CN102678100A - 一种井口气远程测定仪 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种井口气远程测定仪，该测定仪包括最短气路连接管道、自校准闭环调压系统、中红外光谱气体分析系统数据无线远传系统，四大部分依次顺序连接组成。该测定仪放置于井口，故具有最短气路连接管道，分析结果由数据无线远传系统远传至监测中心，从而保证了井口远程测定仪的在线实时快速响应性；自校准闭环调压系统可保证不同时间、不同地点系统气室内的气压恒定在允许偏差之内，从而将气室中气压对分析结果准确度的影响降至允许限度；解决了油气勘探录井场合常规气测录井装置不能放置在井口、具有长气路连接管道、响应时间长、存在薄油气层漏测的问题，以及光谱仪气体分析系统气室中气体压力影响测量分析结果的问题。

Description

一种井口气远程测定仪

技术领域：

本发明涉及仪器仪表在线定量分析领域，特别涉及基于红外光谱分析的探井气测录井领域。

背景技术：

油气勘探气测录井的层析气体成份及其定量分析结果数据是作为油气层存在、产能以及开发价值评价的依据。目前油气勘探录井场合普遍采用的常规气测录井分析装置由于有明火的存在，不能放置在井口，被测井口气需用一条长气路管道通入气测录井分析装置。连接用气路管道越长，气测录井分析装置的响应时间越长，通常气路管道长达五十米以上，分析周期在2-4分钟以上。而当前油气田钻井速度已普遍达到数米/分，故存在油气层漏测问题，不能适应国家对薄油气田能源开发形势发展的迫切要求。

基于红外光谱分析的多组分气体在线分析系统(以下简称光谱气体分析系统)是一种新型气测录井分析装置。进入该光谱气体分析系统的被分析气体的压力值保持在一允许偏差之内，是获得准确与稳定分析结果的前提。也就是说该光谱气体分析系统在出厂前或投运前的标定、测量，以及实验室或现场的不同时间、不同地点全程工作过程中，被分析气体的压力值均需保持恒定在允许偏差范围内。但是，目前没有对被分析气体压力值的调节措施，故因被分析气体压力值变化使测量分析准确性受到很大影响。

发明内容：

本发明目的在于，提出一种新型气测录井分析装置。它具有在线分析的实时性与快速响应性；能够为保证在不同时间、不同地点测量分析结果的准确性与稳定性奠定基础。

为了实现具有在线分析的实时性与快速响应性的目的，本发明采用的技术方案是：将本质安全的、基于红外光谱仪的在线多组分气体分析系统组建成一种新型井口气测定仪。该测定仪放置在油、气勘探的井口处，从而保证被测井口气能够经最短的气路管道直接通入井口气测定仪的光谱气体分析系统中。

井口气远程测定仪中光谱气体分析系统的分析结果由数据无线远传系统远传至数百至上千米外的监测中心。这样，监测中心可以及时得到分析结果，而且还可以免去人员在井口现场日夜值班坚守，从而井口气远程测定仪可达测量周期＜15秒的最快响应速度，且维护方便，无需人员值守。

为了保证不同时间、地点进入气室被分析气体的压力值恒定在允许偏差之内的目的，将气室气体压力不同对测量分析准确度的影响降至最小，本发明采用的方案是：

一种井口气远程测定仪，该测定仪由气路连接管道、自校准闭环调压系统、红外光谱气体分析系统和数据无线远传系统依次顺序连接组成；自校准闭环调压系统能保证进入系统气室的气体压力值恒定在允许范围内；红外光谱气体分析系统分析气室中的气体组分及其浓度，输出的分析结果由数据无线远传系统远传至监测中心。

所述气路连接管道入口与井口阀相连、通入被测井口气，气路连接管道出口与光谱气体分析系统入口相连；该气路连接管道具有最短长度，是由井口气远程测定仪以最近距离放置在井口处来限制。

管道材料是非金属耐腐蚀材料，具有加热措施保持管腔温度在80-90摄氏度。

所述自校准闭环调压系统，由标气阀、调节阀、三通、标气钢瓶以及光谱气体分析系统组成；最短气路连接管道出口接三通的第一通路，标气阀入口与三通的第二通路相连，其出口与标气钢瓶相连，标气是烷烃标准气；光谱气体分析系统的入气口与三通的第三通路相连，调节阀入口与光谱气体分析系统排气口相连，调节阀的出口通大气。

