鄧津輝 譚忠健 張向前 曹軍

1.中海石油(中國(guó))有限公司天津分公司；2.中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術(shù)分公司

火山活動(dòng)是地球深部物質(zhì)向上運(yùn)動(dòng)的結(jié)果，在裂谷盆地發(fā)育的各個(gè)階段均有火山活動(dòng)［1］。深大斷裂帶為地球深部巖漿向淺部和地表運(yùn)移提供了通道條件，并基本控制著火成巖的分布［2］。渤海灣盆地為典型的裂谷盆地，經(jīng)歷了多期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)，且發(fā)育走滑性質(zhì)的NNE 向和NW-SE 向深大斷裂帶?；鸪蓭r平面分布范圍較廣，縱向上在古近系和新近系均有發(fā)育。新生界火成巖形成過程中總是要伴隨構(gòu)造運(yùn)動(dòng)，同時(shí)攜帶大量的熱能要釋放，對(duì)油氣盆地中油氣的生成、運(yùn)移、聚集產(chǎn)生一定的影響［3-4］。近年來，渤中凹陷南部和黃河口凹陷中洼南斜坡的新生界火成巖發(fā)育區(qū)域的勘探活動(dòng)獲得了一系列的油氣發(fā)現(xiàn)，其中BZ34-9 油田已完成勘探評(píng)價(jià)，進(jìn)入開發(fā)階段。鉆探實(shí)踐證明，溢流相等火成巖相對(duì)于砂巖更為堅(jiān)硬、脆性更強(qiáng)，容易形成裂縫、孔洞等力學(xué)薄弱帶，鉆進(jìn)時(shí)受鉆井液浸泡易出現(xiàn)鉆速低、井漏、井塌等問題，對(duì)鉆井工程影響較大。因此，全面深入研究火山噴發(fā)旋回與期次以及溢流相分布特征，明確應(yīng)力和裂縫的集中發(fā)育位置，有助于避鉆或少鉆溢流相以及優(yōu)選鉆具、鉆井參數(shù)、鉆井液，提高鉆井時(shí)效，加快油田投產(chǎn)進(jìn)程。

1 地質(zhì)概況

黃河口凹陷位于渤海海域南部，是渤海灣盆地二級(jí)構(gòu)造單元，面積為3 309 km2(圖1)。凹陷整體為北斷南超的箕狀凹陷。北側(cè)以控凹斷裂—黃北斷裂與渤南低凸起相接，南側(cè)以緩坡向萊北低凸起與墾東青坨子凸起過渡，西端與陸地中的沾化凹陷相連接，東端以郯廬走滑斷裂東支為界。郯廬走滑斷裂西支縱貫黃河口凹陷，形成中央構(gòu)造帶和BZ29-35 構(gòu)造脊，將凹陷分為西洼、中洼和東洼［5］。中洼受限于渤南低凸起和萊北低凸起，呈西邊寬大向東側(cè)逐漸收口的漏斗形。凹陷是以中生界為基底新生代凹陷，基底最大埋深6 km，新生界地層為孔店組、沙河街組、東營(yíng)組、館陶組、明化鎮(zhèn)組、平原組和第四系地層，其中孔店組主要發(fā)育于深凹部位。黃河口凹陷是非常富的生烴凹陷，具有典型復(fù)式成藏的特點(diǎn)，新近系各地層均有油氣發(fā)現(xiàn)。

圖1 研究區(qū)位置圖Fig.1 Location map of the study area

2 構(gòu)造演化與火山活動(dòng)

渤海灣盆地渤中凹陷是渤海灣盆地地幔隆升規(guī)模最大的區(qū)域［6］。深部熱運(yùn)動(dòng)將渤海灣盆地劃分為2 個(gè)階段，即古近系熱隆起的斷陷階段和新近系熱沉降的拗陷階段［7］。

古新世—始新世，深部熱物質(zhì)運(yùn)移、上涌，地幔頂部與軟流層進(jìn)一步抬升，地殼發(fā)生強(qiáng)烈的張裂、拉伸和下陷［6］，在軟流圈熱底辟作用及熱物質(zhì)側(cè)向流動(dòng)產(chǎn)生的拖曳力作用下，渤中凹陷的南部表現(xiàn)為近SN 向的拉伸作用，產(chǎn)生基底斷塊掀斜運(yùn)動(dòng)，形成黃河口凹陷，并在斜坡區(qū)形成一系列順向基底斷層。該時(shí)期研究區(qū)火山活動(dòng)范圍局限，火山巖在沙三段和沙二段零星分布，以玄武巖、安山巖和火山沉積巖為主，發(fā)育少量的爆發(fā)相凝灰?guī)r和淺成相輝綠巖。

