光谱检测识别岩性技术对比及发展方向

0 引 言

近年来,针对石油录井工程岩屑录井面临的一系列技术难题,广大录井科技人员借助于光谱领域成分分析技术,开展了光谱检测识别岩屑样品岩性的相关技术研究工作,形成了X射线荧光录井技术、X射线衍射录井技术、激光识别岩性技术等不同的光谱检测识别岩性技术^{[1,2,3,4,5,6,7]}。在实际应用过程中,光谱检测识别岩性技术较好地解决了岩性识别中的技术难题,但受自身技术特点限制,其中也存在着相应的技术缺陷需要解决。

1 岩屑识别面临技术困境

岩屑录井是录井过程中岩性识别的有效手段,通过现场地质技术人员对钻遇地层岩屑样品的识别分析,可以描述钻遇地层剖面,发现油气资源储集层,提高勘探开发效益。然而近年来,随着勘探开发形势的发展,以及钻井新技术的推广应用,给传统的岩性识别带来了严峻的挑战,主要表现为样品可靠性降低等3个方面。

1.1 岩屑样品可靠性降低

钻井新技术、新工艺的推广应用,使得机械钻速大幅度提高,这就造成岩屑样品的取样时间间隔变小。按照传统的两米井段地层捞取一包岩屑样品的要求,地质工每包样品包括捞取、清洗的取样时间基本固定,在机械钻速提高的情况下,难以保证及时准确捞取对应钻遇地层的岩屑样品。

1.2 岩性识别难度加大

一方面,机械钻速的提高加大了钻遇地层岩屑颗粒上返地面过程中研磨程度以及PDC钻头的广泛使用,导致捞取的岩屑样品粒径变小,人工识别岩性困难;另一方面,现场识别火成岩、变质岩岩性的工作量逐步增加,受到多种因素的制约,录井施工现场快速识别这类岩性存在着技术难题。

1.3 非常规油气资源的勘探开发提出了更高要求

目前,非常规油气资源正成为我国未来的主要接替能源,与常规油气资源对比,其对勘探开发中钻遇地层的岩性识别提出更高的要求,以保证井眼轨迹满足设计要求,提高油气层钻遇率,提高勘探开发的成功率。

2 光谱检测技术在岩性识别中的应用现状

为了有效解决录井过程中岩性识别所面临的技术难题,国内外录井技术人员开展了一系列技术攻关,初步形成了岩性识别新技术,将光谱检测技术应用于岩性识别是重要成果之一,该技术提高了岩性识别的及时性和结果的客观性、可靠性,有效发挥了录井在油气勘探开发过程中的作用,进一步稳定了录井行业在石油工业中的地位。

2.1 光谱成分检测技术

光谱成分检测技术是近年来发展起来并得到广泛应用的检测技术之一,利用光谱、色谱、原子探针等方法对待测样品进行检测分析,得出被测物定性或定量的元素成分组成结果,通称未知物分析。目前,该技术被广泛应用于橡胶制品、塑料制品、涂料、食品、微生物、化工制剂等样品的快速、高效分析。

2.2 光谱检测识别岩性

基于对不同成分光谱检测技术的了解和认识,石油录井技术人员立足于元素成分检测技术,相继开发了不同的光谱检测识别岩性技术。

2.2.1 X射线元素录井技术

岩屑样品受到高能X射线束照射后,光子与样品内的元素原子发生碰撞,将原子内层电子逐出,形成空穴,原子处于激发态。当原子的外层电子向内跃迁调补空穴时,出现能量释放,释放过程以X射线荧光形式表现。不同的原子具有不同波长的X射线荧光光谱,同时X射线荧光光谱强度与样品所含原子浓度有关。

利用光谱仪检测岩屑样品的X射线荧光光谱,可以识别出样品所含元素种类及元素的含量,根据岩屑样品元素信息与岩性之间的关系反演样品岩性,实现岩屑样品的岩性识别,形成X射线元素录井技术(简称XRF录井技术)^[8,9]。该技术已在录井领域得到推广应用。

2.2.2 X射线衍射录井技术

当一束X射线照射到矿物晶体时,晶体内的电子使得X射线发生散射,不同电子散射的X射线会发生衍射现象,利用光谱仪可以检测衍射线。X射线衍射成为目前研究晶体结构最有力的方法,衍射花样反映晶体内部的原子分布规律:一是衍射线的空间分布规律(称之为衍射几何),反映晶胞的大小、形状和位向等;二是衍射线的强度取决于原子的品种和它们在晶胞中的位置。

