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1、1红外光学气测录井技术研究与应用红外光学气测录井技术研究与应用佘明军 陶国强 韩学岩 李胜利（中原石油勘探局地质录井处）摘摘 要要 常规气相色谱录井技术由于自身应用成本较高点，其使用范围受到一定限制。荧 光录井作为光学录井的一种技术手段，其检测对象为特定岩屑，需要进行挑选，受自身技 术特点的限制，不能实现连续在线录井。针对针对目前地质录井工作遇到的钻井新工艺、 新技术应用所造成的常规岩屑录井、荧光录井效果难以得到有效保证、尤其异常显示难以 及时准确发现的问题，本文结合地质录井现场实际，根据红外吸收光谱进行气体分析在其 它领域的应用成果，提出红外光学气测录井的方法。文中对常规气测录井、荧光录井面
2、临 的困难进行了简单介绍，叙述了光学气测录井原理，并对可靠性进行了验证，设计开发出 红外光学气测录井仪器。文中列举了红外光学录井技术现场应用效果，证明了该方法可以 提高油气异常显示的及时发现率，具有良好的推广应用前景。 关键词关键词 气测录井、荧光录井 气相色谱 FID 红外光 吸收光谱 光学气测录井 前前 言言 气测录井技术作为地质录井技术的有机组成部分，在油气勘探过程中具有极为重要的 作用，在钻井过程中，利用该技术能够及时有效地发现钻遇地层中的油气异常显示，气测 资料由于具有直观性、现在已成为录井现场地质技术人员发现和判断油气显示的主要依据。目前，气测录井技术主要是利用气相色谱分析方法，对
3、从钻井液中分离出的反映地层 流体性质的样品气浓度进行检测，用来识别油气异常显示。 一一. .常规气测录井原理及存在的问题常规气测录井原理及存在的问题 在气测录井过程中，鉴定器采用氢火焰鉴定器（FID） ，该鉴定器利用氢气燃烧产生的 火焰为能源。样品气中的烃类有机物随载气进入火焰燃烧，由于离子化反应而产生了许多 离子。在火焰上方为筒状收集极，下方为极化电极，两极之间施加有恒定的电压，形成静 电场。当样品气中含有烃类有机物时，由于化学电力反应带电粒子对，在电场作用下，形 成离子流，经过电路处理由计算机系统进行采集，对各种烷烃进行定性定量分析。 近年来钻井技术发展迅猛，PDC 钻头加螺杆复合钻井工艺
4、、空气钻井等新工艺、新技 术得到推广应用，使机械钻速大幅提高，钻时小于 30 秒的现象极为普通，同时，岩屑颗粒 研磨程度的加强，导致岩屑颗粒粉末化，造成了岩屑录井、钻时录井的可靠性受到一定的 影响。 气相色谱分离技术在对样品气组分进行定量分析的同时，分析周期具有一定的时间， 尽管录井仪器人员对气测录井仪进行了技术改进，但是受到该技术色谱柱自身分离效率的 影响，目前国内外的快速色谱气测录井仪的分析周期最短时间认为 30 秒。一方面对钻进过 程中每米地层的地层流体难以保证准确测量。同时，为了尽可能的真实反映地层流体性质， 每米应保证两个以上分析样品，但由于受到分析周期的限制，还存在着挑战。 由于仪
5、器自身造价成本昂贵，加之为了确保设备正常工作，还需要空压机、氢气发生 器等附属设备多，造成了录井费用偏高，因此通常只是应用于探井、评价井等级别较高的 类别井，在开发井中很少应用气测录井。随着油田进入到开发中后期，油气资源的勘探开 发难度进一步提高，开发井中油气层的实际深度与地质录井设计经常出现不一致现象，仅 依靠常规的录井手段难以确保录井剖面的符合率。 二二. .荧光录井及其存在的问题荧光录井及其存在的问题2岩屑中所含有的石油组成中重烃组分在紫外光的照射下，能发出荧光。不同重烃组分 发射出的荧光颜色不同。根据样品的荧光颜色、亮度等特点可以发现石油含量，这就是常 用的荧光录井。用荧光录并鉴别油、
