测量油气成分的随钻光谱仪装置的制造方法
【专利说明】测量油气成分的随钻光谱仪装置
[0001] (一）技术领域
[0002] 本实用新型涉及光学系统，具体涉及一种测量油气成分的随钻光谱仪装置。
[0003] (二）【背景技术】
[0004] 随钻测量是高效开发复杂油气藏的最重要手段，符合行业未来发展趋势。基于光 谱技术的油气成份的随钻测量，可以有效地解决石油天然气钻探过程中油气成份的实时在 线测量，为钻探决策提供可靠的依据。与众多传统技术相比，光谱技术具有多种成份同步探 测、分析速度快、选择性反应等技术优势。本实用新型针对钻探过程的高温高压封闭泥浆 环境设计高温专用红外光谱仪系统，结合目前已经成熟的高温电源和高温电路，分步实现 从油气成份的定性检测到定量测量。本实用新型的设计使整个分析系统的工组温度提高到 150°C，满足95%以上的随钻测量环境，能够填补国际空白，创造巨大的经济效益。
[0005] 目前我国多数油田处于开发中后期，地下油水关系复杂，开发油气藏层薄、断块 小。此外作为一种非常规能源，页岩气（Shale Gas)最近几年引起广泛关注，是国际和国内 能源开发的重点领域。我国的页岩气储量超过其它任何一个国家，大规模的页岩气开采蓄 势待发。在石油天然气钻探过程中，油气成份的实时检测有巨大的价值。对油气成份的检 测主要集中在录井和测井两个环节，并且已经取得了重大进展。录井主要是通过对钻井液 带到地面的物质进行检测。测井主要是钻井完成后对地层液抽样检测；国外的仪器设备可 以通过光纤传输光源实现在井下的分析。
[0006] 在录井方面，1980年Diller等就使用拉曼光谱技术测量天然气中的成份；之后 Dibble等针对自发拉曼散射光谱技术中的干扰成份的交叉反应、诱导荧光、化学发光等一 系列伴生问题实现了提高和改进。R. P. SChnell使用633纳米的氦氖激光对石油炼制厂管 道中的油气成份的拉曼散射光谱检测，与之前的参考光谱比对确定成份含量。C.F. Summer 将在岩石切割过程中传到地面的样品使用260纳米的紫外辐射源，收集所产生的长波荧光 辐射，与之前油泥混合浆的石油荧光谱比对，来确认岩石中是否有形成油。国内最新的综合 录井设备，对含油成份的测量使用定量荧光仪。定量荧光分析仪使用波长扫描方法得到荧 光谱图，可以对岩样的含油浓度进行准确定量，同时也可以测定轻质油。但它需要使用大量 试剂将采集的样品稀释到定量荧光仪的线性反应区放在荧光仪的比色皿中测量。上海神开 公司的最先进产品SK-2DQF二维定量荧光仪虽然大大增加了测量范围，但仍不能实时在线 测量，而且只能提供总的含油量而不是单独的成份含量。
[0007] 在测井方面，国际著名的油服公司 SChlumberger、Baker Hughes、Halliburton 等一直对光谱技术进行可行性研究并形成了实用新型系列专利。Baker Hughes公司的 R. DiFoggio使用光透射曲线的方法，获得流经采样管道截面的泥浆混合物的从400纳米 到2000纳米范围的二维图像，可以直观地区分其中的水、油、气（甲烷）和碎沙石，并由此区 分泥楽混合物是钻井液还是天然的地层液。SChlumberger公司的Mullins的方案包括该 公司自主设计的光学钻井液分析仪（Optical Fluid Analyzer-OFA)和气体分析模块（Gas Analysis Module- GAM)。0FA可以判别出流经测量工具的液体是否注意主要为气体，如果 是的话接着把气体导入GAM。这样避免液GAM光学表面沉积干扰测量。GAM就是利用红外 吸收光谱技术，通过光纤将光从光源导到钻头，并将从钻头测到的信号回传的分析模块。
[0008] 随钻测量(MWD)在钻井过程中安装各种传感器、设备和控制器件来测量地层参数、 泥浆液分析、监控钻头工具，并用数据遥测系统将测量结果实时送到地面处理。它能够实时 监测到地层变化以便及时对钻井予以必要的调整，及时发现油藏中最有价值的地带，并最 大限度在此钻井，提高油气的采收率。如果能准确及时地测量油气成份的含量，可提升对区 块油气藏的详细描述，测定其中CH4、CH3、CH2等烃基的含量，进而推知该岩层的天然气热 值，然后相应划块开采，就会省去在地上的进一步分离和重组的过程。带有检测油气成份的 随钻测量技术是目前我国科技部和石化企业的重点研发项目，研究工作在几个石化研究所 和高校开展，按三个不同的功能模块分工：地层抽气、基于膜分离的液气分离技术和气体检 测。本实用新型设计针对气体检测目标。传统技术通过检测测量随钻电阻率的变化和钻进 阻力的大小发现油气层，然而这更多地是基于操作经验，而不能直接诊断。
