李 勇 徐 珂 張 輝 黃少英 尹國慶 王志民 曾昌民

（ 中國石油塔里木油田公司勘探開發(fā)研究院 ）

0 引言

當(dāng)前油氣資源開發(fā)不斷走向地球深部領(lǐng)域[1]，加快深層—超深層油氣勘探開發(fā)，對老油氣區(qū)擴(kuò)大儲量、穩(wěn)定產(chǎn)量、尋找新區(qū)拓展領(lǐng)域，以及保障國家能源安全具有重要意義[1-4]。中國深層—超深層油氣資源占全國油氣資源總量的34%[5]。

塔里木盆地是中國深層—超深層油氣資源勘探開發(fā)的重要區(qū)塊之一[6]，庫車坳陷白堊系砂巖儲層和臺盆區(qū)寒武系鹽下深層儲層，埋藏深度甚至超過8000m，如克深9氣藏、博孜8氣藏的埋深接近8000m，輪探1井在8200m以深獲得了高產(chǎn)工業(yè)油流。但隨著埋深越來越大，地質(zhì)條件愈加復(fù)雜，在深層—超深層油氣勘探開發(fā)和鉆完井工程施工方面面臨著巨大的挑戰(zhàn)。特別是超深層鉆井過程中頻發(fā)的鉆井復(fù)雜事故和面臨的井控安全風(fēng)險，說明深部巖體性質(zhì)可能完全異于淺部，深部處于高地應(yīng)力環(huán)境，聚集高強度能量。然而，深地鉆探中與油氣鉆探工程技術(shù)相關(guān)的特殊地質(zhì)因素研究，往往滯后于工程實踐活動，而深層特殊地質(zhì)體易變形失穩(wěn)，且伴隨高壓、高溫、高應(yīng)力聚集的高強度能量，導(dǎo)致重大災(zāi)害事故風(fēng)險高[7]。

目前，對這些潛在聚集高能量、大尺度碎裂化和含有毒有害氣體等特殊巖體的研究有限，對于鉆探工程的地質(zhì)因素分析主要集中在3個方面[8-9]：一是對地層巖性和層位信息的預(yù)測；二是對地層巖石力學(xué)和地應(yīng)力的評估；三是對地層孔隙壓力、坍塌壓裂和破裂壓力的預(yù)測。首先，這種工程地質(zhì)研究手段對造成鉆井工程復(fù)雜背后的地質(zhì)因素和理化機(jī)理研究，不能定量化確定鉆探工程面臨的安全風(fēng)險和鉆井難度；其次，不同層系，尤其是深部古老巖體和特殊巖體的綜合屬性對鉆井工程影響研究的缺失，導(dǎo)致超深層鉆井中復(fù)雜事故頻發(fā)，甚至面臨由于深層高強度能量釋放引起的重大災(zāi)難。

針對上述問題，本文系統(tǒng)分析了超深層鉆井的地質(zhì)因素，從地表、中淺層非目的層至超深儲層全層系，建立特殊地質(zhì)因素與鉆井工程之間的對應(yīng)關(guān)系，歸納總結(jié)為5種特殊地質(zhì)因素，即特殊地表、特殊巖體、特殊地質(zhì)行跡、特殊流體和特殊溫壓場，簡稱地質(zhì)“五特”。通過描述地質(zhì)“五特”的力學(xué)特征，形成了一套針對每種特殊地質(zhì)信息的研究與描述方法，以庫車坳陷和塔北隆起鉆探地質(zhì)工程設(shè)計和隨鉆應(yīng)用為例，證實了地質(zhì)“五特”理念與研究方法在實踐中的科學(xué)性和有效性。地質(zhì)“五特”的提出及成功應(yīng)用，解決了超深層油氣鉆探工程地質(zhì)參數(shù)定量預(yù)測和方案定量優(yōu)化難題，對中國西部和其他地區(qū)深層—超深層油氣勘探開發(fā)有著重要的指導(dǎo)意義。

