黄河口凹陷缓坡带东营组溢流相分布特征研究及钻井工程应用意义

时间：2024-07-28

邓津辉谭忠健张向前曹军

1.中海石油(中国)有限公司天津分公司；2.中海油能源发展股份有限公司工程技术分公司

火山活动是地球深部物质向上运动的结果，在裂谷盆地发育的各个阶段均有火山活动［1］。深大断裂带为地球深部岩浆向浅部和地表运移提供了通道条件，并基本控制着火成岩的分布［2］。渤海湾盆地为典型的裂谷盆地，经历了多期构造运动，且发育走滑性质的NNE 向和NW-SE 向深大断裂带。火成岩平面分布范围较广，纵向上在古近系和新近系均有发育。新生界火成岩形成过程中总是要伴随构造运动，同时携带大量的热能要释放，对油气盆地中油气的生成、运移、聚集产生一定的影响［3-4］。近年来，渤中凹陷南部和黄河口凹陷中洼南斜坡的新生界火成岩发育区域的勘探活动获得了一系列的油气发现，其中BZ34-9 油田已完成勘探评价，进入开发阶段。钻探实践证明，溢流相等火成岩相对于砂岩更为坚硬、脆性更强，容易形成裂缝、孔洞等力学薄弱带，钻进时受钻井液浸泡易出现钻速低、井漏、井塌等问题，对钻井工程影响较大。因此，全面深入研究火山喷发旋回与期次以及溢流相分布特征，明确应力和裂缝的集中发育位置，有助于避钻或少钻溢流相以及优选钻具、钻井参数、钻井液，提高钻井时效，加快油田投产进程。

1 地质概况

黄河口凹陷位于渤海海域南部，是渤海湾盆地二级构造单元，面积为3 309 km2(图1)。凹陷整体为北断南超的箕状凹陷。北侧以控凹断裂—黄北断裂与渤南低凸起相接，南侧以缓坡向莱北低凸起与垦东青坨子凸起过渡，西端与陆地中的沾化凹陷相连接，东端以郯庐走滑断裂东支为界。郯庐走滑断裂西支纵贯黄河口凹陷，形成中央构造带和BZ29-35 构造脊，将凹陷分为西洼、中洼和东洼［5］。中洼受限于渤南低凸起和莱北低凸起，呈西边宽大向东侧逐渐收口的漏斗形。凹陷是以中生界为基底新生代凹陷，基底最大埋深6 km，新生界地层为孔店组、沙河街组、东营组、馆陶组、明化镇组、平原组和第四系地层，其中孔店组主要发育于深凹部位。黄河口凹陷是非常富的生烃凹陷，具有典型复式成藏的特点，新近系各地层均有油气发现。

图1 研究区位置图Fig.1 Location map of the study area

2 构造演化与火山活动

渤海湾盆地渤中凹陷是渤海湾盆地地幔隆升规模最大的区域［6］。深部热运动将渤海湾盆地划分为2 个阶段，即古近系热隆起的断陷阶段和新近系热沉降的拗陷阶段［7］。

古新世—始新世，深部热物质运移、上涌，地幔顶部与软流层进一步抬升，地壳发生强烈的张裂、拉伸和下陷［6］，在软流圈热底辟作用及热物质侧向流动产生的拖曳力作用下，渤中凹陷的南部表现为近SN 向的拉伸作用，产生基底断块掀斜运动，形成黄河口凹陷，并在斜坡区形成一系列顺向基底断层。该时期研究区火山活动范围局限，火山岩在沙三段和沙二段零星分布，以玄武岩、安山岩和火山沉积岩为主，发育少量的爆发相凝灰岩和浅成相辉绿岩。

