摘 要: 松辽盆地科学钻探工程是围绕地球深部资源、古环境与古气候等一系列重要地球科学问题而实施的重大科学工程。作为该工程的主体钻孔, 松科二井东孔设计为松辽盆地最深钻孔, 设计深度 6 400.0 m, 计划穿透白垩系地层、钻至盆地基底。由于上白垩统井段取心量非常少, 因此地球物理测井的作用尤为重要。该孔正式开钻后, 采用先进的成像测井设备对一开和二开钻井井段(上白垩统井段)先后实施 4 次裸眼井综合测井和套管井测井作业, 并系统地开展测井综合评价, 取得以下科学成果: (1)原位获取了常规测井、特殊测井和固井质量检查测井资料共 20 种, 资料丰富、质量优良, 建立了上白垩统连续的岩石物理参数标准剖面; (2)完成了上白垩统地层划分、岩性识别、沉积和构造精细解释; (3)识别出泉头组油气储层、嫩江组和青山口组烃源岩层、嫩江组高放射性异常层, 以及上白垩统地热开发潜力层; (4)探索了青山口组古气候分析的有利测井指标; (5)及时提供准确的井径、钻孔轨迹和固井质量等关键钻探工程信息。研究成果对于松辽盆地地球物理勘探科学“标尺”建立、古环境与古气候研究、钻探工程施工起到至关重要的作用, 为整个钻探工程科学目标的实现奠定良好基础。
关键词: 松辽盆地; 大陆科学钻探工程; 松科二井东孔; 上白垩统地层; 地球物理测井
松辽盆地科学钻探工程以调查松辽盆地深部能源、建立松辽盆地深部地层结构剖面、寻求白垩纪气候变化地质证据、研发深部探测技术为主要目标, 是中国大陆获得国际大陆科学钻探计划(ICDP) 资助的第 3 个国际大陆科学钻探工程(Wang et al., 2013; 王璞珺等, 2017; 侯贺晟等, 2018)。该工程计划实施“两井四孔”, 其中松科二井东孔是钻探的主体钻孔, 位于黑龙江省安达市羊草镇吉庆村六撮房屯东南约 0.25 km 处, 设计深度 6 400.0 m, 为松辽盆地最深钻孔, 计划穿透白垩系地层、钻至盆地基底(邹长春等, 2016; Zhu et al., 2018)。松科二井东孔钻探工程的组织实施由中国地质科学院勘探技术研究所承担, 采用吉林大学研制的“地壳一号”万米科学钻机钻进(张金昌等, 2015; Sun et al., 2016)。
为实现松辽盆地科学钻探工程的科学目标, 笔者借鉴国内外大陆科学钻探及其地球物理测井的成熟经验(许志琴, 1995, 2004; 李舟波和王祝文, 1998; 刘光鼎等, 1999; Pan et al., 2002; 牛一雄等, 2004, 2008; 李斌凯等, 2007; 王成善等, 2008; 邹长春等, 2012; 聂昕等, 2012; 高文利等, 2015; 苏德辰和杨经绥, 2016), 结合钻孔实际情况确立松科二井东孔测井科学目标, 制定完善的测井计划(邹长春等, 2016)。松科二井东孔测井主要科学目标是: (1)为白垩纪陆相沉积学研究和地球物理勘探科学“标尺” 的建立提供完整、连续的岩石物理参数和井旁构造参数; (2)探索白垩纪距今 6 500 万年至 1.4 亿年间的地球温室气候和环境变化与测井信息之间的关系; (3)针对重点含油气层位进行储层划分和油气评价; (4)为钻探施工提供技术参数支持; (5)为未来充分利用松科二井开展深部长期观测与实验研究提供必要的基础资料。中国地质大学(北京)负责测井子工程的实施, 主要承担测井作业监督与综合研究任务; 中国石油集团测井有限公司天津分公司承担测井数据采集、资料处理与初步解释任务。
