科学钻探工程中的随钻实时流体分析_唐力君.pdf

2011 年 10 月 October 2011 岩矿测试 ROCK AND MINERAL ANALYSIS Vol． 30，No． 5 637 ～643 收稿日期 2010 －05 －19;接受日期 2011 －06 －01 基金项目国家重大科技专项 汶川地震断裂带科学钻探工程 作者简介唐力君， 副研究员， 从事分析化学、 地球化学现场分析工作。E- mailtanglijun cags． ac． cn。 文章编号 02545357 2011 05063707 科学钻探工程中的随钻实时流体分析 唐力君，王晓春，王健，李迎春，王广 国家地质实验测试中心，北京100037 摘要随钻实时流体分析是科学钻探重要组成部分， 已成为科学钻探的标准配置之一， 在国内外多个科学钻探工 程中实施， 获得了许多重要科学认识。随钻实时流体分析主要是在线测定气体浓度， 实时监测钻探工程及其对流 体影响， 提供大量可靠的、 其他方法难以得到的地学参数， 建立流体地球化学剖面， 测定流体同位素组成， 并开展 流体变化、 气体识别和异常研究， 研究流体来源及与地质活动关系。本文介绍了随钻流体分析的应用现状和实 例， 已成为科学钻探中必需的子工程之一。初步归纳随钻流体分析中主要组分的变化规律。随着科学钻探研究 对象范围的逐渐扩大， 随钻流体分析的应用前景也将扩大， 而且已有半商业的钻探工程采用该项工作， 表明随钻 流体分析的重要性和实际意义。文章提出， 随钻流体分析配备的分析仪器、 分析流程的长期稳定性、 野外现场的 可靠性需要不断改进。 关键词随钻流体分析;科学钻探;应用前景 Real- time Fluid Analysis in the Scientific Drilling Project TANG Li- jun，WANG Xiao- chun，WANG Jian，LI Ying- chun，WANG Guang National Research Center for Geoanalysis，Beijing100037，China AbstractReal- time fluid analysis has gradually developed and become the standard configuration used in many scientific drilling projects in China and abroad． Real- time fluid analysis is used mainly to determine on- line gas concentrations，monitor real- time drilling projects and their influence on fluid and to provide reliable geological parameters which are unattainable by other s． Real- time fluid analysis can establish fluid geochemical profiles， determine isotopic composition，explore fluid change，identify gasses and any abnormality，and investigate the origin of fluid and its relation to geological activity． The applications and cases of real- time fluid analysis are introduced in this paper;this having become one of the required sub- projects of scientific