰巖含有少量的脫玻化作用形成的細小石英、長石顆粒，總體含量較低；晶屑凝灰巖的晶屑含量較高，可見粒徑較大的石英、長石晶屑；晶屑－玻屑凝灰巖的晶屑以半定向排列的柱狀長石為主。上述3種火山碎屑巖一般孔隙不發育，物性較差，為非儲層。

對于凝灰質砂巖，凝灰質含量一般為10%～50%，以凝灰質巖屑及基質兩種方式存在，碎屑組分主要為石英、長石及少量巖屑、云母等，多以泥質為雜基，以灰質、硅質和自生黏土礦物為膠結物，具明顯的碎屑結構，巖性特征與正常沉積巖有許多相似之處。凝灰質砂巖除發育少量原生孔隙外，還發育一定量的次生溶蝕孔隙及微裂縫，儲層物性相對較好，是研究區有效儲層。

由于研究區缺少巖心資料，且普遍使用PDC鉆頭，巖屑顆粒細碎，巖性識別面臨很大的困難，因此必須探索出一套毫米級鉆井巖屑富凝灰質儲層巖性識別方法。

2 凝灰質儲層巖性識別方法

2．1 巖屑挑樣

巖屑樣品的代表性是巖性鑒定分析工作的前提和基礎。在實際挑樣時，須先將取到的巖屑進行清洗。由于巖屑顆粒細小，清洗時只能通過緩慢漂洗而不能淘洗或者沖洗，以保證有足夠的巖屑樣品。巖屑清洗后須經過較長時間的自然晾干，也可進行適當的烘烤或吹風機吹干；然后放到不同目數的篩子上進行觀察挑樣。

巖屑挑樣最重要的是注意區分凝灰質砂巖巖屑和正常砂泥巖巖屑。根據研究區大量巖屑的觀察分析，正常砂巖的巖屑一般呈灰白色、淺灰色、灰黃色，顆粒感強，砂質較為純凈；正常泥巖的巖屑一般呈灰黑色、深灰色，且由于泥巖更容易被泥漿包裹而呈相對較大的塊狀或片狀；凝灰質巖屑一般具有兩種形態，一種為灰綠色細小鱗片狀，另一種為灰白色粉末狀［4－5］。通過顏色和產狀可以大致區分該井段是否含凝灰質。

2．2 巖屑薄片鑒定

薄片鑒定是巖性識別最重要的方法之一。通過對研究區46個巖屑薄片的觀察發現：凝灰質在鏡下多為長英質或中性、中酸性火山玻璃，并含有部分凝灰質巖屑及少量晶屑，而正常砂泥巖不含或含很少的火山玻璃；部分火山玻璃脫玻化作用強烈，可見脫玻化形成的石英、長石、黏土礦物等，而研究區正常的砂巖薄片一般為典型的碎屑結構，主要礦物為石英、長石，砂質較為純凈（圖1）。

在識別出凝灰質組分的基礎上，根據其含量可初步識別出凝灰巖、晶屑凝灰巖、凝灰質砂巖、含凝灰砂巖等巖性類型。

2．3 X－衍射分析

X－衍射分析是細粒級樣品（如黏土礦物）以及變化很大甚至面目全非的礦物非常有效的分析手段，通過X－衍射圖譜可以定量分析礦物的組分及含量。

圖1 研究區凝灰質層段巖屑薄片鑒定圖版Fig．1 Cuttings thin section identification plate of tuffaeous interval in the study area

表1 西湖凹陷D3HP井目的層X－衍射分析結果（14個樣品）Table 1 X－ray diffraction analysis of the study layer of Well D3HP in Xihu sag（14 samples）

表1為西湖凹陷D3HP井目的層段14個巖屑樣品的X－衍射分析結果，可以看出該層段巖石礦物組分以石英為主，含量近60%，表現出明顯的富硅質特點；其次為黏土礦物、斜長石、鉀長石、方解石，還含有少量的銳鈦礦、重晶石、鐵白云石等。這種巖石成分與國內外發現的富凝灰質儲層或露頭具有較好的相似性［6－10］。結合薄片鑒定成果，認為該層段巖性為典型的凝灰質砂巖。

X－衍射分析能夠通過識別巖石中的礦物成分定性判別凝灰質的存在，但凝灰質中含有非晶態火山玻璃，這些非晶態物質在X－衍射圖譜上沒有明顯的晶相衍射峰顯示，譜線基線會明顯偏高［8］。而正常砂巖的成分中主要為石英、長石等礦物晶體，因此每種礦物都會有相應的晶相衍射峰，而且譜線的基線也不會偏移。所以，具體區分石英晶體與非晶態火山玻璃還須借助其他手段，如掃描電鏡及能譜分析。

2．4 掃描電鏡及能譜分析

巖石與組成巖石的礦物在掃描電鏡下均呈一定形貌特征，據此可以研究巖石與礦物的組成、結構及成因，從而正確鑒定這些礦物。在形貌特征難以鑒定時，可以結合電子探針波譜和能譜儀來分析巖石或礦物的微成分，利用成分上的微弱差異準確鑒定礦物。

掃描電鏡除了對礦物的微晶能夠清晰分辨外，對介于晶態與非晶態之間的凝灰質、火山灰也可定性認識，對應能譜分析中會出現O、Si、Al、K、Fe等元素在一定范圍內組合，因此通過形貌與成分綜合分析可準確鑒定含凝灰質組分的半晶態物質。

