专利名称：一种适合储集层含油气的气体分析的红外气体检测系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及气体检测技术领域，特别是一种适合储集层含油气的气体分析的红外气体检测系统，是针对录井行业中气体检测系统，及时有效地将油气气体电信号信息转变 为油气储集层的地质信息。
背景技术：
如何在现场通过气测曲线，直观地判别所钻地层的干、湿气层，划分油、水层及油 水界面，为勘探开发提供快速决策服务，是气测录井的重要研究目标，气测气体比率法为 这一目标的实现作了有效的探索和尝试。这一解释评价方法是利用轻一中、轻一重和重一 中烃气的比率三条曲线的走向及交汇情况来评判划分储集层。用标准组合特征图进行了说 明，并以应用实例，验证了该方法的可行性和有效性。该方法为扩展气测解释评价方法作 出了有益的尝试，使解释评价直观快速。该解释方法是由法国地质服务公司研发的，该公 司推出的GZG型钻井液脱气器和ReservalTM色谱分析仪，为该方法的实施提供了条件。中国专利CN200510047069. 0公开了《一种用光谱分析仪快速定量分析石油勘探 钻井过程中气体含量方法》，该方法包括以下措施和技术步骤a、真空泵将钻井过程中脱附 出的气体经由(A) 口抽入，经过样品处理系统除尘干燥处理，引入稳流装置，稳定流量的气 体由⑶口进入气体流通池得到样品气，并不断由(C) 口排空，光源发出的红外光经干涉仪 变成干涉光，干涉光照射气体流通池内的样品气，经检测器获得干涉图，所得干涉图由光谱 分析工作站进行数学变换，得到样品的红外光谱，b、光谱分析工作站包括控制及数据采集 �？�、数据预处理模块)、定性定量分析模块和显示存储打印�？椋刂萍笆莶杉？榭� 制光谱仪器的运行和采集光谱仪器的数据，数据预处理�？槎匝饭馄资萁性ご恚� 在光谱分析仪上测量样品的红外吸收光谱，经过预处理，消除噪声和漂移的影响，提取光谱 数据中的有效特征量，定性定量分析�？槎曰旌涎分械母髯榉纸卸ㄐ远糠治觯ㄐ� 定量分析�？槟谑孪冉⒒旌掀甯髯榉峙ǘ扔肫涔馄资莸墓叵担范ǘㄐ远糠治瞿� 块最佳结构和参数，实际测量时将重叠严重和非线性的光谱数据进行变换、分解或回归，然 后计算出各组分的气体浓度，显示存储打印�？橛糜诮治鼋峁允�、存储或打�。涑龅� 气测录井图和综合评价报告，用于油气水层综合解释评价。由于采用红外光经干涉仪和光谱分析工作站检测进入气体的光谱数据，实现快速 分析和连续取样、在线分析，解决了以往间歇取样、分析速度慢、精确度低、定量结果影响因 素多等问题。然而，由于温度对通过红外光经干涉仪和光谱分析工作站检测进入气体的光 谱数据有着直接的影响，在不同的温度情况下，所获得数据有所不同，因此，温度会影响光 谱数据一致性。其此，采用红外光经干涉仪和光谱分析工作站价格高，需要操作空间比较 大。
发明内容
本发明是提供一种适合录井行业中储集层含油气的气体分析、具有可靠性高、操作简便，价格低的适合储集层含油气的气体分析的红外气体检测系统。本发明的目的是这样实现的，一种适合储集层含油气的气体分析的红外气体检测 系统，其特征是包括真空泵用于将钻井过程中脱附出的气体经除尘干燥处理由脱附出的 气体管道送到稳流装置，由稳流装置稳定流量后，气体由检测室入口进入，从检测室出口不 断排出，检测室包括一个温度控制机构对检测室内的加温元件进行恒温加热控制，使检测 室形成恒温气室，垂直于恒温气室的气体路径上一端有包括轻烃、重烃、CO2三种气体的吸 收峰波长的三束红外光源即轻烃气体红外光、重烃气体红外光和CO2红外光，三束红外光源 经垂直于恒温气室的气体后由三个光电接收电路中的三个光电接收管接收，经控制电单元 中的放大处理电路处理后在显示器上沿时间轴给出轻烃、重烃、CO2三种气体的吸收光波强 度。所述的检测室的恒温控制由温度检测元件检测室内温度，通过与设定温度值比 较，大于设定值时，温度控制机构断开检测室内的加温元件电源或降低其电压或电流使检 测室温度向下调，小于设定值时，温度控制机构加载检测室内的加温元件电源或提升其电 压或电流使检测室温度向上调。所述的三束红外光源是三个红外光源通过滤光片滤光后得到轻烃、重烃、CO2三种 气体的吸收峰波长的红外光。所述的三束红外光源是分别是一个红外光源光源分别通过轻烃、重烃、CO2三种气 体的吸收峰波滤光片滤光后的红外输出光。所述的三束红外光源是被调制的红外光。
