差分吸收光谱油气信息连续检测技术研究与应用.doc

差分吸收光谱油气信息连续检测技术研究与应用摘 要 差分吸收光谱作为是近年来快速发展起来的气体在线检测技术之一，在多个领域得到了广泛应用。随着石油勘探开发技术的发展与提高，传统的油气信息检测技术面临到越来越多的困难。该文把差分吸收光谱检测技术与油气信息检测技术有机结合，研究出差分吸收光谱油气信息连续检测技术，对该技术的原理进行了详细介绍，根据该原理开发出具有连续检测功能的SLA-1型光谱录井分析仪。举出应用实例，验证了差分吸收光谱油气信息连续检测技术的有效性。关键词 差分吸收光谱 油气信息 光谱检测 研究 应用油气信息检测是录井的首要任务。开发光谱油气连续检测技术，将提升录井油气信息检测的实时性与连续性，提高录井油气水层现场实时发现、解释评价的快速性与有效性；特别是对薄油气层的及时发现、准确识别具有重要价值。同时，对录井解决因石油工程提速提效给录井提出的技术挑战更具有积极作用。光谱油气连续检测技术开发对提升录井信息采集、分析仪器化、自动化、定量化技术水平；对促进录井行业技术发展与技术进步；对提高录井技术增效等均具有重要的现实意义。为了应对钻井新技术应用给录井领域带来的挑战，以及油气勘探开发技术发展的要求，近年来广大录井技术人员开展了利用光谱分析技术实现油气信息检测的相关研究，并取得了部分成果。一、光谱油气连续检测技术现状1.红外全烃录井技术 在国内，多家录井公司近年来纷纷开展了红外全烃录井技术研究工作，取得了令人可喜的成果，并已广泛应用到录井生产工作中，为录井技术的提升提到了推进作用。红外全烃录井技术是以红外吸收光谱方法为基础，在录井过程中实现全烃含量变化的实时在线检测，但该技术只能检测烷烃总量，不能实现烷烃组份气体含量的定量检测，因此该方法的应用范围受到限制，只能用于生产井的录井施工。2.烷烃组分光谱检测技术为了解决红外全烃录井技术存在的只能检测总烃含量而不能检测烷烃组分变化这一问题，国内已经开展了利用光谱技术实现烷烃组份检测的相关研究工作。一是利用傅里叶红外光谱法研制出光谱录井分析仪，该设备实现了烷烃组份的准确定性、定量检测，但该技术检测仍存在一定分析周期，烷烃组分信息不具有连续性，该技术需要进一步完善。二是利用拉曼光谱技术实现烷烃组分连续检测的相关研究工作，相关资料表明：该技术可以同时连续测量分析多种气体的含量。据了解，由于拉曼光谱仪制造受制于国外技术，该成果在录井施工现场还没有推广应用。二、差分吸收光谱油气信息连续检测技术1差分吸收光谱气体分子吸收光谱是由随波长缓慢变化的宽带吸收与随波长快速变化的窄带吸收叠加而成。利用高通滤波器将气体分子吸收光谱中的窄带吸收光谱分离出来，经过计算和拟合，得到被检测气体的分子结构与含量的光谱分析方法称为差分吸收光谱（Differential Optical Absorption Spectroscopy 简称DOAS）方法。图1 Lambert -Beer吸收示意图DOAS技术的理论基础在于Lambert -Beer定律，如图1所示，光源发出强度为Io的光，经过一段距离的传输之后，由于某些气体分子对其吸收，在接收端测到的光强度为I，I和Io之间的关系由Lambert-Beer定律得出： （1）公式（1）中，是光谱的波长，I（）是探测到的光强，Io（）是光源的光强，L为光程长cm，（）是气体的吸收截面，是由该气体自身特点所确定的，可以通过技术手段测量到（），当这些量已知后，气体浓度c可由公式（2）计算： （2）定义OD为光学密度， （3）式（2）可以简写为 （4）2.差分光谱油气信息连续检测技术在录井过程中，被测样品气成分复杂，包括甲烷、乙烷等多种烷烃组份以及二氧化碳等非烃气体，光谱吸收是混合气体的吸收，式（1）变形为： （5）该情况下，光学密度OD为： （6）（6）式中i()-表示所测第i种气体的分子吸收截面；ci-表示第i种气体的浓度。