基于红外光谱吸收法的煤层气录井系统
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第7卷 第5期 2010 年 10 月
中国煤层气 CHINA COALBED METHANE
Vol 7 No 5 October 2010
基于红外光谱吸收法的煤层气录井系统
郑奕挺
( 胜利石油管理局地质录井公司 , 山东 257064)
摘
要: 检测钻井液中甲烷浓度是一项重要的煤层气录井工作 , 对现场卡准煤层位置、 判断煤层
。
基本数学模型: 大部分有机和无机多原子分子 气体在红外区有特征吸收波长。当红外光通过时 , 这些气体分子对特定波长的透过光强可由朗伯- 比 尔定律表示: I = I 0 e而吸收光强 i 可表示为 : i = I 0 - I = I 0 ( 1- e 式中 I0 I l p k 人射光强 ; 透过光强; 气体介质厚度 ; 气体浓度; 吸收系数。
图 2 系统整体 结构框图
3 1 选用的发光源和传感器及其配套电路 红外发 光管 选 用 PerkinElmer 公 司 的 IRL715, 它采用低频电调制 , 是一种白炽灯, 波长从可见光 到 5 m, 适合 CH4 ( 3~ 3 5 m) 、 CO2 ( 4 15~ 4 4 m) 等气体探测 , 高可靠稳定的输出 , 短时间常数 , 长 寿命 , 在 5V 电源时可工作 40000 小时。 IRL715 采 用了 1Hz 脉冲调制。 红 外 传 感 器 选 用 PerkinElmer 公 司 的 PYS3228TCG2/ G20。该传感器包括两个滤波窗, 中 心波长分别是 4 26 m 、4 0 m, 其中 4 0 m 为参考 窗 , 主要有外壳、滤光片、热释电元件 PZT 、场效 应管 FET 等 组成。其中 , 滤光 片设 置在 窗口 处,
[ 4]
图 4 控 制时序图
零点漂移量: ∋ 2 5% FS;
24 重复性误差 : ( 2% 。
中国煤层气
第5期
5 结论
基于红外光谱吸收法的煤层气录井系统经过近 几年的现场应用, 性能稳定可靠 , 采集准确的气测 录井资料, 在现场卡准煤层位置、判断煤层气层厚 度和评价煤层含气性及储集性能等方面发挥重要的 作用。
图3
热释电传感器放大电路
3 2 控制采集单元 系统控制采集单元核心是 ADuC845 微控制器 , 它是高性能 24 位数据采集与处理系统, 它内部集 成有两个 24 位分辨率的 - ! ADC、双 D/ A 转换 器、10 或 8 通 道输 入 多 路复 用 器、 一个 高 效 的 8051 内核。同时可提供 62k 字节的 FLASH 程序存
4 现场录井实例
该煤层气录井系统已经应用在山西、陕西煤层 气勘探现场录井 , 应用效果良好, 甲烷显示与地层 岩性具有很好的对映关系 , 准确地卡准煤层位置 , 并现场判断煤层气层厚度。图 5 是山西煤层气勘探 井的部分录井草图。
图5
录井草图 ( 09) : 31- 39 [ 3] 董春利 . 热释电 传感器 及其应 用 [ A ] . 中 国仪器 仪 表学会 2007 学术年会智能检 测控制 技术及 仪表装 置 发展研讨会论文集 [ C] , 2007: 34- 40 [ 4] 丁茹 , 李刚 . 内嵌 闪存 MCU 的高 性能 多通 道 24 位 采 集 系 统 ADuC845 [ J] . 国 外 电 子 元 器 件 , 2004, ( 12) : 40- 45
A Mud logging System of Coalbed Methane Based on Infrared Spectral Absorption Method
Zheng Yiting ( Geology Logging Company of Shengli Oil Administrat ion Bareau, Shandong 257064) Abstract: Detection of the methane concentration in drilling fluid is an important CBM logging work, and it is essential to on site card standard coalbed position, determine the thickness of coalbed and evaluate content of gas and reservoir propert ies of coalbed. In the logging industry, methods to detect methane usually include FID flame ionization detection and infrared spectral absorption. Detection