基于紅外光譜吸收法的煤層氣錄井系統

鄭奕挺

(勝利石油管理局地質錄井公司, 山東 257064)

甲烷在煤層氣中的含量一般可占80%以上,而乙烷、丙烷、丁烷、戊烷等烴類氣體含量一般在1%以下。在煤層氣勘探過程中, 甲烷檢測是一項重要的錄井工作, 為后續的地質解釋評價提供參考依據。在錄井行業, 甲烷檢測方式一般有FID 氫火焰離子檢測法和紅外光譜吸收法。FID 法需要氫氣發生器、空氣壓縮機等輔助設備, 且對氣體流量有嚴格的要求, 系統相對復雜。而采用紅外光譜吸收法, 系統無需其它輔助設備, 整體結構簡單。對于當前煤層氣勘探要求而言, 紅外光譜吸收法更適合于錄井現場。

1 測量原理

紅外吸收光譜法是以連續波長的紅外光為光源照射樣品, 引起分子振動能級之間躍遷, 從而研究紅外光與物質之間相互作用的方法。所產生的分子振動光譜, 稱紅外吸收光譜。在引起分子振動能級躍遷的同時不可避免的要引起分子轉動能級之間的躍遷, 故紅外吸收光譜又稱振- 轉光譜。

波長在0．76～1000μm 的電磁輻射稱為紅外光,該區域稱為紅外光譜區或紅外區。紅外光又可劃分為近紅外區 (0．76～2．5μm 或13158～4000cm-1) 、中紅外區 (2．5～50μm 或4000～200cm-1) 、遠紅外區 (50～1000μm 或200～10cm-1) 。其中中紅外區是研究分子振動能級躍遷的主要區域[1,2]。

基本數學模型： 大部分有機和無機多原子分子氣體在紅外區有特征吸收波長。當紅外光通過時,這些氣體分子對特定波長的透過光強可由朗伯- 比爾定律表示：

而吸收光強i 可表示為:

式中 I0——人射光強;

I——透過光強;

l ——氣體介質厚度;

p——氣體濃度;

k——吸收系數。

吸收系數k 是一個非常復雜的量, 它不僅與氣體種類、入射光波長有關, 而且還受環境溫度、環境大氣壓等因素的影響。因此, 對于變溫、變氣壓的工作環境, k 是一個變值, 從而直接影響吸收光強I。

2 熱釋電效應

當一些晶體受熱時, 在晶體兩端將會產生數量相等而符號相反的電荷, 這種由于熱變化產生的電極化現象, 被稱為熱釋電效應。通常, 晶體自發極化所產生的束縛電荷被來自空氣中附著在晶體表面的自由電子所中和, 其自發極化電矩不能表現出來。當溫度變化時, 晶體結構中的正負電荷重心相對移位, 自發極化發生變化, 晶體表面就會產生電荷耗盡, 電荷耗盡的狀況正比于極化程度, 圖1 表示了熱釋電效應形成的原理[3]。

能產生熱釋電效應的晶體稱之為熱釋電體或熱釋電元件, 其常用的材料有單晶 (LiTaO3等) 、壓電陶瓷 (PZT 等) 及高分子薄膜 (PVFZ 等) 。熱釋電傳感器利用的正是熱釋電效應, 是一種溫度敏感傳感器。它由陶瓷氧化物或壓電晶體元件組成, 元件兩個表面做成電極, 當傳感器監測范圍內溫度有ΔT的變化時, 熱釋電效應會在兩個電極上會產生電荷ΔQ, 即在兩電極之間產生一微弱電壓ΔV。由于它的輸出阻抗極高, 所以傳感器中有一個場效應管進行阻抗變換。熱釋電效應所產生的電荷ΔQ 會跟空氣中的離子所結合而消失, 當環境溫度穩定不變時,ΔT=0, 傳感器無輸出。如果我們在熱電元件接上適當的電阻, 當元件受熱時, 電阻上就有電流流過, 在兩端得到電壓信號。