所述的光电接收电路是锁相放大电路。所述的三种气体的吸收峰波长分别为3. 3 μ m、3. 46 μ m、4. 3 μ m。所述的光电接收电路的光电接收管是TPS4339。所述的红外光源是IR55高频电调制红外光源，波段2-20 μ m, 1. 7cm抛物面反射
器封装。本发明的特点是红外气体传感器由样品泵、恒温气室、红外探测器以及红外光源 四大部分组成，红外探测器是红外气体传感器的核心部件。当红外光通过待测气体时，这 些气体分子对特定波长的红外光有吸收，光强在气体介质中随浓度及厚度按指数规律衰 减，其吸收关系服从朗伯一比尔(Lambert-Beer)吸收定律。红外探测器就是根据这一定 律设计而成，轻烃、重烃、CO2三种气体的吸收峰波长分别为3. 3 μ m、3. 46 μ m、4. 3 μ m。高 灵敏度红外探测器TPS4339，在其封装上固定安装有针对这三种气体吸收峰波长的窄带干 涉滤光片，可以实现对其浓度的测量。红外光源采用IR55高频电调制红外光源，它可以提供稳定、高效的带内红外光发 射，波段2-20 μ m，1.7cm抛物面反射器封装，最大化地增强了轴向光功率，改善了到达探测 器的信号，比其它光源具有更好的优势，工作寿命3年以上。恒温气室采用气室与外支撑分离的结构，具有制造容易、安装方便等优点。由于 被分析气体成分复杂，具有一定的腐蚀性，如SO2、NOx等，长时间使用后气室极易被污染， 直接影响测量精度。采用此结构设计保证了该部件易于装卸，清理，更换。另外，红外探测 器输出信号受温度影响很大，恒温气室由恒温箱、温控器、加热棒、PT100组成，可以有效的 使气室内温度达到一个稳定值。探测器自身输出一个RT温度信号，它的值随着温度的升高逐渐降低，在软件计算时可以作为温度补偿。因此，在设计中我们采用了温度补偿算法和恒 温控制双重技术，从软件和硬件上减小温度对测量值的影响。
以下结合实施例附图进一步对本发明的功能和实现的目的、具体结构特征和优点 做进一步说明。图1本发明结构示意图； 图2是红外光源光路图3是光电检测原理图。
图中1、脱附出的气体管道；2、真空泵；3、稳流装置；4、检测室入口 ；5、干涉滤光 片；6、轻烃气体红外光；7、加温元件；8、重烃气体红外光；9、CO2红外光；10、检测室；11、检 测室出口 ；12、温度检测元件；13、CO2红外光检测管；14、控制电单元；15、温度控制机构； 16、重烃气体红外光检测管；17、轻烃气体红外光检测管；18、红外光源；19、第一分光镜； 20、第二分光镜；21、第三分光镜；22、低噪声前置放大器；23、电子开关电路；24、锁相放大 电路；25、处理电路；26、计算机；27、显示器；28、调制信号；29、模拟信号。
具体实施例方式如图1所示一种适合储集层含油气的气体分析的红外气体检测系统，包括真空 泵2用于将钻井过程中脱附出的气体经除尘干燥处理由脱附出的气体管道1送到稳流装置 3，由稳流装置3稳定流量后，气体由检测室入口 4进入，从检测室出口 11不断排出，检测室 10包括一个温度控制机构15对检测室10内的加温元件7进行恒温加热控制，使检测室10 形成恒温气室，垂直于恒温气室的气体路径上一端有包括轻烃、重烃、CO2三种气体的吸收 峰波长的三束红外光源即轻烃气体红外光6、重烃气体红外光8和CO2红外光9，三束红外光 源经垂直于恒温气室的气体后由三个光电接收电路中的三个光电接收管(重烃气体红外光 检测管16、轻烃气体红外光检测管17、C02红外光检测管13)接收，经控制电单元14中的放 大处理电路处理后在显示器上沿时间轴给出轻烃、重烃、CO2三种气体的吸收光波强度。检 测室10或恒温气室的恒温控制由温度检测元件12检测室内温度，通过与设定温度值比较， 大于设定值时，温度控制机构15断开检测室10内的加温元件7电源或降低其电压或电流 使检测室10温度向下调，小于设定值时，温度控制机构15加载检测室10内的加温元件7 电源或提升其电压或电流使检测室10温度向上调。三种气体轻烃、重烃、CO2的吸收峰波长分别为3. 3 μ m、3. 46 μ m、4. 3 μ m。因此对 应的三种光源轻烃气体红外光6、重烃气体红外光8和CO2红外光9其中心波带在3. 3 μ m、 3. 46 μ m、4. 3 μ m 上。轻烃气体红外光6、重烃气体红外光8和CO2红外光9其中心波带在3. 3 μ m、 3. 46 μ m、4. 3 μ m上可通过两种方法实现
