CN112505209A - 用于录井现场测量碳同位素的气相色谱—同位素分析联用装置 - Google Patents

用于录井现场测量碳同位素的气相色谱—同位素分析联用装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于录井现场测量碳同位素的气相色谱—同位素分析联用装置，包括气相色谱仪、同位素分析仪，在气相色谱仪的鉴定器的排出口与同位素分析仪的进样口之间设置有控制流速的蠕动泵和控制温湿度的电子冷凝器，蠕动泵收集鉴定器中烃类气体燃烧生成的二氧化碳气体并控制流速，通过电子冷凝器控制温湿度后送达同位素分析仪进行碳同位素测量；气相色谱仪的预色谱柱、主色谱柱采用填充柱，色谱柱口径φ3mm，预色谱柱柱长2.5m，主色谱柱柱长5m，色谱柱内填充60‑80目13X分子筛。本发明能够实现录井现场实时连续测量钻井液中轻烃含量及其所含甲烷、乙烷、丙烷碳同位素含量。满足同位素分析对单一气体间分离度以及温湿度的技术条件。

Description

用于录井现场测量碳同位素的气相色谱—同位素分析联用 装置
技术领域
本发明涉及石油地质勘探开发领域，尤其是一种用于录井现场测量碳同位素的气相色谱—同位素分析联用装置，用于页岩油及页岩气以及煤成气开发。
背景技术
气相色谱仪是石油勘探开发作业现场测量烃类气体的录井仪器，主要包括气路控制模块、定量管、预色谱柱、主色谱柱、10通转阀、恒温箱、鉴定器以及定量采集模块，其工作流程为样品气经过压力控制模块后，由氢气作为载气，经过定量管截取的样品气先经过预色谱柱初步分离和主色谱柱最终分离，到达鉴定器进行燃烧电离，电离信号经定量采集模块得到甲烷、乙烷和丙烷含量。
同位素分析仪是录井过程中实时测量C1、C2、C3的稳定碳同位素信息的仪器，采用光腔衰荡光谱(CRDS)原理开发，该录井技术在海洋石油和页岩油气勘探开发中有独特优势，
目前录井现场普遍采用FID气相色谱仪来监测烃类气体含量，如果能够收集烃类气体燃烧生成的二氧化碳进行碳同位素测量，也就提高了录井技术含量，能发现隐藏在烃类气体内常规气相色谱仪不能发现的大量信息，有提升油气勘探开发现场应用技术的重要意义。
同位素分析仪对单一气体测量时间较长，所以不同气体之间间隔不能低于30秒，而目前应用于现场的气相色谱仪均为快速色谱仪，甲烷和乙烷的分离时间间隔仅为1-2秒，不能满足要求。鉴定器为开放的气体出口，处于放空状态，而现在要收集燃烧后生成的二氧化碳气体，高温高湿以及管路变径造成的气体流速变化都会影响碳同位素仪的分析测量。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，提供一种用于录井现场测量碳同位素的气相色谱—同位素分析联用装置，满足同位素分析对单一气体间分离时间间隔和温湿度的技术条件。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种用于录井现场测量碳同位素的气相色谱—同位素分析联用装置，包括气相色谱仪、同位素分析仪，在气相色谱仪的鉴定器的排出口与同位素分析仪的进样口之间设置有控制流速的蠕动泵和控制温湿度的电子冷凝器，蠕动泵收集鉴定器中烃类气体燃烧生成的二氧化碳气体并控制流速，通过电子冷凝器控制温湿度后送达同位素分析仪进行碳同位素测量；气相色谱仪的预色谱柱、主色谱柱采用填充柱，色谱柱口径φ3mm，预色谱柱柱长2.5m，主色谱柱柱长5m，色谱柱内填充60-80目13X分子筛。
所述气相色谱仪样品气流量为0.04MPa、104ml/min，由氢气作为载气的载气流量控制在0.25MPa、20ml/min。
通过调节蠕动泵转速控制流量，使蠕动泵和鉴定器流出的气体流量相等。
所述电子冷凝器出口气体温度在25℃以下，相对湿度要求在20％RH以下。
本发明的有益效果是：能够实现录井现场实时连续测量钻井液中轻烃含量及其所含甲烷、乙烷、丙烷碳同位素含量。提供稳流、稳压及干燥的二氧化碳气体送达同位素分析仪，满足同位素分析对单一气体间分离度以及温湿度的技术条件。
附图说明
图1是本发明的用于录井现场测量碳同位素的气相色谱—同位素分析联用装置的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述；显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”、“顶/底端”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，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”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“设置有”、“套设/接”、“连接”等，应做广义理解，例如“连接”，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
本发明的气相色谱仪、同位素分析仪的工作原理与现有技术是相同的，可以参考现有技术，所以不再叙述，本发明与现有技术的不同点是气相色谱仪的预色谱柱、主色谱柱的参数和填料不同，另外在气相色谱仪、同位素分析仪增加了调节流速和温湿度的部件，下面进行详细的说明：
