專利名稱：一種鉆井液分析裝置及其分析方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種鉆井液分析裝置，尤其涉及一種基于拉曼光譜分析的鉆井液分析裝置及其分析方法。
背景技術：
光子和分子碰撞過程中，除了被分子吸收以外，還會發(fā)生散射。由于碰撞方式不同，光子和分子之間會有多種散射形式(彈性碰撞和非彈性碰撞)。如果光子和分子之間在碰撞時發(fā)生了能量交換，這不僅使光子改變了其運動方向，也改變了其能量，這種散射在光譜上被稱為拉曼散射，強度大約是入射線的10_7。這是印度物理學家拉曼在1928年研究苯的光散射時發(fā)現的，并因此獲得了 1930年諾貝爾物理學獎。由于拉曼散射所涉及的主要是分子的振動能級和轉動能級，所以它和紅外光譜有 相同的對象范圍。而不同的是，從微觀角度看，紅外光譜來源于分子的固有偶極矩，是由分子的不對稱振動引起的；而散射光譜來源于分子的感生偶極矩，是由具有對稱分布的鍵的對稱振動引起的。這兩者具有互補性。值得注意的是，拉曼光譜的峰較紅外光譜要尖銳可分，而且拉曼光譜不受水的影響。此外，同核雙原子分子(氫氣、氮氣等)由于其偶極矩為零，所以沒有紅外光譜，但是它的伸縮振動會產生拉曼光譜。因此，拉曼光譜可以用來檢測除稀有氣體外的幾乎所有物質。如附圖I所示，其中橫坐標為拉曼位移，縱坐標為拉曼散射光的強度，從附圖I中可以看出，烴類物質如甲烷、丙烷、正己烷、正辛烷等由于具有相似的結構特征，在拉曼光譜上具有相近的拉曼位移，并且它們的拉曼散射光的強度與其濃度成正比關系。在油氣勘探過程中，對上返鉆井液中所攜帶的烴類物質的定性、定量檢測是錄井的關鍵技術，其目的是直接發(fā)現油氣層。目前，對鉆井液中油氣的鑒別主要是通過氣體檢測技術，將鉆井液所攜帶的地層中的含油物質(低級烷烴為主)脫氣分離后，利用快速氣相色譜分析技術對其加以檢測。氣相色譜分析存在的主要缺陷是(I)待檢測的鉆井液樣品需經過脫氣分離處理，操作步驟復雜，并且需使用空氣壓縮機、氫氣發(fā)生器等一系列輔助生產設備，成本較高；(2)脫氣分離處理設備和氣相色譜分析設備的氣路系統(tǒng)較復雜，檢測速度較慢，并且故障發(fā)生率高；(3)在對鉆井液進行脫氣分離處理的過程中，脫氣效率的不恒定以及氣樣傳輸管線的溫度均對檢測結果有直接的影響，影響氣相色譜分析穩(wěn)定性與可靠性。

發(fā)明內容
本發(fā)明提供了一種鉆井液分析裝置及其分析方法，能夠直接對鉆井液進行實時定量分析，檢測速度快，分析準確度高，并且裝置結構簡單，性能穩(wěn)定，成本較低廉。本發(fā)明采用以下技術方案來實現一種鉆井液分析裝置，該所述裝置包含計算機，其特點是，所述鉆井液分析裝置還包含傳感器、直流電源、信號處理電路；所述的直流電源與傳感器連接為其提供工作電源；所述的信號處理電路分別與傳感器、計算機連接；所述的傳感器輸出模擬電信號并發(fā)送到信號處理電路，信號處理電路將模擬電信號進行模數轉換使之成為拉曼數字信號并發(fā)送給計算機，計算機對接收到的拉曼數字信號進行處理，并通過信號處理電路與傳感器雙向傳輸控制信號與數據。上述的一種鉆井液分析裝置，其特點是，所述傳感器包含殼體和設置在殼體上的藍寶石窗口，殼體內還包含激發(fā)光源、雪崩二極管檢測模塊、直角棱鏡、二向色濾光片；所述的雪崩二極管檢測模塊與激發(fā)光源并列間隔設置；所述的直角棱鏡與雪崩二極管檢測模塊對應間隔設置；所述的二向色濾光片間隔斜置在直角棱鏡與藍寶石窗口之間，并與激發(fā)光源相對應；所述的激發(fā)光源、直角棱鏡與二向色濾光片、雪崩二極管檢測模塊形成傳感器中的光路。