引用本文
胡宗敏, 赵民, 苑晨, 张祥国, 耿长喜, 李庆刚. DQL-T碳同位素随钻录井仪的研制与应用[J]. 录井工程, 2025,36(1): 16-21.
HU Zongmin, ZHAO Min, YUAN Chen, ZHANG Xiangguo, GENG Changxi, LI Qinggang. Development and application of DQL-T carbon isotope logging while drilling apparatus[J]. Mud Logging Engineering, 2025,36(1): 16-21.
Doi:10.3969/j.issn.1672-9803.2025.01.003  
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DQL-T碳同位素随钻录井仪的研制与应用
胡宗敏①, 赵民②, 苑晨③, 张祥国④, 耿长喜⑤, 李庆刚⑥
①中国石油大庆油田采油工艺研究院
②中国石油大庆钻探地质录井公司（地质研究院）
③中油财务公司大庆分公司
④中国石油大庆油田勘探事业部（地球物理部）
⑤中国石油大庆钻探工程有限公司EISC中心
⑥中国石油大庆油田工程技术部

作者简介：胡宗敏 高级工程师,1980年生,2005年毕业于西南石油学院测控技术与仪器专业,工学硕士学位,现在中国石油大庆采油工艺研究院从事地质工程一体化工作。通信地址：163411 黑龙江省大庆市让胡路区西柳街2号。E-mail：huzongmin@petrochina.com.cn

收稿日期: 2024-11-12
摘要

碳同位素录井技术在石油勘探领域尤其是非常规油气勘探中应用广泛,为满足页岩油气大规模勘探开发需求,研制了DQL-T碳同位素随钻录井仪。其基于色谱-中红外量子级联激光联用,采用的激光吸收光谱技术是一种检测性能高、抗干扰能力强、使用成本低的气体检测技术。通过12C-O/13C-O分子键对激光光谱的吸收特征峰,能快速检测碳化合物的同位素值,将钻井液气或岩屑罐顶气进行C1-C3组分分离后输入氧化池,氧化生成的CO2输入中红外激光光谱测量模块,即可实现碳同位素的测量。通过研究“紧凑-直线”型激光测量模块和超小体积气体吸收腔等技术达到整体设备小型化目的,采用多级控温技术使钻探环境下光谱核心温度波动小于0.02 ℃,从而可在井场实时测量钻井液气以及岩屑罐顶气碳同位素的变化特征。对某油田X井进行的碳同位素录井分析表明,DQL-T碳同位素随钻录井仪能够快速进行碳同位素测量,适用于野外严苛环境;分析认为罐顶气δ13C1-7分馏较大、放气量中等的储层,油气富集程度高、赋存压力较大、储层物性相对较好,可作为重点改造层段。

关键词: 碳同位素; 随钻录井仪; 中红外激光光谱; 量子级联激光器; 页岩气
中图分类号:TE132.1 文献标志码:A
Development and application of DQL-T carbon isotope logging while drilling apparatus
HU Zongmin①, ZHAO Min②, YUAN Chen③, ZHANG Xiangguo④, GENG Changxi⑤, LI Qinggang⑥
①CNPC Daqing Oilfield Production Technology Institute,Daqing,Heilongjiang 163411,China
②CNPC Daqing Drilling & Exploration Engineering Corporation Geological Logging Company（Geological Research Institute）,Daqing,Heilongjiang 163411,China
③Daqing Branch,China Petroelum Finance Co.,Ltd.,Daqing,Heilongjiang 163458,China
④Exploration Division（Geophysical Department） of CNPC Daqing Oilfield,Daqing,Heilongjiang 163453,China
⑤EISC Center,CNPC Daqing Drilling Engineering Company Limited,Daqing,Heilongjiang 163114,China
⑥Engineering Technology Department of CNPC Daqing Oilfield,Daqing,Heilongjiang 163711,China
Abstract

Carbon isotope logging technology is widely used in oil exploration realm,especially in unconventional oil and gas exploration. To meet the large-scale exploration and development needs of shale oil and gas,DQL-T carbon isotope logging while drilling apparatus has been developed. It is based on chromatography coupled with mid-infrared quantum cascade laser and uses laser absorption spectrum technology,which is a gas detection technology with high detection performance,strong antijamming ability,and low usage cost. The isotopic values of carbon compounds can be detected quickly by the absorption characteristic peaks of the molecular bond of12C-O or13C-O on laser spectrum. The C1-C3 components of drilling fluid gas or cuttings headspace gas are separated and enter the oxidation pond,and the CO2 generated by oxidation enters the mid-infrared laser spectrum measurement module for carbon isotope measurement. Through the research of "compact-linear" laser measurement module,superminiature volume gas absorption cavity and other techniques,the purpose of overall equipment miniaturization is achieved. The multistage temperature control technique is used to make the spectral core temperature fluctuation in the drilling environment less than 0.02 ℃,and the change characteristics of carbon isotope of drilling fluid gas and cuttings headspace gas can be measured in real time at the well site. The carbon isotope logging analysis of well X in an oil field shows that DQL-T carbon isotope logging while drilling apparatus can quickly measure carbon isotope and is suitable for the harsh environment in the field. Analysis suggests that the reservoirs with high δ13C1-7 fractionation and moderate outgassing amount of the headspace gas have the high enrichment degree of the hydrocarbon accumulation,large occurrence pressure and relatively good physical properties,which can be used as the key reconstruction intervals.

