基于激光誘導(dǎo)擊穿光譜的巖屑巖性在線識別試驗(yàn)研究

楊志強(qiáng)， 李光泉， 佘明軍

（1. 中石化石油工程技術(shù)服務(wù)有限公司科技信息部，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. 濮陽市光譜油氣檢測分析工程技術(shù)研究中心，河南濮陽 457001）

油氣勘探開發(fā)過程中，通過隨鉆描述鉆遇地層的巖屑信息可以直接揭示地層的巖性、物性、源巖特性及含油氣性等特征。傳統(tǒng)的巖屑錄井方法主要是現(xiàn)場地質(zhì)技術(shù)人員根據(jù)鉆井速度，按照一定的取樣間隔撈取巖屑樣品并經(jīng)過清洗、晾曬，通過直接觀察或借助于放大鏡、顯微鏡等工具觀察巖屑樣品，進(jìn)而識別巖屑的巖性和判斷地層的含油氣性等。隨著快速鉆井技術(shù)的發(fā)展與廣泛應(yīng)用，鉆井速度大幅度提高，巖屑粒徑變小，給傳統(tǒng)的巖屑錄井帶來了以下困難：1）鉆速提高縮短了巖屑樣品的取樣時(shí)間，增大了巖屑撈取的工作強(qiáng)度，且撈取不及時(shí)會有降低樣品可靠性的風(fēng)險(xiǎn)；2）采用PDC鉆頭或其他優(yōu)快鉆井技術(shù)鉆進(jìn)時(shí)產(chǎn)生的巖屑粒徑很小，肉眼難以識別。因此，為確保巖屑錄井的及時(shí)性與準(zhǔn)確性，研究巖屑的在線檢測十分必要[1-2]。

激光誘導(dǎo)擊穿光譜（laser induced breakdown spectroscopy，LIBS）技術(shù)自引入國內(nèi)以來取得了很大進(jìn)展，在很多行業(yè)得到了廣泛應(yīng)用：在檢測方法方面，分析了LIBS檢測的影響因素，并制定了對應(yīng)的消除措施，建立了樣品中元素的檢測模型，實(shí)現(xiàn)了元素信息的定量檢測[3-18]；在石油錄井方面，建立了巖屑元素的量化檢測模型，開發(fā)了相關(guān)軟件，研制了檢測設(shè)備，為錄井施工現(xiàn)場解決巖屑識別技術(shù)難題提供了技術(shù)支持[19-27]，但其采用的均為離線檢測方式。利用LIBS技術(shù)識別巖性還存在一些技術(shù)問題，比如巖屑需要人工取樣、不能連續(xù)識別地層巖性等，制約了其應(yīng)用。為進(jìn)一步發(fā)揮LIBS技術(shù)在快速鉆井條件下識別地層巖性的作用，筆者提出了基于LIBS技術(shù)的巖屑巖性在線識別技術(shù)的構(gòu)想，并開展了相關(guān)試驗(yàn)，驗(yàn)證了其可行性。

1 LIBS技術(shù)基本原理及特點(diǎn)

1.1 基本原理

LIBS是一種原子發(fā)射光譜技術(shù)，根據(jù)電子能級躍遷發(fā)射的原子（離子）譜線進(jìn)行定性和定量分析，其測量原理如圖1所示。其中，激光器選用Nd：YAG激光器，探測器選用增強(qiáng)型光電耦合型探測器ICCD。

圖1 LIBS測量原理示意Fig. 1 The principle of LIBS measurement

激光器產(chǎn)生的激光光束（通常幾十到幾百毫焦）經(jīng)過透鏡后聚焦到樣品表面，聚焦點(diǎn)處的樣品吸收激光能量后產(chǎn)生等離子體。利用透鏡采集部分等離子體發(fā)射光并由光纖傳送到光譜儀，光譜儀進(jìn)一步處理光譜信號，并轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號傳輸?shù)接?jì)算機(jī)進(jìn)行光譜分析。根據(jù)原子（離子）譜線的波長分析元素的種類，根據(jù)譜線強(qiáng)度分析元素的含量。

1.2 技術(shù)特點(diǎn)

1）多元素同時(shí)檢測。LIBS技術(shù)采用強(qiáng)激光激發(fā)樣品，常見元素均能被激發(fā)出誘導(dǎo)擊穿光譜，因此可以定性、定量檢測分析出樣品中的元素信息。

2）分析周期短、實(shí)時(shí)性強(qiáng)。應(yīng)用LIBS技術(shù)分析樣品的時(shí)間與激光器的頻率、光譜儀的積分時(shí)間有關(guān)，激光器頻率和光譜儀的積分時(shí)間小于100 ms，樣品的分析時(shí)間也為毫秒級，具有較強(qiáng)的實(shí)時(shí)性。

