[發明專利]一種用于鉆井液含烴濃度的檢測裝置和分析方法

有效

• 申請號: 201910763150.0
• 申請日: 2019-08-19
• 公開（公告）號: CN110455772B
• 公開（公告）日: 2022-04-08
• 發明（設計）人: 李存磊;王國良;馬貴陽;張威;遲德霞;左曉春;周以剛
• 申請（專利權）人: 遼寧石油化工大學
• 主分類號: G01N21/65
• 分類號: G01N21/65;G01N15/02;G01B11/00
• 代理公司: 北京高沃律師事務所 11569
• 代理人: 張德才

1.一種用于鉆井液含烴濃度的分析方法，該方法基于鉆井液含烴濃度的檢測裝置，該檢測裝置包括中空的儀器外殼和設置于所述儀器外殼內的耐壓艙，所述儀器外殼能夠與鉆頭相連接，所述耐壓艙內為密閉空間，所述耐壓艙內設置拉曼光譜儀、拉曼探頭固定器和石英光窗，所述拉曼光譜儀具有拉曼探頭，所述拉曼光譜儀與所述拉曼探頭通過光纖相連，所述拉曼光譜儀能夠將檢測數據傳輸至外部設備，所述拉曼探頭設置于所述拉曼探頭固定器上，所述石英光窗設置于所述拉曼探頭的底部，所述耐壓艙的底部設置樣品池外管，所述石英光窗鑲嵌于所述耐壓艙的底壁上且正對所述樣品池外管，所述儀器外殼的側壁上具有鉆井返液進出通道，所述樣品池外管通過所述鉆井返液進出通道與外界環境相連通，所述樣品池外管內設置有活塞，所述活塞可滑動地設置于所述樣品池外管內，所述活塞與所述樣品池外管之間設置密封元件，所述活塞遠離所述鉆井返液進出通道的一側設置驅動器，所述驅動器能夠帶動所述活塞運動；所述耐壓艙的底部設置缺口，所述缺口處設置光窗固定器，所述石英光窗與所述光窗固定器相連；所述拉曼探頭固定器與所述光窗固定器相連，所述拉曼探頭固定器與所述拉曼探頭之間設置密封膠，所述拉曼探頭與所述石英光窗相抵接；

其特征在于，所述的用于鉆井液含烴濃度的分析方法，包括如下步驟：

步驟一、對含油鉆井液制片觀察后發現，在原油占含油鉆井液25％的時候，當以40X為放大倍數時，隨著溫度的升高油珠在鉆井液中的離散程度也逐漸變大，當溫度達到65℃時油珠與視野的比值達到了最大值；

步驟二、利用油珠在鉆井液中與制片后的總體積保持不變的原則建立的恒等關系式：πr²h＝4πR³/3，式中，r為制片后視野中的油珠半徑，h為制片后油珠的厚度，R為油珠在鉆井液中的半徑；測試含油鉆井液的密度和重量，由公式ρ＝m/v，式中，ρ為含油鉆井液的密度，m為含油鉆井液的重量，v為含油鉆井液的體積，計算出含油鉆井液的體積，再由公式v＝a²h，式中，a為蓋玻片的邊長，h為制片后蓋玻片與載玻片中含油鉆井液攤開后的高度，得出含油鉆井液蓋玻片下的厚度；根據鏡下照片可以統計出油珠的直徑，將統計出的油珠直徑代入公式πr²h＝4πR³/3中，就可以由鏡下照片推出油珠的真實體積；