drilling． The change of major composition determined by real- time fluid analysis system is summarized． The application of real- time fluid analysis would be incorporated into the research and development of scientific drilling which is usually requested by commercial projects． In addition，it is a fundamental necessity to constantly improve the long- term stability and reliability of analytical instruments and processes，particulary out in the field． Key wordsreal- time fluid analysis;scientific drilling;prospect 736 ChaoXing 科学钻探是为研究地壳深部岩石圈、 生物圈、 水圈 含地下流体 的组织结构、 物质成分、 形成机理等而进 行的钻探工程 ［ 1 ］。通常把在陆地上施工的科学钻探称 为大陆科学钻探， 如已完成的中国大陆科学钻探工程 CCSD 就在中国江苏省连云港市东海县毛北施工， 钻 孔所穿过的岩石曾位于板块会聚边界的地幔深处， 因此 是研究大陆深俯冲及地幔动力学的最佳地区 ［ 2 －3 ］。 随钻流体分析是在钻探进行状态下， 实时连续进 行钻探循环泥浆气体分析， 获取气体组分资料。随钻 流体分析系统一般包括钻探泥浆脱气系统、 现场分析 实验室和气体收集装置及其连接管路。随钻流体分析 已成为科学钻探工程的重要组成部分， 也逐渐成为其 标准配置之一， 主要是在线测定气体浓度， 实时监测钻 探工程及其对流体分析影响， 在非取心钻进情况下， 将 提供可靠的、 其他方法难以得到的地学参数。除了完 成气体的实时分析之外， 还对采集的气体样品进行场 外分析， 主要为同位素分析， 包括 He、 C、 Ar 同位素分 析， 以作进一步来源和分类研究， 获得流体变化、 气体 识别和异常成因， 研究流体来源和水岩相互作用及与 地质活动关系 ［4 －8 ］。 随钻流体分析在地质勘探开发领域称为地质录井 工作， 是其主要工作内容之一。地质录井是地质勘探 开发的重要技术， 提供第一时间地下地质信息。随着 勘探开发和科技的发展， 地质录井也向综合性录井发 展， 承担着数据实时评价、 远程传输和监控的任务， 发 挥着更大作用。随钻流体分析伴随油气田勘探开发的 需求和科技的不断进步而逐步发展起来的为油田提供 第一时间地质信息的钻井技术， 它在油气开发领域的 主要任务之一是进行油气水的识别和综合解释， 获得 油气样品， 为辨别油气层、 查明和评价油气储量等提供 重要资料 ［9 ］。 1科学钻探中随钻流体分析的特点 科学钻探工程作为研究地壳深部的组织结构、 物 质成分、 形成机理等进行的钻探工程， 突破了大部分地 质工作还是在地球 “表层” 的深度， 逐渐扩大了地质学 研究范围。随钻实时流体分析可为科学钻探提供及 时、 准确、 可靠的分析数据和有用的地学信息。为探索 流体与钻探工程间的关系， 揭示气体实时分析数据与 地下流体、 钻孔岩心和围岩之间的相关性提供不可多 得的珍贵数据 ［1， 4 －6 ］。 在科学钻探过程中， 当钻进到地下自由流体带时， 地下流体将与钻探泥浆发生混合， 随着钻探泥浆循环 到地面， 地下流体也可被携带至地面。随钻流体分析 的气体是空气、 泥浆中含气反应所释放的气体和地下 流体的混合物， 也是气体样品采集的主要对象［10 ］。