油基鉆井液條件下的激光巖屑錄井技術(shù)

萬利，佘明軍，邢允杰 (中石化中原石油工程有限公司錄井公司，河南 濮陽 457000)

長井段水平井是提高頁巖氣勘探開發(fā)效率的有效途徑，為確保鉆井施工安全，避免井壁坍塌，在進(jìn)入水平段后通常使用油基鉆井液體系。油基鉆井液的應(yīng)用保護(hù)了地層，提高了鉆井時(shí)效。但是，鉆遇的地層巖屑在隨油基鉆井液上返地面的過程中，由于浸泡時(shí)間過長，受到嚴(yán)重污染，給現(xiàn)場地質(zhì)錄井技術(shù)人員準(zhǔn)確識(shí)別鉆遇地層巖性、建立地層巖性剖面帶來嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。為此，筆者提出了油基鉆井液條件下基于激光誘導(dǎo)擊穿光譜(laser induced breakdown spectroscopy，LIBS)信息的激光巖屑錄井技術(shù)，解決了頁巖氣勘探開發(fā)中巖屑錄井技術(shù)難題。

1 油基鉆井液對(duì)巖屑錄井的影響

油基鉆井液含有大量柴油、氧化瀝青等物質(zhì)，會(huì)使巖屑樣品特征發(fā)生較大變化，不利于準(zhǔn)確識(shí)別巖性。

圖1 油基鉆井液巖屑樣品 圖2 清洗后的巖屑樣品

1)污染巖屑樣品，不易清洗。油基鉆井液條件下，鉆遇的地層巖屑在上返地面的過程中，鉆井液中的部分油質(zhì)成分吸附并浸入到巖屑樣品內(nèi)部，巖屑樣品表面包裹的鉆井液難以快速清洗干凈，給現(xiàn)場錄井技術(shù)人員及時(shí)采集、清洗巖屑樣品帶來不利影響。圖1是YYP3井撈取巖屑樣品的砂樣盆，盆內(nèi)接取的巖屑受油基鉆井液污染十分嚴(yán)重，清洗困難。

2)油質(zhì)浸入巖屑內(nèi)部，熒光錄井可靠性降低。由于油基鉆井液具有熒光特性，巖屑熒光特征包含油基鉆井液及其自身的熒光信息，熒光錄井?dāng)?shù)據(jù)失真，難以準(zhǔn)確描述巖屑特征。

針對(duì)上述問題，現(xiàn)階段主要采用2種錄井技術(shù)進(jìn)行處理：①通過對(duì)比不同有機(jī)溶劑，結(jié)合施工現(xiàn)場工況和環(huán)境保護(hù)要求，優(yōu)選出柴油作為清洗劑替代清水用于清洗撈取的巖屑樣品，提高了油基鉆井液巖屑的清洗效果。但是，清洗后的巖屑仍然呈現(xiàn)黑色，失去了本來的顏色(見圖2)，真實(shí)的巖性描述仍然存在困難。②利用X射線熒光錄井技術(shù)檢測樣品特征，識(shí)別樣品巖性。該方法排除了部分巖屑樣品污染物的影響，提高了巖性識(shí)別符合率。

上述技術(shù)方法消除了油基鉆井液對(duì)巖屑錄井的部分不利影響，但也為巖屑樣品的巖性識(shí)別增加了勞動(dòng)強(qiáng)度，延長了分析時(shí)間，并未真正有效解決油基鉆井液給巖屑錄井帶來的系列問題。

2 激光巖屑錄井技術(shù)及其特點(diǎn)

激光巖屑錄井技術(shù)是利用激光巖性分析儀檢測分析巖屑樣品LIBS信息，實(shí)現(xiàn)樣品中元素信息的量化檢測，利用樣品中元素組合關(guān)系及譜圖特征，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)識(shí)別巖屑樣品巖性的一種錄井新技術(shù)[1～3]。該技術(shù)具有明顯的技術(shù)特點(diǎn)和技術(shù)優(yōu)勢。

1)無損檢測巖屑、巖心樣品。在合適的激光器光源功率工作過程中，利用激光轟擊巖屑樣品表面可以誘導(dǎo)產(chǎn)生等離子體，而不損害樣品表面結(jié)構(gòu)。

2)高精度檢測樣品中元素含量信息。該成果實(shí)現(xiàn)了巖屑樣品中元素含量的定性與定量檢測，最小分辨率達(dá)到10mg/m3，為準(zhǔn)確識(shí)別樣品巖性奠定了基礎(chǔ)。

3)樣品巖性識(shí)別周期短，具備實(shí)時(shí)分析特點(diǎn)。根據(jù)LIBS檢測技術(shù)特點(diǎn)，巖屑樣品LIBS信息檢測時(shí)間為毫秒級(jí)，每個(gè)樣品的巖性識(shí)別時(shí)間不超過5s，能夠滿足施工現(xiàn)場快速識(shí)別巖性技術(shù)需求。

