鉆探現場礦物自動化分析技術進展及應用前景

李 立 龐江平 瞿子易

中國石油川慶鉆探工程公司地質勘探開發研究院

鉆探現場巖心、巖屑礦物分析作為地質信息最直接來源的手段，在地層、儲層的現場定量、快速解釋評價以及鉆完井優化等方面的作用日趨重要，尤其是鉆井的提速提效，地質勘探對象日趨復雜對相關技術提出更快、更精確、更全面的需求。巖石礦物分析技術經歷了人工為主的初級階段，X射線熒光光譜分析（XRF）、X射線全巖衍射分析（XRD）等為代表的半自動化分析階段，現在已逐步過渡到以綜合自動礦物巖石學檢測系統（QEMSCAN）等為代表的自動化分析新階段。作為現場地質服務的重要載體——綜合錄井技術在信息化技術助力發展的今天，已站在向遠程化作業轉變的門口，同樣需要自動化分析技術手段解決其瓶頸問題（現有的現場礦物分析技術定量化程度不夠、參數偏少，解釋的人工干預過多），以適應現場巖石礦物分析自動化、定量化、參數多維化、解釋智能化等方面的發展新需求，并拓展出新的服務空間和應用領域。系統分析現有成熟技術和推廣應用類新技術，找到新技術與現場地質服務的契合點，為解決發展瓶頸問題提供思路。

1 礦物分析技術的發展歷程

依據鉆探現場礦物分析手段、分析技術自動化程度，以及分析內容的深度和廣度，可將鉆探現場礦物分析技術發展劃分為3個階段：人工分析階段（2000年以前，以人工肉眼、放大鏡及顯微鏡觀察為主）、半自動化分析階段（2000—2015年，以XRF、XRD、自然伽馬能譜、碳酸鹽巖含量分析等定量或半定量技術為代表）、自動化分析階段（2015年至今，以QEMSCAN等為代表的礦物自動化、定量化、多參數分析技術）。

1.1 人工分析階段

自現場地質服務技術誕生以來，就有了礦物分析內容。2000年以前，主要采用人工肉眼觀察（或配有放大鏡），該階段發展后期，部分現場分析技術開始使用偏光顯微鏡、體視顯微鏡，結合碳酸鹽巖含量分析等技術，在鉆井工藝大規模改變之前，特別是金剛石（PDC）鉆頭使用和水平井增多以前，基本能滿足現場分析需要，但總體信息量少，解決深度地質問題能力不足。20世紀90年代，金剛石鉆頭開始大量使用，水平井也開始增多，采用人工肉眼觀察巖心、巖屑獲得的礦物信息更模糊，現場需要的地層、儲層評價的定量化參數幾乎不能有效獲取，不能滿足現場地質技術服務需要。

1.2 半自動化分析階段

該階段分析技術主要包含XRD（X射線全巖衍射分析，測量巖石礦物成分，主要利用其進行巖性定名、地層對比和脆性分析）、XRF（X射線熒光光譜分析，測量巖石元素成分，利用其進行巖石礦物成分回歸，進行巖性定名、地層對比、脆性分析，輔助地質導向和壓裂選段，較XRD分析快，獲取的信息量更大）、Cutting GR（巖屑伽馬能譜分析，測量巖屑的總伽馬值和鈾釷鉀分量，應用伽馬曲線建立地層剖面和地層對比，并能求取頁巖氣地層總有機碳含量）、NMR（核磁共振分析，測量巖石孔隙度、可動流體和束縛流體的飽和度，推算滲透率，但要求的巖石顆粒粒徑至少大于2 mm，對含氣飽和度和PDC鉆頭鉆屑測量不適應）等技術。這些分析技術從其他工業領域引用、消化，經歷短短的10年時間，迅速在全國各大油田的鉆探現場投入使用，其優勢是填補了傳統錄井的看不明（鉆井工藝對分析對象破損嚴重）、看不清（致密油氣藏、薄儲層需要更微觀、更快速的地質評價參數）的缺陷，使現場地質人員能夠迅速、定量或半定量獲得地層的元素、礦物、能譜、部分物性及流體等信息，并衍生總有機碳含量（TOC）、滲透率等部分儲層信息，及時解決巖性識別、地層歸位、小層追蹤、導向輔助、鉆完井優化輔助、儲層快速評價等問題。