始新世—漸新世，軟流圈物質(zhì)沿著巖石圈軟弱帶持續(xù)強(qiáng)烈抬升。同時(shí)受郯廬走滑斷裂東支和西支的相互作用，由走滑應(yīng)力場(chǎng)的R′(共軛Reidel 剪切)破裂產(chǎn)生［8］研究區(qū)BZ34-9 和KL4-2 構(gòu)造區(qū)兩組共軛走滑斷裂(圖2、圖3)。上地幔的局部熔融產(chǎn)生玄武質(zhì)巖漿沿這兩組共軛走滑斷裂侵入地殼，噴溢出地表。該時(shí)期火成巖分布較廣，火山活動(dòng)能量較弱，以玄武巖和火山沉積巖為主，不發(fā)育火山爆發(fā)相。火山巖主要分布于東一段、東二上段和東二下段。新近紀(jì)—第四紀(jì)，巖石圈由熱漸漸冷卻，巖石圈的松弛收縮及重力均衡調(diào)整使裂陷盆地區(qū)整體撓曲下沉。這一期間的巖漿活動(dòng)顯著減弱，火成巖僅分布于東支走滑構(gòu)造帶，主要為館陶組玄武巖。

圖2 黃河口凹陷中洼緩坡帶斷裂及火山通道分布圖Fig.2 Distribution of faults and volcanic conduits in the gentle slope belt of middle trough of Huanghekou Sag

圖3 黃河口凹陷中洼緩坡帶構(gòu)造剖面圖Fig.3 Structural section of the gentle slope belt in the middle trough of Huanghekou Sag

3 火成巖發(fā)育特征

3.1 巖性及測(cè)井響應(yīng)特征

研究區(qū)火成巖主要發(fā)育溢流相和火山沉積相。由于其巖性和成因不同，在測(cè)井和地震上表現(xiàn)出截然不同的響應(yīng)特征。研究區(qū)溢流相巖性主要為玄武巖，呈深灰色、灰黑色，成分以輝石為主，長(zhǎng)石及角閃石次之，少量黑云母，隱晶質(zhì)結(jié)構(gòu)，部分輝石綠泥石化，較致密，單層厚度5～18 m，最大厚度24 m。在測(cè)井曲線上表現(xiàn)為具有低伽馬、高電阻率、高密度、低中子、低聲波時(shí)差的響應(yīng)特征(圖4)。玄武巖縱波速度4 500～6 000 m/s，密度2.5～2.8 g/cm3，成層性較好，表現(xiàn)為連續(xù)強(qiáng)地震反射特征?；鹕匠练e相巖性主要為凝灰質(zhì)泥巖、凝灰質(zhì)砂巖和沉凝灰?guī)r。凝灰質(zhì)泥巖呈灰色，少量綠灰色，凝灰質(zhì)分布不均,質(zhì)不純，性中硬，巖屑呈塊狀。凝灰質(zhì)砂巖呈淺灰色，成分以石英及長(zhǎng)石為主，部分火山巖碎屑可見云母等暗色礦物，細(xì)粒為主，部分粉粒，次棱角—次圓狀，分選中等，凝灰質(zhì)—泥質(zhì)膠結(jié)疏松。沉凝灰?guī)r呈綠灰色，主要以隱晶—細(xì)晶級(jí)的火山碎屑為主，部分陸源碎屑，碎屑顆粒呈棱角狀—次圓狀，局部含灰質(zhì)，與稀鹽酸反應(yīng)速度中等，較致密?；鹕匠练e相具有中—低伽馬、低電阻率、低密度、高中子、高聲波時(shí)差的測(cè)井響應(yīng)特征(圖4)。縱波速度2 900～3 800 m/s，密度2.2～2.4 g/cm3，表現(xiàn)為斷續(xù)弱反射地震反射特征。

