CN108519349A - 油田注汽多元热流体组分co2和h2o浓度在线检测实验装置 - Google Patents

油田注汽多元热流体组分co2和h2o浓度在线检测实验装置 Download PDF

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Abstract

本发明属于气体浓度检测设备技术领域，具体涉及一种油田注汽多元热流体组分CO2和H2O浓度在线检测实验装置，包括油田注汽多元热流体发生器、检测气室、光源发射模块、信号接收模块、注汽多元热流体产生模块和废气处理模块；光源发射模块包括第一激光二极管、第二激光二极管、光纤合束器、单模光纤和发射光纤透镜；信号接收模块包括聚焦反射镜、光电检测器、和计算机数据处理模块、多模光纤、衍射光栅和接收光纤透镜；油田注汽多元热流体产生模块包括供水泵、水处理装置、空气压缩机、供油泵和电点火；检测气室内设有上、下两组反射棱镜阵列。本装置用于实现对多元热流体发生器产生的CO2和H2O的浓度进行在线检测。

Description

油田注汽多元热流体组分CO2和H2O浓度在线检测实验装置
技术领域：
本发明属于气体浓度检测设备技术领域，具体涉及一种油田注汽多元热流体组分CO2和H2O浓度在线检测实验装置。
背景技术：
多元热流体吞吐技术是一种高效的稠油热采技术，其主要利用多元热流体发生器，将注入的燃料（柴油或天然气）和空气在燃烧室中燃烧，依靠产生的高温高压燃气将混合掺入的水汽化，产生多元复合热载体，其主要成分是N2、H2O和CO2。为进一步满足海洋稠油油田高效开采的需求，提高多元热流体的注入能力，降低热损失，对多元热流体混合气体的浓度检测显得越来越重要。目前用于在线检测多元热流体混合气体浓度的设备仍处于空白区，急需一种响应迅速、检测灵敏度高、混合气体易分辨的气体在线检测装置。可调谐半导体激光吸收光谱技术（Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy）简称为TDLAS技术，是利用激光二极管的波长扫描特性和电流调谐特性，基于激光能量被气体分子选择吸收的原理来检测气体浓度的一种新型气体检测技术，具有灵敏度高、分辨率高、选择性强、响应时间快等优点。随着波长调制技术的应用，虽然在0.75-2.5μm的近红外波段内谱线强度与中红外相比要低的多，但是利用泛频区的吸收谱线所进行的探测已满足很多工业领域内对于气体检测的要求，比如NH3、CH4、CO、CO2、H2O等。
目前可调谐半导体激光吸收光谱技术已成为了非接触式气体在线测量的重要方法，通过扫描气体特征吸收谱线，利用该测量技术可以快速计算得到待测气体的浓度，具有不受背景气体干扰、灵敏度高等优点。基于TDLAS技术的测量方法主要包含直接吸收（Direct Absorption Spectroscopy，DAS）和波长调制（Wavelength ModulationSpectroscopy，WMS）两种。直接吸收法即通过改变激光器调制电流大小对吸收谱线在频域进行扫描，测量经过气体吸收后的激光强度与基线相比较，实现简单、无需标定，但是基线强度的确定对浓度的影响很大，仅适用于吸收线型孤立、吸收线宽窄的情况。而可调谐半导体激光吸收光谱技术与波长调制技术相结合，更适合于在线检测。但是在波长调制测量过程中，气体吸收谱线线型发生变化，无法通过Beer－Lambert定律直接计算得到气体浓度。目前常采用标定的方法，即在稳定的测量环境下得到已知浓度的二次谐波峰值信号，根据二次谐波信号峰值大小来推断气体浓度的变化情况。
发明内容：
本发明的目的是提供一种油田注汽多元热流体组分CO2和H2O浓度在线检测实验装置，基于气体分子选择吸收的原理，通过测量一次谐波信号和二次谐波信号实现快速、高效的检测方法，归一化WMS-2f信号通过一次谐波（1f）信号来解释激光强度，实现对多元热流体发生器产生的CO2和H2O 的浓度进行在线检测。
本发明采用的技术方案为：一种油田注汽多元热流体组分CO2和H2O浓度在线检测实验装置，包括油田注汽多元热流体发生器、检测气室、光源发射模块、信号接收模块、注汽多元热流体产生模块和废气处理模块；所述光源发射模块包括第一激光二极管、第二激光二极管、光纤合束器、单模光纤和发射光纤透镜；所述信号接收模块包括聚焦反射镜、光电检测器、计算机数据处理模块、多模光纤、衍射光栅和接收光纤透镜；所述油田注汽多元热流体产生模块包括供水泵、水处理装置、空气压缩机、供油泵和电点火，供水泵通过连接管与水处理装置连接，水处理装置、空气压缩机和供油泵分别通过连接管与油田注汽多元热流体发生器连接；所述检测气室顶端和底端分别设有入射光纤接头和出射光纤接头，其两侧分别设有进气管和排气管，检测气室内设有上、下两组反射棱镜阵列；所述油田注汽多元热流体发生器与检测气室的进气管连接；所述废气处理模块与排气管连接；所述发射光纤透镜位于入射光纤接头的上方；所述接收光纤透镜位于出射光纤接头的下方。
进一步地，所述反射棱镜阵列为直角等齿距反射棱镜，且两组反射棱镜阵列棱齿呈交错分布，以增加气体吸收光程，反射棱镜表面镀有反射膜。
进一步地，所述第一激光二极管为2004nm-DFB蝶型激光二极管，第二激光二极管为1397nm-DFB蝶型激光二极管。
进一步地，所述聚焦反射镜、光电检测器和接收光纤透镜的数量分别为两个。检测气室的进光孔采用石英玻璃作为窗口，并进行缝隙密封。
