郇志鵬 胡劍風(fēng) 王志民 宋金鵬 莫 濤 郝祥保田盼盼 崔德育 楊敬博 李浩平 劉新宇 平忠偉

（ 1 中國石油塔里木油田公司勘探事業(yè)部；2 中國石油塔里木油田公司勘探開發(fā)研究院；3 中國石油塔里木油田公司克拉油氣開發(fā)部；4 中國石油塔里木油田公司資源勘查處 ）

0 引言

膏鹽巖是指在充足的鹽類物質(zhì)來源、封閉、穩(wěn)定沉降的構(gòu)造條件和干旱氣候條件下形成的蒸發(fā)巖[1]，主要由石膏、硬石膏、石鹽、鹽類物質(zhì)組成。資料顯示，膏鹽巖沉積盆地油氣資源量巨大，全球含膏鹽巖沉積盆地約占含工業(yè)油氣田沉積盆地的58%，卻控制著已探明油氣儲量的90%[2]。作為西氣東輸主力氣源地，塔里木盆地庫車坳陷克拉蘇氣田古近系發(fā)育巨厚膏鹽巖，蠕變性極強，鉆井過程中多出現(xiàn)縮徑卡鉆、高壓鹽水溢流與鹽間薄弱層井漏同出等復(fù)雜情況，嚴(yán)重威脅鉆井安全，制約鹽下目的層勘探開發(fā)進程。

目前，庫車坳陷古近系鉆探過程中，需要卡準(zhǔn)膏鹽巖底界并下技術(shù)套管封固全部膏鹽巖。由于古近系膏鹽巖層埋藏深、地層巖性復(fù)雜、蠕動壓力大，鹽下地層承壓能力差；受沉積、構(gòu)造擠壓影響，鹽層厚度變化大，井間可對比性差，鹽底缺乏統(tǒng)一綜合對比性標(biāo)志，導(dǎo)致膏鹽巖段底界卡層過程中，往往面臨“多打不行、少打不行”的難題：膏鹽巖段蠕變性強[3]、與鹽下地層壓力系數(shù)差異大，鉆揭過多易惡性井漏進而卡鉆；而受現(xiàn)有的井身結(jié)構(gòu)限制，缺乏備用套管，少打會造成漏封膏鹽巖層，在下部地層鉆探過程中鉆井液密度較低情況下，不能平衡地層壓力而造成極大安全隱患。而膏鹽巖層厚度分布變化大，在地震剖面上多表現(xiàn)為弱反射、雜亂反射或空白反射特征[4-5]，底界往往難以準(zhǔn)確預(yù)測；飽和鹽水鉆井液又使得氯離子分析受限制；鹽底泥巖與鹽間泥巖宏觀特征差別小，常規(guī)隨鉆判別是否鉆穿膏鹽巖層難度極大。為此，需要在沉積成因及演化規(guī)律等研究基礎(chǔ)上，對膏鹽巖底界進行精準(zhǔn)定量識別，實現(xiàn)從地質(zhì)研究出發(fā)解決工程難題、用工程手段驗證地質(zhì)認(rèn)識。

1 概況

庫車坳陷位于塔里木盆地北部，屬于南天山褶皺帶南緣再生前陸盆地[6-9]，內(nèi)部構(gòu)造南北分區(qū)、東西分段，地層上下分層。坳陷內(nèi)古近系庫姆格列木群（E1-2km）和新近系吉迪克組（N1j）發(fā)育巨厚膏鹽巖（圖1），埋藏超深，最深可達(dá)7000～8000m，厚約100～3000m，局部達(dá)4400m；庫姆格列木群內(nèi)部根據(jù)巖性組合分為上泥巖段、鹽巖段、中泥巖段、膏鹽巖段、下泥巖段。鹽巖致密、封蓋性強，垂向上與三疊系、侏羅系烴源巖和白堊系儲層形成了極佳的生—儲—蓋組合。巨厚膏鹽巖致密、塑性強、易流動、導(dǎo)熱性強，使鹽下地層溫度降低、壓力升高[10-11]，延緩了有機質(zhì)熱演化及壓實、膠結(jié)等成巖作用進程[9]，有利于儲層物性的保存及改善，也吸收了構(gòu)造應(yīng)力[12-13]，從而在強烈構(gòu)造擠壓下有效保存油氣藏[14]。

