本發(fā)明屬于石油天然氣勘探開發(fā)技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種能夠?qū)崟r(shí)在線檢測(cè)鉆探過程中油氣濃度的隨鉆光譜儀。

背景技術(shù)：

在石油天然氣的鉆探過程中，油氣成分的隨鉆檢測(cè)具有重要的意義。針對(duì)地下油水關(guān)系復(fù)雜，開發(fā)油氣藏層薄、斷塊小的油田環(huán)境，實(shí)時(shí)在線的檢測(cè)油氣成分就顯得更為重要。實(shí)時(shí)在線檢測(cè)鉆探過程中封閉泥漿環(huán)境中泥漿成分的變化，提高油氣藏開發(fā)的效率并節(jié)約成本、預(yù)防危險(xiǎn)。

隨鉆測(cè)量檢測(cè)技術(shù)在油氣藏開發(fā)的鉆井過程中安裝各種傳感器、設(shè)備和控制器來測(cè)量地層參數(shù)、泥漿液分析、監(jiān)控鉆頭工具，并用數(shù)據(jù)遙測(cè)系統(tǒng)將測(cè)量結(jié)果實(shí)時(shí)地傳送地面進(jìn)行記錄和處理。它能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)到地層變化，及時(shí)調(diào)整鉆井設(shè)定，發(fā)現(xiàn)油藏中最有價(jià)值的地帶，提高油氣的采收率。但是目前普遍采用的油氣成分的檢測(cè)采用復(fù)式電阻率和鉆井阻力相結(jié)合的方式，不是直接測(cè)量，測(cè)量結(jié)果并不準(zhǔn)確，只能結(jié)合錄井過程的結(jié)果確認(rèn)，通常會(huì)造成延遲。而使用光譜技術(shù)的隨鉆檢測(cè)現(xiàn)有專利之一是bakerhughes公司的s.csutak在2011年公開的基于拉曼散射的隨鉆測(cè)量方案(公開號(hào)us8068226b2)，該方法使用遠(yuǎn)紅外的量子級(jí)聯(lián)激光器作為拉曼散射的泵浦源。該方案缺點(diǎn)主要表現(xiàn)在外圍設(shè)備多，橫截面積大，很難應(yīng)用于井下，同時(shí)量子激光器成本高，驅(qū)動(dòng)電流在500ma以上，功耗大。量子級(jí)激光器一般使用波長5um以上的遠(yuǎn)紅外光源，產(chǎn)生的拉曼散射是波長更長的遠(yuǎn)紅外信號(hào)，光學(xué)系統(tǒng)較難檢測(cè)。所以該方案在隨鉆測(cè)量應(yīng)用中并不現(xiàn)實(shí)，而且基于激光光譜技術(shù)雖然具有極高的靈敏度，但是近紅外和中紅外波段所使用的光源激光二極管和探測(cè)器的最高工作溫度在60-80℃之間，不能滿足井下的高溫環(huán)境。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明針對(duì)上述目前光譜技術(shù)在隨鉆檢測(cè)中的應(yīng)用存在外圍設(shè)備多、設(shè)備橫截面大、成本高、功耗大、不能滿足井下高溫環(huán)境等技術(shù)問題，提出一種結(jié)構(gòu)組成簡單、體積小、功耗低、能夠滿足井下高溫環(huán)境的隨鉆光譜儀。

為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為：

一種隨鉆光譜儀，安裝在鉆桿上，包括反射鏡，所述反射鏡為橢球體。

所述反射鏡的一個(gè)焦點(diǎn)上設(shè)置有光源，另一個(gè)焦點(diǎn)上設(shè)置有能夠接收到光源發(fā)出的光線的探測(cè)器。

所述反射鏡上設(shè)置有能使鉆井液穿過的檢測(cè)通道，所述檢測(cè)通道位于光源和探測(cè)器之間。

所述反射鏡包括第一反射鏡和第二反射鏡，所述第一反射鏡上的第一檢測(cè)通道位于鉆桿的內(nèi)腔中，所述第二反射鏡上的第二檢測(cè)通道位于鉆桿外。

作為優(yōu)選，所述探測(cè)器包括油氣檢測(cè)單元和參比檢測(cè)單元，所述油氣檢測(cè)單元上安裝有能夠使油氣成分吸收峰的波長通過的油氣濾波片，所述參比檢測(cè)單元安裝有使鉆井液中物質(zhì)的波長都能夠通過的參比濾光片。

