王 娜

(中國石油大慶鉆探工程公司地質(zhì)錄井一公司)

0 引 言

隨著油田勘探的不斷深入，勘探難度和多樣性的增加，錄井手段日益發(fā)展。錄井按照譜圖信息，可以分為色譜錄井、波譜錄井、質(zhì)譜錄井、光譜錄井[1]。色譜錄井可以分為氣相色譜錄井和液相色譜錄井，其中氣相色譜錄井，如氫火焰離子色譜分析、巖石熱解氣相色譜分析等技術(shù)應(yīng)用較為廣泛且被人熟知，而液相色譜分析技術(shù)目前停留在實(shí)驗(yàn)室階段，在錄井現(xiàn)場應(yīng)用沒有得到很好地推廣[2]。本文通過對(duì)液相色譜分析技術(shù)的研究，展望該技術(shù)在錄井中的應(yīng)用前景。

1 液相色譜儀介紹

1.1 工作原理

色譜法又稱色系法，其原理是利用不同溶質(zhì)與固定相和流動(dòng)相之間作用力的差別，當(dāng)兩相做相對(duì)移動(dòng)時(shí)，各溶質(zhì)在兩相間進(jìn)行多次平衡，進(jìn)而使各溶質(zhì)達(dá)到相互分離[3-4]。流動(dòng)相載氣體為氣相色譜，流動(dòng)相載液體則為液相色譜。兩者的工作原理相同，但也存在差異，主要表現(xiàn)在3方面。

(1)氣相色譜分析需要加溫操作，大約20%的有機(jī)物適用氣相色譜分析，對(duì)于高沸點(diǎn)、難揮發(fā)、不穩(wěn)定的有機(jī)物分析較為困難；而液相色譜分析常溫操作即可，80%的有機(jī)物均可適用，非常適合高沸點(diǎn)、難揮發(fā)、不穩(wěn)定的有機(jī)物(表1)。

(2)液相色譜固定相類型多，分析時(shí)選擇余地大。

(3)液相色譜樣品具有制作簡單及可以回收的特點(diǎn)，但其缺乏通用的檢測器，儀器制作比較復(fù)雜，且價(jià)格昂貴。

1.2 結(jié)構(gòu)組成

高效液相色譜儀一般由流動(dòng)相儲(chǔ)液瓶、輸液系統(tǒng)、進(jìn)樣器、色譜柱和檢測記錄系統(tǒng)組成(圖1)[5]。

表1 氣相色譜與液相色譜的區(qū)別

圖1 液相色譜儀結(jié)構(gòu)示意

(1)流動(dòng)相儲(chǔ)液瓶:是用來儲(chǔ)存配置好的流動(dòng)相的容器，由玻璃制成。要求其材質(zhì)對(duì)流動(dòng)相保持惰性。

(2)輸液系統(tǒng):包括高壓輸液泵、在線脫氣裝置、梯度洗脫裝置三部分。因?yàn)橐合嗌V柱填充材料顆粒小，所以需要高壓輸液泵來提供動(dòng)力，高壓輸液泵根據(jù)壓力控制方式分為恒流泵和恒壓泵[5]。在線脫氣裝置可以在流動(dòng)相進(jìn)入色譜柱之前將其中的氣體排出；梯度洗脫裝置是指在同一個(gè)分析周期內(nèi)，按一定程度不斷改變流動(dòng)相的濃度配比的一種裝置。

(3)進(jìn)樣器:是把樣品定量地送入色譜柱的裝置，它分為手動(dòng)進(jìn)樣器和自動(dòng)進(jìn)樣器。

(4)色譜柱:是裝填有固定相的用以分離混合組分的柱管，它是色譜分析儀的心臟。目前液相色譜儀常用的填充劑包括：無機(jī)物，如硅膠、氧化鋁等；交聯(lián)聚合物，如聚苯乙烯等；復(fù)合材料。填充劑的類型決定了色譜的類型：無機(jī)物多適用于正相色譜；交聯(lián)聚合物則適用于反相色譜或離子對(duì)色譜；復(fù)合材料則適用于反相或正相色譜[6]。

(5)檢測記錄系統(tǒng):包括檢測器和記錄系統(tǒng)。檢測器用于連續(xù)監(jiān)測色譜柱流出的物質(zhì)，將檢測樣品物理化學(xué)特征轉(zhuǎn)成電信號(hào)，最終轉(zhuǎn)成色譜圖，對(duì)檢測物質(zhì)進(jìn)行定性定量分析[7]。記錄系統(tǒng)是將檢測器輸出的電信號(hào)經(jīng)自動(dòng)電子電位差計(jì)繪制出色譜峰型的記錄裝置。