上述的一種鉆井液分析裝置，其特點是，所述藍寶石窗口的橫截面形狀設為平面或弧面。上述的一種鉆井液分析裝置，其特點是，所述激發(fā)光源為脈沖激發(fā)光源；所述的雪崩二極管檢測模塊的工作頻率與激發(fā)光源的脈沖頻率相匹配。上述的一種鉆井液分析裝·置，其特點是，所述的殼體內還包含一恒溫控制器，所述恒溫控制器設置在激發(fā)光源和雪崩二極管檢測模塊的外圍，該恒溫控制器對其內部的激發(fā)光源和雪崩二極管檢測模塊進行恒溫控制。上述的一種鉆井液分析裝置，其特點是，所述的傳感器的殼體內還包含一組拉曼濾光片，所述的一組拉曼濾光片設置在直角棱鏡與雪崩二極管檢測模塊之間；所述的一組拉曼濾光片包含至少一片窄帶濾光片。上述的一種鉆井液分析裝置，其特點是，所述的傳感器的殼體內還包含多組光纖，各所述光纖將激發(fā)光源、二向色濾光片、直角棱鏡、拉曼濾光片、雪崩二極管檢測模塊依次連接。上述的一種鉆井液分析裝置，其特點是，所述傳感器的殼體內還包含一組或多組透鏡，各所述透鏡設置在傳感器的光路中，調節(jié)和優(yōu)化拉曼激發(fā)光和拉曼散射光傳播的光路。一種鉆井液分析方法，用于上述的一種鉆井液分析裝置，其特點是，所述分析方法包含以下步驟
步驟I，將所述的一種鉆井液分析裝置的傳感器設置在鉆井液槽中，將該鉆井液分析裝置與外部電源連接并打開相應的電源開關，直流電源向傳感器提供工作電源；
步驟2，計算機通過信號處理電路對傳感器設定參數；
步驟3，傳感器根據步驟2接收到的設定參數向鉆井液槽中的被測樣品發(fā)射拉曼激發(fā)光，并接收被測樣品被激發(fā)散射回來的拉曼散射光，將拉曼散射光的光信號轉換為模擬電信號;
步驟4，傳感器將模擬電信號輸出到信號處理電路，信號處理電路對模擬電信號進行模數轉換，使之轉變?yōu)槔鼣底中盘?，并將該拉曼數字信號向計算機輸出。步驟5，計算機對一種烴類物質標準樣建立數據庫，該數據庫中包含標準樣的濃度與拉曼散射光強度的數據；計算機將接收到的拉曼數字信號的大小與數據庫中標準樣的拉曼散射光強度數據進行比較分析，計算得到鉆井液被測樣品中的烴類物質濃度。上述的一種鉆井液分析方法，其特點是，所述步驟3還包括
步驟3. I，傳感器的激發(fā)光源根據步驟2接收到的設定參數向外發(fā)射拉曼激發(fā)光，
步驟3. 2，由于二向色濾光片具有選擇性的反射或透射某一頻率范圍的光的特性，發(fā)射到二向色濾光片上的拉曼激發(fā)光被反射，反射的拉曼激發(fā)光通過藍寶石窗口傳播到鉆井液槽中的被測樣品上；
步驟3. 3，被測樣品被拉曼激發(fā)光激發(fā)后向外散射拉曼散射光；
步驟3. 4，被測樣品散射出的拉曼散射光通過藍寶石窗口傳播到二向色濾光片上，由于二向色濾光片具有選擇性的反射或透射某一頻率范圍的光的特性，拉曼散射光透射過二向色濾光片，并向直角棱鏡傳播；
步驟3. 5，向直角棱鏡傳播的拉曼散射光垂直于直角棱鏡的一個直角面透射入直角棱鏡內，并傳播到直角棱鏡的斜面內側，拉曼散射光經過斜面的反射后改變傳播方向向直角棱鏡的另一個直角面?zhèn)鞑?，并在該直角面上透射到直角棱鏡外；
步驟3. 6，經過直角棱鏡改變傳播方向的拉曼散射光傳播到雪崩二極管檢測模塊上，雪崩二極管檢測模塊將接收到的拉曼散射光的光信號轉換為模擬電信號。
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與現有技術相比，本發(fā)明具有如下有益效果
