測量油氣成分的隨鉆光譜儀的測量方法與裝置的制造方法
【專利說明】測量油氣成分的隨鉆光譜儀的測量方法與裝置
[0001] (一）技術領域 本發(fā)明涉及光學系統(tǒng)，具體涉及一種測量油氣成分的隨鉆光譜儀的測量方法與裝置。
[0002] (二）【背景技術】 隨鉆測量是高效開發(fā)復雜油氣藏的最重要手段，符合行業(yè)未來發(fā)展趨勢?；诠庾V技 術的油氣成份的隨鉆測量，可以有效地解決石油天然氣鉆探過程中油氣成份的實時在線測 量，為鉆探決策提供可靠的依據(jù)。與眾多傳統(tǒng)技術相比，光譜技術具有多種成份同步探測、 分析速度快、選擇性反應等技術優(yōu)勢。本專利針對鉆探過程的高溫高壓封閉泥漿環(huán)境設計 高溫專用紅外光譜儀系統(tǒng)，結合目前已經成熟的高溫電源和高溫電路，分步實現(xiàn)從油氣成 份的定性檢測到定量測量。本專利的設計使整個分析系統(tǒng)的工組溫度提高到150Γ，滿足 95%以上的隨鉆測量環(huán)境，能夠填補國際空白，創(chuàng)造巨大的經濟效益。
[0003] 目前我國多數(shù)油田處于開發(fā)中后期，地下油水關系復雜，開發(fā)油氣藏層薄、斷塊 小。此外作為一種非常規(guī)能源，頁巖氣（Shale Gas)最近幾年引起廣泛關注，是國際和國內 能源開發(fā)的重點領域。我國的頁巖氣儲量超過其它任何一個國家，大規(guī)模的頁巖氣開采蓄 勢待發(fā)。在石油天然氣鉆探過程中，油氣成份的實時檢測有巨大的價值。對油氣成份的檢 測主要集中在錄井和測井兩個環(huán)節(jié)，并且已經取得了重大進展。錄井主要是通過對鉆井液 帶到地面的物質進行檢測。測井主要是鉆井完成后對地層液抽樣檢測；國外的儀器設備可 以通過光纖傳輸光源實現(xiàn)在井下的分析。
[0004] 在錄井方面，1980年Diller等就使用拉曼光譜技術測量天然氣中的成份；之后 Dibble等針對自發(fā)拉曼散射光譜技術中的干擾成份的交叉反應、誘導熒光、化學發(fā)光等一 系列伴生問題實現(xiàn)了提高和改進。R. P. SChnell使用633納米的氦氖激光對石油煉制廠管 道中的油氣成份的拉曼散射光譜檢測，與之前的參考光譜比對確定成份含量。C. F. Summer 將在巖石切割過程中傳到地面的樣品使用260納米的紫外輻射源，收集所產生的長波熒光 輻射，與之前油泥混合漿的石油熒光譜比對，來確認巖石中是否有形成油。國內最新的綜合 錄井設備，對含油成份的測量使用定量熒光儀。定量熒光分析儀使用波長掃描方法得到熒 光譜圖，可以對巖樣的含油濃度進行準確定量，同時也可以測定輕質油。但它需要使用大量 試劑將采集的樣品稀釋到定量熒光儀的線性反應區(qū)放在熒光儀的比色皿中測量。上海神開 公司的最先進產品SK-2DQF二維定量熒光儀雖然大大增加了測量范圍，但仍不能實時在線 測量，而且只能提供總的含油量而不是單獨的成份含量。
[0005] 在測井方面，國際著名的油服公司SChlumberger、Baker Hughes、Halliburton等 一直對光譜技術進行可行性研究并發(fā)明了系列專利。Baker Hughes公司的R. DiFoggio使 用光透射曲線的方法，獲得流經采樣管道截面的泥漿混合物的從400納米到2000納米范圍 的二維圖像，可以直觀地區(qū)分其中的水、油、氣（甲烷）和碎沙石，并由此區(qū)分泥漿混合物是 鉆井液還是天然的地層液。SChlumberger公司的Mullins的方案包括該公司自主設計的光 學鉆井液分析儀（Optical Fluid Analyzer-OFA)和氣體分析模塊（Gas Analysis Module- GAM) AFA可以判別出流經測量工具的液體是否注意主要為氣體，如果是的話接著把氣體導 入GAM。這樣避免液GAM光學表面沉積干擾測量。GAM就是利用紅外吸收光譜技術，通過 光纖將光從光源導到鉆頭，并將從鉆頭測到的信號回傳的分析模塊。
