测井资料在膏盐地层钻井工程中的应用

吴海燕，陆黄生，张元春

（中国石化石油工程技术研究院，北京100101）

测井资料在膏盐地层钻井工程中的应用

吴海燕，陆黄生，张元春

（中国石化石油工程技术研究院，北京100101）

膏盐层地层最大、最小水平主应力在盐岩含量高的地层中表现为较强的不均衡性，造成钻井施工过程中卡钻、井漏等事件时有发生。结合石膏、盐岩地层的沉积和地质特征，充分发挥钻井测井信息量大和连续测量、纵向分辨率高的优势，从地层岩石矿物分析、岩石力学参数计算、孔隙压力、破裂压力、地层应力评价等方法入手，分析测井资料在膏盐地层确定合理钻井液密度、性能、井身结构设计等方面的应用效果，拓宽测井在石油钻井工程中的应用领域。用于岩石力学参数实验的膏盐层钻井取心非常有限，建议适当增加膏盐层钻井取心。

测井评价；膏盐层；井壁稳定；井身结构；侵入特征；钻井工程

0 引 言

石油地质工程上常把含有石膏和盐岩的地层统称为膏盐层，二者虽均属于蒸发岩类，但在沉积环境、矿物成分、地质特征等方面均存在较大差异，因而对钻井工程的影响也不同。不少油田目标储集层通常处于膏盐层下面，要钻开油气层就必须先钻穿膏盐层。膏盐地层本身具有特殊的地质特性，在钻穿膏盐层过程中通常会发生卡钻、遇阻等复杂工况；盐岩易溶解，造成地层不稳定、井眼尺寸不规则［1］、下套管固井后套管变形或被挤毁等现象。测井资料大都应用于油气水层的判识，应用于油气井工程评价方面的较少。如何充分发挥测井信息量大、连续测量和纵向分辨率高的优势，提高测井资料在膏盐地层钻井工程中的应用效果，是油气井顺利钻达设计井深、完成油气勘探开发任务的关键。

1 膏盐地层钻井工程特征及难点

盐膏地层在工程上表现出常见的特征，一是盐膏层塑性流动，盐岩易溶解的特点造成地层不稳定，井眼不规则，钻井液性质及密度设计控制难度大，增加了钻井过程中的不确定因素；二是膏岩层的塑性蠕变，钻井过程中常造成缩径、卡钻，下套管施工困难、固井质量难以保证、较强的地层应力不均衡等造成套管变形和挤毁。

2 膏盐地层地质及测井响应特征

2.1 膏盐地层沉积地质特征

石膏（CaSO4·2 H2O）又称二水石膏、水石膏或软石膏，主要成分CaO为32.6%，SO3为46.5%，H2O为20.9%，属蒸发岩类。结构十分致密，孔隙率极低，化学成分上CaSO4为微溶甚至难溶物质，强度并不随溶液浸泡作用而降低［2］。

盐岩主要矿物为石盐（NaCl），并含少量其他盐类矿物。盐岩具有良好的蠕变特性、低渗透性及损伤自我愈合的特性［3］。研究证实，含高盐分泥岩夹层的盐岩的蠕变特性敏感，随着温度、应力的增高蠕变更加显著［3］。

温度越高，盐岩内部产生微裂纹的机会就越大，宏观上就表现为盐岩蠕变应变的增加，相应的蠕变率也增大［4］。

2.2 膏盐地层测井响应特征

石膏在测井曲线上的响应特征（见图1）表现在较纯净的石膏地层中自然伽马曲线低值（15 API左右），中子值在0～3 p.u.，纵波时差在50μs／ft左右（非法定计量单位，1 ft＝12 in＝0.304 8 m，下同），与碳酸盐岩最大的区别在于异常高的密度值，平均大于3 g／cm3，这也是有别于其他岩性的最大特征。电阻率分布范围较大，有高电阻率石膏，也有相对低电阻率石膏。

