渤海油田井場(chǎng)特殊巖性隨鉆識(shí)別方法研究

陳 靖

（中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術(shù)分公司，天津 300452）

近年來(lái)隨著油氣勘探程度不斷提高，“十三五”期間渤海油田轉(zhuǎn)變思路，勘探層系由淺層逐步向深層、超深層轉(zhuǎn)移[1]。在鉆探過(guò)程中出現(xiàn)了很多特殊巖性，包括太、元古界基巖，古生界碳酸鹽巖以及中、新生界火成巖、火山碎屑巖，其中由于火成巖、火山碎屑巖的巖石類別多，礦物成分、結(jié)構(gòu)、構(gòu)造復(fù)雜，隨鉆巖性識(shí)別尤為困難，加之鉆井提速工藝的發(fā)展，巖屑細(xì)碎，結(jié)構(gòu)構(gòu)造破壞嚴(yán)重，制約地層巖性剖面的正確建立，因此迫切需要建立一種快速、簡(jiǎn)便、有效地識(shí)別井場(chǎng)特殊巖性的方法。

為了解決上述難題，本文通過(guò)對(duì)常見(jiàn)特殊巖性深入研究，基于巖石學(xué)特征，依托專項(xiàng)錄井技術(shù)在識(shí)別特殊巖性方面所能發(fā)揮的作用，總結(jié)各種巖性的井場(chǎng)識(shí)別特征。應(yīng)用“宏觀特征+化學(xué)成分+微觀結(jié)構(gòu)”三級(jí)綜合方法對(duì)火成巖進(jìn)行識(shí)別和定名，從而提高隨鉆特殊巖性識(shí)別的準(zhǔn)確性，有效避免潛在鉆井工程風(fēng)險(xiǎn)，對(duì)于井場(chǎng)特殊巖性識(shí)別提供了有益借鑒，具有很好的應(yīng)用價(jià)值。

1 特殊巖性定義

在鉆井過(guò)程中，泛指除正常的砂泥巖之外，肉眼難以識(shí)別，需借助放大鏡、偏光顯微鏡仔細(xì)甄別其礦物成分，巖石結(jié)構(gòu)，構(gòu)造；利用相關(guān)錄井技術(shù)及化學(xué)藥品來(lái)識(shí)別的巖性，目前渤海油田常見(jiàn)的特殊巖性主要包括以下幾類。

（1）碳酸鹽巖：石灰?guī)r、白云巖。

（2）火成巖：花崗巖、輝綠巖、玄武巖、安山巖、流紋巖。

（3）火山碎屑巖：火山集塊、火山角礫巖、凝灰?guī)r、沉凝灰?guī)r。

（4）變質(zhì)巖：花崗片麻巖、石英片巖。

鑒于火成巖在形成過(guò)程中受巖漿成分、噴溢方式、噴發(fā)環(huán)境、成巖改造作用等多種因素的影響，具有巖石種類繁多、巖性復(fù)雜的特點(diǎn)，本文重點(diǎn)對(duì)火成巖及火山碎屑巖進(jìn)行研究，主要介紹玄武巖、安山巖、輝綠巖、凝灰?guī)r等井場(chǎng)常見(jiàn)特殊巖性的隨鉆識(shí)別方法。

2 井場(chǎng)隨鉆識(shí)別難點(diǎn)

火成巖的礦物成分多樣，部分礦物不易結(jié)晶，常具隱晶質(zhì)或玻璃質(zhì)結(jié)構(gòu)，通過(guò)肉眼加普通放大鏡觀察描述已經(jīng)很難精確定名。此外，受熱液作用、構(gòu)造運(yùn)動(dòng)等影響，大多數(shù)火成巖都會(huì)出現(xiàn)不同程度的蝕變，偏光顯微鏡下原巖結(jié)構(gòu)特征并不明顯，與標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)特征差別較大，給井場(chǎng)巖性鑒定帶來(lái)了一定的困難。加之目前渤海油田已經(jīng)全面推廣使用提速鉆具，由于此類鉆具相匹配的鉆頭結(jié)構(gòu)和破巖機(jī)理較為特殊，造成巖屑研磨極為細(xì)碎，具有代表性的大顆粒樣品挑選受限，進(jìn)一步增加了巖性隨鉆識(shí)別的難度。

