Isologger鉆井液同位素錄井儀組成及應用

宋 祥

東營派克賽斯石油裝備有限公司，山東 東營

Isologger鉆井液同位素錄井儀組成及應用

宋 祥

東營派克賽斯石油裝備有限公司，山東 東營

鉆井液氣體同位素錄井(MGIL)是一門新興的錄井技術。國內傳統(tǒng)的同位素分析通常為離線分析，時間成本和資金成本較高；而中法渤海地質服務公司在同位素錄井服務中使用的Geoisotope在線同位素錄井儀雖然實現(xiàn)了同位素數(shù)據(jù)的在線測量，但僅能提供甲烷的同位素數(shù)據(jù)，并且尺寸較大，數(shù)據(jù)易受外界因素影響。英國CSS公司研制的Isologger鉆井液同位素錄井儀，采用了穩(wěn)定同位素比率質譜儀(Isotope-ratio mass spectrometry，簡稱“IRMS”)，該設備具有體積小、測量精度高、受外界影響較小的特點；合理地引入了氣相色譜分離單元，使得Isologger能夠通過在線分析得出C1～C5的同位素數(shù)據(jù)，豐富了采集的同位素數(shù)據(jù)信息。該儀器以多組分的同位素數(shù)據(jù)為基礎，可在現(xiàn)場進行井下油氣層分析、烴類成熟度分析等工作，極大地提高了錄井工作的指導地位。同位素錄井在深海、非常規(guī)油氣層、高溫高壓含硫地層等區(qū)域有著很好的應用前景。

鉆井液氣體同位素錄井，穩(wěn)定同位素比率質譜儀，同位素錄井儀

AbstractThis MGIL (Mud gas isotope logging) was a newly emerged well logging technique. The conventional isotopic analysis in China was normally offline in the laboratory, and thus it cost much time and money. Though measuring online, Geoisotope used in Sino-France geological isotope logging service could only test methane isotope data, and it was larger in size and susceptible to the influence of external environment. The mud isotope logger, isologger developed by the British CSS(Compact Science System) Company, equipped with Isotope-ratio mass spectrometry (called IRMS),was smaller in size, higher in accuracy, and less susceptible to the influence of external environment, in which a gas chromatogram separation unit was rationally introduced. Thus the Isologger could measure isotope data of C1-C5online, and it enriched the isotope information to mud log.Based on isotope data of multiple components, hydrocarbon maturity analysis and down hole oil formation analysis can be carried out locally, which greatly enhances the guidance function of mud logging. Isotope logging has bright application prospects in deep sea area, unconventional reservoirs, and high temperature, high pressure and high sulphur content reservoirs.

KeywordsMud Gas Isotope Logging, Isotope-Ratio Mass Spectrometry, Isotope Logger

1. 引言

天然氣中烷烴的同位素值蘊含著豐富的科學信息[1]。井下氣體同位素數(shù)據(jù)的測量，國內外通常是將現(xiàn)場的樣品送至實驗室分析，雖然分析數(shù)據(jù)較全面，但樣品分析的時間成本和資金成本較高，并且由于是離線分析[2][3]，現(xiàn)場地質人員難以快速、有效地完成油氣藏評價、地質卡層、儲層連通性評估等地質問題[2][3][4]。斯倫貝謝公司旗下 Geosevices公司根據(jù)近紅外光吸收原理和光腔衰蕩光譜原理(cavity ring-down spectroscopy，簡稱“CRDS”)研發(fā)出的實時甲烷同位素錄井儀，在我國中海油相關項目中得到了應用，雖然解決了同位素的在線分析問題，但該設備尺寸較大，同位素數(shù)據(jù)單一(僅提供甲烷的同位素數(shù)據(jù))，且不能排除CO2及溫度變化對同位素數(shù)據(jù)的影響[4]，所提供的同位素數(shù)據(jù)不能很好地滿足現(xiàn)場的地質解釋要求。因此，在現(xiàn)場鉆井液氣體同位素錄井中，需要一款體積小、準確度高、測量氣體種類多樣的鉆井液氣體同位素錄井儀。英國CSS公司研制的Isologger鉆井液同位素錄井儀，采用了穩(wěn)定同位素比率質譜儀(Isotope-ratio mass spectrometry，簡稱“IRMS”)，該設備具有體積小、測量精度高、受外界影響較小的特點，且能夠通過在線分析得出C1～C5的同位素數(shù)據(jù)，豐富了采集的同位素數(shù)據(jù)信息。

