一种流体组分分析仪及其探测通道布置方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及油气资源勘探和采集领域，特别是涉及一种流体组分分析仪及其探测 通道布置方法。
【背景技术】
[0002] 在进行油气勘探开发过程中，底层测试仪器需要测量井下流体的各种参数，例如 流体流速、流体组分等，并根据测量参数实现流体采样过程的最优化，其中，测量流体组分 即确定流体中的油气比参数，而油气比参数定义为流体中一段时间内的油、水和气体的相 对比例。目前，一般通过采样测量油气比参数，该种测量方式不但无法实现快速实时测量， 而且测量周期长，测量操作繁琐。
【发明内容】
[0003] 针对上述问题，本发明的目的是提供一种流体组分分析仪及其探测通道布置方 法，能够快速实时确定流体中各组分所占比例。
[0004] 为实现上述技术目的，本发明采取以下技术方案:一种流体组分分析仪，它包括一 上位机、一控制系统、一光源模块、一光学探头和若干探测器，其中，所述光学探头包括若干 探测通道，且所述探测通道和探测器一一对应;所述上位机供用户输入控制指令，并将控制 指令发送给所述控制系统，所述控制系统接收控制指令并驱动所述光源模块发光，所述光 源模块将所发的光经所述光学探头发送到待测流体表面，光在待测流体表面发生反射并经 各探测通道发送到所述探测器，所述探测器将探测到的反射光强信号通过所述控制系统发 送到所述上位机，所述上位机将各所述探测器探测到的光强值与标准库进行对比，进而确 定待测流体的组分及比例。
[0005] 所述控制系统内设置一调制模块、一数字锁相放大器和一光强归一化模块;所述 调制模块接收所述上位机的控制指令后产生调制信号，并将调制信号发送到一光源驱动电 路，所述光源驱动电路接收调制信号驱动所述光源模块发光，所述光源模块所发的光强信 号通过一光强探测器监测，所述光强探测器将其监测到的光强信号发送到所述数字锁相放 大器，所述数字锁相放大器接收光强信号，同时接收各所述探测器探测到的反射光强信号， 所述数字锁相放大器采用与所述调制模块的调制信号相同的信号作为参考信号，对所述光 强探测器监测到的光强信号和各所述探测器探测到的反射光强信号进行相敏解调后发送 到所述光强归一化模块，所述光强归一化模块对各所述探测器探测到的反射光强信号进行 归一化后发送到所述上位机。
[0006] 所述光源模块包括一光源、一光纤親合器和一多模光纤;所述光源将所发出的光 依次通过所述光纤耦合器和多模光纤发送到所述光学探头。
[0007] 所述光学探头包括一蓝宝石棱镜、一压盖、一偏振片和一光纤端头，其中，所述蓝 宝石棱镜顶部两端对称剖切一入射面和一探测面;所述蓝宝石棱镜顶部中心间隔设置两安 装孔，所述压盖的形状与所述蓝宝石棱镜顶部形状相对应;与所述探测面相对应的所述压 盖底部一端横向间隔设置各所述探测通道，与所述安装孔位置相对应，所述压盖底部中心 设置盲孔，所述盲孔和安装孔之间通过螺杆固定连接;与入射面相对应的所述压盖底部另 一端设置一通孔，所述入射面上贴设固定所述偏振片，所述光纤端头的一端垂直所述偏振 片，所述光纤端头的另一端通过所述通孔连接所述多模光纤。
[0008] 各所述探测器均通过接收光纤探测反射光强信号，并将探测到的反射光强信号转 化成电流信号后发送到一探测器放大电路，所述探测器放大电路将各电流信号转化成电压 信号，并对各电压信号进行幅度放大后发送到所述控制系统。
[0009] 所述上位机位于井上，所述控制系统、光源模块、光学探头和探测器位于井下，且 所述控制系统、光源模块和探测器设置在一保温结构内。
[0010] 所述标准的制作方法，包括以下步骤：1)通过测量得到流体为纯空气时通过各探 测通道探测到的光强和光强探测器监测到的光强，以光强探测器监测到的光强为标准光强 对各探测通道探测到的光强进行归一化，得到纯空气的标准库；2)通过测量得到流体为纯 油时通过各探测通道探测到的光强和光强探测器监测到的光强，以光强探测器监测到的光 强为标准光强对各探测通道探测到的光强进行归一化，得到纯油的标准库;3)通过测量得 到流体为不同比例的油和气时通过各探测通道探测到的光强和光强探测器监测到的光强， 以光强探测器监测到的光强为标准光强对各探测通道探测到的光强进行归一化，得到不同 比例的油和气的标准库;4)通过测量得到流体为纯水时通过各探测通道探测到的光强和光 强探测器监测到的光强，以光强探测器监测到的光强为标准光强对各探测通道探测到的光 强进行归一化，得到纯水的标准库;5)通过测量得到流体为不同比例的油和水时通过各探 测通道探测到的光强和光强探测器监测到的光强，以光强探测器监测到的光强为标准光强 对各探测通道探测到的光强进行归一化，得到不同比例的油和水的标准库;6)分别通过计 算得到流体为不同比例的油和气以及不同比例的油和水时，归一化后的通过各探测通道探 测到的光强相对于流体为纯油时，通过各探测通道探测到的光强的增量，并将所有的光强 的增量存入标准库中。
