地层流体光谱扫描探头设计

沈阳,孔笋,张小康

(中海油田服务股份有限公司,河北三河065201)

0 引 言

地层测试仪器需要在井下对地层流体进行精确分析判断后取样,利用近红外光谱分析技术和化学计量方法能够实时得到流体的成分及含量,提供许多重要参数[1]。由于倍频和合频跃迁几率低,原油类有机物质在近红外光谱区的消光系数弱,谱带重叠严重[2]。

地层流体光谱扫描探头能够实时测量地层流体物质的近红外吸收光谱,具有分析速度快且不破坏地层原状流体的特点,结合化学计量方法,能够分析出流体的成分和含量,为取得合格的高纯样品提供高效先进的技术手段[3]。

本文主要介绍了中海油田服务股份有限公司研制的近红外光谱扫描探头,其具备体积小、噪声小、精度高、测量范围大等特点,可以满足在井下环境里对地层流体进行实时光谱分析的需求。

1 测量原理

地层流体光谱扫描探头由光源、光纤、流通池、光谱扫描探头和采集电路构成(见图1)。

光谱探头工作时,光源发出的宽谱复合光透射穿过流体样品池,由光纤传光并聚焦进入到光谱探头内,再经光栅衍射分光,形成不同波长的单色光。单色光被CCD线性探测阵列接收,将光信号转换为电信号[4]。

采集电路对电信号进行采集、处理并传输到上位机。上位机完成对规定波长范围内光谱信息处理,得到井下流体的实时光谱图像,并通过实验室里建模得到的化学计量算法对井下流体进行定量分析计算。

图1 近红外光谱扫描分析系统的示意图

2 探头设计

2.1 光谱扫描探头结构设计

鉴于井下测量环境(空间、温度)的限制,近红外光谱扫描探头的设计要高度集成化,因此,采用了MOEMS技术[5]、SOC技术,将分光成像光学系统、核心器件、采集电路进行一体化集成设计。探头的光学元件全部选择非移动式部件,安装在精密加工的固件上,提高了抗震性。

图2为探头的整体结构图,包括光纤接口、遮光器、准直器、滤光器、光栅、探测器等。整个光学基座采用铝合金硬质阳极氧化的表面处理工艺,提高了强度和抗腐蚀能力,同时降低了系统相应信号的电磁干扰。

图2 近红外光谱扫描探头的结构图

2.2 光学设计

光学系统是分析探头的核心部分,其设计直接影响探头的光谱范围、分辨率等关键性能参数[6]。设计系统时,先以点光源将初始结构代入仿真软件中进行仿真优化直至达标,然后再加入狭缝,考察全波段像斑是否满足要求,满足后则进行后续公差分析和光学零件设计等工作,不满足则重新计算初始结构。

2.2.1光栅设计

探头基于微型化设计要求,在充分考虑系统像差、光能等问题的基础上,采用了平场凹面光栅结构(见图3)。

平场凹面光栅兼有准直、衍射和聚焦的作用[7]。该设计能有效减少光学元器件,而且装调难度小,可靠性高。

2.2.2狭缝设计

狭缝宽可以增加光强,但会使得各个谱线的像随之增大,造成相邻谱线重叠,光谱面对比下降。在保证探头的分辨率为5 nm的要求下,经测试发现狭缝宽度为50 μm时,点光源再现点相邻5 nm的像元分离得很清楚(见图4),光谱成像面的平直度也很好,光路结构能够满足要求。

图4 点光源再现点列图

2.2.3探测器的选择

考虑系统光谱范围、分辨率和工作环境温度等因素[8],从器件的信噪比、灵敏度(转换效率)、动态范围、暗电流等多个参数比较,最终选择了HAMAMATSU公司的InGaAs线阵图像探测器G12230。

探测阵列最优的工作温度为0 ℃,所以,探头在探测CCD部分采用了二级半导体制冷技术,并设计了相关的控制电路。

2.3 电路设计

电路部分主要完成对阵列探测器的驱动、光谱信息的采集与处理、制冷系统的控制、供电电源、对外接口功能的需求[9]。

系统通过驱动模块为探测器提供电源与驱动时序,并通过制冷器控制模块为探测器中的制冷器提供恒温控制,在稳定温度下探测器输出稳定的测量光谱;采集模块将探测器输出的信号进行模数转化,并通过FPGA模块进行数据缓冲;然后通过控制模块经RS485或USB接口与主机进行通信,完成光谱信息采集。整个电路系统分为驱动电路、制冷控制电路、采集电路、电源电路和主控电路(见图5)。