[0006] 隨鉆測量(MffD)在鉆井過程中安裝各種傳感器、設備和控制器件來測量地層參數(shù)、 泥漿液分析、監(jiān)控鉆頭工具，并用數(shù)據(jù)遙測系統(tǒng)將測量結果實時送到地面處理。它能夠實時 監(jiān)測到地層變化以便及時對鉆井予以必要的調整，及時發(fā)現(xiàn)油藏中最有價值的地帶，并最 大限度在此鉆井，提高油氣的采收率。如果能準確及時地測量油氣成份的含量，可提升對區(qū) 塊油氣藏的詳細描述，測定其中CH4、CH3、CH2等烴基的含量，進而推知該巖層的天然氣熱 值，然后相應劃塊開采，就會省去在地上的進一步分離和重組的過程。帶有檢測油氣成份的 隨鉆測量技術是目前我國科技部和石化企業(yè)的重點研發(fā)項目，研究工作在幾個石化研究所 和高校開展，按三個不同的功能模塊分工：地層抽氣、基于膜分離的液氣分離技術和氣體檢 測。本專利設計針對氣體檢測目標。傳統(tǒng)技術通過檢測測量隨鉆電阻率的變化和鉆進阻力 的大小發(fā)現(xiàn)油氣層，然而這更多地是基于操作經驗，而不能直接診斷。
[0007] 對油氣成份的測量有多種成熟的技術和儀器，包括：氣相液相色譜儀、催化燃燒傳 感器、電化學傳感器、金屬氧化物半導體傳感器等。氣相液相色譜儀一般用于試驗室分析， 不適合本項目的研究目標。催化燃燒傳感器通過氧化燃燒目標有機氣體產生熱量測量溫度 的變化檢測。它可檢測任何可燃氣體。但是它需要氧氣的存在才能工作，它易中毒，長期在 高濃度的環(huán)境下暴露會影響它的靈敏度。電化學傳感器將電極封裝在電解質溶液里，把濃 度信號轉為電流信號。但是它只能在大氣壓附近操作，工組溫度室溫，不能超過40°C。對于 金屬氧化物半導體傳感器，當待測氣體與金屬氧化物接觸的時，產生帶電離子，改變它的電 阻特性，通過測量電阻變化獲得濃度信息。但不幸的是，電阻特性的改變對溫度很敏感，需 要嚴格控制在一個較高的工作溫度上，系統(tǒng)功耗高。它的交叉反應太靈敏，極易受到其他物 質的干擾?？v觀上述技術，它們的劣勢集中表現(xiàn)為：廣譜反應，選擇性差，常溫常壓，僅限開 放空間使用。光譜技術最大的優(yōu)勢就在于很好的處理外部物質的光譜干擾，選擇特定的波 段，清楚無誤地檢測出目標分析物。選擇光譜技術作為分析手段是油氣成份的隨鉆測量的 最佳選擇。
[0008] 但是，隨鉆測量的環(huán)境挑戰(zhàn)性很大，在密閉的充滿復雜物質的高溫高壓泥漿環(huán)境 里，鉆井深度可達6000多米，溫度會高達120-150°C，壓強達到幾十甚至上百個大氣壓。高 溫電池和隨鉆發(fā)電機可以為隨鉆測量設備如溫度壓力傳感器等設備提供電源，高端的鉆井 設備會在鉆桿中設計智能電纜，向井下設備供電。然而目前尚未有任何鉆探設備鋪設光纖。 因此基于光譜技術的隨鉆測量只能全部在井下進行。
[0009] Baker Hughes的S. Csutak在2011年公開了兩種基于拉曼散射的隨鉆測量專利 方案，一種強調使用遠紅外的量子級聯(lián)激光器為栗浦源和一種使用300納米到400納米的 紫外和紫光的氮化物半導體光源。二者都要光柵色散和空間分離，外圍配套設備多，橫截面 大。量子級聯(lián)激光器方案在技術實施上存在缺陷：量子級聯(lián)激光器昂貴成本高；驅動電流 500mA以上，功耗大；作為新器件的長期穩(wěn)定性能測試不系統(tǒng)；最主要的是量子級聯(lián)激光器 一般都是波長5u m以上的遠紅外光源，所產生的拉曼散射是波長更長的遠紅外信號，對光 學系統(tǒng)和探測系統(tǒng)挑戰(zhàn)性極強。所以在隨鉆測量應用中并不現(xiàn)實。
[0010] 基于激光的調制吸收光譜技術具有極高的靈敏度，現(xiàn)為某些國際大公司GE、E+H、 NeoMonitor等開發(fā)并在石化領域開發(fā)來用于ppm甚至ppb量級的痕量氣體的在線分析儀， 但是近紅外和中紅外波段所用光源激光二極管和探測器的最高工作溫度在60-80°C，即使 加上溫度調節(jié)模塊，對工作溫度的提升也最多30°C，仍不能滿足要求。
[0011] (三）
【發(fā)明內容】
本發(fā)明為了彌補現(xiàn)有技術的不足，提供了一種測量油氣成分的隨鉆光譜儀的測量方法 與裝置，本裝置主要包括：光源、氣室、濾波片、探測器和電路支持系統(tǒng)?；诎雽w的光源 和探測器無論是通過電子空穴對的結合激發(fā)還是它們的產生，受溫度的影響比較大，都只 能在室溫附近工作。使用溫度