基于紅外光譜吸收法的煤層氣錄井系統(tǒng)

鄭奕挺

(勝利石油管理局地質(zhì)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(lèi)氣體含量一般在1%以下。在煤層氣勘探過(guò)程中, 甲烷檢測(cè)是一項(xiàng)重要的錄井工作, 為后續(xù)的地質(zhì)解釋評(píng)價(jià)提供參考依據(jù)。在錄井行業(yè), 甲烷檢測(cè)方式一般有FID 氫火焰離子檢測(cè)法和紅外光譜吸收法。FID 法需要?dú)錃獍l(fā)生器、空氣壓縮機(jī)等輔助設(shè)備, 且對(duì)氣體流量有嚴(yán)格的要求, 系統(tǒng)相對(duì)復(fù)雜。而采用紅外光譜吸收法, 系統(tǒng)無(wú)需其它輔助設(shè)備, 整體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。對(duì)于當(dāng)前煤層氣勘探要求而言, 紅外光譜吸收法更適合于錄井現(xiàn)場(chǎng)。

1 測(cè)量原理

紅外吸收光譜法是以連續(xù)波長(zhǎng)的紅外光為光源照射樣品, 引起分子振動(dòng)能級(jí)之間躍遷, 從而研究紅外光與物質(zhì)之間相互作用的方法。所產(chǎn)生的分子振動(dòng)光譜, 稱(chēng)紅外吸收光譜。在引起分子振動(dòng)能級(jí)躍遷的同時(shí)不可避免的要引起分子轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)之間的躍遷, 故紅外吸收光譜又稱(chēng)振- 轉(zhuǎn)光譜。

波長(zhǎng)在0．76～1000μm 的電磁輻射稱(chēng)為紅外光,該區(qū)域稱(chēng)為紅外光譜區(qū)或紅外區(qū)。紅外光又可劃分為近紅外區(qū) (0．76～2．5μm 或13158～4000cm-1) 、中紅外區(qū) (2．5～50μm 或4000～200cm-1) 、遠(yuǎn)紅外區(qū) (50～1000μm 或200～10cm-1) 。其中中紅外區(qū)是研究分子振動(dòng)能級(jí)躍遷的主要區(qū)域[1,2]。

基本數(shù)學(xué)模型： 大部分有機(jī)和無(wú)機(jī)多原子分子氣體在紅外區(qū)有特征吸收波長(zhǎng)。當(dāng)紅外光通過(guò)時(shí),這些氣體分子對(duì)特定波長(zhǎng)的透過(guò)光強(qiáng)可由朗伯- 比爾定律表示：

而吸收光強(qiáng)i 可表示為:

式中 I0——人射光強(qiáng);

I——透過(guò)光強(qiáng);

l ——?dú)怏w介質(zhì)厚度;

p——?dú)怏w濃度;

k——吸收系數(shù)。

吸收系數(shù)k 是一個(gè)非常復(fù)雜的量, 它不僅與氣體種類(lèi)、入射光波長(zhǎng)有關(guān), 而且還受環(huán)境溫度、環(huán)境大氣壓等因素的影響。因此, 對(duì)于變溫、變氣壓的工作環(huán)境, k 是一個(gè)變值, 從而直接影響吸收光強(qiáng)I。

2 熱釋電效應(yīng)

當(dāng)一些晶體受熱時(shí), 在晶體兩端將會(huì)產(chǎn)生數(shù)量相等而符號(hào)相反的電荷, 這種由于熱變化產(chǎn)生的電極化現(xiàn)象, 被稱(chēng)為熱釋電效應(yīng)。通常, 晶體自發(fā)極化所產(chǎn)生的束縛電荷被來(lái)自空氣中附著在晶體表面的自由電子所中和, 其自發(fā)極化電矩不能表現(xiàn)出來(lái)。當(dāng)溫度變化時(shí), 晶體結(jié)構(gòu)中的正負(fù)電荷重心相對(duì)移位, 自發(fā)極化發(fā)生變化, 晶體表面就會(huì)產(chǎn)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(yīng)形成的原理[3]。

能產(chǎn)生熱釋電效應(yīng)的晶體稱(chēng)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(yīng), 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(gè)表面做成電極, 當(dāng)傳感器監(jiān)測(cè)范圍內(nèi)溫度有ΔT的變化時(shí), 熱釋電效應(yīng)會(huì)在兩個(gè)電極上會(huì)產(chǎn)生電荷ΔQ, 即在兩電極之間產(chǎn)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(gè)場(chǎng)效應(yīng)管進(jìn)行阻抗變換。熱釋電效應(yīng)所產(chǎn)生的電荷ΔQ 會(huì)跟空氣中的離子所結(jié)合而消失, 當(dāng)環(huán)境溫度穩(wěn)定不變時(shí),ΔT=0, 傳感器無(wú)輸出。如果我們?cè)跓犭娫由线m當(dāng)?shù)碾娮? 當(dāng)元件受熱時(shí), 電阻上就有電流流過(guò), 在兩端得到電壓信號(hào)。

圖1 熱釋電效應(yīng)形成的原理

3 甲烷檢測(cè)系統(tǒng)