本發(fā)明一種鉆井液分析裝置由于包括傳感器、直流電源、信號處理電路、計算機，設備結構簡單，成本低廉，并且便于日常工作中的保養(yǎng)和維護；本發(fā)明裝置由于設置有傳感器并且將傳感器設置在鉆井液槽中直接對鉆井液進行測量，節(jié)省了脫氣分離處理等一系列輔助生產設備，故障發(fā)生率比較低，性能穩(wěn)定；本發(fā)明由于設置有傳感器，并且在傳感器中設置有激發(fā)光源和接收并轉換拉曼散射光信號的雪崩二極管檢測模塊，利用烴類物質在拉曼光譜上有相似的拉曼位移，并且拉曼散射光的強度與被測樣品濃度成正比的特性，實現對鉆井液中烴類物質濃度的實時定量測量，分析速度快、準確度高，能夠滿足石油勘探和煤層氣、頁巖氣等非常規(guī)氣開發(fā)等油氣勘探領域，以及地質環(huán)境監(jiān)測、實驗室、化學化工實時分析等領域的需要。


圖I為現有技術甲烷、丙烷、正己烷、正辛烷的特征拉曼光譜 圖2為本發(fā)明一種鉆井液分析裝置的結構示意 圖3為本發(fā)明一種鉆井液分析裝置的傳感器的結構示意 圖4為本發(fā)明一種鉆井液分析方法的流程示意 圖5為本發(fā)明一種鉆井液分析方法的步驟3的流程示意 圖6為本發(fā)明一種鉆井液分析方法實施例中的正己烷標準樣的拉曼散射光的強度與被測樣品濃度的關系圖。
具體實施例方式以下結合附圖，通過詳細說明一個較佳的具體實施例，對本發(fā)明做進一步闡述。參閱附圖2所示，本發(fā)明一種鉆井液分析裝置，包括傳感器I、直流電源2、信號處理電路3、計算機4。直流電源2與傳感器I連接為其提供工作電源；信號處理電路3分別與傳感器I、計算機4連接；傳感器I輸出模擬電信號并發(fā)送到信號處理電路3，信號處理電路3將模擬電信號進行模數轉換使之成為拉曼數字信號并發(fā)送給計算機4，計算機4對接收到的拉曼數字信號進行處理，并通過信號處理電路3與傳感器I雙向傳輸控制信號與數據。傳感器I是本發(fā)明的核心部件，其設置在鉆井液槽5中，直接與鉆井液被測樣品接觸，進行烴含量的測量。參閱附圖3所示，傳感器I包含殼體10和設置在殼體10上的藍寶石窗口 11。藍寶石窗口 11是傳感器I唯一與鉆井液被測樣品接觸的光學元件，由于藍寶石具有耐腐蝕、高強度的特點，因此其是嚴酷環(huán)境、復雜工況下理想的光學窗口材料。藍寶石窗口 13的橫截面形狀設為平面或弧面如球形、半球形、凸面等形狀，其橫截面形狀可根據需要進行調整，設置為弧面可使藍寶石窗口 13具有光學調焦的功能，簡化傳感器I的整體結構。在本實施例中，選用球形藍寶石透鏡作為藍寶石窗口 13以達到簡化光學元件，優(yōu)化傳感器I的結構的目的。殼體10內包含激發(fā)光源12、雪崩二極管(APD)檢測模塊13、直角棱鏡14、二向色濾光片15。雪崩二極管檢測模塊13與激發(fā)光源12并列間隔設置；直角棱鏡14與雪崩二極管檢測模塊13對應間隔設置；二向色濾光片15間隔斜置在直角棱鏡14與藍寶石窗口 11之間，并與激發(fā)光源12相對應。激發(fā)光源12、直角棱鏡14與二向色濾光片1 5、雪崩二極管檢測模塊13形成傳感器I中的光路。激發(fā)光源12發(fā)出的拉曼激發(fā)光經過二向色濾光片15并通過藍寶石窗口 11后照射在被測樣品17上，被測樣品17被激發(fā)散射出的拉曼散射光通過藍寶石窗口 11后經過二向色濾光片15和直角棱鏡14被雪崩二極管檢測模塊13接收，并轉換為模擬電信號。