0 引 言

针对快速钻井技术条件下钻遇地层岩屑样品采样、清洗处理时间短及录井岩屑样品代表性难以控制等问题,录井科技人员借鉴激光诱导击穿光谱(Laser-Induced Breakdown Spectroscopy,简称LIBS)技术成果,在激光识别岩性技术基础上,采用“激光在线识别岩性技术”,实现了无需取样、钻遇地层岩屑上返地面后原位激光特性检测,可在线连续识别地层岩性,有效提高了钻遇地层岩性剖面符合率,为石油录井在油气勘探开发中进一步发挥优势提供了技术支持^{[1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11]}。

1 激光在线识别岩性技术原理

如图1所示,激光在线岩性分析仪的激光器、光谱仪、计算机控制系统和电源固定在机箱内,激光探针固定在钻井振动筛上方,激光器、光谱仪通过导光臂与激光探针连接。在计算机系统控制下,激光器发出的高能激光通过导光臂传播到激光探针,经过反射、聚焦后,光路会聚焦点处于振动筛上的岩屑表面,激发岩屑样品产生诱导击穿光谱,通过导光臂内部的光纤传输到光谱仪,通过激光在线识别岩性系统软件对样品的LIBS信息进行采集、处理、分析,实现岩屑样品岩性的在线识别。

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图1   激光在线识别岩性示意

   

2 激光在线识别岩性影响因素分析

激光在线识别岩性实现了钻遇地层岩性的快速准确识别,但在实际应用过程中发现,受施工环境因素限制,岩性识别符合率与理论分析之间存在一定差异,通过认真分析,认为主要原因在于干扰因素的存在影响了岩屑样品的LIBS信息。

2.1 水蒸气影响光路传播方向

受地质特征因素影响,钻井施工过程中,循环上返到地面的钻井液与空气之间存在着一定温差,因此,在振动筛分离钻遇地层岩屑与钻井液环境中,存在大量的水蒸气。LIBS检测系统是光学检测系统,在传输过程中,水蒸气对于光路传输方向、光谱强度均具有严重不良影响。水蒸气中含有大量粒径细小的水珠,每一个水珠对于光线传播,均相当于一个透镜,基于透镜对于光线传播的影响,易造成光路尤其是激光的传播方向发生偏转。在岩屑激光信息检测过程中,检测设备激光器发射出的激光根据设定的光路系统,按照规定的传播途径能够有效检测岩屑样品的LIBS信息。但是,水蒸气的存在造成激光的传输方向发生折射现象,传播方向发生偏转,将使激光不能准确会聚在振动筛上的岩屑样品表面,即使能够激发出钻井液样品的LIBS光谱,也难以准确传输到光谱检测装置,水蒸气的存在极大地影响了样品光谱检测精度。

利用实验平台对水蒸气影响情况进行测试分析时,首先利用探针测试泥岩岩心样品LIBS信息并进行记录,随后向探针上部光路腔体内输入高温水蒸气,间隔1 min进行测量并分别记录数据,部分对比数据如表1所示。

表1显示水蒸气对泥岩岩心样品持续影响1 min、2 min后所测量的部分LIBS光谱数据,波长范围390.01~391.02 nm。对比分析泥岩岩心样品原始状态LIBS信息数据和连续受水蒸气影响后的LIBS信息数据发现,水蒸气影响1 min后,与原始光谱数据对比,光谱强度下降不明显,2 min后泥岩岩心LIBS信息强度急剧下降。

图2是波长范围390.01~410.00 nm内泥岩岩心样品在受水蒸气影响情况下LIBS强度对比图。水蒸气持续影响2 min后,波长为396.810 6 nm对应光谱强度由5 626 200个光子下降为425 710个光子,降幅为92.43%,表明水蒸气的存在导致样品的LIBS信息失真,水蒸气是影响地层流体LIBS信息的主要因素之一。

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图2   水蒸气对泥岩样品LIBS信息影响对比

   

2.2 激光器功率与LIBS强度的关系

激光在线识别岩性基础成果应用过程中发现,岩屑样品的LIBS强度与激光器光源的功率之间存在密切关系:激光器功率偏低,不能有效激发出岩屑样品所含元素的LIBS光谱;激光器功率过高,将会导致岩屑样品中某些元素LIBS信息出现饱和现象,进而影响该元素谱线附近其他元素的识别与量化检测(图3)。

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图3   不同激光器功率条件下泥岩岩屑样品LIBS对比

   

图3表明:对于同一个泥岩岩屑样品,激光器功率在10.5 mJ时,样品的LIBS强度较低,部分谱线(395.45~395.85 nm)未能激发显现,不利于岩屑样品的准确识别;对于波长为396.77 nm的谱线,随着激光器功率的增加,该波长对应的LIBS强度逐渐升高,激光器功率为49 mJ时接近饱和,激光器功率为88 mJ时彻底饱和变形,影响了该谱线对应数据的准确检测,进而影响对岩屑样品岩性的自动识别。

2.3 上部地层岩屑混杂造成的影响

受钻井过程中井筒质量、起下钻钻具运动、地层岩性特征等不同因素影响,出口钻井液携带钻遇新地层岩屑的同时,通常还混有上部地层岩屑颗粒,在激光在线检测岩屑样品LIBS信息时,检测结果将会含有上部地层掉块的LIBS信息,导致岩屑样品LIBS信息可靠性受到影响。

