閆長青 蘇亞楠 丁 群 楊金英 張學軍 李鵬年

(①中國石油冀東油田公司勘探開發(fā)建設工程事業(yè)部；②中國石油冀東油田公司勘探處；x③中國石油冀東油田公司勘探開發(fā)研究院；④中國石油渤海鉆探工程有限公司第一錄井公司)

0 引 言

隨著冀東油田深層地質(zhì)目標逐漸增多，大斜度、大位移井數(shù)量也隨之增加，鉆井難度日益增大。大量鉆井新工藝的采用導致巖屑細碎，錄井過程中油氣顯示發(fā)現(xiàn)難度增加；同時鉆井過程中，為維護井壁穩(wěn)定、保障鉆井順利進行，鉆井液中需加入具有熒光特性的添加劑，導致鉆井液出現(xiàn)不同程度熒光污染，熒光對比級別超出鉆井地質(zhì)設計允許范圍，嚴重干擾了地質(zhì)錄井發(fā)現(xiàn)油氣顯示。傳統(tǒng)二維定量熒光激發(fā)波長(Ex)與發(fā)射波長(Em)范圍窄，靈敏度低，只能形成單一的二維譜圖，無法對中質(zhì)油、重質(zhì)油和鉆井液添加劑進行檢測和識別。

為此，冀東油田自2009年起逐漸應用三維定量熒光技術(shù)，有效應對了采用大量鉆井新工藝情況下錄井過程中油氣顯示發(fā)現(xiàn)難的問題；并在現(xiàn)有鉆井液體系條件下，利用三維定量熒光指紋譜圖，通過分析常用的含熒光鉆井液添加劑與標準油樣譜圖之間的差別，減少熒光污染影響，識別真實的巖屑油氣顯示；同時通過優(yōu)選三維定量熒光含油性特征參數(shù)，建立三維定量熒光解釋方法，有效地識別儲集層含油性。據(jù)統(tǒng)計，截至2019年底，冀東油田共應用三維定量熒光技術(shù)350井次，占全部施工井的20%左右，應用效果較好，能夠滿足大斜度、大位移井鉆探的需要，具有較好的推廣應用價值。

1 三維定量熒光技術(shù)簡介

1.1 基本原理

由于原油中的芳香烴具有苯環(huán)，苯環(huán)上共軛雙鍵的電子吸收光子能量，從基態(tài)躍遷至激發(fā)態(tài)，再由不穩(wěn)定的激發(fā)態(tài)回到基態(tài)，同時釋放能量，這就是熒光產(chǎn)生的全過程[1-2]。三維定量熒光分析儀為多點激發(fā)，多點接收，激發(fā)波長(Ex)與發(fā)射波長(Em)范圍更廣，靈敏度更高，能以立體圖和指紋圖的形式更直觀地反映出熒光物質(zhì)的特性。

1.2 技術(shù)可靠性分析

三維定量熒光技術(shù)在冀東油田開始應用時，分別從含油濃度和對比級的對應性、樣品分析結(jié)果重復性誤差兩個方面對技術(shù)的可靠性進行了現(xiàn)場試驗和分析總結(jié)。

1.2.1 含油濃度和對比級的對應性

常規(guī)熒光錄井通過與系列對比樣品進行比較定性確定顯示級別。理論上講，系列對比級別與三維定量熒光對比級別兩者的含油濃度和對比級別應一致，為了實際驗證兩者關(guān)系，利用原油配樣，用正己烷作溶劑，開展現(xiàn)場對比試驗，結(jié)果表明(表1)：三維定量熒光對比級的4～15級與系列對比級別基本一致，1～3級與系列對比級別無一致性，因而當樣品含油濃度小于4.9 mg/L時，三維定量熒光檢測的對比級只能作為參考。鑒于此，冀東油田現(xiàn)場一般采用10 mg/L或20 mg/L的油樣作為標準樣品譜圖。

