当前油气资源开发不断走向地球深部领域[1],加快深层—超深层油气勘探开发,对老油气区扩大储量、稳定产量、寻找新区拓展领域,以及保障国家能源安全具有重要意义[1-4]。中国深层—超深层油气资源占全国油气资源总量的34%[5]。
塔里木盆地是中国深层—超深层油气资源勘探开发的重要区块之一[6],库车坳陷白垩系砂岩储层和台盆区寒武系盐下深层储层,埋藏深度甚至超过8000m,如克深9气藏、博孜8气藏的埋深接近8000m,轮探1井在8200m以深获得了高产工业油流。但随着埋深越来越大,地质条件愈加复杂,在深层—超深层油气勘探开发和钻完井工程施工方面面临着巨大的挑战。特别是超深层钻井过程中频发的钻井复杂事故和面临的井控安全风险,说明深部岩体性质可能完全异于浅部,深部处于高地应力环境,聚集高强度能量。然而,深地钻探中与油气钻探工程技术相关的特殊地质因素研究,往往滞后于工程实践活动,而深层特殊地质体易变形失稳,且伴随高压、高温、高应力聚集的高强度能量,导致重大灾害事故风险高[7]。
目前,对这些潜在聚集高能量、大尺度碎裂化和含有毒有害气体等特殊岩体的研究有限,对于钻探工程的地质因素分析主要集中在3个方面[8-9]:一是对地层岩性和层位信息的预测; 二是对地层岩石力学和地应力的评估; 三是对地层孔隙压力、坍塌压力和破裂压力的预测。首先,这种工程地质研究手段对造成钻井工程复杂背后的地质因素和理化机理研究,不能定量化确定钻探工程面临的安全风险和钻井难度; 其次,不同层系,尤其是深部古老岩体和特殊岩体的综合属性对钻井工程影响研究的缺失,导致超深层钻井中复杂事故频发,甚至面临由于深层高强度能量释放引起的重大灾难。
针对上述问题,本文系统分析了超深层钻井的地质因素,从地表、中浅层非目的层至超深储层全层系,建立特殊地质因素与钻井工程之间的对应关系,归纳总结为5种特殊地质因素,即特殊地表、特殊岩体、特殊地质行迹、特殊流体和特殊温压场,简称地质“五特”。通过描述地质“五特”的力学特征,形成了一套针对每种特殊地质信息的研究与描述方法,以库车坳陷和塔北隆起钻探地质工程设计和随钻应用为例,证实了地质“五特”理念与研究方法在实践中的科学性和有效性。地质“五特”的提出及成功应用,解决了超深层油气钻探工程地质参数定量预测和方案定量优化难题,对中国西部和其他地区深层—超深层油气勘探开发有着重要的指导意义。
1 “五特”形成的地质背景塔里木盆地具有“三隆四坳”的构造格局,可划分为塔北隆起、中央隆起、东南隆起、库车坳陷、北部坳陷、西南坳陷、东南坳陷7个一级构造单元(图 1a)。不同部位钻遇的地质因素不同,并且地质“五特”的形成与盆地构造演化旋回及其控制下的沉积地层密切相关。受全球超大陆离散和聚敛旋回控制,盆地发育三大伸展—挤压构造旋回。每个构造旋回的拉张阶段,早期发育火成岩及其相关的侵入体,晚期易于形成近源粗碎屑物质沉积。而在挤压阶段,克拉通周缘易于形成冲断带和周缘前陆盆地,靠近造山带一侧往往形成磨拉石等快速沉积粗粒地层,而远离造山带一侧由于水体较深,往往容易沉积细粒地层[10-14]。
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图 1 塔里木盆地构造单元划分和典型地质结构剖面 Fig. 1 Division of structural units and typical structural sections in Tarim Basin |
