基于页岩气返排液中甲烷浓度及排放速率的红外光谱反演研究

摘要

随着页岩气的开发,传统的手持式甲烷测量仪无法继续应对复杂的开采工况.针对页岩气开发过程中温室气体甲烷的浓度及排放速率难以实时在线监测的问题,利用自主设计并搭建的开放光程傅里叶变换红外光谱(FTIR)测量系统,对页岩气开采过程中各种工况下返排液进行实时在线测量.其中FTIR分辨率为1cm-1,光程为50m,红外光源通过返排液正上方被光谱仪接收.对测量所得的红外光谱进行多次平均,提高光谱质量并进行反演计算.从HITRAN数据库中提取甲烷特征吸收截面,考虑环境与仪器等影响,对测量温度进行修正,选取合适的吸收波段,与水汽的吸收截面进行吸收峰叠加,合成标准光谱.使用最小二乘法对实测光谱与标准光谱进行拟合,从而反演出甲烷浓度.并根据返排液排放速率,结合光路通过返排池的距离及红外光谱反演浓度,对页岩气开采过程中甲烷排放速率进行计算.结果表明:不同开采工况下,光谱反演浓度呈明显起伏变化.更换三项分离器时,甲烷浓度有明显上升;在点燃火炬时,甲烷浓度持续低值;其红外光谱反演浓度符合页岩气开采过程中甲烷排放情况.改变测量光谱平均次数,对返排液甲烷进行单位小时和连续80小时测量并分析.在单位小时内,甲烷浓度在100～800μmol·mol-1范围内呈现明显起伏变化;甲烷的排放速率在50～300 m3·h-1内波动.对返排液进行80小时连续测量,甲烷浓度最大值为936.4μmol·mol-1,其最大排放速率达到535.1 m3·h-1;最低值为36.82μmol·mol-1最小排放速率为18.63 m3·h-1.反演数据结果说明:在页岩气开发过程中,其返排液为一个无组织甲烷排放源,且排放速率在短时间内变化十分明显.红外光谱反演浓度和传统手持式甲烷测量仪测量结果具有较好一致性,相关系数为0.7436.相对于传统手持式甲烷测量仪器,红外光谱反演法具有响应速度更快,非接触远距离,实时在线测量等优势.