系統(tǒng)設(shè)計(jì)包括電源、主控制器、紅外發(fā)光管及其驅(qū)動(dòng)電路、紅外傳感器及其信號(hào)放大電路、通信電路、液晶顯示等。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)框圖

3．1 選用的發(fā)光源和傳感器及其配套電路

紅外發(fā)光管選用PerkinElmer 公司的IRL715,它采用低頻電調(diào)制, 是一種白熾燈, 波長(zhǎng)從可見(jiàn)光到5μm, 適合CH4(3～3．5μm) 、CO2(4．15～4．4μm)等氣體探測(cè), 高可靠穩(wěn)定的輸出, 短時(shí)間常數(shù), 長(zhǎng)壽命, 在5V 電源時(shí)可工作40000 小時(shí)。IRL715 采用了1Hz 脈沖調(diào)制。

紅外傳感器選用 PerkinElmer 公司的PYS3228TCG2/ G20。該傳感器包括兩個(gè)濾波窗, 中心波長(zhǎng)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(chǎng)效應(yīng)管FET 等組成。其中, 濾光片設(shè)置在窗口處,組成紅外線(xiàn)通過(guò)的窗口。優(yōu)點(diǎn)： 本身不發(fā)任何類(lèi)型的輻射, 器件功耗很小, 隱蔽性好, 價(jià)格低廉。缺點(diǎn)： 容易受各種熱源、光源干擾; 易受射頻輻射的干擾。

針對(duì)該熱釋電傳感器包括兩個(gè)通道, 設(shè)計(jì)了兩個(gè)對(duì)稱(chēng)的放大電路 (圖3) 。以一個(gè)通道為例, C4、R4、R3 構(gòu)成低通放大, C8、R7、R8 構(gòu)成零位提升, 便于后續(xù)采集計(jì)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(tǒng)控制采集單元核心是ADuC845 微控制器,它是高性能24 位數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng), 它內(nèi)部集成有兩個(gè)24 位分辨率的Δ- ∑ADC、雙D/A 轉(zhuǎn)換器、10 或8 通道輸入多路復(fù)用器、一個(gè)高效的8051 內(nèi)核。同時(shí)可提供62k 字節(jié)的FLASH 程序存儲(chǔ)器, 4k 字節(jié)FLASH 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器和2304 字節(jié)的數(shù)據(jù)RAM[4]。

圖4 控制時(shí)序圖

紅外發(fā)光管和信號(hào)采集時(shí)序見(jiàn)圖4, 具體為：①采集傳感器兩個(gè)通道的信號(hào)A1、Aref; ②紅外發(fā)光源發(fā)光200ms; ③采集傳感器兩個(gè)通道的信號(hào)B1、Bref; ④紅外發(fā)光源熄滅800ms; ⑤計(jì)算比值=(B1- A1) / (Bref- Aref) , 根據(jù)這個(gè)值和標(biāo)定曲線(xiàn)公式計(jì)算出檢測(cè)氣體的濃度, 不斷循環(huán)上述五個(gè)步驟。ADuC845 內(nèi)置的24 位ADC 采樣周期設(shè)置為1ms, 采樣精度能達(dá)到15 位以上。

3．3 通信電路

系統(tǒng)通過(guò)串行總線(xiàn)與遠(yuǎn)端計(jì)算機(jī)連接。由計(jì)算機(jī)軟件輸入控制命令、校正系數(shù), 通過(guò)串行總線(xiàn)實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的控制及校正。當(dāng)然, 系統(tǒng)所采集處理的數(shù)據(jù)也通過(guò)串行總線(xiàn)送往計(jì)算機(jī)顯示。

3．4 技術(shù)指標(biāo)

甲烷檢測(cè)范圍： 0．01%～100%;

測(cè)量最大誤差： ±3%FS;

零點(diǎn)漂移量： ±2．5%FS;重復(fù)性誤差： ≤2%。

4 現(xiàn)場(chǎng)錄井實(shí)例

該煤層氣錄井系統(tǒng)已經(jīng)應(yīng)用在山西、陜西煤層氣勘探現(xiàn)場(chǎng)錄井, 應(yīng)用效果良好, 甲烷顯示與地層巖性具有很好的對(duì)映關(guān)系, 準(zhǔn)確地卡準(zhǔn)煤層位置,并現(xiàn)場(chǎng)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(jié)論

基于紅外光譜吸收法的煤層氣錄井系統(tǒng)經(jīng)過(guò)近幾年的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用, 性能穩(wěn)定可靠, 采集準(zhǔn)確的氣測(cè)錄井資料, 在現(xiàn)場(chǎng)卡準(zhǔn)煤層位置、判斷煤層氣層厚度和評(píng)價(jià)煤層含氣性及儲(chǔ)集性能等方面發(fā)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(cè)量裝置研究 [J]. 光學(xué)技術(shù), 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(shù)在氣體檢測(cè)中的應(yīng)用 [J]. 紅外, 2007,(09) ： 31- 39．

[3] 董春利. 熱釋電傳感器及其應(yīng)用 [A]. 中國(guó)儀器儀表學(xué)會(huì)2007 學(xué)術(shù)年會(huì)智能檢測(cè)控制技術(shù)及儀表裝置發(fā)展研討會(huì)論文集 [C] , 2007： 34- 40．

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