2. Isologger的結構及原理

Isologger由GC-C組合系統(tǒng)(氣相色譜分離單元-燃燒爐)、IRMS測量系統(tǒng)(穩(wěn)定同位素比質譜儀)和輔助系統(tǒng)3部分組成(圖1)。

Figure 1. The components of Isologger圖1. Isologger組成部分

2.1. GC-C組合系統(tǒng)

GC-C組合系統(tǒng)由氣相色譜分離單元(GC)和燃燒單元(C)組成，氣相色譜分離單元會在氦氣流中對樣品中進行分離，根據(jù)保留時間分析其組成，如 C1、C2、C3、C4、C5和 CO2。采取該方式，可以根據(jù) GC輸出峰值將樣品“排隊”，導入燃燒爐中燃燒成CO2，燃燒生成的CO2會按順序進入同位素比質譜(IRMS)離子源中進行測量。

2.2. IRMS測量系統(tǒng)

IRMS測量系統(tǒng)為現(xiàn)場小尺寸質譜儀，質譜儀的核心組成部分為高靈敏度氣體緊密離子源、高穩(wěn)定性永磁體、三重法拉第杯收集器。離子源將樣品中各組分生成的 CO2峰轉化為離子束，離子束被發(fā)射到由永磁體產(chǎn)生的磁場中，按照質荷比(M/e)進行分離，從而測定樣品的同位素質量和相對含量。該種精確到質子級別的分離方式，提高了設備的測量精度。

2.3. 輔助系統(tǒng)

為了進一步提高數(shù)據(jù)的準確度，Isologger設計有校正系統(tǒng)，校正系統(tǒng)將C1、CO2、C2和C3組成的已知質量濃度和同位素值的校準樣品進料到 GC中，代替鉆井液氣體樣品進行同位素數(shù)據(jù)測量，根據(jù)真實值與測量值的偏差，由計算系統(tǒng)自動進行校正。為了保證數(shù)據(jù)的兼容性與便利性，Isologger配套的軟件系統(tǒng)可以對采集、校正及數(shù)據(jù)處理等各環(huán)節(jié)進行調節(jié)、監(jiān)控。

3. 技術優(yōu)勢分析

3.1. GC-C組合系統(tǒng)

Isologger的GC-C組合系統(tǒng)由于應用了氣相色譜分離單元，能夠將樣品中的各種組分“排隊”燃燒，測量多種氣體組分的13C同位素比率，Isologger測量烷烴種類可根據(jù)需求定制，最多可測量C1～C5及CO2的δ13C值(13C同位素比率)。

3.2. IRMS測量系統(tǒng)

由于IRMS測量系統(tǒng)采用了高靈敏氣體離子源、定制合金制成的高穩(wěn)定性永磁體，Isologger測量范圍可達 0.02%～40%。質譜測量原理的應用，使 Isologger設備本身受外界影響因素較小，測量準確度可達0.5‰～1‰，精準的同位素數(shù)據(jù)能夠較為真實地反映地層信息，為后期的油藏的分析、評價提供保障。

3.3. 綜合優(yōu)勢

Isologger的設計適用于錄井現(xiàn)場，整體大小為17U，總重約125 kg，使其能夠在錄井現(xiàn)場在線得出同位素數(shù)據(jù)。Isologger軟件系統(tǒng)的兼容性強，可生成WITS格式或Excel格式的數(shù)據(jù)文件，根據(jù)時間順序導入到錄井數(shù)據(jù)庫中。C1～C5和CO2的多組分同位素數(shù)據(jù)提供了豐富的地層信息，為氣藏成因分析及類型劃分[5][6][7]、氣體性質研究[8]、成熟度評估[9]、真假油氣顯示識別[10]、地層導向研究[11]提供了可信度較高的數(shù)據(jù)支撐。由于實驗室的資金成本和時間成本較高[2][12][13]，在線測得的同位素數(shù)據(jù)也為油田的降本增效提供了較大助力。此外，Isologger在測量過程不影響鉆井作業(yè)，無需停鉆，操作簡單，規(guī)避了復雜境況下可能產(chǎn)生的測試風險。

