激光技术在录井工程中的应用进展及展望
张新华1, 佘明军2, 王 舒2, 夏杰3     
1. 中石化石油工程技术服务有限公司工程技术部, 北京 100020;
2. 中石化中原石油工程有限公司录井公司, 河南濮阳 457001;
3. 中石化西南石油工程有限公司录井公司, 四川绵阳 621000
摘要: 为实现在录井现场对岩性和油气快速、自动识别以及对孔隙快速分析成像,引入了激光技术。从激光技术在实现岩性、油气检测和孔隙成像中的关键因素着手,对激光器选择、发射波长选取、拉曼效应放大和重组分拉曼光谱分离等方面进行了适应性技术研究,形成了激光诱导击穿光谱岩性识别技术、激光扫描共聚焦储集性能评价技术和拉曼激光油气实时评价技术。应用表明,利用激光技术检测岩性平均符合率达88.0%,孔隙度分析最大误差7.9%,气体组分检测分辨率达百万分之一,与同类录井技术相比具有分析快速、数据准确和操作简便等优点。研究认为,通过激光技术在录井现场的适应性研究,增强了录井工程在岩性和油气快速识别、孔隙结构分析等方面的能力,为智能录井提供了一种新的技术手段。
关键词: 激光技术     岩性识别     油气检测     拉曼激光     智能录井    
The Progress and Pontential of the Application of Laser Technology in Mud Logging
ZHANG Xinhua1, SHE Mingjun2, WANG Yanshu2, XIA Jie3     
1. Engineering Technology Department, Sinopec Oilfield Service Corporation, Beijing, 100020, China;
2. Mud Logging Company, Sinopec Zhongyuan Oilfield Service Corporation, Puyang, Henan, 457001, China;
3. Mud Logging Company, Sinopec Xinan Oilfield Service Corporation, Mianyang, Sichuan, 621000, China
Abstract: Laser technology has been introduced in mud logging in order to achieve the rapid and automatic identification of lithology and hydrocarbon types and the rapid analysis and imaging of pores of core samples.The key factors were pinpointed to identify lithology, hydrocarbon detection and pore imaging by laser application.Adaptive technology research(laser and emission wavelength selection, Raman effect amplification, heavy component Raman spectroscopy separation, etc.) was used to develop technologies for laser induced breakdown lithology spectroscopy identification, laser scanning confocal reservoir performance evaluation, and Raman laser oil and gas evaluation.The application results show that average lithology coincidence rate reaches 88.0%, maximum error of porosity analysis is less than 7.9%, and detection resolution of gas components is within 0.0001% by using laser technology, which has the advantages of fast analysis, accurate data and easy operation compared with other mug logging technologies.The adaptive research of laser technology enhances the ability of mud logging in rapid identification of lithology and hydrocarbon, pore analysis, etc., and provides a means for intelligent logging.
Key words: laser technology     lithology identification     hydrocarbon detection     Raman laser     intelligent mud logging    

多年来,录井技术人员针对复杂岩性识别、储层物性评价和油气水评价进行了大量研究,推广应用了部分录井技术,并获得了较好的应用效果。比如:为解决空气钻井、PDC钻头条件下微细岩屑的岩性识别难题而发展起来的X射线荧光元素分析技术,为满足钻井液含油量检测需求而引入并发展的钻井液核磁共振录井技术,针对钻井液定量采集分析需求而研制的恒温定量气测录井技术[1-6]。目前,复杂区块勘探力度不断加大,致密油气藏、页岩油气藏等非常规油气给油气评价带来了一些新的问题。油公司低成本战略导致录井项目压缩,这就要求充分挖掘单项录井技术潜力,派生更多的参数,解决更多的难题。为此,笔者分析了激光技术在录井工程中的应用现状,及其在岩性识别、孔隙结构分析、气体成分及含量检测等方面的适应性[7-13],对比了激光技术与其他对应录井技术之间的优缺点;在此基础上,建议对激光技术进行深入研究和应用,向在线录井技术方向发展。

1 激光技术在录井中的应用现状

以激光为光源的光谱检测技术称之为激光光谱技术,激光光谱主要包括激光诱导击穿光谱(LIBS)、拉曼光谱、激光荧光光谱、可调谐半导体激光吸收光谱和时间分辨激光光谱等。与普通光源相比,激光光源具有单色性好、亮度高、方向性和相干性强等特点,是辨认物质组成、结构和状态的理想光源。激光的出现使原有的光谱技术在灵敏度和分辨率方面得到提高。通过一定条件,可以获得强度极高、脉冲宽度极窄的激光,该激光对光与物质作用过程中反射、透射、散射、衍射等不同状态的观测更为有效,因而可发展出应用于新领域的激光光谱技术。目前应用于录井工程中的3种激光光谱技术的主要特点如表 1所示。