塔里木盆地不同地区勘探目的层不一样,面临的地质“五特”情况也不相同。库车坳陷目的层主要为白垩系,钻探过程中会钻遇特殊地表,如高大山体和高陡浅层地层; 特殊岩体,如第四系巨厚砾石层、古近系—新近系巨厚膏盐岩层和白垩系裂缝性砂岩地层; 特殊地质行迹,如断层、裂缝带; 特殊流体,如高压盐水; 特殊温压场,包括古近系盐间地层压力普遍高于盐下白垩系地层压力,中浅层碎屑岩油区因采油导致的压力亏空和因注水导致的局部非稳态超压等,以及超深白垩系目地层的高温、超高压。同时若目的层为侏罗系,还可钻遇特殊岩体,即侏罗系煤系地层(图 1b)。在台盆区,由于目的层为奥陶系或更深层的震旦系—寒武系碳酸盐岩地层,因此也面临许多地质“五特”问题。在特殊地表方面,应先钻穿沙漠或戈壁层; 在特殊岩体方面,会钻遇二叠系火成岩、石炭系碳酸盐岩和膏泥岩、中—下奥陶统石灰岩及震旦系—寒武系白云岩; 在特殊地质行迹方面,可能会钻遇走滑断裂破碎带、碳酸盐岩缝洞体和多期不整合面; 在特殊流体方面,可能钻遇硫化氢、二氧化碳及浅层非目的层油气; 在特殊温压场方面,可能会钻遇深部定容缝洞体,导致压力异常(图 1c)。这些地质“五特”的存在均给钻探带来了巨大的挑战,钻井工程面临巨大的风险。
2 地质“五特”与钻井工程的关联地质“五特”与超深层钻井井身结构、井控安全和稳定钻井等工程属性密切相关(表 1)。特殊地表主要影响井口位置,其位置的调整会造成相应井型、井眼轨迹的改变和优化。特殊岩体、特殊地质行迹主要影响井壁稳定性,需要通过优化钻井液体系和物理封隔手段共同克服其带来的难题。特殊温压场、特殊流体是井控安全最大的隐患,压力异常层段相对独立,受到相邻层段坍塌、漏失压力的影响,钻井液在维持井壁稳定性的同时还需平衡漏失和溢流之间的矛盾。
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表 1 地质“五特”与钻井工程的关联性 Table 1 Relationship between "five-special" geological characteristics and drilling engineering |
特殊地表指不利于布置井点的位置,一般包括地质地貌、环境系统、文物古迹、居民生活及工业生产活动等。一方面,复杂的地表将直接影响钻井工程设计、作业和险情排除等; 另一方面钻井作业过程又可能对地表环境、水源、文物古迹等产生破坏性影响,同时一旦井场发生紧急情况,可能对周边民居和设施造成毁灭性的灾难。
特殊岩体将直接影响钻井速度、质量和井控安全。钻遇巨厚砾石、强研磨砂岩等高抗钻岩体,直接导致钻具机械钻速下降,降低钻井效率,大幅增加钻井成本。在膏盐岩、软泥岩等高流变性岩体钻进,将导致井眼频繁缩径,产生蠕变性钻井复杂,延误钻井周期。另外,如钻遇裂缝性砂泥互层岩体、煤层及火成岩等含多弱面的高强度岩体,钻进中将频繁发生垮塌和漏失等钻井复杂,间接降低钻井效率和增加成本。
特殊地质行迹主要包括断裂、裂缝、不整合面等地质结构面,由于其在力学行为上产生弱面效应和强度各向异性,在钻井过程中将直接降低漏失压力,增大漏失风险,同时将增加井壁失稳风险,造成钻井复杂,导致钻井周期和安全风险增加。
特殊流体主要指异常高压流体,钻井工程直接井控安全风险隐患来源于地层孔隙流体中赋存的压力超过井底可控压力,进而引发地下流体外溢,最终导致严重井喷险情的地质环境。因此特殊流体和特殊温压场与钻井井控安全直接相关。其中特殊流体是引起井控安全风险的基本条件,首先地下存在孔隙空间,当赋存流体时,才有地层孔隙流体压力的概念。特殊流体中还包含如硫化氢、二氧化碳等有毒有害物质,可能对地面人员及地下钻具造成严重损伤。
特殊温压场是指在地下特殊地质环境下可能出现异常高或异常低的温压场,异常高压可能直接导致地层流体发生溢流或井涌。另外,地下高温环境将有可能导致井下动力钻具、震击器、减振器、轴承密封等工具仪器失效,导致钻井事故。同时高压也有可能使井壁产生附件热应力,从而间接加剧井壁失稳趋势。
3 地质“五特”的力学特征地质体的力学行为始终围绕在超深层油气钻探的全过程。地质“五特”的力学机制对钻探工程的安全、成本、质量和效率均有深远的影响。
