黄导武 何贤科 程俊阳 朱毅秀

（1．中海石油（中国）有限公司上海分公司 上海 200335； 2．中国石油大学（北京） 北京 102249）

PDC钻头钻井条件下凝灰质储层岩性识别方法＊

黄导武1何贤科1程俊阳1朱毅秀2

（1．中海石油（中国）有限公司上海分公司 上海 200335； 2．中国石油大学（北京） 北京 102249）

PDC钻头钻井岩屑粒径小，一般小于2 mm，通过岩屑进行岩性识别面临较大挑战。以东海西湖凹陷某气田上白垩统八角亭组钻遇的一套凝灰质地层为例，通过岩屑薄片鉴定、X－衍射分析、扫描电镜及能谱分析等技术方法组合，建立了凝灰质储层岩性识别方法，识别出了4种主要岩石类型：凝灰岩、晶屑凝灰岩、晶屑－玻屑凝灰岩及凝灰质砂岩，其中凝灰质砂岩储层物性较好。在此基础上，结合岩电特征分析，明确了研究区凝灰质砂岩储层测井响应特征；试采结果证实了凝灰质砂岩为有效储层，从而为东海天然气勘探与开发开辟了新领域。本文探索出的毫米级钻井岩屑凝灰质储层岩性识别方法，对于缺少岩心情况下的复杂岩性识别提供了一种有借鉴价值的技术组合方法，具有一定的推广意义。

PDC钻头；钻井岩屑；凝灰质储层；岩性识别；西湖凹陷；东海

近年来，PDC钻头在石油钻井中正得到越来越广泛的应用，但PDC钻头下的钻井岩屑基本呈毫米级（最大颗粒约2 mm×2 mm），岩屑的岩性成分、结构、构造等特征遭到破坏，甚至造成假象，而且成分混杂并常被泥浆包裹，因此通过肉眼甚至显微镜观察很难鉴定这种毫米级岩屑的岩性［1－3］。

东海西湖凹陷首次在一套富凝灰质地层中发现气层，为了确定有效储层，对9口井共计1 000 m以上的富凝灰质层段的岩屑进行观察、挑样，通过岩屑薄片制备及鉴定、X衍射分析、扫描电镜和能谱分析等微观分析以及岩电特征综合分析，揭示研究区目的层段为一套富凝灰质的火山碎屑岩与正常砂泥岩互层的复杂岩性组合，其中凝灰质砂岩为有效储层，为东海天然气勘探开发开辟了新领域。本文探索出的一套PDC钻头钻井条件下富凝灰质储层岩性识别方法，对于缺少岩心情况下的毫米级钻井岩屑复杂岩性识别具有一定的推广意义。

1 研究区富凝灰质地层岩石学特征

东海西湖凹陷在上白垩统八角亭组钻遇一套埋深约3 800～4 300 m的富凝灰质火山碎屑岩与正常砂泥岩互层的复杂岩性组合，目的层岩性可分为火山碎屑岩和火山碎屑沉积岩两类，其中前者进一步分为凝灰岩、晶屑凝灰岩、晶屑－玻屑凝灰岩，后者主要为凝灰质砂岩。对于凝灰岩、晶屑凝灰岩、晶屑－玻屑凝灰岩，凝灰质含量一般大于50%，主要以火山玻璃和隐晶质基质的形式存在，其粒径一般小于2 mm，且均可发生不同程度的蚀变。三者的区别主要在于晶屑的含量及产状，其中凝灰岩含有少量的脱玻化作用形成的细小石英、长石颗粒，总体含量较低；晶屑凝灰岩的晶屑含量较高，可见粒径较大的石英、长石晶屑；晶屑－玻屑凝灰岩的晶屑以半定向排列的柱状长石为主。上述3种火山碎屑岩一般孔隙不发育，物性较差，为非储层。

对于凝灰质砂岩，凝灰质含量一般为10%～50%，以凝灰质岩屑及基质两种方式存在，碎屑组分主要为石英、长石及少量岩屑、云母等，多以泥质为杂基，以灰质、硅质和自生黏土矿物为胶结物，具明显的碎屑结构，岩性特征与正常沉积岩有许多相似之处。凝灰质砂岩除发育少量原生孔隙外，还发育一定量的次生溶蚀孔隙及微裂缝，储层物性相对较好，是研究区有效储层。

由于研究区缺少岩心资料，且普遍使用PDC钻头，岩屑颗粒细碎，岩性识别面临很大的困难，因此必须探索出一套毫米级钻井岩屑富凝灰质储层岩性识别方法。

2 凝灰质储层岩性识别方法

2．1 岩屑挑样

岩屑样品的代表性是岩性鉴定分析工作的前提和基础。在实际挑样时，须先将取到的岩屑进行清洗。由于岩屑颗粒细小，清洗时只能通过缓慢漂洗而不能淘洗或者冲洗，以保证有足够的岩屑样品。岩屑清洗后须经过较长时间的自然晾干，也可进行适当的烘烤或吹风机吹干；然后放到不同目数的筛子上进行观察挑样。

