油气勘探领域两种气体检测技术的比较及应用.pdf

油气勘探领域两种气体检测技术的比较及应用 _ 黧鑫理局一⋯。山东东酗，㈣ 摘要在油气勘探领域的钻井过程中。气体检测技术在油气层发现和评价方面发挥着重要作用。目前氢火焰检测技术在油气 勘探中占主导地位。随着红外检测技术的逐渐成熟。该技术开始应用于油气勘探。从分析这两种气体检测技术的原理出发，探讨 了两种技术各自的优缺点。并对这两种技术在油气勘探领域的应用情况进行了介绍。 关键词油气勘探气体检测氢火焰离子检测器红外检测 A b s t 瑚c tG a sd e t e c “o nt e c h n o l o g ，t a k e s 锄i m p o r t a n tr o l ei nd i 8 c o v e r i n ga n de v a l u a t i n go i la n dg 鹊r e s e n ，o i rd u r i n gt h ed r i u i n gp m c e s si nt h ef i e l do fo i la n dg a se x p l o m t i o n ．H y d m g e nn a m ed e t e c t i o ni so n ek i n do fm a j nt e c h n o l o g i e sa tp r e s e n t ．A si n f h r e dg 踮d e - t e c t i o nt e c h n o l o g yb e c o m e sm o r ea n dm o r em a t u r e ，i t b e g i n st ob eu s e di no i l 肌dg a se x p l o r a t i o n6 e l d ．r 1 1 1 e r e f o r e ，t h ea d V a n t a g e sa 1 1 d d i s a d v a n t a g e so ft h e s e 晰og a sd e t e c t i o nt e c h n o I o 矛e sa r ed i s c u s s e db a 8 e do nt l l e 锄a l y s i so f 州n c i p l e so fb o t hg a sd e t e c t i V et e c h n o l o g i e s ．T h e na ni n t r o d u c t i o ni 8 百v e nt ot h e 印p l i c a t i o no fb o t ht e c h n o J o 舀e si nt h ef i e l do fo i la n dg a se x p I o r a t i o n ． 1 沁yw o r d so i la n dg a se x p l o r a t i o n ；g a sd e t e c t i o n ；h y d r o g e nn 砌ed e t e c t o r ；i I l f r a r e dg a sd e t e c t i o n 引言 在油气勘探的钻井过程中．借助气测录井，正确 判断地层中油气含量、分析油气特性有着十分重要 的意义。但随着油气勘探的逐步深入，对现场气体 检测技术的要求也越来越高．不仅在准确度、灵敏 度、分析速度等方面提出不同的要求，在仪器操作简 便性、以及施工费用方面也提出更高的要求⋯。目前 油气勘探领域常用的气体检测技术有氢火焰检测技 术、热导检测技术等。但由于其气路流程复杂，信号 处理电路对环境要求较高，同时为保证仪器正常工 作还需要相关辅助设备，造成操作复杂、施工费用偏 高。进而影响了其应用范围。因此，这些气体检测技 术只应用于探井、评价井等级别较高的井。近年来， 随着红外检测技术的发展，特别是红外烃类气体检 测技术在油气勘探工作中的推广应用，为现场检测 烃类气体又提供了一种简便、服务价格低的施工手 段。尤其是对于一般开发井来说，由于受建井周期 和施工费用的限制，只设计简易的气测录井，而红外 气体检测技术恰好适用于一般开发井气测录井的需 要。本文在介绍氢火焰检测技术和红外检测技术原 理的基础上．