差分吸收光譜油氣信息連續(xù)檢測技術(shù)研究與應(yīng)用

1、差分吸收光譜油氣信息連續(xù)檢測技術(shù)研究與應(yīng)用摘 要 差分吸收光譜作為是近年來快速發(fā)展起來的氣體在線檢測技術(shù)之一，在多個領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。隨著石油勘探開發(fā)技術(shù)的發(fā)展與提高，傳統(tǒng)的油氣信息檢測技術(shù)面臨到越來越多的困難。該文把差分吸收光譜檢測技術(shù)與油氣信息檢測技術(shù)有機(jī)結(jié)合，研究出差分吸收光譜油氣信息連續(xù)檢測技術(shù)，對該技術(shù)的原理進(jìn)行了詳細(xì)介紹，根據(jù)該原理開發(fā)出具有連續(xù)檢測功能的SLA-1型光譜錄井分析儀。舉出應(yīng)用實例，驗證了差分吸收光譜油氣信息連續(xù)檢測技術(shù)的有效性。關(guān)鍵詞 差分吸收光譜 油氣信息 光譜檢測 研究 應(yīng)用油氣信息檢測是錄井的首要任務(wù)。開發(fā)光譜油氣連續(xù)檢測技術(shù)，將提升錄井油氣信息檢測的實時性

2、與連續(xù)性，提高錄井油氣水層現(xiàn)場實時發(fā)現(xiàn)、解釋評價的快速性與有效性；特別是對薄油氣層的及時發(fā)現(xiàn)、準(zhǔn)確識別具有重要價值。同時，對錄井解決因石油工程提速提效給錄井提出的技術(shù)挑戰(zhàn)更具有積極作用。光譜油氣連續(xù)檢測技術(shù)開發(fā)對提升錄井信息采集、分析儀器化、自動化、定量化技術(shù)水平；對促進(jìn)錄井行業(yè)技術(shù)發(fā)展與技術(shù)進(jìn)步；對提高錄井技術(shù)增效等均具有重要的現(xiàn)實意義。為了應(yīng)對鉆井新技術(shù)應(yīng)用給錄井領(lǐng)域帶來的挑戰(zhàn)，以及油氣勘探開發(fā)技術(shù)發(fā)展的要求，近年來廣大錄井技術(shù)人員開展了利用光譜分析技術(shù)實現(xiàn)油氣信息檢測的相關(guān)研究，并取得了部分成果。一、光譜油氣連續(xù)檢測技術(shù)現(xiàn)狀1.紅外全烴錄井技術(shù) 在國內(nèi)，多家錄井公司近年來紛紛開展了紅外全

3、烴錄井技術(shù)研究工作，取得了令人可喜的成果，并已廣泛應(yīng)用到錄井生產(chǎn)工作中，為錄井技術(shù)的提升提到了推進(jìn)作用。紅外全烴錄井技術(shù)是以紅外吸收光譜方法為基礎(chǔ)，在錄井過程中實現(xiàn)全烴含量變化的實時在線檢測，但該技術(shù)只能檢測烷烴總量，不能實現(xiàn)烷烴組份氣體含量的定量檢測，因此該方法的應(yīng)用范圍受到限制，只能用于生產(chǎn)井的錄井施工。2.烷烴組分光譜檢測技術(shù)為了解決紅外全烴錄井技術(shù)存在的只能檢測總烴含量而不能檢測烷烴組分變化這一問題，國內(nèi)已經(jīng)開展了利用光譜技術(shù)實現(xiàn)烷烴組份檢測的相關(guān)研究工作。一是利用傅里葉紅外光譜法研制出光譜錄井分析儀，該設(shè)備實現(xiàn)了烷烴組份的準(zhǔn)確定性、定量檢測，但該技術(shù)檢測仍存在一定分析周期，烷烴組分信

4、息不具有連續(xù)性，該技術(shù)需要進(jìn)一步完善。二是利用拉曼光譜技術(shù)實現(xiàn)烷烴組分連續(xù)檢測的相關(guān)研究工作，相關(guān)資料表明：該技術(shù)可以同時連續(xù)測量分析多種氣體的含量。據(jù)了解，由于拉曼光譜儀制造受制于國外技術(shù)，該成果在錄井施工現(xiàn)場還沒有推廣應(yīng)用。二、差分吸收光譜油氣信息連續(xù)檢測技術(shù)1差分吸收光譜氣體分子吸收光譜是由隨波長緩慢變化的寬帶吸收與隨波長快速變化的窄帶吸收疊加而成。利用高通濾波器將氣體分子吸收光譜中的窄帶吸收光譜分離出來，經(jīng)過計算和擬合，得到被檢測氣體的分子結(jié)構(gòu)與含量的光譜分析方法稱為差分吸收光譜（Differential Optical Absorption Spectroscopy 簡稱DOAS）方