松科二井东孔上白垩统未进行全井段取心, 仅在嫩江组取心 130.87 m, 由于取心量非常少, 因此完备的测井资料和深入的测井研究尤为重要。该孔正式开钻后, 采用国内外先进的成像测井设备对一开和二开钻井井段(上白垩统井段)先后实施了 4 次裸眼井综合测井和套管井测井作业。笔者围绕该孔的测井科学目标, 针对上白垩统地层开展测井综合评价。本文主要介绍上白垩统地层测井数据采集、岩石物理特征和测井综合评价等方面的进展与科学成果。
1 测井数据采集与岩石物理参数剖面
1.1 测井数据采集
松科二井东孔按计划分 5 个钻井开次钻进, 笔者根据钻井计划设计了 8 次裸眼井综合测井和 5 次套管井固井质量检查测井。上白垩统地层位于一开和二开钻井井段范围之内, 以钻前地质设计和测井设计为基础, 结合一开和二开钻井的具体情况, 确定最终的数据采集方案。为确保测井资料的质量, 采用贝克阿特拉斯公司的 ECLIPS-5700、哈里伯顿公司的 EXCELL-2000 和斯仑贝谢公司的 MAXIS-500 等国内外先进的成像测井设备进行数据采集。松科二井东孔测井设计的具体情况参见邹长春等(2016), 上白垩统井段测井实施情况如图 1 所示。
一开钻井井段采用 Φ444.5 mm 钻头钻进成孔, 再用 Φ660.4 mm 钻头扩孔, 井径大, 实施的测井项目较少。扩孔前完成裸眼井综合测井项目 7 项, 包括自然电位、自然伽马、阵列感应、井径、井斜、井温和泥浆电阻率, 测量深度为 18.0~441.0 m。扩孔后完成裸眼井测井项目 3 项, 包括自然伽马、井径和井斜, 测量深度为 18.0~429.0 m; 完成套管井测井项目 3 项, 包括自然伽马、水泥胶结和套管接箍测井, 测量深度为 18.0~382.2 m。
二开钻井井段采用直径较小的钻头 (Φ215.9 mm)钻进成孔, 再用 Φ444.5 mm 钻头扩孔, 实施的测井项目多。扩孔前完成裸眼井综合测井项目 17 项, 其中常规项目 11 项, 包括自然电位、自然伽马、井径、双侧向、微球形聚焦电阻率、声波时差、中子、密度、井斜、井温和泥浆电阻率; 特殊项目 6 项, 包括阵列感应、阵列声波、自然伽马能谱、微电阻率扫描成像、核磁共振成像和元素俘获谱, 测量深度为 424.5~2 826.5 m(核磁共振成像和元素俘获谱测井仅采集 1 370.0 m 以下井段的数据)。扩孔后完成裸眼井测井项目 3 项, 包括自然伽马、井径和井斜, 测量深度为 423.6~2 806.2 m; 完成套管井测井项目 3 项, 包括自然伽马、水泥胶结和套管接箍测井, 测量深度为 12.0~2 759.2 m。
上白垩统井段先后实施了 4 次裸眼井综合测井和套管井测井作业, 完成常规测井、特殊测井和固图 1 松科二井东孔上白垩统井段测井实施情况 Fig. 1 Progresses in logging operations over the Upper Cretaceous intervals, SK-2 East Borehole 井质量检查测井项目共 20 种。测井数据采集过程严格执行测井行业规范, 虽然浅部井壁稳定性较差、井眼扩径对测井资料造成一定影响, 但是总体上测井资料丰富、质量优良, 为后续的测井资料处理、解释和地学研究奠定了基础。
1.2 岩石物理参数剖面
岩石物理性质包括岩石密度、电、声、磁、核、热和力等特性。岩心分析测试是获取岩石物理参数的最直接途径, 但是钻井取心和岩心分析测试成本高, 难以得到连续的岩石物理参数剖面。依靠测井手段, 可以在钻孔剖面上原位获取连续的岩石物理参数, 甚至包括地球化学参数和资料处理得到的地层参数。广义上, 测井获得的这些参数均被称为岩石物理参数。
