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)

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0．76～1000μm 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 (0．76～2．5μm 或13158～4000cm-1) 、中红外区 (2．5～50μm 或4000～200cm-1) 、远红外区 (50～1000μm 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[1,2]。

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：

而吸收光强i 可表示为:

式中 I0——人射光强;

I——透过光强;

l ——气体介质厚度;

p——气体浓度;

k——吸收系数。

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ΔT的变化时, 热释电效应会在两个电极上会产生电荷ΔQ, 即在两电极之间产生一微弱电压ΔV。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ΔQ 会跟空气中的离子所结合而消失, 当环境温度稳定不变时,ΔT=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。

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。

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5μm, 适合CH4(3～3．5μm) 、CO2(4．15～4．4μm)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4．26μm、4．0μm, 其中4．0μm 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,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。

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Δ- ∑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 程序存储器, 4k 字节FLASH 数据存储器和2304 字节的数据RAM[4]。

图4 控制时序图

红外发光管和信号采集时序见图4, 具体为：①采集传感器两个通道的信号A1、Aref; ②红外发光源发光200ms; ③采集传感器两个通道的信号B1、Bref; ④红外发光源熄灭800ms; ⑤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;

零点漂移量： ±2．5%FS;重复性误差： ≤2%。

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。

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5 录井草图

[1] 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,(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．