库车坳陷古近系盐底卡层技术研究与应用

郇志鹏 胡剑风 王志民 宋金鹏 莫 涛 郝祥保田盼盼 崔德育 杨敬博 李浩平 刘新宇 平忠伟

（ 1 中国石油塔里木油田公司勘探事业部；2 中国石油塔里木油田公司勘探开发研究院；3 中国石油塔里木油田公司克拉油气开发部；4 中国石油塔里木油田公司资源勘查处 ）

0 引言

膏盐岩是指在充足的盐类物质来源、封闭、稳定沉降的构造条件和干旱气候条件下形成的蒸发岩[1]，主要由石膏、硬石膏、石盐、盐类物质组成。资料显示，膏盐岩沉积盆地油气资源量巨大，全球含膏盐岩沉积盆地约占含工业油气田沉积盆地的58%，却控制着已探明油气储量的90%[2]。作为西气东输主力气源地，塔里木盆地库车坳陷克拉苏气田古近系发育巨厚膏盐岩，蠕变性极强，钻井过程中多出现缩径卡钻、高压盐水溢流与盐间薄弱层井漏同出等复杂情况，严重威胁钻井安全，制约盐下目的层勘探开发进程。

目前，库车坳陷古近系钻探过程中，需要卡准膏盐岩底界并下技术套管封固全部膏盐岩。由于古近系膏盐岩层埋藏深、地层岩性复杂、蠕动压力大，盐下地层承压能力差；受沉积、构造挤压影响，盐层厚度变化大，井间可对比性差，盐底缺乏统一综合对比性标志，导致膏盐岩段底界卡层过程中，往往面临“多打不行、少打不行”的难题：膏盐岩段蠕变性强[3]、与盐下地层压力系数差异大，钻揭过多易恶性井漏进而卡钻；而受现有的井身结构限制，缺乏备用套管，少打会造成漏封膏盐岩层，在下部地层钻探过程中钻井液密度较低情况下，不能平衡地层压力而造成极大安全隐患。而膏盐岩层厚度分布变化大，在地震剖面上多表现为弱反射、杂乱反射或空白反射特征[4-5]，底界往往难以准确预测；饱和盐水钻井液又使得氯离子分析受限制；盐底泥岩与盐间泥岩宏观特征差别小，常规随钻判别是否钻穿膏盐岩层难度极大。为此，需要在沉积成因及演化规律等研究基础上，对膏盐岩底界进行精准定量识别，实现从地质研究出发解决工程难题、用工程手段验证地质认识。

1 概况

库车坳陷位于塔里木盆地北部，属于南天山褶皱带南缘再生前陆盆地[6-9]，内部构造南北分区、东西分段，地层上下分层。坳陷内古近系库姆格列木群（E1-2km）和新近系吉迪克组（N1j）发育巨厚膏盐岩（图1），埋藏超深，最深可达7000～8000m，厚约100～3000m，局部达4400m；库姆格列木群内部根据岩性组合分为上泥岩段、盐岩段、中泥岩段、膏盐岩段、下泥岩段。盐岩致密、封盖性强，垂向上与三叠系、侏罗系烃源岩和白垩系储层形成了极佳的生—储—盖组合。巨厚膏盐岩致密、塑性强、易流动、导热性强，使盐下地层温度降低、压力升高[10-11]，延缓了有机质热演化及压实、胶结等成岩作用进程[9]，有利于储层物性的保存及改善，也吸收了构造应力[12-13]，从而在强烈构造挤压下有效保存油气藏[14]。

图1 库车坳陷构造单元划分及沉积序列Fig.1 Structure units and sedimentary sequence in Kuqa Depression

