激光技術在錄井工程中的應用進展及展望

張新華，佘明軍，王?舒，夏 杰

(1.中石化石油工程技術服務有限公司工程技術部，北京 100020;2.中石化中原石油工程有限公司錄井公司，河南濮陽 457001；3.中石化西南石油工程有限公司錄井公司，四川綿陽 621000)

多年來，錄井技術人員針對復雜巖性識別、儲層物性評價和油氣水評價進行了大量研究，推廣應用了部分錄井技術，并獲得了較好的應用效果。比如：為解決空氣鉆井、PDC鉆頭條件下微細巖屑的巖性識別難題而發(fā)展起來的X射線熒光元素分析技術，為滿足鉆井液含油量檢測需求而引入并發(fā)展的鉆井液核磁共振錄井技術，針對鉆井液定量采集分析需求而研制的恒溫定量氣測錄井技術[1-6]。目前，復雜區(qū)塊勘探力度不斷加大，致密油氣藏、頁巖油氣藏等非常規(guī)油氣給油氣評價帶來了一些新的問題。油公司低成本戰(zhàn)略導致錄井項目壓縮，這就要求充分挖掘單項錄井技術潛力，派生更多的參數(shù)，解決更多的難題。為此，筆者分析了激光技術在錄井工程中的應用現(xiàn)狀，及其在巖性識別、孔隙結構分析、氣體成分及含量檢測等方面的適應性[7-13]，對比了激光技術與其他對應錄井技術之間的優(yōu)缺點；在此基礎上，建議對激光技術進行深入研究和應用，向在線錄井技術方向發(fā)展。

1 激光技術在錄井中的應用現(xiàn)狀

以激光為光源的光譜檢測技術稱之為激光光譜技術，激光光譜主要包括激光誘導擊穿光譜(LIBS)、拉曼光譜、激光熒光光譜、可調諧半導體激光吸收光譜和時間分辨激光光譜等。與普通光源相比，激光光源具有單色性好、亮度高、方向性和相干性強等特點，是辨認物質組成、結構和狀態(tài)的理想光源。激光的出現(xiàn)使原有的光譜技術在靈敏度和分辨率方面得到提高。通過一定條件，可以獲得強度極高、脈沖寬度極窄的激光，該激光對光與物質作用過程中反射、透射、散射、衍射等不同狀態(tài)的觀測更為有效，因而可發(fā)展出應用于新領域的激光光譜技術。目前應用于錄井工程中的3種激光光譜技術的主要特點如表1所示。

表1 3種激光光譜技術的特點對比Table 1 Comparison of three spectral technologies

1.1 激光誘導擊穿光譜技術

1.1.1 技術原理

激光誘導擊穿光譜技術的原理是：毫焦耳級能量的激光經準直聚焦后轟擊樣品表面產生等離子體，等離子體從高溫狀態(tài)恢復到正常狀態(tài)時釋放能量，不同元素的等離子體會發(fā)出不同波長的光波，同一元素的不同化合價等離子體發(fā)出的光波波長也不相同，通過光譜儀采集光譜信號，得到樣品中各種化合價的不同元素及其含量信息(見圖1)，根據(jù)地層巖性與元素的對應關系，實現(xiàn)對地層巖性的快速識別[7-10]。

圖1 激光誘導擊穿光譜樣品檢測譜圖Fig.1 Sample spectrum of Laser induced breakdown spectroscopy

1.1.2 應用進展

激光誘導擊穿光譜技術主要用來檢測地層元素種類及其含量[7-9]。為方便錄井現(xiàn)場應用，優(yōu)選了功率為100 mJ，波長為1 064 nm的激光器；設計加工了具有三維方向自動調整功能的樣品臺；建立了與光譜強度對應的巖性識別數(shù)學模型，并編寫了軟件。研制的ZY-LLA型激光巖性分析儀的主要技術指標為：波長180～620 nm，光學分辨率0.05 nm，同一樣品間隔24 h檢測信息最大重復性誤差1.02%，元素含量檢出極限0.01%，檢測時間小于100 ms。

關于地層元素資料在錄井方面的應用已有較多論述[11-12]，比如地層界面卡取、沉積環(huán)境判別和脆性評價等，本文不再討論。由于建立錄井剖面較為普遍、激光誘導擊穿光譜技術對巖屑樣品要求較低，因此應用該技術對于錄井剖面的在線化具有現(xiàn)實意義，故重點對元素檢測及巖性轉化進行闡述。

