CN112697914A - 一种录井用稳定碳同位素分析装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种录井用稳定碳同位素分析装置与方法，装置包括：气体获取装置、CRDS衰荡腔、中波红外探测器、信号放大器、数模信号转换器、显示单元、激光驱动器、中波红外量子级激光器以及气泵；气体获取装置包括相连的色谱仪引出单元以及水汽吸收单元；CRDS衰荡腔与水汽吸收单元相连，CRDS衰荡腔获取与气泵相连；中波红外探测器获取CRDS衰荡腔所发出的红外信号，并与信号放大器相连；信号放大器与数模信号转换器相连，数模信号转换器与显示单元相连；激光驱动器用于驱动中波红外量子级激光器工作。通过本发明提供的方法及装置可以对甲烷、乙烷、丙烷的同位素的实时分析，并且开放性好、构造更加简洁轻便、稳定性高、测量种类更加多样。

Description

一种录井用稳定碳同位素分析装置及方法

技术领域

本发明涉及录井和钻井的技术领域，尤其是涉及一种录井用稳定碳同 位素分析装置及方法。

背景技术

随着美国页岩气革命的兴起，近年来国内外逐渐重视稳定碳同位素分 析技术在油气勘探开发中的现场应用。在钻井过程中，同位素录井技术对 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。以天然气稳定碳同位素 分析为例，天然气分子同位素组成不仅与其母质的物质组成有关，而且与 生物化学过程或热演化过程中的同位素分馏作用有关，同时与运移、成藏过程及其他次生变化息息相关。国内外常见的气体同位素分析需要将现场 的样品运送至实验室，样品的分析周期通常需要数周甚至更长的时间。由 于实验室同位素分析周期较长，导致同位素数据失去了对录井现场工作的 指导意义。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种录井用稳定碳同位素分析装置 及方法，以对甲烷、乙烷、丙烷的同位素的实时分析，并且开放性好、构 造更加简洁轻便、稳定性高、测量种类更加多样，能够更好的服务于页岩 油气的勘探开发和钻井行业。

优选的，本发明实施例提供了一种录井用稳定碳同位素分析装置，包 括：

气体获取装置、CRDS衰荡腔、中波红外探测器、信号放大器、数模 信号转换器、显示单元、激光驱动器、中波红外量子级激光器以及气泵；

所述气体获取装置包括相连的色谱仪引出单元以及水汽吸收单元；

所述CRDS衰荡腔与所述水汽吸收单元相连，所述CRDS衰荡腔获取 与所述气泵相连；

所述中波红外探测器获取所述CRDS衰荡腔所发出的红外信号，并与 所述信号放大器相连；

所述信号放大器与所述数模信号转换器相连，所述数模信号转换器与 所述显示单元相连；

所述激光驱动器用于驱动所述中波红外量子级激光器工作。

优选的，所述CRDS衰荡腔包括腔体、CRD高反射率反射镜；

所述CRD高反射率反射镜的数量为两个，所述腔体的两端各安装有一 个所述CRD高反射率反射镜，所述腔体采用光胶与所述CRD高反射率反 射镜相连。

另一方面，本发明提供了一种录井用稳定碳同位素分析装置的录井用 稳定碳同位素分析方法，具体包括如下步骤：

S1同位素分析气体获取：获取样本气体并利用定量管截取定量的样本 气体，所述定量的样本气体经过预测谱柱分离以及主色谱柱最终分离后进 入鉴定器进行燃烧电离以获取同位素分析气体

S2同位素分析气体：所述激光驱动器驱动所述中波红外量子级激光器 工作，所述同位素分析气体经所述气体获取装置进入所述CRDS衰荡腔， 并使所述中波红外量子级激光器与所述CRDS衰荡腔共振；

S3中波红外量子级激光器探测：所述中波红外探测器获取所述CRDS 衰荡腔溢出的光强；

S4信号转换信号处理：所述信号放大器获取中波红外探测器采集的电 信号并进行放大，所述数模信号转换器对放大后的信号进行信号处理。

本发明实施例带来了以下有益效果：发明提供了一种录井用稳定碳同 位素分析装置与方法，装置包括：气体获取装置、CRDS衰荡腔、中波红外 探测器、信号放大器、数模信号转换器、显示单元、激光驱动器、中波红 外量子级激光器以及气泵；气体获取装置包括相连的色谱仪引出单元以及 水汽吸收单元；CRDS衰荡腔与水汽吸收单元相连，CRDS衰荡腔获取与气 泵相连；中波红外探测器获取CRDS衰荡腔所发出的红外信号，并与信号 放大器相连；信号放大器与数模信号转换器相连，数模信号转换器与显示 单元相连；激光驱动器用于驱动中波红外量子级激光器工作。通过本发明 提供的方法及装置可以对甲烷、乙烷、丙烷的同位素的实时分析，并且开 放性好、构造更加简洁轻便、稳定性高、测量种类更加多样，能够更好的 服务于页岩油气的勘探开发和钻井行业。