膏盐岩独特的物理性质及分布特征给盐底卡层带来巨大挑战。2010 年之前，对盐层分布及盐底泥岩特征认识不清，卡层不准导致的恶性事故频发，卡层成功率仅有50%。据不完全统计，因盐底卡层出现问题而导致的复杂、事故井共计15 口，累计损失周期845 天，费用达2.47 亿元。2010 年以后，结合欠压实理论，总结盐底标志性泥岩与盐间泥岩的差异并定性区分，使盐底卡层成功率提高至85%。但定性指标过于依赖现场操作人员的经验，同时提速工具、钻头等手段进步使得以往的定性指标不再适用，现场需要对盐底泥岩进行定量识别，为精准识别盐底、安全快速钻井提供理论支撑及技术保障。

2 古近系多盐湖沉积模式

区域构造研究表明，古新世时期，库车坳陷处于伸展构造环境下的断坳型盆地演化阶段[12]，气候干热，经受多次来自西南部的大规模海侵[15-17]。根据白垩系残余厚度恢复库车坳陷古地貌显示，坳陷地势整体西低东高，局部存在次级洼地，隆洼相间；不同岩性段沉积时期，沉积中心平面频繁迁移，洼地残留海水蒸发浓缩，发育多期、多个盐湖（图2）。

实钻120 余口井膏盐岩层各岩性段平面分布及实钻厚度对比结果表明，古新世早期，受古地貌限制，大北地区主要为盐湖—潮坪环境[17-18]，沉积泥岩—膏岩—盐岩岩性序列，盐岩发育范围局限、层薄（图2a）；东北部受淡水携带的大量陆源碎屑和丰富的Ca2+、Mg2+等化学成分影响，发育扇三角洲相的陆源碎屑岩、碳酸盐岩（图2b）。之后海侵范围扩大，湖盆由盐滩、膏坪转为宽缓潟湖，博孜、克深盐湖群（盐湖Ⅳ、Ⅴ和盐湖Ⅵ、Ⅶ、Ⅷ）形成，平面沉积广泛的膏盐岩（图2c），其上发育碳酸盐岩（西部以石灰岩为主，东部及古隆起边部以白云岩为主）。此后，湖泊短暂淡化后再次大规模海侵，形成薄层碎屑岩夹盐岩，上覆后期蒸发浓缩形成的厚层盐岩（图2d、e）。

整体上，库车坳陷古近系库姆格列木群沉积受古地貌控制，多期次、多盐湖浓缩成盐，呈现多套沉积旋回，完整岩性序列自下而上包括底砂岩—泥岩—膏岩—盐岩—云下膏岩—白云岩—云上膏岩—泥岩，上覆厚层盐岩；平面上，各盐湖自中心至边缘，盐岩—膏岩—碳酸盐岩（局部缺失）—砂泥岩依次呈环带状分布。根据盐底岩性序列，平面上将库车坳陷古近系盐湖群划分为8 个（图2c），不同盐湖之间、同一盐湖内不同位置，标志性岩石组合差异较大。正常而言，自盐湖边缘至中心，陆源淡水影响逐渐减弱，岩性序列出现无盐岩—薄层盐岩—厚层盐岩变化。其中，盐湖Ⅳ、Ⅴ中心及盐湖Ⅶ、Ⅷ盐底的一套白云岩/石灰岩下仍发育薄层盐岩；盐湖Ⅴ、Ⅷ等边缘盐底的一套白云岩/石灰岩之下不发育盐岩，钻揭白云岩/石灰岩后即可中完；盐湖Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ中心岩性序列复杂，见两套甚至多套白云岩/石灰岩，下部发育数套盐岩。同时，受局部多次海侵、构造作用影响，正常、标志性岩性组合易扰乱、重复，给现场判断盐底造成困扰。

图2 库车坳陷古近纪不同阶段岩相古地理图Fig.2 Lithofacies paleogeography in different period of the Paleogene in Kuqa Depression