圖4 BZ34-9-A 井火成巖測(cè)井、地震響應(yīng)及噴發(fā)旋回、期次劃分Fig.4 Logging,seismic response and eruptive cycle and stage division of igneous rocks in Well BZ34-9-A

3.2 火山噴發(fā)期次和旋回

研究區(qū)的火山通道大多沿共軛走滑斷裂呈串珠狀分布，以裂隙式噴發(fā)為特征。這類噴發(fā)的爆發(fā)作用較弱，巖漿常和緩地沿裂隙流出，巖漿成分以玄武質(zhì)為主［6］。已鉆井也證實(shí)研究區(qū)溢流相玄武巖發(fā)育，而爆發(fā)相不發(fā)育。因此，溢流相熔巖—火山沉積巖或正常沉積巖的巖性構(gòu)成方式是一個(gè)由噴溢—間歇組成的期次，而相對(duì)集中的多個(gè)期次的火山活動(dòng)為一個(gè)火山噴發(fā)旋回。旋回和期次反映火山活動(dòng)由強(qiáng)漸弱的正韻律變化趨勢(shì)。

火山噴發(fā)期次的巖性劃分原則為以溢流相玄武巖作為噴發(fā)期次的開始，以火山沉積巖或正常沉積巖作為噴發(fā)期次的結(jié)束。玄武巖、火山沉積巖正常沉積巖在電阻率、聲波時(shí)差、補(bǔ)償中子和密度測(cè)井具有明顯的差異，可以很好地反映火山噴發(fā)期次中巖性的變化。

3.2.1 單井期次和旋回劃分

依據(jù)巖性和測(cè)井曲線，將黃河口凹陷中洼南緩坡帶東營(yíng)組火成巖發(fā)育地層識(shí)別出6 個(gè)火山噴發(fā)旋回，16 個(gè)火山噴發(fā)期次。東二下段沉積時(shí)期可劃分為2 個(gè)旋回，早期旋回為1 個(gè)噴發(fā)期次，晚期旋回為相對(duì)集中的火山噴發(fā)階段，包括7 個(gè)噴發(fā)期次，反映該時(shí)期火山活動(dòng)比較強(qiáng)烈。東二上段沉積時(shí)期2 個(gè)旋回，早、晚期旋回各2 個(gè)噴發(fā)期次。東一段沉積時(shí)期2 個(gè)旋回，早、晚期旋回各1 個(gè)噴發(fā)期次。

3.2.2 溢流相火山巖平面分布特征

基于單井期次和旋回劃分，綜合利用錄井、測(cè)井、地震資料對(duì)研究區(qū)BZ34-9 構(gòu)造東營(yíng)組火成巖發(fā)育地層的6 個(gè)噴發(fā)旋回溢流相精細(xì)刻畫(圖5)。

圖5 BZ34-9 東營(yíng)組一段和二段噴發(fā)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

東二下段早期旋回溢流相分布局限，主要分布于BZ34-9 構(gòu)造A、D、C 井區(qū)以及F 井區(qū)的東側(cè)，厚度10～19 m。東二下段晚期旋回為一次強(qiáng)烈的火山噴發(fā)活動(dòng)，溢流相分布較廣。沿主干斷裂分布的火山通道噴溢后，熔巖順斜坡向北流動(dòng)，A、B、C、D、E 井區(qū)均鉆遇這套溢流相玄武巖，厚度24.5～48.5 m。東二上段早期旋回溢流相主要沿主干斷裂東西向展布，整體厚度不大，僅5～14 m。分布范圍和厚度明顯小于東二下段晚期旋回。東二上段晚期旋回溢流相同樣也是沿主干斷裂東西向展布，但向北延伸范圍明顯擴(kuò)大，A、B、C、E 井區(qū)均有鉆遇，厚度14～23.5 m。東一段早期旋回火山活動(dòng)減弱，溢流相分布范圍收縮，僅發(fā)育于A、E 井區(qū)及其東側(cè)以及C 井區(qū)的東西兩側(cè)。其中E 井靠近火山通道，溢流相厚度較大，厚70.5 m。A 井厚度8 m。東一段晚期旋回火山活動(dòng)進(jìn)一步減弱，溢流相分布范圍也繼續(xù)收縮，厚度12.5～14 m。溢流相火山巖分布范圍和厚度顯示，研究區(qū)BZ34-9 構(gòu)造東二下段沉積早期至東一段沉積晚期經(jīng)歷了火山活動(dòng)由弱變強(qiáng)再減弱的過程。