圖1 庫車坳陷構(gòu)造單元劃分及沉積序列Fig.1 Structure units and sedimentary sequence in Kuqa Depression

膏鹽巖獨特的物理性質(zhì)及分布特征給鹽底卡層帶來巨大挑戰(zhàn)。2010 年之前，對鹽層分布及鹽底泥巖特征認(rèn)識不清，卡層不準(zhǔn)導(dǎo)致的惡性事故頻發(fā)，卡層成功率僅有50%。據(jù)不完全統(tǒng)計，因鹽底卡層出現(xiàn)問題而導(dǎo)致的復(fù)雜、事故井共計15 口，累計損失周期845 天，費用達(dá)2.47 億元。2010 年以后，結(jié)合欠壓實理論，總結(jié)鹽底標(biāo)志性泥巖與鹽間泥巖的差異并定性區(qū)分，使鹽底卡層成功率提高至85%。但定性指標(biāo)過于依賴現(xiàn)場操作人員的經(jīng)驗，同時提速工具、鉆頭等手段進步使得以往的定性指標(biāo)不再適用，現(xiàn)場需要對鹽底泥巖進行定量識別，為精準(zhǔn)識別鹽底、安全快速鉆井提供理論支撐及技術(shù)保障。

2 古近系多鹽湖沉積模式

區(qū)域構(gòu)造研究表明，古新世時期，庫車坳陷處于伸展構(gòu)造環(huán)境下的斷坳型盆地演化階段[12]，氣候干熱，經(jīng)受多次來自西南部的大規(guī)模海侵[15-17]。根據(jù)白堊系殘余厚度恢復(fù)庫車坳陷古地貌顯示，坳陷地勢整體西低東高，局部存在次級洼地，隆洼相間；不同巖性段沉積時期，沉積中心平面頻繁遷移，洼地殘留海水蒸發(fā)濃縮，發(fā)育多期、多個鹽湖（圖2）。

實鉆120 余口井膏鹽巖層各巖性段平面分布及實鉆厚度對比結(jié)果表明，古新世早期，受古地貌限制，大北地區(qū)主要為鹽湖—潮坪環(huán)境[17-18]，沉積泥巖—膏巖—鹽巖巖性序列，鹽巖發(fā)育范圍局限、層?。▓D2a）；東北部受淡水?dāng)y帶的大量陸源碎屑和豐富的Ca2+、Mg2+等化學(xué)成分影響，發(fā)育扇三角洲相的陸源碎屑巖、碳酸鹽巖（圖2b）。之后海侵范圍擴大，湖盆由鹽灘、膏坪轉(zhuǎn)為寬緩潟湖，博孜、克深鹽湖群（鹽湖Ⅳ、Ⅴ和鹽湖Ⅵ、Ⅶ、Ⅷ）形成，平面沉積廣泛的膏鹽巖（圖2c），其上發(fā)育碳酸鹽巖（西部以石灰?guī)r為主，東部及古隆起邊部以白云巖為主）。此后，湖泊短暫淡化后再次大規(guī)模海侵，形成薄層碎屑巖夾鹽巖，上覆后期蒸發(fā)濃縮形成的厚層鹽巖（圖2d、e）。

整體上，庫車坳陷古近系庫姆格列木群沉積受古地貌控制，多期次、多鹽湖濃縮成鹽，呈現(xiàn)多套沉積旋回，完整巖性序列自下而上包括底砂巖—泥巖—膏巖—鹽巖—云下膏巖—白云巖—云上膏巖—泥巖，上覆厚層鹽巖；平面上，各鹽湖自中心至邊緣，鹽巖—膏巖—碳酸鹽巖（局部缺失）—砂泥巖依次呈環(huán)帶狀分布。根據(jù)鹽底巖性序列，平面上將庫車坳陷古近系鹽湖群劃分為8 個（圖2c），不同鹽湖之間、同一鹽湖內(nèi)不同位置，標(biāo)志性巖石組合差異較大。正常而言，自鹽湖邊緣至中心，陸源淡水影響逐漸減弱，巖性序列出現(xiàn)無鹽巖—薄層鹽巖—厚層鹽巖變化。其中，鹽湖Ⅳ、Ⅴ中心及鹽湖Ⅶ、Ⅷ鹽底的一套白云巖/石灰?guī)r下仍發(fā)育薄層鹽巖；鹽湖Ⅴ、Ⅷ等邊緣鹽底的一套白云巖/石灰?guī)r之下不發(fā)育鹽巖，鉆揭白云巖/石灰?guī)r后即可中完；鹽湖Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ中心巖性序列復(fù)雜，見兩套甚至多套白云巖/石灰?guī)r，下部發(fā)育數(shù)套鹽巖。同時，受局部多次海侵、構(gòu)造作用影響，正常、標(biāo)志性巖性組合易擾亂、重復(fù)，給現(xiàn)場判斷鹽底造成困擾。

