2022年非分光红外气体传感器在油气检测中的应用 .pdf

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1、非分光红外气体传感器在油气检测中的应用引言目前，油气勘探开发依靠录井技术人员在钻井施工过程中对钻遇地层的岩性、所含地层流体性质进行快速、准确识别。油气勘探钻井施工中，录井工程通常要利用综合录井仪完成油气异常显示的发现与评价工作；对于油气生产开发井，受制于开发成本的影响，现场地质技术人员为了准确发现和判断油气层，主要依靠钻时录井、岩屑录井、荧光录井等常规录井手段。但是，随着钻井技术的快速发展与应用，这些常规录井手段均面临着严峻挑战：PDC 钻头与复合钻进工艺的应用，使岩屑颗粒直径变小，一方面岩屑样品的取样十分困难，另一方面凭借人工肉眼难以准确识别岩性；机械钻速提高造成钻时曲线变化幅度变小，利用钻

2、时曲线划分地层、发现和判断储藏层的可靠性降低；大斜度井、大位移井为了降低磨阻，提高钻井生产的安全性，通常在钻井液中添加原油，从而使得岩屑样品的荧光难以准确反映岩屑内的流体性质。为了应对钻井技术的发展，提高录井成果的可靠性，开发井的录井过程中需要增加气体检测装置，实现对钻遇地层流体性质的及时快速识别，实现油气资源的准确检测与发现。目前的综合录井设备中的气体检测主要是利用气相色谱对地层流体中所含有烃类化合物的浓度进行实时检测，得到气测录井数据。但是，为了保证气相色谱的正常工作，需要氢气发生器、空压机等辅助设备，造成录井仪器的制造成本与使用成本偏高，难以在开发井中得到推广应用。一、非分光红外气体传感

3、器原理非分光红外气体传感器是一种利用电调制红外光源的气体传感器，具有结构简单、性能稳定、工作寿命长等优点，能够广泛应用于CH4、CO、CO2、SO2等气体的连续检测，目前在环保、冶金等多个领域得到广泛应用。光在照射到某种气体之后，会发生吸收、透射、反射和散射作用（图1） ，对于吸收部分的光谱进行检测分析，可以对该气体的分子结构进行判断分析（定性分析），同时根据吸收光谱强度的大小还可以对该气体的浓度进行检测（定量分析） ，因此利用吸收光谱检测技术可以实现对被检测气体的定性与定量分析。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - -

4、名师精心整理 - - - - - - - 第 1 页，共 7 页 - - - - - - - - - 1 气体浓度与吸收光谱之间的关系满足朗伯-比尔定律： 被透明介质吸收的比例与入射光的强度无关；在光程上每等厚层介质吸收相同比例值的光；光被吸收的量正比于光程中产生光吸收的分子数目。根据比尔 - 朗伯特定律，有：CLIIoecL（1）式中：I-光源吸收后检测到的光强，cd；Io-光源光强， cd；- 气体分子吸收系数；C- 气体浓度， % ；L光程长度； mm 。为便于检测，将(1) 式改写为：1lnICLIo(2) 在与 L、Io 一定的情况下，利用光测器测量出I ，既可以计算出气体浓度C 。

5、二、油气吸收光谱特性油气勘探开发过程中，利用电动脱气器对携带有钻遇地层流体的循环钻井液连续进行搅拌，分理处地层流体中的甲烷、乙烷、丙烷等烷烃组分气体，通过对这些烷烃气体含量的检测分析，可以确定钻遇地层中是否含有石油天然气资源。通过对烷烃组分气体进行实验分析，证实甲烷、乙烷、丙烷在近红外区域，对红外光具有吸收现象（图 2） 。图 1 光与气体作用过程图名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 2 页，共 7 页 - - - - - - - - - 2 图 2 表明：CH4、 C2

6、H6、 C3H8、C4H10、C5H10等烷烃气体在近红外区域不但具有吸收现象， 每种烷烃组分气体的吸收光谱不尽相同， 因此，如果对非分光红外气体传感器的光源调制到对应烷烃气体的吸收特诊波长，利用非分光红外气体传感器检测油气具有可行性。三、应用技术方案对于生产井钻井施工中的录井，由于地质设计相对明确，油气检测要求定性检测即可。为此，可以利用非分光红外气体传感器检测钻遇地层流体中甲烷、丙烷气体的含量，实现油气连续检测目的。1. 优选光源调制波长通过对图2 数据进行分析，甲烷（CH4）气体在波长1.67m处具有特征吸收峰，丙烷（CH3）气体在 1.70m 出具有较强的吸收反映，因此在对红外光源进行

7、电调制时，可以把对应气体传感器光源调制成 1.67m 和 1.70m ，传感器的光探测器需要能够检测到弱光信号。2. 红外油气检测分析仪设计方案为了更好的发挥非分光红外气体传感器在油气检测中的作用，利用甲烷气体传感器、丙烷气体传感器同时工作，对经过电动脱气器分离出的钻遇地层流体所含的样品气进行连续检测分析，设计开发红外油气检测分析仪。在红外油气检测分析仪的设计过程中，利用单片机系统对甲烷气体传感器、丙烷气体传感器工作状态进行控制，同时编写开发油气检测分析专用软件，对两个传感器数据进行分析处理，合成为红外全烃录井数据，用于油气显示的发现和判断。红外油气检测分析仪的原理框图如图3 所示，甲烷气体传

