張新華,佘明軍,王?舒,夏 杰
(1.中石化石油工程技術(shù)服務(wù)有限公司工程技術(shù)部,北京 100020;2.中石化中原石油工程有限公司錄井公司,河南濮陽(yáng) 457001;3.中石化西南石油工程有限公司錄井公司,四川綿陽(yáng) 621000)
多年來(lái),錄井技術(shù)人員針對(duì)復(fù)雜巖性識(shí)別、儲(chǔ)層物性評(píng)價(jià)和油氣水評(píng)價(jià)進(jìn)行了大量研究,推廣應(yīng)用了部分錄井技術(shù),并獲得了較好的應(yīng)用效果。比如:為解決空氣鉆井、PDC鉆頭條件下微細(xì)巖屑的巖性識(shí)別難題而發(fā)展起來(lái)的X射線熒光元素分析技術(shù),為滿足鉆井液含油量檢測(cè)需求而引入并發(fā)展的鉆井液核磁共振錄井技術(shù),針對(duì)鉆井液定量采集分析需求而研制的恒溫定量氣測(cè)錄井技術(shù)[1-6]。目前,復(fù)雜區(qū)塊勘探力度不斷加大,致密油氣藏、頁(yè)巖油氣藏等非常規(guī)油氣給油氣評(píng)價(jià)帶來(lái)了一些新的問題。油公司低成本戰(zhàn)略導(dǎo)致錄井項(xiàng)目壓縮,這就要求充分挖掘單項(xiàng)錄井技術(shù)潛力,派生更多的參數(shù),解決更多的難題。為此,筆者分析了激光技術(shù)在錄井工程中的應(yīng)用現(xiàn)狀,及其在巖性識(shí)別、孔隙結(jié)構(gòu)分析、氣體成分及含量檢測(cè)等方面的適應(yīng)性[7-13],對(duì)比了激光技術(shù)與其他對(duì)應(yīng)錄井技術(shù)之間的優(yōu)缺點(diǎn);在此基礎(chǔ)上,建議對(duì)激光技術(shù)進(jìn)行深入研究和應(yīng)用,向在線錄井技術(shù)方向發(fā)展。
以激光為光源的光譜檢測(cè)技術(shù)稱之為激光光譜技術(shù),激光光譜主要包括激光誘導(dǎo)擊穿光譜(LIBS)、拉曼光譜、激光熒光光譜、可調(diào)諧半導(dǎo)體激光吸收光譜和時(shí)間分辨激光光譜等。與普通光源相比,激光光源具有單色性好、亮度高、方向性和相干性強(qiáng)等特點(diǎn),是辨認(rèn)物質(zhì)組成、結(jié)構(gòu)和狀態(tài)的理想光源。激光的出現(xiàn)使原有的光譜技術(shù)在靈敏度和分辨率方面得到提高。通過(guò)一定條件,可以獲得強(qiáng)度極高、脈沖寬度極窄的激光,該激光對(duì)光與物質(zhì)作用過(guò)程中反射、透射、散射、衍射等不同狀態(tài)的觀測(cè)更為有效,因而可發(fā)展出應(yīng)用于新領(lǐng)域的激光光譜技術(shù)。目前應(yīng)用于錄井工程中的3種激光光譜技術(shù)的主要特點(diǎn)如表1所示。
表1 3種激光光譜技術(shù)的特點(diǎn)對(duì)比Table 1 Comparison of three spectral technologies
1.1.1 技術(shù)原理
激光誘導(dǎo)擊穿光譜技術(shù)的原理是:毫焦耳級(jí)能量的激光經(jīng)準(zhǔn)直聚焦后轟擊樣品表面產(chǎn)生等離子體,等離子體從高溫狀態(tài)恢復(fù)到正常狀態(tài)時(shí)釋放能量,不同元素的等離子體會(huì)發(fā)出不同波長(zhǎng)的光波,同一元素的不同化合價(jià)等離子體發(fā)出的光波波長(zhǎng)也不相同,通過(guò)光譜儀采集光譜信號(hào),得到樣品中各種化合價(jià)的不同元素及其含量信息(見圖1),根據(jù)地層巖性與元素的對(duì)應(yīng)關(guān)系,實(shí)現(xiàn)對(duì)地層巖性的快速識(shí)別[7-10]。
