大庆深层破碎带地质情况及评价方法研究

2020-02-24徐清

石油和化工设备 2020年2期

徐清

（大庆钻探工程公司钻井三公司，黑龙江大庆 163000）

随着大庆油田勘探开发力度的不断加大，松辽盆地北部深层火成岩地层成为勘探开发的重点。该类地层横向分布、非均质性强、微裂缝较发育、夹薄层碎屑岩，含大量破碎带，裂缝内半充填或全充填方解石及黏土矿物，地质结构较为复杂，漏失和井壁坍塌情况时有发生。为进一步解决该类地层因裂缝、破碎带引起的复杂问题，有必要对该类地层的井史资料进行全面、系统的剖析，通过资料研究，获悉裂缝破碎带等复杂层的分布情况、岩性及地质特点、裂缝发育情况等数据[1][2]。此外，现有的封堵评价设备，无法满足该类地层模拟评价的需求，还需建立适用于微裂缝地层的封堵评价方法，以便为后续进行井壁强化技术和防漏堵漏技术研究提供基础。

1 大庆深层复杂情况统计

2006年至2016年大庆钻探在松辽盆地北部深层共钻探116口深井，其中深层直井103口，深层水平井13口。从复杂事故类型、区块、层位等方面进行系统分析发现，发生复杂的深井主要在徐家围子断陷和安达断陷等地区，复杂层位集中于登娄库组、营城组和沙河子组。其中94口井均发生不同程度的井下复杂，占总井数的81%。

对汪深1-平1井等7口井的深部复杂情况及损失时间进行统计发现，复杂类型以坍塌和深部漏失为主，登娄库组复杂时率大于17%，徐深8平1井及徐深23井，营城组和火石岭组复杂时率高达20%以上，严重影响了施工进度。

2 大庆深层复杂地层岩性及地质特点

钻井过程中井眼稳定性与地层岩性及地质特点密切相关，通过收集复杂层位的取心资料，开展岩石矿物类型和特性、岩石孔隙结构及物性研究，从而对复杂层岩性及地质特点进行总结概括[3][4]。

本文主要对松辽盆地的升深、徐深、汪深和达深区块的登娄库组以下岩心进行了矿物组构分析，分析手段主要为X射线衍射分析、扫描电镜分析和铸体薄片分析，从而确定该类区块的矿物组成、孔隙度分布、裂缝和微裂缝发育情况。

2.1 X射线衍射分析

X射线衍射分析可以得到待分析地层的黏土矿物的绝对含量和相对含量。从分析结果可知，徐家围子断陷深层火成岩局部发育粘土矿物，其共生状态为：粒间共生次生石英与长石等斑晶；表面贴附伊利石和绿泥石；粒间孔隙中充填绿泥石等。以绿泥石和伊利石为主，含少量伊蒙混层。伊利石和绿泥石的水化程度较弱，仅有较少的层间水化和晶格膨胀，间层的粘土矿物吸水膨胀率低，容易造成层间散裂，导致井壁失稳。

2.2 扫描电子显微镜分析

扫描电子显微镜分析主要对矿物的形貌、组成、晶体结构等进行物理、化学性质分析，能够给出岩石孔隙系统中微粒的类型、大小、含量、共生关系等资料。通过扫描电子显微镜观察，火成岩颗粒排列紧密，大部分颗粒呈镶嵌状，颗粒表面及粒间生长次生石英，对升深203井等20余组岩样进行扫描电镜分析，结果表明，徐家围子断陷深层火山岩，岩性致密、坚硬、部分颗粒呈镶嵌状，孔隙发育差，连通性差，主要为裂隙孔，表面贴附伊利石。与X射线衍射分析所得的岩石情况一致。

2.3 铸体薄片分析

铸体薄片技术是岩相学分析常规技术之一，应用光学显微镜观察薄片，可以研究岩石颗粒之间接触关系、胶结类型、胶结物的结构及估计岩石的强度。

通过铸体薄片分析可知，徐家围子断陷深层火成岩呈斑状粗面结构、粒状结构、块状结构和凝灰结构，含少量粉砂岩和泥岩。粉砂岩：成分以石英、长石为主，泥质胶结，致密，分选中等，磨圆呈次棱角状，具泥质细纹，含泥砾及黄铁矿。泥岩：质不纯，含砂，胶结物为泥质，泥质与火山灰相混。镜下观察的22块样品中，20块存在线状或管状微裂缝，裂缝宽度范围在10～1200μm之间，形态不规则，长度不等。

2.4 裂缝发育情况分析

通过岩石组构分析，徐家围子断陷深层火山岩大多发育裂缝，储层类型多为孔隙和裂缝双介质。由于存在大量裂缝、微裂缝发育，钻井过程中易发生钻井液漏失现象。对于充填或部份充填的裂缝，充填物的强度与岩体的强度差别很大，当钻井液浸入，并与其中的粘土矿物发生作用，一方面由于泥质水化造成充填物本身强度降低，同时黏土的水化膨胀会造成应力集中，造成部分井段坍塌。火成岩以构造缝为主，成岩缝次之，溶蚀缝局部发育，构造缝主要发育在流纹岩、熔结凝灰岩和晶屑凝灰岩中，成岩缝以晶屑凝灰岩最为发育，其次是熔结凝灰岩、火山角砾岩和流纹岩。通过地面的岩心观察可以发现，裂缝宽度一般为0.1～1.0mm，小缝占80%左右。裂缝长度为3～160cm，平均15.46cm，长度在5～20cm范围内的裂缝占70%左右。因此火山岩裂缝发育程度较高。

3 微裂缝封堵评价方法的建立

目前，评价裂缝封堵效果的主要方法是砂床堵漏实验和不锈钢缝板堵漏实验，上述方法不能真实地模拟钻井液在微裂缝地层中的漏失过程，对堵漏材料的封堵效果评价也不理想。

3.1 封堵评价装置设计

为了更好地模拟微裂缝地层，设计了新型微裂缝封堵模拟装置，根据钻井液用高温高压失水仪的温度、压力控制原理，设计加工不锈钢岩心套（见图1a），使用超细水泥和微米级铝箔在水泥套中浇筑人工微裂缝（缝宽10～200μm可调），配合设计加工的泥浆杯（见图1b），可模拟地层岩心与钻井液的接触状态、模拟钻井液在岩心裂缝中的渗滤深度，通过模拟地层温度、压力，使评价方法更加接近地层的真实情况，实验装置示意图见图2。

图1 新型微裂缝封堵评价装置组件设计图

3.2 模拟裂缝微观观察

应用DSX500工业光学显微镜对天然岩心裂缝、传统钢板模拟裂缝和本文研制的模拟岩心裂缝进行微观对比观察，主要从裂缝的生长形态和裂缝剖面光滑度开展研究。其中图3对比了天然岩心裂缝、光滑钢板和本项目模拟岩心裂缝的生长状态。图4对比了三者在显微镜下放大100倍切面的光滑程度。

图3 裂缝生长形态对比

图4 裂缝切面光滑度对比

由图3对比可以看出，传统钢板模拟的裂缝缝宽不可调、裂缝走向单一，而模拟岩心裂缝可通过铝箔厚度调整缝宽，且裂缝走向蜿蜒，具有不规则的裂缝端面，与地层真实裂缝相似。由图4对比可以看出，裂缝切面被局部放大后，天然岩心表面粗糙、多孔隙，钢板表面光滑平整，可见极少量碳化点，而模拟岩心表面粗糙、多孔，可见不规则波纹生长，与天然岩心拟合度高。因此，本文设计的微裂缝封堵模拟装置能够更好地表征天然裂缝的形态。