2022年差分吸收光谱油气信息连续检测技术分析研究与应用.docx

差分吸取光谱油气信息连续检测技术讨论与应用摘 要差分吸取光谱作为是近年来快速进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进展与提高，传统的油气信息检测技术面临到越来 越多的困难；该文把差分吸取光谱检测技术与油气信息检测技术有机结合，讨论出差分吸 收光谱油气信息连续检测技术，对该技术的原理进行了具体介绍，依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，验证了差分吸取光谱油气信息连续检测技术的有效性；关键词 差分吸取光谱油气信息光谱检测讨论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觉、说明评判的快速性与有效性； 特殊是对薄油气层的准时发觉、精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进展与技术进步； 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进展的要求，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讨论，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讨论工作，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动作用；红外全烃录井技术是以红外吸取光谱方法为基础，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畴受到限制，只能用于生产井的录井施工；2. 烷烃组分光谱检测技术为明白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讨论工作；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精确定性、定量检测，但该技术检测仍存在肯定分析周期，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讨论工作，相关资料说明：该技术可以同时连续测量分析多种气体的含量；据明白，由于拉曼光谱仪制造受制于国外技7 / 9术，该成果在录井施工现场仍没有推广应用；二、差分吸取光谱油气信息连续检测技术1. 差分吸取光谱气体分子吸取光谱是由随波长缓慢变化的宽带吸取与随波长快速变化的窄带吸取叠加而成；利用高通滤波器将气体分子吸取光谱中的窄带吸取光谱分别出来，经过运算和拟合，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取光谱<Differential Optical Absorption Spectroscopy简称 DOAS ）方法；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的图 1 Lambert -Beer 吸取示意图光，经过一段距离的传输之后，由于某些气体分子对其吸取，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：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，光程长 cm ， < ）是气体的吸取截面，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）运算：<2定义 OD为光学密度，<3<1）L 为）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，光谱吸取是混合气体的吸取，式<1）变形为：<5）该情形下，光学密度OD为：<6）<6）式中 i >- 表示所测第 i 种气体的分子吸取截面；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取截面线性组合而成的，如上式<6）所示，设光谱的数据点是m<m>）i，光谱中第 i个数据点的值OD>应当是这七种气体在该点的吸取截面大小的线性组合，即：<7）用 c1 表示甲烷浓度、 1 表示甲烷吸取截面； c2 表示乙烷浓度、 2 表示乙烷吸取截面； c3 表示丙烷浓度、 3 表示丙烷吸取截面； c4 表示异丁烷浓度、 4 表示异丁烷吸取截面； c5 表示正丁烷浓度、 5 表示正丁烷吸取截面； c6 表示异戊烷浓度、 6 表示异戊烷吸取截面； c7 表示正戊烷浓度、 7 表示正戊烷吸取截面，式<7）可以简写为：<8 ）通过在某一波段内选取m 个波长，依据公式<8）对光谱离散处理，把每种烷烃气体的吸取截面 依据对应波长同样进行离散，在L、 为已知， OD 可以测量的情形下，利用最小二乘法可以运算出每种烷烃组份气体的浓度，实现利用差分吸取光谱连续检测油气信息；1. 设计思想及目标三、光谱录井分析仪研制以 DOAS技术为核心，结合油气光谱信息连续检测要求，通过基础讨论，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，采纳PC104 运算机为掌握单元，实现光谱油气信息的连续检测，设计开发出满意录井施工现场要求的光谱录井分析仪；2. 技术方案依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为掌握核心，掌握硬件的工作，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图 2 光谱录井分析仪原理框所示；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，经过光线照耀后经由检测池出气口放空；在 PC104 掌握下，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取，检测池另一端由光纤采集经过样品气吸取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，并实时显示和储备，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 光源设计通过试验室设备，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取光谱进行测试，得到不同气体的吸取光谱；图 