图5 电路整体结构图

2.3.1驱动电路设计

该电路的主要功能是将探测器的驱动脉冲从3.3 V数字控制时序脉冲变为5 V的时序脉冲。探测器器件驱动时序为定时时序,在控制器的协议和流程控制下为探测器提供一定的时序逻辑脉冲。

驱动探测器的脉冲和驱动电源要满足其相应的电平要求,CCD的参考电压设置为1.25 V。

2.3.2制冷控制电路设计

该设计中,TEC控制选用ADI公司的ADN8830芯片,用于设定和稳定TEC的温度,在典型应用中,最大温漂电压低于250 mV,能够使目标温度误差低于±0.01 ℃。每个加载在ADN8830输入端的电压对应一个目标温度设定点。适当的电流通过TEC将驱动TEC对红外焦平面供热或制冷。探测器的温度由负温度系数热敏电阻来测量并反馈给ADN8830,用于调整系统回路和驱动TEC工作。

2.3.3电源电路设计

探头外部输入为9 V电源,由于内部各模块所需要的电压种类较多,要为A/D、FPGA、USB、制冷器模块、探测器探测器、参考基准等分别提供稳定可靠的5、3.3 V和其他稳定电源。电压转换采用同步电压转换芯片TPS54335实现。

2.3.4采集电路设计

为了保证采集精度和图像信号质量,系统选用16 bit的A/D转换器,能够减小其量化误差,有利于提高信噪比。该设计采用AD9826芯片对线阵列信号进行数据转换,该器件工作在0.4 MHz频率下,工作时钟为3.2 MHz。为最大范围地提高信噪比,采用4 V的量化量程。如果电路噪声在1 mV,则理想情况下信噪比就可以达到4 000∶1,完全能够满足系统设计要求。

3 测试情况

光谱仪的性能测试主要包括光谱响应、信噪比、分辨率、样品测试等方面,以确定探头是否能满足井下工作条件的需求[6]。测试平台包括光谱探头、电源、光源、样品池及上位机等。

3.1 光谱响应曲线测试

以卤钨灯为光源,样品池放置波长1 647.4 nm的窄带滤光片,截取图谱,探头的光谱响应曲线(见图6)。曲线波长读出值为1 582.29 nm,光谱的响应良好。

图6 探头在1 647.4 nm的光谱响应曲线

3.2 探头分辨率测试

采集氙灯光谱曲线(见图7),测量1 763.9 nm特征峰半高全宽值,再测量1 647.3 nm与1 656.0 nm特征峰波长之差的一半。由图可以计算,探头1 760 nm特征峰半高宽值为4.69 nm,即该探头的分辨率为4.69 nm。

图7 探头氙灯光谱相应曲线

3.3 探头信噪比测试

(1)

(2)

则信噪比SNR为

(3)

式中,n为采样次数;xi为第i次单像元点光谱响应值[7]。

探头的积分时间取3 ms,对光谱波长1 630 nm进行采样(见图8)。经上述公式计算,信噪比的值为1 359∶1。

图8 探头在1 630 nm处信号

3.4 样品光谱测试

用光谱扫描分析探头进行了原油、0号柴油的样品测试。图9是原油光谱曲线图,其峰值吸收波长为1 725 nm,正是原油的特征波长,准确、明显。

图9 原油光谱曲线图

图10为采集的柴油光谱曲线图,从下至上是光程分别为1、2、3、5 mm和10 mm柴油样品的光谱曲线。可以看出,不同光程的样品均在1 725 nm具有柴油的特征峰,只是峰值大小不同,这说明探头性能准确,能定性定量测试不同的流体样品。

图10 不同光程下的柴油吸收光谱图

4 结束语

根据地层流体吸收光谱的特点,成功设计出相应的近红外光谱扫描探头。通过实验室各项参数测试和一些样品的光谱测量,验证了该探头的性能指标。

光谱扫描探头是地层流体光谱分析的硬件基础,利用探头进行原油样本建模和化学计量学方法可以实现井下原油性质的快速评价,有效地进行水检测、水油区分、油型确定及原油碳数组分的定量分析。