步驟三、當油珠直徑大于50μm時會受到界面張力的影響，此時油珠在制片的過程中兩端將不再呈現出圓柱的形狀，計算得到原油45℃～85℃下的界面張力，代入界面張力公式u＝FVρg/R，其中，u為界面張力，F為表面張力系數，V為油珠體積，ρ為原油密度，R為半徑，計算得出溫度與油珠體積、半徑之間的關系式：V＝625RT/6468-4325/2156，根據鏡下照片可以統計出油珠的直徑，將統計出的油珠直徑代入公式，可以根據鏡下照片推出油珠的真實體積；當油珠直徑小于50μm時，由于此時油珠的直徑小于制片后蓋玻片與載玻片中含油鉆井液攤開后的高度，油珠以球狀存在于制片后的含油鉆井液中，此時推測油珠的真實體積利用球體公式可以推測出；當油珠直徑為50μm，此時恰好達到制片后蓋玻片與載玻片中含油鉆井液攤開后的高度，不受界面張力的影響，此刻油珠將以圓柱體的形態存在于制片后的含油鉆井液中，利用圓柱體公式可以推測出油珠的真實體積；

步驟四、根據不同濃度含油鉆井液鏡下照片，統計出照片中所有油珠的半徑，可以求出油珠的體積，將不同溫度下油珠的分布建立油珠在鉆井液中的分布圖；

步驟五、通過不同濃度的拉曼光譜分析，得到了在85℃下濃度與拉曼光譜的線性關系式：y＝145.8x+1319，其中x為含油鉆井液中原油濃度，y為拉曼峰值強度；

步驟六、含油鉆井液是按照不同含量的原油與一定量的鉆井液配比制成，將含油鉆井液中的原油當成待測物質，鉆井液看作為背景混合物，令R_鉆表示背景混合物的拉曼光譜，根據光譜疊加原理可以得出，含油鉆井液的拉曼光譜R_混應該滿足待測原油成分光譜R_油與背景光譜R_鉆的線性可見性，即：

R_混(v)＝yA_鉆R_鉆(v)+xA_油R_油(v) (1-1)

式中：A_鉆為背景混合物的拉曼強度，A_油為待測成分的拉曼強度，v為波數；

令K_油表示待測成分與背景混合物的相對拉曼強度系數，即：

K_油＝A_油/A_鉆 (1-2)

將式(1-2)代入式(1-1)中得到：

R_混(v)＝A_鉆[yR_鉆(v)+xK_油R_油(v)] (1-3)

式中，x和y分別為含油鉆井液中原油與鉆井液的體積分量，可知

x+y＝1 (1-4)

為了消除環境因素對拉曼光譜強度的影響，對所測量出的含油鉆井液光譜進行歸一化處理，令v_歸表示歸一化后的波數，得到含油鉆井液歸一化的光譜為：

再令：

則含油鉆井液的歸一化光譜可寫成鉆井液與待測原油的加權和形式

步驟七、光譜合成算法得到背景光譜和待測成分光譜在混合物中的合成系數，對混合物中的待測成分濃度進行定量分析，得出待測成分體積分量的預測值與背景混合物的相對拉曼強度系數及光譜合成系數的關系：

X＝b/(aK_油+b) (1-10)

其中為背景混合物的相對拉曼強度系數，a、b為光譜合成系數；

步驟八、取一定量的鉆井液在溫度85℃時，加入不同體積的原油，得到四組樣品并分別測量它們中原油、鉆井液和含油鉆井液的拉曼光譜，對每個樣品拉曼光譜積分時間相同，多次測量取平均值；得到1519cm^-1處的拉曼峰值強度，計算鉆井液平均峰值和原油的平均分值，將結果代入公式(1-2)、(1-6)、(1-7)、(1-8)、(1-4)中依次計算，由計算結果可知，定量分析能夠說明含油鉆井液中原油的濃度；

步驟九、定量分析結果影響因素分析：在實際檢測過程中，溫度受地層深度的影響，同一波數下不同溫度拉曼峰值強度隨著溫度的增加而上升，由此建立溫度與波數之間的關系式：

R(v)_T＝3.66T+1595.9 (1-11)

式中T為溫度，R(v)_T為溫度T下的波數，由公式(1-11)可以計算出不同溫度下含油鉆井液的拉曼光譜峰值強度，通過歸一化處理后代入公式即可對原油進行定量分析。