4 鉆井工程中的應(yīng)用意義

4.1 火山溢流相巖石力學(xué)特征

火成巖巖石力學(xué)性質(zhì)及破壞機(jī)理是目前石油工業(yè)的難點(diǎn)及熱點(diǎn)問題。巖石力學(xué)性質(zhì)主要體現(xiàn)在巖石的彈性模量、泊松比、單軸/單軸強(qiáng)度等參數(shù)方面，從而表現(xiàn)出不同的脆性和塑性變形特征。巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)和測(cè)井解釋結(jié)果表明，BZ34-9 油田溢流相玄武巖的單軸抗壓強(qiáng)度為83～202 MPa，平均值為131 MPa，而火山沉積巖和正常沉積巖的單軸抗壓強(qiáng)度為17～82 MPa，平均值為41 MPa(圖4)，可見，溢流相玄武巖力學(xué)強(qiáng)度明顯高于沉積巖。從BZ34-9-A 井的測(cè)井解釋結(jié)果來看，巖性主要包括玄武巖、凝灰質(zhì)砂巖、泥巖、粉砂巖和細(xì)砂巖，相應(yīng)的力學(xué)參數(shù)分布差異大，地層整體上表現(xiàn)為強(qiáng)烈的非均質(zhì)特征。根據(jù)測(cè)井解釋結(jié)果，BZ34-9-A 井東一段玄武巖的單軸抗壓強(qiáng)度主要分布在72～124 MPa 之間，東二段玄武巖的單軸抗壓強(qiáng)度主要分布在73～145 MPa 之間，東三段玄武巖的單軸抗壓強(qiáng)度主要分布在103～166 MPa之間，顯示出隨深度變深而增大的趨勢(shì)。相對(duì)于玄武巖，其他巖性的單軸抗壓強(qiáng)度總體低于50 MPa，且各巖性之間差異小，隨深度變化趨勢(shì)不明顯。該井的彈性模量分布趨勢(shì)與抗壓強(qiáng)度非常相近，如玄武巖彈性模量明顯高于凝灰質(zhì)砂泥巖，凝灰質(zhì)砂泥巖彈性模量明顯稍高于正常沉積砂泥巖，而泊松比的分布趨勢(shì)正好與彈性模量趨勢(shì)相反?？梢姡摰貐^(qū)玄武巖的巖性堅(jiān)硬致密，塑性系數(shù)較低，泊松比較低，表現(xiàn)出明顯的脆性和彈性特征，可鉆性極差，在9.0 級(jí)左右，凝灰?guī)r地層堅(jiān)硬致密，巖石可鉆性差，級(jí)值介于6.0～10.0 之間，最高達(dá)到9.2 級(jí)，而正常沉積巖巖石硬度一般，抗壓強(qiáng)度不均勻，可鉆性在5.8～6.7 之間。這些力學(xué)性質(zhì)和強(qiáng)度的差異，都導(dǎo)致火成巖地層鉆井機(jī)械鉆速很低，鉆頭磨損、損壞嚴(yán)重。如BZ34-9 油田鉆探結(jié)果顯示，玄武巖的機(jī)械鉆速為5～31 m/h，平均值為18 m/h，火山沉積巖和正常沉積巖的機(jī)械鉆速為45～60 m/h，平均值為54 m/h。

4.2 巖石破碎程度預(yù)測(cè)