3）具有剝離檢測特性。LIBS技術(shù)在無損檢測的基礎(chǔ)上，通過調(diào)整激光器功率、光路聚焦焦距，可以對樣品表面進(jìn)行剝離處理，以檢測其真實(shí)信息。

2 基于LIBS的巖性識別技術(shù)進(jìn)展與不足

為了解決鉆井過程中細(xì)小巖屑巖性識別困難的問題，國內(nèi)外利用LIBS的技術(shù)特點(diǎn)，開展了基于LIBS的巖性識別技術(shù)研究。國內(nèi)多所高校開展了利用LIBS技術(shù)量化檢測巖屑元素含量信息的研究工作，初步實(shí)現(xiàn)了8種元素的量化檢測和巖性識別。中國石化與中國科學(xué)院合作，進(jìn)行了技術(shù)攻關(guān)，形成了基于LIBS的巖性識別技術(shù)——通過優(yōu)選硬件系統(tǒng)參數(shù)，利用高能激光直接照射巖屑樣品，可以檢測出樣品中的26種特征元素，通過元素含量比和巖性特征譜圖等巖性識別模型，實(shí)現(xiàn)砂巖、泥巖、頁巖、灰?guī)r、白云巖、膏巖、鹽巖、煤和瀝青等9種巖性或礦物的準(zhǔn)確識別。該技術(shù)已在多個(gè)油氣田的勘探開發(fā)中應(yīng)用，對快速準(zhǔn)確識別鉆遇地層的巖性、提高巖性剖面符合率發(fā)揮了重要作用。

但基于LIBS的巖性識別技術(shù)也存在著一些不足，主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

1）巖性識別符合率有待進(jìn)一步提高。應(yīng)用LIBS進(jìn)行巖性識別時(shí)，需要人工采集、清洗巖屑樣品，快速鉆井條件下巖屑粒徑細(xì)小不易撈取，在清洗過程中容易流失，巖屑樣品代表性差，直接影響巖屑巖性識別符合率。

2）地層巖性識別成果不連續(xù)。巖屑樣品按照鉆進(jìn)時(shí)間間隔采集數(shù)據(jù)，但地層巖性識別結(jié)果是按照單位進(jìn)尺給出結(jié)果，鉆遇地層巖性識別結(jié)果不連續(xù)，難以及時(shí)準(zhǔn)確發(fā)現(xiàn)薄層巖性的變化情況，因此需要進(jìn)一步提高和完善基于LIBS的巖性識別技術(shù)。

3）現(xiàn)有設(shè)備的性能需要進(jìn)一步提高。激光巖性分析儀對每包巖屑樣品進(jìn)行多點(diǎn)檢測，并對檢測結(jié)果進(jìn)行分析，輸出該樣品的巖性。目前，其硬件系統(tǒng)不具備在線識別功能，其軟件也在巖屑樣品對應(yīng)井深歸位方面存在不足。

3 基于LIBS的巖屑巖性在線識別技術(shù)可行性試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)平臺

在基于LIBS的巖性識別技術(shù)的基礎(chǔ)上，模擬錄井施工現(xiàn)場環(huán)境，構(gòu)建了試驗(yàn)平臺，如圖2所示。

圖2 LIBS在線識別巖屑巖性試驗(yàn)平臺Fig. 2 Test platform for LIBS online identification of cuttings lithology

試驗(yàn)平臺中，探頭固定在樣品臺上方，用于激發(fā)樣品產(chǎn)生等離子體，同時(shí)具有收光功能。樣品臺為一傳輸帶，巖屑樣品置于傳輸帶上方，通過轉(zhuǎn)動傳輸帶模擬施工現(xiàn)場巖屑的運(yùn)動狀態(tài)。在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)控制下，激光器發(fā)出的激光通過光纖傳輸?shù)教筋^并誘導(dǎo)樣品臺上的巖屑樣品產(chǎn)生等離子體，同時(shí)采集LIBS光譜信號并由光纖傳輸?shù)焦庾V儀，光譜儀進(jìn)行分光處理及轉(zhuǎn)換后傳輸?shù)接?jì)算機(jī)，進(jìn)一步分析LIBS信息和識別樣品的巖性。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果

3.2.1 巖屑樣品狀態(tài)試驗(yàn)

利用試驗(yàn)平臺，檢測不同狀態(tài)條件下的巖屑樣品，即對處于干/濕狀態(tài)、疏松和壓實(shí)狀態(tài)的同一巖屑樣品進(jìn)行了檢測，得到了同一巖屑樣品不同狀態(tài)下的LIBS信息。同一巖屑樣品干/濕狀態(tài)下的LIBS信息對比如圖3所示，同一巖屑樣品疏松和壓實(shí)狀態(tài)下的LIBS信息對比如圖4所示。