1 “五特”形成的地質(zhì)背景

塔里木盆地具有“三隆四坳”的構(gòu)造格局，可劃分為塔北隆起、中央隆起、東南隆起、庫車坳陷、北部坳陷、西南坳陷、東南坳陷7個一級構(gòu)造單元（圖1a）。不同部位鉆遇的地質(zhì)因素不同，并且地質(zhì)“五特”的形成與盆地構(gòu)造演化旋回及其控制下的沉積地層密切相關(guān)。受全球超大陸離散和聚斂旋回控制，盆地發(fā)育三大伸展—擠壓構(gòu)造旋回。每個構(gòu)造旋回的拉張階段，早期發(fā)育火成巖及其相關(guān)的侵入體，晚期易于形成近源粗碎屑物質(zhì)沉積。而在擠壓階段，克拉通周緣易于形成沖斷帶和周緣前陸盆地，靠近造山帶一側(cè)往往形成磨拉石等快速沉積粗粒地層，而遠(yuǎn)離造山帶一側(cè)由于水體較深，往往容易沉積細(xì)粒地層[10-14]。

塔里木盆地不同地區(qū)勘探目的層不一樣，面臨的地質(zhì)“五特”情況也不相同。庫車坳陷目的層主要為白堊系，鉆探過程中會鉆遇特殊地表，如高大山體和高陡淺層地層；特殊巖體，如第四系巨厚礫石層、古近系—新近系巨厚膏鹽巖層和白堊系裂縫性砂巖地層；特殊地質(zhì)行跡，如斷層、裂縫帶；特殊流體，如高壓鹽水；特殊溫壓場，包括古近系鹽間地層壓力普遍高于鹽下白堊系地層壓力，中淺層碎屑巖油區(qū)因采油導(dǎo)致的壓力虧空和因注水導(dǎo)致的局部非穩(wěn)態(tài)超壓等，以及超深白堊系目地層的高溫、超高壓。同時若目的層為侏羅系，還可鉆遇特殊巖體，即侏羅系煤系地層（圖1b）。在臺盆區(qū)，由于目的層為奧陶系或更深層的震旦系—寒武系碳酸鹽巖地層，因此也面臨許多地質(zhì)“五特”問題。在特殊地表方面，應(yīng)先鉆穿沙漠或戈壁層；在特殊巖體方面，會鉆遇二疊系火成巖、石炭系碳酸鹽巖和膏泥巖、中—下奧陶統(tǒng)石灰?guī)r及震旦系—寒武系白云巖；在特殊地質(zhì)行跡方面，可能會鉆遇走滑斷裂破碎帶、碳酸鹽巖縫洞體和多期不整合面；在特殊流體方面，可能鉆遇硫化氫、二氧化碳及淺層非目的層油氣；在特殊溫壓場方面，可能會鉆遇深部定容縫洞體，導(dǎo)致壓力異常（圖1c）。這些地質(zhì)“五特”的存在均給鉆探帶來了巨大的挑戰(zhàn)，鉆井工程面臨巨大的風(fēng)險。

圖1 塔里木盆地構(gòu)造單元劃分和典型地質(zhì)結(jié)構(gòu)剖面Fig.1 Division of structural units and typical structural sections in Tarim Basin

2 地質(zhì)“五特”與鉆井工程的關(guān)聯(lián)

地質(zhì)“五特”與超深層鉆井井身結(jié)構(gòu)、井控安全和穩(wěn)定鉆井等工程屬性密切相關(guān)（表1）。特殊地表主要影響井口位置，其位置的調(diào)整會造成相應(yīng)井型、井眼軌跡的改變和優(yōu)化。特殊巖體、特殊地質(zhì)行跡主要影響井壁穩(wěn)定性，需要通過優(yōu)化鉆井液體系和物理封隔手段共同克服其帶來的難題。特殊溫壓場、特殊流體是井控安全最大的隱患，壓力異常層段相對獨立，受到相鄰層段坍塌、漏失壓力的影響，鉆井液在維持井壁穩(wěn)定性的同時還需平衡漏失和溢流之間的矛盾。

表1 地質(zhì)“五特”與鉆井工程的關(guān)聯(lián)性Table 1 Relationship between “five-special” geological characteristics and drilling engineering

特殊地表指不利于布置井點的位置，一般包括地質(zhì)地貌、環(huán)境系統(tǒng)、文物古跡、居民生活及工業(yè)生產(chǎn)活動等。一方面，復(fù)雜的地表將直接影響鉆井工程設(shè)計、作業(yè)和險情排除等；另一方面鉆井作業(yè)過程又可能對地表環(huán)境、水源、文物古跡等產(chǎn)生破壞性影響，同時一旦井場發(fā)生緊急情況，可能對周邊民居和設(shè)施造成毀滅性的災(zāi)難。