6、气层是比较好的方法，在定性解释和定量解释方面都 有很大的作用。通常是将全部录井岩屑系统地逐包置于荧光灯下观察，看是否有荧光显示。为了使荧光录井进一步科学化、提高录井效果，在传统荧光录井的基础上有发展出定 量荧光录井技术。其基本原理是：物质的分子吸收光能后发生能量跃迁，处于不稳定的激 发态，处于激发态的分子会放出光子重新回到分子基态，这就是荧光的产生过程。利用样 品荧光强度与浓度之间具有一定的数据关系，在计算机的控制下，不同的岩屑样品的含油 情况可以得到很好的测量记录，实现油气资源的及时发现。 在大斜度井、大位移井、水平井的钻井施工过程中，为了降低井壁摩阻，提高钻安全， 如果该井类别为开发井，通
7、常会在钻井液中加入原油或沥青粉等材料。随着钻井液上返到 地面的岩屑颗粒通常被原油包括，荧光录井过程中的荧光失真，荧光录井的可靠性难以保 证。 三三. .红外光学气测录井技术研究红外光学气测录井技术研究 1.1.光学气测录井原理光学气测录井原理 红外光学气测录井技术就是气测录井过程中，从钻井液中分离出的样品气含有不同的 烷烃类气体，这些烷烃类气体对一定波长的红外光具有吸收作用，不同浓度的样品气对红 外光的吸收强度不同，二者之间满足朗伯-比尔定律。 朗伯(Lambert)定律阐述为：光被透明介质吸收的比例与入射光的强度无关；在光程上 每等厚层介质吸收相同比例值的光。比尔(Beer)定律阐述为：光被
8、吸收的量正比于光程中产生光吸收的分子数目。 根据比尔-朗伯特定律： P = P 0e-cL （1）其中 P 0为光源发出的功率，P 为接收功率， 为气体分子吸收系数，C 为气体浓度，L 为 气室长度。 为便于检测，将(1)式改写为：从(2)可知，如果 L 与 已知，那么通过检测 P 和 P0就可得到气体浓度 C，利用上述原理 开发出红外光学气测录井仪器，进行气测录井，通过对录井数据进行分析，及时判断和发 现油气异常显示。 2.2.红外光学录井可行性验证研究红外光学录井可行性验证研究 2.1.实验室试验验证 利用现有的红外气体分析仪器对标准烷烃类样品气，配制成不同浓度的样品进行检测， 对得到数据
9、进行分析，部分实验数据如表 1-表 5： 表 1 纯甲烷实验数据注样浓度(%)0.10 0.50 1.00 10.00 20.00 30.00 检测浓度(%)0.14 0.63 1.04 9.46 19.37 30.85 注样浓度(%)40.00 50.00 60.00 70.00 80.00 90.00 检测浓度(%)40.19 50.94 60.22 68.38 78.87 86.14 表 2 纯乙烷实验数据柱样浓度(%)0.10 0.50 1.00 5.00 10.00 15.00 输出浓度(%)0.02 1.69 6.30 38.01 71.20 86.40 3表 3 纯丙烷实验数据柱
10、样浓度(%)1.00 10.00 20.00 40.00 60.00 70.00 输出浓度(%)10.77 25.90 35.09 56.93 72.00 84.90 表 4 正丁烷实验数据柱样浓度(%)1.00 5.00 10.00 20.00 30.00 40.00 输出浓度(%)5.48 14.99 26.52 50.60 70.86 92.31 表 5 异丁烷实验数据柱样浓度(%)1.00 10.00 20.00 30.00 40.00 50.00 输出浓度(%)2.20 11.89 22.34 31.63 42.14 52.15 通过对实验数据进行分析，尽管有些样品气输出浓度与注样浓
11、度偏差较大，但是二者 具有较好的线性关系，相关系数均大于 0.9，由此可以认为：利用红外吸收方法基本可以 实现气测录井的要求。 2.2.与常规气测录井仪器进行性能对比试验 快速色谱是目前综合地质录井中实现气测录井的主要设备，为了继续验证红外光吸收 技术进行全烃录井的可靠性，对同一个样品气分别利用红外光气体分析仪和快速色谱进行 检测分析，然后对二者的检测结果进行对比分析。部分实验数据如表 6、表 7： 表 6 甲烷红外色谱对比数据表柱样浓度(%)0.04 0.59 3.46 8.66 17.28 输出浓度(%)0.32 0.55 1.19 2.04 3.19 表 7 丙烷红外色谱对比数据表柱样浓