表 1 3种激光光谱技术的特点对比 Table 1 Comparison of three spectral technologies
技术名称 分析原理 样品种类 激发波长/nm 分析对象 解决问题
激光诱导击穿光谱技术 光谱分析 固体、液体、气体 600~1 100 样品元素离子光谱 岩性识别、油气检测
激光扫描共聚焦技术 光学图像分析及光谱分析 固体 450~650 样品微观结构图像 物性结构特征
拉曼激光技术 光谱分析 固体、液体、气体 500~650 样品晶格、分子震动和转动模式 组分种类及含量
1.1 激光诱导击穿光谱技术 1.1.1 技术原理

激光诱导击穿光谱技术的原理是:毫焦耳级能量的激光经准直聚焦后轰击样品表面产生等离子体,等离子体从高温状态恢复到正常状态时释放能量,不同元素的等离子体会发出不同波长的光波,同一元素的不同化合价等离子体发出的光波波长也不相同,通过光谱仪采集光谱信号,得到样品中各种化合价的不同元素及其含量信息(见图 1),根据地层岩性与元素的对应关系,实现对地层岩性的快速识别[7-10]

图 1 激光诱导击穿光谱样品检测谱图 Fig.1 Sample spectrum of Laser induced breakdown spectroscopy
1.1.2 应用进展

激光诱导击穿光谱技术主要用来检测地层元素种类及其含量[7-9]。为方便录井现场应用,优选了功率为100 mJ,波长为1 064 nm的激光器;设计加工了具有三维方向自动调整功能的样品台;建立了与光谱强度对应的岩性识别数学模型,并编写了软件。研制的ZY-LLA型激光岩性分析仪的主要技术指标为:波长180~620 nm,光学分辨率0.05 nm,同一样品间隔24 h检测信息最大重复性误差1.02%,元素含量检出极限0.01%,检测时间小于100 ms。

关于地层元素资料在录井方面的应用已有较多论述[11-12],比如地层界面卡取、沉积环境判别和脆性评价等,本文不再讨论。由于建立录井剖面较为普遍、激光诱导击穿光谱技术对岩屑样品要求较低,因此应用该技术对于录井剖面的在线化具有现实意义,故重点对元素检测及岩性转化进行阐述。

应用表明:LIBS检测值与岩屑粒径无关;激光强度具有一定穿透力时,是否清洗样品对检测结果影响很小,可以忽略;湿样比干样的LIBS信息强度低。为确保检测的实时性,现场选取清洗过的岩屑湿样是最佳选择。分析时需要作统计处理,包括异常数据剔除、数据均值处理、背景扣除、归一化处理等。在此基础上,建立元素-岩性关系模型,快速识别样品岩性。该技术可以检测岩屑样品的全元素含量,考虑到地球化学元素分布特点以及效率,优选出与地层岩性相关的24种元素作为特征元素,并利用数学统计方法建立了特定区域的岩性识别模板。对取自20口井(累计井段长度近6 000.00 m)的岩屑样品进行了测试,与录井综合图对比,岩性平均符合率为88.0%。该技术与X射线荧光元素录井技术(XRF)和X射线衍射(XRD)录井技术的对比情况见表 2

表 2 3种岩性检测技术对比 Table 2 Comparison of three kinds of lithology detection technologies
录井技术 元素检测 矿物检测 元素离子含量信息 识别岩性原理 样品处理加工 应用成本
LIBS 全元素,根据需要提取24种 可以 元素原子、离子含量信息及组合关系结合区域层段特点识别岩性 不需要 较高
XRF Mg—U,根据需要提取不到20种 与LIBS基本类似 需要 适中
XRD 可以 矿物及组合识别岩性 需要 较高