圖1 激光誘導(dǎo)擊穿光譜樣品檢測(cè)譜圖Fig.1 Sample spectrum of Laser induced breakdown spectroscopy
1.1.2 應(yīng)用進(jìn)展
激光誘導(dǎo)擊穿光譜技術(shù)主要用來(lái)檢測(cè)地層元素種類及其含量[7-9]。為方便錄井現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用,優(yōu)選了功率為100 mJ,波長(zhǎng)為1 064 nm的激光器;設(shè)計(jì)加工了具有三維方向自動(dòng)調(diào)整功能的樣品臺(tái);建立了與光譜強(qiáng)度對(duì)應(yīng)的巖性識(shí)別數(shù)學(xué)模型,并編寫了軟件。研制的ZY-LLA型激光巖性分析儀的主要技術(shù)指標(biāo)為:波長(zhǎng)180~620 nm,光學(xué)分辨率0.05 nm,同一樣品間隔24 h檢測(cè)信息最大重復(fù)性誤差1.02%,元素含量檢出極限0.01%,檢測(cè)時(shí)間小于100 ms。
關(guān)于地層元素資料在錄井方面的應(yīng)用已有較多論述[11-12],比如地層界面卡取、沉積環(huán)境判別和脆性評(píng)價(jià)等,本文不再討論。由于建立錄井剖面較為普遍、激光誘導(dǎo)擊穿光譜技術(shù)對(duì)巖屑樣品要求較低,因此應(yīng)用該技術(shù)對(duì)于錄井剖面的在線化具有現(xiàn)實(shí)意義,故重點(diǎn)對(duì)元素檢測(cè)及巖性轉(zhuǎn)化進(jìn)行闡述。
應(yīng)用表明:LIBS檢測(cè)值與巖屑粒徑無(wú)關(guān);激光強(qiáng)度具有一定穿透力時(shí),是否清洗樣品對(duì)檢測(cè)結(jié)果影響很小,可以忽略;濕樣比干樣的LIBS信息強(qiáng)度低。為確保檢測(cè)的實(shí)時(shí)性,現(xiàn)場(chǎng)選取清洗過(guò)的巖屑濕樣是最佳選擇。分析時(shí)需要作統(tǒng)計(jì)處理,包括異常數(shù)據(jù)剔除、數(shù)據(jù)均值處理、背景扣除、歸一化處理等。在此基礎(chǔ)上,建立元素-巖性關(guān)系模型,快速識(shí)別樣品巖性。該技術(shù)可以檢測(cè)巖屑樣品的全元素含量,考慮到地球化學(xué)元素分布特點(diǎn)以及效率,優(yōu)選出與地層巖性相關(guān)的24種元素作為特征元素,并利用數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)方法建立了特定區(qū)域的巖性識(shí)別模板。對(duì)取自20口井(累計(jì)井段長(zhǎng)度近6 000.00 m)的巖屑樣品進(jìn)行了測(cè)試,與錄井綜合圖對(duì)比,巖性平均符合率為88.0%。該技術(shù)與X射線熒光元素錄井技術(shù)(XRF)和X射線衍射(XRD)錄井技術(shù)的對(duì)比情況見表2。
表2 3種巖性檢測(cè)技術(shù)對(duì)比Table 2 Comparison of three kinds of lithology detection technologies
與XRF和XRD錄井技術(shù)對(duì)比,激光識(shí)別巖性技術(shù)具有樣品無(wú)需處理、能檢測(cè)全元素信息和不同化合價(jià)元素離子含量信息的優(yōu)勢(shì);該技術(shù)的缺點(diǎn)主要是成本較高。
1.2.1 技術(shù)原理
激光掃描共聚焦技術(shù)的原理是:以單波長(zhǎng)激光作光源對(duì)樣品進(jìn)行掃描,由于發(fā)射光源與采集孔相對(duì)于物鏡焦平面是共軛的,焦平面上的點(diǎn)同時(shí)聚焦于發(fā)射和采集端而成像,焦平面以外的點(diǎn)不會(huì)被采集到,即為共聚焦;采用激光束對(duì)巖石樣品進(jìn)行逐點(diǎn)、逐行掃描成光學(xué)面,當(dāng)縱向移動(dòng)采集端時(shí),采集景深會(huì)發(fā)生變化,實(shí)現(xiàn)斷層掃描而獲得巖石三維立體圖[13-16]。