該階段的技術優勢適用于復雜井（探井、薄儲層井）、鉆井工藝限制井（主要是指水平井、大斜度井等井），能得到大面積的推廣使用。其不足之處是巖石分析結果的解釋仍以人工干預為主，自動化程度較低，同時對巖石的微觀結構、儲層參數表征不完整，滿足不了快速、精細解釋需求。

1.3 自動化分析階段

隨著勘探開發提速提效加快，業主需要信息更快，定量化程度更高，共享更便捷；鉆井、壓裂等工程相關方需要在可鉆優化、壓裂優化方面有更快、更精確的參數依據，而錄井檢測向精準及監測、解釋等后端發展，催生現場巖屑、巖心向快速、定量、可視、多維信息采集和發布新需求。電鏡掃描與XRF等技術耦合，結合強大的處理解釋軟件，為相關方提供滿足這些要求的QEMSCAN、RoqSCAN分析系統因其分析自動化、解釋平臺智能化程度高，以及通過小型化滿足現場需要逐步投入實驗使用，代表了現場礦物自動檢測技術的新方向[1]。

1.3.1 QEMSCAN技術

QEMSCAN 是一種綜合自動礦物巖石學檢測方法的簡稱，英文全稱為 Quantitative Evaluation of Minerals by Scanning Electron Microscopy，即掃描電鏡礦物定量評價，這種檢測方法能夠對礦物、巖石、人工合成材料進行定量分析。該技術發展分為以下3個階段。

研發融合階段：20世紀70年代，澳大利亞CSIRO公司設計出自動運用X射線能譜技術與掃描電鏡相結合，精確鑒定巖石礦物的方法，即掃描電鏡礦物定量分析[2]。20世紀80年代又研發了多樣品自動分析系統/技術，從得到的礦物顆粒圖像中獲取定量礦物學、結構構造、金相參數[3]。20世紀90年代，輕元素X射線檢測儀被引入礦物鑒定中，昆士蘭大學礦物研究中心研發了礦物解離度分析儀（MLA）專業軟件[4]。

試用發展階段 ：2001年，CSIRO 公司宣布準備將QEMSCAN 商業化[5]。2009年，美國FEI 公司宣布收購該技術。2010年6月，美國AMMTEC公司運用一臺“R”系列的QEMSCAN分析系統在蘇門答臘的油井第一次完成現場分析[6]。2010年9月1日研發了新的光譜分析系統，能夠識別鑒定72個元素并對復雜礦物化學成分進行描述的5.0版 iDiscover軟件發布。2010年11月，QEMSCAN 與 MLA 自動礦物檢測儀新網站發布[7]。2011年10月，美國Halliburton、巴布亞新幾內亞Oil Search Limited與丹麥Maersk等錄井服務公司共同發布QEMSCAN油井專用儀[8]。

完善推廣階段：最新型的QEMSCAN 650F系統包括一臺掃描電鏡、四部X射線能譜分析儀、能夠自動獲取并分析處理數據的專用軟件[9]。幾乎所有與礦物結構特征相關的參數都能獲得，通過數據處理，將若干礦物相整合成礦物集合體，分解混合光譜、圖像處理、顆粒分級等，是一個高速自動化的礦物、巖石參數定量分析系統。

QEMSCAN 分析技術的樣品制備復雜，預處理時間較長（需5 h左右，若采用快干凝膠，仍需1 h左右）[10]，實驗室使用相對較多，部分重點探井現場有使用，下一步必須在制樣方面改進適應快速分析需求。