3.1 地质体与力的关系岩石是一种地质产物,力学性质是岩石的一种基本属性; 从地质构造形成演化角度,地质构造是地壳中的作用力达到或超过岩石强度极限或屈服极限,岩石发生构造变形而形成的[15-16]。因此,地质学中研究的各种地质构造现象,其形成与力之间存在着密切的依存关系。要研究地质构造的成因、形成机制,就要研究力在地壳中的分布规律,以及地质构造与作用力之间的几何和空间关系。
如图 2所示,在构造挤压应力作用下,地质构造形态及地应力类型沿着挤压应力传播方向规律变化。从南天山至台盆区,横向上挤压应力逐渐降低,形成一个倾斜的不稳定面,而地应力类型的过渡界面也与不稳定面平行(图 2a)。地应力控制构造变形,因而构造形态遵循地应力的分布,横向上,从南天山的高角度基底卷入构造样式逐渐过渡为低角度基底卷入构造样式,纵向上,再过渡为盖层滑脱构造样式。这种源自南天山的挤压应力传播到塔北隆起基本停止耗散,对塔北隆起的构造基本不产生影响。由于地质体的复杂性,比如库车坳陷广泛分布的盐岩及纵向上挤压应力的不断增加,实际不稳定面和地应力类型过渡界面会更为复杂(图 2b),但总体趋势是不变的。
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图 2 塔里木盆地天山山前—台盆区地应力类型分布机理 Fig. 2 Distribution of different types of in-situ stress in Tianshan piedmont-platform in Tarim Basin |
钻探工程中的特殊岩体一般指对钻井工程安全和效率有重要影响的砾岩、盐岩、煤层、火成岩和碳酸盐岩等。
砾岩的胶结程度和抗压强度、抗张强度及抗剪强度一般较低。在外部载荷作用下易发生剪切、绕砾或穿砾破坏[17-18]。在钻井过程中容易形成不规则的崩落椭圆,特别是大粒径砾石发育区,裂缝优先向附近砾石集中区域扩展,初始扩展路径会发生改变,延伸距离远,影响范围大[18]。
盐岩属于一种强度较低、变形较大的软岩,其承载能力随围岩的增大而增大,强度受加载应变速率的影响,加载的应变速率增大,将使得盐岩的脆性增加[19-20]。另外,盐岩还具有明显的蠕变特性,其蠕变率随着时间的增长而持续降低,没有稳定的直线段,蠕变率与时间呈现良好的幂函数关系。当盐层发育时,导致地层力学特性差异,影响现今地应力场状态及压裂缝延伸扩展。
3.3 特殊地质行迹的力学行为及其效应断裂带/裂缝带等非连续体必然引起地层的强非均质性。在外部载荷作用时,首先表现为应力分布的不均一性,产生局部应力[15],其与非连续结构面的耦合作用导致地应力方向发生变化[21]。
一般非连续体的存在会干扰区域应力状态,造成局部应力场与区域应力场明显差异[22-27]。非连续体在不同应力状态下的重复活动对钻井安全也是巨大威胁。由于非连续体本身已不存在强度而只有摩擦阻力,所以降低了重新活动所需要的应力[28],增加了岩石的不稳定性。
3.4 流体与温压场对地质力学行为的影响岩石一般是由岩石骨架和流动的孔隙流体组成[29]。地下深层温度变化时,岩石复杂的组分和微细结构也将随之发生变化。由于岩石中的矿物颗粒热膨胀系数不同,导致其热胀冷缩程度差异较大,温度变化将使岩石中矿物颗粒的力学性能发生改变,同时由于其热力学效应不一致,加之岩石内部存在大量微裂纹、微孔洞等结构,将导致岩石内部应力分布状态的变化,并引起岩石微细结构状态的改变。当温度升高到一定程度,岩石的弹性模量等随之升高,产生的热应力引起颗粒与颗粒边界和颗粒与胶结物边界的热开裂、引起原有微裂纹的张开或闭合,以及导致岩石中矿物颗粒的破碎; 另外,温度还会引起孔隙流体黏度变化,从而影响饱和岩石的宏观力学参数的变化[30]。
4 基于地质“五特”的超深层安全快速钻井技术 4.1 超深层碎屑岩安全快速钻井技术 4.1.1 KS气藏“五特”地质特征KS气藏是库车坳陷克拉苏构造带典型的超深层裂缝性砂岩气藏,位于克拉苏构造带中东部,具有储层埋藏深度大、浅部地层倾角高、发育巨厚膏盐岩、孔隙度和渗透率低、温度高、压力高、应力集中程度高的特点。
