CN202916203U - 一种钻井液分析装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种钻井液分析装置，所述装置包括计算机，还包括传感器、直流电源、信号处理电路；直流电源与传感器连接为其提供工作电源；信号处理电路分别与传感器、计算机连接。所述的传感器输出模拟电信号并发送到信号处理电路，信号处理电路将模拟电信号进行模数转换使之成为拉曼数字信号并发送给计算机，计算机对接收到的拉曼数字信号进行处理，并通过信号处理电路与传感器双向传输控制信号与数据。本实用新型能够直接对钻井液进行实时定量分析，检测速度快，分析准确度高，并且该装置结构简单，性能稳定，成本较低廉。

Description

一种钻井液分析装置

技术领域

本实用新型涉及一种钻井液分析装置，尤其涉及一种基于拉曼光谱分析的钻井液分析装置。

背景技术

光子和分子碰撞过程中，除了被分子吸收以外，还会发生散射。由于碰撞方式不同，光子和分子之间会有多种散射形式（弹性碰撞和非弹性碰撞）。如果光子和分子之间在碰撞时发生了能量交换，这不仅使光子改变了其运动方向，也改变了其能量，这种散射在光谱上被称为拉曼散射，强度大约是入射线的10^-7。这是印度物理学家拉曼在1928年研究苯的光散射时发现的，并因此获得了1930年诺贝尔物理学奖。

由于拉曼散射所涉及的主要是分子的振动能级和转动能级，所以它和红外光谱有相同的对象范围。而不同的是，从微观角度看，红外光谱来源于分子的固有偶极矩，是由分子的不对称振动引起的；而散射光谱来源于分子的感生偶极矩，是由具有对称分布的键的对称振动引起的。这两者具有互补性。值得注意的是，拉曼光谱的峰较红外光谱要尖锐可分，而且拉曼光谱不受水的影响。此外，同核双原子分子（氢气、氮气等）由于其偶极矩为零，所以没有红外光谱，但是它的伸缩振动会产生拉曼光谱。因此，拉曼光谱可以用来检测除稀有气体外的几乎所有物质。

如附图1所示，其中横坐标为拉曼位移，纵坐标为拉曼散射光的强度，从附图1中可以看出，烃类物质如甲烷、丙烷、正己烷、正辛烷等由于具有相似的结构特征，在拉曼光谱上具有相近的拉曼位移，并且它们的拉曼散射光的强度与其浓度成正比关系。

在油气勘探过程中，对上返钻井液中所携带的烃类物质的定性、定量检测是录井的关键技术，其目的是直接发现油气层。目前，对钻井液中油气的鉴别主要是通过气体检测技术，将钻井液所携带的地层中的含油物质（低级烷烃为主）脱气分离后，利用快速气相色谱分析技术对其加以检测。气相色谱分析存在的主要缺陷是：（1）待检测的钻井液样品需经过脱气分离处理，操作步骤复杂，并且需使用空气压缩机、氢气发生器等一系列辅助生产设备，成本较高；（2）脱气分离处理设备和气相色谱分析设备的气路系统较复杂，检测速度较慢，并且故障发生率高；（3）在对钻井液进行脱气分离处理的过程中，脱气效率的不恒定以及气样传输管线的温度均对检测结果有直接的影响，影响气相色谱分析稳定性与可靠性。

实用新型内容

本实用新型提供了一种钻井液分析装置，能够直接对钻井液进行实时定量分析，检测速度快，分析准确度高，并且装置结构简单，性能稳定，成本较低廉。

本实用新型采用以下技术方案来实现：一种钻井液分析装置，该所述装置包含计算机，其特点是，所述钻井液分析装置还包含：传感器、直流电源、信号处理电路；所述的直流电源与传感器连接为其提供工作电源；所述的信号处理电路分别与传感器、计算机连接；所述的传感器输出模拟电信号并发送到信号处理电路，信号处理电路将模拟电信号进行模数转换使之成为拉曼数字信号并发送给计算机，计算机对接收到的拉曼数字信号进行处理，并通过信号处理电路与传感器双向传输控制信号与数据。