[0009] 对油气成份的测量有多种成熟的技术和仪器，包括：气相液相色谱仪、催化燃烧传 感器、电化学传感器、金属氧化物半导体传感器等。气相液相色谱仪一般用于试验室分析， 不适合本项目的研究目标。催化燃烧传感器通过氧化燃烧目标有机气体产生热量测量温度 的变化检测。它可检测任何可燃气体。但是它需要氧气的存在才能工作，它易中毒，长期在 高浓度的环境下暴露会影响它的灵敏度。电化学传感器将电极封装在电解质溶液里，把浓 度信号转为电流信号。但是它只能在大气压附近操作，工组温度室温，不能超过40°C。对于 金属氧化物半导体传感器，当待测气体与金属氧化物接触的时，产生带电离子，改变它的电 阻特性，通过测量电阻变化获得浓度信息。但不幸的是，电阻特性的改变对温度很敏感，需 要严格控制在一个较高的工作温度上，系统功耗高。它的交叉反应太灵敏，极易受到其他物 质的干扰。纵观上述技术，它们的劣势集中表现为：广谱反应，选择性差，常温常压，仅限开 放空间使用。光谱技术最大的优势就在于很好的处理外部物质的光谱干扰，选择特定的波 段，清楚无误地检测出目标分析物。选择光谱技术作为分析手段是油气成份的随钻测量的 最佳选择。
[0010] 但是，随钻测量的环境挑战性很大，在密闭的充满复杂物质的高温高压泥浆环境 里，钻井深度可达6000多米，温度会高达120-150°c，压强达到几十甚至上百个大气压。高 温电池和随钻发电机可以为随钻测量设备如温度压力传感器等设备提供电源，高端的钻井 设备会在钻杆中设计智能电缆，向井下设备供电。然而目前尚未有任何钻探设备铺设光纤。 因此基于光谱技术的随钻测量只能全部在井下进行。
[0011] Baker Hughes的S. Csutak在2011年公开了两种基于拉曼散射的随钻测量专利 方案，一种强调使用远红外的量子级联激光器为泵浦源和一种使用300纳米到400纳米的 紫外和紫光的氮化物半导体光源。二者都要光栅色散和空间分离，外围配套设备多，横截面 大。量子级联激光器方案在技术实施上存在缺陷：量子级联激光器昂贵成本高；驱动电流 500mA以上，功耗大；作为新器件的长期稳定性能测试不系统；最主要的是量子级联激光器 一般都是波长5u m以上的远红外光源，所产生的拉曼散射是波长更长的远红外信号，对光 学系统和探测系统挑战性极强。所以在随钻测量应用中并不现实。
[0012] 基于激光的调制吸收光谱技术具有极高的灵敏度，现为某些国际大公司GE、E+H、 NeoMonitor等开发并在石化领域开发来用于ppm甚至ppb量级的痕量气体的在线分析仪， 但是近红外和中红外波段所用光源激光二极管和探测器的最高工作温度在60-80°C，即使 加上温度调节模块，对工作温度的提升也最多30°C，仍不能满足要求。
[0013] (三）【实用新型内容】
[0014] 本实用新型为了弥补现有技术的不足，提供了一种测量油气成分的随钻光谱仪装 置，本装置主要包括：光源、气室、滤波片、探测器和电路支持系统。基于半导体的光源和探 测器无论是通过电子空穴对的结合激发还是它们的产生，受温度的影响比较大，都只能在 室温附近工作。使用温度控制，可以扩展环境温度范围但仍然无法满足随钻测量的要求。基 于热效应的光源和探测器因对温度的容忍范围宽，是本应用的最合适选择。系统采用锁相 放大的微弱信号处理技术，以实现降低闪烁噪声（1/f噪声）的效果。对驱动电压施加低频 方波调制信号，并且对探测器用同样的频率解调。由于光源和探测器都是基于热效应的，调 制频率最1?约为几十赫兹。
[0015] 本实用新型是通过如下技术方案实现的：
[0016] -种测量油气成分的随钻光谱仪装置，包括对光源的发光点进行准直的抛物面反 射镜，其特殊之处在于：反射镜后面设置采样气室和参考气室及带有四通道和四个独立热 电堆的探测器，探测器安装在半导体制冷片上。
[0017] 本实用新型的测量油气成分的随钻光谱仪装置，探测器的每个通道各配一个滤波 片和透射窗口。
[0018] 本实用新型的测量油气成分的随钻光谱仪装置，气室腔体与抛物面反射镜和安装 底座密封连接。
[0019] 本实用新型的测量油气成分的随钻光谱仪装置，光源为设计工作温度就在450°C 以上的黑体辐射光源。
[0020] 本实用新型的测量油气成分的随钻光谱仪装置，黑体辐射光源采用MEMS传感 器，使用一层薄膜电阻片，内部是纳米结构的钻石形状的非晶碳原子，是纯阻性器件，达到 450°C到750°C的辐射温度范围需要的驱动电压为3V到6