制作巖石樣品時(shí)采用正負(fù)壓交替式灌注技術(shù),灌注至孔隙中的灌注劑具有受激發(fā)射熒光的特性,熒光會(huì)沿入射光路返回并被采集,而巖石骨架沒有反射光,利用光信號(hào)處理區(qū)分巖石骨架和孔隙,進(jìn)而獲取巖石骨架和孔隙的三維立體圖。其技術(shù)原理及掃描處理結(jié)果如圖2所示。
圖2 激光掃描共聚焦原理及孔隙三維圖像Fig.2 Principle of laser scanning confocal technology and sample porosity in 3D
1.2.2 應(yīng)用進(jìn)展
激光掃描共聚焦技術(shù)在地學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用目前屬于初級(jí)階段[13-16]。中國(guó)石化針對(duì)錄井工程特點(diǎn)引入了該技術(shù),主要解決了3個(gè)方面的問題:1)配置了多波長(zhǎng)激光器,從需求看,至少需要配置458,488,514,543及633 nm波長(zhǎng)的激光器;2)采集端配置了多倍數(shù)物性鏡頭,至少需要配置5,10,40,60及100倍鏡頭,盡可能配置100倍油性鏡頭,滿足了對(duì)巖石中有機(jī)包裹體的分析;3)在輔助設(shè)備方面配備了小粒徑樣品快速灌注設(shè)備,滿足了現(xiàn)場(chǎng)分析的需要。
為達(dá)到在錄井現(xiàn)場(chǎng)分析巖石物性參數(shù)的目的,必須滿足高精度、穿透性和實(shí)時(shí)性的技術(shù)要求,這涉及巖石孔隙識(shí)別問題、激光對(duì)巖石穿透性的最佳優(yōu)化問題和巖石物性參數(shù)的快速分析問題。巖石物性參數(shù)的高精度表現(xiàn)在采集和分析2個(gè)方面,只有巖石孔隙與巖石骨架的最小檢測(cè)間距滿足一定精度要求,分析結(jié)果才會(huì)更精確。研究表明,當(dāng)巖石孔隙與巖石骨架呈紊亂分布時(shí),其分析精度可達(dá)到0.2 μm;當(dāng)其分布具管束狀特征時(shí),分析精度會(huì)高達(dá)數(shù)十納米級(jí),而亞微米級(jí)的分析精度即可滿足現(xiàn)場(chǎng)錄井的技術(shù)要求。
通過(guò)對(duì)激光器發(fā)射波長(zhǎng)、接收波長(zhǎng)及激光強(qiáng)度進(jìn)行優(yōu)化,解決了樣品掃描時(shí)對(duì)常見碎屑巖、火山巖及碳酸鹽巖的穿透性要求。其中穿透深度一般為700~900 μm,最大可達(dá)1 200 μm,幾乎涵蓋了大多數(shù)井況下的巖屑粒徑;實(shí)驗(yàn)中也發(fā)現(xiàn)激光對(duì)碳質(zhì)泥頁(yè)巖穿透性較差,穿透深度僅約100 μm。為滿足快速獲取分析結(jié)果的要求,開發(fā)了正負(fù)壓交替式灌注技術(shù),針對(duì)巖屑粒徑較小的特點(diǎn),將樣品制作時(shí)間控制在6 h以內(nèi),并可同時(shí)進(jìn)行72個(gè)以上樣品的制作,解決了實(shí)時(shí)性的問題。
對(duì)36個(gè)樣品216個(gè)視域分析結(jié)果進(jìn)行了統(tǒng)計(jì),并與掃描電鏡分析結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比,結(jié)果表明,激光掃描共聚焦技術(shù)的面孔率平均誤差率為4.5%,孔隙度分析最大誤差率為7.9%,且與分析結(jié)果具有較好的一致性。激光掃描共聚焦技術(shù)與壓汞分析、物理切片分析、核磁共振及CT掃描分析技術(shù)的對(duì)比情況見表3。
