CN202614672U - 红外差分吸收光谱法烷烃气体实时在线检测装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及红外差分吸收光谱法烷烃类气体实时在线检测装置，结构为：采集系统的样气或标准气的出气口与长光程气体吸收池进气口相连，长光程气体吸收池的出气口通过出气管连接引出，长光程气体吸收池出光孔的光信号通过光纤与近红外光谱仪相连，上位机与近红外光谱仪相连。本实用新型具有：降低环境因素对分析仪的影响；采用交替式气路调试提高检测系统的稳定性；结合长光程气体吸收池大大降低气体的检测限；能同时检测油气中甲烷、乙烷、丙烷、正丁烷、异丁烷、正戊烷和异戊烷等气体；结构简单、操作方便易于维护、寿命长特点，适于在石油勘探开发地质录井过程中对油气中烷烃类气体的实时在线监测。

Description

红外差分吸收光谱法烷烃气体实时在线检测装置

技术领域

本实用新型涉及一种基于红外差分吸收光谱法的烷烃气体实时在线检测装置，尤其是涉及一种石油勘探开发地质录井过程中烷烃类(主要是甲烷、乙烷、丙烷、正丁烷、异丁烷、正戊烷和异戊烷等)气体的实时在线检测装置。

背景技术

在当今世界诸能源中，石油是最重要的战略资源之一。它不仅是现代经济发展的主要动力，更是一种军事资源和外交资源，是国际关系博弈的筹码。石油现已成为国家经济的命脉，安全的保障，它直接关系到国家的经济发展、政治稳定和国家安全。因此，大力发展我国石油工业，增加油气供给，降低对进口原油、成品油的依赖程度，既符合国民经济能源工业的要求，又有利于维护国家的经济安全。

大力发展石油工业，必须加大石油勘探力度。但石油作为不可再生资源，其形成条件的复杂性和地质构造的多变性，使得勘探是一项风险很大的工程。就目前勘探水平而言，勘探成功率还不够高，这意味着巨大的勘探投资的浪费。因此，如何提高勘探成功率，科学评价勘探效果，有效评价圈闭，准确落实油气藏范围，为油田开发奠定良好的基础，则显得极为重要。在石油地质勘探过程中，物探、钻井、测井、测试、录井是不可分割的相关环节，但如何评价和发现油气层则是勘探过程中最重要的一环，这就决定了录井业在整个石油工业的重要地位。

钻井作为一项工程，对环境的依赖性很大。而对环境的认识，特别是地质环境的认识，只有通过现场信息源获取。录井技术则是这种数据获取的重要手段之一，录井资料在油气田勘探与开发过程中是发现油气层、正确评价油气层最直接、最重要的依据。准确无误地收集钻井信息是录井技术的神圣职责，录井技术被誉为油气勘探的重要参谋。

油气信息实时准确检测是录井工作的首要任务，传统的技术手段是利用气相色谱仪对从钻井液中脱离出的样品气进行分析，检测出其中甲烷、乙烷、丙烷、异丁烷、正丁烷、异戊烷、正戊烷的含量变化情况，进而确定钻遇地层的油气信息。该技术存在以下几个问题：

①辅助设备多。传统的气测油气检测技术除了主要设备外，还必须配备氢气发生器、空气压缩机等辅助设备，故障诱因较多。

②工艺复杂。为了准确检测出钻遇地层含油气信息，在钻进过程中，需要对钻井液中携带的钻遇地层流体中的样品气进行分离，通过管线输送到仪器房内的气象色谱系统进行检测分析。气测录井数据存在有分析周期的同时，还存在有一定的管路延时。

③影响因素多。色谱分析结果容易受现场环境、工艺技术、设备性能等因素影响。

总之，传统的气相色谱法由于其辅助设备多、操作复杂；样品气需要复杂预处理、气测录井数据分析周期存在延时；环境因素的影响较大等原因，不适合应用于石油勘探开发地址录井过程中油气信息的实时在线监测；同时，根据专利文献201020570913、201020570900、200610042282、200510047069和01266677等所述，已经有部分厂家和研究机构将光谱分析引入到石油勘探开发油气检测中，但都存在检测气体种类的局限性、最低检测限、系统的稳定性等问题。