比较和分析了两种气体检测技术的优 缺点及其在油气勘探中的应用情况。 氢火焰检测技术原理 氢火焰检测技术的核心部分是氢火焰离子化检 测器 F I D ，其特点是灵敏度高，应答时间快，只对 有机物产生信号，对永久性气体及水不产生信号。 但为了保证氢火焰离子化检测器正常工作，需要配 备氢气发生器、空气压缩机等辅助设备，同时还需要 复杂的气体处理系统调节燃气 氢气 、助燃气 空 气 以及样品气的压力、流量等。 1 氢火焰检测器的工作原理 氢火焰检测器的离子室主要由底座、喷嘴、电极 和外罩组成。被测样品由载气携带，与载气一起进入 离子室，由毛细管喷嘴喷出。氢气经引燃后在空气的 助燃下进行燃烧。以燃烧所产生的高温 约21 0 0 ℃ 火焰为能源，使被测样品电离成正负离子。在氢火焰 附近设有收集极 负极 和极化极 正极 ，在此两极 之间加有1 5 0 ～3 0 0 V 的极化电压。形成一个直流电 场。产生的离子在收集极和极化极的外电场作用下 定向运动而形成电流。经实验研究得知电离的程度 与被测样品的性质有关，一般在氢火焰中电离效率 较低，大约每5 0 万个碳原子中有一个被电离，因此 产生的电流很微弱，需经放大器放大后，才能由其它 电路采集。产生的微电流大小与进入的被测样品浓 度大小和碳原子含量有关。浓度越大，碳原子的含量 愈多，产生的微电流就越大，它们之间存在定量关 系。 2 氢火焰检测器离子化的分析机理 在众多色谱分析理论著作论述中认为氢火焰 检测器离子化的作用机理是在火焰中的化学电离而 不是热电离，即有机物在火焰中发生自由基反应而 被电离。火焰性质如图l 所示，A 区为预热区，B 区 为点燃火焰区，C 区温度最高，为热裂解区，D 区为 化学反应区。 万方数据 DCB图l 氢火焰检测器火焰性质有机物C n H m 在C 区发生裂解而产生含碳自由基C H ，然后进入反应层D ，与外面扩散进来的激发态原子或分子氧发生反应，生成C H O 及e 一C H 0 2 C H O e 一形成的C H O 离子与火焰中大量水蒸气碰撞发生分子一离子反应，产生H ，O 离子C H O H 2 0 } H 3 0 C O化学电离所产生的 C H O 、H ，O 及电子 e 一 在外加1 5 0 ～3 0 0 V 直流电场的作用下向两极移动。正离子被负极吸收．电子被正极吸收。形成微弱的电流 1 0 { ～1 0 _ 2 A ，经过高电阻 1 0 8 ～1 0 1 1 Q 转换成电压信号，然后对信号进行放大，由记录仪、积分仪、计算机等设备记录峰值电压。红外检测技术原理红外检测技术的核心是红外线发射与接收装置。其特点是体积小、结构简单，不需要其它辅助设备，而且具有价格低的优势。红外检测技术是利用物质对红外电磁辐射的选择性吸收特性来进行结构定性和定量分析的一种方法。红外光谱在可见光区和微波光区之间，其波长的范围是0 ．7 5 ～10 0 0 肌m 。习惯上将红外光区划分为近红外、中红外、远红外三个区域。红外光具有的能量为0 ．0 0 12 4 ～2 ．4 8 e V ，与有机化合物基团振 转 动能跃迁所需的能量相当。以连续波长的红外光照射某一物质时，由于物质对光的选择性吸收，部分红外光被吸收．引起分子振动 含转动 能级的跃迁，由此形成的分子吸收光谱称为红外吸收光谱，亦称振动一转动光谱。红外线经过吸收后，光强的变化情况遵守朗伯一比尔 L a m ．b e r t B e e r 吸收定律。朗伯定律阐述为光被透明介质吸收的比例与入射的强度无关在光程上每等厚层介质吸收相同比例值的光。比尔 B e e r 定律阐述为光被吸收的量正比于光程中产生光吸收的分子数目‘。光强减弱程度与气体体积分数有关。根据朗伯一比尔吸收定律田肚跆砒 1 式中卜接收功率；R 一光源发出的功率；俨气体分子吸收系数c 一气体体积分数；￡一气室长度。为了便于检测，将 1 式改写为c 一寺k 寺 2 由式 2 可知，如果￡与n 已知，那么通过检测P 和尸。就可得到气体体积分数c ，实现测量气体浓度的目的。图2 为红外气体检测器原理图。对于多组分混合气体，为了分析特定组分，应该在传感器或红外光源前安装一个适合分析气体吸收波长的窄带滤光片，使传感器的信号变化只反映被测气体浓度变化。