表3 儲(chǔ)層物性參數(shù)分析技術(shù)對(duì)比Table 3 Comparison of reservoir parameter analysis techniques
對(duì)比發(fā)現(xiàn),激光掃描共聚焦技術(shù)有如下優(yōu)勢(shì):1)可用于不同粒徑樣品的分析,目前鉆井現(xiàn)場(chǎng)可分析的樣品主要以巖心為主,對(duì)于細(xì)碎的巖屑樣品很多技術(shù)無(wú)能為力,激光共聚焦技術(shù)可滿足極小粒徑條件的樣品分析;2)分析精度較高,可達(dá)到亞微米級(jí);3)通過(guò)逐層掃描成像構(gòu)建三維立體圖,實(shí)現(xiàn)了對(duì)樣品孔隙、巖石骨架立體動(dòng)態(tài)的分析。該技術(shù)的缺點(diǎn)是設(shè)備成本較高,且與核磁共振技術(shù)相比樣品處理時(shí)間較長(zhǎng),一次分析提供的參數(shù)少。
1.3.1 技術(shù)原理
當(dāng)光照射在氣體、液體或透明物質(zhì)上時(shí)會(huì)發(fā)生散射。散射光譜中頻率與入射光頻率ν0相同的成分稱為瑞利散射,頻率較小的成分ν0-Δν稱為斯托克斯線,頻率較大的成分ν0+Δν稱為反斯托克斯線,頻率對(duì)稱分布在ν0兩側(cè)的譜線或譜帶ν0±Δν為拉曼光譜(見圖3)。在拉曼散射中,拉曼位移與入射光的頻率無(wú)關(guān),只與作用分子的能級(jí)結(jié)構(gòu)有關(guān),因此每種物質(zhì)都有獨(dú)有的拉曼散射光譜,根據(jù)光譜信息可以對(duì)物質(zhì)進(jìn)行定性、定量檢測(cè)[17-19]。
圖3 拉曼激光原理示意Fig.3 Principle of Raman laser technology
1.3.2 應(yīng)用進(jìn)展
拉曼激光技術(shù)在低含量和高精度氣體的在線分析測(cè)量中有明顯優(yōu)勢(shì),能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)烴類和非烴類多組分氣體的在線連續(xù)分析,其與錄井氣測(cè)所使用的傳統(tǒng)氫焰色譜技術(shù)[20]的對(duì)比見表4。
表4 拉曼激光氣體分析技術(shù)與氫焰色譜技術(shù)對(duì)比Table 4 Comparison of Raman laser gas analysis technology and hydrogen flame chromatography
中國(guó)石化于2014年率先研制出國(guó)內(nèi)首臺(tái)能同時(shí)在線連續(xù)分析烴類、非烴類等12種氣體的狹縫分光拉曼激光氣體分析樣機(jī),樣機(jī)采用波長(zhǎng)532 nm、功率400 MW的He-Ne激光器,1 280 dpi的CCD,氣體分辨率達(dá)百萬(wàn)分之一,重復(fù)性誤差小于1.0%,測(cè)量誤差小于全量程的1.0%。
拉曼激光氣體分析技術(shù)主要解決了拉曼效應(yīng)弱、重組分拉曼光譜難以分離的問題。錄井實(shí)鉆分析中,各種氣體的拉曼光譜相互交叉重疊,并且在不同環(huán)境下會(huì)產(chǎn)生頻移,解譜難度大。通過(guò)不斷試驗(yàn),將影響拉曼光譜的各種因素考慮進(jìn)去,開發(fā)了一種基于時(shí)域和頻率域的自適應(yīng)聚焦算法,通過(guò)小波時(shí)域頻域的精確分解和變量篩選相結(jié)合,對(duì)光譜的頻率域進(jìn)行精細(xì)劃分,準(zhǔn)確提取本征分析信號(hào),并排除其他物質(zhì)的干擾,顯著提升了氣體拉曼光譜的分析精度及可靠性。目前,已在川西致密碎屑巖氣藏完成10余井次的應(yīng)用,油氣發(fā)現(xiàn)率達(dá)100%;由于該技術(shù)精度高、穩(wěn)定性好,已擴(kuò)展應(yīng)用到石油工程其他工藝的氣體檢測(cè)中,如空氣鉆井過(guò)程中氣體組分和濃度檢測(cè)、集輸站油氣組分檢測(cè)等。