盐岩在测井曲线上的响应特征（见图2）表现在较纯净的盐岩地层中自然伽马曲线低值（15 API左右），部分盐岩地层也表现出较高的数值。中子值较石膏低，一般在－3 p.u.左右，纵波时差较石膏大，分布范围在64～70μs／ft之间，电阻率表现异常高值，经常会超出侧向电阻率仪器的探测范围。与碳酸盐岩及其他岩性最大的区别在于异常低的密度值和井眼扩径严重的现象。原因是盐岩地层易溶解，造成大井眼，影响了地层真实密度值。

图1 元坝4井石膏层测井响应特征图

图2 元坝102井盐岩层测井响应特征图

2.3 膏盐层岩性测井识别、解释

膏盐地层纵向上的矿物含量、分布规律、组合特征的解释与评价，对钻井工程中钻井液配制、井身结构、套管选型设计、固井方案优化等具有重要的指导作用。就膏盐地层沉积相分析可知，膏盐地层在一定区域范围内，纵向、横向分布相对稳定，因此，利用测井资料对膏盐地层段中的泥质、石膏、盐岩、碳酸盐岩等矿物含量进行精细解释、评价，对区块后续的钻井工程设计意义重大。

确定岩石矿物成分及其含量，就是确定岩石骨架的矿物成分及其体积占岩石体积的百分数。测井分辨能力一般只考虑岩石矿物成分1～2种，最多考虑6种矿物成分，其他忽略不计。

（1）利用自然伽马或自然伽马能谱资料中的去铀伽马曲线计算泥质含量Vsh。公式为

式中，Vsh为泥质含量；Vsh，1为相对泥质含量；Gmin为用来计算泥质含量曲线在纯岩石的测井值；Gmax为用来计算泥质含量的曲线在纯泥岩的测井值；Gsh为泥质指示测井曲线数值，主要为GR测井曲线等；GCUR为与地层有关的指数，新地层取3.7，老地层取2。

（2）矿物体积计算。对于含泥质双矿物岩石，复杂岩性分析程序CRA用式（3）进行泥质校正，校正到含水双矿物纯岩石模型，式（3）中的系数0.8可根据地区经验进行调整

式中，ρsh为泥质密度值；ρb为测井密度值；φN，sh为泥质补偿中子值；φN为测井补偿中子值；Δtsh为泥质声波时差值；Δt为测井声波时差值；φ为孔隙度；V1、V2分别为不同矿物百分含量。校正完后再用交会法计算矿物体积和孔隙度，计算出来的φ、V1、V2再乘以（1－0.8 Vsh），恢复到实际的含泥质双矿物地层的矿物体积和孔隙度。

根据岩心岩石物理实验分析数据及地区经验，利用其他测井资料，例如有效光电吸收截面指数Pe参与计算，提高计算精度。以元坝区块的嘉陵江组四段、五段含膏盐地层为例，建立了由砂岩、石灰岩、白云岩、砾岩、硬石膏、泥质、孔隙等组分组成的岩石体积模型，利用复杂岩性识别程序进行处理计算，计算中矿物骨架值选取见表1。

表1 元坝地区常规测井资料处理矿物骨架参数

用上述参数对元坝区块8口井海相碳酸盐岩地层的岩性进行了评价，按矿物含量将石膏含量大于50%解释为石膏层，石膏含量在25%～50%解释为膏质层，包括膏质灰岩和膏质白云岩，盐岩含量大于50%解释为盐岩层。统计结果表明，盐膏地层主要发育在三叠系雷口坡组、嘉陵江组、以及飞仙关组四段（飞四段）（见图3），累计厚度349.6～591.7 m之间，其中石膏层在嘉四－五段和嘉二段厚度最大，平均厚度分别为147.7 m和79.6 m。