圖2 庫車坳陷古近紀(jì)不同階段巖相古地理圖Fig.2 Lithofacies paleogeography in different period of the Paleogene in Kuqa Depression

3 鹽底泥巖判別定量指標(biāo)

庫車坳陷古近系卡取鹽底的關(guān)鍵在于及時、準(zhǔn)確識別鹽底泥巖。成因上，鹽底泥巖形成于古新世早期最大范圍的一次湖進，為成鹽前干旱氣候下淡水河流—湖相沉積產(chǎn)物，水體濃縮程度低，并且經(jīng)歷正常埋藏、成巖過程，方解石等鈣質(zhì)及云質(zhì)膠結(jié)物發(fā)育，硬度高、可鉆性差；而鹽間泥巖形成于鹽湖沉積期，石膏等蒸發(fā)礦物發(fā)育，欠壓實，成巖程度低、性軟，鉆時低。基于此，現(xiàn)場選取反映可鉆性的微鉆時、反映巖層硬度的泥巖切削系數(shù)、碳酸鹽含量，以及反映沉積時氣候、水體鹽度的Sr/Cu、P、Cl、Mg[19-21]等元素含量及比值，定量區(qū)別鹽間泥巖與鹽底泥巖。

3.1 微鉆時

微鉆時即鉆揭0.1m 地層所需要的時間。鹽底泥巖硬、脆，可鉆性差，鉆時較高，多在150min/m 左右（微鉆時多為5～12min/0.1m），巖屑呈片狀，可明顯觀察到泥巖的聚晶金剛石復(fù)合片鉆頭（PDC）切削面；而鹽間地層由于膏鹽巖沉積脫水、致密性、塑性、流動性、高熱導(dǎo)率等性質(zhì)，往往形成異常高壓[22]，導(dǎo)致巖石疏松，泥巖性軟，微鉆時多為0.8～2.5min/0.1m。而鹽層巖心顯示，鹽巖與泥巖多交互、混雜，之間存在巖性過渡段（圖3），導(dǎo)致微鉆時出現(xiàn)不均勻變化。為消除過渡段泥質(zhì)較高微鉆時對鹽底判斷的影響，結(jié)合現(xiàn)場實鉆經(jīng)驗，認(rèn)為控壓鉆進過程中，微鉆時連續(xù)10 個點為之前快鉆時的2～3 倍或連續(xù)5 個點達(dá)到快鉆時的3 倍以上，可判斷鉆揭鹽底泥巖。

圖3 庫車坳陷古近系鹽層巖性過渡段Fig.3 Lithologic transition section of the Paleogene salt layer in Kuqa Depression

3.2 泥巖切削系數(shù)

實踐發(fā)現(xiàn)，相同鉆頭類型條件下，鹽間泥巖巖屑塊大、厚；底板泥巖硬、脆，呈片狀、較彎曲。為消除鉆頭類型、鉆井參數(shù)及提速工具的影響，并進一步定量區(qū)分鹽間泥巖與鹽底泥巖，根據(jù)現(xiàn)場統(tǒng)計數(shù)據(jù)，提出泥巖切削系數(shù)L/H：其中H為鉆頭吃入地層深度（mm），L為巖屑寬度（mm）。當(dāng)L/H為1～3 時，為鹽間欠壓實泥巖；當(dāng)L/H＞3 時，判斷為鹽底泥巖（圖4）。