3 盐底泥岩判别定量指标

库车坳陷古近系卡取盐底的关键在于及时、准确识别盐底泥岩。成因上，盐底泥岩形成于古新世早期最大范围的一次湖进，为成盐前干旱气候下淡水河流—湖相沉积产物，水体浓缩程度低，并且经历正常埋藏、成岩过程，方解石等钙质及云质胶结物发育，硬度高、可钻性差；而盐间泥岩形成于盐湖沉积期，石膏等蒸发矿物发育，欠压实，成岩程度低、性软，钻时低。基于此，现场选取反映可钻性的微钻时、反映岩层硬度的泥岩切削系数、碳酸盐含量，以及反映沉积时气候、水体盐度的Sr/Cu、P、Cl、Mg[19-21]等元素含量及比值，定量区别盐间泥岩与盐底泥岩。

3.1 微钻时

微钻时即钻揭0.1m 地层所需要的时间。盐底泥岩硬、脆，可钻性差，钻时较高，多在150min/m 左右（微钻时多为5～12min/0.1m），岩屑呈片状，可明显观察到泥岩的聚晶金刚石复合片钻头（PDC）切削面；而盐间地层由于膏盐岩沉积脱水、致密性、塑性、流动性、高热导率等性质，往往形成异常高压[22]，导致岩石疏松，泥岩性软，微钻时多为0.8～2.5min/0.1m。而盐层岩心显示，盐岩与泥岩多交互、混杂，之间存在岩性过渡段（图3），导致微钻时出现不均匀变化。为消除过渡段泥质较高微钻时对盐底判断的影响，结合现场实钻经验，认为控压钻进过程中，微钻时连续10 个点为之前快钻时的2～3 倍或连续5 个点达到快钻时的3 倍以上，可判断钻揭盐底泥岩。

图3 库车坳陷古近系盐层岩性过渡段Fig.3 Lithologic transition section of the Paleogene salt layer in Kuqa Depression

3.2 泥岩切削系数

实践发现，相同钻头类型条件下，盐间泥岩岩屑块大、厚；底板泥岩硬、脆，呈片状、较弯曲。为消除钻头类型、钻井参数及提速工具的影响，并进一步定量区分盐间泥岩与盐底泥岩，根据现场统计数据，提出泥岩切削系数L/H：其中H为钻头吃入地层深度（mm），L为岩屑宽度（mm）。当L/H为1～3 时，为盐间欠压实泥岩；当L/H＞3 时，判断为盐底泥岩（图4）。

图4 古近系盐间泥岩与盐底泥岩岩屑切削特征对比Fig.4 Comparison of cuttings feature between inter-salt mudstone and base-salt mudstone of the Paleogene

3.3 碳酸盐含量

盐底泥岩沉积时，陆源淡水注入的Ca2+、Mg2+等化学成分丰富。同时，样品全岩X 射线衍射分析数据表明，盐底泥岩黏土矿物含量约为24.5%，其中，绿泥石、伊/蒙混层含量分别为27%、16%，约为盐间泥岩含量的两倍（图5）。成岩过程中，盐底泥岩中的高岭石和蒙脱石向伊利石、伊/蒙混层和绿泥石转化程度高，形成的Ca2+、Mg2+、Fe2+及CO32-成分含量高[23-24]。

图5 古近系盐间泥岩与盐底泥岩黏土矿物组成及含量Fig.5 Comparison of clay mineral composition and content between inter-salt mudstone and base-salt mudstone of the Paleogene

沉积、成岩过程中丰富的灰质、云质，导致盐底泥岩中碳酸盐总含量高（约占10%～20%），其中反映干旱环境的白云石胶结物含量相对较高（5%～15%）[25]。因此，钻井过程中，岩屑中的碳酸盐含量明显升高（混样碳酸盐含量多为10%～20%，挑样多为50%～70%），是识别盐底泥岩的重要标志。但由于库车坳陷经历多次海侵、浓缩，部分地区发育多套灰/云质岩（盐湖Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ局部），仅依靠碳酸盐含量判断盐底并不十分可靠。

