發布時間：2022-03-19所屬分類：工程師職稱論文瀏覽：1次
摘 要： 摘 要: 松遼盆地科學鉆探工程是圍繞地球深部資源、古環境與古氣候等一系列重要地球科學問題而實施的重大科學工程。作為該工程的主體鉆孔, 松科二井東孔設計為松遼盆地最深鉆孔, 設計深度 6 400.0 m, 計劃穿透白堊系地層、鉆至盆地基底。由于上白堊統井段取心量非常少,
摘 要: 松遼盆地科學鉆探工程是圍繞地球深部資源、古環境與古氣候等一系列重要地球科學問題而實施的重大科學工程。作為該工程的主體鉆孔, 松科二井東孔設計為松遼盆地最深鉆孔, 設計深度 6 400.0 m, 計劃穿透白堊系地層、鉆至盆地基底。由于上白堊統井段取心量非常少, 因此地球物理測井的作用尤為重要。該孔正式開鉆后, 采用先進的成像測井設備對一開和二開鉆井井段(上白堊統井段)先后實施 4 次裸眼井綜合測井和套管井測井作業, 并系統地開展測井綜合評價, 取得以下科學成果: (1)原位獲取了常規測井、特殊測井和固井質量檢查測井資料共 20 種, 資料豐富、質量優良, 建立了上白堊統連續的巖石物理參數標準剖面; (2)完成了上白堊統地層劃分、巖性識別、沉積和構造精細解釋; (3)識別出泉頭組油氣儲層、嫩江組和青山口組烴源巖層、嫩江組高放射性異常層, 以及上白堊統地熱開發潛力層; (4)探索了青山口組古氣候分析的有利測井指標; (5)及時提供準確的井徑、鉆孔軌跡和固井質量等關鍵鉆探工程信息。研究成果對于松遼盆地地球物理勘探科學“標尺”建立、古環境與古氣候研究、鉆探工程施工起到至關重要的作用, 為整個鉆探工程科學目標的實現奠定良好基礎。
關鍵詞: 松遼盆地; 大陸科學鉆探工程; 松科二井東孔; 上白堊統地層; 地球物理測井
松遼盆地科學鉆探工程以調查松遼盆地深部能源、建立松遼盆地深部地層結構剖面、尋求白堊紀氣候變化地質證據、研發深部探測技術為主要目標, 是中國大陸獲得國際大陸科學鉆探計劃(ICDP) 資助的第 3 個國際大陸科學鉆探工程(Wang et al., 2013; 王璞珺等, 2017; 侯賀晟等, 2018)。該工程計劃實施“兩井四孔”, 其中松科二井東孔是鉆探的主體鉆孔, 位于黑龍江省安達市羊草鎮吉慶村六撮房屯東南約 0.25 km 處, 設計深度 6 400.0 m, 為松遼盆地最深鉆孔, 計劃穿透白堊系地層、鉆至盆地基底(鄒長春等, 2016; Zhu et al., 2018)。松科二井東孔鉆探工程的組織實施由中國地質科學院勘探技術研究所承擔, 采用吉林大學研制的“地殼一號”萬米科學鉆機鉆進(張金昌等, 2015; Sun et al., 2016)。
為實現松遼盆地科學鉆探工程的科學目標, 筆者借鑒國內外大陸科學鉆探及其地球物理測井的成熟經驗(許志琴, 1995, 2004; 李舟波和王祝文, 1998; 劉光鼎等, 1999; Pan et al., 2002; 牛一雄等, 2004, 2008; 李斌凱等, 2007; 王成善等, 2008; 鄒長春等, 2012; 聶昕等, 2012; 高文利等, 2015; 蘇德辰和楊經綏, 2016), 結合鉆孔實際情況確立松科二井東孔測井科學目標, 制定完善的測井計劃(鄒長春等, 2016)。松科二井東孔測井主要科學目標是: (1)為白堊紀陸相沉積學研究和地球物理勘探科學“標尺” 的建立提供完整、連續的巖石物理參數和井旁構造參數; (2)探索白堊紀距今 6 500 萬年至 1.4 億年間的地球溫室氣候和環境變化與測井信息之間的關系; (3)針對重點含油氣層位進行儲層劃分和油氣評價; (4)為鉆探施工提供技術參數支持; (5)為未來充分利用松科二井開展深部長期觀測與實驗研究提供必要的基礎資料。中國地質大學(北京)負責測井子工程的實施, 主要承擔測井作業監督與綜合研究任務; 中國石油集團測井有限公司天津分公司承擔測井數據采集、資料處理與初步解釋任務。