所述烷烃标准气是100％浓度的甲烷，或者是乙烷、丙烷、丁烷。

所述自校准闭环调压系统，为手动，或者为自动式；当为手动式时，标气阀、调节阀均为手可动式；当为自动式时，为电可控的，它们应与光谱气体分析系统中的计算机通过RS232/485串口总线相连。

所述光谱气体分析系统是由中红外光谱仪及计算机两大部分组成；中红外光谱仪是傅里叶变换红外光谱仪或者是非傅里叶变换型；两大部分通过计算机串口总线RS232/485相连接；光谱仪输出的光谱数据输至计算机后，由专用分析软件分析获得被测多组分气体各组分浓度值。

所述数据无线远传系统，一种无线收发模块与光谱气体分析系统中的计算机串口总线RS232/485相连接；监测中心处的无线收发模块经上位机的串口总线RS232/485与上位计算机相连；无线收发模块可以采用基于ZigBee通讯协议的模块，也可以采用遵守蓝牙、WiFi通讯协议的无线收发模块。

本发明构建了一个气压自校准闭环调压系统。该调压系统由光谱气体分析系统、标气阀、标准样气钢瓶、调节阀及三通组成。进入光谱气体分析仪气室入口的被测气体，不论该气体是被测井口气还是标准样气，其气体压力值均由调节阀的开度来保证。在光谱分析系统进行标定前或其用于现场测量前，必须先对调节阀开度进行自校准。自校准时，井口阀切“断”被测井口气气路；标气阀接通标准样气气路；标气钢瓶提供标气样本；光谱气体分析系统对标气进行测定分析后，将分析结果测量值与标气的标称标准值进行对比，若二者偏差小于允许范围(可以是2％或者其他)，则调节阀开度保持不变，否则需要调节直至标气测量值满足要求。

附图说明：

图1为本发明的井口气远程测定仪系统结构框图；

图2为本发明的光谱气体分析系统示意图；

图3为本发明的支持向量机结构示意图；

图4为本发明的自校准闭环调压系统结构框图；

图5为本发明的数据无线远传系统结构框图；

其中：1为最短气路连接管道；2为自校准闭环调压系统；3为光谱气体分析系统；4为数据无线远传系统；5为进气口；6为出气口；7为井口气远程测定仪。

具体实施方式：

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

参见图1-5，井口气远程测定仪的结构示意图如附图1所示。

图中标示：1-最短气路连接管道；2-自校准调压系统；3-光谱气体分析系统；4-数据无线远传系统。

光谱气体分析系统由傅里叶变换红外光谱仪与计算机组成，其中计算机采用具有多于3个RS232/485串口接口的工控机，或者只有一个这样的串口接口的计算机接一个串口接口扩展卡，其结构示意图如附图2所示。光谱气体分析系统的任务是对进入系统的气体进行成分与浓度的定量分析。分析系统的按如下步骤进行标定：

1)样本制作

在光谱气体系统的气室中输入某组气体样本X_i，并进行光谱扫描，获取光谱数据Φ_i，对傅里叶变换红外光谱仪(以下简称光谱仪)进行n次这样的标定实验，获得n组标定样本对集合{Φ_i、X_i}，表征光谱仪的输入与输出关系，其中Φ_i为一个l维向量，

是第i次标定时，输入光谱仪的l＝9种被测气体浓度的标定值；X_i为一个m维向量，x_i1，x_i2，…，x_ij，…，x_im是第i次标定时，光谱仪输出的光谱数据，即：

输入样本集

输出样本集 $X_i=[x_{i1},x_{i2},...,x_{\mathrm{ij}},...,x_{\mathrm{im}}],m=1866,i=\mathrm{1,2},...,n$

其中n表示样本的数量。当n足够大，且样本对集合是完备的，该集合就构成了光谱仪的正模型。

当总计标定次数n＝500时，则由500组{Φ_i，X_i}样本对集合组成标定样本集，表征光谱仪的正模型。其中X_i的元素x_ij为一个比值

x_ij＝I(γ_j)/I_o(γ_i)(1)

式中：I_o(γ_j)为以波数γ_j入射进入气室的红外光强；I(γ_j)为气室透射出去波数为γ_j的红外光强；

光谱仪输出的光谱数据x_ij表示某种浓度的某类气体对波数γ_j红外光吸收或透射的程度，它反映了气体的种类与其浓度值.故光谱仪的正模型反映了光谱仪是一个可以敏感多种气体类型与量值的多传感器陈列，从而可用来建立监测多组分气体的多传感器系统。