如图1所示，本发明的用于录井现场测量碳同位素的气相色谱—同位素分析联用装置，包括气相色谱仪、同位素分析仪，在气相色谱仪1的鉴定器1-3的排出口与同位素分析仪2的进样口之间设置有控制流速的蠕动泵3和控制温湿度的电子冷凝器4，蠕动泵3收集鉴定器1-3中烃类气体燃烧生成的二氧化碳气体并控制流速，通过电子冷凝器4控制温湿度后送达同位素分析仪进行碳同位素测量；气相色谱仪的预色谱柱1-1、主色谱柱1-2采用填充柱，色谱柱口径φ3mm，预色谱柱柱长2.5m，主色谱柱柱长5m，色谱柱内填充60-80目13X分子筛。
所述气相色谱仪1样品气流量为0.04MPa、104ml/min，由氢气作为载气的载气流量控制在0.25MPa、20ml/min。
通过调节蠕动泵3转速控制流量，使蠕动泵3和鉴定器1-3流出的气体流量相等。
所述电子冷凝器4出口气体温度在25℃以下，相对湿度要求在20％RH以下。
本发明通过蠕动泵控制流速送达同位素分析仪进行碳同位素测量。电子冷凝器选用CEMS电子冷凝器，控制输出温度和湿度在一定范围，满足同位素分析仪的技术条件。本发明是在常规气相色谱仪的基础上进行设计改造，使之满足同位素分析仪对测量气体分离度、周期、温湿度等要求。不但能够实时测量钻井施工过程中随钻井液返出的甲烷、乙烷和丙烷气体的定量数据，为现场提供烃类气体异常监测，同时将甲烷、乙烷、丙烷气体燃烧后生成的二氧化碳气体输送到同位素分析仪，测量甲烷碳同位素(δ13C1)、乙烷碳同位素(δ13C2)、丙烷碳同位素(δ13C3)的相对含量。通过对碳同位素的测量，对于判别天然气性质及成因、油藏内生物降解研究，生油岩成熟度分析、气油源对比、断层封闭性质等方面具有独特的优势。同位素分析仪对单一气体测量时间较长，不同气体之间间隔不能低于30秒，本发明从填充材料到色谱柱长度以及载气压力的调整，来保证各气体间的分离度。鉴定器的结构和后端的气体管路连接会造成气体堆积，同样不利于同位素仪对检测气体的分析。并且在燃烧过程中会产生水蒸气，这样高温高湿的气体同样不适应同位素分析仪的技术条件。在鉴定器后端增加一个精密蠕动泵来控制流速，并增加温湿度控制系统，使输送到同位素分析仪的气体达到稳流、稳压、干燥的技术条件。
下面结合具体实例进行说明：
一、样品气进样与分离
首先由样品泵抽取样品气并进行稳压控制调节，样品气流量控制在0.04MPa、104ml/min。由氢气作为载气，载气流量控制在0.25MPa、20ml/min,携带样品气进入定量管→预色谱柱→主色谱柱进行烃类气体分离。定量管是保证每个周期检测气体进样量相同。色谱柱采用填充柱，色谱柱口径∮3mm，预色谱柱柱长2.5m。主色谱柱柱长5m，色谱柱内填充轻烃分离效果较好的60-80目13X分子筛。经过测试，甲烷和乙烷间隔三十秒，乙烷和丙烷间隔90秒。整个周期为300秒，达到了预期设计目的。设置预色谱柱是为了避免现场长期使用重烃组分污染造成柱效降低，当丙烷分离出来后进行反吹，将异丁烷及以后的重烃组分放空。定量管、预色谱柱、放空、主色谱柱的工作过程通过10通转阀来进行周期控制，将这些部件和鉴定器统一放置在一个恒温箱内，保证其整体工作的稳定性。
二、烃组分燃烧与定量采集
从主色谱柱分离出来的单一组分进入鉴定器(燃烧室)，燃气流量控制在0.2MPa、10ml/min，助燃空气流量控制在0.15MPa、310ml/min。甲烷、乙烷、丙烷等烃组分在燃烧电离后生成的离子流被进行信号放大，由ARM平台和相应软硬件系统得到甲烷、乙烷和丙烷的定量采集数据，作为对应碳同位素含量的依据。
三、气体采集与温湿度控制
甲烷、乙烷、丙烷等烃组分燃烧后生成的二氧化碳以及助燃空气混合通过蠕动泵抽取输送到同位素分析仪。蠕动泵采用河北保定齐力恒流泵有限公司生产的BT300-02YZ2515型，通过调节转速精确控制流量，使之和鉴定器流出的气体流量相等。这样就避免因为鉴定器构造和连接管线变径造成的气体堆积，使每个组分燃烧生成的二氧化碳间隔时间同各组分经过色谱柱的分离时间一致。同位素分析仪对不同组分生成的碳同位素的分析间隔时间也相应可控。而空气中的二氧化碳含量是相对稳定的，可在同位素分析仪进行背景值扣除。鉴定器是密闭性空间，气体燃烧会产生高温和水蒸气，同位素分析仪对检测气体的温度要求在25℃以下，相对湿度要求在20％RH以下。所以在输送管线上设置半导体电子冷凝器，选用江苏无锡稳安电子有限公司生产的YNLN-200型CEMS电子除湿冷凝器，其各项参数指标完全符合需求。出口温度在5℃，相对湿度在10％RH。使输送的样品气符合同位素分析仪的技术要求。
本发明是在常规气相色谱仪的基础上进行设计改造，使之满足同位素分析仪对测量气体分离度、周期、温湿度等要求。该装置不但能够实时测量钻井施工过程中随钻井液返出的甲烷、乙烷和丙烷气体的定量数据，为现场提供烃类气体异常监测，同时将甲烷、乙烷、丙烷气体燃烧后生成的二氧化碳气体输送到同位素分析仪，测量甲烷碳同位素(δ13C1)、乙烷碳同位素(δ13C2)、丙烷碳同位素(δ13C3)的相对含量。通过对碳同位素的测量，对于判别天然气性质及成因、油藏内生物降解研究，生油岩成熟度分析、气油源对比、断层封闭性质等方面具有独特的优势。
综上所述，本发明的内容并不局限在上述的实施例中，相同领域内的有识之士可以在本发明的技术指导思想之内可以轻易提出其他的实施例，但这种实施例都包括在本发明的范围之内。