激發(fā)光源12為本發(fā)明提供拉曼激發(fā)光。激發(fā)光源12為脈沖激發(fā)光源，其脈沖頻率范圍為lkHflOMHz。由于通常在鉆井液中存在大量具有熒光的物質，熒光的強度比拉曼散射光的強度大幾個數量級，會嚴重干擾傳感器I的檢測準確度，根據光致發(fā)光的原理，熒光的產生有大約幾微秒到幾毫秒的延遲，而拉曼散射是瞬間產生的，因此利用拉曼散射的瞬時性和熒光的滯后性，選用波長較長的脈沖激發(fā)光源作為激發(fā)光源12，可以避免鉆井液中的強熒光物質對被測樣品散射的微弱的拉曼散射光的干擾。激發(fā)光源12優(yōu)選使用可見光或近紅外波段的脈沖激光光源，還可以選用其它各種脈沖激發(fā)光源。可見光-近紅外波段的脈沖激發(fā)光源有兩個優(yōu)點一是這一波段的激光器技術比較成熟，具有很高的性價比；二是選用可見光或近紅外光可以減少熒光對拉曼散射的干擾。在本實施例中，選用波長為660nm的紅色可見光脈沖激光器作為激發(fā)光源12，功率不小于lOOmW。雪崩二極管檢測模塊13將接收到的光信號轉換為模擬電信號，其利用雪崩效應可以快速放大并檢測微弱的拉曼散射光信號。雪崩二極管檢測模塊13的工作頻率范圍為IkHf IOMHz，其工作頻率與激發(fā)光源12的脈沖頻率相匹配。雪崩二極管檢測模塊13具有很高的工作頻率，利用拉曼散射的瞬時性和熒光的滯后性的特點，在熒光產生前對拉曼散射光進行檢測，能夠避免鉆井液中的熒光物質對拉曼散射光的檢測的干擾，提高光信號的信噪比。本實施例中，雪崩二極管檢測模塊13選用濱松的APD檢測模塊C5331，。殼體10內還可以設置一個恒溫控制器18，恒溫控制器(18)設置在激發(fā)光源(12)和雪崩二極管檢測模塊(13)的外圍，對置于其內部的激發(fā)光源12和雪崩二極管檢測模塊13進行恒溫控制。激發(fā)光源12的發(fā)光功率和發(fā)光頻率與其工作溫度有關，實驗證明，在本實施例中，溫度每變化5°C，激發(fā)光源12發(fā)出的拉曼激發(fā)光的波長會變化lnm，其光輸出功率會變化約5mW。因此為了保證激發(fā)光源12的發(fā)光功率的穩(wěn)定和發(fā)出的拉曼激發(fā)光波長的一致性，必須對激發(fā)光源12進行恒溫控制。同時，為了提高對鉆井液檢測分析的準確性，在本實施例中選用高靈敏度高速的雪崩二極管檢測模塊13，對其進行恒溫控制，可以使傳感器I在一個較寬的環(huán)境溫度范圍內穩(wěn)定可靠的工作。在本實施例中，使用比例-積分_微分控制器(Proportion Integration Differentiation, PID控制器)，其控溫精度可達O. 2°C，使由溫度引起的激發(fā)光源12的發(fā)光功率和發(fā)出的拉曼激發(fā)光波長的誤差均小于千分之一，提高了傳感器I的工作穩(wěn)定性和本發(fā)明鉆井液分析裝置的環(huán)境適應性。激發(fā)光源12發(fā)出的拉曼激發(fā)光經過二向色濾光片15并通過藍寶石窗口 11后照射在被測樣品17上，被測樣品17被激發(fā)出的拉曼散射光通過藍寶石窗口 11后經過二向色濾光片15和直角棱鏡14被雪崩二極管檢測模塊13接收。二向色濾光片15具有選擇性的反射或透射某一頻率范圍的光的特性。根據使用需求選用合適的二向色濾光片16，可以優(yōu)化傳感器I的結構和內部光路。在本實施例中，二向色濾光片16可以反射拉曼激發(fā)光，并透射拉曼散射光。