表1 理論與現(xiàn)場配樣的含油濃度和對比級數(shù)據(jù)對比

1.2.2 樣品分析結(jié)果重復性誤差

為驗證儀器分析數(shù)據(jù)時的穩(wěn)定性，冀東油田錄井作業(yè)現(xiàn)場分別采用同一深度點的粉砂巖、泥巖、鉆井液三個樣品進行重復性檢測，結(jié)果表明(表2)：同一深度點的不同樣品，重復性誤差在0.2級以內(nèi)，能夠滿足生產(chǎn)需要。

表2 粉砂巖、泥巖、鉆井液樣品重復性分析數(shù)據(jù)

1.3 技術(shù)優(yōu)勢與局限性

1.3.1 技術(shù)優(yōu)勢

二維定量熒光激發(fā)光只有單一254 nm波長，無法達到中質(zhì)油、重質(zhì)油和鉆井液添加劑檢測的最佳激發(fā)波長，且只能形成單一的二維譜圖，熒光檢測精度0.1 mg/L；三維定量熒光擁有200～800 nm波長的激發(fā)光，可實現(xiàn)多點激發(fā)多次接收，包含有不同油質(zhì)和添加劑的最佳發(fā)射波長和接收波長，能生成三維譜圖、指紋譜圖，還可切割成不同激發(fā)波長下的發(fā)射譜圖[3]，熒光檢測精度0.01 mg/L，從而得到較準確的熒光強度、對比級別等分析數(shù)據(jù)。因此，三維定量熒光波長范圍大、譜圖豐富、檢測精度高，反映樣品熒光特性更全面、更準確，易發(fā)現(xiàn)肉眼難以識別的微弱油氣顯示，并能更好地區(qū)分含熒光的鉆井液添加劑，從而排除鉆井液污染影響。

1.3.2 技術(shù)局限性

相對于二維定量熒光技術(shù)，三維定量熒光技術(shù)的優(yōu)勢明顯，但也存在諸多不足：一是氣油比高的層位或者氣層，難以發(fā)現(xiàn)巖屑顯示；二是在生油巖發(fā)育層位(東三段-沙河街組)，難以區(qū)分真假巖屑顯示；三是部分乳化瀝青、磺化瀝青及原油混入鉆井液后，難以區(qū)分真假巖屑顯示；四是明化鎮(zhèn)組、館陶組等淺層鉆井時機械鉆速快，巖屑撈取質(zhì)量較差，容易導致定量熒光分析數(shù)據(jù)失真。

2 現(xiàn)場應用流程

現(xiàn)場應用三維定量熒光的流程與二維定量熒光類似，在完成儀器標定的基礎上，首先明確本地區(qū)原油的性質(zhì)和譜圖類型，厘清本井不同層位的譜圖特征，并梳理本地區(qū)常用鉆井液及添加劑譜圖特征；然后開始正式分析樣品，將級別升高和出現(xiàn)指紋圖的樣品與油樣和鉆井液譜圖進行比對，剔除鉆井液污染，辨識真實油氣顯示；最后采用定量熒光對比級和含油濃度參數(shù)及其派生參數(shù)建立解釋圖板，對顯示層做出油氣水層的解釋評價結(jié)論。

2.1 冀東油田不同性質(zhì)原油的譜圖類型

根據(jù)現(xiàn)場生產(chǎn)數(shù)據(jù)分析，指紋譜圖比立體譜圖更具對比性和實用性。冀東油田不同區(qū)塊原油性質(zhì)不盡相同，輕質(zhì)油、中質(zhì)油、重質(zhì)油油氣藏均有分布。從圖1可以看出，這3種性質(zhì)原油的指紋譜圖主峰位置和譜圖形態(tài)差異明顯，與僅有拉曼峰的正己烷譜圖(圖1a)對比，NP 1-1區(qū)塊輕質(zhì)油譜圖為單峰，主峰位于Ex為280 nm、Em為340 nm左右(圖1b)；G 66區(qū)塊中質(zhì)油譜圖為單峰，主峰位于Ex為320 nm、Em為360 nm左右(圖1c)；G 104-5區(qū)塊重質(zhì)油譜圖為雙峰，主峰位于Ex為380 nm、Em為420 nm左右(圖1d)。