松科二井東孔上白堊統未進行全井段取心, 僅在嫩江組取心 130.87 m, 由于取心量非常少, 因此完備的測井資料和深入的測井研究尤為重要。該孔正式開鉆后, 采用國內外先進的成像測井設備對一開和二開鉆井井段(上白堊統井段)先后實施了 4 次裸眼井綜合測井和套管井測井作業。筆者圍繞該孔的測井科學目標, 針對上白堊統地層開展測井綜合評價。本文主要介紹上白堊統地層測井數據采集、巖石物理特征和測井綜合評價等方面的進展與科學成果。
1 測井數據采集與巖石物理參數剖面
1.1 測井數據采集
松科二井東孔按計劃分 5 個鉆井開次鉆進, 筆者根據鉆井計劃設計了 8 次裸眼井綜合測井和 5 次套管井固井質量檢查測井。上白堊統地層位于一開和二開鉆井井段范圍之內, 以鉆前地質設計和測井設計為基礎, 結合一開和二開鉆井的具體情況, 確定最終的數據采集方案。為確保測井資料的質量, 采用貝克阿特拉斯公司的 ECLIPS-5700、哈里伯頓公司的 EXCELL-2000 和斯侖貝謝公司的 MAXIS-500 等國內外先進的成像測井設備進行數據采集。松科二井東孔測井設計的具體情況參見鄒長春等(2016), 上白堊統井段測井實施情況如圖 1 所示。
一開鉆井井段采用 Φ444.5 mm 鉆頭鉆進成孔, 再用 Φ660.4 mm 鉆頭擴孔, 井徑大, 實施的測井項目較少。擴孔前完成裸眼井綜合測井項目 7 項, 包括自然電位、自然伽馬、陣列感應、井徑、井斜、井溫和泥漿電阻率, 測量深度為 18.0~441.0 m。擴孔后完成裸眼井測井項目 3 項, 包括自然伽馬、井徑和井斜, 測量深度為 18.0~429.0 m; 完成套管井測井項目 3 項, 包括自然伽馬、水泥膠結和套管接箍測井, 測量深度為 18.0~382.2 m。
二開鉆井井段采用直徑較小的鉆頭 (Φ215.9 mm)鉆進成孔, 再用 Φ444.5 mm 鉆頭擴孔, 實施的測井項目多。擴孔前完成裸眼井綜合測井項目 17 項, 其中常規項目 11 項, 包括自然電位、自然伽馬、井徑、雙側向、微球形聚焦電阻率、聲波時差、中子、密度、井斜、井溫和泥漿電阻率; 特殊項目 6 項, 包括陣列感應、陣列聲波、自然伽馬能譜、微電阻率掃描成像、核磁共振成像和元素俘獲譜, 測量深度為 424.5~2 826.5 m(核磁共振成像和元素俘獲譜測井僅采集 1 370.0 m 以下井段的數據)。擴孔后完成裸眼井測井項目 3 項, 包括自然伽馬、井徑和井斜, 測量深度為 423.6~2 806.2 m; 完成套管井測井項目 3 項, 包括自然伽馬、水泥膠結和套管接箍測井, 測量深度為 12.0~2 759.2 m。
上白堊統井段先后實施了 4 次裸眼井綜合測井和套管井測井作業, 完成常規測井、特殊測井和固圖 1 松科二井東孔上白堊統井段測井實施情況 Fig. 1 Progresses in logging operations over the Upper Cretaceous intervals, SK-2 East Borehole 井質量檢查測井項目共 20 種。測井數據采集過程嚴格執行測井行業規范, 雖然淺部井壁穩定性較差、井眼擴徑對測井資料造成一定影響, 但是總體上測井資料豐富、質量優良, 為后續的測井資料處理、解釋和地學研究奠定了基礎。
1.2 巖石物理參數剖面
巖石物理性質包括巖石密度、電、聲、磁、核、熱和力等特性。巖心分析測試是獲取巖石物理參數的最直接途徑, 但是鉆井取心和巖心分析測試成本高, 難以得到連續的巖石物理參數剖面。依靠測井手段, 可以在鉆孔剖面上原位獲取連續的巖石物理參數, 甚至包括地球化學參數和資料處理得到的地層參數。廣義上, 測井獲得的這些參數均被稱為巖石物理參數。