与XRF和XRD录井技术对比,激光识别岩性技术具有样品无需处理、能检测全元素信息和不同化合价元素离子含量信息的优势;该技术的缺点主要是成本较高。

1.2 激光扫描共聚焦技术 1.2.1 技术原理

激光扫描共聚焦技术的原理是:以单波长激光作光源对样品进行扫描,由于发射光源与采集孔相对于物镜焦平面是共轭的,焦平面上的点同时聚焦于发射和采集端而成像,焦平面以外的点不会被采集到,即为共聚焦;采用激光束对岩石样品进行逐点、逐行扫描成光学面,当纵向移动采集端时,采集景深会发生变化,实现断层扫描而获得岩石三维立体图[13-16]

制作岩石样品时采用正负压交替式灌注技术,灌注至孔隙中的灌注剂具有受激发射荧光的特性,荧光会沿入射光路返回并被采集,而岩石骨架没有反射光,利用光信号处理区分岩石骨架和孔隙,进而获取岩石骨架和孔隙的三维立体图。其技术原理及扫描处理结果如图 2所示。

图 2 激光扫描共聚焦原理及孔隙三维图像 Fig.2 Principle of laser scanning confocal technology and sample porosity in 3D
1.2.2 应用进展

激光扫描共聚焦技术在地学领域的应用目前属于初级阶段[13-16]。中国石化针对录井工程特点引入了该技术,主要解决了3个方面的问题:1)配置了多波长激光器,从需求看,至少需要配置458,488,514,543及633 nm波长的激光器;2)采集端配置了多倍数物性镜头,至少需要配置5,10,40,60及100倍镜头,尽可能配置100倍油性镜头,满足了对岩石中有机包裹体的分析;3)在辅助设备方面配备了小粒径样品快速灌注设备,满足了现场分析的需要。

为达到在录井现场分析岩石物性参数的目的,必须满足高精度、穿透性和实时性的技术要求,这涉及岩石孔隙识别问题、激光对岩石穿透性的最佳优化问题和岩石物性参数的快速分析问题。岩石物性参数的高精度表现在采集和分析2个方面,只有岩石孔隙与岩石骨架的最小检测间距满足一定精度要求,分析结果才会更精确。研究表明,当岩石孔隙与岩石骨架呈紊乱分布时,其分析精度可达到0.2 μm;当其分布具管束状特征时,分析精度会高达数十纳米级,而亚微米级的分析精度即可满足现场录井的技术要求。

通过对激光器发射波长、接收波长及激光强度进行优化,解决了样品扫描时对常见碎屑岩、火山岩及碳酸盐岩的穿透性要求。其中穿透深度一般为700~900 μm,最大可达1 200 μm,几乎涵盖了大多数井况下的岩屑粒径;实验中也发现激光对碳质泥页岩穿透性较差,穿透深度仅约100 μm。为满足快速获取分析结果的要求,开发了正负压交替式灌注技术,针对岩屑粒径较小的特点,将样品制作时间控制在6 h以内,并可同时进行72个以上样品的制作,解决了实时性的问题。

对36个样品216个视域分析结果进行了统计,并与扫描电镜分析结果进行了对比,结果表明,激光扫描共聚焦技术的面孔率平均误差率为4.5%, 孔隙度分析最大误差率为7.9%,且与分析结果具有较好的一致性。激光扫描共聚焦技术与压汞分析、物理切片分析、核磁共振及CT扫描分析技术的对比情况见表 3

表 3 储层物性参数分析技术对比 Table 3 Comparison of reservoir parameter analysis techniques
分析方法 参数获取方式 获取参数 分析工艺 样品要求 制样时间 分析周期 安全环保 分析价格
CT扫描技术 射线吸收模拟 孔隙、孔喉参数 简单 岩心 几乎不需处理 较短 辐射 昂贵
压汞分析 压力模拟 孔隙、压力参数 复杂 岩心 24 h 毒性 昂贵
物理切片分析 图像观察 孔喉参数 复杂 岩心 约8~12 h 昂贵
核磁共振技术 磁信号模拟 孔渗、孔喉参数 简单 > 2.0 mm 大于2 h,根据样品实际情况确定 较短 一般
共聚焦技术 直接观察、采集计算 孔隙、孔喉参数 简单 > 0.1 mm 72个/4h, 成批制备 较短 一般

对比发现,激光扫描共聚焦技术有如下优势:1)可用于不同粒径样品的分析, 目前钻井现场可分析的样品主要以岩心为主,对于细碎的岩屑样品很多技术无能为力,激光共聚焦技术可满足极小粒径条件的样品分析;2)分析精度较高,可达到亚微米级;3)通过逐层扫描成像构建三维立体图,实现了对样品孔隙、岩石骨架立体动态的分析。该技术的缺点是设备成本较高,且与核磁共振技术相比样品处理时间较长,一次分析提供的参数少。