8、感器、丙烷气体传感器的气路设计如图 4 所示。图 2 1.6 1.8 m烷烃光谱吸收曲线对比图名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 3 页，共 7 页 - - - - - - - - - 3 经过设计制造，成功研制出红外油气检测分析仪，在实验室利用标准烷烃组分样品气对其性能进行了验证，器的技术指标得出如下结论：（1）最小检测浓度：0.01%；（2）精度： 2%F.S；（3）重复性误差：7%F.S；（4）测量范围： 0.01%-100% ；（5）具有串口输出端口。四、现场应用

9、情况通过近百口井的实际应用证实：利用非分光气体传感器检测油气信息技术适用范围广泛，应用效果显著，主要表现为：1. 快速准确发现油气显示红外光源脉冲电流红外探测器前置放大气室样品气泵液晶显示单片机控制系统放大整流温度控制键盘RS232 420mA 图 3 红外油气检测分析仪原理图图 4 红外油气检测分析仪气路图名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 4 页，共 7 页 - - - - - - - - - 4 利用非分光红外气体传感器研制成功的红外油气检测分析仪，在录井过程中能够

10、直观、快速、准确发现油气异常显示，录井成果与其它录井成果对比具有较好的一致性（图5） 。图 5 是红外油气检测分析仪在中原油田W125 的录井成果图，曲线气体A 是甲烷传感器检测曲线，曲线气体B 是丙烷传感器检测曲线，全烃曲线是红外油气检测分析仪检测到的钻遇地层流体中烷烃组分气体含量变化曲线，S1、S2 是地化录井曲线。图5 表明全烃曲线变化趋势与地化录井、钻时曲线、岩屑岩性剖面变化基本一致，后来的试油成果也验证了全烃数据的可靠性。2. 降低了现场地质技术人员的劳动强度开发井的地质设计给出的油气层的深度与厚度通常情况下具有较高的准确性，但是，几千米深的地层结构受到多种因素的影响，容易发生变化，

11、这就容易造成地质设计的油气层数据可能出现误差。为了提高油气开发效率，现场地质技术人员在钻遇井深进入目的层后，需要现场对各种钻井、地质参数仔细观察和分析，尤其是在东部油田开发进入后期，为了提高钻井施工安全性，在钻井液混入原油的情况时有发生，地质技术人员依靠岩屑含油性发现和判断油气层的难度加大，需要对大量的岩屑进行清洗和分析，劳动强度十分繁重，红外油气检测分析仪的应用有效解决了这一问题。P3-467 井是一口定向井，为了便于在斜井段钻井施工，钻井队在 2200 米井深时混入原油，经过循环均匀后红外全烃录井基值上升到12%，随着继续钻进，红外全烃曲线比较平稳的向低值方向偏移，到井深超过2335 米后

12、，曲线基值基本稳定在3%左右，在 23552390 米井段，尽管基值仍处于下降趋势，但是还有红外全烃曲线上升的现象发生，综合其它资料，地质技术人员判断该井段有六图 5 W125井部分井段录成果井图名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 5 页，共 7 页 - - - - - - - - - 5 段异常显示井段，其中荧光两层、油迹四层（如图6） 。3. 有利于薄层油气异常显示的发现对于薄层油气油气资源，在钻时曲线上难以体现出变化趋势，同时由于该段岩屑量过少而难于及时捞取和发现，

13、依靠传统的方法薄层油气异常显示容易漏失，造成油气开发效率的降低。在红外油气检测分析仪工作条件下，可以有效的跟踪全烃曲线的变化趋势发现薄层异常显示。利用该设备发现薄层油气异常显示在W77-7 井表现十分明显（如图7） 。图 6 P3-467 井随钻录井图图 7 W77-7 井 26802750 米随钻录井图名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 6 页，共 7 页 - - - - - - - - - 6 在井段 26802750 米中， 钻时数据基本处于18 21min 之间，

14、 变化趋势不明显，难以真正划分地层。但是，依靠全烃曲线，确能够有效发现薄层油气异常显示，在图7 中，可以清楚地发现：综合解释结果的四层油层（每层1 米左右）在全烃曲线上均有明显变化。4. 准确计算油气上窜速度，确保钻井施工安全，保护油气层目前，随着油气资源开发理论的发展，油气层保护被提高到一个新的高度，这就要求在钻井施工过程中做到安全钻进，尤其是在含有油气资源的地层中钻进时，尽可能的做到平衡钻进。为了保证钻井施工的安全，需要对钻井液的密度进行合理调整，做到对油气资源压而不死，活而不涌。为了计算出油气上窜速度为钻井队提供调整钻井液密度的依据，通常是对记录观察油气显示后效，人工测算出后效数据，计算

15、出的油气上算速度存在较大的误差，利用红外油气检测分析仪能够直观的测量出后效的出峰时间、峰高时间、落峰时间、持续时间，可以准确的计算出油气上窜速度，为钻井施工安全和油气层保护提供支持。结束语利用非分光红外气体传感器实现油气检测是近年来快速发展起来的一种技术手段，可以帮助现场地质技术人员快速准确发现油气资源，促进了油气开发效率的提高。但是实际应用中也发现一些问题，由于钻遇地层流体中含有多种成分气体，利用非分光气体传感器检测油气信息只能做到定性检测，如果实现准确定量检测还有很多工作要做。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 7 页，共 7 页 - - - - - - - - -