KS气藏所处位置的地表发育喀桑托开背斜,北高南低、北陡南缓,为典型的“错断型”顶篷结构。在顶篷构造之下的古近系库姆格列木群膏盐岩大量聚集,形成巨厚的盐体,具有强烈塑性流动特征,盐下普遍发育挤压强烈的逆冲叠瓦构造[31]。KS气藏的大多部位处于上盘断层投影线以北,即位于上盘构造的叠置区内。KS气藏普遍发育高角度天然裂缝,属于超深层裂缝性气藏,然而裂缝的发育极不均匀,特别在超深层复杂应力条件下裂缝和油气水等流体的交互关系更为复杂。
因此,KS气藏的油气钻探工程具有极大的复杂性和挑战性,可能存在以下风险:一是地表为高大山体,这种“特殊地表”给井场布置、钻井施工带来困难; 根据露头和地震资料,KS构造浅部发育一条逆冲断层,岩性为古近系苏维依组厚层状褐色泥岩、含膏泥岩、膏质泥岩,这种“特殊地质行迹”容易引发井漏、溢流等复杂情况和卡钻风险。二是显示存在浅层气,需要注意井控风险(图 3)。
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图 3 库车坳陷地质“五特”示意图 Fig. 3 Sketch map of "five-special" geological characteristics in Kuqa Depression |
库姆格列木群盐岩段泥岩表现出欠压实特征,普遍为高压—超高压,局部存在高压盐水层、漏层,为事故多发段,钻进过程中需注意溢流、井漏、缩径卡钻等工程风险,同时需要注意调整钻井液密度。膏盐岩段发育薄层泥质粉砂岩、粉砂质泥岩,局部发育一套至多套白云岩,膏盐岩段总体趋于正常压实状态,可能发育裂缝,具有溢流、井漏等风险,为事故多发段。下泥岩段接近目的层,裂缝较发育,具有井漏、卡钻等风险。总体来说,库姆格列木群风险较多,钻进过程中需密切关注地层压力变化,密切观察泥岩岩屑形态变化,加强地质卡层,及时调整钻井液密度等钻井参数,注意井漏、溢流、卡钻等工程事故。
目的层白垩系巴什基奇克组裂缝发育,且为高压系统(压力系数约1.7),在钻进过程中要注意井壁稳定性,注意防漏,及时调整钻井液密度及钻井参数,预防卡钻、井漏、溢流等复杂情况。另外,KS气藏现今地应力高,应力差大,最小水平主应力为110~160MPa,水平应力差为35~50MPa,无论在平面还是层间地应力均有非常显著的差异。
4.1.2 KS气藏钻井工程优化基于物性和地质力学方法的储层品质评价表明,KS气藏有利的优势区位于上盘构造的叠置区内。若采用直井的方式,则会钻遇K1、K8等断层,以及巨厚的盐层,可能会给钻井带来一系列复杂工程难题和安全风险。实践证实,该气藏3口井因钻遇不同的地质、工程复杂而报废,气藏勘探评价停滞不前。
通过地质和地质力学的研究发现,现今地应力低且水平应力差小的位置为有利的储层,是井位部署的甜点。另外,KS气藏处于走滑型应力机制(即最大水平主应力 > 垂向主应力 > 最小水平主应力),井眼轨迹沿最大水平主应力方向最为稳定,因此,大斜度井或水平井相比直井更为稳定。针对上述可能存在的风险,大斜度井或水平井还具有绕障、目的层多穿裂缝的多重优势。
通过直井和大斜度井井壁稳定性的数值模拟(图 4),可以看出在库姆格列木群(盐层)直井只有很窄的钻井液安全密度窗口(钻井液密度过低容易发生井壁垮塌,钻井液密度过高则会发生钻井液漏失),井壁稳定性差,很不利于安全、快速钻进。而若设计为大斜度井,井口偏南,向北部造斜,不但能避免浅部断层,所钻遇盐层厚度也较薄,而且盐层的钻井液安全密度窗口较宽(大于0.3g/cm3),井壁稳定性较好,对安全、稳定、快速钻进有积极作用。
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图 4 模拟直井与大斜度井的井壁稳定性分析(据文献[32]) Fig. 4 Wellbore stability analysis of simulated vertical well and highly deviated well (according to reference [32]) |