5、法。圖1 Lambert -Beer吸收示意圖DOAS技術(shù)的理論基礎(chǔ)在于Lambert -Beer定律，如圖1所示，光源發(fā)出強(qiáng)度為Io的光，經(jīng)過一段距離的傳輸之后，由于某些氣體分子對其吸收，在接收端測到的光強(qiáng)度為I，I和Io之間的關(guān)系由Lambert-Beer定律得出： （1）公式（1）中，是光譜的波長，I（）是探測到的光強(qiáng)，Io（）是光源的光強(qiáng)，L為光程長cm，（）是氣體的吸收截面，是由該氣體自身特點(diǎn)所確定的，可以通過技術(shù)手段測量到（），當(dāng)這些量已知后，氣體濃度c可由公式（2）計算： （2）定義OD為光學(xué)密度， （3）式（2）可以簡寫為 （4）2.差分光譜油氣信息連續(xù)檢測技術(shù)在錄井過程中，被

6、測樣品氣成分復(fù)雜，包括甲烷、乙烷等多種烷烴組份以及二氧化碳等非烴氣體，光譜吸收是混合氣體的吸收，式（1）變形為： （5）該情況下，光學(xué)密度OD為： （6）（6）式中i()-表示所測第i種氣體的分子吸收截面；ci-表示第i種氣體的濃度。假設(shè)在某一波段要測量七種氣體（烷烴組份）的濃度，即光學(xué)密度OD是由烷烴組分氣體的吸收截面線性組合而成的，如上式（6）所示，設(shè)光譜的數(shù)據(jù)點(diǎn)是m（m>i），光譜中第i個數(shù)據(jù)點(diǎn)的值OD()應(yīng)該是這七種氣體在該點(diǎn)的吸收截面大小的線性組合，即： （7）用c1表示甲烷濃度、1表示甲烷吸收截面；c2表示乙烷濃度、2表示乙烷吸收截面；c3表示丙烷濃度、3表示丙烷吸收截面；c

7、4表示異丁烷濃度、4表示異丁烷吸收截面；c5表示正丁烷濃度、5表示正丁烷吸收截面；c6表示異戊烷濃度、6表示異戊烷吸收截面；c7表示正戊烷濃度、7表示正戊烷吸收截面，式（7）可以簡寫為： （8）通過在某一波段內(nèi)選取m個波長，根據(jù)公式（8）對光譜離散處理，把每種烷烴氣體的吸收截面按照對應(yīng)波長同樣進(jìn)行離散，在L、為已知，OD可以測量的情況下，利用最小二乘法可以計算出每種烷烴組份氣體的濃度，實現(xiàn)利用差分吸收光譜連續(xù)檢測油氣信息。三、光譜錄井分析儀研制1.設(shè)計思想及目標(biāo)以DOAS技術(shù)為核心，結(jié)合油氣光譜信息連續(xù)檢測要求，通過基礎(chǔ)研究，確定光譜錄井分析儀硬件技術(shù)參數(shù)，開發(fā)油氣光譜信息采集與處理軟件，采用

8、PC104計算機(jī)為控制單元，實現(xiàn)光譜油氣信息的連續(xù)檢測，設(shè)計開發(fā)出滿足錄井施工現(xiàn)場要求的光譜錄井分析儀。2.技術(shù)方案圖2 光譜錄井分析儀原理框圖根據(jù)設(shè)計思想及目標(biāo)要求，光譜錄井分析儀的設(shè)計開發(fā)分為硬件結(jié)構(gòu)和軟件兩部分，硬件結(jié)構(gòu)以16位嵌入式PC104為控制核心，控制硬件的工作，光譜信息處理分析軟件安裝在PC104系統(tǒng)，對硬件采集到的光譜信息進(jìn)行分析處理，光譜錄井分析儀原理框圖如圖2所示。光譜錄井分析儀工作流程：抽氣泵抽取經(jīng)過預(yù)處理后的樣品氣，送入到檢測池的進(jìn)氣口，經(jīng)過光線照射后經(jīng)由檢測池出氣口放空。在PC104控制下，光源發(fā)射出的光經(jīng)過聚焦準(zhǔn)直后送入檢測池，光線經(jīng)過檢測池內(nèi)樣品氣吸收，檢測池另