发明内容

本实用新型的目的为了克服上述现有技术存在的问题，而提供一种红外差分吸收光谱法的烷烃气体实时在线检测装置，本实用新型将差分吸收光谱DOAS技术应用的红外气体检测领域来解决目前录井分析仪以及光谱检测技术在石油勘探开发地址录井过程中所遇到的问题。DOAS技术是20世纪70年代发展起来的利用气体分子在某一波段范围内的特征吸收来分析和鉴别气体的种类，并根据吸收光谱强度来反演待测气体的浓度。由于具有原理和结构简单、响应速度快、检测精度高、同一波段能够检测几种不同气体的浓度、可实现非接触和实时在线连续监测等优点，目前广泛地应用于大气化学研究和烟气环境污染气体监测领域。同时，结合长光程气体吸收池技术能够大大的提高仪器的最低检测限；采用交替流动式气路调制技术能够很好的提高系统的稳定性。

本实用新型的上述的技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的：

红外差分吸收光谱法烷烃类气体实时在线检测装置，包括采集系统、长光程气体吸收池、近红外光谱仪、上位机，其特征在于：采集系统的样气或标准气的出气口与长光程气体吸收池进气口相连，长光程气体吸收池的出气口通过出气管连接引出，长光程气体吸收池出光孔的光信号通过光纤与近红外光谱仪相连，上位机与近红外光谱仪相连。

所述的采集系统由样品气进气管、标准气进气管、两个过滤器、两个水气分离单元、交替流动式气路调制机构、真空抽气泵、流量稳定器组成，样品气进气管、标准气进气管分别通过一个过滤器、一个水气分离单元后再与交替流动式气路调制机构相连，交替流动式气路调制机构的出气口再通过真空抽气泵与流量稳定器相连，流量稳定器的出气口与长光程气体吸收池进气口相连。

所述的交替流动式气路调制机构由标准气进气管、样品气进气管、四个电磁阀、两个流量调制器、两个流量传感器、两个流量控制器、出气管组成，标准气进气管、样品气进气管分别并联两个电磁阀，一个电磁阀直接与出气管相连，另一个电磁阀依次通过一个流量调制器、一个流量传感器、一个流量控制器后与出气管相连，出气管与真空抽气泵相连。

所述的长光程气体吸收池由吸收池、红外光源、温度控制器、温度传感器、压力传感器、腔体加热带、两面聚焦透镜、一面大凹面镜、两面小凹面镜、两面小平面反射镜组成，吸收池上设有入光孔、出光孔、进气口、出气口，两面聚焦透镜分别安装在入光孔、出光孔，吸收池上安装有温度控制器、温度传感器、压力传感器、腔体加热带，吸收池内安装有一面大凹面镜、两面小凹面镜、两面小平面反射镜，且各镜安装要满足光学设计的尺寸，即红外光源发出的光经一面聚焦透镜后进入吸收池，进入吸收池的光由一面小平面反射镜反射后再经一面小凹面镜反射到大凹面镜，再到该面或另一面小凹面反射镜反射后再到大凹面镜，如此多次反射后实现设计的长光程反射后光经另一小平面反射镜反射到出光孔经过另一面聚焦透镜到光纤接头由光纤接收并传输到近红外光谱仪。

所述的上位机包括工业型计算机(ARM系统、Linux系统或WinCE系统)主控单元和触摸屏显示单元，工业型计算机主控单元与触摸屏显示单元相连。将所得的与波长相关的光强信号通过工业型计算机主控单元一系列的数据处理后计算出各种气体的浓度，并由触摸屏显示单元显示或由工业型计算机主控单元传输。

本实用新型主要是将现有的差分吸收光谱技术的应用扩展到红外检测领域；提供一种通过对石油勘探开发地质录井过程中油气的分析，并采用长光程气体吸收池大大的降低检测限；结合交替流动式气路调制技术能够很好的提高系统的稳定性；可以同时检测油气中的甲烷、乙烷、丙烷、正丁烷、异丁烷、正戊烷和异戊烷等烷烃类气体浓度的一种油气实时在线检测装置。

本实用新型的目的是解决传统的气象色谱分析技术在油气分析上存在的缺点以及弥补现有的光谱分析技术应用到烷烃类气体检测的不足，提供一种长光程气体吸收池来降低检测限，其体积小、结构简单、易于维护；同时采用交替流动气路调制技术实现分析仪的高稳定性和高灵敏度的情况下连续监测的特点。

