創(chuàng)新型QC活動在小型化激光巖性分析儀研制中的應用

萬利，佘明軍，毛學斌

中國石化中原石油工程有限公司 錄井分公司 （河南 濮陽 457001）

為解決石油優(yōu)快鉆井技術發(fā)展及推廣應用給石油錄井帶來的巖性識別困難問題，廣大錄井技術工作者借鑒激光誘導擊穿光譜技術在其他行業(yè)中的應用成果，針對鉆遇地層樣品特點，通過技術攻關，研究出“激光識別巖性技術”。實際應用表明：激光識別巖性技術實現(xiàn)了鉆遇地層巖性的快速、準確、智能識別，有效解決了錄井工程技術面臨的技術難題，該成果載體在于激光巖性分析儀。受多方面技術條件影響及限制，激光巖性分析儀存在著一些問題，不利于現(xiàn)場推廣應用。有關人員開展了基于創(chuàng)新型QC活動的“小型化激光巖性分析儀研制”。

1 激光巖性分析儀的技術特點及缺陷

1.1 激光巖性分析儀原理

激光巖性分析儀在計算機控制系統(tǒng)控制下，激光器發(fā)射出高能激光，經(jīng)過光路控制聚焦在樣品臺上的巖屑樣品表面，誘導產(chǎn)生等離子體，通過光路采集樣品的激光誘導擊穿光譜（簡稱LIBS），由光纖傳輸?shù)焦庾V儀進行光電轉換，再由安裝在控制系統(tǒng)內(nèi)的激光識別巖性軟件進行采集、處理、分析，智能識別出樣品巖性。激光巖性分析儀主要由激光器、光譜儀、光路系統(tǒng)、樣品臺、控制系統(tǒng)組成。

1.2 激光巖性分析儀特點

1）樣品直接檢測。該設備對巖屑樣品干樣/濕樣、壓實/疏松、巖屑粒徑大小等檢測狀態(tài)技術參數(shù)沒有具體要求，可以直接把巖屑樣品置于樣品臺上進行分析。與傳統(tǒng)的巖屑錄井技術對比，節(jié)省了分析時間。

2）全元素信息量化檢測。該設備基于LIBS檢測技術，實現(xiàn)對巖屑樣品中各種元素信息進行量化檢測，為巖屑樣品巖性識別提供了重要分析依據(jù)。

3）巖性識別結果可靠。該設備內(nèi)部的系統(tǒng)軟件對巖屑樣品元素含量信息進行采集處理，并根據(jù)解釋評價模型，實現(xiàn)對樣品巖性的準確識別。應用成果表明，巖性識別準確率大于88%，滿足施工現(xiàn)場要求。

1.3 激光巖心分析儀存在的技術缺陷

1）體積過于龐大，不易搬運。激光巖性分析儀設備尺寸為50 cm×85 cm×120 cm，重量為95 kg。由于錄井施工隊伍根據(jù)施工任務變化需要經(jīng)常轉場作業(yè)，體積與重量給現(xiàn)場錄井技術人員搬運和安裝帶來不便，需要進行小型化、輕便化改進。

2）制造成本高，不利于推廣。由于是首次將激光誘導擊穿光譜檢測方法引入到石油工程領域，缺少參考文獻與資料，加之相關國產(chǎn)光學設備質量還難以滿足設計要求，因此，在激光識別巖性技術研究過程中，針對激光巖性分析儀的研制，主要采用了進口光學設備，激光巖性分析儀的制造成本居高不下，不利于推廣應用。

3）部分性能參數(shù)有待進一步優(yōu)化。主要表現(xiàn)為激光器發(fā)出的激光帶寬8 ns、能量100 mJ；而用于鉆遇地層巖性分析時激光器發(fā)出的激光帶寬8 ns、能量40 mJ，即可滿足要求。為盡可能檢測巖屑樣品激光信息，光譜儀檢測范圍180～620 nm，分析樣品的激光信息主要分布在350～490 nm，因此選用帶寬為390～520 nm的光譜儀即可滿足巖屑激光信息檢測要求。