始新世—渐新世，软流圈物质沿着岩石圈软弱带持续强烈抬升。同时受郯庐走滑断裂东支和西支的相互作用，由走滑应力场的R′(共轭Reidel 剪切)破裂产生［8］研究区BZ34-9 和KL4-2 构造区两组共轭走滑断裂(图2、图3)。上地幔的局部熔融产生玄武质岩浆沿这两组共轭走滑断裂侵入地壳，喷溢出地表。该时期火成岩分布较广，火山活动能量较弱，以玄武岩和火山沉积岩为主，不发育火山爆发相。火山岩主要分布于东一段、东二上段和东二下段。新近纪—第四纪，岩石圈由热渐渐冷却，岩石圈的松弛收缩及重力均衡调整使裂陷盆地区整体挠曲下沉。这一期间的岩浆活动显著减弱，火成岩仅分布于东支走滑构造带，主要为馆陶组玄武岩。

图2 黄河口凹陷中洼缓坡带断裂及火山通道分布图Fig.2 Distribution of faults and volcanic conduits in the gentle slope belt of middle trough of Huanghekou Sag

图3 黄河口凹陷中洼缓坡带构造剖面图Fig.3 Structural section of the gentle slope belt in the middle trough of Huanghekou Sag

3 火成岩发育特征

3.1 岩性及测井响应特征

研究区火成岩主要发育溢流相和火山沉积相。由于其岩性和成因不同，在测井和地震上表现出截然不同的响应特征。研究区溢流相岩性主要为玄武岩，呈深灰色、灰黑色，成分以辉石为主，长石及角闪石次之，少量黑云母，隐晶质结构，部分辉石绿泥石化，较致密，单层厚度5～18 m，最大厚度24 m。在测井曲线上表现为具有低伽马、高电阻率、高密度、低中子、低声波时差的响应特征(图4)。玄武岩纵波速度4 500～6 000 m/s，密度2.5～2.8 g/cm3，成层性较好，表现为连续强地震反射特征。火山沉积相岩性主要为凝灰质泥岩、凝灰质砂岩和沉凝灰岩。凝灰质泥岩呈灰色，少量绿灰色，凝灰质分布不均,质不纯，性中硬，岩屑呈块状。凝灰质砂岩呈浅灰色，成分以石英及长石为主，部分火山岩碎屑可见云母等暗色矿物，细粒为主，部分粉粒，次棱角—次圆状，分选中等，凝灰质—泥质胶结疏松。沉凝灰岩呈绿灰色，主要以隐晶—细晶级的火山碎屑为主，部分陆源碎屑，碎屑颗粒呈棱角状—次圆状，局部含灰质，与稀盐酸反应速度中等，较致密。火山沉积相具有中—低伽马、低电阻率、低密度、高中子、高声波时差的测井响应特征(图4)。纵波速度2 900～3 800 m/s，密度2.2～2.4 g/cm3，表现为断续弱反射地震反射特征。

图4 BZ34-9-A 井火成岩测井、地震响应及喷发旋回、期次划分Fig.4 Logging,seismic response and eruptive cycle and stage division of igneous rocks in Well BZ34-9-A

3.2 火山喷发期次和旋回

研究区的火山通道大多沿共轭走滑断裂呈串珠状分布，以裂隙式喷发为特征。这类喷发的爆发作用较弱，岩浆常和缓地沿裂隙流出，岩浆成分以玄武质为主［6］。已钻井也证实研究区溢流相玄武岩发育，而爆发相不发育。因此，溢流相熔岩—火山沉积岩或正常沉积岩的岩性构成方式是一个由喷溢—间歇组成的期次，而相对集中的多个期次的火山活动为一个火山喷发旋回。旋回和期次反映火山活动由强渐弱的正韵律变化趋势。

火山喷发期次的岩性划分原则为以溢流相玄武岩作为喷发期次的开始，以火山沉积岩或正常沉积岩作为喷发期次的结束。玄武岩、火山沉积岩正常沉积岩在电阻率、声波时差、补偿中子和密度测井具有明显的差异，可以很好地反映火山喷发期次中岩性的变化。