2.2 冀東油田不同區(qū)塊、層位譜圖形態(tài)特征

2.2.1 重質(zhì)單峰譜圖

重質(zhì)峰明顯(圖2a)，位于Ex為 390 nm、Em為430 nm左右，在Em480 nm后還有峰形，為重質(zhì)油特征。主要分布在高尚堡地區(qū)明化鎮(zhèn)組、東營組，柳贊地區(qū)明化鎮(zhèn)組、館陶組、沙河街組，老爺廟地區(qū)明化鎮(zhèn)組、東營組。

2.2.2 重質(zhì)雙峰譜圖

雙峰明顯，重質(zhì)峰為主(圖2b)，在Ex為380 nm、Em為430 nm左右；中質(zhì)峰為輔，在Ex為330 nm、Em為375 nm左右。主要分布在南堡1號構(gòu)造東營組，南堡3號構(gòu)造館陶組，南堡4號構(gòu)造東營組、沙河街組，柳贊地區(qū)東營組。

2.2.3 中-重質(zhì)均衡雙峰譜圖

雙峰明顯，中、重質(zhì)峰熒光強度相當(圖2c)，重質(zhì)峰在Ex為380 nm、Em為430 nm左右，中質(zhì)峰在Ex為330 nm、Em為375 nm左右。主要分布在南堡2號構(gòu)造東營組、奧陶系，南堡3號構(gòu)造東營組，南堡4號構(gòu)造明化鎮(zhèn)組，高尚堡地區(qū)館陶組、東營組、沙三段，柳贊地區(qū)東營組。

圖1 冀東油田三種不同性質(zhì)原油指紋譜圖

圖2 冀東油田不同區(qū)塊、層位譜圖形態(tài)

2.2.4 中質(zhì)雙峰譜圖

雙峰明顯，以中質(zhì)峰為主，重質(zhì)峰為輔(圖2d)，兩峰分別在Ex為320 nm、Em為375 nm和Ex為380 nm、Em為425 nm左右。主要分布在南堡1號構(gòu)造館陶組，南堡2號構(gòu)造明化鎮(zhèn)組、館陶組、東一段，南堡3號構(gòu)造沙河街組、寒武系。

2.2.5 輕質(zhì)單峰譜圖

輕質(zhì)峰明顯(圖2e)，位于Ex為290 nm、Em為330 nm左右，為凝析油或輕質(zhì)油特征。主要分布在南堡1號構(gòu)造沙一段、奧陶系。

冀東油田原油三維定量熒光峰形大體符合油質(zhì)越重，峰形越靠后的規(guī)律，但不同區(qū)塊、不同層位油質(zhì)譜圖不具有可比性，總體來說，重質(zhì)峰強則油質(zhì)偏重，輕質(zhì)峰強則油質(zhì)偏輕。

2.3 冀東油田常用鉆井液添加劑譜圖類型

通過近年來現(xiàn)場工作實踐，本文選取冀東油田5種常用鉆井液添加劑作為研究對象，包括磺化瀝青、白油、液體潤滑劑、KCl以及銨鹽，分別進行三維定量熒光分析，其譜圖形態(tài)特征和熒光對比級別等三維定量熒光參數(shù)特征如表3所示。

2.3.1 磺化瀝青

磺化瀝青由石油瀝青類物質(zhì)經(jīng)磺化、乳化等處理產(chǎn)生，具有防堵、防塌、潤滑、減阻等多種功能。其基本成分與重質(zhì)油相似，加入鉆井液中，可形成熒光污染，影響巖屑熒光錄井。其三維定量熒光對比達7.8級，超出地質(zhì)設計4級的允許范圍，指紋譜圖為單峰，出峰位置在Ex為380 nm、Em為420 nm左右(圖3a)，與G 104-5區(qū)塊重質(zhì)油譜圖相似，二者相比激發(fā)波長差值小于40 nm，差異性小而區(qū)分難度大。因此，在G 104 -5區(qū)塊及與該區(qū)塊目的層油質(zhì)相似地區(qū)鉆井時，應盡量避免使用影響熒光錄井的磺化瀝青。