火成巖彈性模量高、脆性強(qiáng)，在構(gòu)造應(yīng)力作用下容易形成構(gòu)造裂縫和收縮裂縫，從而造成地層破碎、滲透性好，易引起卡鉆和裂縫性漏失，且儲(chǔ)層保護(hù)難度大。目前，常用的儲(chǔ)層裂縫或破裂預(yù)測(cè)方法有地質(zhì)統(tǒng)計(jì)法、地震屬性法、構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)模擬法、應(yīng)變能密度法等。然而，應(yīng)力是形成構(gòu)造裂縫的基本條件，因此在井密度低井區(qū)，構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)模擬法是預(yù)測(cè)裂縫分布的最有效手段。本次研究基于巖石力學(xué)參數(shù)解釋結(jié)果，首先建立包括火成巖、正常沉積巖和斷層單元的構(gòu)造地質(zhì)力學(xué)模型，其次設(shè)置地質(zhì)歷史時(shí)期的力學(xué)邊界條件，進(jìn)行應(yīng)力場(chǎng)數(shù)值模擬及應(yīng)力分量提取，如最大主應(yīng)力、中間主應(yīng)力、最小主應(yīng)力、剪應(yīng)力和應(yīng)力強(qiáng)度(最大主應(yīng)力與最小主應(yīng)力之差)的平面分布特征等。最終，基于模擬結(jié)果，采用巖石破裂率法，定量預(yù)測(cè)裂縫發(fā)育程度及分布范圍。

4.2.1 破裂準(zhǔn)則選取

通常情況下，在三向應(yīng)力狀態(tài)下脆性巖石的破裂形式主要有張破裂和剪切破裂兩種，其中，巖石是否發(fā)生剪切破裂主要采用庫(kù)倫?莫爾(Coulomb-Mohr)準(zhǔn)則來判別，而巖石是否發(fā)生張破裂主要采用格里菲斯(Griffith)破裂準(zhǔn)則來判別。格氏認(rèn)為，當(dāng)含有大量微細(xì)、似橢圓狀的裂隙脆性材料在應(yīng)力作用下，橢圓型裂隙周邊產(chǎn)生切向拉應(yīng)力集中且達(dá)到材料分子內(nèi)聚強(qiáng)度值時(shí)，將在該處開始沿某一方向發(fā)生破壞。當(dāng)有張應(yīng)力存在(σ3＜0)時(shí)，對(duì)于三維問題格里菲斯準(zhǔn)則可表述如下。

當(dāng)σ1+3σ3＞0時(shí)，受力條件為張剪，破裂判據(jù)為

當(dāng)σ1+3σ3≤0時(shí)，受力條件為純張性，破裂判據(jù)可簡(jiǎn)化為

式中，σ1、σ2、σ3分別為最大、中間、最小主應(yīng)力，MPa；σT為巖石單向拉伸實(shí)驗(yàn)的抗張強(qiáng)度，MPa；θ為破裂角，°。

庫(kù)倫-莫爾準(zhǔn)則認(rèn)為，巖石的破裂沿某一截面發(fā)生剪切破裂，不僅與該截面上的剪應(yīng)力大小有關(guān)，而且與該截面上的正應(yīng)力有關(guān)。壓縮狀態(tài)下，庫(kù)侖?莫爾準(zhǔn)則可用下述公式表示

由于線性包絡(luò)線對(duì)巖石的線性斷裂是個(gè)優(yōu)良的判據(jù)，還可以寫成主應(yīng)力的形式

巖石破裂面與最大主壓應(yīng)力間的交角破裂角θ為

4.2.2 巖石破裂率綜合表征

在構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)模擬的基礎(chǔ)上，針對(duì)不同的裂縫成因類型，采用不同的判別準(zhǔn)則，分別計(jì)算含火成巖地層的張應(yīng)力值和剪應(yīng)力值，通過與巖石抗張強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度的對(duì)比，判斷巖石是否發(fā)生破裂。為了計(jì)算方便，引入裂縫的張破裂率It和剪破裂率In［9］

式中，σNT為有效張應(yīng)力，MPa；σt為巖石抗張強(qiáng)度，MPa；τn為有效剪應(yīng)力，MPa；|τ|為巖石抗剪強(qiáng)度。

當(dāng)It＞1 時(shí)，張破裂產(chǎn)生；當(dāng)In＞1 時(shí)，剪破裂產(chǎn)生。這樣，在復(fù)雜應(yīng)力場(chǎng)中同時(shí)產(chǎn)生的巖石破裂率綜合值為