應用表明：LIBS檢測值與巖屑粒徑無關；激光強度具有一定穿透力時，是否清洗樣品對檢測結果影響很小，可以忽略；濕樣比干樣的LIBS信息強度低。為確保檢測的實時性，現(xiàn)場選取清洗過的巖屑濕樣是最佳選擇。分析時需要作統(tǒng)計處理，包括異常數(shù)據(jù)剔除、數(shù)據(jù)均值處理、背景扣除、歸一化處理等。在此基礎上，建立元素-巖性關系模型，快速識別樣品巖性。該技術可以檢測巖屑樣品的全元素含量，考慮到地球化學元素分布特點以及效率，優(yōu)選出與地層巖性相關的24種元素作為特征元素，并利用數(shù)學統(tǒng)計方法建立了特定區(qū)域的巖性識別模板。對取自20口井(累計井段長度近6 000.00 m)的巖屑樣品進行了測試，與錄井綜合圖對比，巖性平均符合率為88.0%。該技術與X射線熒光元素錄井技術(XRF)和X射線衍射(XRD)錄井技術的對比情況見表2。

表2 3種巖性檢測技術對比Table 2 Comparison of three kinds of lithology detection technologies

與XRF和XRD錄井技術對比，激光識別巖性技術具有樣品無需處理、能檢測全元素信息和不同化合價元素離子含量信息的優(yōu)勢；該技術的缺點主要是成本較高。

1.2 激光掃描共聚焦技術

1.2.1 技術原理

激光掃描共聚焦技術的原理是：以單波長激光作光源對樣品進行掃描，由于發(fā)射光源與采集孔相對于物鏡焦平面是共軛的，焦平面上的點同時聚焦于發(fā)射和采集端而成像，焦平面以外的點不會被采集到，即為共聚焦；采用激光束對巖石樣品進行逐點、逐行掃描成光學面，當縱向移動采集端時，采集景深會發(fā)生變化，實現(xiàn)斷層掃描而獲得巖石三維立體圖[13-16]。

制作巖石樣品時采用正負壓交替式灌注技術，灌注至孔隙中的灌注劑具有受激發(fā)射熒光的特性，熒光會沿入射光路返回并被采集，而巖石骨架沒有反射光，利用光信號處理區(qū)分巖石骨架和孔隙，進而獲取巖石骨架和孔隙的三維立體圖。其技術原理及掃描處理結果如圖2所示。

圖2 激光掃描共聚焦原理及孔隙三維圖像Fig.2 Principle of laser scanning confocal technology and sample porosity in 3D

1.2.2 應用進展

激光掃描共聚焦技術在地學領域的應用目前屬于初級階段[13-16]。中國石化針對錄井工程特點引入了該技術，主要解決了3個方面的問題：1)配置了多波長激光器，從需求看，至少需要配置458，488，514，543及633 nm波長的激光器；2)采集端配置了多倍數(shù)物性鏡頭，至少需要配置5，10，40，60及100倍鏡頭，盡可能配置100倍油性鏡頭，滿足了對巖石中有機包裹體的分析；3)在輔助設備方面配備了小粒徑樣品快速灌注設備，滿足了現(xiàn)場分析的需要。

為達到在錄井現(xiàn)場分析巖石物性參數(shù)的目的，必須滿足高精度、穿透性和實時性的技術要求，這涉及巖石孔隙識別問題、激光對巖石穿透性的最佳優(yōu)化問題和巖石物性參數(shù)的快速分析問題。巖石物性參數(shù)的高精度表現(xiàn)在采集和分析2個方面，只有巖石孔隙與巖石骨架的最小檢測間距滿足一定精度要求，分析結果才會更精確。研究表明，當巖石孔隙與巖石骨架呈紊亂分布時，其分析精度可達到0.2 μm；當其分布具管束狀特征時，分析精度會高達數(shù)十納米級，而亞微米級的分析精度即可滿足現(xiàn)場錄井的技術要求。

通過對激光器發(fā)射波長、接收波長及激光強度進行優(yōu)化，解決了樣品掃描時對常見碎屑巖、火山巖及碳酸鹽巖的穿透性要求。其中穿透深度一般為700～900 μm，最大可達1 200 μm，幾乎涵蓋了大多數(shù)井況下的巖屑粒徑；實驗中也發(fā)現(xiàn)激光對碳質泥頁巖穿透性較差，穿透深度僅約100 μm。為滿足快速獲取分析結果的要求，開發(fā)了正負壓交替式灌注技術，針對巖屑粒徑較小的特點，將樣品制作時間控制在6 h以內，并可同時進行72個以上樣品的制作，解決了實時性的問題。

對36個樣品216個視域分析結果進行了統(tǒng)計，并與掃描電鏡分析結果進行了對比，結果表明，激光掃描共聚焦技術的面孔率平均誤差率為4.5%,孔隙度分析最大誤差率為7.9%，且與分析結果具有較好的一致性。激光掃描共聚焦技術與壓汞分析、物理切片分析、核磁共振及CT掃描分析技術的對比情況見表3。