3.4 元素含量及比值

近年来，在库车坳陷盐湖沉积演化规律研究的基础上，现场应用并推广了元素录井技术，使得盐底泥岩识别准确率大幅提升。受沉积时气候、水体盐度等控制，盐间、盐底等不同层位的泥岩单元素含量和元素比值等复合指标差异明显。盐底泥岩沉积时，水体浓缩程度低，盐度小，Cl 元素含量多在0.5%～1%，而Mg 元素含量多为1%～5%；盐间泥岩Cl 元素含量多为1%～5%，Mg 元素含量整体分布范围较盐底泥岩略低。钻井岩屑的元素录井分析数据出现Cl 元素含量持续降低至1%以下、Mg 元素含量连续上升至2.5%以上、Mn 元素含量上升至0.13%以上，可判断钻遇盐底泥岩。随着沉积环境的渐变，不同元素含量变化趋势一致但幅度各异，Mg/Cl、K/Cl、Mg/Ca 等元素比值可以更为明显地体现其微小变化（图6）。元素含量及比值与区域沉积环境相符，作为盐底泥岩的识别依据准确性高，尤其出现多套或缺失标志层时具有独特优势。

图6 古近系盐间与盐下泥岩元素含量及比值交会图版Fig.6 Cross plots of element contents and ratio between inter-salt mudstone and base-salt mudstone of the Paleogene

现场实际使用过程中，根据钻时特征、岩屑切削特征、元素含量等各类定量指标，分别建立各盐湖盐底泥岩卡层图版，便于现场使用、综合判断（图7）。部分井在盐底界面卡取中，各类指标互相矛盾、难以决策时，可采取更换小钻头钻探工程导眼进行试探。

图7 库车坳陷古近系博孜盐湖Ⅴ盐底卡层图版Fig.7 Discrimination plate of the Paleogene base salt rock in Bozi area in Kuqa Depression

4 盐底卡层方法及操作流程

在沉积演化研究、成因分析及定量指标建立的基础上，结合现场工程技术措施，总结形成并逐步完善了盐底卡层系列方法技术及标准操作流程。

（1）科研与生产相结合，厘定沉积模式。强化资料管理，熟悉区域地质规律，建立本井盐底卡层数据库。了解邻井膏盐岩段使用的钻井液密度、钻遇的高压盐水层段等复杂状况、盐底岩性组合序列、盐底中完流程、钻揭下泥岩段厚度等相关资料，为本井盐底中完卡层提供详细的地质、工程参考资料。同时根据邻井实钻盐底及本井地震资料预测盐底大致的深度范围，结合本井位的古构造位置，初步确定所处的盐湖类型，分析经历的海侵等构造活动，预判盐底可能发育的岩性组合；由研究人员、地质专家共同预测本井盐底岩性组合及标志特征，明确中完原则并制定详细的工程方案，包括各类定量参数达到临界值时的中完原则、可能出现的高压盐水层溢流等复杂的应对措施等，及时进行现场地质交底。

（2）地质工程一体化，制定卡层方案。工程上，保持钻头类型、钻压、转速等钻井参数恒定，为盐底卡层阶段通过钻时实时推测井底岩性提供条件。钻时现场地质人员根据不同的岩性序列组合进行精细地层对比，实时反馈井底最新的微钻时数据、岩性及形状特征、碳酸盐含量及元素录井等随钻定量数据；科研人员根据实钻数据及时标定、判断井底层位，并与邻井实钻盐底进行精细地层对比；现场技术专家及管理人员综合各方资料，结合本区域盐湖盐底卡层图版，分析各定量指标特征，综合判断、确定盐底位置，及时调整卡层方案。同时，与工程技术人员根据钻井实况进行地质风险评估并制定针对性的风险消减措施，确定地质循环、起钻甩Power-V 提速工具、更换小钻头钻探工程导眼等关键时机。针对仍然存在疑问的井，通过电阻率测井开展井震联合标定和精细对比，最终确定盐底。