假设在某一波段要测量七种气体（烷烃组份）的浓度，即光学密度OD是由烷烃组分气体的吸收截面线性组合而成的，如上式（6）所示，设光谱的数据点是m（mi），光谱中第i个数据点的值OD()应该是这七种气体在该点的吸收截面大小的线性组合，即： （7）用c1表示甲烷浓度、1表示甲烷吸收截面；c2表示乙烷浓度、2表示乙烷吸收截面；c3表示丙烷浓度、3表示丙烷吸收截面；c4表示异丁烷浓度、4表示异丁烷吸收截面；c5表示正丁烷浓度、5表示正丁烷吸收截面；c6表示异戊烷浓度、6表示异戊烷吸收截面；c7表示正戊烷浓度、7表示正戊烷吸收截面，式（7）可以简写为： （8）通过在某一波段内选取m个波长，根据公式（8）对光谱离散处理，把每种烷烃气体的吸收截面按照对应波长同样进行离散，在L、为已知，OD可以测量的情况下，利用最小二乘法可以计算出每种烷烃组份气体的浓度，实现利用差分吸收光谱连续检测油气信息。三、光谱录井分析仪研制1.设计思想及目标以DOAS技术为核心，结合油气光谱信息连续检测要求，通过基础研究，确定光谱录井分析仪硬件技术参数，开发油气光谱信息采集与处理软件，采用PC104计算机为控制单元，实现光谱油气信息的连续检测，设计开发出满足录井施工现场要求的光谱录井分析仪。2.技术方案图2 光谱录井分析仪原理框图根据设计思想及目标要求，光谱录井分析仪的设计开发分为硬件结构和软件两部分，硬件结构以16位嵌入式PC104为控制核心，控制硬件的工作，光谱信息处理分析软件安装在PC104系统，对硬件采集到的光谱信息进行分析处理，光谱录井分析仪原理框图如图2所示。光谱录井分析仪工作流程：抽气泵抽取经过预处理后的样品气，送入到检测池的进气口，经过光线照射后经由检测池出气口放空。在PC104控制下，光源发射出的光经过聚焦准直后送入检测池，光线经过检测池内样品气吸收，检测池另一端由光纤采集经过样品气吸收后的光并传送到光谱仪，光谱仪采集对该光采集并转换成电信号送入PC104，安装在PC104内部的专用软件对光谱数据进行处理分析，反演出每种烷烃组份气体的浓度数据，并实时显示和存储，同时串口把光谱录井分析仪检测到的光谱油气连续检测数据送到综合录井主系统进行应用。3.硬件开发3.1 光源设计通过实验室设备，对甲烷、乙烷、丙烷、异丁烷、正丁烷、异戊烷、正戊烷等七种烷烃组分气体的吸收光谱进行测试，得到不同气体的吸收光谱。图3 1.61.8m烷烃光谱吸收曲线对比图图3显示，在波长1.61.8m范围内，七种烷烃组分气体的吸收光谱差异性明显，有利于在该范围内利用DOAS技术实现烷烃组分气体的连续检测。图4 混合样透射光谱曲线对比图为进一步证实光源波段的有效性，在该波段分别对0.1%、1%、10%的混合样品进行了检测实验，光谱曲线对比如图4。通过对混合样实验数据分析，在波长1.61.8m范围内,样品气浓度越高，透射光强越低，说明吸收强度越强，同时，证明了烷烃气体对于波长1.61.8m的红外光具有较强的吸收作用。因此，光源波长选定1.61.8m，这就为光谱录井分析仪的光源、光谱仪等硬件的设计开发明确了关键技术指标。经过发光材料对比分析，选用BaF作为发热材料，它以无定形碳材料作为多层热电阻薄膜，通过电流后发热，产生的红外辐射，辐射波长达到1.51.9m，同时确保了光源的寿命大于30000小时。为了提高光源的稳定性，采用直接控制光功率的方法使光源稳定，利用光强负反馈控制系统，把其它因素引起的光强变化反馈到光源电源。当光强增加时，负反馈系统控制电源电压下降，光强减小；反之，当光强下降时，使光源电压上升，光强增强，实现光源的稳定性。3.2 检测池Lambert -Beer定律表明，光源发射出的光强经过气体吸收的光程长度L的大小决定透射光强Io的强弱，光程L越长，气体吸收强度（吸光度）越高。