作為優(yōu)選，所述第一檢測(cè)通道的厚度與第二檢測(cè)通道的厚度相同。

作為優(yōu)選，所述的第一反射鏡和第二反射鏡相連形成雙橢球形的一體結(jié)構(gòu)。

作為優(yōu)選，所述第一反射鏡的一個(gè)焦點(diǎn)與第二反射鏡的一個(gè)焦點(diǎn)重合，所述第一反射鏡與第二反射鏡采用同一個(gè)光源，光源設(shè)置在相互重合的焦點(diǎn)上。

作為優(yōu)選，所述第一反射鏡和第二反射鏡的焦點(diǎn)均位于同一直線上。

作為優(yōu)選，所述檢測(cè)通道上設(shè)置有能夠阻擋固體進(jìn)入到反射鏡內(nèi)的過濾網(wǎng)。

作為優(yōu)選，進(jìn)一步包括控制光源的控制器以及與控制器相連并能夠測(cè)量檢測(cè)通道溫度的測(cè)溫元件。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)和積極效果在于：

1、隨鉆光譜儀采用差分方式直接檢測(cè)井下的鉆井液，無需使用復(fù)雜的井下氣液分離系統(tǒng)，簡化了設(shè)備結(jié)構(gòu)，而且體積小，成本低，功耗低，能夠直接集成在隨鉆設(shè)備中。

2、采用差分方式得到內(nèi)、外的油氣成分吸收率，推算出油氣成分的濃度，分析速度快，成本低，無需消耗樣品。

3、光源能夠根據(jù)環(huán)境溫度進(jìn)行調(diào)節(jié)，使光源穩(wěn)定在一個(gè)溫度上，保持穩(wěn)定的輻射光譜分布，保證檢測(cè)準(zhǔn)確性。

附圖說明

圖1為隨鉆光譜儀的結(jié)構(gòu)示意圖一；

圖2為隨鉆光譜儀的結(jié)構(gòu)示意圖二；

圖3為雙橢球體的反射鏡結(jié)構(gòu)示意圖一；

圖4為雙橢球體的反射鏡結(jié)構(gòu)示意圖二；

以上各圖中：1、鉆桿；2、反射鏡；2.1、第一反射鏡；2.2、第二反射鏡；3、光源；4、探測(cè)器；4.1、油氣檢測(cè)單元；4.2、參比檢測(cè)單元；5、檢測(cè)通道；5.1、第一檢測(cè)通道；5.2、第二檢測(cè)通道；6.1、油氣濾波片；6.2、參比濾光片；7、過濾網(wǎng)。

具體實(shí)施方式

下面，通過示例性的實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明進(jìn)行具體描述。然而應(yīng)當(dāng)理解，在沒有進(jìn)一步敘述的情況下，一個(gè)實(shí)施方式中的元件、結(jié)構(gòu)和特征也可以有益地結(jié)合到其他實(shí)施方式中。

在本發(fā)明的描述中，需要說明的是，術(shù)語“內(nèi)”、“外”、“上”、“下”、“前”、“后”等指示的方位或位置關(guān)系為基于附圖所示的位置關(guān)系，僅是為了便于描述本發(fā)明和簡化描述，而不是指示或暗示所指的裝置或元件必須具有特定的方位、以特定的方位構(gòu)造和操作，因此不能理解為對(duì)本發(fā)明的限制。此外，術(shù)語“第一”、“第二”、“第三”僅用于描述目的，而不能理解為指示或暗示相對(duì)重要性。

如圖1、圖2所示，隨鉆光譜儀，安裝在鉆桿1上，包括反射鏡2，反射鏡2為橢球體。

反射鏡2的一個(gè)焦點(diǎn)上設(shè)置有光源3，另一個(gè)焦點(diǎn)上設(shè)置有能夠接收到光源3發(fā)出的光線的探測(cè)器4。

反射鏡2上設(shè)置有能使鉆井液穿過的檢測(cè)通道5，檢測(cè)通道5位于光源3和探測(cè)器4之間。

反射鏡2中光源3的光束可以直達(dá)探測(cè)器4，也可以經(jīng)過反射鏡2的反射到達(dá)探測(cè)器4，兩種途徑到達(dá)探測(cè)器4的光都穿透了檢測(cè)通道5中的鉆井液。