4. 同位素數(shù)據(jù)的應用

4.1. 烴類成熟度分析

Faber圖版是分析烴類成熟度的圖版工具，對研究烴源巖成熟度、預測生烴潛力有重要作用。Faber圖版的建立是以13C1、13C2、13C3的δ值為基礎，單一的同位素數(shù)據(jù)是無法建立Faber圖版的。圖2為國外某井的Faber圖版，根據(jù)鉆井液氣體的同位素數(shù)值投點位置，確定當前井下氣體的鏡質體反射率(Ro)，進而判斷烴類的成熟度。圖 2反映了井下氣體乙烷與丙烷碳同位素組成的關系，假設生油母質是干酪根II型，通過使用Berner和Faber [15]公式可以計算得到鏡質體反射率與碳同位素的關系曲線。

Figure 2. The Faber chart in a well from abroad (modified from literature [14])圖2. 國外某井的Faber圖版(據(jù)文獻[14]，有修改)

4.2. 精確分辨油氣層

圖3為國外某井氣測及同位素錄井曲線，紅色曲線代表烴類干度，綠色曲線代表全烴體積分數(shù)，黑色曲線代表13C1的同位素錄井曲線。由于該井為泥漿過平衡鉆進，Sand1層在氣測曲線上顯示為干層，但同位素錄井中δ值偏高，指示為含氣層，后經(jīng)試井確認Sand1層為含氣層；Sand4層在氣測曲線上顯示為高產(chǎn)油氣層，但同位素錄井曲線數(shù)值較低，顯示為生物成因氣，不具開發(fā)價值，最終試井確認 Sand4層為干層。由此可見，同位素數(shù)據(jù)相比氣測數(shù)據(jù)更加精確，能夠更好地預測油氣層。

Figure 3. The curve of gas logging and isotope logging in a well from abroad(modified from literature [16])圖3. 國外某井氣測及同位素錄井曲線(據(jù)文獻[16]，有修改)

5. 結語

Isologger鉆井液同位素錄井儀實現(xiàn)了小型化的在線鉆井液氣體多組分同位素檢測，由于原理特性，數(shù)據(jù)更加精準，為油氣層的勘探評價提供了保障；設備本身在深海鉆井、復雜井(高溫高壓、含硫)及頁巖氣甜點預測評價中已取得了較為成功的應用，同時也為降低勘探開發(fā)成本提供了可行方案。但是，現(xiàn)有的穩(wěn)定同位素現(xiàn)場分析設備并非真正意義上的“實時”，氣體的采集過程有一定的局限性，而且國內的現(xiàn)場穩(wěn)定同位素解釋尚未成熟，因此相應的取樣方法及后期解釋軟件的完善是今后現(xiàn)場鉆井液氣體同位素錄井設備的研究重點。

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[編輯]龔丹

Components and Application of Drilling Fluid Isotope Logger

Xiang Song
CNPS Petro Equipment Co., Ltd., Dongying Shandong

宋祥(1990-)，男，碩士，工程師，現(xiàn)主要從事同位素錄井研究。

2017年4月25日；錄用日期：2017年7月22日；發(fā)布日期：2017年8月15日

Copyright ? 2017 by author, Yangtze University and Hans Publishers Inc.

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http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/

Received: Apr. 25th, 2017; accepted: Jul. 22th, 2017; published: Aug. 15th, 2017

文章引用: 宋祥. Isologger鉆井液同位素錄井儀組成及應用[J]. 石油天然氣學報, 2017, 39(4): 211-216.

10.12677/jogt.2017.394057