阅读说明：本技术 一种基于光场重构的井下液体分析系统及方法 (Underground liquid analysis system and method based on light field reconstruction ) 是由 杨琦 许一力 于 2020-08-03 设计创作，主要内容包括：一种基于光场重构的井下液体分析系统,包括一宽光谱光源,其波长范围涵盖400纳米至2200纳米的可见光和近红外波段；第一光场整形组件,用于将光源发射的宽光谱整形为平行光；一液体检测通道,液体检测通道包括平行光可直进、直出的进光口与出光口；第二光场整形组件,用于将经过液体检测通道的平行光在空间上进行频率分离；一光接收组件,所述光接收组件用于探测分光后特定波长的光信号,本发明还提供了一种基于光场重构的井下液体分析方法。与现有技术相比,本发明摒弃了传统分光强的方式,大幅提高了载有信息光线的利用效率,提高了数据分析的精度；同时工作时不需要外加机械部件,可实现全固态制作,更加适用于适应井下的高温、高压及高振动环境。(A downhole liquid analysis system based on optical field reconstruction comprises a broad spectrum light source, a light source and a control unit, wherein the wavelength range of the broad spectrum light source covers visible light and near infrared wave bands of 400-2200 nanometers; the first light field shaping component is used for shaping the broad spectrum emitted by the light source into parallel light; the liquid detection channel comprises a light inlet and a light outlet, and the parallel light can enter and exit directly; the second light field shaping component is used for carrying out frequency separation on the parallel light passing through the liquid detection channel on the space; the invention further provides a downhole liquid analysis method based on light field reconstruction. Compared with the prior art, the method abandons the traditional light splitting mode, greatly improves the utilization efficiency of the light carrying information, and improves the precision of data analysis; meanwhile, mechanical parts are not needed to be added during working, all-solid-state manufacturing can be realized, and the method is more suitable for adapting to underground high-temperature, high-pressure and high-vibration environments.)

一种基于光场重构的井下液体分析系统及方法

技术领域

本发明涉及石油探测技术领域，特别涉及一种基于光场重构的井下液体分析系统及方法。

背景技术

石油探测过程中需要在井下对开采到的液体成分进行实时的液体成分分析。实时井下液体成分分析主要提供了以下优势：

1）及时提供液体成分信息以帮助现场工程师快速制定勘测计划；

2）避免了液体在转送过程中的损坏，变质；

3）液体在不同压力和温度环境中会发生相变，因此现场的成分更具价值；

4）与探测过程中的其它信息同步（例如温度，电阻率等）。

正是由于以上优势，实时井下液体成分分析被广泛应用于石油探测领域，包括油气储层液体性质探测、油气储层边界分析、确定油气成分等级、根据液体腐蚀性及结垢性制定开采和完井方案、确保样本的纯度和单相性、确定储层油气比例。

目前，传统的实时井下液体成分分析方式大体包括以下两种：

第一种传统的实时井下液体成分分析包括以下步骤：

1）在石油传输管道中开设一个窗口，入射光全部均匀地照射到待分析液体段；

2）入射光线经过液体时特定波长的光会被液体中相应成分吸收。例如水的主要吸收峰在1500纳米左右，二氧化碳的主要吸收峰在2000纳米左右，中油在1700纳米具有一个吸收峰……；

3）然后出射光经光纤阵列分光，每个通道的光纤通过出射光的一部分；例如在20通道光纤阵列中，每一个通道中将通过全部出射光的1/20；

4）从光纤组出射的光线经过滤光片以通过各个特定波长的光（针对相应的探测液体成分）；

5）通过滤光片的特定波长的光进入光谱仪阵列中，每个光谱仪分析其针对的光；

6）根据各个光谱仪探测到的强度可以计算出液体中各种成分的含量。

这种传统的一个重要的局限性是每一组光纤通道中只通过了部分光线，通常为光通量总量的1/10以下。大量的携带信息的光线被浪费。这不仅对光谱仪的精度提出较高要求，同时也进一步限制了有效信号的信噪比。

第二种传统的实时井下液体成分分析方式与第一种不同之处在于当光线经过液体后并不通过光纤阵列分光，而是全部照射到光学芯片上。每一种光学芯片用于分析不同的成分。为了实现分析多种成分，通过机械转动的方式使得不同的光学芯片轮流移动到光线的出射窗口。这种分析方式实现了含信息光线的全部利用，但是却不得不使用机械运转方式。这在井下的高振动环境很难保证可靠性，从而也导致了成品率一直难以提高。。

