CN106988724B - 随钻光谱仪 - Google Patents

Abstract

一种随钻光谱仪，安装在钻杆上，包括反射镜，所述反射镜为椭球体。所述反射镜的一个焦点上设置有光源，另一个焦点上设置有能够接收到光源发出的光线的探测器。所述反射镜上设置有能使钻井液穿过的检测通道，所述检测通道位于光源和探测器之间。所述反射镜包括第一反射镜和第二反射镜，所述第一反射镜上的第一检测通道位于钻杆的内腔中，所述第二反射镜上的第二检测通道位于钻杆外。随钻光谱仪采用差分方式直接检测井下的钻井液，无需使用复杂的井下气液分离系统，简化了设备结构，而且体积小，成本低，功耗低，能够直接集成在随钻设备中。

Description

随钻光谱仪

技术领域

本发明属于石油天然气勘探开发技术领域，尤其涉及一种能够实时在线检测钻探过程中油气浓度的随钻光谱仪。

背景技术

在石油天然气的钻探过程中，油气成分的随钻检测具有重要的意义。针对地下油水关系复杂，开发油气藏层薄、断块小的油田环境，实时在线的检测油气成分就显得更为重要。实时在线检测钻探过程中封闭泥浆环境中泥浆成分的变化，提高油气藏开发的效率并节约成本、预防危险。

随钻测量检测技术在油气藏开发的钻井过程中安装各种传感器、设备和控制器来测量地层参数、泥浆液分析、监控钻头工具，并用数据遥测系统将测量结果实时地传送地面进行记录和处理。它能够实时监测到地层变化，及时调整钻井设定，发现油藏中最有价值的地带，提高油气的采收率。但是目前普遍采用的油气成分的检测采用复式电阻率和钻井阻力相结合的方式，不是直接测量，测量结果并不准确，只能结合录井过程的结果确认，通常会造成延迟。而使用光谱技术的随钻检测现有专利之一是Baker Hughes公司的S.Csutak在2011年公开的基于拉曼散射的随钻测量方案(公开号US 8068226 B2)，该方法使用远红外的量子级联激光器作为拉曼散射的泵浦源。该方案缺点主要表现在外围设备多，横截面积大，很难应用于井下，同时量子激光器成本高，驱动电流在500mA以上，功耗大。量子级激光器一般使用波长5um以上的远红外光源，产生的拉曼散射是波长更长的远红外信号，光学系统较难检测。所以该方案在随钻测量应用中并不现实，而且基于激光光谱技术虽然具有极高的灵敏度，但是近红外和中红外波段所使用的光源激光二极管和探测器的最高工作温度在60-80℃之间，不能满足井下的高温环境。

发明内容

本发明针对上述目前光谱技术在随钻检测中的应用存在外围设备多、设备横截面大、成本高、功耗大、不能满足井下高温环境等技术问题，提出一种结构组成简单、体积小、功耗低、能够满足井下高温环境的随钻光谱仪。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种随钻光谱仪，安装在钻杆上，包括反射镜，所述反射镜为椭球体。

所述反射镜的一个焦点上设置有光源，另一个焦点上设置有能够接收到光源发出的光线的探测器。

所述反射镜上设置有能使钻井液穿过的检测通道，所述检测通道位于光源和探测器之间。

所述反射镜包括第一反射镜和第二反射镜，所述第一反射镜上的第一检测通道位于钻杆的内腔中，所述第二反射镜上的第二检测通道位于钻杆外。

作为优选，所述探测器包括油气检测单元和参比检测单元，所述油气检测单元上安装有能够使油气成分吸收峰的波长通过的油气滤波片，所述参比检测单元安装有使钻井液中物质的波长都能够通过的参比滤光片。

作为优选，所述第一检测通道的厚度与第二检测通道的厚度相同。

作为优选，所述的第一反射镜和第二反射镜相连形成双椭球形的一体结构。

作为优选，所述第一反射镜的一个焦点与第二反射镜的一个焦点重合，所述第一反射镜与第二反射镜采用同一个光源，光源设置在相互重合的焦点上。

作为优选，所述第一反射镜和第二反射镜的焦点均位于同一直线上。

作为优选，所述检测通道上设置有能够阻挡固体进入到反射镜内的过滤网。

作为优选，进一步包括控制光源的控制器以及与控制器相连并能够测量检测通道温度的测温元件。

与现有技术相比，本发明的优点和积极效果在于：

1、随钻光谱仪采用差分方式直接检测井下的钻井液，无需使用复杂的井下气液分离系统，简化了设备结构，而且体积小，成本低，功耗低，能够直接集成在随钻设备中。

2、采用差分方式得到内、外的油气成分吸收率，推算出油气成分的浓度，分析速度快，成本低，无需消耗样品。

3、光源能够根据环境温度进行调节，使光源稳定在一个温度上，保持稳定的辐射光谱分布，保证检测准确性。

附图说明

图1为随钻光谱仪的结构示意图一；

图2为随钻光谱仪的结构示意图二；

图3为双椭球体的反射镜结构示意图一；

图4为双椭球体的反射镜结构示意图二；

以上各图中：1、钻杆；2、反射镜；2.1、第一反射镜；2.2、第二反射镜；3、光源；4、探测器；4.1、油气检测单元；4.2、参比检测单元；5、检测通道；5.1、第一检测通道；5.2、第二检测通道；6.1、油气滤波片；6.2、参比滤光片；7、过滤网。