特殊巖體將直接影響鉆井速度、質(zhì)量和井控安全。鉆遇巨厚礫石、強研磨砂巖等高抗鉆巖體，直接導(dǎo)致鉆具機(jī)械鉆速下降，降低鉆井效率，大幅增加鉆井成本。在膏鹽巖、軟泥巖等高流變性巖體鉆進(jìn)，將導(dǎo)致井眼頻繁縮徑，產(chǎn)生蠕變性鉆井復(fù)雜，延誤鉆井周期。另外，如鉆遇裂縫性砂泥互層巖體、煤層及火成巖等含多弱面的高強度巖體，鉆進(jìn)中將頻繁發(fā)生垮塌和漏失等鉆井復(fù)雜，間接降低鉆井效率和增加成本。

特殊地質(zhì)行跡主要包括斷裂、裂縫、不整合面等地質(zhì)結(jié)構(gòu)面，由于其在力學(xué)行為上產(chǎn)生弱面效應(yīng)和強度各向異性，在鉆井過程中將直接降低漏失壓力，增大漏失風(fēng)險，同時將增加井壁失穩(wěn)風(fēng)險，造成鉆井復(fù)雜，導(dǎo)致鉆井周期和安全風(fēng)險增加。

特殊流體主要指異常高壓流體，鉆井工程直接井控安全風(fēng)險隱患來源于地層孔隙流體中賦存的壓力超過井底可控壓力，進(jìn)而引發(fā)地下流體外溢，最終導(dǎo)致嚴(yán)重井噴險情的地質(zhì)環(huán)境。因此特殊流體和特殊溫壓場與鉆井井控安全直接相關(guān)。其中特殊流體是引起井控安全風(fēng)險的基本條件，首先地下存在孔隙空間，當(dāng)賦存流體時，才有地層孔隙流體壓力的概念。特殊流體中還包含如硫化氫、二氧化碳等有毒有害物質(zhì)，可能對地面人員及地下鉆具造成嚴(yán)重?fù)p傷。

特殊溫壓場是指在地下特殊地質(zhì)環(huán)境下可能出現(xiàn)異常高或異常低的溫壓場，異常高壓可能直接導(dǎo)致地層流體發(fā)生溢流或井涌。另外，地下高溫環(huán)境將有可能導(dǎo)致井下動力鉆具、震擊器、減振器、軸承密封等工具儀器失效，導(dǎo)致鉆井事故。同時高壓也有可能使井壁產(chǎn)生附件熱應(yīng)力，從而間接加劇井壁失穩(wěn)趨勢。

3 地質(zhì)“五特”的力學(xué)特征

地質(zhì)體的力學(xué)行為始終圍繞在超深層油氣鉆探的全過程。地質(zhì)“五特”的力學(xué)機(jī)制對鉆探工程的安全、成本、質(zhì)量和效率均有深遠(yuǎn)的影響。

3.1 地質(zhì)體與力的關(guān)系

巖石是一種地質(zhì)產(chǎn)物，力學(xué)性質(zhì)是巖石的一種基本屬性；從地質(zhì)構(gòu)造形成演化角度，地質(zhì)構(gòu)造是地殼中的作用力達(dá)到或超過巖石強度極限或屈服極限，巖石發(fā)生構(gòu)造變形而形成的[15-16]。因此，地質(zhì)學(xué)中研究的各種地質(zhì)構(gòu)造現(xiàn)象，其形成與力之間存在著密切的依存關(guān)系。要研究地質(zhì)構(gòu)造的成因、形成機(jī)制，就要研究力在地殼中的分布規(guī)律，以及地質(zhì)構(gòu)造與作用力之間的幾何和空間關(guān)系。

如圖2所示，在構(gòu)造擠壓應(yīng)力作用下，地質(zhì)構(gòu)造形態(tài)及地應(yīng)力類型沿著擠壓應(yīng)力傳播方向規(guī)律變化。從南天山至臺盆區(qū)，橫向上擠壓應(yīng)力逐漸降低，形成一個傾斜的不穩(wěn)定面，而地應(yīng)力類型的過渡界面也與不穩(wěn)定面平行（圖2a）。地應(yīng)力控制構(gòu)造變形，因而構(gòu)造形態(tài)遵循地應(yīng)力的分布，橫向上，從南天山的高角度基底卷入構(gòu)造樣式逐漸過渡為低角度基底卷入構(gòu)造樣式，縱向上，再過渡為蓋層滑脫構(gòu)造樣式。這種源自南天山的擠壓應(yīng)力傳播到塔北隆起基本停止耗散，對塔北隆起的構(gòu)造基本不產(chǎn)生影響。由于地質(zhì)體的復(fù)雜性，比如庫車坳陷廣泛分布的鹽巖及縱向上擠壓應(yīng)力的不斷增加，實際不穩(wěn)定面和地應(yīng)力類型過渡界面會更為復(fù)雜（圖2b），但總體趨勢是不變的。