1.3.2 RoqSCAN技術

RoqSCAN是在QEMSCAN研究成果的基礎上優化完成的、具有前沿性、便攜式的自動礦物學分析系統，將強大的分析與定制油氣解釋軟件工具結合在一起，代表了當前工業界油田現場最先進的、自動、定量、診斷的礦物/巖石特征工具。其突出了適應現場快速分析評價要求的優勢：①便攜（體積小可以帶到井場）（圖1）；②實時、快速（因其快至20 min的樣品制備和分析，在現場應用方便）；③分析處理自動化和解釋定量化（數據處理完全自動化，并提供豐富的巖石信息，可以說是對巖石的DNA鑒定）（圖2）。

圖1 RoqSCAN巖石礦物分析儀外觀圖

圖2 巖石類型識別三角圖（快速確定巖性）

1965年，Fugro Robertson公司和Carl Zeiss公司合作研發的掃描電子顯微鏡系統（SEM）；2012年法國地球物理維里達斯集團（CGG）收購了Fugro Robertson公司的地球物理部門；同年貝克休斯公司（ВHI）與CGG簽署聯合獨家代理協議，將該設備納入到頁巖氣儲層評價服務中。

RoqSCAN分析樣品可以是巖屑、巖心、井壁取心、薄片，且滿足不同鉆頭類型、鉆井液體系（油基/水基）、不同鉆井方式（直井/側鉆井）、不同油氣資源（常規/非常規）。通過無損的樣品制備技術，提供精細的巖相類型分析（鉆井巖屑、薄片和巖心，樣品制備時間10 min，分析周期10～15 min；精度要求不高時，可快速掃描，5 min左右完成分析）。

分析模塊主要包括RoqSCAN擬合 GR、礦物成分（包括石英、長石、黏土、碳酸鹽巖、硫酸鹽和硫化物、重礦物、鉆井污染物等）、元素指代物（表明靜海的沉積環境）、孔隙數據（孔隙度、孔隙大小分布和孔隙面比）、礦物脆性分析、巖石類型（ 礦物和結構得出的巖石類型，用于刻畫直井和側鉆井特征）、綜合評價等。

2 分析技術的功能及其應用

2.1 人工分析階段

人工判斷巖石的礦物是根據巖石的物理特征、化學性質和地球化學特點來判斷。比如，觀察巖石的顏色、節理、斷口、巖石風化的顏色以及平滑狀況，有時也會根據巖石中的一些共生礦物，如鉛鋅礦、重晶石、螢石來判斷。必要時輔以巖石的硬度、與稀鹽酸的反應等。這種分析技術在世界各地的鉆探現場廣泛應用，該技術發展緩慢，工作方式大同小異，工作流程復雜，人為干預高，手段單一且以定性為主，能基本確定巖性，結合放大鏡或顯微鏡能獲得部分的儲層信息（比如是否有孔隙等），但隨著金剛石鉆頭的使用，以及水平井工藝的大面積推廣，在20世紀90年代后期已凸顯人工鑒定手段的不適應。

2.2 半自動化分析階段

巖樣的粒度分析、薄片鑒定、顯微鏡放大、XRD/XRF分析、核磁共振分析、碳酸鹽含量測定等半自動分析技術在2010年前已成為常規分析技術，解決了部分巖性、儲層評價需求[11]，但自動化程度不高、解決的參數單一，不能整合對一個樣品多維參數的獲取和自動化分析、定量化處理[12]。介紹該技術的文獻和資料較多此不贅述，因功能和適應性受限，越來越不能滿足評價需求。

以四川盆地為例，自2010年以來，目前XRD、XRF、自然伽馬能譜設備已發展到30余臺。XRD最早（2010年）用于安岳氣田磨溪區塊下寒武統龍王廟組氣藏、高石梯區塊上震旦統燈影組氣藏的重點探井中，主要解決新探層系的巖性識別及地層對比難問題，但其穩定性差、分析周期長（一個樣品耗時20～30 min），不能適應快速鉆井情況下礦物分析的需要，而XRF因速度快（分析周期3～5 min）、痕量信息豐富（巖性識別所需元素信息齊全）逐步替代XRD，特別是2013年后，隨著元素錄井技術的發展以及大規模頁巖氣井的鉆井施工，XRF成為頁巖氣錄井的關鍵技術之一[13]。

