渤海油田井场特殊岩性随钻识别方法研究

陈 靖

（中海油能源发展股份有限公司工程技术分公司，天津 300452）

近年来随着油气勘探程度不断提高，“十三五”期间渤海油田转变思路，勘探层系由浅层逐步向深层、超深层转移[1]。在钻探过程中出现了很多特殊岩性，包括太、元古界基岩，古生界碳酸盐岩以及中、新生界火成岩、火山碎屑岩，其中由于火成岩、火山碎屑岩的岩石类别多，矿物成分、结构、构造复杂，随钻岩性识别尤为困难，加之钻井提速工艺的发展，岩屑细碎，结构构造破坏严重，制约地层岩性剖面的正确建立，因此迫切需要建立一种快速、简便、有效地识别井场特殊岩性的方法。

为了解决上述难题，本文通过对常见特殊岩性深入研究，基于岩石学特征，依托专项录井技术在识别特殊岩性方面所能发挥的作用，总结各种岩性的井场识别特征。应用“宏观特征+化学成分+微观结构”三级综合方法对火成岩进行识别和定名，从而提高随钻特殊岩性识别的准确性，有效避免潜在钻井工程风险，对于井场特殊岩性识别提供了有益借鉴，具有很好的应用价值。

1 特殊岩性定义

在钻井过程中，泛指除正常的砂泥岩之外，肉眼难以识别，需借助放大镜、偏光显微镜仔细甄别其矿物成分，岩石结构，构造；利用相关录井技术及化学药品来识别的岩性，目前渤海油田常见的特殊岩性主要包括以下几类。

（1）碳酸盐岩：石灰岩、白云岩。

（2）火成岩：花岗岩、辉绿岩、玄武岩、安山岩、流纹岩。

（3）火山碎屑岩：火山集块、火山角砾岩、凝灰岩、沉凝灰岩。

（4）变质岩：花岗片麻岩、石英片岩。

鉴于火成岩在形成过程中受岩浆成分、喷溢方式、喷发环境、成岩改造作用等多种因素的影响，具有岩石种类繁多、岩性复杂的特点，本文重点对火成岩及火山碎屑岩进行研究，主要介绍玄武岩、安山岩、辉绿岩、凝灰岩等井场常见特殊岩性的随钻识别方法。

2 井场随钻识别难点

火成岩的矿物成分多样，部分矿物不易结晶，常具隐晶质或玻璃质结构，通过肉眼加普通放大镜观察描述已经很难精确定名。此外，受热液作用、构造运动等影响，大多数火成岩都会出现不同程度的蚀变，偏光显微镜下原岩结构特征并不明显，与标准结构特征差别较大，给井场岩性鉴定带来了一定的困难。加之目前渤海油田已经全面推广使用提速钻具，由于此类钻具相匹配的钻头结构和破岩机理较为特殊，造成岩屑研磨极为细碎，具有代表性的大颗粒样品挑选受限，进一步增加了岩性随钻识别的难度。