3.2.1 单井期次和旋回划分

依据岩性和测井曲线，将黄河口凹陷中洼南缓坡带东营组火成岩发育地层识别出6 个火山喷发旋回，16 个火山喷发期次。东二下段沉积时期可划分为2 个旋回，早期旋回为1 个喷发期次，晚期旋回为相对集中的火山喷发阶段，包括7 个喷发期次，反映该时期火山活动比较强烈。东二上段沉积时期2 个旋回，早、晚期旋回各2 个喷发期次。东一段沉积时期2 个旋回，早、晚期旋回各1 个喷发期次。

3.2.2 溢流相火山岩平面分布特征

基于单井期次和旋回划分，综合利用录井、测井、地震资料对研究区BZ34-9 构造东营组火成岩发育地层的6 个喷发旋回溢流相精细刻画(图5)。

图5 BZ34-9 东营组一段和二段喷发旋回溢流相分布特征Fig.5 Distribution characteristics of overflow facies in Ed1 and Ed2 eruptive cycles in BZ34-9-A block

东二下段早期旋回溢流相分布局限，主要分布于BZ34-9 构造A、D、C 井区以及F 井区的东侧，厚度10～19 m。东二下段晚期旋回为一次强烈的火山喷发活动，溢流相分布较广。沿主干断裂分布的火山通道喷溢后，熔岩顺斜坡向北流动，A、B、C、D、E 井区均钻遇这套溢流相玄武岩，厚度24.5～48.5 m。东二上段早期旋回溢流相主要沿主干断裂东西向展布，整体厚度不大，仅5～14 m。分布范围和厚度明显小于东二下段晚期旋回。东二上段晚期旋回溢流相同样也是沿主干断裂东西向展布，但向北延伸范围明显扩大，A、B、C、E 井区均有钻遇，厚度14～23.5 m。东一段早期旋回火山活动减弱，溢流相分布范围收缩，仅发育于A、E 井区及其东侧以及C 井区的东西两侧。其中E 井靠近火山通道，溢流相厚度较大，厚70.5 m。A 井厚度8 m。东一段晚期旋回火山活动进一步减弱，溢流相分布范围也继续收缩，厚度12.5～14 m。溢流相火山岩分布范围和厚度显示，研究区BZ34-9 构造东二下段沉积早期至东一段沉积晚期经历了火山活动由弱变强再减弱的过程。

4 钻井工程中的应用意义

4.1 火山溢流相岩石力学特征

火成岩岩石力学性质及破坏机理是目前石油工业的难点及热点问题。岩石力学性质主要体现在岩石的弹性模量、泊松比、单轴/单轴强度等参数方面，从而表现出不同的脆性和塑性变形特征。岩石力学实验和测井解释结果表明，BZ34-9 油田溢流相玄武岩的单轴抗压强度为83～202 MPa，平均值为131 MPa，而火山沉积岩和正常沉积岩的单轴抗压强度为17～82 MPa，平均值为41 MPa(图4)，可见，溢流相玄武岩力学强度明显高于沉积岩。从BZ34-9-A 井的测井解释结果来看，岩性主要包括玄武岩、凝灰质砂岩、泥岩、粉砂岩和细砂岩，相应的力学参数分布差异大，地层整体上表现为强烈的非均质特征。根据测井解释结果，BZ34-9-A 井东一段玄武岩的单轴抗压强度主要分布在72～124 MPa 之间，东二段玄武岩的单轴抗压强度主要分布在73～145 MPa 之间，东三段玄武岩的单轴抗压强度主要分布在103～166 MPa之间，显示出随深度变深而增大的趋势。相对于玄武岩，其他岩性的单轴抗压强度总体低于50 MPa，且各岩性之间差异小，随深度变化趋势不明显。该井的弹性模量分布趋势与抗压强度非常相近，如玄武岩弹性模量明显高于凝灰质砂泥岩，凝灰质砂泥岩弹性模量明显稍高于正常沉积砂泥岩，而泊松比的分布趋势正好与弹性模量趋势相反。可见，该地区玄武岩的岩性坚硬致密，塑性系数较低，泊松比较低，表现出明显的脆性和弹性特征，可钻性极差，在9.0 级左右，凝灰岩地层坚硬致密，岩石可钻性差，级值介于6.0～10.0 之间，最高达到9.2 级，而正常沉积岩岩石硬度一般，抗压强度不均匀，可钻性在5.8～6.7 之间。这些力学性质和强度的差异，都导致火成岩地层钻井机械钻速很低，钻头磨损、损坏严重。如BZ34-9 油田钻探结果显示，玄武岩的机械钻速为5～31 m/h，平均值为18 m/h，火山沉积岩和正常沉积岩的机械钻速为45～60 m/h，平均值为54 m/h。