目前激光技術(shù)并沒有在錄井工程中得到廣泛應(yīng)用,除經(jīng)濟(jì)原因外,主要是目前激光錄井技術(shù)仍有許多不足,需要持續(xù)研究。
1) 激光誘導(dǎo)擊穿光譜技術(shù)。一是巖屑樣品本身的代表性對(duì)巖性識(shí)別準(zhǔn)確性造成影響,需要大量的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)以完善判別方法;二是需要實(shí)現(xiàn)在線功能,以提高效率。要達(dá)到該目的,技術(shù)難點(diǎn)較多,主要包括:連續(xù)檢測(cè)過(guò)程中的干擾因素,如流速影響截面巖屑通過(guò)量,對(duì)LIBS值造成影響;激光器在架空槽內(nèi)的相對(duì)位置對(duì)LIBS值的影響。連續(xù)工作時(shí)激光器本身的穩(wěn)定性不確定,在架空槽內(nèi)被鉆井液污染時(shí)LIBS信息是如何變化的影響因素較多,需要進(jìn)行大量統(tǒng)計(jì)分析工作。
2) 激光掃描共聚焦技術(shù)。一是需要繼續(xù)完善樣品處理技術(shù):由于致密碎屑巖、非常規(guī)等類儲(chǔ)層巖石樣品灌注壓力大,激光對(duì)該類巖石的穿透性欠佳,需要開展針對(duì)性攻關(guān)。二是真假熒光識(shí)別與處理技術(shù):鉆井過(guò)程中為提高時(shí)效或改善鉆井液性能,常會(huì)在鉆井液中加入添加劑,部分添加劑產(chǎn)生的熒光易與原油熒光產(chǎn)生疊加,對(duì)假熒光的識(shí)別與處理將會(huì)影響應(yīng)用效果。
3) 拉曼激光技術(shù)。一是儀器向高精度、小型化方向發(fā)展;二是研發(fā)寬量程、高精度動(dòng)態(tài)范圍量程CCD,解決精度和量程不能兼顧的問題。要充分利用國(guó)內(nèi)外物質(zhì)材料研究最新成果,全方位、多角度驗(yàn)證物質(zhì)分子結(jié)構(gòu)、物理特性對(duì)激光的應(yīng)激反應(yīng),完成在自由空間內(nèi)不同條件、環(huán)境下氣體拉曼效應(yīng)強(qiáng)度和不同激發(fā)激光的對(duì)應(yīng)關(guān)系研究,形成多態(tài)條件下不同物質(zhì)、激光強(qiáng)度和波長(zhǎng)的氣體拉曼效應(yīng)增強(qiáng)技術(shù);同時(shí),為精準(zhǔn)收集拉曼圖譜,需設(shè)計(jì)多透鏡組,形成核心反射與聚焦光路徑向收集系統(tǒng)。
與XRF技術(shù)相比,激光誘導(dǎo)擊穿光譜技術(shù)檢測(cè)過(guò)程中不需要對(duì)巖屑樣品進(jìn)行挑選、研磨和壓片處理,實(shí)現(xiàn)了對(duì)巖屑樣品的直接檢測(cè)處理、全元素含量信息分析,且檢測(cè)時(shí)間極短,給取心卡層等實(shí)時(shí)性較強(qiáng)的工作帶來(lái)極大便利。在巖性剖面建立方面,通過(guò)單井?dāng)?shù)據(jù)積累,利用大數(shù)據(jù)進(jìn)行深度學(xué)習(xí),未來(lái)在開發(fā)井方面能夠自動(dòng)識(shí)別地層巖性。從成本角度來(lái)看,已經(jīng)與XRF基本一致,將來(lái)如果能實(shí)現(xiàn)在架空槽區(qū)域的在線檢測(cè),其替代XRF技術(shù)就成為必然。
