孔安棟，楊德旺，郭金家*，伍璐琭，燕傲霜，周發(fā)舉，萬(wàn)亞旗

腔增強(qiáng)氣體拉曼光譜儀在氣測(cè)錄井中的應(yīng)用

孔安棟1，楊德旺2，郭金家1*，伍璐琭1，燕傲霜1，周發(fā)舉3，萬(wàn)亞旗3

（1.中國(guó)海洋大學(xué) 物理與光電工程學(xué)院，山東 青島 266100；2.山東科技大學(xué) 海洋科學(xué)與工程學(xué)院，山東 青島 266590；3.中石化勝利石油工程有限公司地質(zhì)錄井公司，山東 東營(yíng) 257000）

目前氣測(cè)錄井主要采用氣相色譜分析，氣相色譜需要?dú)錃庵?，氫氣和持續(xù)的火焰有一定危險(xiǎn)性需要遠(yuǎn)離井口，從而導(dǎo)致氣體探測(cè)時(shí)間延遲，拉曼光譜有望解決這一問(wèn)題。針對(duì)氣測(cè)錄井現(xiàn)場(chǎng)高靈敏度、快速多組分氣體檢測(cè)的需求，研發(fā)了一套基于腔增強(qiáng)的氣體拉曼光譜檢測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)靈敏度高、體積小、安全方便、可實(shí)現(xiàn)烷烴、氫氣和二氧化碳等多種氣體同時(shí)探測(cè)。本文首先描述了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與參數(shù)，然后在實(shí)驗(yàn)室測(cè)試了該系統(tǒng)對(duì)于烷烴氣體和非烴氣體進(jìn)行分析的工作性能，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該氣體拉曼光譜檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)甲烷、氫氣和二氧化碳的探測(cè)線性度良好，檢測(cè)限分別為30 ppm、201 ppm和495 ppm。之后將該系統(tǒng)于山東東營(yíng)勝利油田進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，并與氣測(cè)錄井的氣相色譜儀分析結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，拉曼光譜系統(tǒng)與氣相色譜儀分析結(jié)果吻合度較高，相比氣相色譜具有更高的時(shí)間分辨率，同時(shí)能夠探測(cè)到氣相色譜所不能探測(cè)的氫氣等氣體濃度變化趨勢(shì)，滿足氣測(cè)錄井現(xiàn)場(chǎng)高靈敏度、快速及多組分檢測(cè)的需求。

拉曼光譜；腔增強(qiáng)；氣測(cè)錄井

1 引　言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，能源需求日益上漲，石油作為一種重要的能源，不斷提高對(duì)石油的勘探技術(shù)具有重要意義［1-3］。在油氣勘探開發(fā)過(guò)程中，氣測(cè)錄井是油氣勘探的有效手段，主要是通過(guò)實(shí)時(shí)分析鉆井液中溶解氣體的成分及其含量來(lái)判斷油氣層的位置與儲(chǔ)量［4-5］。對(duì)鉆井液中溶解氣體的檢測(cè)需要滿足幾個(gè)條件：（1）多組分探測(cè)，通過(guò)對(duì)氣體組分的分析，判斷油氣層的種類等［6-7］；（2）準(zhǔn)確，能夠高精度的反映出氣體濃度及其變化；（3）快速，能夠?qū)崟r(shí)反應(yīng)出氣體濃度的變化，提高時(shí)間分辨率，則提高了對(duì)油氣層判斷的精度。目前錄井現(xiàn)場(chǎng)的連續(xù)油氣檢測(cè)主要依靠氣相色譜儀完成，分為兩種方式，一是采用“色譜柱分離＋氫火焰離子化檢測(cè)器（Flame Ionization Detector， FID）”方式，需要穩(wěn)定的空氣和氫氣作為輔助氣體；二是采用“色譜柱分離＋熱導(dǎo)檢測(cè)器（Thermal Conductivity Detector， TCD）”方式，一般需要高純度氦氣作為載氣。這兩種色譜儀都存在附屬設(shè)備較多、氣路結(jié)構(gòu)復(fù)雜、可調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)多、操作過(guò)程繁瑣等問(wèn)題。此外，傳統(tǒng)氣相色譜技術(shù)不能滿足井場(chǎng)防爆要求，無(wú)法直接放置在井口附近檢測(cè)。近年來(lái)，紅外吸收和拉曼光譜技術(shù)逐漸被用于氣測(cè)錄井中［8-9］。然而，紅外吸收光譜技術(shù)一般只能針對(duì)單一氣體進(jìn)行檢測(cè)，無(wú)法滿足多種氣體同時(shí)測(cè)量需求。與傳統(tǒng)的氣相色譜、紅外吸收光譜技術(shù)相比，拉曼光譜氣體分析技術(shù)［10-11］具有烷烴氣體和非烴類氣體多組分同時(shí)快速連續(xù)分析的優(yōu)點(diǎn)。另外，相對(duì)于氣相色譜技術(shù)，拉曼光譜氣體分析技術(shù)不需要輔助設(shè)備，經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單防爆封裝后可直接部署在井口附近進(jìn)行油氣檢測(cè)，較現(xiàn)有色譜氣體檢測(cè)方式縮短氣路管線延時(shí)5分鐘左右，有利于及時(shí)、準(zhǔn)確判斷油氣層性質(zhì)，快速發(fā)現(xiàn)井下鉆井異常、井下油氣入侵等復(fù)雜情況，提高油氣勘探開發(fā)效率和綜合效益。