4.2 岩石破碎程度预测

火成岩弹性模量高、脆性强，在构造应力作用下容易形成构造裂缝和收缩裂缝，从而造成地层破碎、渗透性好，易引起卡钻和裂缝性漏失，且储层保护难度大。目前，常用的储层裂缝或破裂预测方法有地质统计法、地震属性法、构造应力场模拟法、应变能密度法等。然而，应力是形成构造裂缝的基本条件，因此在井密度低井区，构造应力场模拟法是预测裂缝分布的最有效手段。本次研究基于岩石力学参数解释结果，首先建立包括火成岩、正常沉积岩和断层单元的构造地质力学模型，其次设置地质历史时期的力学边界条件，进行应力场数值模拟及应力分量提取，如最大主应力、中间主应力、最小主应力、剪应力和应力强度(最大主应力与最小主应力之差)的平面分布特征等。最终，基于模拟结果，采用岩石破裂率法，定量预测裂缝发育程度及分布范围。

4.2.1 破裂准则选取

通常情况下，在三向应力状态下脆性岩石的破裂形式主要有张破裂和剪切破裂两种，其中，岩石是否发生剪切破裂主要采用库伦−莫尔(Coulomb-Mohr)准则来判别，而岩石是否发生张破裂主要采用格里菲斯(Griffith)破裂准则来判别。格氏认为，当含有大量微细、似椭圆状的裂隙脆性材料在应力作用下，椭圆型裂隙周边产生切向拉应力集中且达到材料分子内聚强度值时，将在该处开始沿某一方向发生破坏。当有张应力存在(σ3＜0)时，对于三维问题格里菲斯准则可表述如下。

当σ1+3σ3＞0时，受力条件为张剪，破裂判据为

当σ1+3σ3≤0时，受力条件为纯张性，破裂判据可简化为

式中，σ1、σ2、σ3分别为最大、中间、最小主应力，MPa；σT为岩石单向拉伸实验的抗张强度，MPa；θ为破裂角，°。

库伦-莫尔准则认为，岩石的破裂沿某一截面发生剪切破裂，不仅与该截面上的剪应力大小有关，而且与该截面上的正应力有关。压缩状态下，库仑−莫尔准则可用下述公式表示

由于线性包络线对岩石的线性断裂是个优良的判据，还可以写成主应力的形式

岩石破裂面与最大主压应力间的交角破裂角θ为

4.2.2 岩石破裂率综合表征

在构造应力场模拟的基础上，针对不同的裂缝成因类型，采用不同的判别准则，分别计算含火成岩地层的张应力值和剪应力值，通过与岩石抗张强度、抗剪强度的对比，判断岩石是否发生破裂。为了计算方便，引入裂缝的张破裂率It和剪破裂率In［9］

式中，σNT为有效张应力，MPa；σt为岩石抗张强度，MPa；τn为有效剪应力，MPa；|τ|为岩石抗剪强度。

当It＞1 时，张破裂产生；当In＞1 时，剪破裂产生。这样，在复杂应力场中同时产生的岩石破裂率综合值为

式中，a、b分别为岩心观察统计得到的张性缝(包括张剪缝)和剪性缝所占比例，由BZ34-9-A 井、BZ34-9-B 井、BZ34-9-C 井等6 口井东营组岩心的观察统计结果确定了张裂缝与剪裂缝的数量比为7∶3。当Iz＞1 时，岩石即发生破裂，且值越大代表破裂程度越高。为了对裂缝发育程度进行定量预测，根据裂缝发育系数的分布情况，将裂缝发育程度划分为3 个等级：当1＜Iz≤2 时，为不发育；当2＜Iz≤4 时，为一般发育；当Iz＞4 时，为很发育。