3 岩石学特征

火成岩从基性到酸性，其矿物成分、结构、构造特征具有一定的规律性，通过这些特征可以区分岩石的类别，主要方法如下。

3.1 颜色和酸度指示矿物

火成岩中暗色矿物的含量，称为岩石的色率。一般色率越高，岩石越偏基性；反之，则偏酸性。酸度指示矿物为橄榄石和石英，两种矿物不同含量指示岩石沿不同方向变化[2]。

酸性岩类以石英、长石、黑云母为主，酸性指示矿物石英较多，颜色较浅，色率为0～20%，多呈浅灰色、灰白色、浅绿色。

中性岩类以长石、角闪石、辉石、黑云母为主，因而颜色变深，色率为20%～40%，常呈浅紫色、灰绿色、红褐色。

基性岩类以长石、辉石、橄榄石为主，颜色最深，色率为40%～60%，一般呈色调更深的深灰色、灰黑色，氧化后可呈紫红色。

3.2 特征元素

不同类别火成岩的元素含量存在着明显的区别，通过元素录井测量的特征元素Na、K、Si、Mg、Fe、Ca 的含量同样可以对火成岩类别进行区分。

基性岩类SiO2含量为45%～52%，Al2O3含量可达14%以上，CaO 可达9%，MgO、FeO 多为10%左右，Na2O 和K2O 较少，仅占4%左右。

中性岩类SiO2含量为52%～65%，与基性岩相比，FeO、Fe2O、MgO、CaO 含量均比基性岩少；而Na2O 和K2O 含量明显比基性岩多。

酸性岩类最突出的特点是SiO2含量高，一般超过65%，为硅酸过饱和岩石，FeO、Fe2O、MgO、CaO 含量低；而Na2O 和K2O 含量相对较高，平均为6%～8%。

3.3 暗色矿物

黑云母通常指示酸性，角闪石通常指示中性，辉石通常指示基性，橄榄石指示超基性。一般酸性岩类以黑云母为主，角闪石次之，辉石较少；中性岩类以角闪石为主，黑云母、辉石次之；基性岩类以辉石为主，角闪石次之；超基性岩中以橄榄石为主，辉石次之。

3.4 特征矿物组合

酸性岩类的特征矿物组合为石英、长石；中性岩类的特征矿物组合为长石、角闪石；基性岩类的特征矿物组合为辉石、长石；超基性岩的特征矿物组合为橄榄石、辉石。

4 井场随钻识别方法

4.1 宏观特征

此类特殊岩性多数较为坚硬，可钻性差，可以从岩屑外观和工程参数两个方面对其宏观特征进行识别。根据火成岩的岩相特征，玄武岩和安山岩属于溢流相，凝灰岩属于爆发相，辉绿岩属于侵入相[3]，受岩石结构特征控制，每一种岩相的岩屑外观都不同，因而其相对应的工程参数也有所差异。

玄武岩和安山岩为喷出岩，由流动性强的熔岩冷凝而成，因其强流动性，常成片分布，可见气孔构造、杏仁状构造等。顶筛岩屑多数呈大小不一的块状，部分碎片状，底筛岩屑细碎，呈“炉灰渣”状，部分大块岩屑可见气孔，容易被硅质、碳酸盐、绿泥石等充填。

凝灰岩为火山碎屑岩，是火山喷发后火山灰堆积固结成岩的产物，以火山碎屑为主，含少量陆源碎屑。顶筛岩屑颗粒细小，与泥岩相似，但是手感粗糙，底筛岩屑放大镜下观察大部分为细小的火山灰，成分混杂。

辉绿岩为侵入岩，是岩浆向地壳浅部侵入结晶形成，多呈岩株状产出[4]，矿物成分与玄武岩类似。顶筛岩屑多数呈块状，棱角明显，底筛岩屑呈碎片状，与玄武岩最大的区别是基本无气孔构造。

在明确岩屑外观特征的基础上，对工程参数进行分析，为确保井间数据具有可比性，首选需要选取特殊岩性发育层位相近、钻具组合和井眼尺寸相同的井。通过统计15 口215.9 mm 井眼应用提速钻具钻遇特殊岩性的井，工程参数特征普遍表现为钻压增大，扭矩升高，钻时变大，机械比能升高，根据现场钻遇不同岩性时钻井参数的变化（见表1），从岩相的角度总结确定各类岩性的工程参数录井识别特征，总体表现为以凝灰岩为代表的爆发相可钻性最好，以玄武岩和安山岩为代表的溢流相次之，玄武岩和安山岩两者之间工程参数响应特征差别较小，以辉绿岩为代表的侵入相可钻性最差。

表1 渤海油田火成岩工程参数平均值

4.2 化学成分

根据火成岩岩石化学成分及矿物组合，一般将火成岩划分为基性岩、中性岩和酸性岩等[5]，组成火成岩的矿物元素种类虽然很多，但是主要集中于硅、铝、铁、钙、钠、钾、镁等12 种造岩元素，因此应用X 射线荧光元素录井可以对这些特殊岩性的化学成分进行定量分析，为现场的岩性随钻识别提供可靠依据。