上述的一种钻井液分析装置，其特点是，所述传感器包含壳体和设置在壳体上的蓝宝石窗口，壳体内还包含激发光源、雪崩二极管检测模块、直角棱镜、二向色滤光片；所述的雪崩二极管检测模块与激发光源并列间隔设置；所述的直角棱镜与雪崩二极管检测模块对应间隔设置；所述的二向色滤光片间隔斜置在直角棱镜与蓝宝石窗口之间，并与激发光源相对应；所述的激发光源、直角棱镜与二向色滤光片、雪崩二极管检测模块形成传感器中的光路。 

上述的一种钻井液分析装置，其特点是，所述蓝宝石窗口的横截面形状设为平面或弧面。

上述的一种钻井液分析装置，其特点是，所述激发光源为脉冲激发光源；所述的雪崩二极管检测模块的工作频率与激发光源的脉冲频率相匹配。上述的一种钻井液分析装置，其特点是，所述的壳体内还包含一恒温控制器，所述恒温控制器设置在激发光源和雪崩二极管检测模块的外围，该恒温控制器对其内部的激发光源和雪崩二极管检测模块进行恒温控制。上述的一种钻井液分析装置，其特点是，所述的传感器的壳体内还包含一组拉曼滤光片，所述的一组拉曼滤光片设置在直角棱镜与雪崩二极管检测模块之间；所述的一组拉曼滤光片包含至少一片窄带滤光片。上述的一种钻井液分析装置，其特点是，所述的传感器的壳体内还包含多组光纤，各所述光纤将激发光源、二向色滤光片、直角棱镜、拉曼滤光片、雪崩二极管检测模块依次连接。

上述的一种钻井液分析装置，其特点是，所述传感器的壳体内还包含一组或多组透镜，各所述透镜设置在传感器的光路中，调节和优化拉曼激发光和拉曼散射光传播的光路。

与现有技术相比，本实用新型具有如下有益效果：

本实用新型一种钻井液分析装置由于包括传感器、直流电源、信号处理电路、计算机，设备结构简单，成本低廉，并且便于日常工作中的保养和维护；本实用新型装置由于设置有传感器并且将传感器设置在钻井液槽中直接对钻井液进行测量，节省了脱气分离处理等一系列辅助生产设备，故障发生率比较低，性能稳定；本实用新型由于设置有传感器，并且在传感器中设置有激发光源和接收并转换拉曼散射光信号的雪崩二极管检测模块，利用烃类物质在拉曼光谱上有相似的拉曼位移，并且拉曼散射光的强度与被测样品浓度成正比的特性，实现对钻井液中烃类物质浓度的实时定量测量，分析速度快、准确度高，能够满足石油勘探和煤层气、页岩气等非常规气开发等油气勘探领域，以及地质环境监测、实验室、化学化工实时分析等领域的需要。

附图说明

图1为现有技术甲烷、丙烷、正己烷、正辛烷的特征拉曼光谱图；

图2为本实用新型一种钻井液分析装置的结构示意图；

图3为本实用新型一种钻井液分析装置的传感器的结构示意图；

图4为本实用新型一种钻井液分析装置应用实施例的流程示意图；

图5为本实用新型一种钻井液分析装置应用实施例的步骤3的流程示意图；

图6为本实用新型一种钻井液分析装置应用实施例中的正己烷标准样的拉曼散射光的强度与被测样品浓度的关系图。

具体实施方式

以下结合附图，通过详细说明一个较佳的具体实施例，对本实用新型做进一步阐述。

参阅附图2所示，本实用新型一种钻井液分析装置，包括：传感器1、直流电源2、信号处理电路3、计算机4。直流电源2与传感器1连接为其提供工作电源；信号处理电路3分别与传感器1、计算机4连接；传感器1输出模拟电信号并发送到信号处理电路3，信号处理电路3将模拟电信号进行模数转换使之成为拉曼数字信号并发送给计算机4，计算机4对接收到的拉曼数字信号进行处理，并通过信号处理电路3与传感器1双向传输控制信号与数据。