system based on infrared spectral ab sorption method is simpler at integral structure and need no other ancillary equipment , so it is widely con cerned and more suitable for CBM well logging. This paper describes the hardware and software of methane de tection that adopts infrared spectral absorption method. At last, its field application effect explains system s usability. Keywords: Methane; infrared spectral absorpt ion method; coalbed mud logging 甲烷 在煤层 气中 的含量 一般可 占 80% 以上 , 而乙烷、丙烷、丁烷、戊烷等烃类气体含量一般在 1% 以下。在煤层气勘探过程中, 甲烷检测是一项 重要的录井工作 , 为后续的地质解释评价提供参考 依据。在录井行业, 甲烷检测方式一般有 FID 氢火 焰离子检测法和红外光谱吸收法。FID 法需要氢气 发生器、空气压缩机等辅助设备, 且对气体流量有
厚度和评价煤层含气性及储集性能至关重要 。在录井行业, 检测甲烷的方法有 FID 氢火焰离子检 测法和红外光谱吸收法, 采用红外光谱吸收法的系统因整体结构简单 、无需其它辅助设备等优势 被广泛关注 , 比较适合于煤层气录井。 本文阐述了煤层气录井中, 使用红外光谱吸收法检测甲烷 的硬件和软件, 最后以现场应用效果说明了系统的实用性 。 关键词: 甲烷 红外光谱吸收法 煤层气录井
储器, 4k 字节 FLASH 数据存储器和 2304 字节的数 据 RAM 。 红外发光管和信号采集时序见图 4, 具体为: ∀ 采集传感器两个通道的信号 A1 、Aref ; # 红外发 光源发 光 200ms; ∃ 采集传 感器两 个通 道的 信号 B1 、Bref; %红外发光源熄灭 800ms; & 计算比值= ( B1 - A1 ) / ( Bref - Aref ) , 根据这个值 和标定曲线 公式计算出检测气体的浓度 , 不断循环上述五个步 骤。ADuC845 内置 的 24 位 ADC 采样 周 期设 置为 1ms, 采样精度能达到 15 位以上。 3 3 通信电路 系统通过串行总线与远端计算机连接。由计算 机软件输入控制命令、校正系数 , 通过串行总线实 现对系统的控制及校正。当然, 系统所采集处理的 数据也通过串行总线送往计算机显示。 3 4 技术指标 甲烷检测范围 : 0 01% ~ 100% ; 测量最大误差 : ∋ 3% FS;
作者简介 郑奕挺 , 男 , 主要从事地质录井工作。
严格的要求 , 系统相对复杂。而采用红外光谱吸收 法 , 系统无需其它辅助设备 , 整体结构简单。对于 当前煤层气勘探要求而言, 红外光谱吸收法更适合 于录井现场。
1 测量原理
红外吸收光谱法是以连续波长的红外光为光源
22
中国煤层气
百度文库
第5期
照射样品 , 引起分子振动能级之间跃迁 , 从而研究 红外光与物质之间相互作用的方法。所产生的分子 振动光谱 , 称红外吸收光谱。在引起分子振动能级 跃迁的同时不可避免的要引起分子转动能级之间的 跃迁 , 故红外吸收光谱又称振 - 转光谱。 波长在 0 76~ 1000 m 的电磁辐射称为红外光 , 该区域称为红外光谱区或红外区。红外光又可划分 为近红 外区 ( 0 76~ 2 5 m 或 13158~ 4000cm - 1 ) 、 中红外区 ( 2 5~ 50 m 或 4000~ 200cm - 1 ) 、远红外 区 ( 50~ 1000 m 或 200~ 10cm- 1 ) 。其中中 红外区 是研究分子振动能级跃迁的主要区域
kp l kpl
( 1) ) ( 2)
图 1 热释电效应 形成的原理
3 甲烷检测系统
系统设计包括电源、主控制器、红外发光管及 其驱动电路、红外传感器及其信号放大电路、通信 电路、液晶显示等。系统结构如图 2 所示。
吸收系数 k 是一个非常复杂 的量, 它不 仅与 气体种类、入射光波长有关 , 而且还受环境温度、 环境大气压等因素的影响。因此, 对于变温、变气 压的工作环境, k 是一个变值, 从而直接影响吸收 光强 I 。
2 热释电效应