圖4 古近系鹽間泥巖與鹽底泥巖巖屑切削特征對比Fig.4 Comparison of cuttings feature between inter-salt mudstone and base-salt mudstone of the Paleogene

3.3 碳酸鹽含量

鹽底泥巖沉積時，陸源淡水注入的Ca2+、Mg2+等化學(xué)成分豐富。同時，樣品全巖X 射線衍射分析數(shù)據(jù)表明，鹽底泥巖黏土礦物含量約為24.5%，其中，綠泥石、伊/蒙混層含量分別為27%、16%，約為鹽間泥巖含量的兩倍（圖5）。成巖過程中，鹽底泥巖中的高嶺石和蒙脫石向伊利石、伊/蒙混層和綠泥石轉(zhuǎn)化程度高，形成的Ca2+、Mg2+、Fe2+及CO32-成分含量高[23-24]。

圖5 古近系鹽間泥巖與鹽底泥巖黏土礦物組成及含量Fig.5 Comparison of clay mineral composition and content between inter-salt mudstone and base-salt mudstone of the Paleogene

沉積、成巖過程中豐富的灰質(zhì)、云質(zhì)，導(dǎo)致鹽底泥巖中碳酸鹽總含量高（約占10%～20%），其中反映干旱環(huán)境的白云石膠結(jié)物含量相對較高（5%～15%）[25]。因此，鉆井過程中，巖屑中的碳酸鹽含量明顯升高（混樣碳酸鹽含量多為10%～20%，挑樣多為50%～70%），是識別鹽底泥巖的重要標(biāo)志。但由于庫車坳陷經(jīng)歷多次海侵、濃縮，部分地區(qū)發(fā)育多套灰/云質(zhì)巖（鹽湖Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ局部），僅依靠碳酸鹽含量判斷鹽底并不十分可靠。

3.4 元素含量及比值

近年來，在庫車坳陷鹽湖沉積演化規(guī)律研究的基礎(chǔ)上，現(xiàn)場應(yīng)用并推廣了元素錄井技術(shù)，使得鹽底泥巖識別準(zhǔn)確率大幅提升。受沉積時氣候、水體鹽度等控制，鹽間、鹽底等不同層位的泥巖單元素含量和元素比值等復(fù)合指標(biāo)差異明顯。鹽底泥巖沉積時，水體濃縮程度低，鹽度小，Cl 元素含量多在0.5%～1%，而Mg 元素含量多為1%～5%；鹽間泥巖Cl 元素含量多為1%～5%，Mg 元素含量整體分布范圍較鹽底泥巖略低。鉆井巖屑的元素錄井分析數(shù)據(jù)出現(xiàn)Cl 元素含量持續(xù)降低至1%以下、Mg 元素含量連續(xù)上升至2.5%以上、Mn 元素含量上升至0.13%以上，可判斷鉆遇鹽底泥巖。隨著沉積環(huán)境的漸變，不同元素含量變化趨勢一致但幅度各異，Mg/Cl、K/Cl、Mg/Ca 等元素比值可以更為明顯地體現(xiàn)其微小變化（圖6）。元素含量及比值與區(qū)域沉積環(huán)境相符，作為鹽底泥巖的識別依據(jù)準(zhǔn)確性高，尤其出現(xiàn)多套或缺失標(biāo)志層時具有獨特優(yōu)勢。

圖6 古近系鹽間與鹽下泥巖元素含量及比值交會圖版Fig.6 Cross plots of element contents and ratio between inter-salt mudstone and base-salt mudstone of the Paleogene

現(xiàn)場實際使用過程中，根據(jù)鉆時特征、巖屑切削特征、元素含量等各類定量指標(biāo)，分別建立各鹽湖鹽底泥巖卡層圖版，便于現(xiàn)場使用、綜合判斷（圖7）。部分井在鹽底界面卡取中，各類指標(biāo)互相矛盾、難以決策時，可采取更換小鉆頭鉆探工程導(dǎo)眼進行試探。

圖7 庫車坳陷古近系博孜鹽湖Ⅴ鹽底卡層圖版Fig.7 Discrimination plate of the Paleogene base salt rock in Bozi area in Kuqa Depression