直角棱鏡14與雪崩二極管檢測模塊13對應間隔設置；還可以使用由多個直角棱鏡間隔設置組成的棱鏡組，與雪崩二極管檢測模塊13對應間隔設置，以優(yōu)化光路。在本實施例中，選用一個帶光學增透膜的直角棱鏡14，以使通過直角透鏡14的拉曼散射光最大化。傳感器I的殼體11內還可以設置一組拉曼濾光片16,該一組拉曼濾光片16設置在直角棱鏡14與雪崩二極管檢測模塊13之間，包含至少一片窄帶濾光片。該窄帶濾光片 必須具有很高的光密度(Optical Density,0D)，其光密度值大于4，在保證拉曼散射光透過率的同時，盡可能減少其它波段的光通過，從而減少彈性散射(瑞麗線)對拉曼散射光的干擾，提高傳送到雪崩二極管檢測模塊13的光信號的信噪比。在本實施例中，根據選用的紅色可見光脈沖激光器和烷烴碳氫鍵振動的特征拉曼位移，針對烴類物質的拉曼散射光波段選用了兩片光密度值大于4的窄帶濾光片組成一組拉曼濾光片16。傳感器I的殼體10內還可以設置多組光纖(附圖中未標出),各光纖將激發(fā)光源12、二向色濾光片15、直角棱鏡14、拉曼濾光片16、雪崩二極管檢測模塊13依次連接。其中一組光纖將激發(fā)光源12發(fā)出德拉曼激發(fā)光傳輸至二向色濾光片15 ;其中另一組光纖接收經直角棱鏡14反射的拉曼散射光，并傳輸至雪崩二極管檢測模塊13。在傳感器I內設置光纖可以構建長距離、可彎曲光路。傳感器I的殼體10內還可以設置一組或多組透鏡(附圖中未標出)，各組透鏡設置在激發(fā)光源12、二向色濾光片15、直角棱鏡14、拉曼濾光片16、雪崩二極管檢測模塊13組成的傳感器I的光路中，用以調節(jié)和優(yōu)化拉曼激發(fā)光和拉曼散射光的光路，提高拉曼散射光信號的檢測質量。直流電源2與傳感器I連接為其提供工作電源，直流電源2設置在計算機4的附近，以避免現場操作可能帶來的安全隱患。在本實施例中，該直流電源2使用24V的直流電源。信號處理電路3分別與傳感器I、計算機4連接，分別向傳感器I和計算機4發(fā)送信號，并接收來自于傳感器I和計算機4的信號。信號處理電路3設置在計算機4的附近，其可以通過有線或無線的多種通訊方式與傳感器I連接，并可根據現場工況等各種實際情況進行設置；該信號處理電路3可以使用有線連接方式并通過232串口或USB接口等多種通用接口接入計算機4，從而將傳感器I的信號發(fā)送給計算機4進行處理，或者將計算機4發(fā)送的參數信息發(fā)送給傳感器I進行設置和調整。信號處理電路3為現有技術的電路模塊。計算機4為現有技術的計算機，內部可以設置專用的軟件和數據庫對信號處理電路3發(fā)送來的拉曼數字信號進行分析計算，并通過信號處理電路3發(fā)送信號給傳感器I調整傳感器I的激發(fā)光源頻率、光強，控溫溫度等參數。參閱附圖4所示，一種鉆井液分析方法，用于上述的一種鉆井液分析裝置，包含以下步驟步驟1，將本發(fā)明一種鉆井液分析裝置的傳感器I設置在鉆井液槽5中，將該鉆井液分析裝置與外部電源連接并打開相應的電源開關，直流電源2向傳感器I提供工作電源；
步驟2，計算機4通過信號處理電路3對傳感器I設定激發(fā)光源頻率、光強，控溫溫度等參數。步驟3，傳感器I根據步驟2接收到的參數向鉆井液槽5中的被測樣品17發(fā)射拉曼激發(fā)光，并接收被測樣品17被激發(fā)散射回來的拉曼散射光，將拉曼散射光的光信號轉換為模擬電信號；
參閱附圖5所示，步驟3還包括
