关键词：
可调谐半导体激光吸收光谱(TDLAS)
乙烷碳同位素丰度检测
井筒气气测
动态范围提升
交叠谱线分离
摘要：
碳同位素录井技术作为一种新型的气测录井技术,能够快速、连续、准确地获得钻井井筒气中稳定碳同位素丰度数据,从而直接获取油气矿藏区的地下关键数据,在油气成因判别、成藏模式分析、产油层识别等方面具有重要意义,为我国查明、勘探、开发油气田矿藏提供巨大助力。乙烷作为钻井井筒气中重要组分之一,因其碳同位素具有独特的继承性质,成为判断油气成因及成熟度的重要指标。然而,目前的钻井井筒气乙烷碳同位素丰度检测装备多采用气相色谱-质谱、气相色谱-氧化-光谱检测方法,这种检测方法动态范围窄、响应速度慢,在快速钻井过程中会损失大量有效数据,为矿藏区油气分布精细评估带来了诸多限制。
针对上述问题,本研究提出一种基于红外吸收光谱的钻井井筒气乙烷碳同位素丰度检测方法,该方法采用可调谐半导体激光吸收光谱技术(Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy,TDLAS),摒弃了冗杂缓慢的气相色谱析出过程,于长波红外波段对乙烷碳同位素丰度进行检测。TDLAS技术作为一种响应速度快、鲁棒性强、检测性能高、使用成本低的气体检测技术,具备同位素丰度原位检测能力。但是对于钻井井筒气乙烷碳同位素丰度检测需求,仍存在一些独特的亟待解决的问题:其一是随着钻井井筒气混源比例改变,钻井井筒气中乙烷组分浓度变化较大,会使检测系统出现饱和吸收现象,导致检测结果准确度下降;其二,钻井井筒气具有复杂的气体组分,且乙烷碳同位素吸收谱线十分密集,会存在较强的谱线交叠干扰,导致碳同位素丰度数据失准无效。以上问题使TDLAS技术在钻井井筒气乙烷碳同位素丰度检测应用上存在一定的限制。因此,针对饱和吸收与谱线交叠对检测系统的影响,本文开展了以下研究工作。
(1)乙烷碳同位素丰度检测系统的研制。针对钻井井筒气检测应用需求,研制了乙烷碳同位素丰度检测系统。检测系统整体分为光学子系统与电学子系统两大部分。其中光学子系统通过对乙烷碳同位素红外吸收谱线的优选,有效避开井筒气中主要干扰气体的影响,使系统仅存在乙烷本身复杂谱线带来的谱线交叠影响;根据选用的光学元件的参数对检测系统的性能进行了评估;采用直线式光路结构,保证中红外激光光路的简洁有效稳定。电学子系统中,设计了信号激励单元,并对调制深度参数进行分析优化,提升系统检测性能;通过信号采集单元对检测系统的温度、压强、谐波信号等关键信息进行采集分析,获取最终浓度数据;通过温度控制系统设计,利用高精度温度控制保证同位素丰度检测的精密度能够在理论上满足应用需求;研制的压强控制系统则尽可能地降低了谱线交叠影响;最后,通过谐波特征值获取算法,可以有效获取二次谐波波形的多组数据,为后续算法提供稳定特征值数据。
(2)基于谱线饱和吸收法的宽动态范围检测方法研究(Detection Method based on Spectral Line Saturation Absorption,SLSA)。针对钻井井筒气乙烷宽动态范围的检测需求,从对饱和吸收现象的理论分析出发,建立回归模型,并实现模型仿真验证、试验测试分析,最终提出基于谱线饱和吸收法的宽动态范围检测方法。在理论分析中,基于波长调制光谱检测气体浓度的基本原理对饱和吸收现象进行详细分析,为后续模型建立提供理论基础。在模型建立过程中,选择二次谐波的多个特征值,并与待测气体浓度建立回归关系模型,实现准确浓度预测。仿真验证中,基于标准数据库中的吸收谱线参数信息,通过仿真数据验证模型预测的准确性与方法的可行性。最后,通过标准气体对所建模型的性能进行了对比评估,测试结果表明该方法将检测系统动态范围提升至76.14 d B,相比于TDLAS系统,提升约17.08 d B。
(3)基于二次谐波谱线分离法的高准确度丰度检测方法研究(Detection Method based on Second Harmonic Spectral Line Separation,2f-SLS)。针对乙烷碳同位素吸收谱线存在交叠干扰问题,提出了基于二次谐波谱线分离法的高准确度丰度检测方法,并从理论分析、算法设计、仿真验证、试验测试四部分对其进行详细阐述。理论分析中,从红外吸收光谱的气体同位素检测原理出发,根据Lambert-Beer定律的可加性,将谱线交叠问题对检测系统测量准确度的影响进行了量化分析。算法设计中,以混沌粒子群优化算法为基础,构建二次谐波波形信号,通过不断迭代寻优实现谱线分离。然后,基于所选吸收谱线的参数,建立仿真波形验证算法的分离效果与可行性。最后,通过标准气体对算法的分离效果与准确度提升效果进行验证与详细分析,结果表明检测准确度误差小于1.76‰,丰度数据波动误差值小于±3‰。
(4)钻井井筒气乙烷碳同位素丰度观测试验及分析。为验证所提出的乙烷碳同位素丰度检测方法能否满足钻井井筒气检测需求,