1980年，Diller D等人探討了利用拉曼光譜測(cè)定天然氣混合物成分的可行性，對(duì)八組分烴類氣體混合物進(jìn)行了拉曼光譜分析，表明拉曼光譜分析方法有應(yīng)用于天然氣類混合物的潛力［12］。2002年，美國(guó)的ARI公司開發(fā)了世界上第一臺(tái)拉曼氣體分析儀RLGA，該系統(tǒng)擁有8個(gè)通道對(duì)拉曼散射信號(hào)進(jìn)行收集，每個(gè)通道可以測(cè)量一種氣體的濃度，后來(lái)被應(yīng)用于石油氣測(cè)錄井和汽車尾氣檢測(cè)等行業(yè)［13］。2008年，Kiefer J等人介紹了一種用于快速氣體成分分析的傳感器系統(tǒng)，可以同時(shí)檢測(cè)天然氣和沼氣混合物的成分，并將其應(yīng)用于燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電廠天然氣分析中，與氣相色譜分析結(jié)果進(jìn)行比較結(jié)果較為吻合［14］。2016年P(guān)etrov D等人介紹了一種天然氣拉曼氣體分析儀，可以測(cè)定超過(guò)0.005%的天然氣分子，并給出了不同測(cè)量時(shí)間對(duì)真實(shí)天然氣樣品的檢測(cè)結(jié)果，將所得數(shù)據(jù)與色譜分析結(jié)果進(jìn)行了比較，結(jié)果表明兩者十分吻合［15］。上面的報(bào)道證明了拉曼光譜對(duì)烷烴氣體探測(cè)和氣測(cè)錄井應(yīng)用的可行性。

基于此，本文針對(duì)氣測(cè)錄井的需求，設(shè)計(jì)研發(fā)了一套基于近共心多次反射腔增強(qiáng)的氣體拉曼光譜檢測(cè)系統(tǒng)，根據(jù)氣測(cè)錄井中鉆井液溶解氣拉曼光譜特性，發(fā)展了一種定量分析方法。通過(guò)在東營(yíng)勝利油田氣測(cè)錄井現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，對(duì)鉆井液中溶解的甲烷氣體和氫氣進(jìn)行了定量檢測(cè)，并與現(xiàn)場(chǎng)色譜儀進(jìn)行了對(duì)比。