表3 冀東油田常用鉆井液添加劑三維定量熒光特征參數(shù)

2.3.2 白油

白油是通過物理蒸餾方法從石油中提煉出的常見鉆井液添加劑，與中質(zhì)油性質(zhì)相似。白油的三維定量熒光對比級為5.9級，超出地質(zhì)設計4級的允許范圍；指紋譜圖為單峰，出峰位置在Ex為350 nm、Em為375 nm左右(圖3b)，與G 66區(qū)塊中質(zhì)油譜圖相似，與中質(zhì)油譜圖相比激發(fā)波長差值小于40 nm，差異性小，有效區(qū)分難度大。因此，在G 66區(qū)塊及與該區(qū)塊目的層油質(zhì)相似地區(qū)鉆井時，應盡量避免使用影響熒光錄井的白油。

2.3.3 液體潤滑劑

液體潤滑劑與NP 1-1區(qū)塊輕質(zhì)油性質(zhì)相近，其三維定量熒光對比級為6.4級，超出地質(zhì)設計4級的允許范圍，指紋譜圖特征也與輕質(zhì)油譜圖特征相似。其譜圖主峰出峰位置在Ex為290 nm、Em為340 nm左右(圖3c)，與輕質(zhì)油譜圖相比主峰發(fā)射波長接近，激發(fā)波長差值小于40 nm，差異性小，有效區(qū)分難度較大。因此，在NP 1-1區(qū)塊及與該區(qū)塊目的層油質(zhì)相似地區(qū)鉆井時，應避免使用影響熒光錄井的液體潤滑劑。

2.3.4 KCl和銨鹽

KCl和銨鹽是常見的無機添加劑，其三維定量熒光對比分別達3.3和4.6級，略高于地質(zhì)設計要求，但這兩種添加劑三維定量熒光譜圖均為明顯的拉曼峰特征，呈斜帶狀，未生成指紋譜圖(圖3d)，故與任一性質(zhì)的原油譜圖均存在明顯差異。因此，KCl和銨鹽不影響巖屑熒光錄井，可根據(jù)鉆井需要入井。

圖3 冀東油田常用鉆井液添加劑指紋譜圖

值得注意的是，由于鉆井液添加劑生產(chǎn)廠家和批次不同，可能會使分析結(jié)果產(chǎn)生偏差，例如同為磺化瀝青，有的指紋譜圖為單一重質(zhì)峰，有的則為拉曼峰。

2.4 三維定量熒光譜圖的甄別

現(xiàn)場檢測出的熒光譜圖既可能來自鉆井液，也可能來自真實的含油巖屑，如何去偽存真、甄別真假油氣顯示是技術(shù)應用的最重要環(huán)節(jié)。

冀東油田將三維定量熒光指紋譜圖分為三大類：第一類為無熒光無指紋譜圖，該類鉆井液熒光級別在4級以下，表明鉆井液無污染且無油氣顯示；第二類為有熒光無指紋譜圖，該類鉆井液熒光級別大于4級，表明鉆井液有污染但無油氣顯示；第三類為有熒光有指紋譜圖，該類鉆井液熒光級別大于4級，表明有油氣顯示，需進一步甄別真假油氣顯示，將樣品與標準油樣進行對比，根據(jù)出峰個數(shù)和出峰位置的不同判斷有無油氣顯示，具體流程如圖4所示。