一种方法如图2所示，红外光源18是IR55高频电调制红外光源，波段2-20 μ m,其输 出光分别通过第一分光镜19只反射3. 3 μ m的红外光，经第一分光镜19透过光到第二分光 镜20，经第二分光镜20只反射3. 46 μ m的红外光，经第二分光镜20的透过光到第三分光镜 21，经第三分光镜21只反射4. 3 μ m的红外光。
另一种方式是三个红外光源18分别通过中心波带在3. 3 μ m、3. 46 μ m、4. 3 μ m的 干涉滤光片5，产生波长在3. 3 μ m、3. 46 μ m、4. 3 μ m的轻烃气体红外光6、重烃气体红外光 8和CO2红外光9。在第一种方法中，在第三分光镜21的输出光由一个光电管进行接收，通过对其光 强检测可以随时了解红外光源18的光强波动，为精确检测带来方便。红外探测器是红外气体传感器的核心部件。当红外光通过待测气体时，这些气体 分子对特定波长的红外光有吸收，光强在气体介质中随浓度及厚度按指数规律衰减，其吸 收关系服从朗伯一比尔(Lambert-Beer)吸收定律。红外探测器就是根据这一定律设计而 成，轻烃、重烃、CO2三种气体的吸收峰波长分别为3. 3ym,3. 46ym,4. 3ym0本发明采用 的高灵敏度红外探测器TPS4339，可以实现对其浓度的测量。实际上，在红外探测器TPS4339的封装上固定安装有3. 3 μ m、3. 46 μ m、4. 3 μ m针 对轻烃、重烃、CO2这三种气体吸收峰波长的窄带干涉滤光片，同样能达到测量效果。红外光源采用IR55高频电调制红外光源，它可以提供稳定、高效的带内红外光发 射，波段2-20 μ m，1.7cm抛物面反射器封装，最大化地增强了轴向光功率，改善了到达探测 器的信号，比其它光源具有更好的优势，工作寿命3年以上。恒温气室采用气室与外支撑分离的结构，具有制造容易、安装方便等优点。由于 被分析气体成分复杂，具有一定的腐蚀性，如SO2、NOx等，长时间使用后气室极易被污染， 直接影响测量精度。采用此结构设计保证了该部件易于装卸，清理，更换。红外探测器接收红外光产生的信号十分微弱，极易受外界的干扰，因此稳定可靠 的放大电路是关键。因此，光电接收电路采用锁相放大电路。具体的电路形式如图3所示。控制电单元14至少包括低噪声前置放大器22、电子开关电路23、锁相放大电路 24、处理电路25、计算机26、显示器27，气体由检测室入口 4进入，从检测室出口 11不断排 出，红外光源18其输出光分别通过第一分光镜19只反射3. 3 μ m的红外光，经第一分光镜 19透过光到第二分光镜20，经第二分光镜20只反射3. 46 μ m的红外光，经第二分光镜20 的透过光到第三分光镜21，经第三分光镜21只反射4. 3 μ m的红外光。形成轻烃气体红外 光6、重烃气体红外光8和C02红外光9同时通过窗口进入检测室10，脱附出的气体经除尘 干燥处理由脱附出的气体管道1送到稳流装置3，由稳流装置3稳定流量后从检测室入口 4 进入，从检测室出口 11不断排出，轻烃气体红外光6、重烃气体红外光8和CO2红外光9分 别经气体不同程度的吸收，其三个波段的红外光分别由重烃气体红外光检测管16、轻烃气 体红外光检测管17、CO2红外光检测管13接收，接收信号经低噪声前置放大器放大后经电 子开关电路23后进入锁相放大电路24，电子开关电路23由处理电路25与其连接的二路 I/O 口控制，对电子开关电路23进行二选四，锁相放大电路24分时对三路光电信号进入锁 相放大，锁相放大电路24放大的模拟信号29送到处理电路25的A/D转换口，然后提供给 处理电路25进入A/D转换和数据处理。为了节省设备，重烃气体红外光检测管16、轻烃气 体红外光检测管17、C02红外光检测管13接收的信号经低噪声前置放大器放大后由电子开 关电路23进行通道选�。煞质倍郧崽搴焱夤�6、重烃气体红外光8和CO2红外光9的 光电信号放大处理，只用一台锁相放大电路24。处理电路25除了有A/D转换能力外(12位 或16位A/D)，同时可完成与计算机26的通信和对电子开关的控制，并产生调制信号28对 红外光源18进行调制，调制信号28也作为锁相放大电路24的锁相信号。计算机26将光强在气体介质中随浓度及厚度按指数规律衰减变化的波形同时由显示器27进行显示，波 形给出的吸收关系服从朗伯一比尔(Lambert-Beer)吸收定律。 实际本发明中图3电路，还可采用带多路A/D转换的单片机430完成，单片机430 内部带电子开关。