当一些晶体受热时, 在晶体两端将会产生数量 相等而符号相反的电荷, 这种由于热变化产生的电 极化现象 , 被称为热释电效应。通常, 晶体自发极 化所产生的束缚电荷被来自空气中附着在晶体表面 的自由电子所中和 , 其自发极 化电矩不能表 现出 来。当温度变化时, 晶体结构中的正负电荷重心相 对移位, 自发极化发生变化, 晶体表面就会产生电 荷耗尽, 电荷耗尽的状况正比于极化程度, 图 1 表 示了热释电效应形成的原理[ 3] 。 能产生热释电效应的晶体称之为热释电体或热 释电元件, 其常用的 材料有单晶 ( LiTaO3 等 ) 、压 电陶瓷 ( PZT 等 ) 及高分子薄膜 ( PVFZ 等 ) 。热释
第5期
基于红外光谱吸收法的煤层 气录井系统
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组成红外线通过的窗口。优点 : 本身不发任何类型 的辐射, 器件功耗很小, 隐蔽性好 , 价格低廉。缺 点: 容易受各种热源、光源干扰; 易受射频辐射的 干扰。 针对该热释电传感器包括两个通道 , 设计了两
个对称的放大电路 ( 图 3) 。以一个通道为例 , C4、 R4、R3 构成低 通放大 , C8、R7、 R8 构成零 位提 升 , 便于后续采集计算。放大器采用高阻抗输入、 低噪声芯片 TLC2252。
( 责任编辑
桑逢云)
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[ 1, 2]
电传感器利用的正是热释电效应 , 是一种温度敏感 传感器。它由陶瓷氧化物或压电晶体元件组成 , 元 件两个表面做成电极, 当传感器监测范围内温度有 T 的变化时, 热释电效应会在两个电极上会产生 电荷 Q, 即在两电极之间产生一微弱电压 V 。由 于它的输出阻抗极高, 所以传感器中有一个场效应 管进行阻抗变换。热释电效应所产生的电荷 Q 会 跟空气中的离子所结合而消失, 当环境温度稳定不 变时 , T= 0, 传感器无输出。如果我们在热电元 件接上适当的电阻 , 当元件受热时, 电阻上就有电 流流过 , 在两端得到电压信号。
参
[ 1]
考
文
献
施德恒 , 刘新建 , 许 启富 . 利用 红外 光谱 吸收 原理 的 CO 浓度测 量装置研 究 [ J] . 光 学技术 , 2001, 27 ( 1) : 91- 94
[ 2]
李黎 , 张 宇 , 宋 振宇 , 安 宇鹏 , 曹峰 , 王一 丁 . 红 外光谱技术在 气体检测 中的 应用 [ J] . 红外 , 2007,
中国煤层气 CHINA COALBED METHANE
Vol 7 No 5 October 2010
基于红外光谱吸收法的煤层气录井系统
郑奕挺
( 胜利石油管理局地质录井公司 , 山东 257064)
摘
要: 检测钻井液中甲烷浓度是一项重要的煤层气录井工作 , 对现场卡准煤层位置、 判断煤层
。
基本数学模型: 大部分有机和无机多原子分子 气体在红外区有特征吸收波长。当红外光通过时 , 这些气体分子对特定波长的透过光强可由朗伯- 比 尔定律表示: I = I 0 e而吸收光强 i 可表示为 : i = I 0 - I = I 0 ( 1- e 式中 I0 I l p k 人射光强 ; 透过光强; 气体介质厚度 ; 气体浓度; 吸收系数。
图 2 系统整体 结构框图
3 1 选用的发光源和传感器及其配套电路 红外发 光管 选 用 PerkinElmer 公 司 的 IRL715, 它采用低频电调制 , 是一种白炽灯, 波长从可见光 到 5 m, 适合 CH4 ( 3~ 3 5 m) 、 CO2 ( 4 15~ 4 4 m) 等气体探测 , 高可靠稳定的输出 , 短时间常数 , 长 寿命 , 在 5V 电源时可工作 40000 小时。 IRL715 采 用了 1Hz 脉冲调制。 红 外 传 感 器 选 用 PerkinElmer 公 司 的 PYS3228TCG2/ G20。该传感器包括两个滤波窗, 中 心波长分别是 4 26 m 、4 0 m, 其中 4 0 m 为参考 窗 , 主要有外壳、滤光片、热释电元件 PZT 、场效 应管 FET 等 组成。其中 , 滤光 片设 置在 窗口 处,
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图 4 控 制时序图
零点漂移量: ∋ 2 5% FS;
24 重复性误差 : ( 2% 。
中国煤层气
第5期
5 结论
基于红外光谱吸收法的煤层气录井系统经过近 几年的现场应用, 性能稳定可靠 , 采集准确的气测 录井资料, 在现场卡准煤层位置、判断煤层气层厚 度和评价煤层含气性及储集性能等方面发挥重要的 作用。
图3
热释电传感器放大电路
3 2 控制采集单元 系统控制采集单元核心是 ADuC845 微控制器 , 它是高性能 24 位数据采集与处理系统, 它内部集 成有两个 24 位分辨率的 - ! ADC、双 D/ A 转换 器、10 或 8 通 道输 入 多 路复 用 器、 一个 高 效 的 8051 内核。同时可提供 62k 字节的 FLASH 程序存