1.3 技術(shù)性能指標(biāo)

高效液相色譜儀與經(jīng)典液相色譜儀技術(shù)性能指標(biāo)主要包括：進(jìn)樣量、固定相、流動(dòng)相進(jìn)柱作用力、色譜柱入口壓力、色譜柱、色譜柱柱效、檢測器、分析時(shí)間和裝置等(表2)。

表2 高效液相色譜儀與經(jīng)典液相色譜儀技術(shù)性能指標(biāo)一覽

2 液相色譜分析技術(shù)在錄井中的應(yīng)用

當(dāng)前，液相色譜分析技術(shù)在石油勘探開發(fā)領(lǐng)域還停留在實(shí)驗(yàn)探索過程中。為了滿足更為復(fù)雜地質(zhì)的石油勘探開發(fā)需求，將具有分離效能高、選擇性高、檢測靈敏度高、分析速度快等特點(diǎn)的高效液相色譜分析技術(shù)應(yīng)用到錄井中，有望在提高錄井效率、保證錄井?dāng)?shù)據(jù)的可靠性方面發(fā)揮其優(yōu)勢。

2.1 在巖屑錄井中的應(yīng)用

錄井過程中對(duì)于有熒光的巖屑，可以進(jìn)行色譜組分分析。通常采用一定量的有機(jī)溶劑對(duì)其中的烴類化合物進(jìn)行萃取，再將萃取液進(jìn)行烴組分分析，通過這種方式可以得到隨鉆建立全井段巖屑烴組分含量分布圖。采用高效液相色譜分析技術(shù)對(duì)輕質(zhì)油的分析更為準(zhǔn)確[8]。在鉆井過程中，如果鉆遇輕質(zhì)油層，該油層中的烷烴成分更容易溶解在鉆井液中，在錄井過程中易散失。如果采用高效液相色譜分析萃取后樣品，會(huì)準(zhǔn)確及時(shí)地發(fā)現(xiàn)烴組分。

本文以臺(tái)北凹陷輕質(zhì)油為例，在輕質(zhì)油常規(guī)氣測錄井過程中，由于油質(zhì)輕、烴組分揮發(fā)嚴(yán)重，采用液相色譜分析技術(shù)能有效地完成對(duì)難揮發(fā)烴類的檢測。臺(tái)北凹陷輕質(zhì)油主要發(fā)育在侏羅系中下統(tǒng)，原油呈透明、半透明，低密度、低粘度，經(jīng)液相色譜分析得到儲(chǔ)集層的流體性質(zhì)特征如下：油層碳數(shù)分布較寬，主峰碳分布在nC16-nC19，色譜曲線表現(xiàn)為規(guī)則的梳狀(圖2a)；氣層碳數(shù)分布較窄，主峰碳分布在nC12，色譜曲線表現(xiàn)為不規(guī)則的尖峰狀(圖2b)；油水同層碳數(shù)分布較寬，主峰碳分布在nC20，色譜曲線與油層一致，表現(xiàn)為規(guī)則的梳狀(圖2c)；含氣水層碳數(shù)分布較窄，主峰碳分布在nC12-nC21，色譜曲線可見較明顯的尖峰(圖2d)。

利用液相色譜分析技術(shù)對(duì)臺(tái)北凹陷侏羅系中下統(tǒng)的21口井共201個(gè)含油氣顯示層進(jìn)行了分析。通過與試油試采數(shù)據(jù)對(duì)比，總共解釋的153個(gè)油氣層中不符合48層，油氣層解釋符合率達(dá)到76.1%。應(yīng)用結(jié)果表明液相色譜分析技術(shù)在輕質(zhì)油流體性質(zhì)評(píng)價(jià)中能夠達(dá)到較為準(zhǔn)確評(píng)價(jià)儲(chǔ)集層的目的。

2.2 在巖心錄井中的應(yīng)用

進(jìn)行巖心錄井時(shí)，在巖心出筒后，對(duì)于有烴類化合物顯示的(有氣及熒光顯示)，及時(shí)制作巖心樣品并進(jìn)行萃取，將萃取后的樣品通過高效液相色譜儀進(jìn)行組分分析，可與試油數(shù)據(jù)聯(lián)合制作相應(yīng)圖板從而預(yù)測其產(chǎn)能[9]。特別是當(dāng)巖心為含氣、熒光和輕質(zhì)油等易散失的類型時(shí)，其實(shí)時(shí)性較強(qiáng)，借助高效液相色譜儀及時(shí)對(duì)萃取液進(jìn)行組分分析，能準(zhǔn)確且及時(shí)地檢測出烴類含量，可對(duì)儲(chǔ)集層優(yōu)劣進(jìn)行準(zhǔn)確評(píng)價(jià)。