圖4 冀東油田油氣顯示甄別流程

2.5 建立解釋評價方法

2.5.1 參數(shù)優(yōu)選

目前，三維定量熒光參數(shù)主要有：熒光波長(λ)即主峰激發(fā)波長(Ex)、主峰發(fā)射波長(Em)；含油濃度(C)即單位樣品中熒光物質(zhì)的含油濃度，反映被測樣品中的含油氣豐度，單位為mg/L；熒光強度(F)即原油中的熒光物質(zhì)所發(fā)射熒光的強弱，反映的是被測樣品中熒光物質(zhì)的多少；對比級別(N)即單位樣品中熒光物質(zhì)所對應的熒光系列對比級別，是一種反映巖石樣品中含油量多少的傳統(tǒng)的非法定計量單位，與含油濃度存在很大的相關(guān)性；油性指數(shù)(Oc)即代表中質(zhì)油成分的最大熒光峰的強度值與代表輕質(zhì)油成分的最大熒光峰的強度值之比，其反映的是油質(zhì)的輕重。

含油濃度(C)、對比級別(N)最能表征單位巖石樣品中含油量的多少[4]，油性指數(shù)(Oc)最能反映油質(zhì)特征，將其組合應用，形成CN指數(shù)(C×N/Oc)和N指數(shù)(N/Oc)兩個含油性參數(shù)[5]，理論上與儲集層含油性呈正相關(guān)關(guān)系。對冀東油田預探井試油層位三維定量熒光參數(shù)進行統(tǒng)計，計算出各參數(shù)與試油日產(chǎn)油量關(guān)聯(lián)度(表4)，顯示CN指數(shù)、N指數(shù)與試油日產(chǎn)油量相關(guān)性最好，且呈正相關(guān)關(guān)系。

2.5.2 建立解釋圖板

將冀東油田往年試油層位三維定量熒光的CN指數(shù)和N指數(shù)分別作為橫、縱坐標，建立三維定量熒光解釋圖板[6]如圖5。

表4 三維定量熒光參數(shù)與試油日產(chǎn)油量關(guān)聯(lián)度

圖5 冀東油田三維定量熒光解釋圖板

3 應用實例

3.1 NP 36-3702井

該井為PG 2區(qū)塊內(nèi)一口大位移生產(chǎn)井，為確保鉆井安全和鉆井提速，鉆井液混入磺化瀝青、KCl和銨鹽等添加劑，導致鉆井液出現(xiàn)不同程度熒光污染，嚴重干擾了地質(zhì)錄井油氣顯示的發(fā)現(xiàn)。為此，該井現(xiàn)場采用三維定量熒光錄井技術(shù)排除鉆井液污染干擾，識別出真實油氣顯示。通過三維定量熒光指紋譜圖分析，KCl和銨鹽均為無機添加劑，指紋譜圖僅為一條拉曼峰，與該井目的層標準油樣指紋譜圖明顯不同，因此可以完全剔除KCl和銨鹽的熒光污染。但該井在目的層鉆進期間先后加入磺化瀝青18 t，致使鉆井液熒光污染達到8級，常規(guī)熒光錄井已無法分辨地層油氣顯示，通過三維定量熒光指紋譜圖顯示：主峰位于Ex為380 nm、Em為410 nm處(圖6a)，與目的層標準油樣出峰位置Ex為330 nm、Em為360 nm(圖6b)差異明顯，激發(fā)波長與發(fā)射波長均相差50 nm，通過三維定量熒光可以排除磺化瀝青導致的鉆井液污染，識別出巖屑中的真實油氣顯示。

在后續(xù)的錄井過程中，三維定量熒光指紋譜圖發(fā)生變化，呈現(xiàn)雙峰疊加特征(圖6c)，對比該井標準油樣和磺化瀝青的譜圖發(fā)現(xiàn)，其后重質(zhì)峰符合磺化瀝青譜圖特征，而其前中質(zhì)峰符合標準油樣譜圖特征，故確定其為地層內(nèi)真實油氣顯示，進而通過三維定量熒光技術(shù)實現(xiàn)了排除鉆井液污染干擾，識別出真實油氣顯示的目的。同時，將識別出的油氣顯示三維定量熒光數(shù)據(jù)在冀東油田三維定量熒光解釋圖板上進行投點，均在含油區(qū)界限之內(nèi)(圖5)，因此認為油氣顯示層具有一定的含油性。利用該方法，全井共發(fā)現(xiàn)巖屑油氣顯示12層81 m，后經(jīng)井壁取心證實，該井油氣顯示發(fā)現(xiàn)率100%。