4 鹽底卡層方法及操作流程

在沉積演化研究、成因分析及定量指標(biāo)建立的基礎(chǔ)上，結(jié)合現(xiàn)場工程技術(shù)措施，總結(jié)形成并逐步完善了鹽底卡層系列方法技術(shù)及標(biāo)準(zhǔn)操作流程。

（1）科研與生產(chǎn)相結(jié)合，厘定沉積模式。強化資料管理，熟悉區(qū)域地質(zhì)規(guī)律，建立本井鹽底卡層數(shù)據(jù)庫。了解鄰井膏鹽巖段使用的鉆井液密度、鉆遇的高壓鹽水層段等復(fù)雜狀況、鹽底巖性組合序列、鹽底中完流程、鉆揭下泥巖段厚度等相關(guān)資料，為本井鹽底中完卡層提供詳細(xì)的地質(zhì)、工程參考資料。同時根據(jù)鄰井實鉆鹽底及本井地震資料預(yù)測鹽底大致的深度范圍，結(jié)合本井位的古構(gòu)造位置，初步確定所處的鹽湖類型，分析經(jīng)歷的海侵等構(gòu)造活動，預(yù)判鹽底可能發(fā)育的巖性組合；由研究人員、地質(zhì)專家共同預(yù)測本井鹽底巖性組合及標(biāo)志特征，明確中完原則并制定詳細(xì)的工程方案，包括各類定量參數(shù)達(dá)到臨界值時的中完原則、可能出現(xiàn)的高壓鹽水層溢流等復(fù)雜的應(yīng)對措施等，及時進行現(xiàn)場地質(zhì)交底。

（2）地質(zhì)工程一體化，制定卡層方案。工程上，保持鉆頭類型、鉆壓、轉(zhuǎn)速等鉆井參數(shù)恒定，為鹽底卡層階段通過鉆時實時推測井底巖性提供條件。鉆時現(xiàn)場地質(zhì)人員根據(jù)不同的巖性序列組合進行精細(xì)地層對比，實時反饋井底最新的微鉆時數(shù)據(jù)、巖性及形狀特征、碳酸鹽含量及元素錄井等隨鉆定量數(shù)據(jù)；科研人員根據(jù)實鉆數(shù)據(jù)及時標(biāo)定、判斷井底層位，并與鄰井實鉆鹽底進行精細(xì)地層對比；現(xiàn)場技術(shù)專家及管理人員綜合各方資料，結(jié)合本區(qū)域鹽湖鹽底卡層圖版，分析各定量指標(biāo)特征，綜合判斷、確定鹽底位置，及時調(diào)整卡層方案。同時，與工程技術(shù)人員根據(jù)鉆井實況進行地質(zhì)風(fēng)險評估并制定針對性的風(fēng)險消減措施，確定地質(zhì)循環(huán)、起鉆甩Power-V 提速工具、更換小鉆頭鉆探工程導(dǎo)眼等關(guān)鍵時機。針對仍然存在疑問的井，通過電阻率測井開展井震聯(lián)合標(biāo)定和精細(xì)對比，最終確定鹽底。

（3）生產(chǎn)管理一體化，強化鹽底卡層過程管理及經(jīng)驗總結(jié)。庫車坳陷鹽底卡層直接影響工程安全甚至鉆井成敗，因此，各方人員均執(zhí)行最嚴(yán)格的選拔、管理標(biāo)準(zhǔn)。鉆井工程由人員技術(shù)過硬的甲級資質(zhì)隊伍實施，地質(zhì)錄井要求隊伍鹽層鉆進經(jīng)驗豐富，并通過日常教育、管理強化坐崗及異常預(yù)報制度，提高人員責(zé)任心。同時，在鹽底卡層階段，生產(chǎn)、科研及管理單位均選拔、派駐骨干技術(shù)人員全天候進駐作業(yè)現(xiàn)場，提前向關(guān)鍵崗位交底卡層原則，實時關(guān)注生產(chǎn)動態(tài)，及時判斷、匯報、決策。卡層過程中，現(xiàn)場技術(shù)人員實時匯報實鉆情況，技術(shù)專家共同研究討論、決策下步工程措施。卡層完成后，加強經(jīng)驗總結(jié)，收集相關(guān)的地質(zhì)認(rèn)識、技術(shù)措施及工程手段并形成文字材料，強化理論認(rèn)識、提升技術(shù)及管理水平。2018 年以來，總結(jié)歷年卡層地質(zhì)認(rèn)識、管理經(jīng)驗及相關(guān)典型案例，組織編寫形成《庫車坳陷鹽底卡層手冊》，指導(dǎo)現(xiàn)場實踐。

