[发明专利]钻井液激光拉曼谱烃类快速检测方法

说明书

技术领域：

本发明涉及一种随钻检测技术。 

背景技术：

随着井下随钻测量技术的不断发展，在石油天然气勘探开发过程中，无线随钻测量占有越来越多的井下测量市场，有逐步取代有线测量的趋势。中国石化作为致力于石油天然气勘探开发、石油化工产品的生产与销售的上下游一体化能源化工公司，在井下随钻气体检测技术上进行研究，对于推动中国石化科技创新和自主创新能力的不断提高，确保将中国石化建设成为具有国际竞争力的创新型世界级能源公司的战略目标的实现具有重要意义。 

目前国内外还没有可供商业使用的直接和连续进行井底烃类含量测量的仪器。对井下随钻气体检测进行技术研究，将使地层烃类含量检测由地面转移到地下，可以实时获得地层含油气信息，判断储藏的性质和产能；尤其是在定向井和水平井钻井过程中，对井下情况的实时掌握可以帮助司钻判断钻头运行轨迹是否朝着预定方向，得到这些信息越早、越快，钻井的效率也就越高。 

发明内容：

本发明的目的就是提供一种随钻拉曼谱检测系统。本方法利用激光拉曼光谱技术和无线电中继传输技术，对钻井泥浆返液的固、液、气三种形态进行化学成份的分析检测，并且无需任何试剂或机械接触(附图1)。 

本发明的目的是这样实现的：首先，钻井泥浆返液首先进入螺旋离心系统(附图2)，对环空内的钻井泥浆返液进行离心处理。泥浆中较重的固体颗粒被离心至螺旋离心系统的外侧，同时内侧聚集密度较小的烃类气体或者烃类水溶液。然后，利用激光照射内侧溶液，分子的拉曼谱传送至中央控制芯片，之后通过放置在钻杆接口处的一系列无线电中继，将光谱数据放送到井口接收站。最后，利用工作站存储并实时处理和显示钻头附近泥浆返液的拉曼谱图，利用拉曼谱分析系统，分析钻井返液内的烃类浓度，进行地层烃类含量检测(附图3)。具体实施步骤： 

步骤一，制作标样，把待分析组分配成纯净标样和与钻井泥浆混合的标样，并分为模型组标样和测试组标样； 

步骤二，螺旋离心测试，将测试组标样高速注入螺旋离心机。注入速度在300ms-1-1500ms-1.观测离心机抗磨损能力； 

步骤三，将螺旋离心机与拉曼谱系统进行对接。对接方式有两种：第一种，在螺旋离心机内安装拉曼谱系统；第二种，在螺旋离心机顶部或底部安装拉曼谱系统； 

步骤四，采集所述模型的标样和测试组样品的拉曼谱峰，建立谱线集和烃类浓度值集； 

步骤五，采集螺旋离心机与拉曼谱系统进行系统对接后，拉曼谱系统的谱线数据，建立对接组谱线集； 

步骤六，利用标样组谱线集和对接组谱线集进行分析，对比预测浓度和测试样的真实浓度，确定误差范围； 

步骤七，进行下井测量，并利用信号传递系统(附图4)，收集随钻拉曼谱信号； 

步骤八，对比随钻拉曼谱信号和步骤四、五、六中确定的谱线集和误差数据，实时确定泥浆中的烃类浓度和预测误差； 

步骤九，据步骤八数据，生成随钻拉曼谱录井数据。 

本发明利用螺旋离心系统，对钻井泥浆进行离心预处理，同时利用激光拉曼技术激发分子产生拉曼谱，最后利用无线电中继阵列，传递拉曼谱信号，在地面进行实时分析。本发明所建立的方法有助于直接和连续进行井底烃类含量测量，可以实时获得地层含油气信息，可以帮助司钻判断钻头运行轨迹是否朝着预定方向。 

附图说明

图1.深层随钻拉曼谱仪(A-承压外壳；B-单色激光源；C-非对称半透半反镜；D-全反镜；E-谱仪；F数据处理单片机；G-溶解气颗粒；H-泥浆颗粒；I-蓝宝石窗口，窗口处可外套半透膜) 

图2.螺旋离心槽(利用钻井返液自身的动量，进行离心；离心后使比重较小的气体更贴近蓝宝石窗口) 

图3.井下流场示意图(螺旋离心槽，使泥浆旋转，并通过拉曼谱仪的蓝宝石窗口) 

图4.信号传递系统(A-无线电双向中继器，B-随钻拉曼谱仪，C-地面接收站，D-拉曼谱实时处理工作站) 

具体实施方式：

本实施例适用泥浆压力小于200MPa，流速小于1000ms^-1，温度小于200℃环境下的随着拉曼谱分析检查。 

激光拉曼光谱系统采用半导体泵浦532nm Nd-YAG激光器，功率100mW；光谱仪为Acton公司生产的Spect raPro 2500i型，其光栅密度为1 200g/mm，光谱分辨率2cm^-1；探测器为PI公司back-illuminated CCD，像素数1 340x400，500～600nm波长范围内量子效率＞90％。采用收集后向散射拉曼信号的方法搭建光路，从激光器发出激光经过532nm全反镜(20mm)、半透半反镜(25x36mm)、收集透镜(f＝50.8mm)及蓝宝石窗口入射到舱体内部的样品中，后向散射信号经蓝宝石窗口、收集透 镜、半透半反镜及全反射镜，光纤耦合透镜(f＝25mm，镀500～700nm增透膜)进入光纤并传输至光谱仪中，最终通过CCD探测器的光电转换后输入单片机。螺旋离心槽采用外置螺旋形薄壳(内径10cm，外径15cm，螺距5cm)。在钻杆外侧放置无线电中继，无线电中继有效覆盖范围30m。地面接收工作站选用HPz800，利用并口单片机接收拉曼谱信号，最高接收速度20M/s。接收的拉曼谱精度1nm，接收宽度100nm。地面工作站，可以调整接收谱段和接收时间间隔。本次实例，检查间隔为2850cm^-1-2950cm^-1，检查对象为CH₄，最低检出浓度为15ppm。地面工作站每隔10ms可采集到一条拉曼谱数据。