从基性岩到酸性岩，硅、钾、钠元素的质量分数呈现递增规律，铁、镁、锰元素的质量分数呈现递减规律，火山碎屑岩的特征元素含量主要取决于火山灰的原岩成分。因此可以利用以上这些元素进行交会分析，建立不同岩性的区分图版，将Si+K+Na 作为横坐标，指示浅色矿物，将Fe+Mg+Mn 作为纵坐标，指示暗色矿物。通过投点可以看出，不同岩性的化学成分存在着明显的区别，特征元素规律也有所不同。玄武岩浅色矿物含量一般为16%～20%，暗色矿物含量大于12%；安山岩浅色矿物含量一般为24%～27%，暗色矿物含量5%～6%；辉绿岩浅色矿物含量一般为20%左右，暗色矿物含量7%～10%；凝灰岩浅色矿物含量一般为11%～13%，暗色矿物含量最低，为4%～5%（见图1）。

图1 渤海油田火成岩元素解释图版

4.3 微观结构

应用宏观特征+化学成分已经可以初步将特殊岩性进行判别，但是仍然需要结合具体的结构特征才能实现准确定名。由于这几类岩性多为隐晶质或玻璃质结构，因此需要运用偏光显微镜在微观的角度下识别矿物成分、岩石结构和构造。下面将这几种特殊岩性的镜下特征进行具体介绍。

玄武岩：斑状结构，斑晶主要为基性斜长石和辉石，辉石见绿泥石化现象。基质主要由斜长石板条组成，斜长石格架内分布瑰石和磁铁矿。岩石内见圆形杏仁体，被方解石充填（见图2（a））。

图2 特殊岩性偏光显微镜下特征

安山岩：斑状结构，斑晶主要为中性斜长石和角闪石，长石斑晶具轻微绢云母化现象，角闪石斑晶见双晶，菱形解理；基质具玻基交织结构，成分主要为微晶斜长石和玻璃质，呈半定向-杂乱排列，玻璃质有脱玻化现象（见图2（b））。

凝灰岩：主要由晶屑、凝灰级玻屑和火山灰组成，具凝灰结构，未经长距离搬运，碎屑磨圆程度差，且火山碎屑含量较高（见图2（c））。

辉绿岩：主要矿物为板状基性斜长石，次要矿物为辉石，其中基性斜长石可见黏土化，部分发生绿泥石化，辉石多发生绿泥石化，部分完全泥质化，他形粒状的大块辉石充填于较自形的基性斜长石板状晶体组成的三角形空隙中，构成辉绿结构（见图2（d））。

通过上述微观结构特征可以看出，凝灰岩镜下无明显矿物成分，主要为火山灰，与其他三类岩性区别较大。玄武岩和安山岩镜下特征相似，区别在于，玄武岩中细柱状斜长石微晶所构成的不规则间隙中充填着玻璃质或隐晶质，安山岩中斜长石微晶呈交织状或半平行排列，玻璃质及隐晶质少见。辉绿岩中斜长石和辉石颗粒大小相差不多，在互相交叉的斜长石板状晶体的空隙中，往往充填着辉石的他形颗粒。根据以上特征可以进一步区分特殊岩性的类别。

5 结论

井场特殊岩性的随钻识别是一项综合判断的技术过程，应用“宏观特征+化学成分+微观结构”三级综合方法可以由表及里的对岩性进行全面的认识。通过宏观特征可以初步对特殊岩性的类别进行划分，在此基础上，利用X 射线荧光元素录井和井场薄片鉴定技术对岩石化学成分和结构特征深入分析，三者之间相互补充、相互印证，从而实现准确识别特殊岩性的目的，可为井场作业人员随钻识别特殊岩性提供较好的借鉴。但是由于成岩环境复杂，即便是相同岩性，其特征也不是一成不变的，当经过风化或者蚀变后，岩石结构、构造都会发生变化，其结果必然造成识别特征的变化，因此该方法仍然存在一定的局限性，还需进一步深入研究特殊岩性的随钻识别方法。