2 氣體拉曼系統(tǒng)介紹

我們研制的氣體拉曼光譜系統(tǒng)整體置于一個(gè)防塵密封箱內(nèi)，內(nèi)部分兩層設(shè)計(jì)，上層為多次反射腔光路部分，主要包括激光器、激光準(zhǔn)直透鏡組、多次反射腔以及信號(hào)收集光路，下層主要包括光譜儀、激光器電源、CCD電源、氣泵及電源，整個(gè)系統(tǒng)尺寸為600 mm×500 mm×400 mm，系統(tǒng)重量約為10 kg，方便外場(chǎng)使用?；谇辉鰪?qiáng)的氣體拉曼光譜檢測(cè)系統(tǒng)原理示意圖如圖1所示。由于拉曼信號(hào)強(qiáng)度與激發(fā)光功率成正比，與波長(zhǎng)的四次方成反比，為了提高拉曼信號(hào)強(qiáng)度，適合采用更高能量和更短波長(zhǎng)激光作為光源，綜合考慮激光器市場(chǎng)上產(chǎn)品的成熟度、穩(wěn)定性、波長(zhǎng)等因素，系統(tǒng)中采用半導(dǎo)體泵浦的Nd∶YAG連續(xù)激光器作為光源，激光器波長(zhǎng)為532 nm，功率為300 mW。激光束通過(guò)半波片（HWP）偏振旋轉(zhuǎn)90°將激光由水平偏振變?yōu)榇怪逼窈?，再通過(guò)望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)（Telescope）將激光縮束后進(jìn)入到多次反射腔中心位置的氣體樣品池（Gas Cell）內(nèi)，激光偏振方向的改變主要是由于收集到的拉曼散射信號(hào)強(qiáng)度與入射激發(fā)光的偏振方向有關(guān)，在垂直于偏振方向上的信號(hào)強(qiáng)度最強(qiáng)［16］。多次反射腔本文采用近共心腔結(jié)構(gòu)，由直徑25.4 mm的兩面相同的球面反射鏡M1和M2（=25 mm）組成，兩鏡片之間的距離約為100 mm。相比傳統(tǒng)的共心腔，近共心腔擁有更多的激光反射次數(shù)，在腔中心處的光通量更大［17］，因此具有更好的增強(qiáng)效果。球面反射鏡M3（=12.5 mm）放置在收集光路對(duì)面，用于增加信號(hào)收集強(qiáng)度。透鏡L1（=30 mm）用于收集多次反射腔中心的散射信號(hào)，相同的透鏡L2（=30 mm）將信號(hào)耦合到光纖束中進(jìn)入光譜儀，透鏡L1與L2之間放置高通濾波片（LPF）用于過(guò)濾瑞利散射。光譜儀采用1 800 lines/mm透射式光柵，光譜范圍為0～4 900 cm1，光譜分辨率為10 cm1，探測(cè)器為Andor公司的iDus416型CCD，成像陣列為2 000×256，像素大小為15 μm×15 μm，制冷溫度為70 ℃。與一般對(duì)多次反射腔進(jìn)行密封的方式不同，我們?cè)诙啻畏瓷淝恢虚g放置一個(gè)氣體樣品池，該樣品池為40 mm×40 mm×30 mm的中空長(zhǎng)方體，內(nèi)部容積僅為3 mL，樣品池四個(gè)側(cè)面有四個(gè)透光窗口，鍍有400～700 nm的增透膜，上下設(shè)進(jìn)氣口與出氣口并連接兩個(gè)氣管，這樣的設(shè)計(jì)需氣量小，可以更好地對(duì)多次反射腔的腔鏡進(jìn)行保護(hù)，且方便更換。氣體拉曼光譜系統(tǒng)詳細(xì)規(guī)格如表1所示。