权利要求
一种适合储集层含油气的气体分析的红外气体检测系统，其特征是包括真空泵(2)用于将钻井过程中脱附出的气体经除尘干燥处理由脱附出的气体管道(1)送到稳流装置(3)，由稳流装置(3)稳定流量后，气体由检测室入口(4)进入，从检测室出口(11)不断排出，检测室(10)包括一个温度控制机构(15)对检测室(10)内的加温元件(7)进行恒温加热控制，使检测室(10)形成恒温气室，垂直于恒温气室的气体路径上一端有包括轻烃、重烃、CO2三种气体的吸收峰波长的三束红外光源即轻烃气体红外光(6)、重烃气体红外光(8)和CO2红外光(9)，三束红外光源经垂直于恒温气室的气体后由三个光电接收电路中的三个光电接收管接收，经控制电单元(14)中的放大处理电路处理后在显示器上沿时间轴给出轻烃、重烃、CO2三种气体的吸收光波强度。
2.根据权利要求1所述的一种适合储集层含油气的气体分析的红外气体检测系统，其 特征是所述的检测室(10)的恒温控制由温度检测元件(12)检测室内温度，通过与设定温 度值比较，大于设定值时，温度控制机构(15)断开检测室(10)内的加温元件(7)电源或降 低其电压或电流使检测室(10)温度向下调，小于设定值时，温度控制机构(15)加载检测室 (10)内的加温元件(7)电源或提升其电压或电流使检测室(10)温度向上调。
3.根据权利要求1所述的一种适合储集层含油气的气体分析的红外气体检测系统，其 特征是所述的三束红外光源是三个红外光源通过滤光片滤光后得到轻烃、重烃、co2三种 气体的吸收峰波长的红外光。
4.根据权利要求1所述的一种适合储集层含油气的气体分析的红外气体检测系统，其 特征是所述的三束红外光源是分别是一个红外光源光源分别通过轻烃、重烃、C02三种气 体的吸收峰波滤光片滤光后的红外输出光。
5.根据权利要求1所述的一种适合储集层含油气的气体分析的红外气体检测系统，其 特征是所述的三束红外光源是被调制的红外光。
6.根据权利要求1所述的一种适合储集层含油气的气体分析的红外气体检测系统，其 特征是所述的光电接收电路是锁相放大电路。
7.根据权利要求1所述的一种适合储集层含油气的气体分析的红外气体检测系统，其 特征是所述的三种气体的吸收峰波长分别为3. 3um,3. 46 u m、`4. 3 u m。
8.根据权利要求1所述的一种适合储集层含油气的气体分析的红外气体检测系统，其 特征是所述的光电接收电路的光电接收管是TPS4339。
9.根据权利要求1所述的一种适合储集层含油气的气体分析的红外气体检测系统，其 特征是所述的红外光源是IR55高频电调制红外光源，波段2-20 u m, 1. 7cm抛物面反射器 封装。
全文摘要
本发明涉及气体检测技术领域，特别是一种适合储集层含油气的气体分析的红外气体检测系统，其特征是包括真空泵用于将钻井过程中脱附出的气体经除尘干燥处理由脱附出的气体管道送到稳流装置，由稳流装置稳定流量后，气体由检测室入口进入，从检测室出口不断排出，检测室包括一个温度控制机构对检测室内的加温元件进行恒温加热控制，使检测室形成恒温气室，垂直于恒温气室的气体路径上一端有包括轻烃、重烃、CO2三种气体的吸收峰波长的三束红外光源即轻烃气体红外光、重烃气体红外光和CO2红外光，三束红外光源经垂直于恒温气室的气体后由三个光电接收电路中的三个光电接收管接收，经放大处理电路处理后在显示器上沿时间轴给出轻烃、重烃、CO2三种气体的吸收光波强度。它具有可靠性高、操作简便，价格低的特点。
文档编号G01N21/35GK101832923SQ20101019037
公开日2010年9月15日 申请日期2010年6月3日 优先权日2010年6月3日
发明者刘璐, 吴卫东, 周军太, 戴立斌, 李永胜, 梁立星, 王利平, 王源, 章志锋, 邱亮, 邵东波, 郭建友, 郭文斌, 龙利平 申请人:中国石油集团川庆钻探工程有限公司长庆录井公司
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