应用于录井现场的狭缝分光拉曼光谱气体分析系统

摘要

本发明提供了一种应用于录井现场的狭缝分光拉曼光谱气体分析系统，包括：至少一个激光器，反射池，高通量虚拟狭缝分光部件以及探测器；至少一个激光器用于产生激发待测气体产生拉曼散射光的激光；反射池具有多个反射镜，对至少一个激光器产生的激光进行多次反射，激发反射池中的待测气体产生拉曼散射光；高通量虚拟狭缝分光部件包括至少一个1800线平场凹面光栅，用于对反射池出射的拉曼散射光进行分光；探测器对分光后的拉曼散射光进行探测和分析，得到待测气体的拉曼光谱。上述的拉曼光谱气体分析系统具有较高的灵敏度和精度，可适用于录井现场。

说明书

技术领域

本发明涉及气测录井中的气体光谱分析，特别涉及一种应用于录井现场的狭缝分光拉曼光谱气体分析系统。

背景技术

拉曼光谱气体检测系统是以拉曼光谱为原理，检测多种烃类与非烃气体。现有技术以氦-氖激光器产生激光，检测腔两端的反射镜不断进行反射，将能量放大1000倍左右。光子与气体分子发生碰撞后产生拉曼散射光，检测腔内壁装有多个光学滤波器和光电传感器，用来吸收和检测不同分子的特定光谱频率，由此得到不同待测气体成分含量，进而为油气勘探提供准确依据。

该检测系统最大的特点在于多个光学滤波器，采用物理式滤光片，滤除非目标气体散射光、瑞利散射光等，仅使该滤光片对应波段的拉曼散射光通过，并入射到光电传感器后进行检测。

该技术主要在钢铁、冶金、化工等行业气体检测领域得到了初步应用。由于录井行业特殊环境，受温度、湿度、粉尘等因素制约，仪器的检测精度和重复性等方面，受影响较大，加上高昂的价格，该技术难以在录井行业推广应用。

发明内容

本发明的发明目的是针对现有技术的缺陷，提出一种应用于录井现场的狭缝分光拉曼光谱气体分析系统，采用高通量虚拟狭缝技术，提高灵敏度和精度，配置于综合录井仪，利用其在气体分析方面具有的连续性、可靠性、准确性、灵敏性等优势，在高含硫气井、空气钻井、页岩气、煤层气等非常规气藏录井过程中，满足了录井现场对各种烃类与非烃气体检测的需要。

本发明提供了一种应用于录井现场的狭缝分光拉曼光谱气体分析系统，包括：至少一个激光器，反射池，高通量虚拟狭缝分光部件以及探测器；至少一个激光器用于产生激发待测气体产生拉曼散射光的激光；反射池具有多个反射镜，对至少一个激光器产生的激光进行多次反射，激发反射池中的待测气体产生拉曼散射光；高通量虚拟狭缝分光部件包括至少一个1800线平场凹面光栅，用于对反射池出射的拉曼散射光进行分光；探测器对分光后的拉曼散射光进行探测和分析，得到待测气体的拉曼光谱。

根据本发明提供的拉曼光谱气体分析系统，采用高通量虚拟狭缝技术，提高灵敏度和精度，配置于综合录井仪，利用其在气体分析方面具有的连续性、可靠性、准确性、灵敏性等优势，在高含硫气井、空气钻井、页岩气、煤层气等非常规气藏录井过程中，满足了录井现场对各种烃类与非烃气体检测的需要。

附图说明

图1示出了拉曼光谱气体分析系统的原理图；

图2示出了本发明一个实施例提供的应用于录井现场的狭缝分光拉曼光谱气体分析系统的结构示意图。

具体实施方式

为充分了解本发明之目的、特征及功效，借由下述具体的实施方式，对本发明做详细说明，但本发明并不仅仅限于此。

在描述本发明具体实施例之前，首先介绍涉及的拉曼光谱气体分析系统的原理和拉曼光谱气体分析系统的框架。图1示出了拉曼光谱气体分析系统的原理图，如图1所示：拉曼光谱分析系统一般包括激光器，样品腔室，分光部件，和检测部件。其中，激光器产生激光，和待测气体进入样品腔室，激光光子与气体分子碰撞，发生非弹性散射，即拉曼效应，产生拉曼散射光；拉曼散射光进入分光部件中，经分光部件色散后射出，检测部件对光谱进行噪声去除、峰值提取、差异增强等多种处理，经过复杂的数学计算，产生光谱图，对光谱图进行解谱，得到样品的成分和含量。

图2示出了本发明一个实施例提供的应用于录井现场的狭缝分光拉曼光谱气体分析系统的结构示意图，如图2所示，系统包括：反射镜10，环形反射池30，高通量虚拟狭缝分光部件40；以及激光器50和探测器60。其中，环形反射池30进一步包括：进气孔301和排气孔302；以及第一石英窗片303和第二石英窗片304；激光器10的数量可以为一个或多个。