2 QC小組活動目標設定與活動類型優(yōu)選

2.1 活動目標設定

為進一步發(fā)揮激光識別巖性技術應用效果，結合施工現(xiàn)場環(huán)境，提出了“設備小型化”的目標，具體目標尺寸為50 cm×50 cm×60 cm，重量≤50 kg。

經(jīng)過對現(xiàn)有激光巖性分析儀硬件系統(tǒng)進行分析，“設備小型化”的目標是可行的。

2.2 活動類型優(yōu)選

由于激光識別巖性技術是活動小組所在單位研究開發(fā)出的巖屑巖性識別新技術，激光巖性分析儀擁有多項專利技術，為實現(xiàn)本次活動目標，設備的硬件系統(tǒng)需要重新設計與優(yōu)化，以達到縮小體積、降低重量的目的。

活動小組認真分析現(xiàn)有QC小組活動類型的特點，選定用“創(chuàng)新型”活動方式開展本次QC活動，實現(xiàn)本次活動的目標[1-2]。

3 設計優(yōu)化技術方案

根據(jù)活動目標，小組成員按照“創(chuàng)新型”QC課題活動規(guī)律，充分利用其手段，開展了一系列創(chuàng)新活動，設計優(yōu)化出硬件系統(tǒng)，初步達到活動目的。

3.1 技術方案設計

小組成員結合工作實踐經(jīng)驗，對現(xiàn)有激光巖性分析儀進行分析和研究，提出了小型化激光巖性分析儀的設計思路：開發(fā)一體式或分體式儀器[3-5]。設計思路確定后，小組成員集思廣益，提出3種技術方案。

3.1.1 “便攜式”技術方案

該技術方案以“微處理器”為控制核心，控制“電源”向“激光器”供電，“激光器”發(fā)射出的激光通過分析儀的“光線發(fā)射孔”直接照射到待檢測巖性的“巖屑樣品”，誘導產(chǎn)生擊穿光譜，并經(jīng)“光線反射孔”傳輸?shù)焦庾V儀進行檢測，安裝在“微處理器”內(nèi)的分析軟件把樣品LIBS譜圖、巖性識別結果等信息在“顯示屏”上顯示，實現(xiàn)人機對話（圖1）。

圖1 “便攜式”技術方案

3.1.2 “嵌入一體式”技術方案

工控機控制激光器發(fā)出激光，在光路系統(tǒng)作用下，經(jīng)過“準直”、“聚焦”等使激光照射在樣品臺上的樣品表面微小區(qū)域，提高單位面積激光功率，增強樣品LIBS光譜強度，激發(fā)出的LIBS光譜經(jīng)過“收集”、“準直”后傳輸?shù)焦庾V儀，提高樣品的LIBS信息檢測精度。所有硬件系統(tǒng)安裝在儀器箱體內(nèi)，便于運輸（圖2）。

圖2 “嵌入一體式”技術方案

3.1.3 “筆記本電腦控制分體式”技術方案

為便于進一步縮小激光巖性分析儀的體積，采用了控制系統(tǒng)與硬件系統(tǒng)分體設計的筆記本電腦控制分體式方案（圖3）。安裝在筆記本內(nèi)的系統(tǒng)軟件控制光路系統(tǒng)采集樣品臺上樣品圖像后，根據(jù)圖像清晰度控制樣品臺沿Z軸上下移動，實現(xiàn)光路系統(tǒng)自動對焦確定樣品最佳檢測狀態(tài)。檢測完樣品表面某點位置LIBS信息后，按照設定運動軌跡，筆記本控制樣品臺沿X軸、Y軸、Z軸3個方向移動，實現(xiàn)巖屑樣品表面多點檢測，提高巖性識別準確率。