岩屑挑样最重要的是注意区分凝灰质砂岩岩屑和正常砂泥岩岩屑。根据研究区大量岩屑的观察分析，正常砂岩的岩屑一般呈灰白色、浅灰色、灰黄色，颗粒感强，砂质较为纯净；正常泥岩的岩屑一般呈灰黑色、深灰色，且由于泥岩更容易被泥浆包裹而呈相对较大的块状或片状；凝灰质岩屑一般具有两种形态，一种为灰绿色细小鳞片状，另一种为灰白色粉末状［4－5］。通过颜色和产状可以大致区分该井段是否含凝灰质。

2．2 岩屑薄片鉴定

薄片鉴定是岩性识别最重要的方法之一。通过对研究区46个岩屑薄片的观察发现：凝灰质在镜下多为长英质或中性、中酸性火山玻璃，并含有部分凝灰质岩屑及少量晶屑，而正常砂泥岩不含或含很少的火山玻璃；部分火山玻璃脱玻化作用强烈，可见脱玻化形成的石英、长石、黏土矿物等，而研究区正常的砂岩薄片一般为典型的碎屑结构，主要矿物为石英、长石，砂质较为纯净（图1）。

在识别出凝灰质组分的基础上，根据其含量可初步识别出凝灰岩、晶屑凝灰岩、凝灰质砂岩、含凝灰砂岩等岩性类型。

2．3 X－衍射分析

X－衍射分析是细粒级样品（如黏土矿物）以及变化很大甚至面目全非的矿物非常有效的分析手段，通过X－衍射图谱可以定量分析矿物的组分及含量。

图1 研究区凝灰质层段岩屑薄片鉴定图版Fig．1 Cuttings thin section identification plate of tuffaeous interval in the study area

表1 西湖凹陷D3HP井目的层X－衍射分析结果（14个样品）Table 1 X－ray diffraction analysis of the study layer of Well D3HP in Xihu sag（14 samples）

表1为西湖凹陷D3HP井目的层段14个岩屑样品的X－衍射分析结果，可以看出该层段岩石矿物组分以石英为主，含量近60%，表现出明显的富硅质特点；其次为黏土矿物、斜长石、钾长石、方解石，还含有少量的锐钛矿、重晶石、铁白云石等。这种岩石成分与国内外发现的富凝灰质储层或露头具有较好的相似性［6－10］。结合薄片鉴定成果，认为该层段岩性为典型的凝灰质砂岩。

X－衍射分析能够通过识别岩石中的矿物成分定性判别凝灰质的存在，但凝灰质中含有非晶态火山玻璃，这些非晶态物质在X－衍射图谱上没有明显的晶相衍射峰显示，谱线基线会明显偏高［8］。而正常砂岩的成分中主要为石英、长石等矿物晶体，因此每种矿物都会有相应的晶相衍射峰，而且谱线的基线也不会偏移。所以，具体区分石英晶体与非晶态火山玻璃还须借助其他手段，如扫描电镜及能谱分析。

2．4 扫描电镜及能谱分析

岩石与组成岩石的矿物在扫描电镜下均呈一定形貌特征，据此可以研究岩石与矿物的组成、结构及成因，从而正确鉴定这些矿物。在形貌特征难以鉴定时，可以结合电子探针波谱和能谱仪来分析岩石或矿物的微成分，利用成分上的微弱差异准确鉴定矿物。

扫描电镜除了对矿物的微晶能够清晰分辨外，对介于晶态与非晶态之间的凝灰质、火山灰也可定性认识，对应能谱分析中会出现O、Si、Al、K、Fe等元素在一定范围内组合，因此通过形貌与成分综合分析可准确鉴定含凝灰质组分的半晶态物质。

通过对研究区5口井59个扫描电镜样品的观察发现，部分矿物可见其典型形貌，如石英晶体的贝壳状断口，在能谱图上也显示SiO2对应元素的峰值（图2）；而玻璃质组分没有固定的形态，在能谱图上显示出明显的富硅质特点（图3）。通过该方法，能够区分晶态的石英与非晶态的火山玻璃以及长石、方解石等其他矿物，进而准确鉴别岩性。

图2 西湖凹陷W2井石英能谱分析结果（井深3 850 m）Fig．2 Quartz spectrum analysis results of Well W2in Xihu sag（depth：3 850 m）

图3 西湖凹陷D3H井玻璃质能谱分析结果（井深4 188．3 m）Fig．3 Volcanic glass spectrum analysis results of Well D3Hin Xihu sag（depth：4 188．3 m）

