井下流体光纤在线光谱分析仪关键技术

　　1　引　言

　　随着化学计量学方法和近红外光谱仪器的不断发展,近红外光谱分析技术的应用领域不断扩大,已经成功应用于各种物质成分分析、药物计量[1]、环境监测[2,3]、微细材料检测[4]等领域。在油田开发应用中,光谱分析技术也有着重要的应用价值。在油田作业开发过程中,需要不时地对井下流体进行测量,以便对地层流体成分进行实时分析,为石油生产提供重要的参考数据。

　　常用的红外光谱仪包括傅里叶变换近红外光谱仪(FTNIR)[5],傅里叶变换红外光谱仪(FTIR)[5],傅里叶变换-拉曼光谱仪(FT2Raman),这些大型光谱仪是研究物质成分的重要手段,但是在现场作业应用中存在许多困难。一些采用了新型光谱扫描技术[如声光可调滤光器(AOTF)]的近红外光谱仪可以克服上述光谱仪扫描速度和稳定性方面的不足,提高测量的实时性;利用光发射二极管(LED)阵列作为光谱仪光源,也可以使光谱仪结构更为紧凑[6,7],但是还不能真正使光谱仪用于井下流体的在线分析测量。

　　为了简化光谱仪系统结构使其适用于井下在线测量的要求,Oliver C. Mullins等[8]在实验室中研究了如何简单地选取近红外光谱峰值来测量原油中的油气比例的方法。Narve Aske[9]详细讨论了在油水两相混合乳液中用近红外法测定油样中不同物质的含量。国外一些大型油田服务公司也致力于这方面技术的研究和开发,并得到了初步应用,如斯伦贝谢公司(Schlumberger)对井下流体光学分析模块进行了专门的研究。我国在井下流体在线光谱分析技术的研制方面还处于初级阶段。简化的近红外光谱分析方法是一种间接测量方法。该方法首先根据一组成分含量已知的待测物质建立标准样品集,测量该样品集中的待测物质在近红外波段范围内特征波长处的吸收强度,然后采用一定的化学计量学方法,如多元线性回归(MLR),主元分析(PCA),偏最小二乘回归(PLS)等[10],建立能够定量说明该物质成分含量与其近红外光谱关系的校正模型;最后测量成分含量未知的待测物质的光谱数据,代入已建立的校正模型,计算得到该物质的成分含量。

　　本文利用近红外激光光谱分析技术和光纤传感技术,设计了可用于井下油气水比例在线分析的光纤检测系统。该系统可以同时测量油、气、水的百分比含量,以及油基泥浆和原油的相对含量。

　　2　井下流体光谱分析模块整体设计

　　用于井下测量的系统必须具有耐高温、高压特性。通过特殊的蓝宝石窗口和高温光纤光路设计可以满足这一要求。光学测量系统的原理结构如图1所示。激光二极管(LD)阵列发出的不同波长的光经过耐高温光纤传输,透过耐高温和高压的蓝宝石窗口,经过待分析的井下流体后,耦合到另一端对应的光纤中,最后进入探测器阵列。探测器阵列将光信号转换为电信号,经放大和数模转换后,由数字信号处理器(DSP)进行数据处理。将得到的光谱数据代入事先建立的校正模型,通过计算得到相应的井下流体成分的含量,微处理器将处理结果以总线形式传给地面控制系统。