圖2 塔里木盆地天山山前—臺盆區(qū)地應(yīng)力類型分布機(jī)理Fig.2 Distribution of different types of in-situ stress in Tianshan piedmont-platform in Tarim Basin

3.2 特殊巖體的力學(xué)效應(yīng)

鉆探工程中的特殊巖體一般指對鉆井工程安全和效率有重要影響的礫巖、鹽巖、煤層、火成巖和碳酸鹽巖等。

礫巖的膠結(jié)程度和抗壓強度、抗張強度及抗剪強度一般較低。在外部載荷作用下易發(fā)生剪切、繞礫或穿礫破壞[17-18]。在鉆井過程中容易形成不規(guī)則的崩落橢圓，特別是大粒徑礫石發(fā)育區(qū)，裂縫優(yōu)先向附近礫石集中區(qū)域擴(kuò)展，初始擴(kuò)展路徑會發(fā)生改變，延伸距離遠(yuǎn)，影響范圍大[18]。

鹽巖屬于一種強度較低、變形較大的軟巖，其承載能力隨圍巖的增大而增大，強度受加載應(yīng)變速率的影響，加載的應(yīng)變速率增大，將使得鹽巖的脆性增加[19-20]。另外，鹽巖還具有明顯的蠕變特性，其蠕變率隨著時間的增長而持續(xù)降低，沒有穩(wěn)定的直線段，蠕變率與時間呈現(xiàn)良好的冪函數(shù)關(guān)系。當(dāng)鹽層發(fā)育時，導(dǎo)致地層力學(xué)特性差異，影響現(xiàn)今地應(yīng)力場狀態(tài)及壓裂縫延伸擴(kuò)展。

3.3 特殊地質(zhì)行跡的力學(xué)行為及其效應(yīng)

斷裂帶/裂縫帶等非連續(xù)體必然引起地層的強非均質(zhì)性。在外部載荷作用時，首先表現(xiàn)為應(yīng)力分布的不均一性，產(chǎn)生局部應(yīng)力[15]，其與非連續(xù)結(jié)構(gòu)面的耦合作用導(dǎo)致地應(yīng)力方向發(fā)生變化[21]。

一般非連續(xù)體的存在會干擾區(qū)域應(yīng)力狀態(tài)，造成局部應(yīng)力場與區(qū)域應(yīng)力場明顯差異[22-27]。非連續(xù)體在不同應(yīng)力狀態(tài)下的重復(fù)活動對鉆井安全也是巨大威脅。由于非連續(xù)體本身已不存在強度而只有摩擦阻力，所以降低了重新活動所需要的應(yīng)力[28]，增加了巖石的不穩(wěn)定性。

3.4 流體與溫壓場對地質(zhì)力學(xué)行為的影響

巖石一般是由巖石骨架和流動的孔隙流體組成[29]。地下深層溫度變化時，巖石復(fù)雜的組分和微細(xì)結(jié)構(gòu)也將隨之發(fā)生變化。由于巖石中的礦物顆粒熱膨脹系數(shù)不同，導(dǎo)致其熱脹冷縮程度差異較大，溫度變化將使巖石中礦物顆粒的力學(xué)性能發(fā)生改變，同時由于其熱力學(xué)效應(yīng)不一致，加之巖石內(nèi)部存在大量微裂紋、微孔洞等結(jié)構(gòu)，將導(dǎo)致巖石內(nèi)部應(yīng)力分布狀態(tài)的變化，并引起巖石微細(xì)結(jié)構(gòu)狀態(tài)的改變。當(dāng)溫度升高到一定程度，巖石的彈性模量等隨之升高，產(chǎn)生的熱應(yīng)力引起顆粒與顆粒邊界和顆粒與膠結(jié)物邊界的熱開裂、引起原有微裂紋的張開或閉合，以及導(dǎo)致巖石中礦物顆粒的破碎；另外，溫度還會引起孔隙流體黏度變化，從而影響飽和巖石的宏觀力學(xué)參數(shù)的變化[30]。

