[发明专利]一种光纤式激光拉曼钻井液多参数分析装置

说明书

技术领域：

本发明涉及一种钻井液激光拉曼谱烃类检测装置。 

背景技术：

现有的钻井液分析检测装置首先需要进行气液膜分离，然后检测烃类物质，本发明采用激光拉曼谱分析，实现了钻井液的多参数分析，不用气液分离，并可以实现实验室模拟井下随钻，对钻井液烃类进行检测。 

采用激光拉曼谱对钻井液进行多参数分析，有以下优势：由于水的拉曼散射很微弱，拉曼光谱是研究水溶液中的烃类化合物的理想工具；拉曼一次可以同时覆盖50-4000波数的区间，可对有机物及无机物进行分析；拉曼光谱谱峰清晰尖锐，更适合定量研究、数据库搜索、以及运用差异分析进行定性研究；激光束的直径在它的聚焦部位通常只有0.2-2毫米，常规拉曼光谱只需要少量的样品就可以得到，这是拉曼光谱相对常规红外光谱一个很大的优势；利用聚光镜可将激光束进一步聚焦至20微米甚至更小，可分析更小面积的样品；共振拉曼效应可以用来有选择性地增强分子特个基团的振动，这些发色基团的拉曼光强能被选择性地增强1000到10000倍；可检查背散射光，适合安装在钻具内，而红外光谱一般检查透射吸收光谱，结构复杂。 

发明内容：

本发明涉及一种用于钻井液多参数分析的光纤式激光拉曼装置。该装置可根据随钻检测要求的温度和震动条件，研究钻井液烃类拉曼谱响应特征，并分析温度和震动对谱线的影响(图1所示)。该装置用于地面钻井液激光拉曼谱烃类检测，可实现井下随钻烃类检测的实验室模拟。 

该装置主要包括：波长280nm、428nm、840nm和1046nm微型半导体激光器(功率＞50mw)四台、染料激光器一台、高硬度聚光探头一个、振荡器一台、合金外壳一个、谱分析仪一台和分析计算机一台。光纤探头丝接在步进电机驱动的震动模块(振幅范围：1mm-20mm，频率范围：1HZ-1000HZ)上，初步模拟震动参数对激光拉曼谱信号的影响(图2所示)；钻井液流动池放置在透明恒温平台(温度范围20℃-150℃)上，初步模拟温度参数对钻井液中烃类激光拉曼散射谱信号的影响；光学模块、探头模块(图3所示)、光纤传输部分均无机动部分，谱仪模块内单片机为抗高温单片机.(-55℃-150℃)，抗高温抗震动。 

附图说明：

图1.光纤式激光拉曼钻井液多参数分析装置图(a-激光器阵列，b-合金外壳，c-光纤导向器，d-光纤，e-蓝宝石光纤探头，f-光纤式谱仪，g-振荡器，h-谱分析系统，i-钻井液池。仪器平放，光学器件与外壳固定装配) 

图2.光纤联接的拉曼谱探测系统(a-280nm激光器，b-480nm激光器，c-840nm激光器，d-1064nm激光器，e-光纤桥接器，f-中央输出光光纤，g-光纤束，h-合金外壳，i-蓝宝石窗口，j-聚光系统，k-拉曼谱输入光纤，l-滤波镜，m-谱仪) 

图3.高硬度聚光探头(a-蓝宝石，b-锥形槽，c-光纤束包体，d-光纤，e-中央激光输出光纤，f-合金外壳，g-聚光系统，h-拉曼散射光收集光纤，i-一次反射凹面镜，j-内充液，k-二次反射凹面镜，m-合金外壳，n-光纤，o-聚光透镜) 

具体实施方式：

(1)四台半导体激光器提供激光光源，染料激光器用于初步分析钻井液中烃类成份的共振拉曼效应，激光器通过光学接口与光纤连接，输出激光信号； 

(2)光纤联接探测系统，利于模块排布； 

(3)光纤探头采用蓝宝石(或外加薄层金刚石保护层)等高硬度、耐磨损、耐腐蚀、耐高温光学材料作为探头的光学窗口，隔离外界环境； 

(4)探头光学窗口后为聚焦系统，收集拉曼散射信号，提高信号强度； 

(5)高硬度聚光探头的锥形槽可以防止蓝宝石窗口在钻杆高速转动被离心力推出，保证机械强度； 

(6)光纤探头丝接在步进电机驱动的震动模块(振幅范围：1mm-20mm，频率范围：1HZ-1000HZ)上，初步模拟震动参数对激光拉曼谱信号的影响； 

(7)钻井液流动池放置在透明恒温平台(温度范围20℃-150℃)上，初步模拟温度参数对钻井液中烃类激光拉曼散射谱信号的影响； 

(8)光学模块、探头模块、光纤传输部分均无机动部分，抗高温抗震动。谱仪模块内单片机为抗高温单片机.(-55℃-150℃)； 

(9)密封剂采用全氟弹性体，耐高温～316℃，耐酸、碱等1600种化学品，进一步保证隔离效果。