图2 红外气体检测原理图两种气体检测技术的优缺点分析1 氢火焰检测技术的优点 1 对气体组分的分离效能高。能在短时间内对组成极为复杂．或组分性质极为相近的混合物一并进行分离和测定。 2 灵敏度高。其检出限量一般为1 0 2 1 0 。1 4 9 。 3 分析速度快。一般在几分钟内就可以完成一个试样的分析。目前油气勘探中使用的气相色谱仪分析C ，一n C ，七种组分最短只需要3 0 s 。 4 应用范围广。目前已成为石油、化工、医药、环保等生产科研部门中不可缺少的分析手段。 5 检测动态范围宽。2 氢火焰检测技术的缺点 1 需要复杂的气体预处理系统。氢火焰检测仪一般需要三类气体．燃气、助燃气和样品气，且气路的密闭性、载气流速的稳定性、准确性都会对测量结果产生很大影响，因此需要一个专门的气体处理系统为其提供纯净、稳定的气体。 2 需要为其提供燃气、助燃气气源，因此需要配备氢气发生器和空气压缩机。 3 在氢火焰检测系统中，有大量的稳压阀、稳流阀和针阀，以及气管线和毛细管线等，在恶劣的现场工作环境中。常常受到腐蚀，维护和保养工作量较 万方数据 标准分享网 w w w .b z f x w .c o m 免费下载 大。 4 氢火焰检测仪的价格一般都比较高，尤其是 进口的氢火焰检测仪。 3 红外检测技术的优点 1 对样品气的流量要求不高。 2 仪器对样品需求量比较少，较高级的红外检 测仪的样品用量可以达到微克量级。 3 气体处理系统结构简单，体积小，操作方便。 4 响应速度快，仅需数秒。 5 不需要其它辅助设备，稳定性好，易维护、保 养。 6 仪器价格便宜。 4 红外检测技术的缺点 1 对气体组分的分离效率低。由于烃类气体 在红外光吸收的波长上比较近似，例如甲烷、乙烷、 丙烷和其它重烃成分对红外光的选择吸收特性比较 接近。在红外检测仪产生的响应值相互影响．因此只 能对烃类气体的含量做出大致的判断。在一定程度 上制约了红外检测仪在油气勘探工作中的应用。 2 检出限量低。红外检测仪检出限量一般为 1 0 气，只适用于对气测录井要求不高的开发井。 3 动态范围窄。受气室长度的影响，一般甲烷 气体的检测范围为O ．0 1 ％～1 0 0 ％丙烷气体的检测 范围为0 ．0 0 1 ％～5 ％。 4 可检测烃类气体的种类有限。 两种检测技术在油气勘探中的应用 1 氢火焰检测技术的应用 氢火焰检测技术于2 0 世纪8 0 年代开始应用于 油气勘探过程中的钻井现场油气检测。由于具有灵 敏度高、检测范围宽等显著优点，经过多年的发展。 氢火焰检测技术已经成为一种比较成熟的技术。在 油气勘探中得到了广泛应用。最典型的应用就是配 备于综合录井仪的气相色谱仪。比如法国G e o s e r v i c e s 公司的G F F 色谱仪、胜利油田生产的S L S P 一 2 K 快速色谱仪、上海神开生产的3 Q 0 2 、3 Q 0 3 系列 色谱仪等均采用的是氢火焰检测技术。 目前国内外各种常见的气相色谱仪尽管具体结 构不尽相同，但其电路、气路原理基本相同。其F I D 检测器离子室与放大器连接的基本线路如图3 所 示。线路中的高电阻的作用是将离子室收集的微电 流转换为电压信号，作为放大器的输入信号。在微 电流一定时，高电阻的数值越大，在高电阻两端产生 的电压就越大。灵敏度也就越高。 氢火焰检测器对大多数有机化合物有很高的灵 敏度，但对在氢火焰中不电离的无机化合物，例如 C O 、C 0 2 、S 0 2 、N 2 、N H 3 等就不能检测，所以氢火焰检 测器对这些不电离的无机化合物没有响应。该特性 对于油气勘探中的现场油气检测和分析非常适宜。 空 网 幽 图3F Ⅲ检测器线路图 根据氢火焰检测器的上述特点，在氢火焰色谱 仪中多采用N 、A r 、H e 、H 2 等作为载气。N 费用低， 容易得到，响应值大，但N 的流速影响检测器的灵 敏度，且选择N 流速时首先要保证色谱柱有较高的 柱效率。图3 中，氢气的作用是燃料气体，通过氢气 的燃烧提高氢火焰检测器内部的温度 21 0 0 ℃ ，氢 火焰温度太低．能够电离的组分分子就少。产生的离 子流就弱．灵敏度就低，同时氢气流量低还会引起熄 火。氢气流量太大，火焰增高，氢火焰温度高，产生的 离子流强。灵敏度高，但噪音也就大。