基于激光誘導擊穿光譜的巖屑巖性在線識別試驗研究

楊志強， 李光泉， 佘明軍

（1. 中石化石油工程技術服務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研究中心，河南濮陽 457001）

油氣勘探開發過程中，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。傳統的巖屑錄井方法主要是現場地質技術人員根據鉆井速度，按照一定的取樣間隔撈取巖屑樣品并經過清洗、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。隨著快速鉆井技術的發展與廣泛應用，鉆井速度大幅度提高，巖屑粒徑變小，給傳統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間，增大了巖屑撈取的工作強度，且撈取不及時會有降低樣品可靠性的風險；2）采用PDC鉆頭或其他優快鉆井技術鉆進時產生的巖屑粒徑很小，肉眼難以識別。因此，為確保巖屑錄井的及時性與準確性，研究巖屑的在線檢測十分必要[1-2]。

激光誘導擊穿光譜（laser induced breakdown spectroscopy，LIBS）技術自引入國內以來取得了很大進展，在很多行業得到了廣泛應用：在檢測方法方面，分析了LIBS檢測的影響因素，并制定了對應的消除措施，建立了樣品中元素的檢測模型，實現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，開發了相關軟件，研制了檢測設備，為錄井施工現場解決巖屑識別技術難題提供了技術支持[19-27]，但其采用的均為離線檢測方式。利用LIBS技術識別巖性還存在一些技術問題，比如巖屑需要人工取樣、不能連續識別地層巖性等，制約了其應用。為進一步發揮LIBS技術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技術的巖屑巖性在線識別技術的構想，并開展了相關試驗，驗證了其可行性。

1 LIBS技術基本原理及特點

1.1 基本原理

LIBS是一種原子發射光譜技術，根據電子能級躍遷發射的原子（離子）譜線進行定性和定量分析，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

激光器產生的激光光束（通常幾十到幾百毫焦）經過透鏡后聚焦到樣品表面，聚焦點處的樣品吸收激光能量后產生等離子體。利用透鏡采集部分等離子體發射光并由光纖傳送到光譜儀，光譜儀進一步處理光譜信號，并轉換成數字信號傳輸到計算機進行光譜分析。根據原子（離子）譜線的波長分析元素的種類，根據譜線強度分析元素的含量。

1.2 技術特點

1）多元素同時檢測。LIBS技術采用強激光激發樣品，常見元素均能被激發出誘導擊穿光譜，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、實時性強。應用LIBS技術分析樣品的時間與激光器的頻率、光譜儀的積分時間有關，激光器頻率和光譜儀的積分時間小于100 ms，樣品的分析時間也為毫秒級，具有較強的實時性。

3）具有剝離檢測特性。LIBS技術在無損檢測的基礎上，通過調整激光器功率、光路聚焦焦距，可以對樣品表面進行剝離處理，以檢測其真實信息。

2 基于LIBS的巖性識別技術進展與不足

為了解決鉆井過程中細小巖屑巖性識別困難的問題，國內外利用LIBS的技術特點，開展了基于LIBS的巖性識別技術研究。國內多所高校開展了利用LIBS技術量化檢測巖屑元素含量信息的研究工作，初步實現了8種元素的量化檢測和巖性識別。中國石化與中國科學院合作，進行了技術攻關，形成了基于LIBS的巖性識別技術——通過優選硬件系統參數，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，實現砂巖、泥巖、頁巖、灰巖、白云巖、膏巖、鹽巖、煤和瀝青等9種巖性或礦物的準確識別。該技術已在多個油氣田的勘探開發中應用，對快速準確識別鉆遇地層的巖性、提高巖性剖面符合率發揮了重要作用。

但基于LIBS的巖性識別技術也存在著一些不足，主要表現在以下幾個方面：

1）巖性識別符合率有待進一步提高。應用LIBS進行巖性識別時，需要人工采集、清洗巖屑樣品，快速鉆井條件下巖屑粒徑細小不易撈取，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。巖屑樣品按照鉆進時間間隔采集數據，但地層巖性識別結果是按照單位進尺給出結果，鉆遇地層巖性識別結果不連續，難以及時準確發現薄層巖性的變化情況，因此需要進一步提高和完善基于LIBS的巖性識別技術。