3 巖石學(xué)特征

火成巖從基性到酸性，其礦物成分、結(jié)構(gòu)、構(gòu)造特征具有一定的規(guī)律性，通過(guò)這些特征可以區(qū)分巖石的類別，主要方法如下。

3.1 顏色和酸度指示礦物

火成巖中暗色礦物的含量，稱為巖石的色率。一般色率越高，巖石越偏基性；反之，則偏酸性。酸度指示礦物為橄欖石和石英，兩種礦物不同含量指示巖石沿不同方向變化[2]。

酸性巖類以石英、長(zhǎng)石、黑云母為主，酸性指示礦物石英較多，顏色較淺，色率為0～20%，多呈淺灰色、灰白色、淺綠色。

中性巖類以長(zhǎng)石、角閃石、輝石、黑云母為主，因而顏色變深，色率為20%～40%，常呈淺紫色、灰綠色、紅褐色。

基性巖類以長(zhǎng)石、輝石、橄欖石為主，顏色最深，色率為40%～60%，一般呈色調(diào)更深的深灰色、灰黑色，氧化后可呈紫紅色。

3.2 特征元素

不同類別火成巖的元素含量存在著明顯的區(qū)別，通過(guò)元素錄井測(cè)量的特征元素Na、K、Si、Mg、Fe、Ca 的含量同樣可以對(duì)火成巖類別進(jìn)行區(qū)分。

基性巖類SiO2含量為45%～52%，Al2O3含量可達(dá)14%以上，CaO 可達(dá)9%，MgO、FeO 多為10%左右，Na2O 和K2O 較少，僅占4%左右。

中性巖類SiO2含量為52%～65%，與基性巖相比，F(xiàn)eO、Fe2O、MgO、CaO 含量均比基性巖少；而Na2O 和K2O 含量明顯比基性巖多。

酸性巖類最突出的特點(diǎn)是SiO2含量高，一般超過(guò)65%，為硅酸過(guò)飽和巖石，F(xiàn)eO、Fe2O、MgO、CaO 含量低；而Na2O 和K2O 含量相對(duì)較高，平均為6%～8%。

3.3 暗色礦物

黑云母通常指示酸性，角閃石通常指示中性，輝石通常指示基性，橄欖石指示超基性。一般酸性巖類以黑云母為主，角閃石次之，輝石較少；中性巖類以角閃石為主，黑云母、輝石次之；基性巖類以輝石為主，角閃石次之；超基性巖中以橄欖石為主，輝石次之。

3.4 特征礦物組合

酸性巖類的特征礦物組合為石英、長(zhǎng)石；中性巖類的特征礦物組合為長(zhǎng)石、角閃石；基性巖類的特征礦物組合為輝石、長(zhǎng)石；超基性巖的特征礦物組合為橄欖石、輝石。

4 井場(chǎng)隨鉆識(shí)別方法

4.1 宏觀特征

此類特殊巖性多數(shù)較為堅(jiān)硬，可鉆性差，可以從巖屑外觀和工程參數(shù)兩個(gè)方面對(duì)其宏觀特征進(jìn)行識(shí)別。根據(jù)火成巖的巖相特征，玄武巖和安山巖屬于溢流相，凝灰?guī)r屬于爆發(fā)相，輝綠巖屬于侵入相[3]，受巖石結(jié)構(gòu)特征控制，每一種巖相的巖屑外觀都不同，因而其相對(duì)應(yīng)的工程參數(shù)也有所差異。

玄武巖和安山巖為噴出巖，由流動(dòng)性強(qiáng)的熔巖冷凝而成，因其強(qiáng)流動(dòng)性，常成片分布，可見(jiàn)氣孔構(gòu)造、杏仁狀構(gòu)造等。頂篩巖屑多數(shù)呈大小不一的塊狀，部分碎片狀，底篩巖屑細(xì)碎，呈“爐灰渣”狀，部分大塊巖屑可見(jiàn)氣孔，容易被硅質(zhì)、碳酸鹽、綠泥石等充填。