进一步地，所述检测气室的进光孔采用石英玻璃作为窗口，并进行缝隙密封。
进一步地，所述进气管与油田注汽多元热流体发生器的连接方式必须保证气密性良好，且吸收口入口增设过滤装置，降低检测气室内因颗粒污染物而导致检测效果下降。
进一步地，所述排气管用于抽取油田注汽多元热流体发生器中的混合气体，将已测混合气体进行废气处理，整个装置在工作前要进行残余气体冲洗及气密性检验，降低混合气体浓度的检测误差。同时设有排气管，将已测混合气体进行废气处理，整个装置保证气密性良好，以免外界环境的干扰。
进一步地，所述信号接收模块将携带待测气体浓度信息的光信号转换为电信号，经计算机数据处理模块反演出不同成分气体浓度。
进一步地，所述废气处理模块的主要成分为水的吸收液，用于将测量后的混合气体进行吸收，避免直接排放造成环境污染。
进一步地，所述供水泵、水处理装置、空气压缩机及供油泵的连接管上安装有阀门。
进一步地，所述进气管和排气管上安装有阀门。
进一步地，水处理装置为水处理过滤器。
本发明的有益效果：
（1）、整个实验装置采用免标定波长调制光谱技术，实现了在高温高压的恶劣环境下，对油田注汽多元热流体组分CO2和H2O浓度进行在线检测，并且避免了各组分气体的相互干扰；
（2）、气体检测气室的光源入射端和信号接收端的内壁面设有等齿距反射棱镜阵列，大大地增加了气体吸收的光程，从而提高实验系统检测精度。
附图说明：
图1是本发明的结构框图；
图2是本发明中检测气室的光路和气路示意图；
图3是本发明中检测气室的结构示意图。
具体实施方式：
参照各图，一种油田注汽多元热流体组分CO2和H2O浓度在线检测实验装置，包括油田注汽多元热流体发生器1、检测气室2、光源发射模块3、信号接收模块4、注汽多元热流体产生模块5和废气处理模块6；所述光源发射模块3包括第一激光二极管31、第二激光二极管32、光纤合束器33、单模光纤34和发射光纤透镜35；所述信号接收模块4包括聚焦反射镜41、光电检测器42、和计算机数据处理模块43、多模光纤44、衍射光栅45和接收光纤透镜46；所述油田注汽多元热流体产生模块5包括供水泵51、水处理装置52、空气压缩机53、供油泵54和电点火55，供水泵51通过连接管与水处理装置52连接，水处理装置52、空气压缩机53和供油泵54分别通过连接管与油田注汽多元热流体发生器1连接；所述检测气室2顶端和底端分别设有入射光纤接头21和出射光纤接头22，其两侧分别设有进气管23和排气管24，检测气室2内设有上、下两组反射棱镜阵列25；所述油田注汽多元热流体发生器1与检测气室2的进气管23连接；所述废气处理模块6与排气管24连接；所述发射光纤透镜35位于入射光纤接头21的上方；所述接收光纤透镜46位于出射光纤接头22的下方；所述反射棱镜阵列25为直角等齿距反射棱镜，且两组反射棱镜阵列25的棱齿呈交错分布，反射棱镜表面镀有反射膜；所述第一激光二极管31为2004nm-DFB蝶型激光二极管，第二激光二极管32为1397nm-DFB蝶型激光二极管；所述聚焦反射镜41、光电检测器42和接收光纤透镜46的数量分别为两个。检测气室2的进光孔采用石英玻璃作为窗口，并进行缝隙密封；所述检测气室2的进光孔采用石英玻璃作为窗口，并进行缝隙密封；所述供水泵51、水处理装置52、空气压缩机53及供油泵54的连接管上安装有阀门；所述进气管23和排气管24上安装有阀门；所述水处理装置52为过滤器。
将油田注汽多元热流体发生器1、检测气室2、光源发射模块3、信号接收模块4、注汽多元热流体产生模块5和废气处理模块6组装成一个整体。供水泵51通过管线连接将水源输送至水处理装置52，水处理装置52、空气压缩机53和供油泵54等均以管线连接的方式将原料输送至油田注汽多元热流体发生器1，同时管线上均设有阀门，以控制原料的输出量，最终利用航天火箭推进器的燃烧喷射机理以电点火55的方式在油田注汽多元热流体发生器1中进行燃烧，产生高温高压的烟道气，形成CO2、水蒸气等组成的高压多元热流体混合物。油田注汽多元热流体发生器1通过进气管23将多元热流体输入检测气室2中进行检测，由于油田注汽多元热流体发生器1中高温高压环境，所述进气管23和排气管24均要求为耐高温、耐高压材质，并设有相应的阀门，阀门与各结构之间采用法兰连接。检测气室2为全封闭式方形管体结构，上端面为光源发射模块3，下端面为信号接收模块4，检测气室2的两端面内壁分别布设有反射棱镜阵列25，两组反射棱镜阵列25的棱齿呈交错分布，使入射光具有长光程，反射镜表面镀有高反射膜，以降低光路传输过程时的光强损耗，从而提高系统检测精度。在线检测实验系统工作时，1397nm-DFB蝶型第二激光二极管32与2004nm-DFB蝶型第一激光二极管31发射激光，利用光纤合束器33对2004nm和1397nm波长的单色光进行耦合，使用光纤合束器33复用了H2O和CO2在2004nm和1397nm的吸收特征，单模光纤34将光束传送到待测气体部分，由发射光纤透镜35射入，横穿测试区后，入射光经过多次反射形成长光程，经待测气体吸收后，并通过接收光纤透镜46准直射入到衍射光栅45上，通过聚焦反射镜41将分散的波长组聚焦到单独的光电检测器42上，将光信号转化为电信号，最终输入计算机数据处理模块43，将检测结果的1f信号用来归一化2f信号来分析反演H2O和CO2的浓度。