表3 儲層物性參數(shù)分析技術對比Table 3 Comparison of reservoir parameter analysis techniques

對比發(fā)現(xiàn)，激光掃描共聚焦技術有如下優(yōu)勢：1)可用于不同粒徑樣品的分析,目前鉆井現(xiàn)場可分析的樣品主要以巖心為主，對于細碎的巖屑樣品很多技術無能為力，激光共聚焦技術可滿足極小粒徑條件的樣品分析；2)分析精度較高，可達到亞微米級；3)通過逐層掃描成像構建三維立體圖，實現(xiàn)了對樣品孔隙、巖石骨架立體動態(tài)的分析。該技術的缺點是設備成本較高，且與核磁共振技術相比樣品處理時間較長，一次分析提供的參數(shù)少。

1.3 拉曼激光技術

1.3.1 技術原理

當光照射在氣體、液體或透明物質上時會發(fā)生散射。散射光譜中頻率與入射光頻率ν0相同的成分稱為瑞利散射，頻率較小的成分ν0-Δν稱為斯托克斯線，頻率較大的成分ν0+Δν稱為反斯托克斯線，頻率對稱分布在ν0兩側的譜線或譜帶ν0±Δν為拉曼光譜(見圖3)。在拉曼散射中，拉曼位移與入射光的頻率無關，只與作用分子的能級結構有關，因此每種物質都有獨有的拉曼散射光譜，根據(jù)光譜信息可以對物質進行定性、定量檢測[17-19]。

圖3 拉曼激光原理示意Fig.3 Principle of Raman laser technology

1.3.2 應用進展

拉曼激光技術在低含量和高精度氣體的在線分析測量中有明顯優(yōu)勢，能夠實現(xiàn)對烴類和非烴類多組分氣體的在線連續(xù)分析，其與錄井氣測所使用的傳統(tǒng)氫焰色譜技術[20]的對比見表4。

表4 拉曼激光氣體分析技術與氫焰色譜技術對比Table 4 Comparison of Raman laser gas analysis technology and hydrogen flame chromatography

中國石化于2014年率先研制出國內首臺能同時在線連續(xù)分析烴類、非烴類等12種氣體的狹縫分光拉曼激光氣體分析樣機，樣機采用波長532 nm、功率400 MW的He-Ne激光器，1 280 dpi的CCD，氣體分辨率達百萬分之一，重復性誤差小于1.0%，測量誤差小于全量程的1.0%。

拉曼激光氣體分析技術主要解決了拉曼效應弱、重組分拉曼光譜難以分離的問題。錄井實鉆分析中，各種氣體的拉曼光譜相互交叉重疊，并且在不同環(huán)境下會產生頻移，解譜難度大。通過不斷試驗，將影響拉曼光譜的各種因素考慮進去，開發(fā)了一種基于時域和頻率域的自適應聚焦算法，通過小波時域頻域的精確分解和變量篩選相結合，對光譜的頻率域進行精細劃分，準確提取本征分析信號，并排除其他物質的干擾，顯著提升了氣體拉曼光譜的分析精度及可靠性。目前，已在川西致密碎屑巖氣藏完成10余井次的應用，油氣發(fā)現(xiàn)率達100%；由于該技術精度高、穩(wěn)定性好，已擴展應用到石油工程其他工藝的氣體檢測中，如空氣鉆井過程中氣體組分和濃度檢測、集輸站油氣組分檢測等。

2 激光技術在錄井中的應用前景

目前激光技術并沒有在錄井工程中得到廣泛應用，除經濟原因外，主要是目前激光錄井技術仍有許多不足，需要持續(xù)研究。

2.1 研究方向

1) 激光誘導擊穿光譜技術。一是巖屑樣品本身的代表性對巖性識別準確性造成影響，需要大量的統(tǒng)計數(shù)據(jù)以完善判別方法;二是需要實現(xiàn)在線功能，以提高效率。要達到該目的，技術難點較多,主要包括：連續(xù)檢測過程中的干擾因素，如流速影響截面巖屑通過量，對LIBS值造成影響；激光器在架空槽內的相對位置對LIBS值的影響。連續(xù)工作時激光器本身的穩(wěn)定性不確定，在架空槽內被鉆井液污染時LIBS信息是如何變化的影響因素較多，需要進行大量統(tǒng)計分析工作。