Keyword: carbon isotope; mud logging while drilling unit; mid-infrared laser spectrum; quantum cascade laser; shale gas
0 引言

随着碳同位素检测技术的发展, 碳同位素已经在优势储层辨识、水平段地质甜点分类评价、烃源岩演化及储源关系研究、开发井产能预测、油气来源类型判识、有机质成熟度分析等众多领域中发挥着重要作用。

当前稳定碳同位素测量主要有质谱法和光谱法两类测量方法：质谱法是发展成熟、应用最广的碳同位素测量方法, 然而质谱同位素测量设备价格昂贵, 维护复杂, 对环境稳定性要求很高, 故多停留于现场取样实验室分析的工作模式, 这极大地限制和延误了同位素技术在油气勘探中的应用[1, 2, 3, 4, 5]; 光谱法近年来发展快速, 检测精度已达到质谱法同等水平, 弥补了质谱检测设备价格昂贵且使用环境受限, 只能在实验室对单个样品进行测量, 无法在野外井场实时跟踪测量的缺点。

2005年斯伦贝谢旗下的Geoservices（法国地质服务公司）、英国的CSS公司、加拿大的Isometric及美国PEERI旗下的LGR公司先后推出了基于光谱原理的井口碳同位素实时录井仪, 实现了甲烷碳同位素的现场实时测量, 让同位素技术真正走入了现场。但由于吸收池体积大而不能和色谱联用, 导致无法分析钻井液气中的乙烷、丙烷, 且难以测量浓度较低的样品, 这很大程度上限制了同位素录井的功能。国内苏州冠德能源科技有限公司研发的GRAND系列同位素分析仪已在国内多个区块进行现场应用。针对国内外先进碳同位素录井设备存在价格昂贵, 井场环境适应性差等缺点, 研制了DQL-T碳同位素随钻录井仪。本文对其前置气相色谱与高效氧化模块、激光光谱测量模块以及电源、驱动、采集电路的加工制作进行详细介绍, 同时对DQL-T碳同位素随钻录井仪软件进行展示与结构分析。

1 DQL-T碳同位素随钻录井仪技术原理

DQL-T碳同位素随钻录井仪是大庆钻探地质录井公司研制的新一代碳同位素随钻录井仪, 采用中红外激光吸收光谱原理, 实现对甲烷、乙烷、丙烷的碳同位素含量的连续、实时检测。量子级联激光器发射中红外激光, 透过多通反射腔与二氧化碳气体分子发生相互作用。根据朗伯比尔定律, 红外激光会被气体分子所吸收, 通过12C-O、13C-O分子键对激光光谱的吸收特征峰, 实现碳同位素的测量。

DQL-T碳同位素随钻录井仪采用自动化流量控制采集进样与岩屑轻烃收集手动注样, 形成一套同位素样品多来源检测工艺。在正常钻进过程中, 系统采集综合录井仪色谱放空尾气作为样品, 通过自动加压, 实现恒流恒压的样品实时采集[6], 同时, 还可以收集岩屑岩心罐顶气等气体样品手动注样, 实现单独样品检测。自动进样或手动注样样品首先进入前置气相色谱分离系统进行轻烃组分分离, 分离后的轻烃在氧化池内完成氧化反应, 所产生的CO2气体进入到激光光谱测量模块进行碳同位素值测量（图1）。

图1 DQL-T碳同位素随钻录井仪检测流程

DQL-T碳同位素随钻录井仪主要参数：前置气相色谱分析单元, 在180 s内完成C1-C3分离且分离度大于1.5; 碳同位素光谱分析仪单元可对天然气中甲烷、乙烷、丙烷碳同位素进行分析, 其浓度测量范围为甲烷0.5%~100%, 乙烷0.25%~100%, 丙烷及更高碳数的烃类0.1%~100%; 重复测量碳同位素样品的标准差小于0.4‰ ; 13C、12C的测量频率1 Hz。