通過對松科二井東孔上白堊統井段的各種測井資料進行預處理、處理和解釋, 獲得了豐富的測井成果資料和圖件, 包括常規測井(標準、綜合和工程成果等)、微電阻率掃描成像(電成像測井解釋、地層構造和沉積處理成果)、陣列聲波(幅度、各向異性和巖石強度分析成果)、陣列感應、自然伽馬能譜、核磁共振成像和元素俘獲譜測井成果, 各類測井參數剖面有 28 條之多。圖 2 所示為上白堊統井段常規測井巖石物理參數剖面, 包含自然伽馬、自然電位、井徑、電阻率、聲波時差、密度和中子孔隙度等 7 條曲線, 這些曲線清楚地反映了上白堊統井段主要巖石物理特征, 為地面電法和地震等地球物理反演提供精確的地層電性和速度等參數。
由于松科二井東孔是松遼盆地內實施的最深孔, 上白堊統井段與下部井段測井參數結合, 將形成盆地內深度范圍最大、地層最完整的巖石物理參數剖面, 從而作為松遼盆地的標準剖面或科學“標尺”, 指導后續的地球物理勘探工作。
2 測井綜合評價與工程應用
綜合利用各種測井資料, 結合錄井和區域地質資料, 開展了基礎地質、礦產資源、古環境與古氣候、鉆探工程應用等方面的研究與探索。
2.1 基礎地質研究
2.1.1 地層劃分
根據松科二井東孔鉆探結果, 上白堊統自下而上依次為泉頭組、青山口組、姚家組、嫩江組、四方臺組和明水組, 發育一套陸相碎屑沉積巖層, 巖性總體上以砂巖、粉砂巖、泥巖和油頁巖等為主。
參考本區域地層的標志層和測井分層標志, 并詳細分析該孔錄井資料和自然伽馬、電阻率等測井響應特征, 對上白堊統地層進行了劃分。上白堊統地層總厚度為 2 509.7 m; 泉頭組頂底深度為 1671.7~2 533.5 m, 青山口組為 1 372.0~1 671.7 m, 姚家組為1 250.6~1 372.0 m, 嫩江組為439.8~1 250.6 m, 四方臺組為 247.8~439.8 m, 明水組為 23.8~247.8 m (圖 2)。泉頭組和嫩江組地層最厚, 青山口組、明水組和四方臺組次之, 姚家組地層最薄。
2.1.2 巖性識別與劃分
根據地層劃分結果和錄井資料, 選擇自然伽馬、自然電位、井徑和電阻率等測井曲線, 采用交會圖法識別各組地層的巖性, 完成各組地層巖性劃分, 并統計出各組不同巖性地層厚度和砂地比(表 1)。測井識別出三類巖性, 包括砂巖、泥巖和油頁巖; 巖性劃分結果顯示, 四方臺組和明水組砂地比高, 砂體發育; 嫩江組和泉頭組砂地比次之, 因地層厚度大, 累計砂巖厚度較厚; 姚家組砂體不發育; 青山口組則主要發育泥巖。此外, 嫩江組和青山口組分別發育 17.64 m 和 7.88 m 油頁巖。根據測井巖性評價結果建立的巖性剖面, 不僅與錄井巖性吻合較好, 而且具有縱向上連續、深度準確的優點。 2.1.3 沉積特征和井旁構造分析測井資料蘊含了豐富的地質信息, 因此, 利用測井資料可以研究沉積地層的沉積特征(沉積微相、層理構造和古水流方向等)和井旁構造特征。松遼盆地上白堊統地層發育于盆地的坳陷期和萎縮期, 隨著湖泊沉降中心的變化, 形成了以湖泊相分布為主, 伴有三角洲相和河流相的分布特征(劉招君等, 1992; Feng et al., 2010; 黃清華等, 2011)。