4)具備剝蝕樣品表面污染物特點(diǎn)。激光巖性分析儀的光路系統(tǒng)固定后，激光器發(fā)射出的高能激光經(jīng)過準(zhǔn)直聚焦后匯聚在巖屑樣品表面，可實(shí)現(xiàn)無損檢測巖屑樣品；通過調(diào)整光譜系統(tǒng)，增大光路匯聚焦距，使匯聚光斑位置處于巖屑樣品表面以下的位置，高能激光照射到巖屑樣品表面時(shí)，能夠誘導(dǎo)產(chǎn)生擊穿光譜，產(chǎn)生剝蝕作用。

圖3是利用激光巖性分析儀對(duì)油基鉆井液巖屑樣品進(jìn)行的剝蝕試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比圖。

圖3 巖屑樣品相同位置剝蝕前后LIBS強(qiáng)度相關(guān)性對(duì)比圖

由圖3可以看出，經(jīng)過第1次剝蝕后，測量的巖屑樣品激光誘導(dǎo)擊穿光譜數(shù)據(jù)與其表面數(shù)據(jù)之間的相關(guān)系數(shù)R2=0.8430；第2次剝蝕后，測量的巖屑樣品激光誘導(dǎo)擊穿光譜數(shù)據(jù)與第1次剝蝕后檢測點(diǎn)數(shù)據(jù)之間的相關(guān)系數(shù)R2=0.9445；第3次剝蝕后，測量的巖屑樣品激光誘導(dǎo)擊穿光譜數(shù)據(jù)與第2次剝蝕后檢測點(diǎn)數(shù)據(jù)之間的相關(guān)系數(shù)R2=0.9599；第4次剝蝕后，測量的巖屑樣品激光誘導(dǎo)擊穿光譜數(shù)據(jù)與第3次剝蝕后檢測點(diǎn)數(shù)據(jù)之間的相關(guān)系數(shù)R2=0.9650。剝蝕試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，巖屑樣品表面與其剝蝕后的LIBS信息之間相關(guān)系數(shù)R2=0.8430，剝蝕后同一位置相關(guān)系數(shù)R2均大于0.9445，巖屑樣品表面被油基鉆井液污染，經(jīng)過一次剝蝕后，利用激光巖性分析儀可以檢測到巖屑樣品的真實(shí)LIBS信息，提高巖性識(shí)別符合率。

3 應(yīng)用分析

圖4 JY3HF井激光巖屑錄井剖面與人工錄井剖面對(duì)比

結(jié)合油基鉆井液條件下的巖屑樣品污染情況，利用LIBS的剝蝕性技術(shù)特點(diǎn)，一方面提高激光巖性分析儀激光器功率至30mJ，提高剝蝕效率；二是優(yōu)化光路系統(tǒng)，匯聚焦距在原來的基礎(chǔ)上增加1mm，調(diào)整匯聚光斑深度，實(shí)現(xiàn)樣品表面被污染層的快速剝蝕(剝蝕時(shí)間≤2s)。

利用該技術(shù)先后在YYP-1井、FY4井、JY3HF井進(jìn)行了應(yīng)用，累計(jì)完成2560m井段油基鉆井液條件下的巖屑巖性識(shí)別，與現(xiàn)有巖屑錄井方法對(duì)比，激光巖性錄井技術(shù)不需要對(duì)樣品進(jìn)行清洗處理，可以直接檢測樣品，縮短了巖屑樣品的處理時(shí)間，降低了操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，可快速準(zhǔn)確識(shí)別巖屑樣品巖性。

圖4為JY3HF井激光巖屑錄井剖面與人工錄井剖面對(duì)比圖，可以看出，相較于人工識(shí)別方法，激光巖屑錄井技術(shù)可以更加精確地識(shí)別地層巖性。

4 結(jié)論

1)激光巖屑錄井技術(shù)的應(yīng)用為油基鉆井液條件下的巖性識(shí)別提供了新的技術(shù)手段，可以幫助現(xiàn)場地質(zhì)錄井技術(shù)人員更加快速、準(zhǔn)確地識(shí)別鉆遇地層的巖性；同時(shí)，有利于加強(qiáng)油基鉆井液的推廣應(yīng)用，推動(dòng)頁巖氣勘探開發(fā)工程技術(shù)的進(jìn)步，提升油氣勘探開發(fā)效益。

2)激光錄井技術(shù)不能對(duì)巖屑樣品顏色進(jìn)行客觀分析，因此該技術(shù)可以作為補(bǔ)充完善巖屑錄井的技術(shù)手段，尚不能完全替代人工識(shí)別巖性技術(shù)。