根据X射线衍射原理和特性,录井技术人员引进该方法用于检测钻遇地层岩石所含矿物种类与含量,根据岩石矿物学,反演样品岩性,研究出X射线衍射录井技术(简称XRD录井技术)^[10,11],并制定了行业标准SY/T 5613-2010 《沉积岩中黏土矿物和常见非黏土矿物X射线衍射分析方法》。常见矿物的X射线衍射谱图如图1所示。

2.2.3 激光识别岩性技术

激光诱导击穿光谱(简称LIBS)方法采用高能激光脉冲直接击中样品表面,所产生的高温等离子体(温度可达10⁴ K以上)几乎可将样品中的全部元素汽化并激发至高能态,当它们回到基态时会发出各自的特征光谱,经ICCD探测器采集、光谱仪分析、计算机处理形成谱图。一种元素因层跃迁不同可以产生多个频率光谱,但每一光谱对应唯一的元素,进而可分析样品所含元素及含量,因此从原理上讲LIBS可以测量元素周期表中所有元素的含量。LIBS光谱法检测样品的原理框图如图2,该技术已在冶金、环保、空间探测、考古等多个领域得到成功应用^{[12,13,14,15]}。

近年来, 面向国内外复杂地质条件、页岩气开发和钻井新技术应用对录井提出的快速、准确岩性识别及矿物脆性评价的迫切需求,录井技术人员通过优选26种岩性特征元素,建立元素含量比值和岩性谱图的识别模型,实现了复杂岩性的快速自动识别;在此基础上,开发出将快速自动识别岩性和实时评价页岩脆性于一体的激光岩性分析仪及软件系统^[16,17,18],用于石油勘探开发领域。激光识别岩性技术主要包括以下几种方法。

(1)LIBS谱图岩性识别。首先,在实验室利用激光岩性分析仪对不同岩性的国家标准物质样品进行检测,处理分析不同岩性标准物质样品的LIBS谱图,建立“岩性-LIBS谱图标准数据库”。在录井现场利用激光岩性分析仪对岩屑样品进行检测,经过处理得到岩屑样品的LIBS信息,与“岩性-LIBS谱图标准数据库”分别进行比对,分析与不同岩性之间相关性,根据相关系数高低,判断岩屑样品的岩性,实现自动识别样品岩性。

(2)元素组合关系岩性识别。依据岩石地球化学的相关理论,优选与地层岩性关系密切的26种主要特征元素,通过对国家标准物质样品进行检测处理,建立不同元素含量-光谱强度量化数学模型(表1),实现主要元素的量化检测,并建立不同岩性的元素组合关系岩性图板,利用该图板实现自动识别样品岩性。

(3)砂岩-泥岩-碳酸盐岩三角图板岩性识别。该方法是对岩石样品的LIBS数据进行处理之后,按照特征元素Si、Al、Ca和Mg的特征谱线提取对应波长的归一化LIBS数据。

根据相关地质沉积学理论,砂岩以石英为主要成分,因此利用Si元素含量信息可以识别岩屑样品中砂岩的含量;泥岩的主要成分是黏土矿物,与其所含Al元素多少具有密切关系;碳酸盐岩的主要成分是CaO和MgO,故选取Ca、Mg元素用于识别碳酸盐岩。选取Si元素代表砂岩、Al元素代表泥岩、Ca和Mg元素代表碳酸盐岩,计算4种元素含量占样品总量,作为基数100%,利用Si、Al、(Ca+Mg)分别占基数的百分比作三角图板,根据样品数据在三角图板的区域自动识别出砂岩、泥岩、碳酸盐岩。

(4)Ca/Mg比值识别碳酸盐岩。碳酸盐储集层是石油和天然气主要储集层之一,主要由方解石和白云石组成,根据二者含量不同,碳酸盐岩又分为灰岩、白云岩、白云质灰岩、灰质白云岩等不同岩性。碳酸盐岩中油气资源丰富,为了准确发现油气资源,并指导油气资源的合理开采,需要对碳酸盐储集层的物性特征做出准确的判断。由于目前在石油、天然气等钻井勘探开发技术领域,大量使用PDC钻头或采用气体钻进,碳酸盐岩岩屑形成细小颗粒或粉尘,肉眼直接观察已经无法准确判别碳酸盐岩岩性。为改变这种现状,逐渐出现了一些替代方法。

