創新型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）

為解決石油優快鉆井技術發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，不利于現場推廣應用。有關人員開展了基于創新型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控制下，激光器發射出高能激光，經過光路控制聚焦在樣品臺上的巖屑樣品表面，誘導產生等離子體，通過光路采集樣品的激光誘導擊穿光譜（簡稱LIBS），由光纖傳輸到光譜儀進行光電轉換，再由安裝在控制系統內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、樣品臺、控制系統組成。

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技術參數沒有具體要求，可以直接把巖屑樣品置于樣品臺上進行分析。與傳統的巖屑錄井技術對比，節省了分析時間。

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。

3）巖性識別結果可靠。該設備內部的系統軟件對巖屑樣品元素含量信息進行采集處理，并根據解釋評價模型，實現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施工任務變化需要經常轉場作業，體積與重量給現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）部分性能參數有待進一步優化。主要表現為激光器發出的激光帶寬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選

2.1 活動目標設定

為進一步發揮激光識別巖性技術應用效果，結合施工現場環境，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。

經過對現有激光巖性分析儀硬件系統進行分析，“設備小型化”的目標是可行的。

2.2 活動類型優選

由于激光識別巖性技術是活動小組所在單位研究開發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，為實現本次活動目標，設備的硬件系統需要重新設計與優化，以達到縮小體積、降低重量的目的。

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

3 設計優化技術方案

根據活動目標，小組成員按照“創新型”QC課題活動規律，充分利用其手段，開展了一系列創新活動，設計優化出硬件系統，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驗，對現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”發射出的激光通過分析儀的“光線發射孔”直接照射到待檢測巖性的“巖屑樣品”，誘導產生擊穿光譜，并經“光線反射孔”傳輸到光譜儀進行檢測，安裝在“微處理器”內的分析軟件把樣品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出激光，在光路系統作用下，經過“準直”、“聚焦”等使激光照射在樣品臺上的樣品表面微小區域，提高單位面積激光功率，增強樣品LIBS光譜強度，激發出的LIBS光譜經過“收集”、“準直”后傳輸到光譜儀，提高樣品的LIBS信息檢測精度。所有硬件系統安裝在儀器箱體內，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，采用了控制系統與硬件系統分體設計的筆記本電腦控制分體式方案（圖3）。安裝在筆記本內的系統軟件控制光路系統采集樣品臺上樣品圖像后，根據圖像清晰度控制樣品臺沿Z軸上下移動，實現光路系統自動對焦確定樣品最佳檢測狀態。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3種儀器的技術方案，小組人員對儀器的適用性、經濟性、制作難易程度、操作人數、優缺點等方面進行分析，分析對比見表1。

根據對比結論，本次活動優選方案3，筆記本電腦控制分體式方案。

3.3 光路系統創新設計

3.3.1 現有光路系統

該技術方案利用透鏡、光學架（圖4），經過鏡片焦距調整等實現光路的“準直”、“聚焦”功能，具有結構簡單、易于調整的優勢，但由于是開放式光路，存在著“不防塵，光路系統不穩定”的缺陷。

表1 3種結構優選對比

圖4 激光巖性分析儀光路系統

3.3.2 集成式光路系統

結合“人、機、料、法、環”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，把光路系統集成到光學系統外殼內，光學系統外殼預留光纖接口和光路準窗口，光路準窗口與激光器發出的激光光路正對，對激光進一步準直聚焦后，通過光路系統下端照射到巖屑樣品表面；光纖與光譜儀連接，光學系統采集的LIBS信號通過光纖傳輸到光譜儀進行分析處理（圖5）。

圖5 小型化激光巖性分析儀光路系統

4 活動效果

根據活動目標，小組成員根據“創新型”QC課題活動規律，充分利用其手段，開展了一系列創新活動，設計優化出硬件系統，經過結構優化集成，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的激光識別巖性技術系統軟件進行集成，成功實現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，尺寸參數明顯減小；重量：38.5 kg，實現了“小型化”目標。

2）性能參數測試。在實現“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%，實現了本次活動目標。

研制的小型化激光巖性分析儀已經應用到現場生產和科研項目中，經過現場人員測試檢驗，一致反映識別巖性速度快，操作簡單，界面清晰簡潔，性能安全可靠穩定，完全達到設計要求，大大提高了錄井行業的技術實力，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

創新型QC活動可以有效解決石油錄井行業中遇到的某些技術問題，通過開展創新型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場環境要求，提升了錄井施工隊伍技術實力，幫助現場地質技術人員提高了地層剖面符合率，有利于快速準確發現油氣資源。

創新型QC活動與其他類型的QC活動對比，具有一定的挑戰性，尤其是針對石油錄井行業要求更高，為確保活動質量，活動全過程均要結合行業特點，嚴格按照PDCA循環進行控制，以促進錄井行業質量管理發展。