传感器1是本实用新型的核心部件，其设置在钻井液槽5中，直接与钻井液被测样品接触，进行烃含量的测量。参阅附图3所示，传感器1包含壳体10和设置在壳体10上的蓝宝石窗口11。蓝宝石窗口11是传感器1唯一与钻井液被测样品接触的光学元件，由于蓝宝石具有耐腐蚀、高强度的特点，因此其是严酷环境、复杂工况下理想的光学窗口材料。蓝宝石窗口13的横截面形状设为平面或弧面如球形、半球形、凸面等形状，其横截面形状可根据需要进行调整，设置为弧面可使蓝宝石窗口13具有光学调焦的功能，简化传感器1的整体结构。在本实施例中，选用球形蓝宝石透镜作为蓝宝石窗口13以达到简化光学元件，优化传感器1的结构的目的。

壳体10内包含激发光源12、雪崩二极管（APD）检测模块13、直角棱镜14、二向色滤光片15。雪崩二极管检测模块13与激发光源12并列间隔设置；直角棱镜14与雪崩二极管检测模块13对应间隔设置；二向色滤光片15间隔斜置在直角棱镜14与蓝宝石窗口11之间，并与激发光源12相对应。激发光源12、直角棱镜14与二向色滤光片15、雪崩二极管检测模块13形成传感器1中的光路。激发光源12发出的拉曼激发光经过二向色滤光片15并通过蓝宝石窗口11后照射在被测样品17上，被测样品17被激发散射出的拉曼散射光通过蓝宝石窗口11后经过二向色滤光片15和直角棱镜14被雪崩二极管检测模块13接收，并转换为模拟电信号。

激发光源12为本实用新型提供拉曼激发光。激发光源12为脉冲激发光源，其脉冲频率范围为1kHz~10MHz。由于通常在钻井液中存在大量具有荧光的物质，荧光的强度比拉曼散射光的强度大几个数量级，会严重干扰传感器1的检测准确度，根据光致发光的原理，荧光的产生有大约几微秒到几毫秒的延迟，而拉曼散射是瞬间产生的，因此利用拉曼散射的瞬时性和荧光的滞后性，选用波长较长的脉冲激发光源作为激发光源12，可以避免钻井液中的强荧光物质对被测样品散射的微弱的拉曼散射光的干扰。激发光源12优选使用可见光或近红外波段的脉冲激光光源，还可以选用其它各种脉冲激发光源。可见光-近红外波段的脉冲激发光源有两个优点：一是这一波段的激光器技术比较成熟，具有很高的性价比；二是选用可见光或近红外光可以减少荧光对拉曼散射的干扰。在本实施例中，选用波长为660nm的红色可见光脉冲激光器作为激发光源12，功率不小于100mW。

雪崩二极管检测模块13将接收到的光信号转换为模拟电信号，其利用雪崩效应可以快速放大并检测微弱的拉曼散射光信号。雪崩二极管检测模块13的工作频率范围为1kHz~10MHz，其工作频率与激发光源12的脉冲频率相匹配。雪崩二极管检测模块13具有很高的工作频率，利用拉曼散射的瞬时性和荧光的滞后性的特点，在荧光产生前对拉曼散射光进行检测，能够避免钻井液中的荧光物质对拉曼散射光的检测的干扰，提高光信号的信噪比。本实施例中，雪崩二极管检测模块13选用滨松的APD检测模块C5331，。

壳体10内还可以设置一个恒温控制器18，恒温控制器（18）设置在激发光源（12）和雪崩二极管检测模块（13）的外围，对置于其内部的激发光源12和雪崩二极管检测模块13进行恒温控制。激发光源12的发光功率和发光频率与其工作温度有关，实验证明，在本实施例中，温度每变化5℃，激发光源12发出的拉曼激发光的波长会变化1nm，其光输出功率会变化约5mW。因此为了保证激发光源12的发光功率的稳定和发出的拉曼激发光波长的一致性，必须对激发光源12进行恒温控制。同时，为了提高对钻井液检测分析的准确性，在本实施例中选用高灵敏度高速的雪崩二极管检测模块13，对其进行恒温控制，可以使传感器1在一个较宽的环境温度范围内稳定可靠的工作。在本实施例中，使用比例-积分-微分控制器（Proportion Integration Differentiation，PID控制器），其控温精度可达0.2℃，使由温度引起的激发光源12的发光功率和发出的拉曼激发光波长的误差均小于千分之一，提高了传感器1的工作稳定性和本实用新型钻井液分析装置的环境适应性。 