Claims (8)

1.一种油田注汽多元热流体组分CO2和H2O浓度在线检测实验装置，其特征在于：包括油田注汽多元热流体发生器（1）、检测气室（2）、光源发射模块（3）、信号接收模块（4）、注汽多元热流体产生模块（5）和废气处理模块（6）；所述光源发射模块（3）包括第一激光二极管（31）、第二激光二极管（32）、光纤合束器（33）、单模光纤（34）和发射光纤透镜（35）；所述信号接收模块（4）包括聚焦反射镜（41）、光电检测器（42）、和计算机数据处理模块（43）、多模光纤（44）、衍射光栅（45）和接收光纤透镜（46）；所述油田注汽多元热流体产生模块（5）包括供水泵（51）、水处理装置（52）、空气压缩机（53）、供油泵（54）和电点火（55），供水泵（51）通过连接管与水处理装置（52）连接，水处理装置（52）、空气压缩机（53）和供油泵（54）分别通过连接管与油田注汽多元热流体发生器（1）连接；所述检测气室（2）顶端和底端分别设有入射光纤接头（21）和出射光纤接头（22），其两侧分别设有进气管（23）和排气管（24），检测气室（2）内设有上、下两组反射棱镜阵列（25）；所述油田注汽多元热流体发生器（1）与检测气室（2）的进气管（23）连接；所述废气处理模块（6）与排气管（24）连接；所述发射光纤透镜（35）位于入射光纤接头（21）的上方；所述接收光纤透镜（46）位于出射光纤接头（22）的下方。
2.根据权利要求1所述的一种油田注汽多元热流体组分CO2和H2O浓度在线检测实验装置，其特征在于：所述反射棱镜阵列（25）为直角等齿距反射棱镜，且两组反射棱镜阵列（25）的棱齿呈交错分布，反射棱镜表面镀有反射膜。
3.根据权利要求1所述的一种油田注汽多元热流体组分CO2和H2O浓度在线检测实验装置，其特征在于：所述第一激光二极管（31）为2004nm-DFB蝶型激光二极管，第二激光二极管（32）为1397nm-DFB蝶型激光二极管。
4.根据权利要求1所述的一种油田注汽多元热流体组分CO2和H2O浓度在线检测实验装置，其特征在于：所述聚焦反射镜（41）、光电检测器（42）和接收光纤透镜（46）的数量分别为两个，检测气室（2）的进光孔采用石英玻璃作为窗口，并进行缝隙密封。
5.根据权利要求1所述的一种油田注汽多元热流体组分CO2和H2O浓度在线检测实验装置，其特征在于：所述检测气室（2）的进光孔采用石英玻璃作为窗口，并进行缝隙密封。
6.根据权利要求1所述的一种油田注汽多元热流体组分CO2和H2O浓度在线检测实验装置，其特征在于：所述供水泵（51）、水处理装置（52）、空气压缩机（53）及供油泵（54）的连接管上安装有阀门。
7.根据权利要求1所述的一种油田注汽多元热流体组分CO2和H2O浓度在线检测实验装置，其特征在于：所述进气管（23）和排气管（24）上安装有阀门。
8.根据权利要求1所述的一种油田注汽多元热流体组分CO2和H2O浓度在线检测实验装置，其特征在于：所述水处理装置（52）为水处理过滤器。
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