通过对松科二井东孔上白垩统井段的各种测井资料进行预处理、处理和解释, 获得了丰富的测井成果资料和图件, 包括常规测井(标准、综合和工程成果等)、微电阻率扫描成像(电成像测井解释、地层构造和沉积处理成果)、阵列声波(幅度、各向异性和岩石强度分析成果)、阵列感应、自然伽马能谱、核磁共振成像和元素俘获谱测井成果, 各类测井参数剖面有 28 条之多。图 2 所示为上白垩统井段常规测井岩石物理参数剖面, 包含自然伽马、自然电位、井径、电阻率、声波时差、密度和中子孔隙度等 7 条曲线, 这些曲线清楚地反映了上白垩统井段主要岩石物理特征, 为地面电法和地震等地球物理反演提供精确的地层电性和速度等参数。
由于松科二井东孔是松辽盆地内实施的最深孔, 上白垩统井段与下部井段测井参数结合, 将形成盆地内深度范围最大、地层最完整的岩石物理参数剖面, 从而作为松辽盆地的标准剖面或科学“标尺”, 指导后续的地球物理勘探工作。
2 测井综合评价与工程应用
综合利用各种测井资料, 结合录井和区域地质资料, 开展了基础地质、矿产资源、古环境与古气候、钻探工程应用等方面的研究与探索。
2.1 基础地质研究
2.1.1 地层划分
根据松科二井东孔钻探结果, 上白垩统自下而上依次为泉头组、青山口组、姚家组、嫩江组、四方台组和明水组, 发育一套陆相碎屑沉积岩层, 岩性总体上以砂岩、粉砂岩、泥岩和油页岩等为主。
参考本区域地层的标志层和测井分层标志, 并详细分析该孔录井资料和自然伽马、电阻率等测井响应特征, 对上白垩统地层进行了划分。上白垩统地层总厚度为 2 509.7 m; 泉头组顶底深度为 1671.7~2 533.5 m, 青山口组为 1 372.0~1 671.7 m, 姚家组为1 250.6~1 372.0 m, 嫩江组为439.8~1 250.6 m, 四方台组为 247.8~439.8 m, 明水组为 23.8~247.8 m (图 2)。泉头组和嫩江组地层最厚, 青山口组、明水组和四方台组次之, 姚家组地层最薄。
2.1.2 岩性识别与划分
根据地层划分结果和录井资料, 选择自然伽马、自然电位、井径和电阻率等测井曲线, 采用交会图法识别各组地层的岩性, 完成各组地层岩性划分, 并统计出各组不同岩性地层厚度和砂地比(表 1)。测井识别出三类岩性, 包括砂岩、泥岩和油页岩; 岩性划分结果显示, 四方台组和明水组砂地比高, 砂体发育; 嫩江组和泉头组砂地比次之, 因地层厚度大, 累计砂岩厚度较厚; 姚家组砂体不发育; 青山口组则主要发育泥岩。此外, 嫩江组和青山口组分别发育 17.64 m 和 7.88 m 油页岩。根据测井岩性评价结果建立的岩性剖面, 不仅与录井岩性吻合较好, 而且具有纵向上连续、深度准确的优点。 2.1.3 沉积特征和井旁构造分析测井资料蕴含了丰富的地质信息, 因此, 利用测井资料可以研究沉积地层的沉积特征(沉积微相、层理构造和古水流方向等)和井旁构造特征。松辽盆地上白垩统地层发育于盆地的坳陷期和萎缩期, 随着湖泊沉降中心的变化, 形成了以湖泊相分布为主, 伴有三角洲相和河流相的分布特征(刘招君等, 1992; Feng et al., 2010; 黄清华等, 2011)。
利用自然伽马和电阻率等测井资料, 结合录井资料, 开展了沉积微相划分; 对微电阻率扫描成像测井资料进行沉积处理, 提取出不同深度的层理构造特征和古水流方向信息。结果显示, 上白垩统地层相序上呈现出河流—三角洲—湖泊—三角洲—湖泊—三角洲—河流相的沉积充填序列; 识别出槽状、板状、波状和平行层理; 古水流方向由南东向逐渐转换为西向。泉头组时期, 主要发育以边滩、分流河道微相为主的曲流河—三角洲相沉积充填序列, 槽状(图 3a)、板状层理发育(图 3b), 古水流方向为北西—南东向(图 4a); 青山口组时期, 沉积环境变为以滨浅湖微相为主的湖泊相沉积, 主要发育平行层理, 古水流方向转为西—东向; 姚家组时期, 为以河漫滩、分流间湾微相为主的三角洲相, 层理不发育; 嫩江组时期, 沉积环境由早期滨浅湖微相为主的湖泊相转为晚期以边滩、河漫滩微相为主的河流相, 主要发育波状层理, 古水流方向为东—西向。