圖3 筆記本電腦控制“分體式”方案

3.2 確定最佳方案

根據(jù)3種儀器的技術方案，小組人員對儀器的適用性、經(jīng)濟性、制作難易程度、操作人數(shù)、優(yōu)缺點等方面進行分析，分析對比見表1。

根據(jù)對比結論，本次活動優(yōu)選方案3，筆記本電腦控制分體式方案。

3.3 光路系統(tǒng)創(chuàng)新設計

3.3.1 現(xiàn)有光路系統(tǒng)

該技術方案利用透鏡、光學架（圖4），經(jīng)過鏡片焦距調(diào)整等實現(xiàn)光路的“準直”、“聚焦”功能，具有結構簡單、易于調(diào)整的優(yōu)勢，但由于是開放式光路，存在著“不防塵，光路系統(tǒng)不穩(wěn)定”的缺陷。

表1 3種結構優(yōu)選對比

圖4 激光巖性分析儀光路系統(tǒng)

3.3.2 集成式光路系統(tǒng)

結合“人、機、料、法、環(huán)”等因素，該技術方案采用高精度CCD、透鏡、光學架組成雙光路系統(tǒng)，把光路系統(tǒng)集成到光學系統(tǒng)外殼內(nèi)，光學系統(tǒng)外殼預留光纖接口和光路準窗口，光路準窗口與激光器發(fā)出的激光光路正對，對激光進一步準直聚焦后，通過光路系統(tǒng)下端照射到巖屑樣品表面；光纖與光譜儀連接，光學系統(tǒng)采集的LIBS信號通過光纖傳輸?shù)焦庾V儀進行分析處理（圖5）。

圖5 小型化激光巖性分析儀光路系統(tǒng)

4 活動效果

根據(jù)活動目標，小組成員根據(jù)“創(chuàng)新型”QC課題活動規(guī)律，充分利用其手段，開展了一系列創(chuàng)新活動，設計優(yōu)化出硬件系統(tǒng)，經(jīng)過結構優(yōu)化集成，研制出“小型化激光巖性分析儀”樣機，與安裝在筆記本電腦內(nèi)的激光識別巖性技術系統(tǒng)軟件進行集成，成功實現(xiàn)了激光巖性分析儀的小型化，研制出ZYLLA型激光巖性分析儀[6-7]。

1）目標確認。外形尺寸：47 cm×40 cm×56 cm，尺寸參數(shù)明顯減小；重量：38.5 kg，實現(xiàn)了“小型化”目標。

2）性能參數(shù)測試。在實現(xiàn)“小型化”目標的基礎上，對ZY-LLA型激光巖性分析儀的性能參數(shù)進行了測試分析。

在安裝激光識別巖性專用軟件后，在樣品臺上分別放置不同巖性的國家標準物質樣品進行檢測，基本性能指標能夠符合設計要求，樣品巖性識別準確率100%，實現(xiàn)了本次活動目標。

研制的小型化激光巖性分析儀已經(jīng)應用到現(xiàn)場生產(chǎn)和科研項目中，經(jīng)過現(xiàn)場人員測試檢驗，一致反映識別巖性速度快，操作簡單，界面清晰簡潔，性能安全可靠穩(wěn)定，完全達到設計要求，大大提高了錄井行業(yè)的技術實力，為錄井工程參與市場競爭奠定了堅實基礎。

攝影/曉明

5 結束語

創(chuàng)新型QC活動可以有效解決石油錄井行業(yè)中遇到的某些技術問題，通過開展創(chuàng)新型QC活動，研制出的小型化激光巖性分析儀較好地滿足了錄井施工現(xiàn)場環(huán)境要求，提升了錄井施工隊伍技術實力，幫助現(xiàn)場地質技術人員提高了地層剖面符合率，有利于快速準確發(fā)現(xiàn)油氣資源。

創(chuàng)新型QC活動與其他類型的QC活動對比，具有一定的挑戰(zhàn)性，尤其是針對石油錄井行業(yè)要求更高，為確?；顒淤|量，活動全過程均要結合行業(yè)特點，嚴格按照PDCA循環(huán)進行控制，以促進錄井行業(yè)質量管理發(fā)展。