通 常情况下， N、 O 和 Ar 在空气中的浓度太高， 是空气组 分浓 度 最 高 的 前 三 位， 平 均 值 分 别 为 77． 85、 21． 05和 0． 93， 远高于其他空气组分， 因此地下流 体可能引起的钻探泥浆气体中这三者的浓度变化将不 明显， 难以作为地下深部流体的判断依据。这三者和 CO2、 H 除了受地下流体影响之外， 受到其他因素影响 很多， 包括空气污染、 不同化学反应产生等， 辨别难度 较大。CH4、 He 和氡是最为重要的地下流体侵入的指 示组分， 相对于 N、 O 和 Ar， 它们三者在大气中的含量 都很低， 容易受天然深部流体影响而出现高值异常， 也 使得它们成为判断流体成因最合适的组分［10 －14 ］。 随钻流体分析中的各个组分与钻探工程之间的关 系密切， 钻探泥浆气体分析受钻井过程的影响较严重， 已有工作 ［4 －5， 15 －17 ］表明， 随钻流体分析主要受到钻井 过程、 钻具磨损、 泥浆性能、 仪器波动、 气路设计等因素 的严重影响。钻探过程进行与否对气体测量值影响明 显。如图 1 所示， 钻探过程中钻探泥浆不断地从钻孔 至地面之间进行循环， 也不断把钻孔里的流体信息携 带至地面， 引起随钻流体组分值的强烈变化。非钻探 时， 钻探泥浆停止循环， 钻探泥浆处于静止状态， 随钻 流体组分通常也为相对平稳测量值， 通常为钻探泥浆 的相对背景值。只有排除非地下流体影响因素， 才可 能准确判断地下流体侵入的重要井段， 提高分析的针 对性， 获得可靠地下信息。微生物作用对泥浆的分解 也会产生非常显著的气体异常， 堵漏剂将加强和延续 气体异常。 1． 1随钻流体分析中的组分异常 随钻流体不同组分各自出现异常的因素都较多， 组分出现异常包括浓度高值异常和低值异常， 以及不 同组分浓度比值变化异常、 同位素异常等。在随钻流 体分析中， 研究人员能直接判断气体组分异常主要依 据于随钻流体组分实时测量值的异常情况。通常情况 下， 钻探过程遇到钻孔裂隙、 断层、 破裂面时， 往往引起 各种流体组分的异常， 这种异常通常是各种流体组分 同时出现， 但部分组分为高值异常， 部分组分为低值异 常， 可能是钻探过程中遇到地下流体迁移或储存的空 间， 也可能是遇到了地下流体带。 在 CCSD 钻探过程中， 出现的氦气异常通常来说 来自于地下， 但其从何处地下来源还需更多同位素数 据才能作出判定。氦气异常包含钻探泥浆中溶解的空 836 第 5 期 岩矿测试 http ∥www． ykcs． ac． cn 2011 年 ChaoXing 气和来自地下两方面， 来自地下的 He 可能由放射性 衰变产生， 钻探岩心观察到锆石、 铀矿石等放射性强矿 物， 二者的放射性产物均包括 He， 也可能包含来自幔 源的 He。研究人员计算了部分钻进井段的幔源 He 在 总异常 He 中的比例， 给出了幔源 He 的贡献和可能来 源 ［4 －5， 15 －17 ］。 图 1两次钻探过程对测试结果的影响 Fig． 1The influence on the analysis by two drilling processes CH4在 CCSD 钻探过程中出现的异常次数和强度 较高， 其成因包括无机和有机两种。在 CCSD 钻探岩 心存在明显裂隙和方解石井段中， 出现了明显的 CH4 异常， 其异常浓度高。钻探过程中， 钻具与岩层和泥浆 的相互作用也会产生 CH4异常。钻探泥浆的放置温 度、 时间等条件发生变化以及钻探泥浆中有机组分的 分解或降解均可产生 CH4。另外， 地下 CHO 环境 体系在一定条件可能出现化学反应而产生 CH4。 CO2浓度值变化的频率和强度均较高， 影响因素 也较多。钻探过程中遇到碳酸盐地层时， 通常容易引 起 CO2的异常。钻探泥浆的放置过程也容易产生 CO2， 且其浓度随放置时间而增大。钻探泥浆添加剂 对气体组分也会产生影响， 如添加烧碱将会降低 CO2 的含量。由图 2 可见， CO2还与钻探泥浆 pH 值相关。 