利用自然伽馬和電阻率等測井資料, 結合錄井資料, 開展了沉積微相劃分; 對微電阻率掃描成像測井資料進行沉積處理, 提取出不同深度的層理構造特征和古水流方向信息。結果顯示, 上白堊統地層相序上呈現出河流—三角洲—湖泊—三角洲—湖泊—三角洲—河流相的沉積充填序列; 識別出槽狀、板狀、波狀和平行層理; 古水流方向由南東向逐漸轉換為西向。泉頭組時期, 主要發育以邊灘、分流河道微相為主的曲流河—三角洲相沉積充填序列, 槽狀(圖 3a)、板狀層理發育(圖 3b), 古水流方向為北西—南東向(圖 4a); 青山口組時期, 沉積環境變為以濱淺湖微相為主的湖泊相沉積, 主要發育平行層理, 古水流方向轉為西—東向; 姚家組時期, 為以河漫灘、分流間灣微相為主的三角洲相, 層理不發育; 嫩江組時期, 沉積環境由早期濱淺湖微相為主的湖泊相轉為晚期以邊灘、河漫灘微相為主的河流相, 主要發育波狀層理, 古水流方向為東—西向。
通過微電阻率掃描成像測井資料的構造處理解釋, 提取了不同深度地層界面的產狀信息(李寧, 2017)。泉頭組地層傾角在 4°~8°之間, 傾向整體上為北西向(圖 4b); 青山口組上部地層傾角在 10°左右, 傾向近西向, 下部地層傾角減小到 6°, 傾向變化大; 姚家組地層傾角在 4°~8°之間, 傾向為西向; 嫩江組地層傾角在 2°~4°之間, 傾向為西偏南向。上白堊統地層傾角隨著深度增大而逐漸增大, 傾角從 2°增大至 8°; 傾向整體上為近北西向。
2.1.4 巖石力學性質及地應力分析
通過對陣列聲波測井資料處理, 提取出準確的 縱、橫波速度等信息, 結合密度和微電阻率掃描成像測井等資料, 計算原位地層巖石強度參數和地應力參數, 分析巖石力學性質、井壁穩定性及地應力特征(牛一雄等, 2004; Shen et al., 2010; Schmitt et al., 2012)。
結果表明, 測井估算的地層壓力系數為 0.84～ 1.05, 而本區域地層壓力系數一般為 0.88～1.00, 計算結果與區域規律基本一致, 本井段未見到異常高壓地層 ; 計算得到的理想鉆井液密度為 1.10 ～ 1.30 g/cm3 , 使用的實際鉆井液密度為 1.25 g/cm3 , 在 1 650.0 m 以上井段, 實際鉆井液密度偏小, 可能是造成井眼擴徑的原因之一; 地層速度各向異性特征顯著, 指示了地層應力不均衡的特點, 泉頭組地層最大水平主應力方向為北東東—南西西向、青山口組為北東東—南西西向、姚家組和嫩江組為近東—西向、嫩江組地層為近東—西向�？傮w上, 上白堊統地層的水平應力、垂向應力和巖石強度隨深度的加深而不斷地增大, 其井壁穩定性也隨深度的加深而趨于穩定。
總之, 在上白堊統井段巖心資料少的情況下, 測井提供了十分重要的地質信息。
2.2 礦產資源評價
2.2.1 烴源巖評價
根據錄井資料和測井巖性識別與劃分結果, 上白堊統青山口組和嫩江組烴源巖較發育, 青山口組底部 1 543.0~1 671.7 m 井段發育暗色泥巖和黑褐色油頁巖; 嫩江組底部 985.0~1 100.6 m 層段發育暗色泥巖, 1 139.1~1 149.3 m 層段發育黑褐色油頁巖。
本文來源于：《地球學報》是中國地質科學院主辦的地球科學綜合性學術期刊，1979年創刊。欄目設置包括綜述與進展、爭鳴與探討、研究與調查、技術與方法、快報與短文、地質遺跡與地質公園、信息與動態等。力求及時快捷地反映地球科學領域內的新理論、新成果、新發現、新方法、新進展。刊登地球科學各分支學科及邊緣學科基礎研究和應用研究方面具有較高水平和重要意義的學術論文。
針對上述地層, 利用常規測井、自然伽馬能譜和元素俘獲譜等多種測井資料, 采用多參數組合法、交會圖法、∆logR 重疊法、Dual_Vsh 法和決策樹模型等方法進行富含有機質烴源巖層的定性識別研究, 優選出∆logR 重疊法和 Dual_Vsh 法估算有機碳含量, 獲得上白堊統地層烴源巖評價結果(Zhang et al., 2018; 張小環, 2018)。青山口組和嫩江組底部烴源巖有機碳含量分別高達 7.56%和 9.04%, 具有較大的生烴能力, 為研究區的重要烴源巖(圖 5)。
2.2.2 油氣儲層評價