激发光源12发出的拉曼激发光经过二向色滤光片15并通过蓝宝石窗口11后照射在被测样品17上，被测样品17被激发出的拉曼散射光通过蓝宝石窗口11后经过二向色滤光片15和直角棱镜14被雪崩二极管检测模块13接收。二向色滤光片15具有选择性的反射或透射某一频率范围的光的特性。根据使用需求选用合适的二向色滤光片16，可以优化传感器1的结构和内部光路。在本实施例中，二向色滤光片16可以反射拉曼激发光，并透射拉曼散射光。直角棱镜14与雪崩二极管检测模块13对应间隔设置；还可以使用由多个直角棱镜间隔设置组成的棱镜组，与雪崩二极管检测模块13对应间隔设置，以优化光路。在本实施例中，选用一个带光学增透膜的直角棱镜14，以使通过直角透镜14的拉曼散射光最大化。

传感器1的壳体11内还可以设置一组拉曼滤光片16，该一组拉曼滤光片16设置在直角棱镜14与雪崩二极管检测模块13之间，包含至少一片窄带滤光片。该窄带滤光片必须具有很高的光密度（Optical Density，OD），其光密度值大于4，在保证拉曼散射光透过率的同时，尽可能减少其它波段的光通过，从而减少弹性散射（瑞丽线）对拉曼散射光的干扰，提高传送到雪崩二极管检测模块13的光信号的信噪比。在本实施例中，根据选用的红色可见光脉冲激光器和烷烃碳氢键振动的特征拉曼位移，针对烃类物质的拉曼散射光波段选用了两片光密度值大于4的窄带滤光片组成一组拉曼滤光片16。

传感器1的壳体10内还可以设置多组光纤（附图中未标出），各光纤将激发光源12、二向色滤光片15、直角棱镜14、拉曼滤光片16、雪崩二极管检测模块13依次连接。其中一组光纤将激发光源12发出德拉曼激发光传输至二向色滤光片15；其中另一组光纤接收经直角棱镜14反射的拉曼散射光，并传输至雪崩二极管检测模块13。在传感器1内设置光纤可以构建长距离、可弯曲光路。

传感器1的壳体10内还可以设置一组或多组透镜（附图中未标出），各组透镜设置在激发光源12、二向色滤光片15、直角棱镜14、拉曼滤光片16、雪崩二极管检测模块13组成的传感器1的光路中，用以调节和优化拉曼激发光和拉曼散射光的光路，提高拉曼散射光信号的检测质量。

直流电源2与传感器1连接为其提供工作电源，直流电源2设置在计算机4的附近，以避免现场操作可能带来的安全隐患。在本实施例中，该直流电源2使用24V的直流电源。

信号处理电路3分别与传感器1、计算机4连接，分别向传感器1和计算机4发送信号，并接收来自于传感器1和计算机4的信号。信号处理电路3设置在计算机4的附近，其可以通过有线或无线的多种通讯方式与传感器1连接，并可根据现场工况等各种实际情况进行设置；该信号处理电路3可以使用有线连接方式并通过232串口或USB接口等多种通用接口接入计算机4，从而将传感器1的信号发送给计算机4进行处理，或者将计算机4发送的参数信息发送给传感器1进行设置和调整。信号处理电路3为现有技术的电路模块。

计算机4为现有技术的计算机，内部可以设置专用的软件和数据库对信号处理电路3发送来的拉曼数字信号进行分析计算，并通过信号处理电路3发送信号给传感器1调整传感器1的激发光源频率、光强，控温温度等参数。