式中，a、b分別為巖心觀察統(tǒng)計(jì)得到的張性縫(包括張剪縫)和剪性縫所占比例，由BZ34-9-A 井、BZ34-9-B 井、BZ34-9-C 井等6 口井東營(yíng)組巖心的觀察統(tǒng)計(jì)結(jié)果確定了張裂縫與剪裂縫的數(shù)量比為7∶3。當(dāng)Iz＞1 時(shí)，巖石即發(fā)生破裂，且值越大代表破裂程度越高。為了對(duì)裂縫發(fā)育程度進(jìn)行定量預(yù)測(cè)，根據(jù)裂縫發(fā)育系數(shù)的分布情況，將裂縫發(fā)育程度劃分為3 個(gè)等級(jí)：當(dāng)1＜Iz≤2 時(shí)，為不發(fā)育；當(dāng)2＜Iz≤4 時(shí)，為一般發(fā)育；當(dāng)Iz＞4 時(shí)，為很發(fā)育。

4.2.3 地質(zhì)力學(xué)模型建立及裂縫分布預(yù)測(cè)

由構(gòu)造形跡力學(xué)分析可知，漸新世末期，BZ34-9 區(qū)受郯廬斷裂帶右旋走滑—伸展應(yīng)力場(chǎng)和深部巖漿上拱應(yīng)力場(chǎng)的聯(lián)合作用，形成了一些以NEE 向?yàn)橹鞯膹埿钥p和張剪縫。經(jīng)過反復(fù)嘗試，從而確定了研究區(qū)關(guān)鍵造縫期的力學(xué)邊界條件，具體為：東西邊界加載30 MPa 的右旋剪應(yīng)力，南北邊界固定，在底部火成巖分布位置加載40 MPa 的上拱力(圖6)，重力由模型自動(dòng)產(chǎn)生?？紤]到漸新世末或東營(yíng)組地層沉積后埋藏淺，上覆地層厚度小，最大為500 m，因此地層重力約為12～15 MPa 左右。賦予各單元力學(xué)參數(shù)并精細(xì)劃分網(wǎng)格后，獲得了漸新世末期東營(yíng)組地層內(nèi)的三維古構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)，代入巖石破裂率計(jì)算公式后，獲得了研究區(qū)東一段和東二段平面上裂縫的分布特征(圖7、圖8)。

圖6 BZ34-9 區(qū)東營(yíng)組地層漸新世構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)模擬力學(xué)模型Fig.6 Simulation mechanical model of Oligocene tectonic stress field of Dongying Formation in BZ34-9 block

圖7 BZ34-9 區(qū)東二段地層古應(yīng)力場(chǎng)及裂縫預(yù)測(cè)結(jié)果(應(yīng)力負(fù)值代表擠壓，正值代表拉張)Fig.7 Predicted paleostress field and fractures in Ed2 of BZ34-9 block (negative stress:compression;positive stress:tension)

由于東二段漸新世末右旋走滑—伸展作用，最大主應(yīng)力與最小主應(yīng)力分布趨勢(shì)差異大，前者應(yīng)力高值區(qū)沿著NE—SW 向呈長(zhǎng)條形展布，中段受火成巖和斷層的分割呈現(xiàn)出高低值相間分布的特征。最大主應(yīng)力在斷層帶及其附近的火成巖集中位置表現(xiàn)為拉張?zhí)卣?，有利于張性縫和張剪縫的發(fā)育。相比，東二段最小主應(yīng)力分布與巖石破裂率分布趨勢(shì)尤為相似，拉張應(yīng)力高值區(qū)集中在中部地區(qū)，且沿NEE—SWW 向展布，南部地區(qū)多為弱拉張或弱擠壓特征。最小主應(yīng)力方向總體上沿NW—SE 向展布，在中部火成巖分布區(qū)相對(duì)穩(wěn)定，而在西北部和東南部發(fā)生了轉(zhuǎn)向，即代表著整體應(yīng)力狀態(tài)的轉(zhuǎn)變。東二段巖石破裂率在研究區(qū)中部地區(qū)呈現(xiàn)高值，如BZ34-9-B 井區(qū)破裂率達(dá)到4 以上，相對(duì)地，BZ34-9-A 井區(qū)盡管破裂率在1.2 左右，但周邊破裂率仍達(dá)到4 以上，且正好位于東西向大斷層的上盤或主動(dòng)盤，在裂縫連通性較好的情況，該井也極易發(fā)生井漏。