圖3 巖屑樣品干/濕狀態(tài)下LIBS特征的相關(guān)性Fig. 3 Correlation of LIBS characteristics under dry/wet conditions of cutting samples

圖4 巖屑疏松/壓實(shí)狀態(tài)下LIBS特征對比Fig. 4 Comparison of LIBS characteristics under the loose/compacted states of cutting samples

由圖3可知，同一個(gè)樣品在干/濕狀態(tài)下的LIBS信息特征具有較好的一致性，擬合優(yōu)度R2=0.917 7；由圖4可知，巖屑樣品壓實(shí)狀態(tài)下的光譜強(qiáng)度高于疏松狀態(tài)下的光譜強(qiáng)度，但二者的特征信息之間存在較好的相關(guān)性，擬合優(yōu)度R2=0.932 6。

試驗(yàn)結(jié)果表明，巖屑樣品的狀態(tài)只影響其LIBS信息強(qiáng)度的高低，不影響其自身的LIBS特征。因此，基于LIBS的巖屑巖性在線識別結(jié)果與巖屑樣品檢測時(shí)的狀態(tài)無關(guān)。

3.2.2 剝蝕試驗(yàn)

頁巖氣鉆井中廣泛應(yīng)用油基鉆井液，油基鉆井液條件下巖屑樣品表面污染嚴(yán)重，難以清洗處理，影響樣品巖性識別的準(zhǔn)確率。借鑒LIBS具有剝蝕的特性，進(jìn)行了油基鉆井液巖屑樣品LIBS剝蝕表面污染層的試驗(yàn)。通過調(diào)整激光器功率及光路，對油基鉆井液巖屑樣品表面進(jìn)行剝蝕處理，得到了波長287.30～288.61 nm巖屑樣品原始狀態(tài)下及多次剝蝕后的檢測數(shù)據(jù)，結(jié)果見表1。

由表1可知，原始狀態(tài)下的檢測數(shù)據(jù)與第1次剝蝕后數(shù)據(jù)之間的擬合優(yōu)度R2=0.573 5，第1次剝蝕后檢測數(shù)據(jù)與第2次剝蝕后檢測數(shù)據(jù)之間的擬合優(yōu)度R2=0.694 3，第2次剝蝕后檢測數(shù)據(jù)與第3次剝蝕后檢測數(shù)據(jù)之間的擬合優(yōu)度R2=0.733 0，第3次剝蝕后檢測數(shù)據(jù)與第4次剝蝕后檢測數(shù)據(jù)之間的擬合優(yōu)度R2=0.928 7；巖屑樣品同一表面位置在經(jīng)過3次剝蝕后，LIBS信息穩(wěn)定，表明第4次剝蝕檢測到的LIBS信息是巖屑樣品的真實(shí)信息。試驗(yàn)結(jié)果表明，LIBS技術(shù)可以有效消除油基鉆井液對巖屑表面的污染，利用LIBS的剝蝕特性，可以剝蝕掉上返地面巖屑樣品表面的污染物，消除油基鉆井液的影響。

表1 油基鉆井液巖屑樣品剝蝕檢測結(jié)果對比Table 1 Comparison of the denudation effects of cutting samples in oil-based drilling fluid

4 結(jié)論與建議

1）試驗(yàn)證明，基于LIBS的巖屑巖性在線識別可行。該技術(shù)可以解決現(xiàn)有LIBS巖性識別技術(shù)存在的檢測數(shù)據(jù)不連續(xù)、巖性識別成果易受干擾等問題，且檢測速度非?？臁?/p>

2）LIBS在線識別巖屑巖性與巖屑樣品的狀態(tài)無關(guān)，可以直接原位檢測巖屑樣品的LIBS信息，有利于在線識別巖屑巖性。

3）通過調(diào)整激光器功率和優(yōu)化光路，利用LIBS的剝蝕特性，可以在油基鉆井液條件下準(zhǔn)確識別巖屑的巖性，為頁巖氣開發(fā)提供技術(shù)支撐。

4）基于LIBS的巖屑巖性在線識別技術(shù)是基于光譜檢測分析而進(jìn)行的，巖屑樣品的LIBS信息弱，對檢測設(shè)備光路穩(wěn)定性要求較高。因此，為提高巖屑巖性識別的準(zhǔn)確性，在應(yīng)用該技術(shù)時(shí)建議采取必要的防振措施，以確保光路系統(tǒng)穩(wěn)定。