4 现场录井实例
该煤层气录井系统已经应用在山西、陕西煤层 气勘探现场录井 , 应用效果良好, 甲烷显示与地层 岩性具有很好的对映关系 , 准确地卡准煤层位置 , 并现场判断煤层气层厚度。图 5 是山西煤层气勘探 井的部分录井草图。
图5
录井草图 ( 09) : 31- 39 [ 3] 董春利 . 热释电 传感器 及其应 用 [ A ] . 中 国仪器 仪 表学会 2007 学术年会智能检 测控制 技术及 仪表装 置 发展研讨会论文集 [ C] , 2007: 34- 40 [ 4] 丁茹 , 李刚 . 内嵌 闪存 MCU 的高 性能 多通 道 24 位 采 集 系 统 ADuC845 [ J] . 国 外 电 子 元 器 件 , 2004, ( 12) : 40- 45
A Mud logging System of Coalbed Methane Based on Infrared Spectral Absorption Method
Zheng Yiting ( Geology Logging Company of Shengli Oil Administrat ion Bareau, Shandong 257064) Abstract: Detection of the methane concentration in drilling fluid is an important CBM logging work, and it is essential to on site card standard coalbed position, determine the thickness of coalbed and evaluate content of gas and reservoir propert ies of coalbed. In the logging industry, methods to detect methane usually include FID flame ionization detection and infrared spectral absorption. Detection system based on infrared spectral ab sorption method is simpler at integral structure and need no other ancillary equipment , so it is widely con cerned and more suitable for CBM well logging. This paper describes the hardware and software of methane de tection that adopts infrared spectral absorption method. At last, its field application effect explains system s usability. Keywords: Methane; infrared spectral absorpt ion method; coalbed mud logging 甲烷 在煤层 气中 的含量 一般可 占 80% 以上 , 而乙烷、丙烷、丁烷、戊烷等烃类气体含量一般在 1% 以下。在煤层气勘探过程中, 甲烷检测是一项 重要的录井工作 , 为后续的地质解释评价提供参考 依据。在录井行业, 甲烷检测方式一般有 FID 氢火 焰离子检测法和红外光谱吸收法。FID 法需要氢气 发生器、空气压缩机等辅助设备, 且对气体流量有
厚度和评价煤层含气性及储集性能至关重要 。在录井行业, 检测甲烷的方法有 FID 氢火焰离子检 测法和红外光谱吸收法, 采用红外光谱吸收法的系统因整体结构简单 、无需其它辅助设备等优势 被广泛关注 , 比较适合于煤层气录井。 本文阐述了煤层气录井中, 使用红外光谱吸收法检测甲烷 的硬件和软件, 最后以现场应用效果说明了系统的实用性 。 关键词: 甲烷 红外光谱吸收法 煤层气录井
储器, 4k 字节 FLASH 数据存储器和 2304 字节的数 据 RAM 。 红外发光管和信号采集时序见图 4, 具体为: ∀ 采集传感器两个通道的信号 A1 、Aref ; # 红外发 光源发 光 200ms; ∃ 采集传 感器两 个通 道的 信号 B1 、Bref; %红外发光源熄灭 800ms; & 计算比值= ( B1 - A1 ) / ( Bref - Aref ) , 根据这个值 和标定曲线 公式计算出检测气体的浓度 , 不断循环上述五个步 骤。ADuC845 内置 的 24 位 ADC 采样 周 期设 置为 1ms, 采样精度能达到 15 位以上。 3 3 通信电路 系统通过串行总线与远端计算机连接。由计算 机软件输入控制命令、校正系数 , 通过串行总线实 现对系统的控制及校正。当然, 系统所采集处理的 数据也通过串行总线送往计算机显示。 3 4 技术指标 甲烷检测范围 : 0 01% ~ 100% ; 测量最大误差 : ∋ 3% FS;