凝灰?guī)r為火山碎屑巖，是火山噴發(fā)后火山灰堆積固結(jié)成巖的產(chǎn)物，以火山碎屑為主，含少量陸源碎屑。頂篩巖屑顆粒細(xì)小，與泥巖相似，但是手感粗糙，底篩巖屑放大鏡下觀察大部分為細(xì)小的火山灰，成分混雜。

輝綠巖為侵入巖，是巖漿向地殼淺部侵入結(jié)晶形成，多呈巖株?duì)町a(chǎn)出[4]，礦物成分與玄武巖類似。頂篩巖屑多數(shù)呈塊狀，棱角明顯，底篩巖屑呈碎片狀，與玄武巖最大的區(qū)別是基本無(wú)氣孔構(gòu)造。

在明確巖屑外觀特征的基礎(chǔ)上，對(duì)工程參數(shù)進(jìn)行分析，為確保井間數(shù)據(jù)具有可比性，首選需要選取特殊巖性發(fā)育層位相近、鉆具組合和井眼尺寸相同的井。通過(guò)統(tǒng)計(jì)15 口215.9 mm 井眼應(yīng)用提速鉆具鉆遇特殊巖性的井，工程參數(shù)特征普遍表現(xiàn)為鉆壓增大，扭矩升高，鉆時(shí)變大，機(jī)械比能升高，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)鉆遇不同巖性時(shí)鉆井參數(shù)的變化（見(jiàn)表1），從巖相的角度總結(jié)確定各類巖性的工程參數(shù)錄井識(shí)別特征，總體表現(xiàn)為以凝灰?guī)r為代表的爆發(fā)相可鉆性最好，以玄武巖和安山巖為代表的溢流相次之，玄武巖和安山巖兩者之間工程參數(shù)響應(yīng)特征差別較小，以輝綠巖為代表的侵入相可鉆性最差。

表1 渤海油田火成巖工程參數(shù)平均值

4.2 化學(xué)成分

根據(jù)火成巖巖石化學(xué)成分及礦物組合，一般將火成巖劃分為基性巖、中性巖和酸性巖等[5]，組成火成巖的礦物元素種類雖然很多，但是主要集中于硅、鋁、鐵、鈣、鈉、鉀、鎂等12 種造巖元素，因此應(yīng)用X 射線熒光元素錄井可以對(duì)這些特殊巖性的化學(xué)成分進(jìn)行定量分析，為現(xiàn)場(chǎng)的巖性隨鉆識(shí)別提供可靠依據(jù)。

從基性巖到酸性巖，硅、鉀、鈉元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)呈現(xiàn)遞增規(guī)律，鐵、鎂、錳元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)呈現(xiàn)遞減規(guī)律，火山碎屑巖的特征元素含量主要取決于火山灰的原巖成分。因此可以利用以上這些元素進(jìn)行交會(huì)分析，建立不同巖性的區(qū)分圖版，將Si+K+Na 作為橫坐標(biāo)，指示淺色礦物，將Fe+Mg+Mn 作為縱坐標(biāo)，指示暗色礦物。通過(guò)投點(diǎn)可以看出，不同巖性的化學(xué)成分存在著明顯的區(qū)別，特征元素規(guī)律也有所不同。玄武巖淺色礦物含量一般為16%～20%，暗色礦物含量大于12%；安山巖淺色礦物含量一般為24%～27%，暗色礦物含量5%～6%；輝綠巖淺色礦物含量一般為20%左右，暗色礦物含量7%～10%；凝灰?guī)r淺色礦物含量一般為11%～13%，暗色礦物含量最低，為4%～5%（見(jiàn)圖1）。

圖1 渤海油田火成巖元素解釋圖版

4.3 微觀結(jié)構(gòu)

應(yīng)用宏觀特征+化學(xué)成分已經(jīng)可以初步將特殊巖性進(jìn)行判別，但是仍然需要結(jié)合具體的結(jié)構(gòu)特征才能實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確定名。由于這幾類巖性多為隱晶質(zhì)或玻璃質(zhì)結(jié)構(gòu)，因此需要運(yùn)用偏光顯微鏡在微觀的角度下識(shí)別礦物成分、巖石結(jié)構(gòu)和構(gòu)造。下面將這幾種特殊巖性的鏡下特征進(jìn)行具體介紹。