上述的拉曼光谱气体分析系统中，激光器50发出514nm的激光光束，照射在反射镜10上，反射镜10将激光光束经石英窗片303导入环形反射池30。待测气体由环形反射池进气孔301注入，流经整个环形反射池30后，由环形反射池排气孔302排出。本发明采用的环形反射池结构，激光光束在环形反射池30中不断反射，与反射池内气体相互作用，在短距离内极大的提高了激光与气体的相互作用，有效提高了拉曼散射的强度，激发的拉曼散射光沿环形反射池30向前传播，高通量虚拟狭缝分光部件40收集经由第二石英窗片304透射出的拉曼散射光，进行分光。

具体地，高通量虚拟狭缝分光部件40包括：至少一个1800线平场凹面光栅402，以及第一透镜402和第二透镜403。第一透镜402收集环形反射池40的第二石英窗片304投射出的拉曼散射光。光栅402将收集的拉曼散射光中的激发光滤除，得到分光后的拉曼散射光。本发明采用的1800线平场凹面光栅能够实现高分辨率和高光通量，简化光路，缩小体积。探测器40对分光后的拉曼散射光进行探测和分析，得到待测气体的拉曼光谱。具体地，探测器40为高灵敏的CCD探测器。

为保证激光与气体的有效作用距离，反射镜10反射的激光光束应与第一石英窗片303成一定角度，以80度为宜。第一透镜402的孔径角要足够大，以便更好的收集环形反射气体池的出射光，孔径角应大于90度。

下面分别对各部件进行介绍：

激光器：

分析现有激光器类型，目前主要用于拉曼光谱气体检测的是785nm的拉曼激光器，散射光较强，荧光也较强。本系统采用了514nm拉曼激光器，具体地，514nm超低波长漂移拉曼激光器，激光波长漂移在0.1nm。既能提高 激发能量，又能有效消除干扰光。激光器的数量可以为一个或多个。

反射池：

现有的拉曼光谱反射池利用反射池两端的反射镜进行多次反射，增加激光的路径，激发更多的气体分子产生拉曼激光。

本发明中，为在有限空间内进一步加大光程，增强拉曼光谱能量，对反射池进行了改进，设计了一种环形反射池，能够在同一空间内成倍地增加光程。

光路结构：

光路结构中包括用于对气体产生的拉曼激光进行分光的分光部件。本发明中，利用制作的采用高通量虚拟狭缝技术(HTVS)的分光部件1800线平场凹面光栅进行分光。实现高分辨率和高光通量，能够简化光路，缩小体积。

具体地，分光部件中还包括物镜组，准直镜、反射镜待测气体产生的拉曼散射光经过物镜组汇聚后进入狭缝光阑的入缝，经过准直镜和分光部件1800线平场凹面光栅，再经过反射镜进入出缝，由探测器接收后分析。

探测器：

本发明中，采用高精度CCD(电荷耦合器件，Charge-Couple Detector)探测器对经过上述分光部件分光后的拉曼光谱进行探测，并为该高精度CCD探测器配置了精密制冷控制器，保证高精度CCD探测器能够长期可靠地工作，可以获得全波长的拉曼光谱。

CCD探测器主要用于对拉曼光谱进行噪声去除、峰值提取、差异增强等多种处理，经过复杂的数学计算，产生光谱图。之后，对光谱进行解谱，得到待测气体的成分和含量。因此，探测器中需要包括采集单元和处理单元，本发明中，采用了高速采集单元，并以ARM处理器作为处理单元。

可选地，本发明的应用于录井现场的狭缝分光拉曼光谱气体分析系统还包括流量控制系统，其中，流量控制系统采用微纳加工技术设计，提高拉曼散射光的强度，增加仪器的灵敏度。

可选地，本发明的拉曼光谱气体分析系统还包括采用压缩气体漩涡冷却 和质量流量温度控制方法的反射池温度控制装置。能够短时间工作在极限温度-50℃和70℃，还能够达到防爆要求。

根据本发明提供的应用于录井现场的狭缝分光拉曼光谱气体分析系统，采用高通量虚拟狭缝技术，和新一代分光部件1800线平场凹面光栅，提高灵敏度和精度；环形反射池进一步增加了光程。可同时检测C₁、C₂、C₃、iC₄、nC₄、iC₅、nC₅、H₂S、CO₂、O₂、H₂、N₂等12种气体能力，在高含硫气井、空气钻井等录井现场试验，在监测有毒有害气体、井下燃爆等方面，效果显著。

本发明提供的应用于录井现场的狭缝分光拉曼光谱气体分析系统具有烃类、非烃气体检测能力，是集现有氢焰色谱仪、热导色谱仪、硫化氢检测器、红外二氧化碳检测仪、气体钻井下燃爆组合式气体检测仪功能于一身，是现有录井气体检测仪的高度集合体。利用虚拟狭缝技术的拉曼光谱气体分析系统，实现录井气体检测的高精度检测需求，拉曼仪将引领录井气体检测仪的发展方向，完全可以替代现有的录井气体检测仪，推广潜力巨大。

显然，本领域的技术人员可以对发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。