在充分考虑钻井安全快速和完井获得高产两个方面因素,精细描述地质“五特”特征后,提出了南移井位的部署思路及相应的工程设计方案。从地质力学分析可知,区域现今最大水平主应力方位为北西—南东110°,白垩系储层天然裂缝平均角度为75°,走向为北东—南西10°~30°。选定井点由西南向东北方向钻探,实现3个目的:(1)能够避开复杂地表,有利于井场布局,为钻井复杂处理提供便利的井场条件; (2)避开浅层断裂,有利于钻井安全和井壁稳定,实现快速钻井; (3)既有利于目的层井壁稳定,又能实现井眼垂直于天然裂缝面,有利于增大渗流面积。
实践表明,大斜度井超7000m深度的钻井周期为11个月,获得日产74×104m3的天然气产量; 而直井约6400m深度的钻井周期则超13个月,日产量约为20×104m3,进一步证明了基于地质“五特”研究的井眼轨迹优化对钻井提速、改造增产有直接的现实意义。
4.2 超深层碳酸盐岩安全快速钻井技术 4.2.1 富满油田地质“五特”概述富满油田横跨塔里木盆地塔北隆起和北部坳陷,包含富源、跃满、果勒、满深、哈得、玉科等多个区块。富满油田地表以戈壁、沙漠为主,分布众多河流和胡杨林带,拥有大量的民居和国家基本农田,且涉及较大面积的湿地公园等自然保护区(图 5)。
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图 5 富满油田地质“五特”示意图 Fig. 5 Sketch map of "five-special" geological characteristics in Fuman Oilfield |
二叠系火成岩和奥陶系碳酸盐岩储盖组合岩体极大地影响钻井工程,容易造成钻井液大量漏失,加之火成岩体构造节理、天然裂缝发育,断层活动使局部位置破裂严重,导致该岩体段钻井过程中复杂事故较多。
该区特殊地质行迹主要是走滑断裂多期活动形成的断裂破碎带和裂缝带。走滑断裂是油气富集的主控因素之一,是井位井眼轨迹布置的主体目标[33]。由于区域地应力场的作用,断裂在平面上形成压扭、张扭和拉分等不同分段特征。纵向上,走滑断裂表现为陡峭的直立断层或负花状构造,延伸层位从寒武系基底至二叠系不等,伴生大量次级断裂或裂缝带,同时产生大量的溶蚀孔洞或洞穴。大型走滑断裂系统形成的特殊地质行迹为该区域油气成藏和高效勘探开发提供了有利条件,但同时也对钻井安全提速提出了挑战。
该区大部分油气藏属于正常温压系统,但少数已钻井中也曾出现异常高压情况,与油气藏基本特征对比,出现较高地层压力的油气藏具有如下共同点:位于次级或分支断裂,断裂活动性较差; 上部泥灰岩盖层厚度远大于正常压力系统油气藏盖层厚度; 断控油气藏储集空间相对较小; 油气充注强度大,其可能伴随较高地层温度。
4.2.2 富满油田钻井工程优化由于特殊的地表环境与地下特征,井点选择受诸多因素限制,钻进中出现了大量的钻井液漏失、地层掉块卡钻、溢流等事故复杂,钻井安全隐患大,钻进效率低,环境保护压力大,一定程度上延误了该区域勘探开发进展。
以富满油田果勒西区FⅠ5断裂带北部GL31井为例,钻井工程主要面临的困难包括:地表距离自然保护区较近,不满足井场布局要求; 直井段可能钻遇二叠系火成岩断裂发育带,造成严重漏失; 目的层段需要安全高效横穿断裂有效储层区域。因此该井需要综合考虑地质“五特”因素,合理优选井点,并合理优化井眼轨迹和井身结构。