步驟3. 1，傳感器I的激發(fā)光源12根據步驟2接收到的設定參數向外發(fā)射拉曼激發(fā)光，步驟3. 2，由于二向色濾光片15具有選擇性的反射或透射某一頻率范圍的光的特性，發(fā)射到二向色濾光片15上的拉曼激發(fā)光被反射，反射的拉曼激發(fā)光通過藍寶石窗口 11照射到鉆井液槽5中的被測樣品17上；
步驟3. 3，被測樣品17被拉曼激發(fā)光激發(fā)后向外散射拉曼散射光；
步驟3. 4，被測樣品17散射出的拉曼散射光通過藍寶石窗口 11傳播到二向色濾光片15上，由于二向色濾光片15具有選擇性的反射或透射某一頻率范圍的光的特性，拉曼散射光透射過二向色濾光片15，并向直角棱鏡14傳播；
步驟3. 5，向直角棱鏡14傳播的拉曼散射光垂直于直角棱鏡14的一個直角面透射入直角棱鏡內，并傳播到直角棱鏡14的斜面內側，拉曼散射光經過斜面的反射后改變傳播方向向直角棱鏡14的另一個直角面?zhèn)鞑?，并在該直角面上透射到直角棱鏡14外；
步驟3. 6，經過直角棱鏡14改變傳播方向的拉曼散射光經過拉曼濾光片16后照射到雪崩二極管檢測模塊13上，雪崩二極管檢測模塊13將接收到的拉曼散射光的光信號轉換為模擬電信號。步驟4，傳感器I將模擬電信號輸出到信號處理電路3，信號處理電路3對模擬電信號進行模數轉換，使之轉變?yōu)槔鼣底中盘枺⒃摾鼣底中盘栂蛴嬎銠C4輸出。步驟5，利用拉曼散射光(斯托克線)的強度與被測樣品濃度的關系式
P=kcV Ω P0(I),
其中，P是拉曼散射光的強度；k是被測樣品的拉曼散射因子；c是被測樣品的濃度；V是拉曼激發(fā)光與被測樣品發(fā)生拉曼散射的體積；Ω是接收拉曼散射光的立體角；匕是拉曼激發(fā)光的光功率。對于某一拉曼傳感器，拉曼激發(fā)光的光功率Po、拉曼散射因子k、被測樣品產生拉曼散射的體積V以及接收拉曼散射的立體角Ω都是固定值，所以接收的拉曼散射光的強度P與被測樣品的濃度c成正比關系。由于各種烴類物質的碳氫鍵C-H振動的特征拉曼光譜具有相似的拉曼位移，因此可以使用某一種烴類物質作為標準樣對各種烴類物質進行測量，從而實現對鉆井液中的烴類物質濃度的定量測量。以某一種烴類物質為標準樣，計算機4對該烴類物質標準樣建立數據庫，數據庫中包含標準樣的濃度與拉曼散射光強度的數據。在本實施例中，以正己烷作為鉆井液中的烴類物質的標準樣，附圖6所示為對含不同濃度正己烷的被測樣品的檢測結果，橫坐標為被測樣品中的正己烷濃度，縱坐標為拉曼散射光的強度，從圖4可以看出，拉曼散射光的強度與被測樣品中的正己烷濃度有良好的線性相關關系，其線性相關系數R=O. 9931。計算機4將接收到的拉曼數字信號的大小與數據庫中標準樣的拉曼散射光強度數據進行比較分析，計算得到鉆井液樣品中的烴類物質濃度。由于本發(fā)明設置在鉆井液槽5中直接對鉆井液被測樣品進行測量，并且分析速度快，因此可以實現對鉆井液中的烴類物質濃度的實時定量測量。綜上所述，本發(fā)明裝置結構簡單，成本低廉，便于日常工作中的保養(yǎng)和維護；并且由于設置有傳感器并且將傳感器設置在鉆井液槽中直接對鉆井液進行測量，節(jié)省了脫氣分離處理等一系列輔助生產設備，故障發(fā)生率比較低，性能穩(wěn)定；本發(fā)明由于設置有傳感器，并且在傳感器中設置有激發(fā)光源和接收并轉換拉曼散射光信號的雪崩二極管檢測模塊，利用烴類物質在拉曼光譜上有相似的拉曼位移，并且拉曼散射光的強度與被測樣品濃度成正比的特性，實現對鉆井液中烴類物質濃度的實時定量測量，分析速度快、準確度高，能夠滿足石油勘探和煤層氣、頁巖氣等非常規(guī)氣開發(fā)等油氣勘探領域，以及地質環(huán)境監(jiān)測、實驗室、化學化工實時分析等領域的需要。盡管本發(fā)明的內容已經通過上述優(yōu)選實施例作了詳細介紹，但應當認識到上述的 描述不應被認為是對本發(fā)明的限制。在本領域技術人員閱讀了上述內容后，對于本發(fā)明的多種修改和替代都將是顯而易見的。因此，本發(fā)明的保護范圍應由所附的權利要求來限定。