具体实施方式

下面，通过示例性的实施方式对本发明进行具体描述。然而应当理解，在没有进一步叙述的情况下，一个实施方式中的元件、结构和特征也可以有益地结合到其他实施方式中。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“内”、“外”、“上”、“下”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

如图1、图2所示，随钻光谱仪，安装在钻杆1上，包括反射镜2，反射镜2为椭球体。

反射镜2的一个焦点上设置有光源3，另一个焦点上设置有能够接收到光源3发出的光线的探测器4。

反射镜2上设置有能使钻井液穿过的检测通道5，检测通道5位于光源3和探测器4之间。

反射镜2中光源3的光束可以直达探测器4，也可以经过反射镜2的反射到达探测器4，两种途径到达探测器4的光都穿透了检测通道5中的钻井液。

反射镜2包括第一反射镜2.1和第二反射镜2.2。

第一反射镜2.1上的第一检测通道5.1位于钻杆1的内腔中，第二反射镜2.2上的第二检测通道5.2位于钻杆1外。

钻探过程中钻井液沿钻杆1内腔从井上向下灌下，部分经过第一检测通道5.1。第一反射镜2.1中光源3发出的光穿过第一检测通道5.1内的钻井液后，被第一反射镜2.1中的第一探测器接收。由于此时钻井液中没有油气成分，在波长λ_ON处无特征吸收，第一探测器测得第一检测通道5.1的透射率T_i。波长λ_ON根据油气成分设定。

滑下的钻井液为螺杆钻具提供动力，并从钻头流出，携带钻头产生的碎石屑等物质，经过钻杆1外壁和井壁之间的间隙流回井上，部分经过第二检测通道5.2。第二反射镜2.2中光源发出的光以同样穿过第二检测通道5.2的钻井液后，被第二反射镜2.2中的第二探测器接收。当钻头行进到油气层时，油气成分就会混合到钻井液中，在第二检测通道5.2中能够在波长λ_ON处测量到含油气成分的吸收，第二探测器测得第二检测通道5.2的透射率T_O。

根据比尔—郎伯定律数学表达式：

A＝lg(1/T)＝Kbc；

公式中，A为吸光度；T为透射率，即透射光强度比上入射光强度；K为摩尔吸收系数，与吸收物质的性质及入射光的波长λ有关；c为吸光物质的浓度；b为吸收层厚度

钻杆1内、外的透射率T_i、T_O已检测出，检测通道的厚度作为吸收层厚度，而摩尔吸收系数k可以通过查光谱数据库如HITRAN获得或者通过仪器标定过程中线性拟合出的模型中获得，从而根据比尔—郎伯定律，推算出油气的浓度。

为了检测出钻杆1内、外的透射率T_i、T_O，探测器4包括油气检测单元4.1和参比检测单元4.2。

油气检测单元4.1上安装有能够使油气成分吸收峰的波长λ_ON通过的油气滤波片6.1。参比检测单元4.2安装有使钻井液中物质的波长λ_OFF都能够通过的参比滤光片6.2，参比滤光片6.2对钻井液中的任何物质均无吸收。

第一反射镜2.1中，第一探测器测量第一检测通道5.1的第一油气检测单元和第一参比检测单元，分别检测到透射光强I_{i_ON}和I_{i_OFF}，从而得到第一检测通道5.1的透射率：T_i＝I_{i_ON}/I_{i_OFF}。

第二反射镜2.2中，第二探测器测量第二检测通道5.2的第二油气检测单元和第二参比检测单元，分别检测到透射光强

和

从而得到第二检测通道5.2的透射率：

为了增强检测分析的灵敏度，能够对透射率采用差分处理，第一检测通道5.1的厚度与第二检测通道5.2的厚度相同，使两个检测通道光程长相同，吸收层厚度相同。

透射率差分处理，T＝T₀-T_i，并直接代入比尔—郎伯定律数学表达式，得出油气的浓度。

由于测量的介质是钻井液，即使没有油气的特质吸收，一般性的散射损失也比较大。相比说来，油气的特质吸收比较小，差分处理后只保留了钻探过程新产生的油气的吸收信号，增强了分析的灵敏度。

反射镜固定在外壳中，其结构可设置成多种。

实施例一：

如图1所示，第一反射镜2.1和第二反射镜2.2单独设置。

实施例二：

如图2所示，第一反射镜2.1和第二反射镜2.2相连形成双椭球形的一体结构。

由于光源3和探测器4分别位于椭球体的两个焦点上，第一反射镜2.1中的第一光源发出的光只能被第一探测器接收，而第二反射镜2.2中的第二光源发出的光只能被第二探测器接收。两个反射镜相连，但检测光路不会相互干扰。