本实用新型具有如下的优点：1、通过对样品进行简单的前置预处理，降低环境因素对分析仪的影响；2、通过反馈电路调节光源的电流或电压，实现光源的长寿命和稳定性；3、采用交替式气路调试提高检测系统的稳定性；4、结合长光程气体吸收池技术大大的降低的气体的检测限；5、能够同时检测油气中的甲烷、乙烷、丙烷、正丁烷、异丁烷、正戊烷和异戊烷等烷烃类气体；6、仪器的结构简单、操作方便易于维护、寿命长等特点，适合于在石油勘探开发地质录井过程中对油气中烷烃类气体的实时在线监测。

附图说明

图1为本实用新型的结构示意图

图2为本实用新型的交替流动式气路调制机构示意图

图3为本实用新型的长光程气体吸收池示意图。

具体实施方式

结合附图对本实用新型作进一步的描述。

下面通过实施例，并结合附图，对本实用新型的技术方案作进一步的说明。如图1所示，红外差分吸收光谱法烷烃类气体实时在线检测装置，包括采集系统、长光程气体吸收池11、近红外光谱仪14、上位机，采集系统的样气或标准气的出气口与长光程气体吸收池进气口相连，长光程气体吸收池的出气口通过出气管连接引出，长光程气体吸收池11出光孔的光信号通过光纤13与近红外光谱仪14相连，上位机与近红外光谱仪14相连。

如图1所示，所述的采集系统由样品气进气管2、标准气进气管1、两个过滤器(3，4)、两个水气分离单元(5，6)、交替流动式气路调制机构7、真空抽气泵8、流量稳定器9组成，样品气进气管2、标准气进气管1分别通过一个过滤器、一个水气分离单元后再与交替流动式气路调制机构7相连，交替流动式气路调制机构7的出气口再通过真空抽气泵8与流量稳定器9相连，流量稳定器9的出气口与长光程气体吸收池进气口相连。

如图2所示，所述的交替流动式气路调制机构7由标准气进气管17、样品气进气管18、四个电磁阀(19，20，21，22)、两个流量调制器(23，24)、两个流量传感器(25，26)、两个流量控制器(27，28)、出气管29组成，标准气进气管17、样品气进气管18分别并联两个电磁阀，一个电磁阀直接与出气管相连，另一个电磁阀依次通过一个流量调制器、一个流量传感器、一个流量控制器后与出气管相连，出气管29与真空抽气泵8相连。

所述的长光程气体吸收池11由吸收池、红外光源10、温度控制器12、温度传感器34、压力传感器35、腔体加热带36、两面聚焦透镜、一面大凹面镜37、两面小凹面镜(38，39)、两面小平面反射镜(40，41)组成，吸收池上设有入光孔30、出光孔31、进气口32、出气口33，两面聚焦透镜分别安装在入光孔30、出光孔31，吸收池上安装有温度控制器12、温度传感器34、压力传感器35、腔体加热带36，吸收池内安装有一面大凹面镜37、两面小凹面镜(38，39)、两面小平面反射镜(40，41)，且各镜安装要满足光学设计的尺寸，即红外光源发出的光经一面聚焦透镜后进入吸收池，进入吸收池的光由一面小平面反射镜40反射后再经一面小凹面镜38反射到大凹面镜37，再到该面小凹面反射38或另一面小凹面反射镜39反射后再到大凹面镜37，如此多次反射后实现设计的长光程反射后光经另一小平面反射镜41反射到出光孔31经过另一面聚焦透镜到光纤13接头由光纤接收并传输到近红外光谱仪14。

所述的上位机包括工业型计算机(ARM系统、Linux系统或WinCE系统)主控单元和触摸屏显示单元15，工业型计算机主控单元与触摸屏显示单元15相连。将所得的与波长相关的光强信号通过工业型计算机主控单元一系列的数据处理后计算出各种气体的浓度，并由触摸屏显示单元显示或由工业型计算机主控单元传输。