发明内容

针对现有技术存在以上缺陷，本发明提供一种基于光场重构的井下液体分析系统及方法如下：

本发明的技术方案是这样实现的：

一种基于光场重构的井下液体分析系统，包括：

一宽光谱光源，所述宽光谱光源中包含液体中目标成分所能吸收的频段，其波长范围涵盖400纳米至2200纳米的可见光和近红外波段；

第一光场整形组件，用于将光源发射的宽光谱整形为平行光；

一液体检测通道，所述液体检测通道包括平行光可直进、直出的进光口与出光口，进光口与出光口之间为液体进出通道；

第二光场整形组件，用于将经过液体检测通道的平行光在空间上根据频率进行分离，所述第二光场整形组件包括闪耀光栅和微透镜；

一光接收组件，所述光接收组件用于探测分光后特定波长的光信号。

优选地，所述液体检测通道为石油传输管道本体中一段，该段开设相互正对的透明进光口以及透明出光口。

优选地，所述液体检测通道为独立通道，该独立通道与石油传输管道本体可拆卸连接，采用独立通道可对液体进行提前预处理。

优选地，所述光接收组件包括光纤组、滤光片以及探测器阵列，所述光纤组连接滤光片进而对应地连接探测器阵列，所述滤光片以及探测器阵列可集成制造。

本发明还提供了一种基于光场重构的井下液体分析方法，包括以下步骤；

S1、宽光谱光源发射出波长范围涵盖400纳米至2200纳米波段的光束；

S2、第一光场整形组件将光束整形为平行出射光，且扩大出射面；

S3、平行光通过进光口进入液体检测通道中的液体内，液体内不同的目标成分吸收对应频率的光线，被吸收后的光线从出光***出；

S4、第二光场整形组件将不同频率的光线在空间上进行分离，不同频率的光线将沿不同方向出射；

S5、光线经过第二光场整形组件分光后进入光接收组件，光接收组件将特定频率的光线转换为电信号，转换生成的电信号输出到外部信号处理系统进行比对分析，即可得到液体成分分析结果。

优选地，所述第二光场整形组件通过LSI工艺制作。

优选地，所述步骤S4可对多种不同频率的光进行分光。

与现有技术相比，本发明有以下有益效果：

本发明的一种基于光场重构的井下液体分析系统及方法，光线从待检测液体出射后，按照不同频率被光场整形芯片分离，分离后的光线分别进入特定的滤光片和光电转换器件，此方法通过分频率分光的方式使每一个特定频率的光都被集中到相应滤光片/接收器上，摒弃了传统分光强的方式，大幅提高了载有信息光线的利用效率，提高了数据分析的精度；同时工作时不需要外加机械部件带动不同光学芯片轮流移动到光线的出射窗口，可实现全固态制作，更加适用于适应井下的高温、高压及高振动环境。

附图说明

图1为本发明一种基于光场重构的井下液体分析系统的框架图；

图2为本发明一种基于光场重构的井下液体分析方法流程图。

图中：宽光谱光源100，第一光场整形组件200，液体检测通道300，第二光场整形组件400，光接收组件500，光纤组510，滤光片520，探测器阵列530。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明进行清楚、完整地描述。

如图1所示，一种基于光场重构的井下液体分析系统，包括：

一宽光谱光源100，所述宽光谱光源100可由激光激发荧光粉产生或者由多个光源组合而成，所述宽光谱光源100中包含液体中目标成分所能吸收的频段，其波长范围涵盖400纳米至2200纳米的可见光和近红外波段；

第一光场整形组件200，用于将光源发射的宽光谱整形为平行光，第一光场整形组件200可保证光场的均匀性；可扩大入射光与液体的作用面积，提高光在液体中的吸收效果。第一光场整形组件200可以是透镜或微光学器件，微光学器件可以通过LSI工艺制作，另外微光学器件也可以和光源与窗口进行集成制作以进一步提到抗振动强度和减小器件体积；

一液体检测通道300，所述液体检测通道300包括平行光可直进、直出的进光口与出光口，进光口与出光口之间为液体进出通道；平行光经进光口后（照射被检测液体，被检测液体为井下开采出的混合物，可包括原油成分、水、气体、泥浆及其它杂质。光线在液体中，不同波长的光分别被特定的液体成分吸收，从而携带液体成分信息。水的吸收峰主要在1500纳米；二氧化碳的吸收峰主要在2000纳米；中油的吸收峰主要在1700纳米左右。根据Beer-Lambert定律，光线的吸收程度与液体的浓度成正比。由此，被吸收后的光线携带了液体成分的信息。光线经液体吸收后经另一面窗***出；