圖1　氣體拉曼光譜系統(tǒng)原理示意圖

表1氣體拉曼光譜系統(tǒng)規(guī)格

Tab.1　Specifications of the gas Raman spectroscopy system

3 結(jié)果與討論

3.1　系統(tǒng)標(biāo)定

為了評(píng)估系統(tǒng)的性能，我們對(duì)氣體拉曼系統(tǒng)的定量探測(cè)能力進(jìn)行了測(cè)試，由于錄井氣體中絕大多數(shù)為CH4、H2、CO2等氣體，因此測(cè)試主要針對(duì)錄井氣體中的CH4、H2和CO2進(jìn)行，實(shí)驗(yàn)中所用標(biāo)準(zhǔn)氣體購(gòu)置于煙臺(tái)得一氣體有限公司，所使用的標(biāo)準(zhǔn)氣的濃度經(jīng)過(guò)氣相色譜儀測(cè)試確定。其中CH4標(biāo)氣濃度分別為503、2 000、10 100、50 300和100 200 ppm；H2標(biāo)氣濃度分別為505、1 986、5 050、10 020和39 900 ppm；CO2標(biāo)氣濃度分別為509、2 026、10 200、50 100和100 300 ppm。為了獲得相對(duì)理想的拉曼信號(hào)，防止CCD過(guò)曝光，每個(gè)光譜累加10次，采集時(shí)間為6 s，每個(gè)樣品測(cè)量8次取平均。

不同濃度的CH4、H2和CO2氣體的拉曼光譜峰值強(qiáng)度和氣體濃度的關(guān)系如圖2所示，從圖2可以看出CH4、H2和CO2氣體濃度與峰值強(qiáng)度呈良好的線性關(guān)系，在整個(gè)范圍內(nèi)相關(guān)系數(shù)2分別為0.999 7、0.999 8和0.999 9。

3.2　檢測(cè)限與穩(wěn)定性測(cè)試

為了測(cè)試系統(tǒng)定量測(cè)量的穩(wěn)定性，在實(shí)驗(yàn)室對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了150 min的連續(xù)探測(cè)，探測(cè)對(duì)象為2 000 ppm的CH4標(biāo)準(zhǔn)氣體，積分時(shí)間為6 s，累加次數(shù)10次。測(cè)試的結(jié)果如圖3所示，其中圖3（a）為甲烷濃度隨時(shí)間的變化，采用（maxmin）/avg作為該系統(tǒng)的穩(wěn)定性，其中max為最大濃度值，Imin為最小濃度值，avg為濃度平均值，經(jīng)過(guò)計(jì)算在150 min內(nèi)系統(tǒng)穩(wěn)定性為4.66%，進(jìn)一步計(jì)算此時(shí)間內(nèi)CH4濃度的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差RSD為1.01%。計(jì)算系統(tǒng)阿倫方差如圖3（b）所示，結(jié)果表明，該系統(tǒng)對(duì)于甲烷的檢測(cè)限在積分時(shí)間為1 min時(shí)為30 ppm，而當(dāng)積分時(shí)間到28 min時(shí)系統(tǒng)到達(dá)最佳檢測(cè)限6.4 ppm，另外H2和CO2在3倍信噪比（SNR）下的計(jì)算檢測(cè)限（Limit of Detection， LOD）分別為201 ppm和495 ppm。

圖3　拉曼系統(tǒng)檢測(cè)限與穩(wěn)定性測(cè)試

3.3　油田現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試

在實(shí)驗(yàn)室對(duì)氣體拉曼系統(tǒng)的性能進(jìn)行評(píng)估之后，2020年12月在東營(yíng)勝利油田鉆井現(xiàn)場(chǎng)對(duì)實(shí)際鉆井液中的溶解氣體進(jìn)行了測(cè)試。鉆井過(guò)程中，鉆井液中氣體經(jīng)過(guò)脫氣后通過(guò)輸氣管傳輸并連接到氣相色譜和自研氣體拉曼系統(tǒng)，氣體進(jìn)入到拉曼系統(tǒng)樣品池后再?gòu)某鰵饪着懦?，現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境及設(shè)備工作圖如圖4所示。

圖4　鉆井現(xiàn)場(chǎng)及拉曼系統(tǒng)工作圖

測(cè)得的典型錄井氣體的拉曼光譜如圖5所示，從圖5可以看出，氣體拉曼系統(tǒng)可以同時(shí)探測(cè)到錄井氣體中所含的CH4，C2H6，C3H8，H2，O2，N2，H2O等組分。