交替流动式气路调制机构主要包括预处理后的样品气气路和预处理后的标准气气路两部分，说明如下：

预处理后的样品气气路：样品气进气管18的一路与电磁阀21连接后与真空抽气泵连接；另一路接电磁阀22的进气口、电磁阀22的出气口接流量调节器24、流量调节器24的出气口接流量传感器26、流量传感器26的出气端接流量控制器28、流量控制器28的出气端与真空抽气泵8连接，然后经过流量稳定器9连接后进入长光程气体吸收池；

预处理后的标准气气路：标准气进气管17的出气端的一路与电磁阀19连接后与真空抽气泵8连接，然后经过流量稳定器9连接进入长光程气体吸收池；另一路接接电磁阀20、电磁阀20的出气端接流调节器23、流量调节器23的出气端接流量传感器25、流量传感器25的出气端接流量控制器27后与真空抽气泵8连接，然后经过流量稳定器9连接进入长光程气体吸收池。通过控制样品气和标准气在长光程气体吸收池中的流动状态，实现标准气和样品气的交替流动检测。

接受样品采集系统采集的样品气的长光程气体吸收池包括提供用于待测气体检测特定波段的红外光源10、对样品池进行加热的腔体加热带36、温度传感器34、温度控制系统12、压力传感器35、入光孔30、出光孔31、吸收池进气口32、吸收池出气口33、大凹面镜37、小凹面镜38、小凹面镜39、小平面反射镜40、小平面反射镜41。光源发出的光经过入光孔30处的聚焦透镜后由小平面反射镜40反射，反射光经过小凹面镜38反射到大凹面镜37，再到小凹面反射镜39反射后再到大凹面镜37，如此多次反射后实现长光程，按照设计的光程长反射后光经过小平面反射镜41反射到出光孔31经过聚焦透镜到光纤接头由光纤接收经过另一面聚焦透镜到光纤13接头由光纤接收并传输到近红外光谱仪14，红外光谱仪14传输给工业型计算机(ARM系统、Linux系统或WinCE系统)主控单元和触摸屏显示单元15，工业型计算机主控单元与触摸屏显示单元15相连。将所得的与波长相关的光强信号通过工业型计算机主控单元一系列的数据处理后计算出各种气体的浓度，并由触摸屏显示单元显示或由工业型计算机主控单元传输。

下面具体介绍本装置的工作步骤：

a、将红外差分吸收光谱法烷烃类气体实时在线检测装置放在需要检测的油气附近，将样品气进气管与现场抽样系统相连，另一端直接与空气联通，接上电源，打开电源开关，等待系统稳定，等待稳定的同时，打开电磁阀19，电磁阀20、21、22为关闭状态；标准气经过标准气进气管1、过滤器3、水气分离单元5、标准气进气管16、电磁阀19、、吸收池进气管29真空抽气泵8、流量稳定器9进入到长光程气体吸收池，此时的流量要相对较大，使其能够迅速的充满整个气体吸收池，以排出吸收池内可能存在的其他气体。

b、待系统稳定后，开始分析标准气，采集吸收池内为标准气的背景光谱；首先关闭电磁阀19，打开电磁阀20，电磁阀21、22为关闭状态；标准气体经过标准气进气管1、过滤器3、水气分离单元5、电磁阀20、标准气进气管17、流量调制器23、流量传感器25、流量控制器27、吸收池进气管29、真空抽气泵8、流量稳定器9进入到长光程气体吸收池，由流量控制器27控制流量在1L/min左右，再由流量传感器25监测流量的变化，同时根据流量的变化使用流量调制器23进行反馈调节，使经过流量稳定器9后进入到长光程气体吸收池的气体流量保持恒定，消除流量的变化对气体吸收测量的影响。此时，通气体一段时间后，采集吸收池内为标准气的情况下的背景光谱。

c、完成标准气背景光谱的采集以后，打开电磁阀21(电磁阀19、20、22为关闭状态)，样品气经过样品气进气管2、过滤器4、水气分离单元6、标准气进气管18、电磁阀21、吸收池进气管29、真空抽气泵9、流量稳定器9进入到到长光程气体吸收池，此时的流量要相对较大，使其能够迅速的充满整个样品吸收池。