3 岩性识别结果

通过岩屑薄片鉴定、X－衍射分析、扫描电镜及能谱分析等实验手段，对研究区正常砂岩和凝灰质砂岩的微观鉴定特征进行了总结对比（表2），结果表明：薄片鉴定方法能相对直观、准确地识别岩性，但无法确定各种矿物的相对含量；而X－衍射分析可以根据图谱上的晶相峰显示定量分析矿物的组分及含量；对于非晶态火山玻璃与石英晶体的区分，须借助扫描电镜及能谱分析方法。

根据典型层段的岩性鉴定结果，结合电性特征，建立了研究区凝灰质砂岩的岩电关系（表3），由此可建立其他层段的岩性剖面。与正常的砂岩相比，研究区凝灰质砂岩具有自然伽马中等偏低、密度中等、电阻率低、补偿中子中等偏低、声波时差中等的特点，与我国其他地区火山岩储层测井响应特征相似［11－14］。

研究区D3H井试采证实了凝灰质砂岩为有效储层，初期日产气7万～9万m3（图4），开辟了东海油气勘探开发的新领域。综合分析认为，凝灰质砂岩储层在研究区广泛分布，具有较大的资源潜力。

表2 研究区凝灰质砂岩与正常砂岩微观鉴定特征Table 2 Identification characteristics of tuffaceous sandstone and normal sandstone in the study area

表3 研究区主要岩性测井响应特征Table 3 Logging features of the main lithology in the study area

图4 西湖凹陷D3H井凝灰质砂岩层段综合解释成果图Fig．4 Synthetic interpretation of tuffaceous sandstone interval in Well D3H，Xihu sag

4 结论

针对东海西湖凹陷某气田PDC钻头钻井条件下的毫米级岩屑，通过岩屑薄片鉴定、X－衍射分析、扫描电镜及能谱分析等技术方法组合，弥补了常规地质录井鉴定方法的不足，建立了富凝灰质储层岩性识别方法；在此基础上，结合电性特征分析，明确了研究区凝灰质砂岩储层测井响应特征，为气田评价提供了翔实的基础资料，为后续的滚动勘探开发奠定了基础。本文研究成果对于缺少钻井取心情况下的复杂岩性识别提供了一种有借鉴价值的技术组合方法，具有一定的推广意义。

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Lithology identification method of tuffaceous reservoir under PDC bit drilling condition

HUANG Daowu1HE Xianke1CHENG Junyang1ZHU Yixiu2
（1．Shanghai Branch of CNOOC Ltd．，Shanghai 200335，China；2．China University of Petroleum，Beijing102249，China）

Drilling cuttings of PDC bit are generally less than2 mm of diameter，which causes big challenge for lithology identification．Taking tuffaceous strata of Upper Cretaceous Bajiaoting Formation in a gas field in Xihu sag，the East China Sea as an example，the lithology identification method is established by combing cutting thin sections observation，X－ray diffraction analysis，scanning electron microscopy and energy dispersive spectrometer analysis，and 4 main lithology types are identified：tuff，crystal tuff，crystalglass tuff and tuffaceous sandstone，in which the tuffaceous sandstone reservoir has good properties．Combined with analysis of lithology and electrical properties，the logging response characteristics of tuffaceous sandstone reservoir in the study area are clarified．The effective tuffaceous sandstone reservoir is confirmed by production test，which opens a new area of natural gas exploration and development in the East China Sea．The lithology identification method of tuffaceous reservoir based on millimeter scale drilling cuttings provides a technical combination for the complex lithological identification without core and has certain popularization significance．

PDC bit；drill cuttings；tuffaceous reservoir；lithology identification；Xihu sag；East China Sea

TE142

A

黄导武，何贤科，程俊阳，等．PDC钻头钻井条件下凝灰质储层岩性识别方法［J］．中国海上油气，2017，29（5）：56－61．

HUANG Daowu，HE Xianke，CHENG Junyang，et al．Lithology identification method of tuffaceous reservoir under PDC bit drilling condition［J］．China Offshore Oil and Gas，2017，29（5）：56－61．

1673－1506（2017）05－0056－06

10．11935／j．issn．1673－1506．2017．05．007

＊中国海洋石油总公司“十二五”科技重大项目“中国近海低孔低渗油气藏勘探开发关键技术与实践（编号：CNOOC－KJ 125 ZDXM07 LTD）”部分研究成果。

黄导武，男，高级工程师，1994年毕业于中国石油大学（北京），长期从事油气田开发技术研究。地址：上海市长宁区通协路388号中海油大厦 A633室（邮编：200335）。E－mail：huangdw＠cnooc．com．cn。

2016－11－24 改回日期：2017－04－14

（编辑：张喜林）