圖1 熱釋電效應形成的原理

3 甲烷檢測系統

系統設計包括電源、主控制器、紅外發光管及其驅動電路、紅外傳感器及其信號放大電路、通信電路、液晶顯示等。系統結構如圖2 所示。

圖2 系統整體結構框圖

3．1 選用的發光源和傳感器及其配套電路

紅外發光管選用PerkinElmer 公司的IRL715,它采用低頻電調制, 是一種白熾燈, 波長從可見光到5μm, 適合CH4(3～3．5μm) 、CO2(4．15～4．4μm)等氣體探測, 高可靠穩定的輸出, 短時間常數, 長壽命, 在5V 電源時可工作40000 小時。IRL715 采用了1Hz 脈沖調制。

紅外傳感器選用 PerkinElmer 公司的PYS3228TCG2/ G20。該傳感器包括兩個濾波窗, 中心波長分別是4．26μm、4．0μm, 其中4．0μm 為參考窗, 主要有外殼、濾光片、熱釋電元件PZT、場效應管FET 等組成。其中, 濾光片設置在窗口處,組成紅外線通過的窗口。優點： 本身不發任何類型的輻射, 器件功耗很小, 隱蔽性好, 價格低廉。缺點： 容易受各種熱源、光源干擾; 易受射頻輻射的干擾。

針對該熱釋電傳感器包括兩個通道, 設計了兩個對稱的放大電路 (圖3) 。以一個通道為例, C4、R4、R3 構成低通放大, C8、R7、R8 構成零位提升, 便于后續采集計算。放大器采用高阻抗輸入、低噪聲芯片TLC2252。

圖3 熱釋電傳感器放大電路

3．2 控制采集單元

系統控制采集單元核心是ADuC845 微控制器,它是高性能24 位數據采集與處理系統, 它內部集成有兩個24 位分辨率的Δ- ∑ADC、雙D/A 轉換器、10 或8 通道輸入多路復用器、一個高效的8051 內核。同時可提供62k 字節的FLASH 程序存儲器, 4k 字節FLASH 數據存儲器和2304 字節的數據RAM[4]。

圖4 控制時序圖

紅外發光管和信號采集時序見圖4, 具體為：①采集傳感器兩個通道的信號A1、Aref; ②紅外發光源發光200ms; ③采集傳感器兩個通道的信號B1、Bref; ④紅外發光源熄滅800ms; ⑤計算比值=(B1- A1) / (Bref- Aref) , 根據這個值和標定曲線公式計算出檢測氣體的濃度, 不斷循環上述五個步驟。ADuC845 內置的24 位ADC 采樣周期設置為1ms, 采樣精度能達到15 位以上。

3．3 通信電路

系統通過串行總線與遠端計算機連接。由計算機軟件輸入控制命令、校正系數, 通過串行總線實現對系統的控制及校正。當然, 系統所采集處理的數據也通過串行總線送往計算機顯示。

3．4 技術指標

甲烷檢測范圍： 0．01%～100%;

測量最大誤差： ±3%FS;

零點漂移量： ±2．5%FS;重復性誤差： ≤2%。

4 現場錄井實例

該煤層氣錄井系統已經應用在山西、陜西煤層氣勘探現場錄井, 應用效果良好, 甲烷顯示與地層巖性具有很好的對映關系, 準確地卡準煤層位置,并現場判斷煤層氣層厚度。圖5 是山西煤層氣勘探井的部分錄井草圖。

5 結論

基于紅外光譜吸收法的煤層氣錄井系統經過近幾年的現場應用, 性能穩定可靠, 采集準確的氣測錄井資料, 在現場卡準煤層位置、判斷煤層氣層厚度和評價煤層含氣性及儲集性能等方面發揮重要的作用。

圖5 錄井草圖

[1] 施德恒, 劉新建, 許啟富. 利用紅外光譜吸收原理的CO 濃度測量裝置研究 [J]. 光學技術, 2001, 27(1) ： 91- 94．

[2] 李黎, 張宇, 宋振宇, 安宇鵬, 曹峰, 王一丁. 紅外光譜技術在氣體檢測中的應用 [J]. 紅外, 2007,(09) ： 31- 39．

[3] 董春利. 熱釋電傳感器及其應用 [A]. 中國儀器儀表學會2007 學術年會智能檢測控制技術及儀表裝置發展研討會論文集 [C] , 2007： 34- 40．

[4] 丁茹, 李剛. 內嵌閃存MCU 的高性能多通道24 位采集系統ADuC845 [J ]. 國外電子元器件, 2004,(12) ： 40- 45．