2)建立分析模型

分析模型是以某些谱线数据为输入，目标气体浓度为输出的模型，也称之为系统的逆模型。本发明以支持向量机算法为例来建立逆模型。逆模型输出y_i1，y_i2，…，y_il表示l种待测气体浓度。它们应最大限度接近系统输入的被测气体各组分的真实浓度值

二者接近程度应满足准确度要求。支持向量结构示意图如图3所示，图中α_i，b为支持向量机的结构参数，α_i(i＝1，2，…，n)是权系数，b为阀值或偏移量，通过对支持向量机的“训练”与“检验”来确定。

(1)训练以支持向量机输出甲烷浓度

为例

随机取标定样本集合总数的3/5作为训练用样本，即取n＝300。将全部300组训练样本集向量X_i＝X_ij＝[x_i1，x_i2，…，x_ij，…，x_im]，j＝1，2，…，m＝1866，i＝1，2，…，n，以并行、串行两种方式输入支持向量机，并分别称为并行支持向量与串行支持向量。

每一个串行输入样本的串行向量X＝{X_j}＝[x₁，x₂，…，x_j，…，x_m]与每一个并行输入行核向量X_i＝{X_ij}＝[x_i1，x_i2，…，x_ij，…，x_im]，进行函数运算K(X，X_i)，若选RBF核，则支持向量机的输出Y由下式决定

$Y=b+\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{a}_{i}K(X,X_i)$

$=b+\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{a}_i\exp [-\frac{{\left|\right|[x_1,x_2,...,x_j,...,x_m]-[x_{i1},x_{i2},...,x_{\mathrm{ij}},...,x_{\mathrm{im}}]\left|\right|}^2}{2{\mathrm{\σ}}^2}]$

$=b+\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\α}}_i\exp [-\frac{\underset{j=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{(X_j-X_{\mathrm{ij}})}^2}{2{\mathrm{\σ}}^2}]---\left(2\right)$

式中RBF核函数

σ为RBF核参数。

每串行输入一个串行向量，均由式(2)获得一个输出。经n次串行输入，即全部n个训练样本输完后，可获得n个输出Y(y₁，y₂，…，y_n)，而期望的输出是真实的甲烷浓度

如果比较二者不满足设定的均方误差ε＜10^-6的要求，则需要对参数α_i，b及核函数参数σ进行调节，直至满足ε＜10^-6为止时，支持向量机训练完毕。

(2)检验取标定样本总数的另外2/5为检验用样本，即n＝200。将全部200组检验样本集向量依次串行输入已经训练好的支持向量机，作为串行支持向量。支持向量机依次输出n＝200个输出值Y′(y′₁，y′₂，…，y′_n)，与对应的期望输出，即真实的甲烷浓度

之差满足准确度要求，则表明支持向量机可以用于测量。

同理，对其他气体组分也如上述过程对支持向量机进行训练与检验，从而建立具有各自结构参数α_i，b与核函数参数σ的混合气体各组分浓度测量分析用支持向量机。

自校准闭环调压系统的任务是将进入光谱气体分析系统进行成分定量分析的气体压力调节到合格值。自校准闭环调压系统的组成框图如附图4所示。

所述自校准闭环调压系统，以电控自动式为例，该系统主要由光谱气体分析系统、标气钢瓶、三通、标气阀、调节阀及其控制器六个单元所构成。标气阀入口与三通“第二通路”相连，其出口与标气钢瓶相连。光谱气体分析系统的入气口与三通“第三通路”相连，调节阀入口与光谱气体分析系统排气口相连，调节阀的出口通大气。控制器总线接口经RS232接计算机COM1口，控制器信号输出端接调节阀的信号输入端，它们的地端相连接统一接地，它们的供电端接直流24V。

其中调节阀选用日本SMC公司的ITV0050-3型电气比例阀，其可调节压力范围为0.001～0.9Mpa最大流量为6L/min，为DC0～10V电压型输入信号控制方式。控制器选用SMC公司的IC50-0A型电气比例阀控制器，输出DC0～10V，不确定度为0.5％F.S.。在本例中通过光谱气体分析系统中的计算机COM1端口输出指令，对调节阀开度进行2⁸＝256个状态的设置，最小输出控制数字量为00H，此时控制器输出信号电压为0V，则驱动调节阀关闭；最大输出数字量为FFH，此时控制器输出信号电压为10V，则驱动调节阀开度最大。