3）現有設備的性能需要進一步提高。激光巖性分析儀對每包巖屑樣品進行多點檢測，并對檢測結果進行分析，輸出該樣品的巖性。目前，其硬件系統不具備在線識別功能，其軟件也在巖屑樣品對應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可行性試驗

3.1 試驗平臺

在基于LIBS的巖性識別技術的基礎上，模擬錄井施工現場環境，構建了試驗平臺，如圖2所示。

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

試驗平臺中，探頭固定在樣品臺上方，用于激發樣品產生等離子體，同時具有收光功能。樣品臺為一傳輸帶，巖屑樣品置于傳輸帶上方，通過轉動傳輸帶模擬施工現場巖屑的運動狀態。在計算機系統控制下，激光器發出的激光通過光纖傳輸到探頭并誘導樣品臺上的巖屑樣品產生等離子體，同時采集LIBS光譜信號并由光纖傳輸到光譜儀，光譜儀進行分光處理及轉換后傳輸到計算機，進一步分析LIBS信息和識別樣品的巖性。

3.2 試驗結果

3.2.1 巖屑樣品狀態試驗

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

圖3 巖屑樣品干/濕狀態下LIBS特征的相關性Fig. 3 Correlation of LIBS characteristics under dry/wet conditions of cutting samples

圖4 巖屑疏松/壓實狀態下LIBS特征對比Fig. 4 Comparison of LIBS characteristics under the loose/compacted states of cutting samples

由圖3可知，同一個樣品在干/濕狀態下的LIBS信息特征具有較好的一致性，擬合優度R2=0.917 7；由圖4可知，巖屑樣品壓實狀態下的光譜強度高于疏松狀態下的光譜強度，但二者的特征信息之間存在較好的相關性，擬合優度R2=0.932 6。

試驗結果表明，巖屑樣品的狀態只影響其LIBS信息強度的高低，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果與巖屑樣品檢測時的狀態無關。

3.2.2 剝蝕試驗

頁巖氣鉆井中廣泛應用油基鉆井液，油基鉆井液條件下巖屑樣品表面污染嚴重，難以清洗處理，影響樣品巖性識別的準確率。借鑒LIBS具有剝蝕的特性，進行了油基鉆井液巖屑樣品LIBS剝蝕表面污染層的試驗。通過調整激光器功率及光路，對油基鉆井液巖屑樣品表面進行剝蝕處理，得到了波長287.30～288.61 nm巖屑樣品原始狀態下及多次剝蝕后的檢測數據，結果見表1。

由表1可知，原始狀態下的檢測數據與第1次剝蝕后數據之間的擬合優度R2=0.573 5，第1次剝蝕后檢測數據與第2次剝蝕后檢測數據之間的擬合優度R2=0.694 3，第2次剝蝕后檢測數據與第3次剝蝕后檢測數據之間的擬合優度R2=0.733 0，第3次剝蝕后檢測數據與第4次剝蝕后檢測數據之間的擬合優度R2=0.928 7；巖屑樣品同一表面位置在經過3次剝蝕后，LIBS信息穩定，表明第4次剝蝕檢測到的LIBS信息是巖屑樣品的真實信息。試驗結果表明，LIBS技術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果對比Table 1 Comparison of the denudation effects of cutting samples in oil-based drilling fluid

4 結論與建議

1）試驗證明，基于LIBS的巖屑巖性在線識別可行。該技術可以解決現有LIBS巖性識別技術存在的檢測數據不連續、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無關，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）通過調整激光器功率和優化光路，利用LIBS的剝蝕特性，可以在油基鉆井液條件下準確識別巖屑的巖性，為頁巖氣開發提供技術支撐。

4）基于LIBS的巖屑巖性在線識別技術是基于光譜檢測分析而進行的，巖屑樣品的LIBS信息弱，對檢測設備光路穩定性要求較高。因此，為提高巖屑巖性識別的準確性，在應用該技術時建議采取必要的防振措施，以確保光路系統穩定。