反射鏡2包括第一反射鏡2.1和第二反射鏡2.2。

第一反射鏡2.1上的第一檢測(cè)通道5.1位于鉆桿1的內(nèi)腔中，第二反射鏡2.2上的第二檢測(cè)通道5.2位于鉆桿1外。

鉆探過程中鉆井液沿鉆桿1內(nèi)腔從井上向下灌下，部分經(jīng)過第一檢測(cè)通道5.1。第一反射鏡2.1中光源3發(fā)出的光穿過第一檢測(cè)通道5.1內(nèi)的鉆井液后，被第一反射鏡2.1中的第一探測(cè)器接收。由于此時(shí)鉆井液中沒有油氣成分，在波長λon處無特征吸收，第一探測(cè)器測(cè)得第一檢測(cè)通道5.1的透射率ti。波長λon根據(jù)油氣成分設(shè)定。

滑下的鉆井液為螺桿鉆具提供動(dòng)力，并從鉆頭流出，攜帶鉆頭產(chǎn)生的碎石屑等物質(zhì)，經(jīng)過鉆桿1外壁和井壁之間的間隙流回井上，部分經(jīng)過第二檢測(cè)通道5.2。第二反射鏡2.2中光源發(fā)出的光以同樣穿過第二檢測(cè)通道5.2的鉆井液后，被第二反射鏡2.2中的第二探測(cè)器接收。當(dāng)鉆頭行進(jìn)到油氣層時(shí)，油氣成分就會(huì)混合到鉆井液中，在第二檢測(cè)通道5.2中能夠在波長λon處測(cè)量到含油氣成分的吸收，第二探測(cè)器測(cè)得第二檢測(cè)通道5.2的透射率to。

根據(jù)比爾—郎伯定律數(shù)學(xué)表達(dá)式：

a＝lg(1/t)＝kbc；

公式中，a為吸光度；t為透射率，即透射光強(qiáng)度比上入射光強(qiáng)度；k為摩爾吸收系數(shù)，與吸收物質(zhì)的性質(zhì)及入射光的波長λ有關(guān)；c為吸光物質(zhì)的濃度；b為吸收層厚度

鉆桿1內(nèi)、外的透射率ti、to已檢測(cè)出，檢測(cè)通道的厚度作為吸收層厚度，而摩爾吸收系數(shù)k可以通過查光譜數(shù)據(jù)庫如hitran獲得或者通過儀器標(biāo)定過程中線性擬合出的模型中獲得，從而根據(jù)比爾—郎伯定律，推算出油氣的濃度。

為了檢測(cè)出鉆桿1內(nèi)、外的透射率ti、to，探測(cè)器4包括油氣檢測(cè)單元4.1和參比檢測(cè)單元4.2。

油氣檢測(cè)單元4.1上安裝有能夠使油氣成分吸收峰的波長λon通過的油氣濾波片6.1。參比檢測(cè)單元4.2安裝有使鉆井液中物質(zhì)的波長λoff都能夠通過的參比濾光片6.2，參比濾光片6.2對(duì)鉆井液中的任何物質(zhì)均無吸收。

第一反射鏡2.1中，第一探測(cè)器測(cè)量第一檢測(cè)通道5.1的第一油氣檢測(cè)單元和第一參比檢測(cè)單元，分別檢測(cè)到透射光強(qiáng)ii_on和ii_off，從而得到第一檢測(cè)通道5.1的透射率：ti＝ii_on/ii_off。

第二反射鏡2.2中，第二探測(cè)器測(cè)量第二檢測(cè)通道5.2的第二油氣檢測(cè)單元和第二參比檢測(cè)單元，分別檢測(cè)到透射光強(qiáng)和從而得到第二檢測(cè)通道5.2的透射率：

為了增強(qiáng)檢測(cè)分析的靈敏度，能夠?qū)ν干渎什捎貌罘痔幚?，第一檢測(cè)通道5.1的厚度與第二檢測(cè)通道5.2的厚度相同，使兩個(gè)檢測(cè)通道光程長相同，吸收層厚度相同。

透射率差分處理，t＝t0-ti，并直接代入比爾—郎伯定律數(shù)學(xué)表達(dá)式，得出油氣的濃度。

由于測(cè)量的介質(zhì)是鉆井液，即使沒有油氣的特質(zhì)吸收，一般性的散射損失也比較大。相比說來，油氣的特質(zhì)吸收比較小，差分處理后只保留了鉆探過程新產(chǎn)生的油氣的吸收信號(hào)，增強(qiáng)了分析的靈敏度。