空气的作用是 作为氢气燃烧时的助燃气，为生成C H O 提供O ，同 时也是将燃烧产生的H O 、C O 带走的清扫气。空气 流速在一定范围内与响应值成正比 2 0 0 ～4 0 0 I 洲 m i n ，空气流速太低，还会造成燃烧不完全。因此，国 内外各种常见的气相色谱仪的空气与氢气的流量比 一般设置为1 0 1 以上。 目前。氢火焰检测技术在油气勘探领域仍然占 据主导地位，主要用于预探井、探井以及评价井的钻 井现场油气检测。．由于其在油气层发现方面的显著 优势仍将在今后很长一段时间内得以应用和发展。 2 红外气体检测技术的应用 近几年来．随着技术的不断进步，红外气体检测 技术开始逐渐应用于油气勘探领域。国内外相继出 现了几种用于钻井现场油气检测和分析的红外气体 检测仪．比如胜利油田研制的基于红外检测原理的 S L X L 一3 小型录井仪。该仪器的气体检测单元结构 原理图如图4 所示。由于采用了基于红外检测原理 的轻烃和重烃检测模块，与基于氢火焰检测原理的 气相色谱仪相比，不需要使用氢气发生器及空气压 缩机等辅助设备，仪器结构简单，操作方便，并且具 万方数据 图4S L X I ，- 3 录井仪气体检测单元结构框图有使用成本低的显著优势。．由于该仪器能够较好的满足油气田开发井建井周期短、搬迁频繁的特点，胜利油田已经将其大规模应用于开发井钻井现场，在发现和评价油气层方面取得了良好的效果。目前，国内其他油田也相继研制出了基于红外检测技术的气体检测仪。相信随着技术的不断成熟。这种类型的检测仪将越来越多地应用于油气勘探。结束语在油气勘探工作中．氢火焰气体检测技术目前还占据主导地位。随着红外气体检测技术的广泛应用和不断发展。人们正在探索一种简便、稳定、分离气路放空性能优良的红外气体检测方式，红外气体检测技术必将在油气勘探中发挥更大的作用。【参考文献】【1 1 李江陵，武庆河．快速气相色谱及其在石油勘探中的应用．录井技术，2 0 0 2 ，1 3 2 5 4 6 0 ．【2 】王一丁，钟宏杰，金钦汉。等．红外C H 4 检测仪．吉林大学自然科学学报。2 0 0 l 4 6 9 7 1 ．滞灞瀚酾掰王伟东．工程师，1 9 7 4 年生，1 9 9 7 年毕业于舍肥工业大学，2 0 0 6年获浙江大学工程硕士学位。主要从事综合录井仪研制工作。本文编辑黄永煽收稿日期2 咖8 0 1 一1 5管道公司工程公司推行工地“5 S ”管理近日．管道公司工程公司穿越处在川气东送管道工程施工工地，推行“5 S ”管理。确保施工安全。该公司穿越处推行整理、整顿、清扫、清洁、素养“5 S ”管理。目的是促进施工现场管理文明化、科学化，达到高效、优质、安全施工。为使“5 S ”管理能够较好地得到实施。该公司穿越处对职工进行了有针对性的教育培训，让职工了解“5 S ”管理理念，加大管理人员对施工现场管理力度．经常性地做好督查工作，该处还通过开展先进个人评比等活动。激发职工工作热情，营造和谐、有序的工作环境，实现文明施工、安全施工。 开颜摘自中国石化新闻网国家新增3 种重点管理的计量器具近日，国家质检总局根据制造、修理计量器具许可证监督管理办法的规定，发布了重点管理的计量器具目录 第二批 ，将热能表、粉尘测量仪、甲烷测定器 瓦斯计 新增为重点管理的计量器具。至此。重点管理的计量器具由原来的6 种 税控加油机、出租车计价器、衡器、电能表、水表、煤气表新增加到9 种，凡列入该目录的计量器具，其制造许可证的受理申请、考核和发证工作由省、自治区、直辖市质量技术监督局办理；其型式评价按计量器具新产品管理办法的规定，由国家质检总局授权的技术机构进行。 开颜摘自中国计量网 万方数据 标准分享网 w w w .b z f x w .c o m 免费下载 油气勘探领域两种气体检测技术的比较及应用油气勘探领域两种气体检测技术的比较及应用 作者王伟东 作者单位胜利石油管理局,地质录井公司,山东,东营,257064 刊名 石油工业技术监督 英文刊名TECHNOLOGY SUPERVISION IN PETROLEUM INDUSTRY 年，卷期2008,244 参考文献2条参考文献2条 1.李江陵.武庆河 快速气相色谱及其在石油勘探中的应用 200202 2.王一丁.钟宏杰.金钦汉 红外CH4检测仪[期刊论文]-吉林大学自然科学学报 200104 本文链接