9、一端由光纖采集經(jīng)過樣品氣吸收后的光并傳送到光譜儀，光譜儀采集對該光采集并轉(zhuǎn)換成電信號送入PC104，安裝在PC104內(nèi)部的專用軟件對光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析，反演出每種烷烴組份氣體的濃度數(shù)據(jù)，并實時顯示和存儲，同時串口把光譜錄井分析儀檢測到的光譜油氣連續(xù)檢測數(shù)據(jù)送到綜合錄井主系統(tǒng)進(jìn)行應(yīng)用。3.硬件開發(fā)3.1 光源設(shè)計通過實驗室設(shè)備，對甲烷、乙烷、丙烷、異丁烷、正丁烷、異戊烷、正戊烷等七種烷烴組分氣體的吸收光譜進(jìn)行測試，得到不同氣體的吸收光譜。圖3 1.61.8m烷烴光譜吸收曲線對比圖圖3顯示，在波長1.61.8m范圍內(nèi)，七種烷烴組分氣體的吸收光譜差異性明顯，有利于在該范圍內(nèi)利用DOAS技術(shù)實現(xiàn)烷烴

10、組分氣體的連續(xù)檢測。圖4 混合樣透射光譜曲線對比圖為進(jìn)一步證實光源波段的有效性，在該波段分別對0.1%、1%、10%的混合樣品進(jìn)行了檢測實驗，光譜曲線對比如圖4。通過對混合樣實驗數(shù)據(jù)分析，在波長1.61.8m范圍內(nèi),樣品氣濃度越高，透射光強(qiáng)越低，說明吸收強(qiáng)度越強(qiáng)，同時，證明了烷烴氣體對于波長1.61.8m的紅外光具有較強(qiáng)的吸收作用。因此，光源波長選定1.61.8m，這就為光譜錄井分析儀的光源、光譜儀等硬件的設(shè)計開發(fā)明確了關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)。經(jīng)過發(fā)光材料對比分析，選用BaF作為發(fā)熱材料，它以無定形碳材料作為多層熱電阻薄膜，通過電流后發(fā)熱，產(chǎn)生的紅外輻射，輻射波長達(dá)到1.51.9m，同時確保了光源的壽命

11、大于30000小時。為了提高光源的穩(wěn)定性，采用直接控制光功率的方法使光源穩(wěn)定，利用光強(qiáng)負(fù)反饋控制系統(tǒng)，把其它因素引起的光強(qiáng)變化反饋到光源電源。當(dāng)光強(qiáng)增加時，負(fù)反饋系統(tǒng)控制電源電壓下降，光強(qiáng)減小；反之，當(dāng)光強(qiáng)下降時，使光源電壓上升，光強(qiáng)增強(qiáng)，實現(xiàn)光源的穩(wěn)定性。3.2 檢測池Lambert -Beer定律表明，光源發(fā)射出的光強(qiáng)經(jīng)過氣體吸收的光程長度L的大小決定透射光強(qiáng)Io的強(qiáng)弱，光程L越長，氣體吸收強(qiáng)度（吸光度）越高。圖5 檢測池原理圖為了保證檢測低濃度烷烴氣體，光程L需要足夠大，不利于光譜錄井儀的制造，為此，要求在有限體積內(nèi)的檢測池內(nèi)實現(xiàn)長光程，可行辦法就是利用光線可在檢測池內(nèi)多次折返，選擇合適

12、的折返次數(shù)，使光程滿足低濃度烷烴氣體檢測要求，此時光程L為光線折返長度的總和。其原理框圖如圖5所示：兩個完曲率半徑相同的小球形凹面鏡并排安放在檢測池的一端，另一個與小鏡曲率半徑相同的大鏡裝在另一端。調(diào)整三個球面鏡的位置，形成共軛反射系統(tǒng)，經(jīng)過光纖進(jìn)入到小鏡上的光纖反射到另一端的大鏡上，再反射到另一個小鏡上，經(jīng)過多次反射，光線最后反射到另一條光纖所在位置，通過光纖傳送到光譜儀。3.3 光探測器光譜油氣連續(xù)檢測工作過程中，低濃度烷烴樣品氣的光譜信號微弱，需要高靈敏度的光探測器采集烷烴光譜信息，探測器的性能直接影響光譜油氣連續(xù)檢測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，結(jié)合國內(nèi)外光探測器性能優(yōu)缺點(diǎn)，本課題選擇購買國外近紅外光