通过微电阻率扫描成像测井资料的构造处理解释, 提取了不同深度地层界面的产状信息(李宁, 2017)。泉头组地层倾角在 4°~8°之间, 倾向整体上为北西向(图 4b); 青山口组上部地层倾角在 10°左右, 倾向近西向, 下部地层倾角减小到 6°, 倾向变化大; 姚家组地层倾角在 4°~8°之间, 倾向为西向; 嫩江组地层倾角在 2°~4°之间, 倾向为西偏南向。上白垩统地层倾角随着深度增大而逐渐增大, 倾角从 2°增大至 8°; 倾向整体上为近北西向。
2.1.4 岩石力学性质及地应力分析
通过对阵列声波测井资料处理, 提取出准确的 纵、横波速度等信息, 结合密度和微电阻率扫描成像测井等资料, 计算原位地层岩石强度参数和地应力参数, 分析岩石力学性质、井壁稳定性及地应力特征(牛一雄等, 2004; Shen et al., 2010; Schmitt et al., 2012)。
结果表明, 测井估算的地层压力系数为 0.84～ 1.05, 而本区域地层压力系数一般为 0.88～1.00, 计算结果与区域规律基本一致, 本井段未见到异常高压地层 ; 计算得到的理想钻井液密度为 1.10 ～ 1.30 g/cm3 , 使用的实际钻井液密度为 1.25 g/cm3 , 在 1 650.0 m 以上井段, 实际钻井液密度偏小, 可能是造成井眼扩径的原因之一; 地层速度各向异性特征显著, 指示了地层应力不均衡的特点, 泉头组地层最大水平主应力方向为北东东—南西西向、青山口组为北东东—南西西向、姚家组和嫩江组为近东—西向、嫩江组地层为近东—西向。总体上, 上白垩统地层的水平应力、垂向应力和岩石强度随深度的加深而不断地增大, 其井壁稳定性也随深度的加深而趋于稳定。
总之, 在上白垩统井段岩心资料少的情况下, 测井提供了十分重要的地质信息。
2.2 矿产资源评价
2.2.1 烃源岩评价
根据录井资料和测井岩性识别与划分结果, 上白垩统青山口组和嫩江组烃源岩较发育, 青山口组底部 1 543.0~1 671.7 m 井段发育暗色泥岩和黑褐色油页岩; 嫩江组底部 985.0~1 100.6 m 层段发育暗色泥岩, 1 139.1~1 149.3 m 层段发育黑褐色油页岩。
本文来源于：《地球学报》是中国地质科学院主办的地球科学综合性学术期刊，1979年创刊。栏目设置包括综述与进展、争鸣与探讨、研究与调查、技术与方法、快报与短文、地质遗迹与地质公园、信息与动态等。力求及时快捷地反映地球科学领域内的新理论、新成果、新发现、新方法、新进展。刊登地球科学各分支学科及边缘学科基础研究和应用研究方面具有较高水平和重要意义的学术论文。
针对上述地层, 利用常规测井、自然伽马能谱和元素俘获谱等多种测井资料, 采用多参数组合法、交会图法、∆logR 重叠法、Dual_Vsh 法和决策树模型等方法进行富含有机质烃源岩层的定性识别研究, 优选出∆logR 重叠法和 Dual_Vsh 法估算有机碳含量, 获得上白垩统地层烃源岩评价结果(Zhang et al., 2018; 张小环, 2018)。青山口组和嫩江组底部烃源岩有机碳含量分别高达 7.56%和 9.04%, 具有较大的生烃能力, 为研究区的重要烃源岩(图 5)。