本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从 说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其 他优点在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实 施例，并配合所附附图，作详细说明如下。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下 面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍， 显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普 通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获 得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种录井用稳定碳同位素分析装置结构图；

图2为本发明实施例提供的一种录井用稳定碳同位素分析方法流程图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附 图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是 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。

目前，实验室同位素分析周期较长，导致同位素数据失去了对录井现 场工作的指导意义，基于此，本发明实施例提供的一种录井用稳定碳同位 素分析装置及方法，可以对甲烷、乙烷、丙烷的同位素的实时分析，并且 开放性好、构造更加简洁轻便、稳定性高、测量种类更加多样。能够更好 的服务于页岩油气的勘探开发和钻井行业。

为便于对本实施例进行理解，首先对本发明实施例所公开的一种录井 用稳定碳同位素分析装置进行详细介绍。

实施例一：

本发明是实施例一提供了一种录井用稳定碳同位素分析装置，包括：

气体获取装置、CRDS衰荡腔、中波红外探测器、信号放大器、数模 信号转换器、显示单元、激光驱动器、中波红外量子级激光器以及气泵；

所述气体获取装置包括相连的色谱仪引出单元以及水汽吸收单元；

所述CRDS衰荡腔与所述水汽吸收单元相连，所述CRDS衰荡腔获取 与所述气泵相连；

所述中波红外探测器获取所述CRDS衰荡腔所发出的红外信号，并与 所述信号放大器相连；

所述信号放大器与所述数模信号转换器相连，所述数模信号转换器与 所述显示单元相连；

所述激光驱动器用于驱动所述中波红外量子级激光器工作。

优选的，所述CRDS衰荡腔包括腔体、CRD高反射率反射镜；

所述CRD高反射率反射镜的数量为两个，所述腔体的两端各安装有一 个所述CRD高反射率反射镜，所述腔体采用光胶与所述CRD高反射率反 射镜相连。

实施例二：

本发明实施例二提供了一种采录井用稳定碳同位素分析装置的录井用 稳定碳同位素分析方法，具体包括如下步骤：

S1同位素分析气体获取：获取样本气体并利用定量管截取定量的样本 气体，所述定量的样本气体经过预测谱柱分离以及主色谱柱最终分离后进 入鉴定器进行燃烧电离以获取同位素分析气体；

进一步的，由样品泵连续抽取钻井液中脱出的样品气，经过压力控制 模块后，由氢气作为载气送达定量分析与反吹控制系统，具体定量分析与 反吹控制系统由定量管、十通转阀、预色谱柱组成；

同时，还应设有恒温系统，恒温系统主要由恒温箱、加热装置、恒温 控制电路组成，作用就是让定量管、十通转阀、色谱柱和鉴定器在恒温状 态下工作，避免温度变化影响色谱柱分离效果和鉴定器工作的稳定性

S2同位素分析气体：所述激光驱动器驱动所述中波红外量子级激光器 工作，所述同位素分析气体经所述气体获取装置进入所述CRDS衰荡腔， 并使所述中波红外量子级激光器与所述CRDS衰荡腔共振；

进一步的，所述中波红外量子级激光器包括激光器、光隔离器、光纤 准直器等，激光器采用可调谐激光器采用中波红外DBR量子级联激光器 (4.3um)，中心波长4300nm，激发电流优化在240mA-280mA，反射率 99.99％，带宽4200-4400nm，直径1"，曲率半径1m；

采用QCL、TEC直流电源，最大功率为195W；

激光器发出的激光经光隔离器后，从光纤输出到自由空间场时会有很 大的发散角；、采用一个光纤准直器将发散光变换为近似的平行光束，光纤 准直器的输入端为FC/APC接口，输出透镜孔径约为

焦距为 8mm，1578nm处准直器出射激光的光斑半径为0.75mm、发散角为0.075°。 根据这些参数，可将其等效为某激光腔的出射光。此时，根据高斯光束的 特征参数，可算得激光的高斯光腰位于出射镜面处，腰斑半径为0.75mm；