通過對研究區5口井59個掃描電鏡樣品的觀察發現，部分礦物可見其典型形貌，如石英晶體的貝殼狀斷口，在能譜圖上也顯示SiO2對應元素的峰值（圖2）；而玻璃質組分沒有固定的形態，在能譜圖上顯示出明顯的富硅質特點（圖3）。通過該方法，能夠區分晶態的石英與非晶態的火山玻璃以及長石、方解石等其他礦物，進而準確鑒別巖性。

圖2 西湖凹陷W2井石英能譜分析結果（井深3 850 m）Fig．2 Quartz spectrum analysis results of Well W2in Xihu sag（depth：3 850 m）

圖3 西湖凹陷D3H井玻璃質能譜分析結果（井深4 188．3 m）Fig．3 Volcanic glass spectrum analysis results of Well D3Hin Xihu sag（depth：4 188．3 m）

3 巖性識別結果

通過巖屑薄片鑒定、X－衍射分析、掃描電鏡及能譜分析等實驗手段，對研究區正常砂巖和凝灰質砂巖的微觀鑒定特征進行了總結對比（表2），結果表明：薄片鑒定方法能相對直觀、準確地識別巖性，但無法確定各種礦物的相對含量；而X－衍射分析可以根據圖譜上的晶相峰顯示定量分析礦物的組分及含量；對于非晶態火山玻璃與石英晶體的區分，須借助掃描電鏡及能譜分析方法。

根據典型層段的巖性鑒定結果，結合電性特征，建立了研究區凝灰質砂巖的巖電關系（表3），由此可建立其他層段的巖性剖面。與正常的砂巖相比，研究區凝灰質砂巖具有自然伽馬中等偏低、密度中等、電阻率低、補償中子中等偏低、聲波時差中等的特點，與我國其他地區火山巖儲層測井響應特征相似［11－14］。

研究區D3H井試采證實了凝灰質砂巖為有效儲層，初期日產氣7萬～9萬m3（圖4），開辟了東海油氣勘探開發的新領域。綜合分析認為，凝灰質砂巖儲層在研究區廣泛分布，具有較大的資源潛力。

表2 研究區凝灰質砂巖與正常砂巖微觀鑒定特征Table 2 Identification characteristics of tuffaceous sandstone and normal sandstone in the study area

表3 研究區主要巖性測井響應特征Table 3 Logging features of the main lithology in the study area

圖4 西湖凹陷D3H井凝灰質砂巖層段綜合解釋成果圖Fig．4 Synthetic interpretation of tuffaceous sandstone interval in Well D3H，Xihu sag

4 結論

針對東海西湖凹陷某氣田PDC鉆頭鉆井條件下的毫米級巖屑，通過巖屑薄片鑒定、X－衍射分析、掃描電鏡及能譜分析等技術方法組合，彌補了常規地質錄井鑒定方法的不足，建立了富凝灰質儲層巖性識別方法；在此基礎上，結合電性特征分析，明確了研究區凝灰質砂巖儲層測井響應特征，為氣田評價提供了翔實的基礎資料，為后續的滾動勘探開發奠定了基礎。本文研究成果對于缺少鉆井取心情況下的復雜巖性識別提供了一種有借鑒價值的技術組合方法，具有一定的推廣意義。

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Lithology identification method of tuffaceous reservoir under PDC bit drilling condition

HUANG Daowu1HE Xianke1CHENG Junyang1ZHU Yixiu2
（1．Shanghai Branch of CNOOC Ltd．，Shanghai 200335，China；2．China University of Petroleum，Beijing102249，China）

Drilling cuttings of PDC bit are generally less than2 mm of diameter，which causes big challenge for lithology identification．Taking tuffaceous strata of Upper Cretaceous Bajiaoting Formation in a gas field in Xihu sag，the East China Sea as an example，the lithology identification method is established by combing cutting thin sections observation，X－ray diffraction analysis，scanning electron microscopy and energy dispersive spectrometer analysis，and 4 main lithology types are identified：tuff，crystal tuff，crystalglass tuff and tuffaceous sandstone，in which the tuffaceous sandstone reservoir has good properties．Combined with analysis of lithology and electrical properties，the logging response characteristics of tuffaceous sandstone reservoir in the study area are clarified．The effective tuffaceous sandstone reservoir is confirmed by production test，which opens a new area of natural gas exploration and development in the East China Sea．The lithology identification method of tuffaceous reservoir based on millimeter scale drilling cuttings provides a technical combination for the complex lithological identification without core and has certain popularization significance．

PDC bit；drill cuttings；tuffaceous reservoir；lithology identification；Xihu sag；East China Sea

TE142

A

黃導武，何賢科，程俊陽，等．PDC鉆頭鉆井條件下凝灰質儲層巖性識別方法［J］．中國海上油氣，2017，29（5）：56－61．

HUANG Daowu，HE Xianke，CHENG Junyang，et al．Lithology identification method of tuffaceous reservoir under PDC bit drilling condition［J］．China Offshore Oil and Gas，2017，29（5）：56－61．

1673－1506（2017）05－0056－06

10．11935／j．issn．1673－1506．2017．05．007

＊中國海洋石油總公司“十二五”科技重大項目“中國近海低孔低滲油氣藏勘探開發關鍵技術與實踐（編號：CNOOC－KJ 125 ZDXM07 LTD）”部分研究成果。

黃導武，男，高級工程師，1994年畢業于中國石油大學（北京），長期從事油氣田開發技術研究。地址：上海市長寧區通協路388號中海油大廈 A633室（郵編：200335）。E－mail：huangdw＠cnooc．com．cn。

2016－11－24 改回日期：2017－04－14

（編輯：張喜林）