如图 3 所示， 低 pH 值时， CO2溶解较少， 因此钻探泥浆 气体中 CO2浓度值高; 反之， 高 pH 值时， CO2溶解较 多， 因此钻探泥浆气体中 CO2浓度值低。及时了解和 掌握钻探泥浆组分变化情况， 将有助于判断 CO2成因， 为及时进行样品采集和识别气体异常提供前提条件。 H2作为易燃易爆气体， 随钻流体分析不仅把它作 为研究对象， 也可为钻探工程提供重要参考， 当其浓度 过高时需要及时采取预防措施， 以降低现场出现 H2爆 图 2添加烧碱之前后的 CO 2测量值 左为之前， 右为之后 Fig． 2The values of CO2before and after adding sodium hydroxide 936 第 5 期唐力君， 等 科学钻探工程中的随钻实时流体分析第 30 卷 ChaoXing 图 3USDP －4 的 CO2和 pH 剖面相关性［18 ］ Fig． 3The relation ship between CO2and pH profile in USDP- 4 ［ 18 ］ 炸等意外事故的可能。在钻探过程中， 曾经检测到 H2 的浓度达到 18 以上， 远远大于 H2的临界爆炸体积 4， 所以必须对其引起足够重视。在实际钻探过程 中， 钻具的磨损能明显引起 H2组分异常变化， 而且 H2 异常高， 金刚石钻头的使用易使得 H2含量提高。钻探 泥浆的放置会产生 H2， 而且钻探泥浆受周围环境和钻 孔影响， 其温度升高， 将增大 H2的浓度。钻探泥浆堵 漏剂的加入会大幅度增加 H2的浓度， 部分钻探泥浆添 加剂也会降低 H2浓度［15 －17， 19 －23 ］。 1． 2随钻流体组分与地下构造活动关系 根据随钻流体中各组分的相关性， 可以判断不同组 分的来源。对 CCSD 主孔一定钻井深度的地下流体某 些随钻组分进行比较和分析， 研究人员发现随钻流体组 分中的 He、 N2、 Ar 组分是记录地震的敏感载体， 通过比 照该时间段的钻孔周围一定范围内发生的地震资料， 随 钻流体组分不仅记录了周边小震， 而且记录了远强震区 间区域构造活动乃至地球深部构造活动产生的场兆、 源 兆信息。与远强震对应的 CCSD 随钻流体组分异常幅 度大， 远强震引起随钻流体组分震前、 同震和震后异常， 异常一般开始于震前数天， He、 He/Ar、 N2/Ar 多为负异 常， Ar 多为正异常。远强震前后随钻流体异常特征与 钻孔附近小震前后流体异常特征有明显区别， 随钻流体 分析中组分异常与地震活动可能存在一定关系 ［ 24 －29 ］。 2科学钻探随钻流体分析实例 科学钻探在国际上的交流平台为国际大陆科学钻 探计划组织， 其主要任务是协调各国开展科学钻探活 动， 促进科学钻探在地学研究中的推广应用。随钻流 体实时分析作为非水碳为研究对象的钻探泥浆气体分 析技术， 在该组织协调下已在国内外多个科学钻探工 程中实施。 实施科学深钻的基本目的是为了寻找深部固体矿 产资源， 勘探与开发深部能源 常规与非生物源的碳 化氢类和干热岩地热 ， 进行地震与火山灾害监测等， 与人类可利用资源、 生存环境、 生态平衡密切相关， 也 是国家综合实力的体现之一， 引领科学研究所能达到 的地球内部的深度 ［1 ］。德国大陆超深钻工程 KTB 钻孔位于德国巴伐利亚州东部， 是在欧洲华力西造山 带的大陆地壳结晶岩中进行的超深钻探。美国圣安德 列斯钻探计划 SAFOD 通过圣安德列斯活动断层， 研 究对板块变形和地震产生控制作用的物理和化学过 程， 检验有关地震机制的理论， 进行地震长期监测。日 本云仙火山科学钻探项目 USDP 的目的是研究火山 喷发机制和岩浆活动。中国汶川地震断裂带科学钻探 工程 WFSD 是我国第一次围绕大地震主题而进行的 科学钻探， 是世界上回应大地震实施科学钻探最快的 一次科学行为 ［21， 30 －32 ］。 2． 