圖5　錄井氣體拉曼光譜

本文選取了兩段時(shí)間的錄井氣體測(cè)量數(shù)據(jù)，提取2 917 cm-1處的甲烷拉曼峰進(jìn)行處理獲得甲烷濃度隨時(shí)間的變化曲線，并與現(xiàn)場(chǎng)氣相色譜儀測(cè)量結(jié)果相對(duì)比，對(duì)比結(jié)果如圖6所示，圖6（a）和（c）是拉曼系統(tǒng)與氣相色譜原始數(shù)據(jù)的直接對(duì)比，圖6（b）和（d）則是兩種儀器結(jié)果相關(guān)性圖。由于氣體拉曼系統(tǒng)測(cè)量周期60 s，氣相色譜測(cè)量周期為90 s，兩設(shè)備測(cè)量周期不同，圖6（b）和（d）是對(duì)色譜儀測(cè)量結(jié)果進(jìn)行線性插值，獲得與拉曼系統(tǒng)相同的數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)量后再進(jìn)行分析，結(jié)果表明，拉曼系統(tǒng)測(cè)得甲烷濃度變化趨勢(shì)與氣相色譜儀測(cè)得結(jié)果吻合度較高，兩段時(shí)間的測(cè)量結(jié)果2分別為0.974和0.984，線性擬合斜率分別為1.088和0.995，證明系統(tǒng)能夠快速準(zhǔn)確地對(duì)錄井氣體組分進(jìn)行定量分析。其中圖6（b）和（d）中有幾個(gè)偏差較大的點(diǎn)，其原因是由于甲烷濃度急速下降時(shí)間段內(nèi)氣相色譜儀數(shù)據(jù)通過(guò)線性插值獲得的數(shù)值偏離實(shí)際值，從而導(dǎo)致與氣體拉曼系統(tǒng)偏差較大。

氣相色譜儀由于需要?dú)錃膺M(jìn)行助燃因此無(wú)法對(duì)氫氣進(jìn)行探測(cè)，氣體拉曼系統(tǒng)除了可以探測(cè)烷烴氣體外還可以同時(shí)探測(cè)氫氣，無(wú)需其他輔助設(shè)備，比氣相色譜儀擁有更大的優(yōu)勢(shì)。在錄井過(guò)程中使用氣體拉曼系統(tǒng)對(duì)錄井氣體中的氫氣濃度變化進(jìn)行了監(jiān)測(cè)，提取4 156 cm-1氫氣拉曼峰處進(jìn)行處理獲得了一段錄井氣體中氫氣濃度隨時(shí)間的變化曲線，如圖7所示，可以觀測(cè)到鉆井液中氫氣濃度的起伏變化，為現(xiàn)場(chǎng)提供更多的油氣勘探信息。

圖7　錄井氣體中的氫氣連續(xù)測(cè)量結(jié)果

4 結(jié)　論

本文研制了一套便攜的氣體測(cè)量拉曼光譜系統(tǒng)，系統(tǒng)采用近共心腔設(shè)計(jì)，并針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用需求在腔內(nèi)放置四通樣品池，在實(shí)驗(yàn)室對(duì)甲烷、氫氣和二氧化碳測(cè)試的檢測(cè)限分別為30 ppm、201 ppm和495 ppm，在150 min連續(xù)測(cè)量過(guò)程中，系統(tǒng)穩(wěn)定性4.66%，CH4濃度的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差RSD為1.01%。在現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試中，該拉曼系統(tǒng)測(cè)得錄井氣體中甲烷濃度隨時(shí)間變化趨勢(shì)與現(xiàn)場(chǎng)色譜儀結(jié)果吻合度較高，2分別為0.974和0.984，線性擬合斜率分別為1.088和0.995，驗(yàn)證了拉曼系統(tǒng)對(duì)錄井氣體組分定量分析的準(zhǔn)確性和可行性，并且利用氣體拉曼系統(tǒng)獲得了錄井氣體中H2濃度隨時(shí)間的變化結(jié)果。另外拉曼系統(tǒng)分析周期更短，因此擁有更高的時(shí)間分辨率，從90 s提高到了60 s，且由于錄井氣體通常濃度較高，可以通過(guò)縮短積分時(shí)間進(jìn)一步提高時(shí)間分辨率。下一步將進(jìn)一步對(duì)氣體拉曼系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，并對(duì)防爆等方面進(jìn)行設(shè)計(jì)，使其可以在井口開展測(cè)量，縮短氣路管線延時(shí)。

［1］ 胡龍杰. 對(duì)新時(shí)期我國(guó)石油物探技術(shù)的發(fā)展展望［J］. 石化技術(shù)，2021， 28（4）： 114-115.