東一段地層也受到漸新世末右旋走滑—伸展作用的影響，最大主應(yīng)力與最小主應(yīng)力分布趨勢(shì)也表現(xiàn)出較大差異。最大主應(yīng)力受火成巖零星分布影響，拉張應(yīng)力區(qū)不連片，大部分地區(qū)表現(xiàn)為擠壓作用。最小主應(yīng)力相對(duì)最大主應(yīng)力連片性好，拉張應(yīng)力區(qū)沿著東西向展布，且應(yīng)力方向變化快，明顯受中部火成巖和主斷層的分割作用。東一段巖石破裂率在研究區(qū)中部和西部地區(qū)呈現(xiàn)為高值，如BZ34-9-B井、BZ34-9-G 井的北部地區(qū)破裂率普遍達(dá)到了4 以上，相對(duì)地，BZ34-9-C 井、BZ34-9-F 井區(qū)破裂率在1.2～2 之間，屬于裂縫不發(fā)育區(qū)，受火成巖分布控制明顯。

4.3 火成巖區(qū)井漏實(shí)例及對(duì)應(yīng)工程措施

作為國(guó)內(nèi)海上第一個(gè)在火成巖發(fā)育區(qū)發(fā)現(xiàn)并投入開發(fā)的油田，BZ34-9 油田于2020 年2 月開始投產(chǎn)，計(jì)劃投產(chǎn)開發(fā)井57 口，其中生產(chǎn)井38 口、注水井19口，油田鉆完井作業(yè)難度極大。該油田上覆400～500 m 厚的火成巖，下部則是大型油藏，猶如千層巧克力奶油蛋糕一般，巧克力是火成巖，而奶油則是油氣藏，“巧克力”與“奶油”你中有我、我中有你，給鉆完井作業(yè)帶來各種難以預(yù)料的風(fēng)險(xiǎn)，如侵入巖漿展布預(yù)測(cè)難、對(duì)下覆儲(chǔ)層屏蔽效應(yīng)強(qiáng)、鉆進(jìn)機(jī)械速度慢、裂縫井漏、井區(qū)分散、鉆井費(fèi)用大等諸多問題。據(jù)統(tǒng)計(jì)，前期已鉆的9 口探井中，大部分已發(fā)生井漏事故，層位主要集中在下第三系的東營(yíng)組內(nèi)，與強(qiáng)烈脆性特征的火成巖分布密切相關(guān)。如，BZ34-9-G井在東營(yíng)組2 694～2 698 m、2 745～2 779 m 井段連續(xù)鉆遇穩(wěn)定玄武巖，四開旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)至2 694 m 時(shí)，井口突然失返，井下發(fā)生漏失，開泵至800 L/min 時(shí)發(fā)生漏失，監(jiān)測(cè)漏速20 m3/h。四開鉆進(jìn)至2 765 m 時(shí)，返出減小，循環(huán)池液面下降，監(jiān)測(cè)瞬時(shí)漏速20 m3/h，立即上提鉆具后，逐漸依次降低排量至1 200 L/min，監(jiān)測(cè)漏速5 m3/h。當(dāng)四開鉆進(jìn)至2 779 m 時(shí)，井口突然失返，期間持續(xù)向環(huán)空灌漿，監(jiān)測(cè)漏速15 m3/h，靜止堵漏成功。該井段基于應(yīng)力場(chǎng)模擬的巖石破裂率在1.8～3 之間，屬于中等裂縫發(fā)育區(qū)，但向北附近的巖石破裂率達(dá)到了4 以上，裂縫連通性好，指示發(fā)生井漏的可能性很大。BZ34-9-E 井東營(yíng)組鉆厚757 m，上部為火山巖與砂巖、泥巖互層，中部為厚層泥巖夾火山巖、細(xì)砂巖，下部為厚層砂巖與泥巖互層。根據(jù)地震資料解釋，該井在2 350 m 深度可能會(huì)鉆遇斷層，斷距約為9 m，在2 035～2 271 m、2 815～2 930 m深度段預(yù)計(jì)會(huì)鉆遇火成巖，在實(shí)際鉆進(jìn)過程中，工程人員密切注意了鉆井實(shí)時(shí)參數(shù)的變化，有效防止了2 035～2 271 m 深度段和斷點(diǎn)2 350 m 處的井漏發(fā)生。但鉆到2 815～2 930 m 深度時(shí)遇阻，并發(fā)生井下漏失，測(cè)循環(huán)漏速50 m3/h，期間共漏失鉆井液44 m3。該井漏失層位為一套層狀玄武巖，根據(jù)應(yīng)力場(chǎng)模擬結(jié)果顯示，東營(yíng)組巖石破裂率在2.5～6 之間，說明裂縫發(fā)育程度高，且連通性好，這是導(dǎo)致井漏發(fā)生的根本原因(圖9)。