进一步的，光腔采用钛合金作为腔体，腔体坚固稳定且腔长较短，腔 长为360mm，腔内孔径约为φ1mm，腔体两端面抛光，构成谐振腔的两面 CRD高反射率反射镜以光胶方式固定在腔体两端，选择曲率半径为10m的 腔镜，当激光和谐振腔的模式共振时，腔内光强会因相长干涉迅速增强。 然后激光被迅速切断，利用中波红外探测器探测从腔中逸出光强的指数衰 减；

S3中波红外量子级激光器探测：所述中波红外探测器获取所述CRDS 衰荡腔溢出的光强；

具体的，所述中波红外量子级激光器将光信号转化为电信号；

S4信号转换信号处理：所述信号放大器获取中波红外探测器采集的电 信号并进行放大，所述数模信号转换器对放大后的信号进行信号处理，利 用同位素标记法对¹³C含量进行测量。

具体的，利用同位素分析法对经过处理的¹³C页岩气的探测中，碳同位 素“反序”程度与页岩含气量有很好的正相关性：1、完全反转： δ¹³C₁>δ¹³C₂>δ¹³C；2、部分反转：甲烷碳同位素组成δ¹³C₁＞乙烷碳同位素 组成(δ¹³C₂)。同位素组成的变化与生成的游离气量和总气量有一定的关系， 由此可根据同位素组成变化来预测游离气与吸附气的相对含量。

除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对步 骤、数字表达式和数值并不限制本发明的范围。

所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述 描述的系统和装置的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过 程，在此不再赘述。

附图中的流程图和框图显示了根据本发明的多个实施例的系统、方法 和计算机程序产品的可能实现的体系架构、功能和操作。在这点上，流程 图或框图中的每个方框可以代表一个模块、程序段或代码的一部分，所述 模块、程序段或代码的一部分包含一个或多个用于实现规定的逻辑功能的 可执行指令。也应当注意，在有些作为替换的实现中，方框中所标注的功 能也可以以不同于附图中所标注的顺序发生。例如，两个连续的方框实际上可以基本并行地执行，它们有时也可以按相反的顺序执行，这依所涉及 的功能而定。也要注意的是，框图和/或流程图中的每个方框、以及框图和/ 或流程图中的方框的组合，可以用执行规定的功能或动作的专用的基于硬 件的系统来实现，或者可以用专用硬件与计算机指令的组合来实现。

另外，在本发明实施例的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“安 装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，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。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、 “右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”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”、“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。

最后应说明的是：以上所述实施例，仅为本发明的具体实施方式，用 以说明本发明的技术方案，而非对其限制，本发明的保护范围并不局限于 此，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术 人员应当理解：任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围 内，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变 化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围，都 应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利 要求的保护范围为准。

Claims (3)

1.一种录井用稳定碳同位素分析装置，其特征在于，包括：

气体获取装置、CRDS衰荡腔、中波红外探测器、信号放大器、数模信号转换器、显示单元、激光驱动器、中波红外量子级激光器以及气泵；

所述气体获取装置包括相连的色谱仪引出单元以及水汽吸收单元；

所述CRDS衰荡腔与所述水汽吸收单元相连，所述CRDS衰荡腔获取与所述气泵相连；

所述中波红外探测器获取所述CRDS衰荡腔所发出的红外信号，并与所述信号放大器相连；

所述信号放大器与所述数模信号转换器相连，所述数模信号转换器与所述显示单元相连；

所述激光驱动器用于驱动所述中波红外量子级激光器工作。

2.根据权利要求1所述的一种录井用稳定碳同位素分析装置，所述CRDS衰荡腔包括腔体、CRD高反射率反射镜；

所述CRD高反射率反射镜的数量为两个，所述腔体的两端各安装有一个所述CRD高反射率反射镜，所述腔体采用光胶与所述CRD高反射率反射镜相连。

3.一种采用权利要求1所述的录井用稳定碳同位素分析装置的录井用稳定碳同位素分析方法，其特征在于，具体包括如下步骤：

S1同位素分析气体获取：获取样本气体并利用定量管截取定量的样本气体，所述定量的样本气体经过预测谱柱分离以及主色谱柱最终分离后进入鉴定器进行燃烧电离以获取同位素分析气体

S2同位素分析气体：所述激光驱动器驱动所述中波红外量子级激光器工作，所述同位素分析气体经所述气体获取装置进入所述CRDS衰荡腔，并使所述中波红外量子级激光器与所述CRDS衰荡腔共振；

S3中波红外量子级激光器探测：所述中波红外探测器获取所述CRDS衰荡腔溢出的光强；

S4信号转换信号处理：所述信号放大器获取中波红外探测器采集的电信号并进行放大，所述数模信号转换器对放大后的信号进行信号处理，利用同位素标记法对¹³C含量进行测量。

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