d、待系统稳定后，开始分析样品气，采集吸收池内为标准气的吸收光谱；首先关闭电磁阀21，打开电磁阀22，电磁阀19、20为关闭状态；标准气经过样品进气管2、过滤器4、水气分离单元6、样品气进气管18、电磁阀22、流量调制器24、流量传感器26、流量控制器28、吸收池进气管29、真空抽气泵8、流量稳定器9进入到长光程气体吸收池，由流量控制器28控制流量在1L/min，再由流量传感器26监测流量的变化，同时根据流量的变化使用流量调制器24进行反馈调节，使经过流量稳定器9进入到长光程气体吸收池的气体流量保持恒定，消除流量的变化对气体吸收测量的影响。此时，采集吸收池内为样品气体的吸收光谱。

e、通过交替的采集背景光谱和吸收光谱以后，将数据传到上位机软件，并利用特定的数据处理方法和核心的算法进行计算，最终得到各种气体的浓度，将浓度值在屏上面显示，供用户参考，整个的分析周期控制在10-20s之内；同时，实时监测的浓度值保存到数据库，供工作人员随时查阅。

f、完成一次检测以后，用同样的方法通标准气体，排出前一次检测的样品气体，然后采集背景光谱；然后采用同样的方法通入样品气体，采集吸收光谱；并进行数据处理和运算，得到各种气体的浓度。采用交替流动式气路调制机构，可以降低分析仪因为长期的工作或者工作环境的干扰带来的的干扰，大大的提高分析仪的检测精度和稳定性。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本使用新型作举例说明。本实用新型所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本实用新型的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (5)

1.红外差分吸收光谱法烷烃类气体实时在线检测装置，包括采集系统、长光程气体吸收池、近红外光谱仪、上位机，其特征在于：采集系统的样气或标准气的出气口与长光程气体吸收池进气口相连，长光程气体吸收池的出气口通过出气管连接引出，长光程气体吸收池出光孔的光信号通过光纤与近红外光谱仪相连，上位机与近红外光谱仪相连。

2.根据权利要求1所述的红外差分吸收光谱法烷烃类气体实时在线检测装置，其特征在于：所述的采集系统由样品气进气管、标准气进气管、两个过滤器、两个水气分离单元、交替流动式气路调制机构、真空抽气泵、流量稳定器组成，样品气进气管、标准气进气管分别通过一个过滤器、一个水气分离单元后再与交替流动式气路调制机构相连，交替流动式气路调制机构的出气口再通过真空抽气泵与流量稳定器相连，流量稳定器的出气口与长光程气体吸收池进气口相连。

3.根据权利要求2所述的红外差分吸收光谱法烷烃类气体实时在线检测装置，其特征在于：所述的交替流动式气路调制机构由标准气进气管、样品气进气管、四个电磁阀、两个流量调制器、两个流量传感器、两个流量控制器、出气管组成，标准气进气管、样品气进气管分别并联两个电磁阀，一个电磁阀直接与出气管相连，另一个电磁阀依次通过一个流量调制器、一个流量传感器、一个流量控制器后与出气管相连，出气管与真空抽气泵相连。

4.根据权利要求1所述的红外差分吸收光谱法烷烃类气体实时在线检测装置，其特征在于：所述的长光程气体吸收池由吸收池、红外光源、温度控制器、温度传感器、压力传感器、腔体加热带、两面聚焦透镜、一面大凹面镜、两面小凹面镜、两面小平面反射镜组成，吸收池上设有入光孔、出光孔、进气口、出气口，两面聚焦透镜分别安装在入光孔、出光孔，吸收池上安装有温度控制器、温度传感器、压力传感器、腔体加热带，吸收池内安装有一面大凹面镜、两面小凹面镜、两面小平面反射镜，且各镜安装要满足光学设计的尺寸，即红外光源发出的光经一面聚焦透镜后进入吸收池，进入吸收池的光由一面小平面反射镜反射后再经一面小凹面镜反射到大凹面镜，再到该面或另一面小凹面反射镜反射后再到大凹面镜，如此多次反射后实现设计的长光程反射后光经另一小平面反射镜反射到出光孔经过另一面聚焦透镜到光纤接头由光纤接收并传输到近红外光谱仪。

5.根据权利要求1所述的红外差分吸收光谱法烷烃类气体实时在线检测装置，其特征在于：所述的上位机包括工业型计算机主控单元和触摸屏显示单元，工业型计算机主控单元与触摸屏显示单元相连。

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