HU L J. Prospects for the development of China's petroleum geophysical exploration technology in the new period［J］.， 2021， 28（4）： 114-115.（in Chinese）

［2］ 李建忠，梁坤，武娜，等. 常規(guī)油氣勘探程度分析新方法及其應(yīng)用［J］. 石油科技論壇， 2020， 39（6）： 45-53.

LI J Z， LIANG K， WU N，. New method for conventional hydrocarbon exploration stage division and its application［J］.， 2020， 39（6）： 45-53.（in Chinese）

［3］ 吳永超，凡哲元，張中華，等. 我國(guó)石油勘探開發(fā)形勢(shì)與發(fā)展前景展望［J］. 當(dāng)代石油石化， 2019， 27（12）： 8-13.

WU Y C， FAN Z Y， ZHANG Z H，. The situation and prospect of petroleum E & D in China［J］.， 2019， 27（12）： 8-13.（in Chinese）

［4］ 杜蕩蕩. 氣測(cè)錄井識(shí)別真假油氣顯示及現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用［J］. 石化技術(shù)， 2020， 27（2）： 90-91.

DU D D. Identification of true and false oil and gas display by gas logging and its field application［J］.， 2020， 27（2）： 90-91.（in Chinese）

［5］ 嚴(yán)偉麗，高楚橋，趙彬，等. 基于氣測(cè)錄井資料的氣油比定量計(jì)算方法［J］. 科學(xué)技術(shù)與工程， 2020， 20（23）： 9287-9292.

YAN W L， GAO C Q， ZHAO B，. Quantitative calculation method of gas-oil ratio in gas logging data［J］.， 2020， 20（23）： 9287-9292.（in Chinese）

［6］ 田偉志. 氣測(cè)錄井檢測(cè)評(píng)價(jià)油氣儲(chǔ)層技術(shù)的相關(guān)分析［J］. 當(dāng)代化工研究， 2018（11）： 106-107.

TIAN W Z. Correlation analysis of oil and gas reservoir detection and evaluation technology in gas logging［J］.， 2018（11）： 106-107.（in Chinese）

［7］ 李祖遙，胡文亮，夏瑜，等. 利用氣測(cè)錄井資料識(shí)別油氣層類型方法研究［J］. 海洋石油， 2015， 35（1）： 78-85.

LI Z Y， HU W L， XIA Y，. Studies about the method for identification of the oil and gas layer types with gas logging data［J］.， 2015， 35（1）： 78-85.（in Chinese）

［8］ 佘明軍，李油建，李勝利，等. SLA-2型非烴氣體光譜錄井儀研制與應(yīng)用［J］. 錄井工程， 2017， 28（1）： 61-65， 94.

SHE M J， LI Y J， LI S L，. Development and application of SLA-2 non-hydrocarbon gas spectral logging instrument［J］.， 2017， 28（1）： 61-65， 94.（in Chinese）

［9］ 荊文峰，閻榮輝，陳中普，等. 紅外光譜錄井技術(shù)在長(zhǎng)慶油田的創(chuàng)新應(yīng)用［J］. 錄井工程， 2019， 30（3）： 124-130， 189.

JING W F， YAN R H， CHEN Z P，. Innovative application of infrared spectrum logging technology in Changqing Oilfield［J］.， 2019， 30（3）： 124-130， 189.（in Chinese）

［10］ HAN X， HUANG Z X， CHEN X D，. On-line multi-component analysis of gases for mud logging industry using data driven Raman spectroscopy［J］.， 2017， 207： 146-153.

［11］ 張新華，佘明軍，王舒，等. 激光技術(shù)在錄井工程中的應(yīng)用進(jìn)展及展望［J］. 石油鉆探技術(shù)， 2018， 46（6）： 111-117.