1.3 拉曼激光技术 1.3.1 技术原理

当光照射在气体、液体或透明物质上时会发生散射。散射光谱中频率与入射光频率ν0相同的成分称为瑞利散射,频率较小的成分ν0-Δν称为斯托克斯线,频率较大的成分ν0ν称为反斯托克斯线,频率对称分布在ν0两侧的谱线或谱带ν0±Δν为拉曼光谱(见图 3)。在拉曼散射中,拉曼位移与入射光的频率无关,只与作用分子的能级结构有关,因此每种物质都有独有的拉曼散射光谱,根据光谱信息可以对物质进行定性、定量检测[17-19]

图 3 拉曼激光原理示意 Fig.3 Principle of Raman laser technology
1.3.2 应用进展

拉曼激光技术在低含量和高精度气体的在线分析测量中有明显优势,能够实现对烃类和非烃类多组分气体的在线连续分析,其与录井气测所使用的传统氢焰色谱技术[20]的对比见表 4

表 4 拉曼激光气体分析技术与氢焰色谱技术对比 Table 4 Comparison of Raman laser gas analysis technology and hydrogen flame chromatography
气体分析技术 优点 缺点
拉曼激光气体分析技术 1)无损检测,指纹特征谱准确识别气体种类;
2)能同时在线连续分析烃类、非烃类气体成分,理论上可以分析除惰性气体之外的所有气体成分;
3)无辅助设备,气路简单,易维护,故障率低,性能稳定;
4)可扩展性好,可以根据录井需要定制
1)一次采集组分分离度不好;
2)对使用环境要求较高,仪器价格较高
氢焰色谱技术 1)技术成熟、稳定,组分分离度好;
2)可适应较为恶劣环境,仪器价格较低
1)只能分析烃类气体,全烃在线连续分析,组分只能进行周期分析;
2)需要空压机、氢气发生器等辅助设备,气路结构复杂,易出故障;
3)燃烧检测,存在安全隐患及对工作环境造成污染

中国石化于2014年率先研制出国内首台能同时在线连续分析烃类、非烃类等12种气体的狭缝分光拉曼激光气体分析样机,样机采用波长532 nm、功率400 MW的He-Ne激光器,1 280 dpi的CCD,气体分辨率达百万分之一,重复性误差小于1.0%,测量误差小于全量程的1.0%。

拉曼激光气体分析技术主要解决了拉曼效应弱、重组分拉曼光谱难以分离的问题。录井实钻分析中,各种气体的拉曼光谱相互交叉重叠,并且在不同环境下会产生频移,解谱难度大。通过不断试验,将影响拉曼光谱的各种因素考虑进去,开发了一种基于时域和频率域的自适应聚焦算法,通过小波时域频域的精确分解和变量筛选相结合,对光谱的频率域进行精细划分,准确提取本征分析信号,并排除其他物质的干扰,显著提升了气体拉曼光谱的分析精度及可靠性。目前,已在川西致密碎屑岩气藏完成10余井次的应用,油气发现率达100%;由于该技术精度高、稳定性好,已扩展应用到石油工程其他工艺的气体检测中,如空气钻井过程中气体组分和浓度检测、集输站油气组分检测等。

2 激光技术在录井中的应用前景

目前激光技术并没有在录井工程中得到广泛应用,除经济原因外,主要是目前激光录井技术仍有许多不足,需要持续研究。

2.1 研究方向

1) 激光诱导击穿光谱技术。一是岩屑样品本身的代表性对岩性识别准确性造成影响,需要大量的统计数据以完善判别方法; 二是需要实现在线功能,以提高效率。要达到该目的,技术难点较多, 主要包括:连续检测过程中的干扰因素,如流速影响截面岩屑通过量,对LIBS值造成影响;激光器在架空槽内的相对位置对LIBS值的影响。连续工作时激光器本身的稳定性不确定,在架空槽内被钻井液污染时LIBS信息是如何变化的影响因素较多,需要进行大量统计分析工作。

2) 激光扫描共聚焦技术。一是需要继续完善样品处理技术:由于致密碎屑岩、非常规等类储层岩石样品灌注压力大,激光对该类岩石的穿透性欠佳,需要开展针对性攻关。二是真假荧光识别与处理技术:钻井过程中为提高时效或改善钻井液性能,常会在钻井液中加入添加剂,部分添加剂产生的荧光易与原油荧光产生叠加,对假荧光的识别与处理将会影响应用效果。