元坝地区从井深4 760～5 300 m进入雷口坡组地层，平均地层厚度500～700 m，测井解释膏岩平均厚度为161.9 m，元坝3井膏岩厚度最大为253.6 m；从5 600～6 000 m进入嘉陵江组，平均地层厚度750～1 000 m，测井解释膏岩层平均厚度为235.6 m，其中元坝4井膏岩厚度最大为287.8 m；飞四段平均地层厚度60～70 m，测井解释膏岩层平均厚度为2.5 m。盐岩地层主要分布在嘉四－五段，盐层平均厚度为72.2 m，其中元坝12井盐岩厚度最大为204.5 m。统计表明，元坝地区膏盐层分布十分稳定，显示了较好的区域性展布特征。嘉陵江组（特别是嘉四－嘉五段地层）膏盐含量高，对泥浆的污染严重且井径不规则，在较高泥浆密度下易发生卡钻，所以防喷、防膏盐侵、防硫化氢是该段重点［5］。

图3 元坝地区膏盐地层层位及厚度统计图

3 膏盐地层岩石力学特性、地层应力、三压力剖面测井评价

通过对常规、多极子阵列声波测井资料处理，得到已钻井地层连续的泥质含量、矿物组分、孔隙度、纵波时差、横波时差等参数，利用相应计算模型，评价地层岩石力学特性、地层应力大小及地层孔隙压力、坍塌压力、破裂压力，为钻井设计提供依据。

3.1 岩石强度的计算

岩石强度是指岩石在载荷作用下开始破坏时承受的最大应力以及应力和破坏之间的关系，它反映了岩石承受各种载荷的特性以及岩石抵抗破坏的能力和破坏的规律。反映岩石强度特性的弹性参数主要有弹性模量、泊松比、抗压强度、抗拉强度和抗剪强度等。

目前，获取岩石力学参数的方法主要有岩心室内实测的方法和基于已建立的岩石强度与测井参数间的关系模型，利用测井资料连续计算井剖面岩石强度参数的方法。岩石力学实验是确定岩石力学参数最基本的、直接的方法，但岩心实验数据有限，数据离散，不能反映井剖面地层岩石强度的变化趋势。将岩石强度的实验研究与测井连续计算相结合，通常是获得对岩石强度剖面全面认识的重要途径。但对于盐膏地层钻井取心资料非常少，因此，目前只有沿用上下地层的计算模型［3］。

利用纵波和横波传播测井资料，联同体积密度测井可由式（4）至式（7）求得地层各动态弹性模量

式中，Δts、Δtc分别为地层横波和纵波时差，μs／ft；ρb为地层密度值，g／cm3；α为Biot系数。

鉴于现有的力学本构关系一般都是基于静态参数建立的，因此，在力学分析过程中，动态弹性模量必须转换为静态弹性模量。许多研究工作者已对动态和静态弹性模量进行了大量的对比研究，并建立了相应的转换关系，其总趋势是动态弹性摸量一般都远远高于静态弹性模量。由于泊松比本身变化范围小，因此，动静泊松比值的差异一般不大。

3.2 基于测井资料的地层应力估算与评价

基于测井资料的地层应力大小估算模型通常用Eaton模型［6］和斯伦贝谢模型［7］。

（1）Eaton模型。Eaton在1972年根据墨西哥湾等地区经验及测井方法实验研究的基础上，利用孔隙压力和其他几个参数（声波时差、钻井dc指数、电阻率）的幂指数关系而提出，这种关系并不随岩性或深度的变化而改变，只是其中的指数幂会随不同地区（不同地质沉积盆地）岩性、成岩作用的程度而变化。该方法依据的原理是压实观测参数的实际值和正常趋势值的比率与地层压力的关系是由上覆压力梯度的变化所决定的。基于声波测井资料的孔隙压力压力预测经验公式为

式中，Δt为声波纵波时差；p为孔隙压力；S为上覆岩层压力；D为埋藏深度。

（2）斯伦贝谢组合模型

式中，εH、εh分别为沿最大主应力方向与最小主应力方向构造应变系数；pφ为地层孔隙压力；H0为测井起始点深度；ρ0（h）为未测井段深度为h点的密度；ρ（h）为深度为h点的测井密度值；g为重力加速度。其中，获取εH、εh是开展地层应力剖面研究的关键。