第二光场整形组件400，用于将经过液体检测通道300的平行光在空间上根据频率进行分离，所述第二光场整形组件400包括闪耀光栅和微透镜；闪耀光栅和微透镜均可通过LSI工艺制作以减小体积和重量，以提高在高振动环境中的可靠性。其主要功能是将不同频率的光在空间上进行分离，不同频率的光线将沿不同方向出射（级次不同）。每一个方向（级次）将含有其特定频率的大部分光线（>70%），远大于传统方法的强度（分光基本需要大于10束，则<10%）。在其中不同频率的光被进行空间分离。第二光场整形组件400具备分频并同时分光路功能。第二光场整形组件400也可通过LSI工艺制作，其可以有效集成在出光口和后续的光接收组件500上。

一光接收组件500，所述光接收组件500用于探测分光后特定波长的光信号，光接收组件500包括光纤组510、滤光片520和探测器阵列530，所述光纤组510连接滤光片520进而对应地连接探测器阵列530；也可以直接将滤光片520与探测器阵列530直接集成。探测器阵列530为针对特定波长的光电转换装置。转换生成的电信号输出到外部信号处理系统。为确定光线的吸收的程度，信号处理时计算入射光强与出射光强比值的对数。数值越高表示在其频率吸收得越多，相应液体/气体成分的含量也就越高。与外部信号处理系统中的数值比较后可定量计算出液体/气体的含量。

所述液体检测通道300既可以是石油传输管道本体中的一段；该段开设相互正对的透明进光口以及透明出光口。也可以是独立的一段检测专用通道。即所述液体检测通道300为独立通道，该独立通道与石油传输管道本体可拆卸连接，采用独立通道时可对液体进行提前预处理。

如图2所示，本发明还提供了一种基于光场重构的井下液体分析方法，包括以下步骤；

S1、宽光谱光源100发射出波长范围涵盖400纳米至2200纳米波段的光束；

S2、第一光场整形组件200将光束整形为平行出射光，且扩大出射面；

S3、平行光通过进光口进入液体检测通道300中的液体内，液体内不同的目标成分吸收对应频率的光线，被吸收后的光线从出光***出；

S4、第二光场整形组件400将不同频率的光线在空间上进行分离，不同频率的光线将沿不同方向出射；

S5、光线经过第二光场整形组件400分光后进入光接收组件500，光接收组件500将特定频率的光线转换为电信号，转换生成的电信号输出到外部信号处理系统进行比对分析，即可得到液体成分分析结果。

所述第二光场整形组件400通过LSI工艺制作。

所述步骤S4可对多种不同频率的光进行分光

所述步骤S4可根据十种不同的波段分光。

本发明具有以下有益效果：

1、利用光场整形组件将载有液体成分信息的光信号在空间进行分离，相同频率的光集中入射到相应的滤光片/接收器中，有效利用光能量：传统井下实时液体成分分析系统中带有信息的光信号在最后的滤光片中才被分频，同一频率信号被分为若干份（＞10），大量信息被浪费。信息的利用效率在10%以下。而在本本发明中的光信号先经过分频后再进入光接收组件，每一个特定频率的光都被集中到相应滤光片/接收器，这不仅提高了利用效率（可达到70%以上），而且也有效减少了杂散光的干扰（信噪比可提高10倍以上）。

2、整个系统中不包含机械移动部件，在井下高振动环境中有很高的可靠性。

3、第一光场整形组件和第二光场整形组件可采用LSI工艺制作的微光学器件，在保证光学性能的基础上进一步实现小型化，轻量化。这对于井下的高振荡环境非常重要。同时也更加适应井下石油探测装置的尺寸要求。

4、第二光场整形组件可与光接收组件通过晶圆级光学系统高度集成，也可以通过模组工艺将二者直接封装集成。这可以大幅提高成品率并降低组装过程中的人工费用。

5、所述第一光场整形组件和第二光场整形组件可为微透镜、闪耀光栅元件、衍射光学元件、微纳光学元件。

6、整个系统可进一步集成而实现全固化，以进一步提高信号精确度并适应井下的震动环境。

综合发明的结构与工艺流程可知，本发明的一种基于光场重构的井下液体分析系统及方法，光线从待检测液体出射后，按照不同频率被光场整形芯片分离，分离后的光线分别进入特定的滤光片和光电转换器件，此方法通过分频率分光的方式使每一个特定频率的光都被集中到相应滤光片/接收器上，摒弃了传统分光强的方式，大幅提高了载有信息光线的利用效率，提高了数据分析的精度；同时工作时不需要外加机械部件带动不同光学芯片轮流移动到光线的出射窗口，可实现全固态制作，更加适用于适应井下的高温、高压及高振动环境。