松科二井東孔緊鄰徐家圍子斷陷主要的生氣區, 鄰井測試結果顯示, 宋深 1、宋深 3 和宋深 4 井上白堊統泉頭組分布有氣層。利用常規測井和核磁共振成像測井等資料, 采用交會圖和孔隙度重疊法劃分油氣儲層, 采用巖石體積物理模型和阿爾奇公式計算儲層參數, 進而綜合評價上白堊統儲層及其含油氣情況, 并對儲層孔隙結構進行細致研究 (Zhao et al., 2017)。
上白堊統油氣儲層測井評價結果見表 2, 測井圖 5 松科二井東孔青山口組富含有機質烴源巖測井評價成果圖(1 610.0~1 672.0 m) Fig. 5 Results of log evaluation of the organic-rich source rocks in the Qingshankou Formation, SK-2 East Borehole (1 610.0~1 672.0 m) 解釋氣水同層 1 層, 水層 15 層, 干層 62 層; 儲層物性隨著埋深的增加而變差, 含油氣儲層較少。解釋的氣水同層位于泉頭組 1 930.8~1 936.3 m 井段 (圖 6), 厚度 5.5 m, 儲層電性高(15 Ω·m), 物性較好 (孔隙度為 16.32%, 滲透率為 48.61 mD), 氣測全烴達到 5.03%; 該層與鄰井氣層處于同一層位, 推測具有一定的產氣能力。
2.2.3 高放射性異常層分析
通過分析松科二井東孔上白堊統地層自然伽馬、自然伽馬能譜等測井資料 , 發現嫩江組 497.5~502.0 m 井段存在高放射性異常(圖 7)。該異常層的自然伽馬最高 182.0 API, 鈾含量 5.0×10–6~17.0×10–6, 釷含量 5.0×10–6~11.0×10–6, 鉀含量 1.9%~2.9%, 電阻率 3.0~11.0 Ω·m; 相對于圍巖層, 異常層的鈾含量明顯偏高。根據測井資料解釋結果, 該異常層巖性為粗砂巖, 具有較高的孔隙度和滲透率 , 孔隙度 19.0%~24.0%, 滲透率 59.0~261.0 mD, 屬于高鈾異常層(張淑霞等, 2017)。
結合前人地質研究成果, 對嫩江組高鈾異常層成因進行了分析, 初步認為構造條件和后生改造作用是導致異常層鈾富集的關鍵因素。高放射性異常層的發現, 為松遼盆地鈾資源勘探提供了重要線索, 同時表明測井對于及時發現放射性礦產資源能夠起到關鍵作用。
2.2.4 熱物性與地熱分析
地熱能是一種清潔可再生能源, 其資源潛力巨大, 有望成為接替傳統化石能源的新能源。我國正在加快地熱資源調查和開發利用研究, 松遼盆地是重點調查區之一。松科二井東孔一開和二開鉆井完鉆后采集了動態井溫測井曲線, 動態井溫受鉆井液影響大, 與停鉆時間關系密切。在三開鉆探結束、鉆孔靜置 41 天后, 進行了一次恢復井溫測井, 此時鉆孔內溫度基本恢復到平衡狀態, 測量結果接近原始地層溫度, 可用來計算地溫梯度。
利用常規測井、恢復井溫和自然伽馬能譜測井等資料, 建立了地溫梯度、地層熱導率、大地熱流、生熱率等地層熱物性參數評價方法。利用礦物體積含量、孔隙度、礦物熱導率和孔隙中流體熱導率等信息, 采用幾何平均模型來計算地層熱導率(Fuchs and Förster, 2014); 利用地層密度和放射性元素鈾、釷和鉀含量信息, 確定地層生熱率(Bachu and Burwash, 1991)。——論文作者：鄒長春 1, 2), 張小環 1, 2), 趙金環 1, 2), 彭 誠 1, 2), 張淑霞 1, 2), 李 寧 1, 2), 肖 亮 1, 2), 牛一雄 3), 丁娛嬌 4), 秦宇星 4), 林 峰 4)
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