5 應(yīng)用效果

博孜902 井是部署在博孜9 構(gòu)造東高點、位于鹽湖Ⅰ內(nèi)的一口評價井，與鄰井地層可對比性差，鹽底組合模式存在不確定性。同時，鉆進過程中排量較低、井深接近8000m，遲到時間約為7～8h，井筒內(nèi)巖屑較多；鉆井液密度為2.38g/cm3，揭開鹽底泥巖過多極有可能發(fā)生惡性漏失，卡層操作難度大。鹽底卡層過程中，結(jié)合圖版，實時分析各項定量指標(biāo)的變化情況：鉆時從70～90min/m（慢鉆時為石膏）降至30～50min/m，微鉆時從6～15min/0.1m 降至2～5min/0.1m，懷疑巖性發(fā)生變化，及時開展地質(zhì)循環(huán)；上返巖屑中，泥巖形態(tài)偏碎、細(xì)??；碳酸鹽含量相對較低，約為3%～5%，而區(qū)域碳酸鹽含量為10%～14%；Cl 元素含量連續(xù)降低至0.2%～0.3%，明顯區(qū)別于中泥巖段，綜合判斷鉆揭鹽底泥巖而及時中完。最終證實鹽底泥巖鉆揭1.4m，實現(xiàn)精確卡層。

自2018 年至今，總結(jié)形成庫車坳陷古近系鹽底中完卡層配套技術(shù)和管理辦法，在克深、大北、博孜等地區(qū)新開鉆的31 口探井中推廣應(yīng)用，準(zhǔn)確識別了中秋1、博孜9 等井鹽底泥巖，鹽底卡層成功率得以大幅提升并連年保持在100%，標(biāo)志著多年來困擾、制約庫車山前超深井安全、快速鉆進的地質(zhì)難題被徹底攻克[26]。實踐中，配套技術(shù)和管理辦法逐步豐富、完善，助推了克拉蘇萬億立方米大氣田勘探突破及快速建產(chǎn)[26-28]，累計節(jié)約周期約269 天、節(jié)約費用7680 余萬元，為庫車山前超深層天然氣生產(chǎn)基地和塔里木油田3000×104t 大油氣田建設(shè)提供了堅實的技術(shù)保障。

6 結(jié)論

（1）庫車坳陷古近系沉積受構(gòu)造運動、古氣候、古地貌多因素控制，垂向上多期次濃縮成巖，發(fā)育多套沉積旋回；平面上，先后發(fā)育大北（鹽湖Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ）、博孜（鹽湖Ⅳ、Ⅴ）、克深（Ⅵ、Ⅶ、Ⅷ）等8 個鹽湖群。不同位置的鹽湖群鹽底呈一套白云巖/石灰?guī)r（下部發(fā)育薄層鹽巖或不發(fā)育鹽巖）或兩套甚至多套白云巖/石灰?guī)r（下部發(fā)育數(shù)套鹽巖）等巖性序列，現(xiàn)場卡層需要分別采取針對性技術(shù)措施。

（2）受氣候、水體等沉積環(huán)境影響，鹽間泥巖與鹽底泥巖成分元素、礦物等含量差異明顯。在理論研究基礎(chǔ)上，優(yōu)選微鉆時、泥巖切削系數(shù)、碳酸鹽含量、元素含量及比值等定量特征指標(biāo)，可準(zhǔn)確、快速區(qū)別鹽間泥巖與鹽底泥巖。

（3）地質(zhì)工程一體化理念指導(dǎo)下形成的鹽底卡層系列定量指標(biāo)，在庫車坳陷古近系應(yīng)用效果良好；現(xiàn)場實踐中配套形成的鹽底卡層操作流程及相應(yīng)管理辦法，為克深、博孜—大北等克拉蘇超深天然氣田安全快速鉆井、高效建產(chǎn)提供了堅實的技術(shù)支撐。