3) 拉曼激光技术。一是仪器向高精度、小型化方向发展;二是研发宽量程、高精度动态范围量程CCD,解决精度和量程不能兼顾的问题。要充分利用国内外物质材料研究最新成果,全方位、多角度验证物质分子结构、物理特性对激光的应激反应,完成在自由空间内不同条件、环境下气体拉曼效应强度和不同激发激光的对应关系研究,形成多态条件下不同物质、激光强度和波长的气体拉曼效应增强技术;同时,为精准收集拉曼图谱,需设计多透镜组,形成核心反射与聚焦光路径向收集系统。

2.2 前景展望

与XRF技术相比,激光诱导击穿光谱技术检测过程中不需要对岩屑样品进行挑选、研磨和压片处理,实现了对岩屑样品的直接检测处理、全元素含量信息分析,且检测时间极短,给取心卡层等实时性较强的工作带来极大便利。在岩性剖面建立方面,通过单井数据积累,利用大数据进行深度学习,未来在开发井方面能够自动识别地层岩性。从成本角度来看,已经与XRF基本一致,将来如果能实现在架空槽区域的在线检测,其替代XRF技术就成为必然。

激光扫描共聚焦技术为分析评价岩屑样品物性结构参数提供了一种手段,解决了扫描电镜和电子探针技术不能满足录井现场环境要求的问题。与核磁共振技术相比,该技术在小粒径岩屑样品空隙直观成像上具备优势,在物性、含油性参数获取上侧重点不同;相对而言,核磁共振技术获取的参数更多。若与三维核磁共振技术联作,对目标地层进行更全面的可视化、三维立体式的物性及含油性参数分析,从而形成更为完整的录井评价体系,效果会更好,在高端应用领域可占据一席之地。

拉曼激光技术能够全面检测油气和非烃气体,可以根据现场需求和不同施工设计选择检测项目;安全钻井方面,能对空气钻井、氮气钻井等气体钻井提供安全燃爆检测,并且能实时检测H2S、CO等有毒有害气体,对于安全、防爆等级要求更为严苛的海上油田,该技术相比气测技术优势更为明显。另外,拉曼激光气体分析技术是开放性平台,可以进行应用拓展,根据需要扩大应用范围。可以预见,拉曼激光技术和气测技术可分别作为未来高低端应用的技术选项。

3 激光技术在录井中的发展建议

1) 需要考虑技术联用。激光诱导击穿光谱技术、激光扫描共聚焦技术和拉曼激光技术围绕录井核心体系(即岩性、物性和含油气性)构建完整的应用框架,从理论上提供了一种可行性。考虑其虽都列入激光光谱,但原理上有较大差异,导致检测过程、对象都存在很大区别,就目前而言,将其检测流程整合,进而一体化应用的思路在技术上还较难实现。但从挖掘单项录井技术潜力、检测更多参数的角度而言,确需技术联用。建议优先发展激光诱导击穿光谱技术,实现其在岩性和含油气性上的前端在线联合检测,同时尽快研究与激光扫描共聚焦技术在检测流程上的整合,实现激光光谱技术的一体化应用,解决更多问题。

2) 技术与效益需要共同考量。近年来,录井工程在采集和评价解释上逐步完善,一些新技术也有亮点之处,但能给录井工程带来技术创新和经济效益的却非常少。技术开发的本质是在解决技术问题的同时,为自身带来效益,否则无法持续。这一点同样适用于激光技术在录井工程中的应用。有鉴于此,为提高激光技术在录井工程中的应用效果,建议针对生产实际开展应用研究,真正体现技术融合、在线化经济便捷等特点,为勘探开发提供技术支撑的同时,创造效益,实现持续发展。

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文章信息

张新华, 佘明军, 王舒, 夏杰
ZHANG Xinhua, SHE Mingjun, WANG Yanshu, XIA Jie
激光技术在录井工程中的应用进展及展望
The Progress and Pontential of the Application of Laser Technology in Mud Logging
石油钻探技术, 2018, 46(6): 111-117.
Petroleum Drilling Techniques, 2018, 46(6): 111-117.
http://dx.doi.org/10.11911/syztjs.2018146

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收稿日期: 2018-05-02
改回日期: 2018-10-08

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