4.2.3 地质力学模型建立及裂缝分布预测

由构造形迹力学分析可知，渐新世末期，BZ34-9 区受郯庐断裂带右旋走滑—伸展应力场和深部岩浆上拱应力场的联合作用，形成了一些以NEE 向为主的张性缝和张剪缝。经过反复尝试，从而确定了研究区关键造缝期的力学边界条件，具体为：东西边界加载30 MPa 的右旋剪应力，南北边界固定，在底部火成岩分布位置加载40 MPa 的上拱力(图6)，重力由模型自动产生。考虑到渐新世末或东营组地层沉积后埋藏浅，上覆地层厚度小，最大为500 m，因此地层重力约为12～15 MPa 左右。赋予各单元力学参数并精细划分网格后，获得了渐新世末期东营组地层内的三维古构造应力场，代入岩石破裂率计算公式后，获得了研究区东一段和东二段平面上裂缝的分布特征(图7、图8)。

图6 BZ34-9 区东营组地层渐新世构造应力场模拟力学模型Fig.6 Simulation mechanical model of Oligocene tectonic stress field of Dongying Formation in BZ34-9 block

图7 BZ34-9 区东二段地层古应力场及裂缝预测结果(应力负值代表挤压，正值代表拉张)Fig.7 Predicted paleostress field and fractures in Ed2 of BZ34-9 block (negative stress:compression;positive stress:tension)

由于东二段渐新世末右旋走滑—伸展作用，最大主应力与最小主应力分布趋势差异大，前者应力高值区沿着NE—SW 向呈长条形展布，中段受火成岩和断层的分割呈现出高低值相间分布的特征。最大主应力在断层带及其附近的火成岩集中位置表现为拉张特征，有利于张性缝和张剪缝的发育。相比，东二段最小主应力分布与岩石破裂率分布趋势尤为相似，拉张应力高值区集中在中部地区，且沿NEE—SWW 向展布，南部地区多为弱拉张或弱挤压特征。最小主应力方向总体上沿NW—SE 向展布，在中部火成岩分布区相对稳定，而在西北部和东南部发生了转向，即代表着整体应力状态的转变。东二段岩石破裂率在研究区中部地区呈现高值，如BZ34-9-B 井区破裂率达到4 以上，相对地，BZ34-9-A 井区尽管破裂率在1.2 左右，但周边破裂率仍达到4 以上，且正好位于东西向大断层的上盘或主动盘，在裂缝连通性较好的情况，该井也极易发生井漏。

东一段地层也受到渐新世末右旋走滑—伸展作用的影响，最大主应力与最小主应力分布趋势也表现出较大差异。最大主应力受火成岩零星分布影响，拉张应力区不连片，大部分地区表现为挤压作用。最小主应力相对最大主应力连片性好，拉张应力区沿着东西向展布，且应力方向变化快，明显受中部火成岩和主断层的分割作用。东一段岩石破裂率在研究区中部和西部地区呈现为高值，如BZ34-9-B井、BZ34-9-G 井的北部地区破裂率普遍达到了4 以上，相对地，BZ34-9-C 井、BZ34-9-F 井区破裂率在1.2～2 之间，属于裂缝不发育区，受火成岩分布控制明显。