激光掃描共聚焦技術(shù)為分析評(píng)價(jià)巖屑樣品物性結(jié)構(gòu)參數(shù)提供了一種手段,解決了掃描電鏡和電子探針技術(shù)不能滿足錄井現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境要求的問題。與核磁共振技術(shù)相比,該技術(shù)在小粒徑巖屑樣品空隙直觀成像上具備優(yōu)勢(shì),在物性、含油性參數(shù)獲取上側(cè)重點(diǎn)不同;相對(duì)而言,核磁共振技術(shù)獲取的參數(shù)更多。若與三維核磁共振技術(shù)聯(lián)作,對(duì)目標(biāo)地層進(jìn)行更全面的可視化、三維立體式的物性及含油性參數(shù)分析,從而形成更為完整的錄井評(píng)價(jià)體系,效果會(huì)更好,在高端應(yīng)用領(lǐng)域可占據(jù)一席之地。
拉曼激光技術(shù)能夠全面檢測(cè)油氣和非烴氣體,可以根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)需求和不同施工設(shè)計(jì)選擇檢測(cè)項(xiàng)目;安全鉆井方面,能對(duì)空氣鉆井、氮?dú)忏@井等氣體鉆井提供安全燃爆檢測(cè),并且能實(shí)時(shí)檢測(cè)H2S、CO等有毒有害氣體,對(duì)于安全、防爆等級(jí)要求更為嚴(yán)苛的海上油田,該技術(shù)相比氣測(cè)技術(shù)優(yōu)勢(shì)更為明顯。另外,拉曼激光氣體分析技術(shù)是開放性平臺(tái),可以進(jìn)行應(yīng)用拓展,根據(jù)需要擴(kuò)大應(yīng)用范圍??梢灶A(yù)見,拉曼激光技術(shù)和氣測(cè)技術(shù)可分別作為未來(lái)高低端應(yīng)用的技術(shù)選項(xiàng)。
1) 需要考慮技術(shù)聯(lián)用。激光誘導(dǎo)擊穿光譜技術(shù)、激光掃描共聚焦技術(shù)和拉曼激光技術(shù)圍繞錄井核心體系(即巖性、物性和含油氣性)構(gòu)建完整的應(yīng)用框架,從理論上提供了一種可行性??紤]其雖都列入激光光譜,但原理上有較大差異,導(dǎo)致檢測(cè)過(guò)程、對(duì)象都存在很大區(qū)別,就目前而言,將其檢測(cè)流程整合,進(jìn)而一體化應(yīng)用的思路在技術(shù)上還較難實(shí)現(xiàn)。但從挖掘單項(xiàng)錄井技術(shù)潛力、檢測(cè)更多參數(shù)的角度而言,確需技術(shù)聯(lián)用。建議優(yōu)先發(fā)展激光誘導(dǎo)擊穿光譜技術(shù),實(shí)現(xiàn)其在巖性和含油氣性上的前端在線聯(lián)合檢測(cè),同時(shí)盡快研究與激光掃描共聚焦技術(shù)在檢測(cè)流程上的整合,實(shí)現(xiàn)激光光譜技術(shù)的一體化應(yīng)用,解決更多問題。
2) 技術(shù)與效益需要共同考量。近年來(lái),錄井工程在采集和評(píng)價(jià)解釋上逐步完善,一些新技術(shù)也有亮點(diǎn)之處,但能給錄井工程帶來(lái)技術(shù)創(chuàng)新和經(jīng)濟(jì)效益的卻非常少。技術(shù)開發(fā)的本質(zhì)是在解決技術(shù)問題的同時(shí),為自身帶來(lái)效益,否則無(wú)法持續(xù)。這一點(diǎn)同樣適用于激光技術(shù)在錄井工程中的應(yīng)用。有鑒于此,為提高激光技術(shù)在錄井工程中的應(yīng)用效果,建議針對(duì)生產(chǎn)實(shí)際開展應(yīng)用研究,真正體現(xiàn)技術(shù)融合、在線化經(jīng)濟(jì)便捷等特點(diǎn),為勘探開發(fā)提供技術(shù)支撐的同時(shí),創(chuàng)造效益,實(shí)現(xiàn)持續(xù)發(fā)展。