4 基于地質(zhì)“五特”的超深層安全快速鉆井技術(shù)

4.1 超深層碎屑巖安全快速鉆井技術(shù)

4.1.1 KS氣藏“五特”地質(zhì)特征

KS氣藏是庫車坳陷克拉蘇構(gòu)造帶典型的超深層裂縫性砂巖氣藏，位于克拉蘇構(gòu)造帶中東部，具有儲層埋藏深度大、淺部地層傾角高、發(fā)育巨厚膏鹽巖、孔隙度和滲透率低、溫度高、壓力高、應(yīng)力集中程度高的特點。

KS氣藏所處位置的地表發(fā)育喀桑托開背斜，北高南低、北陡南緩，為典型的“錯斷型”頂篷結(jié)構(gòu)。在頂篷構(gòu)造之下的古近系庫姆格列木群膏鹽巖大量聚集，形成巨厚的鹽體，具有強烈塑性流動特征，鹽下普遍發(fā)育擠壓強烈的逆沖疊瓦構(gòu)造[31]。KS氣藏的大多部位處于上盤斷層投影線以北，即位于上盤構(gòu)造的疊置區(qū)內(nèi)。KS氣藏普遍發(fā)育高角度天然裂縫，屬于超深層裂縫性氣藏，然而裂縫的發(fā)育極不均勻，特別在超深層復(fù)雜應(yīng)力條件下裂縫和油氣水等流體的交互關(guān)系更為復(fù)雜。

因此，KS氣藏的油氣鉆探工程具有極大的復(fù)雜性和挑戰(zhàn)性，可能存在以下風(fēng)險：一是地表為高大山體，這種“特殊地表”給井場布置、鉆井施工帶來困難；根據(jù)露頭和地震資料，KS構(gòu)造淺部發(fā)育一條逆沖斷層，巖性為古近系蘇維依組厚層狀褐色泥巖、含膏泥巖、膏質(zhì)泥巖，這種“特殊地質(zhì)行跡”容易引發(fā)井漏、溢流等復(fù)雜情況和卡鉆風(fēng)險。二是顯示存在淺層氣，需要注意井控風(fēng)險（圖3）。

圖3 庫車坳陷地質(zhì)“五特”示意圖Fig.3 Sketch map of “five-special” geological characteristics in Kuqa Depression

庫姆格列木群鹽巖段泥巖表現(xiàn)出欠壓實特征，普遍為高壓—超高壓，局部存在高壓鹽水層、漏層，為事故多發(fā)段，鉆進(jìn)過程中需注意溢流、井漏、縮徑卡鉆等工程風(fēng)險，同時需要注意調(diào)整鉆井液密度。膏鹽巖段發(fā)育薄層泥質(zhì)粉砂巖、粉砂質(zhì)泥巖，局部發(fā)育一套至多套白云巖，膏鹽巖段總體趨于正常壓實狀態(tài)，可能發(fā)育裂縫，具有溢流、井漏等風(fēng)險，為事故多發(fā)段。下泥巖段接近目的層，裂縫較發(fā)育，具有井漏、卡鉆等風(fēng)險?？傮w來說，庫姆格列木群風(fēng)險較多，鉆進(jìn)過程中需密切關(guān)注地層壓力變化，密切觀察泥巖巖屑形態(tài)變化，加強地質(zhì)卡層，及時調(diào)整鉆井液密度等鉆井參數(shù)，注意井漏、溢流、卡鉆等工程事故。

目的層白堊系巴什基奇克組裂縫發(fā)育，且為高壓系統(tǒng)（壓力系數(shù)約1.7），在鉆進(jìn)過程中要注意井壁穩(wěn)定性，注意防漏，及時調(diào)整鉆井液密度及鉆井參數(shù)，預(yù)防卡鉆、井漏、溢流等復(fù)雜情況。另外，KS氣藏現(xiàn)今地應(yīng)力高，應(yīng)力差大，最小水平主應(yīng)力為110～160MPa，水平應(yīng)力差為35～50MPa，無論在平面還是層間地應(yīng)力均有非常顯著的差異。