與XRF相伴投入使用的自然伽馬能譜技術最早源于測井的技術延伸，2012年開始主要在頁巖氣錄井中應用較廣，具有地層識別、小層追蹤方面的優勢（分析周期5 min左右，樣品不需要預處理），分析簡單、快捷，并能精細刻畫水平段靶體上下小層的特征，避免上穿下切的判斷失誤；在隨鉆測量無信號、鉆后無電纜測井等情況下能很好地解決軌跡調整和儲層初評價及壓裂優選等問題。隨著勘探向深、遠、薄的方向發展，對這類技術的需求越來越大，通過與區域地質特性的融合，適用性得以強化，并隨著區域資料的日益豐富，為發展成與測井類似的大數據模型自動識別方式奠定基礎[14]。

核磁共振錄井從2000年左右開始使用，主要集中于對巖石孔隙度、滲透率、含水飽和度參數求取及對儲層快速評價，但因巖屑細小化、不能有效解決含氣飽和度等問題，應用遭遇瓶頸，拓展有限。近期出現的核磁納米孔隙分析儀利用孔隙大小與其內液體凝固溫度之間的關系，通過凍融過程檢測測量孔徑分布（孔徑測量范圍介于2～500 nm），對總孔隙度、不同孔徑分布、束縛水飽和度、可動孔隙度等參數求取，用于儲層的評價。目前，部分油田仍在探索使用該技術。

2.3 自動化分析階段

2.3.1 QEMSCAN技術

QEMSCAN檢測結果主要有以下功能：①礦物表征定性與定量評價（二次電子掃描對礦物表征結構定性評價，豐富儲層評價，如成巖環境與作用、古氣候、物源、沉積環境等）及痕量、特殊礦物搜尋；②背散射成像展示巖石截面嵌布特征，計算各種礦物含量，對生儲蓋層相關評價參數定量或定性提?。▓D3）；③對單礦物的粒度準確分級，反映水動力和古水流特征；④檢測普通XRF儀器不能檢測到的元素（能檢測H、He、Li 之后所有元素，H、He、Li以化合物存在，可通過其軟件反推獲得，對H元素的獲取，有烴類和水等流體性質解釋方面的突破可能），一般XRF設備只能檢測到二三十種元素；⑤孔隙分布、連通、孔隙度求取、有效無效孔隙的表征等實現儲層空間的精細描述；⑥巖石脆性和塑性定量化計算，為試油選段和壓裂優化提供參數[15]。

圖3 儲層核心指標評價圖

2010年以來，該分析技術在礦藏、冶金分析、煤炭礦物學分析（能源）、土壤礦物學分析 （農業）、法醫地球科學分析（公安）、行星地質學分析（天體學）、粉塵礦物學分析（環境）都有應用，在石油勘探方面，煤層氣、致密砂巖油氣藏、頁巖氣有部分使用，主要應用于成巖分析、巖性分析、物性分析等，為現場地質快速解釋評價和鉆井、壓裂優化提供方案，在部分基礎地質研究的分析中應用，比如中國地質調查局的非常規油氣研究等，國外主要在中東等地區的油氣勘探現場有應用，近年來隨著RoqSCAN的現場化，其使用逐漸減少。

總體而言，QEMSCAN技術代表了巖石、礦物自動化分析技術的重要發展里程，其參數在巖性、巖相、儲層的精細表征及參數應用范圍[16]，以及強大的處理軟件方面，奠定了現場適用基礎，但推廣應用較少，在樣品的預處理時效性問題和成本的優化問題等方面需要改進。