Claims (4)

1.一种用于录井现场测量碳同位素的气相色谱—同位素分析联用装置，包括气相色谱仪、同位素分析仪，其特征在于，在气相色谱仪(1)的鉴定器(1-3)的排出口与同位素分析仪(2)的进样口之间设置有控制流速的蠕动泵(3)和控制温湿度的电子冷凝器(4)，蠕动泵(3)收集鉴定器(1-3)中烃类气体燃烧生成的二氧化碳气体并控制流速，通过电子冷凝器(4)控制温湿度后送达同位素分析仪进行碳同位素测量；气相色谱仪的预色谱柱(1-1)、主色谱柱(1-2)采用填充柱，色谱柱口径φ3mm，预色谱柱柱长2.5m，主色谱柱柱长5m，色谱柱内填充60-80目13X分子筛。
2.根据权利要求1所述用于录井现场测量碳同位素的气相色谱—同位素分析联用装置，其特征在于，所述气相色谱仪(1)样品气流量为0.04MPa、104ml/min，由氢气作为载气的载气流量控制在0.25MPa、20ml/min。
3.根据权利要求1所述用于录井现场测量碳同位素的气相色谱—同位素分析联用装置，其特征在于，通过调节蠕动泵(3)转速控制流量，使蠕动泵(3)和鉴定器(1-3)流出的气体流量相等。
4.根据权利要求1所述用于录井现场测量碳同位素的气相色谱—同位素分析联用装置，其特征在于，所述电子冷凝器(4)出口气体温度在25℃以下，相对湿度要求在20％RH以下。
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