2.2.2 油气储层评价
松科二井东孔紧邻徐家围子断陷主要的生气区, 邻井测试结果显示, 宋深 1、宋深 3 和宋深 4 井上白垩统泉头组分布有气层。利用常规测井和核磁共振成像测井等资料, 采用交会图和孔隙度重叠法划分油气储层, 采用岩石体积物理模型和阿尔奇公式计算储层参数, 进而综合评价上白垩统储层及其含油气情况, 并对储层孔隙结构进行细致研究 (Zhao et al., 2017)。
上白垩统油气储层测井评价结果见表 2, 测井图 5 松科二井东孔青山口组富含有机质烃源岩测井评价成果图(1 610.0~1 672.0 m) Fig. 5 Results of log evaluation of the organic-rich source rocks in the Qingshankou Formation, SK-2 East Borehole (1 610.0~1 672.0 m) 解释气水同层 1 层, 水层 15 层, 干层 62 层; 储层物性随着埋深的增加而变差, 含油气储层较少。解释的气水同层位于泉头组 1 930.8~1 936.3 m 井段 (图 6), 厚度 5.5 m, 储层电性高(15 Ω·m), 物性较好 (孔隙度为 16.32%, 渗透率为 48.61 mD), 气测全烃达到 5.03%; 该层与邻井气层处于同一层位, 推测具有一定的产气能力。
2.2.3 高放射性异常层分析
通过分析松科二井东孔上白垩统地层自然伽马、自然伽马能谱等测井资料 , 发现嫩江组 497.5~502.0 m 井段存在高放射性异常(图 7)。该异常层的自然伽马最高 182.0 API, 铀含量 5.0×10–6~17.0×10–6, 钍含量 5.0×10–6~11.0×10–6, 钾含量 1.9%~2.9%, 电阻率 3.0~11.0 Ω·m; 相对于围岩层, 异常层的铀含量明显偏高。根据测井资料解释结果, 该异常层岩性为粗砂岩, 具有较高的孔隙度和渗透率 , 孔隙度 19.0%~24.0%, 渗透率 59.0~261.0 mD, 属于高铀异常层(张淑霞等, 2017)。
结合前人地质研究成果, 对嫩江组高铀异常层成因进行了分析, 初步认为构造条件和后生改造作用是导致异常层铀富集的关键因素。高放射性异常层的发现, 为松辽盆地铀资源勘探提供了重要线索, 同时表明测井对于及时发现放射性矿产资源能够起到关键作用。
2.2.4 热物性与地热分析
地热能是一种清洁可再生能源, 其资源潜力巨大, 有望成为接替传统化石能源的新能源。我国正在加快地热资源调查和开发利用研究, 松辽盆地是重点调查区之一。松科二井东孔一开和二开钻井完钻后采集了动态井温测井曲线, 动态井温受钻井液影响大, 与停钻时间关系密切。在三开钻探结束、钻孔静置 41 天后, 进行了一次恢复井温测井, 此时钻孔内温度基本恢复到平衡状态, 测量结果接近原始地层温度, 可用来计算地温梯度。
利用常规测井、恢复井温和自然伽马能谱测井等资料, 建立了地温梯度、地层热导率、大地热流、生热率等地层热物性参数评价方法。利用矿物体积含量、孔隙度、矿物热导率和孔隙中流体热导率等信息, 采用几何平均模型来计算地层热导率(Fuchs and Förster, 2014); 利用地层密度和放射性元素铀、钍和钾含量信息, 确定地层生热率(Bachu and Burwash, 1991)。——论文作者：邹长春 1, 2), 张小环 1, 2), 赵金环 1, 2), 彭 诚 1, 2), 张淑霞 1, 2), 李 宁 1, 2), 肖 亮 1, 2), 牛一雄 3), 丁娱娇 4), 秦宇星 4), 林 峰 4)