ZHANG X H， SHE M J，王舒，. The progress and pontential of the application of laser technology in mud logging［J］.， 2018， 46（6）： 111-117.（in Chinese）

［12］ DILLER D E， CHANG R F. Composition of mixtures of natural gas components determined by Raman spectrometry［J］.， 1980， 34（4）： 411-414.

［13］ TMOSPHERE RECOVERY，INC. Raman Spectroscopy and the Laser Gas Analyzer at work［EB/OL］. ［2021-11-18］http：//www.atmrcv.com/LGA-C.html.

［14］ KIEFER J， SEEGER T， STEUER S，. Design and characterization of a Raman-scattering-based sensor system for temporally resolved gas analysis and its application in a gas turbine power plant［J］.， 2008， 19（8）： 085408.

［15］ PETROV D V， MATROSOV I I. Raman gas analyzer （RGA）： natural gas measurements［J］.， 2016， 70（10）： 1770-1776.

［16］ Sheppard N. The historical development of experimental techniques in vibrational spectroscopy［J］.， 2006.

［17］ 楊德旺，郭金家，杜增豐，等. 近共心腔氣體拉曼光譜增強(qiáng)方法研究［J］. 光譜學(xué)與光譜分析， 2015， 35（3）： 645-648.

YANG D W， GUO J J， DU Z F，. Raman signal enhancement for gas detection using a near concentric cavity［J］.， 2015， 35（3）： 645-648.（in Chinese）

Application of cavity-enhanced gas Raman spectroscopy in gas logging

KONG Andong1，YANG Dewang2，GUO Jinjia1*，WU Lulu1，YAN Aoshuang1，ZHOU Faju3，WAN Yaqi3

（1，，266100，；2，，266590，；3，，257000，），：

Currently， gas logging relies primarily on the use of a gas chromatograph equipped with a flame ionization detector， whose sustaining flame must be distanced from the wellhead for safety. However， the elongated sampling tube delays the response time of detection. To meet the requirements of high sensitivity and rapid multi-component gas detection in gas logging， a gas Raman spectroscopy detection system based on multi-reflection cavity enhancement is developed. This system is compact and portable and can detect numerous gases， including alkanes， hydrogen， and carbon dioxide， simultaneously with high sensitivity. In this study， we first describe the design and parameters of the gas Raman spectroscopy detection system， followed by testing the working performance of the Raman system for analyzing alkane gases and non-hydrocarbon gases. Experimental results demonstrate that the gas Raman spectroscopy detection system has good linearity for methane， hydrogen， and carbon dioxide detection. The limits of detection were 30， 201， and 495 ppm， respectively. Finally， the system was applied to the Shengli oilfield in Dongying， Shandong province， China. The experimental results of the Raman spectroscopy system are in good agreement with those from the gas chromatograph method. Unlike gas chromatographic devices， the developed Raman system has the capability of detecting hydrogen and offering advantages in time resolution. In conclusion， the Raman system design used in this study can fulfill the requirements of high sensitivity and rapid and multi-component detection in gas logging.

Raman spectroscopy； cavity enhanced； gas logging

O433.4

A

10.37188/OPE.20223010.1151

1004-924X（2022）10-1151-09

2021-11-19；

2022-01-04.

山東省重大科技創(chuàng)新工程項(xiàng)目（No.2019JZZY010417）

孔安棟（1997），男，山東濟(jì)寧人，碩士研究生，2019年于山東科技大學(xué)獲得學(xué)士學(xué)位，主要從事拉曼光譜氣體探測(cè)方面的研究。E-mail： kad669@163.com

通訊作者：郭金家（1979-），男，山東青島人，博士，教授級(jí)高級(jí)工程師，博士生導(dǎo)師，2001年于山東師范大學(xué)獲得學(xué)士學(xué)位，2004年、2012年于中國(guó)海洋大學(xué)分別獲得碩士和博士學(xué)位，主要從事海洋激光探測(cè)技術(shù)的研究。Email：opticsc@ouc.edu.cn