圖9 BZ34-9 區(qū)東西向地層結(jié)構(gòu)剖面及井漏位置圖Fig.9 EW stratigraphic structure section and circulation loss position map of BZ34-9 block

而西南側(cè)的BZ34-9-H 井井漏并未發(fā)生在東營(yíng)組內(nèi)的玄武巖內(nèi)，而是發(fā)生在2 946 m 處的泥巖層內(nèi)。根據(jù)BZ34-9 油田鉆井揭示，東營(yíng)組巖漿巖成分相對(duì)單一，其中噴發(fā)玄武巖占86%，代表火山大范圍噴發(fā)的凝灰?guī)r類僅占14%。從該井地層結(jié)構(gòu)看，東營(yíng)組和沙河街組火成巖厚度薄，而砂巖和泥巖呈現(xiàn)為典型的互層狀態(tài)，基于構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)模擬的巖石破裂率主要分布在1.2～1.4 和1.8～2 兩個(gè)范圍內(nèi)，說明裂縫不發(fā)育，大幅度降低了井漏風(fēng)險(xiǎn)。

火成巖尤其是玄武巖發(fā)育段時(shí)常發(fā)生井壁坍塌掉塊、井漏、卡鉆等復(fù)雜情況，因此，有必要盡量避鉆或少鉆溢流相玄武巖，以提高鉆井時(shí)效，加快油田投產(chǎn)進(jìn)程。在滿足油藏需求以及權(quán)衡鉆井時(shí)效和進(jìn)尺前提下，通過以下優(yōu)化定向井軌跡的方法或者微調(diào)靶點(diǎn)的方式來避鉆或少鉆火成巖：(1)在軌跡允許的條件下直接避開溢流相火山巖發(fā)育段(圖10a)；(2)針對(duì)無(wú)法避鉆的溢流相火山巖，選擇厚度較小的層段穿過(圖10b)。最終，以生產(chǎn)全面提速為目標(biāo)，實(shí)行“一井一策、一層一策”優(yōu)化單井設(shè)計(jì)，通過對(duì)井身結(jié)構(gòu)進(jìn)行“增、減、瘦”，規(guī)避井壁失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)，減少鉆遇火成巖數(shù)千米。

圖10 BZ34-9 油田定向井軌跡優(yōu)化模式Fig.10 Trajectory optimization mode of directional wells in BZ34-9 Oilfield

5 結(jié)論

(1)受軟流圈物質(zhì)沿著巖石圈軟弱帶持續(xù)強(qiáng)烈抬升和郯廬走滑斷裂東支和西支的相互作用，在黃河口凹陷中洼南緩坡帶BZ34-9 和KL4-1 構(gòu)造區(qū)產(chǎn)生兩組共軛走滑斷裂，火山通道大多沿這兩組共軛走滑斷裂呈串珠狀分布，以裂隙式噴發(fā)為特征。

(2)火成巖垂向上主要分布于東營(yíng)組一段和二段，巖性以溢流相玄武巖和火山沉積相凝灰質(zhì)泥巖、凝灰質(zhì)砂巖和沉凝灰?guī)r為主。

(3)東營(yíng)組一段和二段自下而上識(shí)別出6 個(gè)火山噴發(fā)旋回，16 個(gè)火山噴發(fā)期次。其中東二下段晚期旋回和東二上段早、晚期旋回分布范圍較廣，東二下段早期旋回和東一段早、晚期旋回規(guī)模較小，說明研究區(qū)火山活動(dòng)經(jīng)歷了由弱到強(qiáng)再逐步減弱的過程。

(4)火山溢流相分布特征研究及巖石破裂率預(yù)測(cè)為開發(fā)井軌跡優(yōu)化以及鉆具、鉆井參數(shù)、鉆井液優(yōu)選提供可靠依據(jù)，為提高鉆井時(shí)效、加快油田投產(chǎn)進(jìn)程奠定基礎(chǔ)。