图5 检测池原理图为了保证检测低浓度烷烃气体，光程L需要足够大，不利于光谱录井仪的制造，为此，要求在有限体积内的检测池内实现长光程，可行办法就是利用光线可在检测池内多次折返，选择合适的折返次数，使光程满足低浓度烷烃气体检测要求，此时光程L为光线折返长度的总和。其原理框图如图5所示：两个完曲率半径相同的小球形凹面镜并排安放在检测池的一端，另一个与小镜曲率半径相同的大镜装在另一端。调整三个球面镜的位置，形成共轭反射系统，经过光纤进入到小镜上的光纤反射到另一端的大镜上，再反射到另一个小镜上，经过多次反射，光线最后反射到另一条光纤所在位置，通过光纤传送到光谱仪。3.3 光探测器光谱油气连续检测工作过程中，低浓度烷烃样品气的光谱信号微弱，需要高灵敏度的光探测器采集烷烃光谱信息，探测器的性能直接影响光谱油气连续检测数据的准确性，结合国内外光探测器性能优缺点，本课题选择购买国外近红外光谱仪作为光谱录井分析仪的光探测器，该光谱仪采用集成式设计，结构紧凑，体积小，具有USB接口，便于集成于光谱录井分析仪，实时光谱测量。3.4 系统集成图6 SLA-1型光谱录井分析仪通过对硬件系统和开发出的专用光谱录井软件进行系统集成，研制出具有连续检测功能的SLA-1型光谱录井分析仪（图6）。3.5 结论通过性能试验分析，SLA-1型光谱录井分析仪具有同时连续检测七种烷烃组份浓度信息功能，满足设计技术指标要求，具备录井现场工作的条件要求。四、现场应用利用该技术成果先后在中原油田马寨、濮城、马厂、胡庄等油区完成多口井的现场应用，应用情况表明： 成果现场应用过程中，与传统的油气信息检测技术对比，实现了油气信息的连续检测，同时烷烃组分数据变化灵敏，能够及时准确反映钻遇地层流体信息，提高油气发现率；光谱录井分析仪运行稳定，性能可靠。XX38井是中原油田在滚动区块部署的一口评价井，根据地质设计要求，该井气测录井施工要求使用上海神开生产的SK3Q04快速色谱仪。图7 SLA-1型光谱录井分析仪发现异常显示为了验证SLA-1型光谱录井分析仪性能，在该井进行了试验应用。应用过程中，利用SLA-1型光谱录井分析仪对SK3Q04的放空样品气进行检测分析。光谱录井分析仪工作过程表明，该利用差分吸收光谱技术可以实现甲烷-丙烷等七种烷烃组分气体连续检测分析，并能及时准确发现气测异常显示（图7）。图8 录井成果对比图图8是两种仪器录井技术成果对比情况，录井数据表明，光谱录井数据与气相色谱录井数据具有较好的一致性，对于气测异常显示，两种录井技术均能够准确发现，证明了差分吸收光谱录井技术的可靠性。利用SLA-1型光谱录井分析仪完成41324312米共181米井段录井任务，发现气测异常显示5层10米，发现率100%，与SK3Q04完全一致，证明力利用差分吸收光谱技术实现连续录井的可行性。同时，由于该种光谱录井技术实现了烷烃组分的连续连续分析，与常规色谱录井技术对比，在薄层油气资源的勘探开发方面优势更加突出。五 结论与认识 “差分吸收光谱油气连续检测技术”利用差分吸收光谱方法实现油气信息实时连续检测，使油气信息由传统的点式信息变为连续信息，保证了油气信息的准确性，对油气勘探开发效益的提高具有促进作用。光谱录井分析仪基于以人为本的设计理念，采用嵌入式PC104为控制核心，具有技术先进、采集处理、快速解释、实时传输、实时显示、网络共享等特点，能够满足录井现场要求。光谱油气信息分析应用操作系统是具有自主知识产权的核心软件，具有人性化软件界面设计、多种界面显示、信息交流界面、油气信息解释等功能。经现场应用证明，光谱油气连续检测技术达到设计要求，能够适应多种钻井施工技术条件下的油气信息检测，具有良好的环境适应性。 光谱油气连续检测技术在某些单项技术水平上处于国内领先水平，为录井施工队伍走向国内外市场提供了高可靠性的装备，推广前景广阔。参考文献1邵理堂，王式民，汤光华等.DOAS方法在线测量污染气体浓度的温度与非线性补偿.仪器仪表学报，2009，30（7）：15