權利要求
1.一種鉆井液分析裝置，該所述裝置包含計算機(4)，其特征在于，所述鉆井液分析裝置還包含傳感器(I)、直流電源(2)、信號處理電路(3)； 所述的直流電源(2)與傳感器(I)連接為其提供工作電源；所述的信號處理電路(3)分別與傳感器(I)、計算機(4)連接；所述的傳感器(I)輸出模擬電信號并發(fā)送到信號處理電路(3)，信號處理電路(3)將模擬電信號進行模數轉換使之成為拉曼數字信號并發(fā)送給計算機(4)，計算機(4)對接收到的拉曼數字信號進行處理，并通過信號處理電路(3)與傳感器(I)雙向傳輸控制信號與數據。
2.如權利要求I所述的一種鉆井液分析裝置，其特征在于，所述的傳感器(I)包含殼體(10)和設置在殼體(10)上的藍寶石窗口( 11)，殼體(10)內還包含激發(fā)光源(12)、雪崩二極管檢測模塊(13 )、直角棱鏡(14 )、二向色濾光片(15);所述的雪崩二極管檢測模塊(13 )與激發(fā)光源(12)并列間隔設置；所述的直角棱鏡(14)與雪崩二極管檢測模塊(13)對應間隔設置；所述的二向色濾光片(15)間隔斜置在直角棱鏡(14)與藍寶石窗口(11)之間，并與激發(fā)光源(12)相對應；所述的激發(fā)光源(12)、直角棱鏡(14)與二向色濾光片(15)、雪崩二極管檢測模塊(13)形成傳感器(I)中的光路。
3.如權利要求2所述的一種鉆井液分析裝置，其特征在于，所述藍寶石窗口(11)的橫截面形狀設為平面或弧面。
4.如權利要求2所述的一種鉆井液分析裝置，其特征在于，所述激發(fā)光源(12)為脈沖激發(fā)光源；所述的雪崩二極管檢測模塊(13)的工作頻率與激發(fā)光源(12)的脈沖頻率相匹配。
5.如權利要求2所述的一種鉆井液分析裝置，其特征在于，所述殼體(10)內還包含一恒溫控制器(18)，所述恒溫控制器(18)設置在激發(fā)光源(12)和雪崩二極管檢測模塊(13)的外圍，該恒溫控制器(18 )對其內部的激發(fā)光源(12 )和雪崩二極管檢測模塊(13 )進行恒溫控制。
6.如權利要求2所述的一種鉆井液分析裝置，其特征在于，所述傳感器(I)的殼體(10)內還包含一組拉曼濾光片(16)，所述的一組拉曼濾光片(16)設置在直角棱鏡(14)與雪崩二極管檢測模塊(13)之間；所述的一組拉曼濾光片(16)包含至少一片窄帶濾光片。
7.如權利要求6所述的一種鉆井液分析裝置，其特征在于，所述傳感器(I)的殼體(10)內還包含多組光纖，各所述光纖將激發(fā)光源(12)、二向色濾光片(15)、直角棱鏡(14)、拉曼濾光片(16 )、雪崩二極管檢測模塊(13 )依次連接。
8.如權利要求2所述的一種鉆井液分析裝置，其特征在于，所述傳感器(I)的殼體(10) 內還包含一組或多組透鏡，各所述透鏡設置在傳感器(I)的光路中，調節(jié)和優(yōu)化拉曼激發(fā)光和拉曼散射光傳播的光路。
