非分光红外气体传感器在油气检测中的应用.doc

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。 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。cL （1） 式中： I--光源吸收后检测到的光强，cd； Io--光源光强，cd； α--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： (2) 在α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。 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2表明：CH4、C2H6、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1.67μm处具有特征吸收峰，丙烷（CH3）气体在1.70μm出具有较强的吸收反映，因此在对红外光源进行电调制时，可以把对应气体传感器光源调制成1.67μm和1.70μm，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，甲烷气体传感器、丙烷气体传感器的气路设计如图4所示。 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