反射鏡固定在外殼中，其結(jié)構(gòu)可設(shè)置成多種。

實(shí)施例一：

如圖1所示，第一反射鏡2.1和第二反射鏡2.2單獨(dú)設(shè)置。

實(shí)施例二：

如圖2所示，第一反射鏡2.1和第二反射鏡2.2相連形成雙橢球形的一體結(jié)構(gòu)。

由于光源3和探測(cè)器4分別位于橢球體的兩個(gè)焦點(diǎn)上，第一反射鏡2.1中的第一光源發(fā)出的光只能被第一探測(cè)器接收，而第二反射鏡2.2中的第二光源發(fā)出的光只能被第二探測(cè)器接收。兩個(gè)反射鏡相連，但檢測(cè)光路不會(huì)相互干擾。

為了使光源保持一致，保證檢測(cè)準(zhǔn)確性，如圖2至4所示，第一反射鏡2.1的一個(gè)焦點(diǎn)與第二反射鏡2.2的一個(gè)焦點(diǎn)重合，第一反射鏡2.1與第二反射鏡2.2采用同一個(gè)光源3，光源3設(shè)置在相互重合的焦點(diǎn)上。

避免由于兩個(gè)反射鏡光源存在差異，進(jìn)一步導(dǎo)致兩個(gè)反射鏡中探測(cè)器檢測(cè)到的透射光強(qiáng)形成差異，增大檢測(cè)誤差。

為了減小一體結(jié)構(gòu)的反射鏡的體積，第一反射鏡2.1和第二反射鏡2.2的焦點(diǎn)均位于同一直線上。第一反射鏡2.1和第二反射鏡2.2重合程度更高，是兩個(gè)反射鏡組成一體結(jié)構(gòu)后體積更小，更加便于安裝到鉆桿1上。

為了避免鉆井液中固體的砂石等雜物進(jìn)入檢測(cè)通道，檢測(cè)通道5上設(shè)置有能夠阻擋固體進(jìn)入到反射鏡內(nèi)的過濾網(wǎng)7。

砂石等固體雜物進(jìn)入檢測(cè)通道，會(huì)直接遮擋光線，使感測(cè)器檢測(cè)到的透射率降低，直接影響設(shè)備的檢測(cè)準(zhǔn)確度。

由于鉆井液在鉆桿1內(nèi)自上而下流動(dòng)，第一檢測(cè)通道5.1上端需設(shè)置過濾網(wǎng)7。而攜帶鉆頭產(chǎn)生的碎石屑等物質(zhì)，經(jīng)過鉆桿1外壁和井壁之間的間隙自下而上流回井上，第二檢測(cè)通道5.2下端需設(shè)置過濾網(wǎng)7。

為了使光源3始終按照設(shè)定的譜型輻射，保證測(cè)量結(jié)果的穩(wěn)定性，隨鉆光譜儀還包括控制光源3的控制器以及與控制器相連并能夠測(cè)量檢測(cè)通道5溫度的測(cè)溫元件。

光源3為工作在高溫的黑體輻射光源，黑體輻射光源采用mems傳感器，使用一層薄膜電阻片，內(nèi)部是納米結(jié)構(gòu)的鉆石形狀的非晶碳原子，是純阻性器件。

光源3使用脈沖調(diào)制，并且對(duì)探測(cè)器4通過鎖相放大器用同樣的頻率解調(diào)，降低閃爍噪聲(1/f噪聲)。

以測(cè)量油氣中甲烷的濃度為例，需要將光源的溫度穩(wěn)定在575℃，輻射峰值位于甲烷的吸收峰處，從而保證測(cè)量結(jié)果的穩(wěn)定性。

通過實(shí)驗(yàn)法，將輻射源溫度始終控制在575℃，記錄相對(duì)應(yīng)的環(huán)境溫度tr與驅(qū)動(dòng)電流i，得出實(shí)驗(yàn)表格，并進(jìn)行函數(shù)擬合即i＝f(tr)。

測(cè)溫元件測(cè)量第一檢測(cè)通道5.1和第二檢測(cè)通道5.2的環(huán)境溫度，控制器根據(jù)測(cè)得的環(huán)境溫度以及函數(shù)擬合得出的公式，控制光源3的驅(qū)動(dòng)電流相應(yīng)變化，從而使光源3的溫度穩(wěn)定在575℃上，進(jìn)而將光源3的能譜分布聚集在3到4微米的甲烷等有機(jī)氣體的強(qiáng)吸收區(qū)，同時(shí)維持它們足夠的發(fā)射強(qiáng)度，使光源3始終按照設(shè)定的譜型輻射，保證測(cè)量結(jié)果的穩(wěn)定性。