4.1.2 KS氣藏鉆井工程優(yōu)化

基于物性和地質(zhì)力學(xué)方法的儲層品質(zhì)評價表明，KS氣藏有利的優(yōu)勢區(qū)位于上盤構(gòu)造的疊置區(qū)內(nèi)。若采用直井的方式，則會鉆遇K1、K8等斷層，以及巨厚的鹽層，可能會給鉆井帶來一系列復(fù)雜工程難題和安全風(fēng)險。實踐證實，該氣藏3口井因鉆遇不同的地質(zhì)、工程復(fù)雜而報廢，氣藏勘探評價停滯不前。

通過地質(zhì)和地質(zhì)力學(xué)的研究發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)今地應(yīng)力低且水平應(yīng)力差小的位置為有利的儲層，是井位部署的甜點。另外，KS氣藏處于走滑型應(yīng)力機(jī)制（即最大水平主應(yīng)力＞垂向主應(yīng)力＞最小水平主應(yīng)力），井眼軌跡沿最大水平主應(yīng)力方向最為穩(wěn)定，因此，大斜度井或水平井相比直井更為穩(wěn)定。針對上述可能存在的風(fēng)險，大斜度井或水平井還具有繞障、目的層多穿裂縫的多重優(yōu)勢。

通過直井和大斜度井井壁穩(wěn)定性的數(shù)值模擬（圖4），可以看出在庫姆格列木群（鹽層）直井只有很窄的鉆井液安全密度窗口（鉆井液密度過低容易發(fā)生井壁垮塌，鉆井液密度過高則會發(fā)生鉆井液漏失），井壁穩(wěn)定性差，很不利于安全、快速鉆進(jìn)。而若設(shè)計為大斜度井，井口偏南，向北部造斜，不但能避免淺部斷層，所鉆遇鹽層厚度也較薄，而且鹽層的鉆井液安全密度窗口較寬（大于0.3g/cm3），井壁穩(wěn)定性較好，對安全、穩(wěn)定、快速鉆進(jìn)有積極作用。

圖4 模擬直井與大斜度井的井壁穩(wěn)定性分析（據(jù)文獻(xiàn)[32]）Fig.4 Wellbore stability analysis of simulated vertical well and highly deviated well (according to reference [32])

在充分考慮鉆井安全快速和完井獲得高產(chǎn)兩個方面因素，精細(xì)描述地質(zhì)“五特”特征后，提出了南移井位的部署思路及相應(yīng)的工程設(shè)計方案。從地質(zhì)力學(xué)分析可知，區(qū)域現(xiàn)今最大水平主應(yīng)力方位為北西—南東110°，白堊系儲層天然裂縫平均角度為75°，走向為北東—南西10°～30°。選定井點由西南向東北方向鉆探，實現(xiàn)3個目的：（1）能夠避開復(fù)雜地表，有利于井場布局，為鉆井復(fù)雜處理提供便利的井場條件；（2）避開淺層斷裂，有利于鉆井安全和井壁穩(wěn)定，實現(xiàn)快速鉆井；（3）既有利于目的層井壁穩(wěn)定，又能實現(xiàn)井眼垂直于天然裂縫面，有利于增大滲流面積。

實踐表明，大斜度井超7000m深度的鉆井周期為11個月，獲得日產(chǎn)74×104m3的天然氣產(chǎn)量；而直井約6400m深度的鉆井周期則超13個月，日產(chǎn)量約為20×104m3，進(jìn)一步證明了基于地質(zhì)“五特”研究的井眼軌跡優(yōu)化對鉆井提速、改造增產(chǎn)有直接的現(xiàn)實意義。

4.2 超深層碳酸鹽巖安全快速鉆井技術(shù)

4.2.1 富滿油田地質(zhì)“五特”概述

富滿油田橫跨塔里木盆地塔北隆起和北部坳陷，包含富源、躍滿、果勒、滿深、哈得、玉科等多個區(qū)塊。富滿油田地表以戈壁、沙漠為主，分布眾多河流和胡楊林帶，擁有大量的民居和國家基本農(nóng)田，且涉及較大面積的濕地公園等自然保護(hù)區(qū)（圖5）。

圖5 富滿油田地質(zhì)“五特”示意圖Fig.5 Sketch map of “five-special” geological characteristics in Fuman Oilfield

二疊系火成巖和奧陶系碳酸鹽巖儲蓋組合巖體極大地影響鉆井工程，容易造成鉆井液大量漏失，加之火成巖體構(gòu)造節(jié)理、天然裂縫發(fā)育，斷層活動使局部位置破裂嚴(yán)重，導(dǎo)致該巖體段鉆井過程中復(fù)雜事故較多。