1德国大陆超深钻计划 在 KTB 中首先实施了随钻流体分析， 其研究目的 就是要获得大陆地壳中岩石中气体组分信息， 通过研 究孔底流体获得其组分、 来源和深度剖面数据， 并且在 主孔钻探的非取心过程中， 随钻流体分析成为可获得 地下连续信息的唯一手段， 有助于判断何时或哪段井 段进行钻探岩心、 岩屑样品的采集。连续的随钻流体 分析指出了 KTB 钻孔中遇到的几段地下流体侵入区 域， 产生了 CH4和 He 等组分异常。 KTB 随钻流体分析采用的仪器包括 OmniStar 四极 杆质谱仪， 检出限为1 10 －6 体积浓度 ， 分析周期为 1 min; 气相色谱仪， 检出限为 10 10 －6 体积浓度 ， 分析 周期为9 min， 检测器为火焰离子检测器; Lucas α 检测 器， 检出限为5 Bq/m3， 分析周期为 30 min［ 10， 29 －31， 33 －35 ］。 KTB 随钻流体分析采用的仪器和现场分析流程为以后 的科学钻探随钻流体分析提供了基本方法和思路， 带动 各国科学钻探工程实施随钻流体分析。KTB 随钻流体 分析采用的仪器分析周期较长， 与其在结晶岩体实施有 一定关系， 另外分析种类较全， 覆盖了大气主要组分、 低 分子量碳氢化合物组分和放射性组分 ［ 11， 33 －37 ］。 046 第 5 期 岩矿测试 http ∥www． ykcs． ac． cn 2011 年 ChaoXing 2． 2圣安德列斯钻探计划 美国 SAFOD 实施的随钻流体分析获得了完整的 井深气体组分记录， 成功辨别了沉积和花岗岩井段， 获 得了岩性和流体组分相关性参数， 判断了多处流体侵 入区域， 清晰指示了由地球物理测量获得的两处剪切 区及组分变化规律。研究人员对 SAFOD 钻孔气体同 位素分析表明圣安德列斯断裂在流体从地幔扩散中起 了很微弱作用， 初步辨别出幔源性流体从深部扩散过 程中是通过渗透性更强的断裂， 但又在上部板块中分 散的迁移过程， 断裂板块具有更充分的渗透率， 可让气 体快速垂直穿透， 获得了钻进过程中的主要气体组分 类型。从其碳氢同位素数据可知， 钻孔中沉积层中碳 氢化合物和 CO2的有机物来源， 并得出了其与不同井 深的对应关系， 指出该断裂区域包含渗透性强的地层， 中间夹有低渗透性断裂 ［18， 31， 38 －42 ］。SAFOD 随钻流体 分析采用的仪器和设备基本与 KTB 相似。 2． 3日本云仙火山科学钻探项目 日本 USDP 计划进行的随钻流体分析， 检测到不同 井深出现的侵入流体， 表明在该井深存在高渗透区， 可 能包含地幔信号特征的流体， 也引起了随钻流体组分的 增高， 并观测到岩石与流体组分之间的相关性。USDP 随钻流体分析采用的仪器包括 OmniStar 四极杆质谱仪， 检出限为 1 10 －6 体积浓度 ， 分析周期为 1 min; Lucas α 检测器， 检出限为 20 Bq/m3， 分析周期为 6 min［ 20， 43 －44 ］。USDP 随钻流体分析现场仪器分析周期 较 KTB 短， 与其研究对象为火山和岩浆活动有关。 2． 4汶川地震断裂带科学钻探工程 2008 年 5 月 12 日， 我国四川汶川发生强烈地震， 作为探索地震为主要目的汶川地震断裂带科学钻探工 程 WFSD 快速启动， WFSD 也进行了随钻流体分析， WFSD 将要进行多孔钻探， 随钻流体分析也将同时开 展， 可获得在龙门山断裂带区域地下流体组分信息， 有 助于深入理解龙门山断裂带区域地质活动， 探索随钻 流体组分与地下构造活动以及地下岩石物理化学性质 的相关性。在已发生大地震区域进行地下流体研究更 易于对接下来可能发生的大地震余震进行各种监测， 也包括地下流体组分检测， 对了解随钻流体组分何种 异常与地震的发生、 强度和距离等因素的关系有更强 说服力， 能更深入详细地掌握地下流体与地震的关系。 WFSD 随钻流体分析采用的仪器包括 OmniStar 四极杆 质谱仪， 检出限为 1 10 －6 体积浓度 ， 分析周期为 6 s; RAD －7 测氡仪， 检出限为 3． 