调节阀开度控制程序段编程示例如下：

数据无线远传系统的任务是将安置在井口处的井口气远程测定仪的分析结果数据无线远传至监测中心。其系统组成框图如附图5所示。数据无线远传系统既保证井口气远程测定仪的快速响应性与实时性，使监控中心即时获得分析结果，又维护简便、无需人员坚守。其实现可分为硬件部分和软件部分。

1)硬件部分硬件部分采用FT2002-L无线收发模块。该模块主要由数据处理单元和数据传输单元组成，其中数据处理单元是TI公司主流工业级单片机；数据传输单元是实现ZIGBEE无线通讯协议的XBee-PRO

802.15.4OEM RF模块。数据处理单元提供的通信接口与光谱分析系统中的计算机RS232总线COM2接口相连；数据传输单元输出端为天线，用来发射或者接收经数据处理单元处理的信息。其供电端接直流5V电源。

2)软件部分光谱气体分析系统将被测气体的分析结果形成了数据文件(*.dpt)。现场部分的发射模块的任务为将光谱分析数据文件(*.dpt)，通过SOCKET通讯方式从井口现场发送至监测中心。监测中心处的无线接收模块始终处于等待接收状态，一旦有光谱数据文件(*.dpt)发送，则无线接收模块立即接收并传至上位机存储或显示。具体编程示例如下：

井口现场客户端软件源代码：

在监测中心服务端软件源代码：

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的方法及技术内容作出些许的更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (8)

1.一种井口气远程测定仪，其特征在于：该测定仪由气路连接管道、自校准闭环调压系统、红外光谱气体分析系统和数据无线远传系统依次顺序连接组成；自校准闭环调压系统能保证进入系统气室的气体压力值恒定在允许范围内；红外光谱气体分析系统分析气室中的气体组分及其浓度，输出的分析结果由数据无线远传系统远传至监测中心。

2.如权利要求1所述的一种井口气远程测定仪，其特征在于：所述气路连接管道入口与井口阀相连、通入被测井口气，气路连接管道出口与光谱气体分析系统入口相连；该气路连接管道具有最短长度，是由井口气远程测定仪以最近距离放置在井口处来限制。

3.如权利要求2所述的一种井口气远程测定仪，其特征在于：管道材料是非金属耐腐蚀材料，具有加热措施保持管腔温度在80-90摄氏度。

4.如权利要求1所述一种的井口气远程测定仪，其特征在于：所述自校准闭环调压系统，由标气阀、调节阀、三通、标气钢瓶以及光谱气体分析系统组成；最短气路连接管道出口接三通的第一通路，标气阀入口与三通的第二通路相连，其出口与标气钢瓶相连，标气是烷烃标准气；光谱气体分析系统的入气口与三通的第三通路相连，调节阀入口与光谱气体分析系统排气口相连，调节阀的出口连通大气。

5.如权利要求4所述一种的井口气远程测定仪，其特征在于：所述烷烃标准气是100％浓度的甲烷，或者是乙烷、丙烷、丁烷。

6.如权利要求4所述一种的井口气远程测定仪，其特征在于：所述自校准闭环调压系统，为手动，或者为自动式；当为手动式时，标气阀、调节阀均为手可动式；当为自动式时，为电可控的，它们应与光谱气体分析系统中的计算机通过RS232/485串口总线相连。

7.如权利要求1所述的一种井口气远程测定仪，其特征在于：所述红外光谱气体分析系统是由中红外光谱仪及计算机两大部分组成；中红外光谱仪是傅里叶变换红外光谱仪或者是非傅里叶变换型；两大部分通过计算机串口总线RS232/485相连接；中红外光谱仪输出的光谱数据输至计算机后，由专用分析软件分析获得被测多组分气体各组分浓度值。

8.如权利要求1所述的一种井口气远程测定仪，其特征在于：所述数据无线远传系统包括无线收发模块，无线收发模块与光谱气体分析系统中的计算机串口总线RS232/485相连接；监测中心处的无线收发模块经上位机的串口总线RS232/485与上位计算机相连；无线收发模块采用基于ZigBee通讯协议的模块，或者采用遵守蓝牙、WiFi通讯协议的无线收发模块。

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