該區(qū)特殊地質(zhì)行跡主要是走滑斷裂多期活動形成的斷裂破碎帶和裂縫帶。走滑斷裂是油氣富集的主控因素之一，是井位井眼軌跡布置的主體目標(biāo)[33]。由于區(qū)域地應(yīng)力場的作用，斷裂在平面上形成壓扭、張扭和拉分等不同分段特征?？v向上，走滑斷裂表現(xiàn)為陡峭的直立斷層或負(fù)花狀構(gòu)造，延伸層位從寒武系基底至二疊系不等，伴生大量次級斷裂或裂縫帶，同時產(chǎn)生大量的溶蝕孔洞或洞穴。大型走滑斷裂系統(tǒng)形成的特殊地質(zhì)行跡為該區(qū)域油氣成藏和高效勘探開發(fā)提供了有利條件，但同時也對鉆井安全提速提出了挑戰(zhàn)。

該區(qū)大部分油氣藏屬于正常溫壓系統(tǒng)，但少數(shù)已鉆井中也曾出現(xiàn)異常高壓情況，與油氣藏基本特征對比，出現(xiàn)較高地層壓力的油氣藏具有如下共同點：位于次級或分支斷裂，斷裂活動性較差；上部泥灰?guī)r蓋層厚度遠(yuǎn)大于正常壓力系統(tǒng)油氣藏蓋層厚度；斷控油氣藏儲集空間相對較??；油氣充注強度大，其可能伴隨較高地層溫度。

4.2.2 富滿油田鉆井工程優(yōu)化

由于特殊的地表環(huán)境與地下特征，井點選擇受諸多因素限制，鉆進(jìn)中出現(xiàn)了大量的鉆井液漏失、地層掉塊卡鉆、溢流等事故復(fù)雜，鉆井安全隱患大，鉆進(jìn)效率低，環(huán)境保護(hù)壓力大，一定程度上延誤了該區(qū)域勘探開發(fā)進(jìn)展。

以富滿油田果勒西區(qū)FⅠ5斷裂帶北部GL31井為例，鉆井工程主要面臨的困難包括：地表距離自然保護(hù)區(qū)較近，不滿足井場布局要求；直井段可能鉆遇二疊系火成巖斷裂發(fā)育帶，造成嚴(yán)重漏失；目的層段需要安全高效橫穿斷裂有效儲層區(qū)域。因此該井需要綜合考慮地質(zhì)“五特”因素，合理優(yōu)選井點，并合理優(yōu)化井眼軌跡和井身結(jié)構(gòu)。

首先由于鉆井靶點位于主干斷裂破碎帶內(nèi)，且鉆井軌跡將穿越斷裂帶（圖6），因此設(shè)計井眼軌跡時，整個井筒與斷裂帶距離較近（圖6b），但該斷裂帶縱向延伸距離較大，上部可能斷至二疊系，該層系火成巖段容易造成鉆井漏失和井壁失穩(wěn)。針對井位處特殊地質(zhì)行跡特征，為避免二疊系漏失，并確保目的層儲層有效鉆遇，提出了“設(shè)計水平井避開非目的層斷裂，高比例橫穿目的層有效儲層，從地質(zhì)設(shè)計源頭降低鉆井復(fù)雜風(fēng)險”的理念，同時將走滑斷裂研究與區(qū)域地質(zhì)力學(xué)建模相結(jié)合，兼顧優(yōu)質(zhì)儲層有效鉆遇和鉆井井壁穩(wěn)定兩個方面，優(yōu)化井位和井眼軌跡。優(yōu)化確定井口位置位于斷裂西側(cè)一定距離，確保直井段避開二疊系火成巖地層，靶點位置設(shè)置在斷裂帶內(nèi)優(yōu)質(zhì)儲層區(qū)域，井眼軌跡為SEE方向的水平井眼（圖6）。

圖6 富滿油田果勒西區(qū)斷裂分布及井眼軌跡優(yōu)化Fig.6 Fault distribution and well trajectory optimization in the western Guole block in Fuman Oilfield