2 DQL-T碳同位素随钻录井仪模块设计

DQL-T碳同位素随钻录井仪采用模块化、小型化设计, 方便运输与现场安装。设备整体采用标准机柜的设计理念, 从上至下分别是高效氧化模块、前置气相色谱模块、激光光谱测量模块、电源及主控模块（图2）。每个模块可以单独拆卸与更换, 除了可以依托仪器本身的减震机架外, 还可灵活安装于综合录井仪内部机架上进行碳同位素录井作业。

图2 DQL-T碳同位素随钻录井仪主体外观

2.1 前置气相色谱模块

光谱本身并不能直接区分样品氧化所产生的CO2源自何种烃类, 因此要通过气相色谱系统将轻烃进行分离。为保证现场测试时效性, 需采用精度高、分离快的色谱系统, 保证C1-C3分离在180 s内完成且分离度大于1.5。本方案采用双色谱柱耦合分离系统, 针对录井高连续度的取样需求, 研发了全自动稀释进样系统。该系统根据现场综合录井仪发送的样品浓度WITS信号进行动态稀释, 然后样品进入内嵌的色谱分离系统将不同组分进行完全分离。本方案在实现了全自动进样前提下, 通过六通阀可进行手动/自动进样的自由切换, 便于单独样品手动注入进行同位素分析。色谱气路结构图见图3。

图3 色谱气路结构图

2.2 高效氧化模块

色谱分离出的烃类组分被送入到小体积的局部瞬燃氧化池进行催化燃烧转变成为CO2。甲烷分子具有稳定的正四面体结构, 起燃温度高, 若想获得较高反应速率, 且避免高于1 500 ℃的有焰燃烧过程产生大量氮氧化物污染, 需要将反应温度控制在750 ℃以下。

本方案采用深度定制加热棒管式炉, 选用Pt基催化剂催化燃烧技术。在催化剂作用下, 甲烷燃烧反应的活化能降低, 在低于1 000 ℃时即可完全转化。测试结果显示, 660 ℃就能使烷烃全部转变为CO2, 燃烧效率高, 且受可燃物浓度限制较小, 适用于低浓度（体积分数小于5× 10-6）、低热值气体的处理和利用。氧化炉内部管路采用特殊耐高温材质, 所有零件采用一体化安装, 加热模块和电路模块均内置。这使得该设备安全性高, 升温快, 体积小（较同类产品体积减小30%）, 易转移搬运, 催化温度降至750 ℃, 催化炉寿命更长, 安全性更高。

2.3 激光光谱测量模块

DQL-T碳同位素随钻录井仪采用红外激光检测技术, 适用于高时空分辨率确定气体组分。其采用TILDAS可调谐红外激光分子吸收光谱, 可在千分之一精度下分析CO2气体中的C和O同位素。激光器发射的中红外激光透过多通道反射腔和其中的CO2气体分子相互作用。根据朗伯比尔定律, 中红外激光会被气体分子所吸收, 吸收谱被探测器接收, 从而测量出相应碳同位素的吸收值。激光光谱测量模块是仪器核心部分, 主要包括中红外激光器、气体吸收池、中红外光谱探测器3个主要部件。

中红外激光器采用量子级联技术, 实现碳同位素测量。材料结构设计采用砷化镓/砷化铝镓或者砷化铟镓/砷化铟铝/磷化铟, 以便于在中远红外很宽的工作波长范围内进行能带结构设计。本设计将红外激光波长稳定在0.1波数内, 针对激光器特定结构实现封装, 保证激光光源的稳定性。

气体吸收池的选择是影响系统检测性能的重要因素。气体吸收池中的多通道反射腔具有传输损耗低、所需样品气量微小、轻巧的特点。多通道反射腔的关键参数是路径长度与体积之比, 体积越小, 系统响应时间越短, 样品消耗越低。因此, 要求空心波导管微型气体腔室体积应尽量小, 以满足色谱集成联用及现场测量要求。本方案光谱吸收腔的体积在0.1 mL以内, 但光程却可达到5 m以上, 满足与色谱系统集成联用的功能要求。

中红外光谱探测器基于光电导原理, 属于把光信号转换成电信号的光电传感器件。本方案采用量子阱光谱探测器, 可检测4.5 μ m的红外激光。中红外激光探测装置包括激光探测器和基座以及工作电源, 安装导光柱的盒体、底板以及安装在底板上的电路板。该装置设有用于将激光探测器接收的中红外光信号转换为电流信号的中红外激光探测器, 与将电流信号转换为电压信号的电流电压转换模块及将电压信号放大的电压放大模块相联接, 构成信号转换放大电路。中红外光谱探测器内部设计有温度耦合控制电路, 保证测量的精度和稳定性。

高精度温度控制是保障激光测量的关键。红外激光、样品测量腔体及控制电源对外界温度变化非常敏感, 进而影响碳同位素测量的精度。本方案对高精度温度控制系统进行深入研究, 最终开发出多级控温方式, 实现钻探环境下碳同位素检测部位温度变化能稳定到± 0.02 ℃（图4）。