首先由于钻井靶点位于主干断裂破碎带内,且钻井轨迹将穿越断裂带(图 6),因此设计井眼轨迹时,整个井筒与断裂带距离较近(图 6b),但该断裂带纵向延伸距离较大,上部可能断至二叠系,该层系火成岩段容易造成钻井漏失和井壁失稳。针对井位处特殊地质行迹特征,为避免二叠系漏失,并确保目的层储层有效钻遇,提出了“设计水平井避开非目的层断裂,高比例横穿目的层有效储层,从地质设计源头降低钻井复杂风险”的理念,同时将走滑断裂研究与区域地质力学建模相结合,兼顾优质储层有效钻遇和钻井井壁稳定两个方面,优化井位和井眼轨迹。优化确定井口位置位于断裂西侧一定距离,确保直井段避开二叠系火成岩地层,靶点位置设置在断裂带内优质储层区域,井眼轨迹为SEE方向的水平井眼(图 6)。
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图 6 富满油田果勒西区断裂分布及井眼轨迹优化 Fig. 6 Fault distribution and well trajectory optimization in the western Guole block in Fuman Oilfield |
实际钻井中,根据该区域的地质“五特”研究,首先明确了复杂集中段——二叠系火成岩地层井壁稳定特征,预测该段漏失压力梯度为1.28MPa/100m,坍塌压力梯度为1.22MPa/100m,从而明确了复杂井段钻井液安全密度窗口,保证安全稳定钻进。然后根据奥陶系储盖组合岩体特征设计井眼轨迹,在桑塔木组(O3s)泥岩地层中上部造斜,保持5°/30m的狗腿度钻至桑塔木组底部,井斜角逐步增至36°,持续钻至距吐木休克组(O3t)底界5m左右,根据桑塔木组—吐木休克组易垮塌的特征,下入套管封固该段地层,随后持续增斜至80°,保持该井斜角钻至靶点完钻。钻进中考虑到志留系至奥陶系吐木休克组可能存在层理、微裂缝等特殊地质现象导致井壁垮塌,钻井液中加入足量的封堵造壁材料,并保持斜井段足够的携岩及润滑性能。在一间房组(O2y)裂缝性储层钻进中,从保护储层、预防硫化氢和井控安全角度,钻井液中加入了除硫剂,并使用抗硫钻具,钻井液密度设计以孔隙压力为上限,防止断裂带漏失引起次生事故。该井通过上述钻井工艺和工具的组合应用,解决了由于地质“五特”引起的问题,安全完钻的同时又高效率钻遇有效储层,实现了地质目的,成为该断裂带第一口成功钻遇并获得高产的超深层碳酸盐岩水平井。
5 结论相比中浅层常规油气,超深层油气藏勘探开发的钻探工程超过95%的进尺均在非目的层,需要克服深山沟壑和荒漠戈壁等恶劣地表,以及钻穿巨厚高抗钻砾石层、高蠕变膏盐层、强碎裂煤系层和火成岩层及强漏失的断裂带和弱泥质夹层段,并时刻提防多套异常压力系统造成的井控风险。
通过地质“五特”研究,明确影响工程安全和施工效率的本质要素,从源头上降低施工难度,最大限度“趋利避害”。该理念已经广泛应用于塔里木油田的油气钻探工程,特别是超深层的钻探,为其提供科学依据,对超深层复杂含油气盆地的井位研究、钻井工程、完井改造提供了新的思路。
(1) 非目的层的地质特征研究是超深层油气勘探开发的一项重要工作,有必要当作目的层一样进行精细研究。降低非目的层的钻井风险能对超深井钻探产生明显的提速效果,能直接加速勘探开发进程。
(2) 相比中浅层钻探工程,井场地表状况、浅部地质行迹是地质研究中不可忽略的环节,对超深层可能钻遇的各类复杂岩性、地质行迹、地层流体及温压状态有必要做到及时且详细的提示。
(3) 通过系统梳理超深层钻探工程相关特殊地质因素,明确每类特殊因素的内涵和地质背景,阐述其对工程实施的潜在影响,厘定特殊地质因素与钻井工程之间的关联性,为钻井井控安全风险降低和工程复杂消减奠定了基础。
(4) 地质“五特”的研究和描述方法,促进地质工程一体化从理念过渡到实践,突破了常规油气勘探开发中地质研究与工程实施之间存在的“条块化”分割和“接力式”并行问题,从技术层面有效协调了地质研究与工程实施之间的协同工作,将“地质研究服务工程”与“工程实现地质目的”有机统一。
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