實際鉆井中，根據(jù)該區(qū)域的地質(zhì)“五特”研究，首先明確了復(fù)雜集中段——二疊系火成巖地層井壁穩(wěn)定特征，預(yù)測該段漏失壓力梯度為1.28MPa/100m，坍塌壓力梯度為1.22MPa/100m，從而明確了復(fù)雜井段鉆井液安全密度窗口，保證安全穩(wěn)定鉆進(jìn)。然后根據(jù)奧陶系儲蓋組合巖體特征設(shè)計井眼軌跡，在桑塔木組(O3s)泥巖地層中上部造斜，保持5°/30m的狗腿度鉆至桑塔木組底部，井斜角逐步增至36°，持續(xù)鉆至距吐木休克組(O3t)底界5m左右，根據(jù)桑塔木組—吐木休克組易垮塌的特征，下入套管封固該段地層，隨后持續(xù)增斜至80°，保持該井斜角鉆至靶點完鉆。鉆進(jìn)中考慮到志留系至奧陶系吐木休克組可能存在層理、微裂縫等特殊地質(zhì)現(xiàn)象導(dǎo)致井壁垮塌，鉆井液中加入足量的封堵造壁材料，并保持斜井段足夠的攜巖及潤滑性能。在一間房組(O2y)裂縫性儲層鉆進(jìn)中，從保護(hù)儲層、預(yù)防硫化氫和井控安全角度，鉆井液中加入了除硫劑，并使用抗硫鉆具，鉆井液密度設(shè)計以孔隙壓力為上限，防止斷裂帶漏失引起次生事故。該井通過上述鉆井工藝和工具的組合應(yīng)用，解決了由于地質(zhì)“五特”引起的問題，安全完鉆的同時又高效率鉆遇有效儲層，實現(xiàn)了地質(zhì)目的，成為該斷裂帶第一口成功鉆遇并獲得高產(chǎn)的超深層碳酸鹽巖水平井。

5 結(jié)論

相比中淺層常規(guī)油氣，超深層油氣藏勘探開發(fā)的鉆探工程超過95%的進(jìn)尺均在非目的層，需要克服深山溝壑和荒漠戈壁等惡劣地表，以及鉆穿巨厚高抗鉆礫石層、高蠕變膏鹽層、強碎裂煤系層和火成巖層及強漏失的斷裂帶和弱泥質(zhì)夾層段，并時刻提防多套異常壓力系統(tǒng)造成的井控風(fēng)險。

通過地質(zhì)“五特”研究，明確影響工程安全和施工效率的本質(zhì)要素，從源頭上降低施工難度，最大限度“趨利避害”。該理念已經(jīng)廣泛應(yīng)用于塔里木油田的油氣鉆探工程，特別是超深層的鉆探，為其提供科學(xué)依據(jù)，對超深層復(fù)雜含油氣盆地的井位研究、鉆井工程、完井改造提供了新的思路。

（1）非目的層的地質(zhì)特征研究是超深層油氣勘探開發(fā)的一項重要工作，有必要當(dāng)作目的層一樣進(jìn)行精細(xì)研究。降低非目的層的鉆井風(fēng)險能對超深井鉆探產(chǎn)生明顯的提速效果，能直接加速勘探開發(fā)進(jìn)程。

（2）相比中淺層鉆探工程，井場地表狀況、淺部地質(zhì)行跡是地質(zhì)研究中不可忽略的環(huán)節(jié)，對超深層可能鉆遇的各類復(fù)雜巖性、地質(zhì)行跡、地層流體及溫壓狀態(tài)有必要做到及時且詳細(xì)的提示。

（3）通過系統(tǒng)梳理超深層鉆探工程相關(guān)特殊地質(zhì)因素，明確每類特殊因素的內(nèi)涵和地質(zhì)背景，闡述其對工程實施的潛在影響，厘定特殊地質(zhì)因素與鉆井工程之間的關(guān)聯(lián)性，為鉆井井控安全風(fēng)險降低和工程復(fù)雜消減奠定了基礎(chǔ)。

（4）地質(zhì)“五特”的研究和描述方法，促進(jìn)地質(zhì)工程一體化從理念過渡到實踐，突破了常規(guī)油氣勘探開發(fā)中地質(zhì)研究與工程實施之間存在的“條塊化”分割和“接力式”并行問題，從技術(shù)層面有效協(xié)調(diào)了地質(zhì)研究與工程實施之間的協(xié)同工作，將“地質(zhì)研究服務(wù)工程”與“工程實現(xiàn)地質(zhì)目的”有機(jī)統(tǒng)一。