12、度(%)0.58 1.77 3.84 6.68 11.47 32.17 输出浓度(%)0.92 2.03 3.94 6.53 10.74 32.95 实验数据表明：对于同一样品两种方法的检测结果之间具有较好的变化趋势。 2.3.录井施工现场验证性试验 为了进一步验证利用红外吸收分析技术在地质录井过程中进行全烃录井的可行性，研 究人员把红外气体分析仪带到综合录井施工现场，仪器的输出信号作为 H2S 信号，接入 SLZ-2A 综合录井仪进行记录，并把记录数据与色谱分析数据进行对比分析，验证其有效性。在 W138-24 井进行相关试验，记录数据井段为 2751.003783.00 米，总计 1033
13、 米， 取得大量数据，部分时间剖面对比曲线如图 1。红外数据色谱全烃4图 1 日 10：4512：45 实时数据对比曲线图结论：多种试验方法均证明红外吸收光谱技术在检测烷烃类气体浓度变化情况方面， 效果明显，但是所选用的实验仪器由于受到自身设计应用方向的限制，还难以满足气测录 井施工现场条件的要求，需要重新设计开发出新型红外气测录井仪器。3.3.红外光学气测录井仪的设计开发红外光学气测录井仪的设计开发 根据红外吸收原理，碳氢化合物的中红外吸收中心波长随着分子量的增加而增加。但 是在整个 3.40um 的区域，碳氢化合物都有一定的吸收，并且相互都有一定干扰。 如果对 红外测量的中心波长和带宽进行
14、优化，并通过多组探测器进行相互的修正，也可以进行碳 氢化合物各组分的精确测量。红外光学气测录井仪的原理框图如图 2。图 2 红外光学气测录井仪原理图在仪器的设 计开发过程中， 为了提高气测录 井数据的质量， 采用了甲烷、丙 烷传感器组合应 用的方法。该仪 器与深度录井仪 结合，成为具有 气测录井功能的020406080100050100150200250300350时间录井值红外光源脉冲电流红外探测器前置放大气室气泵液晶显示 单片机 控制系统放大整流温度控制键盘RS232420mA5ZLJ-600 型小型综合录井仪，录井主程序如图 3。利用该仪器进行了多口井的应用，完全满 足开发井的录井施工要
15、求。 图 3 ZLJ-600 录井仪录井主程序界面4.4.红外光学录井技术特点红外光学录井技术特点 红外光学气测录井技术是以光谱气体检测分析理论为基础，利用红外光作为光源，结 合烷烃类气体具有吸收红外光的特性，对从钻井液中脱出的样品气进行烷烃浓度实时检测， 实现气测录井目的的一种录井方法。该技术具有以下特点： 4.1.录井仪器体积小、功耗低、无辅助设备 由于红外光气测录井仪是以电调制非分光红外气体传感器为核心开发出的一种气测录 井仪，与常规色谱气测录井仪对比，该仪器集成在一个标准机箱内，结构简单，体积小， 功耗低，响应速度快,精度高。同时，由于改变了气体检测分析模式，该仪器还省去了空气 压缩机
16、、氢气发生器等辅助性设备。因此，红外光气测录井仪具有低制造成本、低使用成 本，为广泛使用提供了可能性。4.2.录井成果直观、准确 红外光气测录井技术与常规地质录井技术相结合，在钻时录井、岩屑录井等传统录井 资料的基础上，又增加了气测录井资料，有利于现场地质录井技术人员快速发现和判断油 气异常显示，进一步提高录井成果的可靠性。 W138-28 井是中原油田的一口滚动评价井，根据设计要求，录井仪器采用 SLZ-2A 型综 合录井仪，完钻井深 3455 米。在录井过程中，利用 ZLJ-600 录井仪与 SLZ-2A 综合录井仪 同时录井，甲烷录井对比曲线如图 4,两种仪器的气测录井结果表明气测异常显示完全相同。图 4 W138-28 井甲烷录井曲线对比图5.5.红外光学录井效果的影响因素红外光学录井效果的影响因素由于光学气测仪自身分析气室结构特点的影响，录井效果还存在有干扰因素的影响。 经过对大量的样品气分析数据研究表明，干扰因素主要包括以下几点： 5.1.样品气