9.一種鉆井液分析方法，用于上述的一種鉆井液分析裝置，其特征在于，所述分析方法包含以下步驟 步驟1，將所述的一種鉆井液分析裝置的傳感器(I)設置在鉆井液槽中，將該鉆井液分析裝置與外部電源連接并打開相應的電源開關，直流電源(2)向傳感器(I)提供工作電源； 步驟2，計算機(4)通過信號處理電路(3 )對傳感器(I)設定參數； 步驟3，傳感器(I)根據步驟2接收到的設定參數向鉆井液槽中的被測樣品(17)發(fā)射拉曼激發(fā)光，并接收被測樣品被激發(fā)散射回來的拉曼散射光，將拉曼散射光的光信號轉換為模擬電信號； 步驟4，傳感器(I)將模擬電信號輸出到信號處理電路(3)，信號處理電路(3)對模擬電信號進行模數轉換，使之轉變?yōu)槔鼣底中盘?，并將該拉曼數字信號向計算機(4)輸出；步驟5，計算機(4)對一種烴類物質標準樣建立數據庫，該數據庫中包含標準樣的濃度與拉曼散射光強度的數據；計算機(4)將接收到的拉曼數字信號的大小與數據庫中標準樣的拉曼散射光強度數據進行比較分析，計算得到鉆井液被測樣品中的烴類物質濃度。
10.如權利要求9所述的一種鉆井液分析方法，其特征在于，所述步驟3還包括 步驟3. 1，傳感器(I)的激發(fā)光源(12)根據步驟2接收到的設定參數向外發(fā)射拉曼激發(fā)光，步驟3. 2，由于二向色濾光片(15)具有選擇性的反射或透射某一頻率范圍的光的特性，發(fā)射到二向色濾光片(15)上的拉曼激發(fā)光被反射，反射的拉曼激發(fā)光通過藍寶石窗口(11)傳播到鉆井液槽中的被測樣品上； 步驟3. 3，被測樣品被拉曼激發(fā)光激發(fā)后向外散射拉曼散射光； 步驟3. 4，被測樣品散射出的拉曼散射光通過藍寶石窗口(11)傳播到二向色濾光片(15)上，由于二向色濾光片(15)具有選擇性的反射或透射某一頻率范圍的光的特性，拉曼散射光透射過二向色濾光片(15)，并向直角棱鏡(14)傳播；步驟3. 5，向直角棱鏡(14)傳播的拉曼散射光垂直于直角棱鏡(14)的一個直角面透射入直角棱鏡內，并傳播到直角棱鏡(14)的斜面內側,拉曼散射光經過斜面的反射后改變傳播方向向直角棱鏡(14)的另一個直角面?zhèn)鞑ィ⒃谠撝苯敲嫔贤干涞街苯抢忡R(14)外；步驟3. 6，經過直角棱鏡(14)改變傳播方向的拉曼散射光傳播到雪崩二極管檢測模塊(13)上，雪崩二極管檢測模塊(13)將接收到的拉曼散射光的光信號轉換為模擬電信號。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種鉆井液分析裝置及其分析方法，所述裝置包含計算機，還包含傳感器、直流電源、信號處理電路；直流電源與傳感器連接為其提供工作電源；信號處理電路分別與傳感器、計算機連接。所述分析方法將傳感器設置在鉆井液槽中，由傳感器向被測樣品發(fā)射拉曼激發(fā)光，接收被測樣品發(fā)出的拉曼散射光，并將拉曼散射光的光信號轉換為模擬電信號發(fā)送給信號處理電路進行數模轉換為拉曼數字信號，此后信號處理電路將拉曼數字信號發(fā)送給計算機進行分析計算，利用拉曼散射光強度與被測樣品濃度的關系式計算出被測樣品中烴類物質的濃度。本發(fā)明能夠直接對鉆井液進行實時定量分析，檢測速度快，分析準確度高，并且該裝置結構簡單，性能穩(wěn)定，成本較低廉。
文檔編號G01N21/65GK102944546SQ20121052056
公開日2013年2月27日 申請日期2012年12月7日 優(yōu)先權日2012年12月7日
發(fā)明者趙要強, 鄭周俊, 陳勇 申請人:上海神開石油化工裝備股份有限公司, 上海神開石油設備有限公司