通过多极子阵列声波测井资料提供的地层速度各向异性、声电成像测井及地层倾角测井提供的椭圆井眼及钻井诱导缝信息确定区块最大主应力方向。在元坝区块利用多极子阵列声波测井资料，经过相关软件处理得到地层速度各向异性的大小和方向（见图4），在膏岩地层，特别是盐岩发育的层段，地层速度各向异性非常明显，说明最大、最小水平主应力之间的差异明显，钻井井眼不规则，扩径明显。

在盐膏地层这类塑性流动地层，由于地层应力不均衡，套管承受的实际外挤力可能远大于上覆地层压力，因而一般高强度套管本身的强度很难抵御这样大的外挤力。因此，在盐膏地层井段采用加厚套管并作好强度校核是非常重要的。

4 应用实例

在新探区或新的层系进行油气钻探，针对邻井钻探的风险记录，由测井资料计算的岩石力学相关特征和模型得到地层的破裂压力、地层孔隙压力、最大和最小水平主应力和方向。通过相关的计算模型可以计算出最大钻井液密度、最小钻井液密度，有效指导钻井的泥浆密度设计，特别是解决窄泥浆窗口的难题，帮助安全、平稳地钻井，避免钻井过程中的井眼跨塌或对地层造成压裂的泥浆漏失［8］。

胜科1井设计井深7 000 m，目的是探索胜利油区东营凹陷孔二段有效烃源岩和孔一段储集层能力。该井在沙四段盐岩层为防止塑性膏盐岩的流变采用高密度钻井液，而进孔一段砂岩储层要进行泥浆调整以保护可能钻遇的油气层［9－10］，该井根据邻井声波和本井声波与VSP层速度预测底部待钻井段的孔隙压力。如图5所示，为了预测底部未钻地层的孔隙压力，除斯伦贝谢公司的偶极声波（DSI＋MSIP）测量外，还完成了三维VSP测井，目的是在已测量井段对比由偶极声波与VSP估算的孔隙压力的相关性，重点是预测未钻地层的孔隙压力。图5中共有4个道，从左第2道为VSP计算出的层速度；第3道是偶极声波测量的地层传播时差；第4道是由偶极声波和VSP估算的地层孔隙压力。从结果看二者吻合很好。在未钻地层4 160～5 660 m给出的预测压力曲线分析，在4 640～5 000 m和5 280～5 720 m存在2个异常的高压区，地层孔隙压力系数大于1.5，后经钻井证实，在4 660 m开始进入高压层，钻井液密度调整到1.78 g／cm3才维持平衡钻井，预测结果成功。

图4 元坝地区膏盐地层速度各向异性成果图

图5 胜科1井孔隙压力预测

5 认识和建议

（1）在膏盐地层中，地层最大、最小水平主应力在盐岩含量高的地层中表现为较强的不均衡性，造成钻井施工过程中卡钻、井漏等事件时有发生。利用已钻井测井资料，对地层矿物含量、地层应力、地层压力等进行评价，对区块邻井相同层位的钻井液、钻头选型、井身结构及固井方案设计具有重要指导作用。

（2）应用地层岩性、黏土与非黏土矿物种类和百分含量、密度、力学参数、组构、孔隙压力、破裂压力、地层应力、井径等资料来研讨潜在的井下复杂情况及预防措施，在优选泥浆类型、配方、性能及泥浆维护处理措施方面具有很好的发展前景。

（3）用于岩石力学参数实验的膏盐地层钻井取心非常有限，给膏盐地层岩石力学参数、地层应力、地层孔隙压力、破裂压力计算建模及评价带来的很大的局限性。为了提高该类地层岩石物理参数评价精度，拓宽其在石油工程中的应用范围，建议适当增加膏盐地层钻井取心。

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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

项目来源：中国石化科技部重大科研项目“测井资料在元坝地区钻井工程中的应用研究”（P10042）资助成果

吴海燕，女，高级工程师，从事测井资料解释及工程应用研究。

2011－08－02 本文编辑 李总南）