2.3 地層水分析

離子色譜技術(shù)屬于液相色譜技術(shù)的一種，原理是利用離子交換基團(tuán)之間的交換，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)鈉離子(Na+)、鉀離子(K+)、鎂離子(Mg2+)、鈣離子(Ca2+)以及氯離子(Cl-)、碳酸氫根離子(HCO3-)、硫酸根離子(SO42-)共7種離子的測量。目前在錄井中常用硝酸銀滴定法測定Cl-、鉆井液出口電導(dǎo)率等方法來判定地層水性質(zhì)，常規(guī)方法只能對(duì)地層是否含水定性評(píng)價(jià)，無法實(shí)現(xiàn)定量精準(zhǔn)分析，故對(duì)于大斜度井、無大量地層水、鉆井液性能無較大變化的鉆井作業(yè)現(xiàn)場，常規(guī)方法適用較差。離子色譜技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)定量精準(zhǔn)分析，且儀器便于攜帶，適用多種環(huán)境。利用離子色譜技術(shù)進(jìn)行地層水分析已經(jīng)在我國很多地方得到應(yīng)用，如四川盆地川東北地區(qū)、勝利油田新疆和田地區(qū)、中石化川東南地區(qū)、鄂爾多斯盆地長慶探區(qū)等。

圖2 臺(tái)北凹陷輕質(zhì)油液相色譜圖特征

川東北元壩地區(qū)長興組屬于海相灘非均質(zhì)氣藏，具有特殊且復(fù)雜的氣水矛盾，由于地層水并非大量地進(jìn)入井筒且鉆井液性能無較大變化，采用常規(guī)錄井手段不易檢測[10]。

離子色譜技術(shù)可以根據(jù)礦化度來直接判斷是否鉆遇水層(圖3)[11]。以YB 10-1H井為例，井深7 025 m，Cl-由11 307 mg/L升高至23 243 mg/L，SO42-由8 923 mg/L升高至14 735 mg/L，Na+由6 022 mg/L升高至8 497 mg/L，液相色譜分析為水層，與測井解釋結(jié)論一致。另外根據(jù)Na+/Cl-、(Na+-Cl-)/SO42-、(Cl--Na+)/Mg2+等成因系數(shù)，來對(duì)地層水型進(jìn)行判斷(表3)，通過計(jì)算得出YB 9井、YB 12井、YB 4井、YB 1井、YB 123井均表現(xiàn)為CaCl2水型。

圖3 YB 10-1H井7 020～7 140 m離子濃度變化曲線

表3 YB地區(qū)海相地層水分析統(tǒng)計(jì)

3 結(jié) 論

(1)液相色譜分析技術(shù)是基于經(jīng)典色譜理論發(fā)展而來的，與氣相色譜技術(shù)相比，具有選擇性強(qiáng)、檢測靈敏度高、適應(yīng)高溫高壓環(huán)境等優(yōu)點(diǎn)，但是因其發(fā)展時(shí)間短、儀器較為復(fù)雜、價(jià)格昂貴，在錄井行業(yè)內(nèi)應(yīng)用不廣泛。

(2)液相色譜分析技術(shù)在巖屑錄井中具有優(yōu)勢，尤其針對(duì)輕質(zhì)油，其可以在短時(shí)間(烷烴尚未溶解在鉆井液中)內(nèi)進(jìn)行檢測。

(3)離子色譜技術(shù)屬于液相色譜的一種，其可以對(duì)地層水離子進(jìn)行定量分析，在判斷是否鉆遇水層、判讀地層水型方面具有一定的優(yōu)勢。

(4)由于液相色譜分析技術(shù)有更廣泛的適用性及準(zhǔn)確性，在錄井過程中可以把該技術(shù)與已經(jīng)成熟的錄井技術(shù)結(jié)合聯(lián)用，實(shí)現(xiàn)對(duì)樣品成分的定性及定量分析，從而進(jìn)一步提高錄井在勘探開發(fā)中的技術(shù)服務(wù)水平。鑒于氣相色譜技術(shù)已廣泛應(yīng)用于錄井作業(yè)中，而液相色譜技術(shù)與其存在較多相似之處，一經(jīng)應(yīng)用必將更快地得到推廣。