目前录井施工现场传统的碳酸盐岩性识别方法是人工挑选一定量的碳酸盐岩样品进行研磨,放入密闭的容器内与一定量的稀盐酸发生化学反应,根据产生气体压力判别样品中CaCO₃、MgCO₃的含量,进而描述样品的岩性。但是这种岩性识别方法受人工挑选样品质量的影响,同时识别过程人为因素影响较大,检测周期长,不利于碳酸盐岩岩性快速准确识别。根据岩石矿物学及氧化物关系,对现有的碳酸盐岩划分标准进行优化,由传统的碳酸盐岩识别方法过渡到利用LIBS定量检测岩屑样品中Ca、Mg元素含量的比值关系实现碳酸盐岩岩性识别。Ca/Mg比值识别碳酸盐岩的标准如表2。

激光识别岩性技术在实际应用过程中,同时运用上述几种方法,综合分析岩屑样品解释结论,确认岩屑样品的最终岩性。 该成果已在涪陵页岩气及东北、西北、中原地区油气田的勘探开发中应用,对快速准确识别钻遇地层岩性具有独特优势。

图3显示W 275井激光识别岩性技术应用成果(部分)。在该井完成2 012~2 958 m井段岩屑样品的LIBS岩性自动识别,识别井段长度946 m,识别成果与综合解释岩性一致率超过88.63%,取得了良好的效果。

3 光谱检测识别岩性技术缺陷

前文所述的光谱检测识别岩性技术,基本解决了录井过程中岩性识别所面临的技术难题,3种光谱检测识别岩性技术各具特色,都具有岩性识别结果客观可靠的技术优势。采用上述岩性识别技术,均实现了岩性的自动识别,识别过程排除了人为因素的干扰,地层岩性描述更加客观,提高了录井地质剖面符合率。但是,利用成分检测研究形成的岩性识别技术成果,现场应用过程中发现还存在着某些问题需要改进和完善。

3.1 样品制备问题

X射线元素录井技术和X射线衍射录井技术检测样品需要人工制备,一是耗费时间,二是样品代表钻遇地层岩性的可靠性还有待进一步提高。

3.2 检测周期问题

为了准确检测样品中的元素信息或矿物信息,X射线元素录井技术和X射线衍射录井技术需要一定分析周期,快速钻进条件下的岩性识别现场应用还存在一定问题。

3.3 设备成本偏高影响推广应用

光谱检测识别岩性技术是借鉴现有光谱检测成分分析技术成果,光谱检测识别岩性设备核心部件多,如X光管、激光器、光谱仪等部件多是采购国外产品,造成设备成本偏高,不利于该项技术的广泛推广应用,需要广大录井技术人员在设备研发方面进一步加大技术攻关力度,降低设备成本。

3.4 识别准确率有待进一步提高

3种岩性识别技术的岩性识别均依赖于对样品成分信息的准确检测与处理,分析方法建立在一定数量样品检测信息基础之上,所建立的识别标准可能还不够严密,需要逐步补充和完善。

4 光谱检测识别岩性技术的发展方向

尽管利用光谱检测技术识别岩性还存在着某些技术缺陷,但是现有岩性识别技术现场应用成果表明,岩性识别技术可以大幅度提高岩性识别准确率,有利于判断钻遇地层岩性结构,发现油气层,对录井技术发展具有促进作用。为了更好地利用成分检测技术实现岩性识别,需要在以下3方面继续开展技术攻关。

4.1 岩性连续自动识别

在现有成果基础上,研究钻遇地层岩石信息在线检测与自动识别技术,排除人工取样对识别成果可靠性的影响。

4.2 统一技术标准

不同的岩性识别技术存在着不同的标准,多个标准共存易导致现场地质技术人员在应用中出现混乱情况。为此,要开展岩性自动识别技术标准的研究工作,尽可能统一光谱检测识别岩性标准,推动该技术更好发展。

4.3 录井设备研发

目前光谱成分检测岩性识别技术主要是引进其他行业的技术成果,样品信息检测方法用于录井岩性识别还存在一定局限性,录井技术人员主要关注于信息的应用,同时检测设备核心部件也多是国外进口。因此,在今后的工作中,要加强与其他相关行业技术交流,开展录井设备的研发工作,形成录井岩性识别专有技术。

5 结论与建议

光谱检测识别岩性技术能够较好地解决传统岩屑录井存在的技术问题,适应快速钻井技术及特殊钻井液条件下钻遇地层岩屑岩性识别,为录井施工现场地质技术人员准确识别岩屑岩性、提高录井地质剖面符合率、及时发现油气资源提供有力的技术支持。

光谱检测识别岩性技术仍有提升空间,录井行业技术人员有必要继续开展相应的技术研究工作,进一步完善和提高光谱检测识别岩性技术水平,使之能够完全满足录井施工现场技术需求,为油气勘探开发发挥石油录井行业应有的作用。

The authors have declared that no competing interests exist.

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参考文献

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