玄武巖：斑狀結(jié)構(gòu)，斑晶主要為基性斜長(zhǎng)石和輝石，輝石見(jiàn)綠泥石化現(xiàn)象?；|(zhì)主要由斜長(zhǎng)石板條組成，斜長(zhǎng)石格架內(nèi)分布瑰石和磁鐵礦。巖石內(nèi)見(jiàn)圓形杏仁體，被方解石充填（見(jiàn)圖2（a））。

圖2 特殊巖性偏光顯微鏡下特征

安山巖：斑狀結(jié)構(gòu)，斑晶主要為中性斜長(zhǎng)石和角閃石，長(zhǎng)石斑晶具輕微絹云母化現(xiàn)象，角閃石斑晶見(jiàn)雙晶，菱形解理；基質(zhì)具?；豢椊Y(jié)構(gòu)，成分主要為微晶斜長(zhǎng)石和玻璃質(zhì)，呈半定向-雜亂排列，玻璃質(zhì)有脫玻化現(xiàn)象（見(jiàn)圖2（b））。

凝灰?guī)r：主要由晶屑、凝灰級(jí)玻屑和火山灰組成，具凝灰結(jié)構(gòu)，未經(jīng)長(zhǎng)距離搬運(yùn)，碎屑磨圓程度差，且火山碎屑含量較高（見(jiàn)圖2（c））。

輝綠巖：主要礦物為板狀基性斜長(zhǎng)石，次要礦物為輝石，其中基性斜長(zhǎng)石可見(jiàn)黏土化，部分發(fā)生綠泥石化，輝石多發(fā)生綠泥石化，部分完全泥質(zhì)化，他形粒狀的大塊輝石充填于較自形的基性斜長(zhǎng)石板狀晶體組成的三角形空隙中，構(gòu)成輝綠結(jié)構(gòu)（見(jiàn)圖2（d））。

通過(guò)上述微觀結(jié)構(gòu)特征可以看出，凝灰?guī)r鏡下無(wú)明顯礦物成分，主要為火山灰，與其他三類巖性區(qū)別較大。玄武巖和安山巖鏡下特征相似，區(qū)別在于，玄武巖中細(xì)柱狀斜長(zhǎng)石微晶所構(gòu)成的不規(guī)則間隙中充填著玻璃質(zhì)或隱晶質(zhì)，安山巖中斜長(zhǎng)石微晶呈交織狀或半平行排列，玻璃質(zhì)及隱晶質(zhì)少見(jiàn)。輝綠巖中斜長(zhǎng)石和輝石顆粒大小相差不多，在互相交叉的斜長(zhǎng)石板狀晶體的空隙中，往往充填著輝石的他形顆粒。根據(jù)以上特征可以進(jìn)一步區(qū)分特殊巖性的類別。

5 結(jié)論

井場(chǎng)特殊巖性的隨鉆識(shí)別是一項(xiàng)綜合判斷的技術(shù)過(guò)程，應(yīng)用“宏觀特征+化學(xué)成分+微觀結(jié)構(gòu)”三級(jí)綜合方法可以由表及里的對(duì)巖性進(jìn)行全面的認(rèn)識(shí)。通過(guò)宏觀特征可以初步對(duì)特殊巖性的類別進(jìn)行劃分，在此基礎(chǔ)上，利用X 射線熒光元素錄井和井場(chǎng)薄片鑒定技術(shù)對(duì)巖石化學(xué)成分和結(jié)構(gòu)特征深入分析，三者之間相互補(bǔ)充、相互印證，從而實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確識(shí)別特殊巖性的目的，可為井場(chǎng)作業(yè)人員隨鉆識(shí)別特殊巖性提供較好的借鑒。但是由于成巖環(huán)境復(fù)雜，即便是相同巖性，其特征也不是一成不變的，當(dāng)經(jīng)過(guò)風(fēng)化或者蝕變后，巖石結(jié)構(gòu)、構(gòu)造都會(huì)發(fā)生變化，其結(jié)果必然造成識(shí)別特征的變化，因此該方法仍然存在一定的局限性，還需進(jìn)一步深入研究特殊巖性的隨鉆識(shí)別方法。