4.3 火成岩区井漏实例及对应工程措施

作为国内海上第一个在火成岩发育区发现并投入开发的油田，BZ34-9 油田于2020 年2 月开始投产，计划投产开发井57 口，其中生产井38 口、注水井19口，油田钻完井作业难度极大。该油田上覆400～500 m 厚的火成岩，下部则是大型油藏，犹如千层巧克力奶油蛋糕一般，巧克力是火成岩，而奶油则是油气藏，“巧克力”与“奶油”你中有我、我中有你，给钻完井作业带来各种难以预料的风险，如侵入岩浆展布预测难、对下覆储层屏蔽效应强、钻进机械速度慢、裂缝井漏、井区分散、钻井费用大等诸多问题。据统计，前期已钻的9 口探井中，大部分已发生井漏事故，层位主要集中在下第三系的东营组内，与强烈脆性特征的火成岩分布密切相关。如，BZ34-9-G井在东营组2 694～2 698 m、2 745～2 779 m 井段连续钻遇稳定玄武岩，四开旋转钻进至2 694 m 时，井口突然失返，井下发生漏失，开泵至800 L/min 时发生漏失，监测漏速20 m3/h。四开钻进至2 765 m 时，返出减小，循环池液面下降，监测瞬时漏速20 m3/h，立即上提钻具后，逐渐依次降低排量至1 200 L/min，监测漏速5 m3/h。当四开钻进至2 779 m 时，井口突然失返，期间持续向环空灌浆，监测漏速15 m3/h，静止堵漏成功。该井段基于应力场模拟的岩石破裂率在1.8～3 之间，属于中等裂缝发育区，但向北附近的岩石破裂率达到了4 以上，裂缝连通性好，指示发生井漏的可能性很大。BZ34-9-E 井东营组钻厚757 m，上部为火山岩与砂岩、泥岩互层，中部为厚层泥岩夹火山岩、细砂岩，下部为厚层砂岩与泥岩互层。根据地震资料解释，该井在2 350 m 深度可能会钻遇断层，断距约为9 m，在2 035～2 271 m、2 815～2 930 m深度段预计会钻遇火成岩，在实际钻进过程中，工程人员密切注意了钻井实时参数的变化，有效防止了2 035～2 271 m 深度段和断点2 350 m 处的井漏发生。但钻到2 815～2 930 m 深度时遇阻，并发生井下漏失，测循环漏速50 m3/h，期间共漏失钻井液44 m3。该井漏失层位为一套层状玄武岩，根据应力场模拟结果显示，东营组岩石破裂率在2.5～6 之间，说明裂缝发育程度高，且连通性好，这是导致井漏发生的根本原因(图9)。

图9 BZ34-9 区东西向地层结构剖面及井漏位置图Fig.9 EW stratigraphic structure section and circulation loss position map of BZ34-9 block

而西南侧的BZ34-9-H 井井漏并未发生在东营组内的玄武岩内，而是发生在2 946 m 处的泥岩层内。根据BZ34-9 油田钻井揭示，东营组岩浆岩成分相对单一，其中喷发玄武岩占86%，代表火山大范围喷发的凝灰岩类仅占14%。从该井地层结构看，东营组和沙河街组火成岩厚度薄，而砂岩和泥岩呈现为典型的互层状态，基于构造应力场模拟的岩石破裂率主要分布在1.2～1.4 和1.8～2 两个范围内，说明裂缝不发育，大幅度降低了井漏风险。

火成岩尤其是玄武岩发育段时常发生井壁坍塌掉块、井漏、卡钻等复杂情况，因此，有必要尽量避钻或少钻溢流相玄武岩，以提高钻井时效，加快油田投产进程。在满足油藏需求以及权衡钻井时效和进尺前提下，通过以下优化定向井轨迹的方法或者微调靶点的方式来避钻或少钻火成岩：(1)在轨迹允许的条件下直接避开溢流相火山岩发育段(图10a)；(2)针对无法避钻的溢流相火山岩，选择厚度较小的层段穿过(图10b)。最终，以生产全面提速为目标，实行“一井一策、一层一策”优化单井设计，通过对井身结构进行“增、减、瘦”，规避井壁失稳风险，减少钻遇火成岩数千米。

图10 BZ34-9 油田定向井轨迹优化模式Fig.10 Trajectory optimization mode of directional wells in BZ34-9 Oilfield