（3）生产管理一体化，强化盐底卡层过程管理及经验总结。库车坳陷盐底卡层直接影响工程安全甚至钻井成败，因此，各方人员均执行最严格的选拔、管理标准。钻井工程由人员技术过硬的甲级资质队伍实施，地质录井要求队伍盐层钻进经验丰富，并通过日常教育、管理强化坐岗及异常预报制度，提高人员责任心。同时，在盐底卡层阶段，生产、科研及管理单位均选拔、派驻骨干技术人员全天候进驻作业现场，提前向关键岗位交底卡层原则，实时关注生产动态，及时判断、汇报、决策。卡层过程中，现场技术人员实时汇报实钻情况，技术专家共同研究讨论、决策下步工程措施。卡层完成后，加强经验总结，收集相关的地质认识、技术措施及工程手段并形成文字材料，强化理论认识、提升技术及管理水平。2018 年以来，总结历年卡层地质认识、管理经验及相关典型案例，组织编写形成《库车坳陷盐底卡层手册》，指导现场实践。

5 应用效果

博孜902 井是部署在博孜9 构造东高点、位于盐湖Ⅰ内的一口评价井，与邻井地层可对比性差，盐底组合模式存在不确定性。同时，钻进过程中排量较低、井深接近8000m，迟到时间约为7～8h，井筒内岩屑较多；钻井液密度为2.38g/cm3，揭开盐底泥岩过多极有可能发生恶性漏失，卡层操作难度大。盐底卡层过程中，结合图版，实时分析各项定量指标的变化情况：钻时从70～90min/m（慢钻时为石膏）降至30～50min/m，微钻时从6～15min/0.1m 降至2～5min/0.1m，怀疑岩性发生变化，及时开展地质循环；上返岩屑中，泥岩形态偏碎、细小；碳酸盐含量相对较低，约为3%～5%，而区域碳酸盐含量为10%～14%；Cl 元素含量连续降低至0.2%～0.3%，明显区别于中泥岩段，综合判断钻揭盐底泥岩而及时中完。最终证实盐底泥岩钻揭1.4m，实现精确卡层。

自2018 年至今，总结形成库车坳陷古近系盐底中完卡层配套技术和管理办法，在克深、大北、博孜等地区新开钻的31 口探井中推广应用，准确识别了中秋1、博孜9 等井盐底泥岩，盐底卡层成功率得以大幅提升并连年保持在100%，标志着多年来困扰、制约库车山前超深井安全、快速钻进的地质难题被彻底攻克[26]。实践中，配套技术和管理办法逐步丰富、完善，助推了克拉苏万亿立方米大气田勘探突破及快速建产[26-28]，累计节约周期约269 天、节约费用7680 余万元，为库车山前超深层天然气生产基地和塔里木油田3000×104t 大油气田建设提供了坚实的技术保障。

6 结论

（1）库车坳陷古近系沉积受构造运动、古气候、古地貌多因素控制，垂向上多期次浓缩成岩，发育多套沉积旋回；平面上，先后发育大北（盐湖Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ）、博孜（盐湖Ⅳ、Ⅴ）、克深（Ⅵ、Ⅶ、Ⅷ）等8 个盐湖群。不同位置的盐湖群盐底呈一套白云岩/石灰岩（下部发育薄层盐岩或不发育盐岩）或两套甚至多套白云岩/石灰岩（下部发育数套盐岩）等岩性序列，现场卡层需要分别采取针对性技术措施。

（2）受气候、水体等沉积环境影响，盐间泥岩与盐底泥岩成分元素、矿物等含量差异明显。在理论研究基础上，优选微钻时、泥岩切削系数、碳酸盐含量、元素含量及比值等定量特征指标，可准确、快速区别盐间泥岩与盐底泥岩。

（3）地质工程一体化理念指导下形成的盐底卡层系列定量指标，在库车坳陷古近系应用效果良好；现场实践中配套形成的盐底卡层操作流程及相应管理办法，为克深、博孜—大北等克拉苏超深天然气田安全快速钻井、高效建产提供了坚实的技术支撑。