2.3.2 RoqSCAN技術

該技術主要包括如下功能：①地層識別與儲層評價（地層精細化描述，包括：地層元素及礦物成分分析、巖性描述、孔隙結構描述、巖石基質結構與地層孔隙性及微裂縫定性評價等，適合非常規地層和碳酸鹽巖類地層評價；區分白云質和石灰質等礦物的差異性，且反應有機質在地層中的變化）；②光譜學數據與隨鉆及電纜測井獲得的數據的相互驗證及地質導向；③非常規壓裂優化地層評價（巖石脆度評價，實時脆度曲線與塑性指數曲線，隨鉆生物硅曲線、隨鉆孔隙面比、隨鉆孔隙尺寸分布曲線、隨鉆伽馬等）；④直井或導眼井深度校正（所用參數包括：地層巖石地球化學特征對比、頂底卡層、取心深度及套管深度的確定、完鉆層位的確定等）；⑤為建立盆地三維脆度及甜點建模提供數據（圖3）。

該技術2013年起開始北美應用，已成熟運用于200多口井次，利用RoqSCAN數據進行壓裂優化分段及射孔段優化。其中美國鷹潭頁巖氣井利用其進行儲層特征描述及完井優化[17]，產氣量比同平臺上同方向的井提高了約2倍。2014年該技術開始在國內投入使用，在西南地區頁巖氣井、致密氣井應用20余井次（解決巖石、地層、儲層快速評價、鉆完井優化、壓裂優化等）[18]，其分析速度和解釋技術較QEMSCAN有較大進步，但推廣力度不大，在分析周期和成本問題方面仍然需要改善。

3 自動化分析技術應用前景分析

QEMSACN、RoqSCAN等礦物現場自動化分析技術在不同的勘探對象中的應用，以其快速、定量、多維度參數為現場地質服務中的巖石、地層、儲層微觀評價提供了豐富優點，展示其良好的前景；強大的軟件功能為鉆完井、地質導向、壓裂優化乃至全構造三維建模提供智能處理，使得現場地質服務具備向深度解決地質問題發展成為可能，并為服務組織方式改變提供可能，在地質評價與應用方面拓展新的服務領域。具有先進的服務組織方式：井場端采集與預處理由分析人員完成，基地進行深度應用分析與發布，實現遠程技術支持與決策，減少現場服務人員數量和技術依賴度，為業主提供一體化解釋方案，從而解決實施遠程錄井等生產組織方式中無法全自動化要素的難題。目前，錄井企業推進遠程錄井作業模式，將其采集信息監控集中于基地，但其地質師需留守鉆井現場落實巖性鑒定、地質導向等難題，難以全面實現遠程錄井作業。

目前，該類新技術現場使用數據相對不足、分析周期過長、成本較高，必須通過推廣積累更多的現場數據，并通過設備的國產化降低成本，縮短樣品預處理時間。未來在常規井勘探中將可以預見，在隨鉆精細地質評價、隨鉆工程優化、鉆后壓裂優化、遠程錄井配套等方面有廣闊的應用空間。目前，每臺設備的價格一般介于50萬～100萬元，部分設備國外不出售，只提供技術服務。韓國庫賽姆公司（COXEM）的EM-30 Plus臺式電鏡成本大幅降低，樣品預處理時間介于20 min～5 h，未來需要在10 min內能完成處理與分析，滿足現場施工需求。

4 結論

1）勘探進度提速和精細地質評價、鉆井提速、工程優化決策的需求對自動化礦物分析技術的現場化提出了新需求。

2）與現有的XRF等半自動分析技術因參數的缺項、解釋的人工干預度過高不同，QEMSCAN、RoqSCAN等新技術的應用能滿足新需求。

3）QEMSCAN等新技術的應用體現現場化、快速化、參數多維化、解釋一體化、應用多角化的優勢，在隨鉆精細地質評價、工程優化、壓裂優化等方面有廣闊的應用空間。

4）QEMSCAN等新技術的進一步推廣、優化將推進錄井等現場地質服務的生產組織方式的根本改變和新的服務領域的拓展，可期在未來遠程錄井中扮演關鍵性技術角色。

5）QEMSCAN等新技術的推廣還需要在數據積累、成本優化和分析周期縮短等方面改進。

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