3 显示，在波长1.6 1.8 m范畴内，七种烷烃组分气体的吸取光谱差异性明显， 有利于在该范畴内利用DOAS技术实现烷烃组分气体的连续检测；图 3 1.6 1.8 m烷烃光谱吸取曲线对比图为进一步证明光源波段的有效性，在该波段分别对0.1%、1%、 10%的混合样品进行了检测试验，光谱曲线对比如图4；图 4混合样透射光谱曲线对比图通过对混合样试验数据分析，在波长1.6 1.8 m范畴内 , 样品气浓度越高，透射光强越低，说明吸取强度越强，同时，证明白烷烃气体对于波长1.6 1.8 m 的红外光具有较强的吸取作用；因此，光源波长选定1.6 1.8 m，这就为光谱录井分析仪的光源、光谱仪等硬件的设计开创造确了关键技术指标；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1.5 1.9 m，同时确保了光源的寿命大于 30000 小时；为了提高光源的稳固性，采纳直接掌握光功率的方法使光源稳固，利用光强负反馈掌握系统，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，负反馈系统掌握电源电压下降，光强减小；反之，当光强下降时，使光源电压上升，光强增强，实现光源的稳固性；3.2 检测池Lambert -Beer定律说明，光源发射出的光强经过气体吸取的光程长度L 的大小打算透射光强 Io 的强弱，光程 L 越长，气体吸取强度 <吸光度）越高；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，可行方法就是利用光线可在检测池内多次图 5 检测池原理图折返，挑选合适的折返次数，使光程满意低浓度烷烃气体检测要求，此时间程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，光线最终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柔弱，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精确性，结合国内外光探测器性能优缺点，本课题挑选购买国外近红外光谱仪作为光谱录井分析仪的光探测器，该光谱仪采纳集成式设计，结构紧凑，体积小，具有 USB 接口，便于集成于光谱录井分析仪，实时间谱测量；3.4 系统集成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）；图 6 SLA-1 型光谱录井分析仪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，满意设计技术指标要求，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，应用情形说明：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，能够准时精确反映钻遇地层流体信息，提高油气发觉率；光谱录井分析仪运行稳固，性能牢靠；XX38 井是中原油田在滚动区块部署的一口评判井，依据地质设计要求，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；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说明，该利用差分吸取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，并能准时精确发觉气测反常显示<图 7）；图 7 SLA-1 型光谱录井分析仪发觉反常显示图 8 是两种仪器录井技术成果对比情形，录井数据说明，光谱录井数据与气相色谱录XX38井随钻录井图1:500绘图单位：中原石油勘探局地质录井处SLA-1型光谱录井分析仪层钻时（ min） 位 0404井1600.011000.011000.01200.1200.1200.1200.1200.01光谱C11000.01光谱C250.01光谱C350.01光谱iC450.01光谱nC450.01光谱iC550.01光谱nC55岩性深剖面m色谱C1色谱C2色谱C3色谱iC4色谱nC4色谱iC5色谱nC5418042004220图 8 录井8 成/ 9果对比图4260井数据具有较好的一样性，对于气测反常显示，两种录井技术均能够精确发觉，证明白差分吸取光谱录井技术的牢靠性；利用 SLA-1 型光谱录井分析仪完成4132 4312M共 181M 井段录井任务，发觉气测反常显示 5 层 10M，发觉率 100%，与 SK3Q04完全一样，证明力利用差分吸取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 结论与熟悉“差分吸取光谱油气连续检测技术”利用差分吸取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，保证了油气信息的精确性，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，采纳嵌入式PC104 为掌握核心，具有技术先进、采集处理、快速说明、实时传输、实时显示、网络共享等特点，能够满意录井现场要求；光谱油气信息分析应用操作系统是具有自主学问产权的核心软件，具有人性化软件界面设计、多种界面显示、信息沟通界面、油气信息说明等功能；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供应了高牢靠性的装备，推广前景宽阔；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. 仪器外表学报， 2021，30<7）： 1518-15232 程巳阳，张天舒，高闽光等.FTIR 光谱高温气体浓度反演方法及残差结构分析.光谱学与光谱分析， 2021，31<1）： 82-853 朱军，刘文清，刘建国等.FTIR 光谱拟合方法在繁殖气体浓度中的应用.光谱学与光谱分析，2005， 25<10）： 1573-15764 周晓魏，刘华锋 .TDLAS 气体浓度反演的状态空间方法.强激光与粒子束， 2021，20<8）： 1261-12645 付强，刘文清，司福祺等. 被动多轴 DOAS 技术污染气体垂直柱浓度反演方法讨论. 光子学报， 2021， 38<5）： 121612199 / 9