图4 激光器温度波动

2.4 电源及主控模块

在整个仪器的设计开发过程中, 电源的准确性与稳定性、电压波动幅度大小以及输出阻抗匹配情况至关重要。

电源设计方案：集成化实现模拟器件电源± 12 V（光电探测器电源）、± 15 V（压力控制器电源）、± 24 V（激光驱动器电源）以及数字器件电源12 V（波形生成器电源）、5 V（温度控制器电源）的电源输出并集成低噪音滤波模块, 确保电压受温度影响波形幅度小于20 mV, 同时具备电源短路保护、过流过热保护、EMC保护等功能。电源板满载工作1 h情况下, 其最高温度不得超过80 ℃, 以有效保证电源的可靠性及稳定性。

采集电路的相关控制及参数配置包括：DAQ参数配置、模拟通道号、模拟通道系数、子控制器MC性能及配置、色谱温度压力通道系数配置、激光温控参数、数据采集卡、阀控接口、模拟量采集、ENC温控系数以及温度模拟量采集和相关热敏电阻配置。Spectr参数配置包括：横流模式参数设置、DAQ配置、诊断信息、Laser 温控参数、光信号拟合参数、运行Log参数、激光调制参数、设备稳定性参数、各路ENC温控参数、Trigger模块电平设置等。

2.5 DQL-T碳同位素随钻录井仪软件开发

DQL-T碳同位素分析仪软件系统主要由主控模块、数据处理模块、参数设置模块、井场数据模型交互模块4大模块构成, 分别承担设备的在线控制、离线数据分析处理、参数配置和与井场进行数据交换的功能。在软件开发进程中, 尽量拆分配置文件, 以便于操作者分类管控。这一过程需要总体规划, 降低各模块之间的耦合。

主控模块是碳同位素分析仪软件系统的主体与核心（图5）。对外其接收上游井场数据交换模块解析后的井场数据; 对内其控制各个物理模块进而完成样品的采集、预处理、信号分析, 并将生产数据提供给下游数据处理模块使用。数据处理模块主要对主控模块产生的色谱数据文件进行离线数据分析处理, 同时集成了报表分析和整理的功能, 方便用户进行批量数据处理, 生成报表等。参数设置模块主要对设备运行参数进行设置。井场数据交互模块主要与综合录井仪进行井深数据采集与测量结果发布等数据交互传输。

图5 软件主控模块结构图

3 应用实例

2024年9月于某油田X井开展碳同位素实时录井工作（图6）, 自井深3 560 m随钻录井至4 660 m, DQL-T碳同位素随钻录井仪仪器运行状况良好, 完全满足野外井场实时碳同位素跟踪录井工作。

图6 X井碳同位素数据解释评价图

一般认为, 压力一定情况下页岩基质越致密, 烃类留存条件越好, 碳同位素值越轻; 储层排烃越少、受烃越多, 碳同位素值越轻, 油气富集程度越好; 储层赋存压力越大, 相同时间内排烃能力更强, 后期碳同位素分馏越明显[7, 8]。

X井碳同位素录井解释评价结论为：17号层、21号层、22号层中部钻井液气δ 13C1较轻, 底部27-35号层钻井液气δ 13C1最轻, 反映上述储层烃类较富集; 17号层、31号层上部、32号层对应罐顶气δ 13C1-7分馏较低、放气量高, 反映储层压力偏低、物性相对偏差; 21号层、22号层中部、27号层上部、30号层、31号层下部、33-35号层对应罐顶气δ 13C1-7分馏较大, 放气量中等, 反映储层油气富集程度高、赋存压力较大、储层物性相对较好, 可作为重点改造层段[9, 10]。

4 结论

（1）基于中红外激光光谱技术可实现碳同位素的随钻在线测量。通过优化结构设计, 实现碳同位素录井仪便携化。优化采样流程, 实现了碳同位素录井仪的连续在线不间断测量。

（2）DQL-T碳同位素随钻录井仪开发软件系统, 能够合理控制和协调光路、气路、电路的运行和耦合, 能够完成碳同位素录井数据处理与展示, 能够完成录井现场工程数据的采集及测量数据的发布技术, 完全满足实验室和现场同位素测样需求。

（3）碳同位素在油气藏甜点识别、油藏成熟度分析、后效气归位等综合地质研究领域应用越来越成熟, 碳同位素录井应用前景广阔。DQL-T碳同位素随钻录井仪的成功研制, 为碳同位素录井技术推广奠定了坚实基础。

（4）经现场验证, DQL-T碳同位素随钻录井仪完全满足钻井现场碳同位素的随钻测量要求, 能够为地质工程一体化提供重要理论支撑, 为碳同位素的随钻采集测量探索出一条切实可行的路径。

（编辑 卜丽媛）

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