2) 激光掃描共聚焦技術。一是需要繼續(xù)完善樣品處理技術:由于致密碎屑巖、非常規(guī)等類儲層巖石樣品灌注壓力大，激光對該類巖石的穿透性欠佳，需要開展針對性攻關。二是真假熒光識別與處理技術:鉆井過程中為提高時效或改善鉆井液性能，常會在鉆井液中加入添加劑，部分添加劑產生的熒光易與原油熒光產生疊加，對假熒光的識別與處理將會影響應用效果。

3) 拉曼激光技術。一是儀器向高精度、小型化方向發(fā)展；二是研發(fā)寬量程、高精度動態(tài)范圍量程CCD，解決精度和量程不能兼顧的問題。要充分利用國內外物質材料研究最新成果，全方位、多角度驗證物質分子結構、物理特性對激光的應激反應，完成在自由空間內不同條件、環(huán)境下氣體拉曼效應強度和不同激發(fā)激光的對應關系研究，形成多態(tài)條件下不同物質、激光強度和波長的氣體拉曼效應增強技術；同時，為精準收集拉曼圖譜，需設計多透鏡組，形成核心反射與聚焦光路徑向收集系統(tǒng)。

2.2 前景展望

與XRF技術相比，激光誘導擊穿光譜技術檢測過程中不需要對巖屑樣品進行挑選、研磨和壓片處理，實現(xiàn)了對巖屑樣品的直接檢測處理、全元素含量信息分析，且檢測時間極短，給取心卡層等實時性較強的工作帶來極大便利。在巖性剖面建立方面，通過單井數(shù)據(jù)積累，利用大數(shù)據(jù)進行深度學習，未來在開發(fā)井方面能夠自動識別地層巖性。從成本角度來看，已經與XRF基本一致，將來如果能實現(xiàn)在架空槽區(qū)域的在線檢測，其替代XRF技術就成為必然。

激光掃描共聚焦技術為分析評價巖屑樣品物性結構參數(shù)提供了一種手段，解決了掃描電鏡和電子探針技術不能滿足錄井現(xiàn)場環(huán)境要求的問題。與核磁共振技術相比，該技術在小粒徑巖屑樣品空隙直觀成像上具備優(yōu)勢，在物性、含油性參數(shù)獲取上側重點不同；相對而言，核磁共振技術獲取的參數(shù)更多。若與三維核磁共振技術聯(lián)作，對目標地層進行更全面的可視化、三維立體式的物性及含油性參數(shù)分析，從而形成更為完整的錄井評價體系，效果會更好，在高端應用領域可占據(jù)一席之地。

拉曼激光技術能夠全面檢測油氣和非烴氣體，可以根據(jù)現(xiàn)場需求和不同施工設計選擇檢測項目；安全鉆井方面，能對空氣鉆井、氮氣鉆井等氣體鉆井提供安全燃爆檢測，并且能實時檢測H2S、CO等有毒有害氣體，對于安全、防爆等級要求更為嚴苛的海上油田，該技術相比氣測技術優(yōu)勢更為明顯。另外，拉曼激光氣體分析技術是開放性平臺，可以進行應用拓展，根據(jù)需要擴大應用范圍?？梢灶A見，拉曼激光技術和氣測技術可分別作為未來高低端應用的技術選項。

3 激光技術在錄井中的發(fā)展建議

1) 需要考慮技術聯(lián)用。激光誘導擊穿光譜技術、激光掃描共聚焦技術和拉曼激光技術圍繞錄井核心體系(即巖性、物性和含油氣性)構建完整的應用框架，從理論上提供了一種可行性?？紤]其雖都列入激光光譜，但原理上有較大差異，導致檢測過程、對象都存在很大區(qū)別，就目前而言，將其檢測流程整合，進而一體化應用的思路在技術上還較難實現(xiàn)。但從挖掘單項錄井技術潛力、檢測更多參數(shù)的角度而言，確需技術聯(lián)用。建議優(yōu)先發(fā)展激光誘導擊穿光譜技術，實現(xiàn)其在巖性和含油氣性上的前端在線聯(lián)合檢測，同時盡快研究與激光掃描共聚焦技術在檢測流程上的整合，實現(xiàn)激光光譜技術的一體化應用，解決更多問題。

2) 技術與效益需要共同考量。近年來，錄井工程在采集和評價解釋上逐步完善，一些新技術也有亮點之處，但能給錄井工程帶來技術創(chuàng)新和經濟效益的卻非常少。技術開發(fā)的本質是在解決技術問題的同時，為自身帶來效益，否則無法持續(xù)。這一點同樣適用于激光技術在錄井工程中的應用。有鑒于此，為提高激光技術在錄井工程中的應用效果，建議針對生產實際開展應用研究，真正體現(xiàn)技術融合、在線化經濟便捷等特點，為勘探開發(fā)提供技術支撐的同時，創(chuàng)造效益，實現(xiàn)持續(xù)發(fā)展。