[发明专利]一种用于钻井液含烃浓度的检测装置和分析方法

权利要求书

1.一种用于钻井液含烃浓度的分析方法，该方法基于钻井液含烃浓度的检测装置，该检测装置包括中空的仪器外壳和设置于所述仪器外壳内的耐压舱，所述仪器外壳能够与钻头相连接，所述耐压舱内为密闭空间，所述耐压舱内设置拉曼光谱仪、拉曼探头固定器和石英光窗，所述拉曼光谱仪具有拉曼探头，所述拉曼光谱仪与所述拉曼探头通过光纤相连，所述拉曼光谱仪能够将检测数据传输至外部设备，所述拉曼探头设置于所述拉曼探头固定器上，所述石英光窗设置于所述拉曼探头的底部，所述耐压舱的底部设置样品池外管，所述石英光窗镶嵌于所述耐压舱的底壁上且正对所述样品池外管，所述仪器外壳的侧壁上具有钻井返液进出通道，所述样品池外管通过所述钻井返液进出通道与外界环境相连通，所述样品池外管内设置有活塞，所述活塞可滑动地设置于所述样品池外管内，所述活塞与所述样品池外管之间设置密封元件，所述活塞远离所述钻井返液进出通道的一侧设置驱动器，所述驱动器能够带动所述活塞运动；所述耐压舱的底部设置缺口，所述缺口处设置光窗固定器，所述石英光窗与所述光窗固定器相连；所述拉曼探头固定器与所述光窗固定器相连，所述拉曼探头固定器与所述拉曼探头之间设置密封胶，所述拉曼探头与所述石英光窗相抵接；

其特征在于，所述的用于钻井液含烃浓度的分析方法，包括如下步骤：

步骤一、对含油钻井液制片观察后发现，在原油占含油钻井液25％的时候，当以40X为放大倍数时，随着温度的升高油珠在钻井液中的离散程度也逐渐变大，当温度达到65℃时油珠与视野的比值达到了最大值；

步骤二、利用油珠在钻井液中与制片后的总体积保持不变的原则建立的恒等关系式：πr²h＝4πR³/3，式中，r为制片后视野中的油珠半径，h为制片后油珠的厚度，R为油珠在钻井液中的半径；测试含油钻井液的密度和重量，由公式ρ＝m/v，式中，ρ为含油钻井液的密度，m为含油钻井液的重量，v为含油钻井液的体积，计算出含油钻井液的体积，再由公式v＝a²h，式中，a为盖玻片的边长，h为制片后盖玻片与载玻片中含油钻井液摊开后的高度，得出含油钻井液盖玻片下的厚度；根据镜下照片可以统计出油珠的直径，将统计出的油珠直径代入公式πr²h＝4πR³/3中，就可以由镜下照片推出油珠的真实体积；

步骤三、当油珠直径大于50μm时会受到界面张力的影响，此时油珠在制片的过程中两端将不再呈现出圆柱的形状，计算得到原油45℃～85℃下的界面张力，代入界面张力公式u＝FVρg/R，其中，u为界面张力，F为表面张力系数，V为油珠体积，ρ为原油密度，R为半径，计算得出温度与油珠体积、半径之间的关系式：V＝625RT/6468-4325/2156，根据镜下照片可以统计出油珠的直径，将统计出的油珠直径代入公式，可以根据镜下照片推出油珠的真实体积；当油珠直径小于50μm时，由于此时油珠的直径小于制片后盖玻片与载玻片中含油钻井液摊开后的高度，油珠以球状存在于制片后的含油钻井液中，此时推测油珠的真实体积利用球体公式可以推测出；当油珠直径为50μm，此时恰好达到制片后盖玻片与载玻片中含油钻井液摊开后的高度，不受界面张力的影响，此刻油珠将以圆柱体的形态存在于制片后的含油钻井液中，利用圆柱体公式可以推测出油珠的真实体积；

步骤四、根据不同浓度含油钻井液镜下照片，统计出照片中所有油珠的半径，可以求出油珠的体积，将不同温度下油珠的分布建立油珠在钻井液中的分布图；

步骤五、通过不同浓度的拉曼光谱分析，得到了在85℃下浓度与拉曼光谱的线性关系式：y＝145.8x+1319，其中x为含油钻井液中原油浓度，y为拉曼峰值强度；

步骤六、含油钻井液是按照不同含量的原油与一定量的钻井液配比制成，将含油钻井液中的原油当成待测物质，钻井液看作为背景混合物，令R_钻表示背景混合物的拉曼光谱，根据光谱叠加原理可以得出，含油钻井液的拉曼光谱R_混应该满足待测原油成分光谱R_油与背景光谱R_钻的线性可见性，即：

R_混(v)＝yA_钻R_钻(v)+xA_油R_油(v) (1-1)

式中：A_钻为背景混合物的拉曼强度，A_油为待测成分的拉曼强度，v为波数；

令K_油表示待测成分与背景混合物的相对拉曼强度系数，即：

K_油＝A_油/A_钻 (1-2)

将式(1-2)代入式(1-1)中得到：

R_混(v)＝A_钻[yR_钻(v)+xK_油R_油(v)] (1-3)

式中，x和y分别为含油钻井液中原油与钻井液的体积分量，可知

x+y＝1 (1-4)

为了消除环境因素对拉曼光谱强度的影响，对所测量出的含油钻井液光谱进行归一化处理，令v_归表示归一化后的波数，得到含油钻井液归一化的光谱为：

再令：

则含油钻井液的归一化光谱可写成钻井液与待测原油的加权和形式

步骤七、光谱合成算法得到背景光谱和待测成分光谱在混合物中的合成系数，对混合物中的待测成分浓度进行定量分析，得出待测成分体积分量的预测值与背景混合物的相对拉曼强度系数及光谱合成系数的关系：

X＝b/(aK_油+b) (1-10)

其中为背景混合物的相对拉曼强度系数，a、b为光谱合成系数；

步骤八、取一定量的钻井液在温度85℃时，加入不同体积的原油，得到四组样品并分别测量它们中原油、钻井液和含油钻井液的拉曼光谱，对每个样品拉曼光谱积分时间相同，多次测量取平均值；得到1519cm^-1处的拉曼峰值强度，计算钻井液平均峰值和原油的平均分值，将结果代入公式(1-2)、(1-6)、(1-7)、(1-8)、(1-4)中依次计算，由计算结果可知，定量分析能够说明含油钻井液中原油的浓度；

步骤九、定量分析结果影响因素分析：在实际检测过程中，温度受地层深度的影响，同一波数下不同温度拉曼峰值强度随着温度的增加而上升，由此建立温度与波数之间的关系式：

R(v)_T＝3.66T+1595.9 (1-11)

式中T为温度，R(v)_T为温度T下的波数，由公式(1-11)可以计算出不同温度下含油钻井液的拉曼光谱峰值强度，通过归一化处理后代入公式即可对原油进行定量分析。