为了使光源保持一致，保证检测准确性，如图2至4所示，第一反射镜2.1的一个焦点与第二反射镜2.2的一个焦点重合，第一反射镜2.1与第二反射镜2.2采用同一个光源3，光源3设置在相互重合的焦点上。

避免由于两个反射镜光源存在差异，进一步导致两个反射镜中探测器检测到的透射光强形成差异，增大检测误差。

为了减小一体结构的反射镜的体积，第一反射镜2.1和第二反射镜2.2的焦点均位于同一直线上。第一反射镜2.1和第二反射镜2.2重合程度更高，是两个反射镜组成一体结构后体积更小，更加便于安装到钻杆1上。

为了避免钻井液中固体的砂石等杂物进入检测通道，检测通道5上设置有能够阻挡固体进入到反射镜内的过滤网7。

砂石等固体杂物进入检测通道，会直接遮挡光线，使感测器检测到的透射率降低，直接影响设备的检测准确度。

由于钻井液在钻杆1内自上而下流动，第一检测通道5.1上端需设置过滤网7。而携带钻头产生的碎石屑等物质，经过钻杆1外壁和井壁之间的间隙自下而上流回井上，第二检测通道5.2下端需设置过滤网7。

为了使光源3始终按照设定的谱型辐射，保证测量结果的稳定性，随钻光谱仪还包括控制光源3的控制器以及与控制器相连并能够测量检测通道5温度的测温元件。

光源3为工作在高温的黑体辐射光源，黑体辐射光源采用MEMS传感器，使用一层薄膜电阻片，内部是纳米结构的钻石形状的非晶碳原子，是纯阻性器件。

光源3使用脉冲调制，并且对探测器4通过锁相放大器用同样的频率解调，降低闪烁噪声(1/f噪声)。

以测量油气中甲烷的浓度为例，需要将光源的温度稳定在575℃，辐射峰值位于甲烷的吸收峰处，从而保证测量结果的稳定性。

通过实验法，将辐射源温度始终控制在575℃，记录相对应的环境温度T_R与驱动电流I，得出实验表格，并进行函数拟合即I＝f(T_R)。

测温元件测量第一检测通道5.1和第二检测通道5.2的环境温度，控制器根据测得的环境温度以及函数拟合得出的公式，控制光源3的驱动电流相应变化，从而使光源3的温度稳定在575℃上，进而将光源3的能谱分布聚集在3到4微米的甲烷等有机气体的强吸收区，同时维持它们足够的发射强度，使光源3始终按照设定的谱型辐射，保证测量结果的稳定性。

Claims (8)

1.一种随钻光谱仪，安装在钻杆(1)上，其特征在于，包括反射镜(2)，所述反射镜(2)为椭球体，

所述反射镜(2)的一个焦点上设置有光源(3)，另一个焦点上设置有能够接收到光源(3)发出的光线的探测器(4)；

所述反射镜(2)上设置有能使钻井液穿过的检测通道(5)，所述检测通道(5)位于光源(3)和探测器(4)之间，

所述反射镜(2)包括第一反射镜(2.1)和第二反射镜(2.2)，所述第一反射镜(2.1)上的第一检测通道(5.1)位于钻杆(1)的内腔中，所述第二反射镜(2.2)上的第二检测通道(5.2)位于钻杆(1)外。

2.根据权利要求1所述的随钻光谱仪，其特征在于，所述探测器(4)包括油气检测单元(4.1)和参比检测单元(4.2)，所述油气检测单元(4.1)上安装有能够使油气成分吸收峰的波长通过的油气滤波片(6.1)，所述参比检测单元(4.2)安装有使钻井液中物质的波长都能够通过的参比滤光片(6.2)。

3.根据权利要求1所述的随钻光谱仪，其特征在于，所述第一检测通道(5.1)的厚度与第二检测通道(5.2)的厚度相同。

4.根据权利要求1所述的随钻光谱仪，其特征在于，所述的第一反射镜(2.1)和第二反射镜(2.2)相连形成双椭球形的一体结构。

5.根据权利要求4所述的随钻光谱仪，其特征在于，所述第一反射镜(2.1)的一个焦点与第二反射镜(2.2)的一个焦点重合，所述第一反射镜(2.1)与第二反射镜(2.2)采用同一个光源(3)，光源(3)设置在相互重合的焦点上。

6.根据权利要求4或5所述的随钻光谱仪，其特征在于，所述第一反射镜(2.1)和第二反射镜(2.2)的焦点均位于同一直线上。

7.根据权利要求1所述的随钻光谱仪，其特征在于，所述检测通道(5)上设置有能够阻挡固体进入到反射镜内的过滤网(7)。

8.根据权利要求1所述的随钻光谱仪，其特征在于，进一步包括控制光源(3)的控制器以及与控制器相连并能够测量检测通道(5)温度的测温元件。

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