[0011] -种流体组分分析仪的探测通道的布置方法包括以下步骤:1)分别确定空气、水、 油和蓝宝石棱镜的折射率，并分别绘制待测界面为棱镜/空气、棱镜/水和棱镜/油时反射率 随入射角变化曲线图；2)根据所绘制的待测界面为棱镜/空气、棱镜/水和棱镜/油时反射率 随入射角变化曲线图分别对应确定待测界面为棱镜/空气、棱镜/水和棱镜/油时发生全反 射的临界角，与棱镜/空气到棱镜/水发生全反射的临界角之间以及棱镜/水到棱镜/油发生 全反射的临界角之间相对应设置光学探头的探测通道。
[0012] 本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明基于流体由不同组分 的不同比例组成时，通过各探测通道探测到的反射光强信号不同，将探测到的反射光强信 号与标准库进行对比，进而确定流体中的各组分及其比例，避免了取样测量的繁琐操作。2、 本发明通过设置调制模块发送调制信号，并通过数字锁相放大器进行相敏解调，因此不但 能够减小噪声对探测信号的干扰，而且能够避免独立器件构成的锁相放大器造成系统结构 复杂和稳定性下降。3、本发明的光学探头由于采用蓝宝石棱镜，因此可以适用于井下高温 高压环境;本发明由于具体设置光学探头的形状，因此便于密封，进一步适应井下高温高压 环境。4、本发明由于将控制系统、光源模块和探测器设置在保温结构内，因此可以适用于井 下高温高压环境，提高设备工作寿命。5、本发明根据待测界面为不同物质时反射率随入射 角变化曲线图，确定各个探测通道的布置方式，因此能够实现多组分流体的组分识别。6、本 发明由于设置光纤耦合器，因此有效提高了光源能量的利用效率。7、本发明由于设置偏振 片，因此能够有效控制光纤端头射出光的偏振态。8、本发明由于设置光强探测器和光强归 一化模块，因此能够有效消除光源抖动所以导致的测量误差，保证测量结果的准确性。本发 明设计结构简单，操作方便，且测量结果实时性和精确性高，因此可以广泛应用于油田井下 流体油气比测量、钻井流体污染检测等技术领域，在井下对流体进行现场组分测量，为油田 生产决策提供依据。
【附图说明】
[0013] 图1是本发明的流体组分分析仪的原理框图；
[0014] 图2是本发明的流体组分分析仪的结构示意图；
[0015] 图3是本发明的蓝宝石棱镜的立体结构示意图；
[0016] 图4是本发明的蓝宝石棱镜的主视结构示意图；
[0017] 图5是本发明的蓝宝石棱镜的左视结构示意图；
[0018] 图6是本发明的蓝宝石棱镜的俯视结构示意图；
[0019] 图7是本发明的压盖的立体结构示意图；
[0020] 图8是图7的仰视结构不意图；
[0021 ]图9是本发明的压盖的主视结构示意图；
[0022]图10是本发明的压盖的右视结构示意图；
[0023]图11是图10的A-A剖视结构示意图；
[0024]图12是图10的剖视结构示意图；
[0025] 图13是是本发明的待测界面为棱镜/空气、棱镜/水和棱镜/油时反射率随入射角 变化曲线图，其中，横坐标表示入射角，单位是度，纵坐标表示反射率。
【具体实施方式】
[0026] 下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。
[0027]如图1~2所不，本发明的流体组分分析仪包括一上位机1、一控制系统2、一光源模 块3、一光学探头4和若干探测器5，其中，光学探头4包括若干探测通道41，探测通道41的具 体个数根据测量所需精度和速度确定，在此不受限定，且探测通道41和探测器5-一对应， 本实施例中，探测通道41设置七个，对应的探测器5设置七个；
[0028] 上位机丨供用户输入控制指令，并将控制指令发送给控制系统2,控制系统2接收控 制指令并驱动光源模块3发光，光源模块3将所发的光经所