参阅附图4所示，一种钻井液分析方法，用于上述的一种钻井液分析装置，包含以下步骤：步骤1，将本实用新型一种钻井液分析装置的传感器1设置在钻井液槽5中，将该钻井液分析装置与外部电源连接并打开相应的电源开关，直流电源2向传感器1提供工作电源；

步骤2，计算机4通过信号处理电路3对传感器1设定激发光源频率、光强，控温温度等参数。

步骤3，传感器1根据步骤2接收到的参数向钻井液槽5中的被测样品17发射拉曼激发光，并接收被测样品17被激发散射回来的拉曼散射光，将拉曼散射光的光信号转换为模拟电信号；

参阅附图5所示，步骤3还包括：

步骤3.1，传感器1的激发光源12根据步骤2接收到的设定参数向外发射拉曼激发光，

步骤3.2，由于二向色滤光片15具有选择性的反射或透射某一频率范围的光的特性，发射到二向色滤光片15上的拉曼激发光被反射，反射的拉曼激发光通过蓝宝石窗口11照射到钻井液槽5中的被测样品17上；

步骤3.3，被测样品17被拉曼激发光激发后向外散射拉曼散射光；

步骤3.4，被测样品17散射出的拉曼散射光通过蓝宝石窗口11传播到二向色滤光片15上，由于二向色滤光片15具有选择性的反射或透射某一频率范围的光的特性，拉曼散射光透射过二向色滤光片15，并向直角棱镜14传播；

步骤3.5，向直角棱镜14传播的拉曼散射光垂直于直角棱镜14的一个直角面透射入直角棱镜内，并传播到直角棱镜14的斜面内侧，拉曼散射光经过斜面的反射后改变传播方向向直角棱镜14的另一个直角面传播，并在该直角面上透射到直角棱镜14外；

步骤3.6，经过直角棱镜14改变传播方向的拉曼散射光经过拉曼滤光片16后照射到雪崩二极管检测模块13上，雪崩二极管检测模块13将接收到的拉曼散射光的光信号转换为模拟电信号。步骤4，传感器1将模拟电信号输出到信号处理电路3，信号处理电路3对模拟电信号进行模数转换，使之转变为拉曼数字信号，并将该拉曼数字信号向计算机4输出。步骤5，利用拉曼散射光（斯托克线）的强度与被测样品浓度的关系式：

                  P=kcVΩP₀                       （1），

其中，P是拉曼散射光的强度；k是被测样品的拉曼散射因子；c是被测样品的浓度；V是拉曼激发光与被测样品发生拉曼散射的体积；Ω是接收拉曼散射光的立体角；P₀是拉曼激发光的光功率。对于某一拉曼传感器，拉曼激发光的光功率P₀、拉曼散射因子k、被测样品产生拉曼散射的体积V以及接收拉曼散射的立体角Ω都是固定值，所以接收的拉曼散射光的强度P与被测样品的浓度c成正比关系。

 由于各种烃类物质的碳氢键C-H振动的特征拉曼光谱具有相似的拉曼位移，因此可以使用某一种烃类物质作为标准样对各种烃类物质进行测量，从而实现对钻井液中的烃类物质浓度的定量测量。以某一种烃类物质为标准样，计算机4对该烃类物质标准样建立数据库，数据库中包含标准样的浓度与拉曼散射光强度的数据。在本实施例中，以正己烷作为钻井液中的烃类物质的标准样，附图6所示为对含不同浓度正己烷的被测样品的检测结果，横坐标为被测样品中的正己烷浓度，纵坐标为拉曼散射光的强度，从图4可以看出，拉曼散射光的强度与被测样品中的正己烷浓度有良好的线性相关关系，其线性相关系数R=0.9931。计算机4将接收到的拉曼数字信号的大小与数据库中标准样的拉曼散射光强度数据进行比较分析，计算得到钻井液样品中的烃类物质浓度。由于本实用新型设置在钻井液槽5中直接对钻井液被测样品进行测量，并且分析速度快，因此可以实现对钻井液中的烃类物质浓度的实时定量测量。