圖6 NP 36-3702井三維定量熒光指紋譜圖

3.2 NP 3-20井

該井為黃驊坳陷南堡凹陷NP 3號構(gòu)造NP 3-20斷鼻高部位的一口預探井，為確保鉆井安全和鉆井提速，該井在1 570～5 567 m井段累計混入原油114.7 t，導致全井鉆井液大面積熒光污染，現(xiàn)場采用三維定量熒光錄井技術(shù)進行真假油氣顯示識別。該井鉆至5 130 m時，因鉆井液混油，導致氣測全烴值達100%，常規(guī)錄井無法判斷，通過三維定量熒光譜圖區(qū)分油氣顯示，混入原油的鉆井液指紋譜圖出峰位于Ex為398 nm、Em為450 nm處，為重質(zhì)油特征，與該井目的層標準油樣指紋譜圖出峰位置Ex為325 nm、Em為368 nm明顯不同，激發(fā)波長與發(fā)射波長差值均大于40 nm，因此可以準確判斷該深度點油氣顯示為混入原油造成的假顯示。該井鉆至井深5 542 m時，三維定量熒光譜圖開始出現(xiàn)雙峰，符合真實含油譜圖特征，判斷為真實地層油氣顯示。同時，將該層油氣顯示三維定量熒光數(shù)據(jù)在冀東油田三維定量熒光解釋圖板上進行投點，均在含油區(qū)之內(nèi)(圖5)，含油性較好，三維定量熒光解釋為油層。對該井段進行試油，5 mm油嘴放噴，產(chǎn)油4.4 t/d，不產(chǎn)水，試油結(jié)論為油層，與三維定量熒光解釋結(jié)論一致，且原油密度為0.790 4 g/cm3，與三維定量熒光指紋譜圖反映的油品性質(zhì)一致。該層的成功解釋，落實了NP 3-20斷鼻沙一段含油氣情況，為制訂該區(qū)布井方案提供了有力依據(jù)。

4 結(jié) 論

三維定量熒光波長范圍大、譜圖豐富，能生成三維譜圖、指紋譜圖，反映樣品熒光特性更全面、更準確，發(fā)現(xiàn)油氣顯示尤其對于微弱油氣顯示的效果更好，有效解決了二維定量熒光激發(fā)光波長單一，無法識別中質(zhì)油、重質(zhì)油和鉆井液添加劑的問題。

三維定量熒光檢測精度為0.01 mg/L，遠高于二維定量熒光的0.1 mg/L，可以獲得更為準確的熒光強度、對比級別等分析數(shù)據(jù)。在冀東油田的多口井應用表明，三維定量熒光錄井技術(shù)可有效應對采用大量鉆井新工藝使得巖屑細碎導致錄井過程中油氣顯示發(fā)現(xiàn)難的問題，并能有效區(qū)分含熒光的鉆井液添加劑，排除鉆井液污染的影響；同時，三維定量熒光的相當油含量和對比級衍生參數(shù)CN指數(shù)和N指數(shù)，能夠準確反映出油氣水層特征，增加了錄井綜合解釋評價研究的手段。

相對于二維定量熒光，三維定量熒光技術(shù)優(yōu)勢明顯，但也有諸多不足：一是氣油比高的層位或者氣層，難以發(fā)現(xiàn)巖屑顯示；二是明化鎮(zhèn)組、館陶組等淺層機械鉆速快，巖屑撈取質(zhì)量較差，容易導致定量熒光分析數(shù)據(jù)失真，為此建議在機械鉆速較快層位，應確保巖屑撈取質(zhì)量；三是部分乳化瀝青、磺化瀝青及原油等添加劑混入鉆井液后，區(qū)分真假巖屑顯示難度較大，故應避免加入與目的層原油指紋譜圖相似的添加劑。