作者简介 郑奕挺 , 男 , 主要从事地质录井工作。
严格的要求 , 系统相对复杂。而采用红外光谱吸收 法 , 系统无需其它辅助设备 , 整体结构简单。对于 当前煤层气勘探要求而言, 红外光谱吸收法更适合 于录井现场。
1 测量原理
红外吸收光谱法是以连续波长的红外光为光源
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照射样品 , 引起分子振动能级之间跃迁 , 从而研究 红外光与物质之间相互作用的方法。所产生的分子 振动光谱 , 称红外吸收光谱。在引起分子振动能级 跃迁的同时不可避免的要引起分子转动能级之间的 跃迁 , 故红外吸收光谱又称振 - 转光谱。 波长在 0 76~ 1000 m 的电磁辐射称为红外光 , 该区域称为红外光谱区或红外区。红外光又可划分 为近红 外区 ( 0 76~ 2 5 m 或 13158~ 4000cm - 1 ) 、 中红外区 ( 2 5~ 50 m 或 4000~ 200cm - 1 ) 、远红外 区 ( 50~ 1000 m 或 200~ 10cm- 1 ) 。其中中 红外区 是研究分子振动能级跃迁的主要区域
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图 1 热释电效应 形成的原理
3 甲烷检测系统
系统设计包括电源、主控制器、红外发光管及 其驱动电路、红外传感器及其信号放大电路、通信 电路、液晶显示等。系统结构如图 2 所示。
吸收系数 k 是一个非常复杂 的量, 它不 仅与 气体种类、入射光波长有关 , 而且还受环境温度、 环境大气压等因素的影响。因此, 对于变温、变气 压的工作环境, k 是一个变值, 从而直接影响吸收 光强 I 。
2 热释电效应
当一些晶体受热时, 在晶体两端将会产生数量 相等而符号相反的电荷, 这种由于热变化产生的电 极化现象 , 被称为热释电效应。通常, 晶体自发极 化所产生的束缚电荷被来自空气中附着在晶体表面 的自由电子所中和 , 其自发极 化电矩不能表 现出 来。当温度变化时, 晶体结构中的正负电荷重心相 对移位, 自发极化发生变化, 晶体表面就会产生电 荷耗尽, 电荷耗尽的状况正比于极化程度, 图 1 表 示了热释电效应形成的原理[ 3] 。 能产生热释电效应的晶体称之为热释电体或热 释电元件, 其常用的 材料有单晶 ( LiTaO3 等 ) 、压 电陶瓷 ( PZT 等 ) 及高分子薄膜 ( PVFZ 等 ) 。热释
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组成红外线通过的窗口。优点 : 本身不发任何类型 的辐射, 器件功耗很小, 隐蔽性好 , 价格低廉。缺 点: 容易受各种热源、光源干扰; 易受射频辐射的 干扰。 针对该热释电传感器包括两个通道 , 设计了两
个对称的放大电路 ( 图 3) 。以一个通道为例 , C4、 R4、R3 构成低 通放大 , C8、R7、 R8 构成零 位提 升 , 便于后续采集计算。放大器采用高阻抗输入、 低噪声芯片 TLC2252。
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电传感器利用的正是热释电效应 , 是一种温度敏感 传感器。它由陶瓷氧化物或压电晶体元件组成 , 元 件两个表面做成电极, 当传感器监测范围内温度有 T 的变化时, 热释电效应会在两个电极上会产生 电荷 Q, 即在两电极之间产生一微弱电压 V 。由 于它的输出阻抗极高, 所以传感器中有一个场效应 管进行阻抗变换。热释电效应所产生的电荷 Q 会 跟空气中的离子所结合而消失, 当环境温度稳定不 变时 , T= 0, 传感器无输出。如果我们在热电元 件接上适当的电阻 , 当元件受热时, 电阻上就有电 流流过 , 在两端得到电压信号。
参
[ 1]
考
文
献
施德恒 , 刘新建 , 许 启富 . 利用 红外 光谱 吸收 原理 的 CO 浓度测 量装置研 究 [ J] . 光 学技术 , 2001, 27 ( 1) : 91- 94
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李黎 , 张 宇 , 宋 振宇 , 安 宇鹏 , 曹峰 , 王一 丁 . 红 外光谱技术在 气体检测 中的 应用 [ J] . 红外 , 2007,