2.4 钻井液添加剂造成污染

在水平井、大位移井的钻井施工过程中,为提高钻井时效,减少钻井安全事故,往往采用油基钻井液或钻井液混入大量原油,该条件下钻遇地层岩屑上返到地面时,岩屑表面被严重污染,难以清洗彻底。由于激光在线识别岩性是检测岩屑样品表面LIBS信息,该钻井液条件下的地层岩屑样品LIBS信息将会含有油基钻井液或原油信息,在线检测岩屑样品LIBS信息出现失真现象。

2.5 小结

在激光在线识别岩性技术应用过程中,光路传播途径中的水蒸气降低岩屑样品LIBS强度,容易导致某些波长信息难以准确采集;激光器功率偏高或偏低可能造成样品LIBS谱图变形;上部地层岩屑以及钻井液添加剂容易造成岩屑样品LIBS信息出现异常,上述干扰因素造成岩屑LIBS信息失真,进而影响钻遇地层岩性识别的符合率。

3 激光在线识别岩性影响因素的处理

通过分析激光在线识别岩性技术存在的主要干扰因素,认清了样品激光信息的干扰机理,为降低干扰因素对岩屑识别成果的影响,在实验室开展了相关研究工作,取得了实际成效。

3.1 水蒸气

水蒸气的存在主要影响激光在线识别岩性设备光路传播方向,为降低水蒸气的影响,最有效的途径是降低或消除光路系统中水蒸气的含量。

为有效解决水蒸气的干扰问题,对激光在线识别岩性设备的激光探针结构进行优化设计,在探针光路系统中增加平面透镜,缩短激光光源穿过水蒸气会聚岩屑表面之间的距离。经过设计优化,探针的会聚光路长度穿透水蒸气的距离由25 cm缩短为3 cm,极大地降低了水蒸气对光路系统的干扰。

激光探针结构优化设计后,对同一岩屑样品LIBS信息进行检测对比,发现采用优化后的激光探针,样品LIBS强度有所提高。图4 是激光探针优化前后的页岩岩屑样品LIBS谱图对比图(240~340 nm),通过对实验数据分析,页岩岩屑样品的LIBS强度提高了87.2%,表明该措施较好地解决了水蒸气给岩屑样品LIBS信息检测带来的干扰。

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图4   激光探针优化前后岩屑样品LIBS对比

   

3.2 激光器功率

针对激光器功率对岩屑样品LIBS信息的影响,可采取以下措施:一是优选调整合适的激光器功率参数,结合岩屑样品特点,优选设定激光器功率为30~40 mJ,可以兼顾岩屑样品中不同波长的谱线特征被有效地激发,并确保不出现饱和现象;二是改进电路系统,增加负反馈系统,稳定激光器的功率。

通过上述措施的应用,有效解决了激光器功率对岩屑样品LIBS信息的干扰。

3.3 上部地层岩屑

激光在线识别岩性技术应用过程中,一旦出现上部地层岩屑干扰,岩屑LIBS信息极大可能出现突变,通过开发功能模块软件,结合钻时数据,可以实现异常数据的识别与判断,确定出现异常数据后,在数据处理过程中自动剔除异常数据,消除上部地层岩屑样品干扰,具体过程如图5。

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图5   异常数据处理过程

   

首先采集样品的LIBS信息,同时读取上一个样品LIBS数据,对二者进行相关性分析。如果相关性满足设定要求,判定该数据为正常数据,继续进行样品LIBS信息处理程序;如果相关性低于设定要求,初步判断该数据异常,读取钻时数据,结合钻时数据判定数据是否异常:如果根据钻时数据未发现岩性变化,则确定该数据为异常数据,并进行剔除处理,如果钻时数据发生变化,则判断该数据为正常数据,继续进行样品LIBS信息处理程序。现场数据表明,应用该方法有效剔除了上部地层岩屑对钻遇地层岩屑样品的干扰。

3.4 油基钻井液污染

利用LIBS检测分析时间短(毫秒级)、高能激光能够剥蚀样品表面的特点,在油气钻井液钻井条件下,优化激光检测工艺,消除油基钻井液对钻遇地层岩屑样品LIBS信息的干扰。

一是在现有激光器功率的基础上,适当提高激光器功率(增加5%左右),强化对岩屑样品的激光诱导击穿光谱强度,在样品表面产生烧蚀效应,剥蚀样品表面;二是缩短激光在线识别岩性设备LIBS信息采集时间到2 ms,实现同一个岩屑样品能够在表面剥蚀后瞬时再次激发,检测其激光信息。

4 现场应用情况

该成果先后在MB 5-1井、QG 3井和B 3C井进行现场试验应用,累计完成1 046 m井段钻井液地质信息激光在线检测。

现场应用结果表明:激光在线识别岩性技术量化检测部分元素含量信息,实现了钻遇地层岩性信息的在线准确检测(图6),取得了较好的效果,沉积岩岩性识别符合率不低于85.72%,验证了该项技术的可靠性和先进性。

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图6   QG 3井录井成果图

   

5 结 论

激光在线识别岩性技术较好地解决了现有岩屑录井面临的一些技术难题,尤其是通过对其干扰因素的分析和处理,提高了该技术的稳定性,实现了钻遇地层岩性的连续、智能、准确识别,进一步补充和完善了石油录井行业技术体系。

激光在线识别岩性技术作为近年发展起来的录井新技术,受多方面因素的影响,在实际应用过程中还将会面临其他新的问题,需要录井专业人员进一步研究和完善,使之尽早得到广泛推广,促进录井工程技术水平的发展。

The authors have declared that no competing interests exist.

参考文献

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