综上所述，本实用新型装置结构简单，成本低廉，便于日常工作中的保养和维护；并且由于设置有传感器并且将传感器设置在钻井液槽中直接对钻井液进行测量，节省了脱气分离处理等一系列辅助生产设备，故障发生率比较低，性能稳定；本实用新型由于设置有传感器，并且在传感器中设置有激发光源和接收并转换拉曼散射光信号的雪崩二极管检测模块，利用烃类物质在拉曼光谱上有相似的拉曼位移，并且拉曼散射光的强度与被测样品浓度成正比的特性，实现对钻井液中烃类物质浓度的实时定量测量，分析速度快、准确度高，能够满足石油勘探和煤层气、页岩气等非常规气开发等油气勘探领域，以及地质环境监测、实验室、化学化工实时分析等领域的需要。

尽管本实用新型的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本实用新型的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本实用新型的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本实用新型的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (8)

1.一种钻井液分析装置，该所述装置包含计算机（4），其特征在于，所述钻井液分析装置还包含：传感器（1）、直流电源（2）、信号处理电路（3）；

所述的直流电源（2）与传感器（1）连接为其提供工作电源；所述的信号处理电路（3）分别与传感器（1）、计算机（4）连接；所述的传感器（1）输出模拟电信号并发送到信号处理电路（3），信号处理电路（3）将模拟电信号进行模数转换使之成为拉曼数字信号并发送给计算机（4），计算机（4）对接收到的拉曼数字信号进行处理，并通过信号处理电路（3）与传感器（1）双向传输控制信号与数据。

2.如权利要求1所述的一种钻井液分析装置，其特征在于，所述的传感器（1）包含壳体（10）和设置在壳体（10）上的蓝宝石窗口（11），壳体（10）内还包含激发光源（12）、雪崩二极管检测模块（13）、直角棱镜（14）、二向色滤光片（15）；所述的雪崩二极管检测模块（13）与激发光源（12）并列间隔设置；所述的直角棱镜（14）与雪崩二极管检测模块（13）对应间隔设置；所述的二向色滤光片（15）间隔斜置在直角棱镜（14）与蓝宝石窗口（11）之间，并与激发光源（12）相对应；所述的激发光源（12）、直角棱镜（14）与二向色滤光片（15）、雪崩二极管检测模块（13）形成传感器（1）中的光路。

3. 如权利要求2所述的一种钻井液分析装置，其特征在于，所述蓝宝石窗口（11）的横截面形状设为平面或弧面。

4.如权利要求2所述的一种钻井液分析装置，其特征在于，所述激发光源（12）为脉冲激发光源；所述的雪崩二极管检测模块（13）的工作频率与激发光源（12）的脉冲频率相匹配。

5.如权利要求2所述的一种钻井液分析装置，其特征在于，所述壳体（10）内还包含一恒温控制器（18），所述恒温控制器（18）设置在激发光源（12）和雪崩二极管检测模块（13）的外围，该恒温控制器（18）对其内部的激发光源（12）和雪崩二极管检测模块（13）进行恒温控制。

6.如权利要求2所述的一种钻井液分析装置，其特征在于，所述传感器（1）的壳体（10）内还包含一组拉曼滤光片（16），所述的一组拉曼滤光片（16）设置在直角棱镜（14）与雪崩二极管检测模块（13）之间；所述的一组拉曼滤光片（16）包含至少一片窄带滤光片。

7.如权利要求6所述的一种钻井液分析装置，其特征在于，所述传感器（1）的壳体（10）内还包含多组光纤，各所述光纤将激发光源（12）、二向色滤光片（15）、直角棱镜（14）、拉曼滤光片（16）、雪崩二极管检测模块（13）依次连接。

8.如权利要求2所述的一种钻井液分析装置，其特征在于，所述传感器（1）的壳体（10）内还包含一组或多组透镜，各所述透镜设置在传感器（1）的光路中，调节和优化拉曼激发光和拉曼散射光传播的光路。

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