油基鉆井液條件下的激光巖屑錄井技術

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效率的有效途徑，為確保鉆井施工安全，避免井壁坍塌，在進入水平段后通常使用油基鉆井液體系。油基鉆井液的應用保護了地層，提高了鉆井時效。但是，鉆遇的地層巖屑在隨油基鉆井液上返地面的過程中，由于浸泡時間過長，受到嚴重污染，給現場地質錄井技術人員準確識別鉆遇地層巖性、建立地層巖性剖面帶來嚴峻挑戰。為此，筆者提出了油基鉆井液條件下基于激光誘導擊穿光譜(laser induced breakdown spectroscopy，LIBS)信息的激光巖屑錄井技術，解決了頁巖氣勘探開發中巖屑錄井技術難題。

1 油基鉆井液對巖屑錄井的影響

油基鉆井液含有大量柴油、氧化瀝青等物質，會使巖屑樣品特征發生較大變化，不利于準確識別巖性。

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成分吸附并浸入到巖屑樣品內部，巖屑樣品表面包裹的鉆井液難以快速清洗干凈，給現場錄井技術人員及時采集、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，盆內接取的巖屑受油基鉆井液污染十分嚴重，清洗困難。

2)油質浸入巖屑內部，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，熒光錄井數據失真，難以準確描述巖屑特征。

針對上述問題，現階段主要采用2種錄井技術進行處理：①通過對比不同有機溶劑，結合施工現場工況和環境保護要求，優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黑色，失去了本來的顏色(見圖2)，真實的巖性描述仍然存在困難。②利用X射線熒光錄井技術檢測樣品特征，識別樣品巖性。該方法排除了部分巖屑樣品污染物的影響，提高了巖性識別符合率。

上述技術方法消除了油基鉆井液對巖屑錄井的部分不利影響，但也為巖屑樣品的巖性識別增加了勞動強度，延長了分析時間，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 激光巖屑錄井技術及其特點

激光巖屑錄井技術是利用激光巖性分析儀檢測分析巖屑樣品LIBS信息，實現樣品中元素信息的量化檢測，利用樣品中元素組合關系及譜圖特征，實現自動識別巖屑樣品巖性的一種錄井新技術[1～3]。該技術具有明顯的技術特點和技術優勢。

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產生等離子體，而不損害樣品表面結構。

2)高精度檢測樣品中元素含量信息。該成果實現了巖屑樣品中元素含量的定性與定量檢測，最小分辨率達到10mg/m3，為準確識別樣品巖性奠定了基礎。

3)樣品巖性識別周期短，具備實時分析特點。根據LIBS檢測技術特點，巖屑樣品LIBS信息檢測時間為毫秒級，每個樣品的巖性識別時間不超過5s，能夠滿足施工現場快速識別巖性技術需求。

4)具備剝蝕樣品表面污染物特點。激光巖性分析儀的光路系統固定后，激光器發射出的高能激光經過準直聚焦后匯聚在巖屑樣品表面，可實現無損檢測巖屑樣品；通過調整光譜系統，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，能夠誘導產生擊穿光譜，產生剝蝕作用。

圖3是利用激光巖性分析儀對油基鉆井液巖屑樣品進行的剝蝕試驗數據對比圖。

圖3 巖屑樣品相同位置剝蝕前后LIBS強度相關性對比圖

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

3 應用分析

圖4 JY3HF井激光巖屑錄井剖面與人工錄井剖面對比

結合油基鉆井液條件下的巖屑樣品污染情況，利用LIBS的剝蝕性技術特點，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；二是優化光路系統，匯聚焦距在原來的基礎上增加1mm，調整匯聚光斑深度，實現樣品表面被污染層的快速剝蝕(剝蝕時間≤2s)。

利用該技術先后在YYP-1井、FY4井、JY3HF井進行了應用，累計完成2560m井段油基鉆井液條件下的巖屑巖性識別，與現有巖屑錄井方法對比，激光巖性錄井技術不需要對樣品進行清洗處理，可以直接檢測樣品，縮短了巖屑樣品的處理時間，降低了操作人員的勞動強度，可快速準確識別巖屑樣品巖性。

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

4 結論

1)激光巖屑錄井技術的應用為油基鉆井液條件下的巖性識別提供了新的技術手段，可以幫助現場地質錄井技術人員更加快速、準確地識別鉆遇地層的巖性；同時，有利于加強油基鉆井液的推廣應用，推動頁巖氣勘探開發工程技術的進步，提升油氣勘探開發效益。

2)激光錄井技術不能對巖屑樣品顏色進行客觀分析，因此該技術可以作為補充完善巖屑錄井的技術手段，尚不能完全替代人工識別巖性技術。