13、譜儀作為光譜錄井分析儀的光探測器，該光譜儀采用集成式設(shè)計，結(jié)構(gòu)緊湊，體積小，具有USB接口，便于集成于光譜錄井分析儀，實時光譜測量。3.4 系統(tǒng)集成圖6 SLA-1型光譜錄井分析儀通過對硬件系統(tǒng)和開發(fā)出的專用光譜錄井軟件進(jìn)行系統(tǒng)集成，研制出具有連續(xù)檢測功能的SLA-1型光譜錄井分析儀（圖6）。3.5 結(jié)論通過性能試驗分析，SLA-1型光譜錄井分析儀具有同時連續(xù)檢測七種烷烴組份濃度信息功能，滿足設(shè)計技術(shù)指標(biāo)要求，具備錄井現(xiàn)場工作的條件要求。四、現(xiàn)場應(yīng)用利用該技術(shù)成果先后在中原油田馬寨、濮城、馬廠、胡莊等油區(qū)完成多口井的現(xiàn)場應(yīng)用，應(yīng)用情況表明： 成果現(xiàn)場應(yīng)用過程中，與傳統(tǒng)的油氣信息檢測技術(shù)對比，實

14、現(xiàn)了油氣信息的連續(xù)檢測，同時烷烴組分?jǐn)?shù)據(jù)變化靈敏，能夠及時準(zhǔn)確反映鉆遇地層流體信息，提高油氣發(fā)現(xiàn)率；光譜錄井分析儀運(yùn)行穩(wěn)定，性能可靠。XX38井是中原油田在滾動區(qū)塊部署的一口評價井，根據(jù)地質(zhì)設(shè)計要求，該井氣測錄井施工要求使用上海神開生產(chǎn)的SK3Q04快速色譜儀。圖7 SLA-1型光譜錄井分析儀發(fā)現(xiàn)異常顯示為了驗證SLA-1型光譜錄井分析儀性能，在該井進(jìn)行了試驗應(yīng)用。應(yīng)用過程中，利用SLA-1型光譜錄井分析儀對SK3Q04的放空樣品氣進(jìn)行檢測分析。光譜錄井分析儀工作過程表明，該利用差分吸收光譜技術(shù)可以實現(xiàn)甲烷-丙烷等七種烷烴組分氣體連續(xù)檢測分析，并能及時準(zhǔn)確發(fā)現(xiàn)氣測異常顯示（圖7）。圖8 錄井成

15、果對比圖圖8是兩種儀器錄井技術(shù)成果對比情況，錄井?dāng)?shù)據(jù)表明，光譜錄井?dāng)?shù)據(jù)與氣相色譜錄井?dāng)?shù)據(jù)具有較好的一致性，對于氣測異常顯示，兩種錄井技術(shù)均能夠準(zhǔn)確發(fā)現(xiàn)，證明了差分吸收光譜錄井技術(shù)的可靠性。利用SLA-1型光譜錄井分析儀完成41324312米共181米井段錄井任務(wù)，發(fā)現(xiàn)氣測異常顯示5層10米，發(fā)現(xiàn)率100%，與SK3Q04完全一致，證明力利用差分吸收光譜技術(shù)實現(xiàn)連續(xù)錄井的可行性。同時，由于該種光譜錄井技術(shù)實現(xiàn)了烷烴組分的連續(xù)連續(xù)分析，與常規(guī)色譜錄井技術(shù)對比，在薄層油氣資源的勘探開發(fā)方面優(yōu)勢更加突出。五 結(jié)論與認(rèn)識 “差分吸收光譜油氣連續(xù)檢測技術(shù)”利用差分吸收光譜方法實現(xiàn)油氣信息實時連續(xù)檢測，使油

16、氣信息由傳統(tǒng)的點(diǎn)式信息變?yōu)檫B續(xù)信息，保證了油氣信息的準(zhǔn)確性，對油氣勘探開發(fā)效益的提高具有促進(jìn)作用。光譜錄井分析儀基于以人為本的設(shè)計理念，采用嵌入式PC104為控制核心，具有技術(shù)先進(jìn)、采集處理、快速解釋、實時傳輸、實時顯示、網(wǎng)絡(luò)共享等特點(diǎn)，能夠滿足錄井現(xiàn)場要求。光譜油氣信息分析應(yīng)用操作系統(tǒng)是具有自主知識產(chǎn)權(quán)的核心軟件，具有人性化軟件界面設(shè)計、多種界面顯示、信息交流界面、油氣信息解釋等功能。經(jīng)現(xiàn)場應(yīng)用證明，光譜油氣連續(xù)檢測技術(shù)達(dá)到設(shè)計要求，能夠適應(yīng)多種鉆井施工技術(shù)條件下的油氣信息檢測，具有良好的環(huán)境適應(yīng)性。 光譜油氣連續(xù)檢測技術(shù)在某些單項技術(shù)水平上處于國內(nèi)領(lǐng)先水平，為錄井施工隊伍走向國內(nèi)外市場提供了高可靠性的裝備，推廣前景廣闊。參考文獻(xiàn)1邵理堂，王式民，湯光華等.DOAS方法在線測量污染氣體濃度的溫度與非線性補(bǔ)償.儀器儀表學(xué)報，2009，30（7）：15