4 Bq/m3， 分析周期 为5 min。质谱仪分析周期缩短的主要目的是增加分 析密度， 以更能获得地下流体在地下构造频繁活动时 发生的短时变化， 为地震研究服务 ［8， 30 ］。 除了上述已实施的科学钻探工程之外， 随着科学 钻探在各国的普遍开展， 随钻实时流体分析也在普遍 展开， 使用的测量程序和分析仪器也越来越适合野外 使用， 稳定性、 准确性和可靠性大幅提高， 对随钻流体 的采样方法和采样设备更加可靠和准确。 3结语与展望 科学钻探的随钻流体分析是以钻探泥浆为对象的 分析手段， 由于钻探泥浆不断在钻孔与地面循环， 从而 使得分析的对象能到达地面以下， 逐渐突破了大部分 地质工作还是在地球 “表层” 的深度， 逐渐扩大了地质 学研究范围。随钻流体分析在钻探过程中获取随钻流 体组分数据， 为地学研究人员提供大量可靠的且以其 他方法难以得到的地学信息， 特别是在非取心钻探过 程中， 其几乎成为获取钻孔深部的唯一途径。当然， 随 钻流体分析只能在钻探泥浆循环时才能进行， 非循环 时将无法获得地下信息， 另外当钻探钻进到地下易泄 露泥浆的地层时， 钻探泥浆将不易返回到地面， 也会给 随钻流体分析造成困难。 随钻流体分析已在多个科学钻探工程中开展， 成 为了科学钻探中必需的子工程之一， 逐渐成为科学钻 探的标准、 重要组成， 其分析仪器、 分析流程的稳定性、 可靠性和样品采集方式、 方法也在不断改进， 以更好地 保证组分分析和样品采集的准确性。 随着科学钻探工程开展范围的扩大， 包括实施地 址可以从陆地到海洋、 湖泊， 研究对象可以从板块俯冲 运移机理到火山、 地震发生机理和新型能源类型成因 机理， 因此随钻流体分析的研究范围也逐渐扩大， 为其 更大范围应用提供新的机遇。随钻流体的不同组分在 不同地下地质背景的变化、 迁移、 来源也为地学研究提 供最活跃样品数据， 同时也对随钻流体分析的仪器和 流程提出了更高要求。钻探现场的电力能源的稳定供 给状况、 野外现场实验室的环境稳定性， 甚至野外大气 浓度值的变化幅度范围， 均会对随钻流体分析产生影 响， 从而对随钻流体分析提出了更高挑战。另外， 随钻 流体分析在满足科学研究工程之外， 已有半商业化的 钻探工程开展该项工作， 也在另一个角度表明其工作 的重要性和实际意义。 致谢 感谢国家地质实验测试中心罗立强研究员在项 目工作中的支持和建议。 146 第 5 期唐力君， 等 科学钻探工程中的随钻实时流体分析第 30 卷 ChaoXing 4参考文献 ［ 1］刘广志． 地球科学的前沿 大陆海洋科学钻探［J］ ． 自然杂志， 2006， 27 2 67 －72． ［ 2］许志琴． 中国大陆科学钻探工程的科学目标及初步成果 ［ J］ ． 岩石学报， 2004， 20 1 1 －8． ［ 3］许志琴， 杨经绥， 张泽明， 刘福来， 杨文采， 金振民， 王汝 成， 罗立强， 黄力， 董海良． 中国大陆科学钻探终孔及研 究进展［ J］ ． 中国地质， 2005， 32 2 177 －183． ［ 4］Luo L Q，Zhan X C，Sun Q． Fluid geoanalysis in the Chinese Continental Scientific Drilling Project ［ J ］ ． Geostandards and Geoanalytical Research，2004， 28 2 325 －331． ［ 5］罗立强， 王健， 李松， 张月琴， 张保科， 李迎春， 唐力君， 詹秀春． 中国大陆科学钻探现场分析与地下流体异常识 别［ J］ ． 岩矿测试， 2004， 23 2 81 －86． ［ 6］罗立强， 孙青， 詹秀春． 中国大陆科学钻探主孔 0 ～ 2000 米流体剖面及流体地球化学研究［ J］ ． 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