海域天然气水合物多以孔隙或裂隙充填的固体状态分布于海底浅层沉积物中，需通过水合物储层降压或者使用更易形成水合物的二氧化碳（CO₂）气体置换等方式，使甲烷（CH₄）为主的天然气水合物原位分解成为较易运移的气体和水进行开采^[1]。井底温度受降压和水合物分解等多重因素影响不断变化，生产管柱内存在CH₄或CO₂水合物二次形成的温度压力环境，从而增加水合物开采过程管柱堵塞风险。因此，及时监测水合物开采过程中井筒内天然气的成分和含量，对于判断井下开采状态，保障管道流动安全具有重要作用^[2-4]。

目前全球已实施的天然气水合物试采均采用监测井对水合物分解过程进行监控。监测井中使用的主要手段有温压阵列、垂直地震剖面、多参量电缆测井、随钻测井等^[5-7]，用于对比生产前后储层的纵横波速度、电阻、核磁共振等参数的变化情况。现有监测手段仍以监测井周围的储层物性变化测量为主，井筒内获得的只有温度、压力数据，而在水合物开采过程中生产井内气体成分的实时测量方面目前仍未见成熟的技术应用。以抗干扰、抗腐蚀为特点的光纤温度传感器，能够有效克服油气井内空间狭小、环境恶劣等因素的影响，在历次水合物开采中均得到较好的应用^[8-9]。受此启发，本研究旨在开发一种基于光纤气体传感器的测量系统，实现在天然气水合物生产井中实时监测CH₄、CO₂气体成分的变化，为水合物资源开发提供技术服务。

可调谐半导体激光吸收光谱（TDLAS）具备高选择性、高灵敏度和检测速度快等优点，其利用半导体激光器的可调谐和窄线宽等特性，可有效提高气体测量的抗干扰性^[10-12]。基于TDLAS技术的甲烷气体传感监测系统的结构如图1所示，系统由激光驱动器、波分复用器、传感气室、探测器、锁相模块和数据采集系统等部分组成。

图  1  TDLAS气体传感系统结构示意图

Figure 1.  Schematic diagram of TDLAS gas sensor system

系统运行过程如下：①编写Labview程序控制锁相放大模块产生1个锯齿波扫描电压信号和1个正弦电压信号，其中锯齿信号的频率较低，通常为几赫兹；正弦信号的频率较高，一般设为几万赫兹。2个信号在电路模块中求和，通过信号线（BNC-SMA）接口传输到激光驱动器。②调制电压信号在激光驱动器中转化为驱动电流信号，输入至可调谐分布式反馈（DFB）激光器；DFB激光器接收到信号之后发射经过调制的2路出射激光。③2路出射光(1653、2004 nm激光）经由波分复用器（WDM）合并成1条通路进行传输，经由光线准直器进入传感气室。④激光与气体进行相互作用之后，由传感气室另一端的光纤准直器耦合进入光纤中，再经过解波分复用器（DWDM），将合并的光信号分解成1653和2004 nm 2路激光。⑤2路激光经光电探测器转化为电信号后接入数据采集卡，数据采集卡将采集到的信号经输出口传输到计算机中，通过Labview程序对采集到的信号进行处理。⑥处理后的信号经数据采集卡再次输入到锁相放大模块。锁相放大模块利用自身提供的参考信号对待测信号的二次谐波进行提取并回传至计算机。Labview程序对得到的谐波信号进行滤波、降噪等处理，随后保存到指定位置，得到所需要的待测气体浓度信息。搭建完成的实验室样机系统如图2所示。

图  2  TDLAS气体传感系统实验室样机

Figure 2.  Prototype of TDLAS gas sensor in laboratory

本系统中包含多种光学器件，为了实现最优的测量精度和系统稳定性，需对主要器件的性能参数进行分析优化。

DFB激光器作为系统光源，是TDLAS的关键性器件，其中心波长、线宽、电流响应参数、温度响应、可调谐范围等性能特性指标将直接影响系统的探测精度。使用时要确保管脚对应连接，使驱动器通过控制驱动电流来调节DFB激光器的工作温度及调制波长，保障探测精度。研究所用的NEL-DFB激光器的功率为20 mW，阈值电流为20 mA。为考察激光器在不同驱动电压下的波长，功率和温度特性，对中心波长1 654 nm的DFB激光器进行了光谱测量。结果如图3所示。

图  3  中心波长为1654 nm激光器不同温度下电流-波长和电流-功率曲线

Figure 3.  The relations between current and wavelength or power of laser with central wavelength of 1654 nm at different temperatures

可以看出，在不同温度下激光器的波长随电流的增加而变长；激光器的功率随电流增大而增大。但是在同一温度下，激光器在不同的调制电流下的功率有微小波动，这是由于驱动器的不稳定性以及光谱仪读数的跳动造成的。测试结果表明，控制器的温度越高，激光器输出的功率越稳定；同一温度下的电流越低，输出功率越稳定。因此，在实验过程中，选取激光驱动器稳定性较高的电流范围的参数。

气体的有效吸收光程越长，通过锁相系统解调出的二次谐波信号的幅值越大，系统的探测精度也就越高。因此，使用多次反射式气体吸收池可降低系统的最低检测下限（图4）。由光纤输出的光信号通过单模光纤准直器透镜准直后，通过反射镜反射进入气体吸收池。入射光经透射进入气体池后，经过上下表面的镀金高反射镜多次反射后，由出射窗片出射进入光电探测器。

图  4  多次反射式长光程气体吸收池结构图

Figure 4.  Structure diagram of multi reflection long optical path gas absorption cell

在此过程中，光学器件的特性将会影响系统光斑的质量，从而影响探测信号的质量。为此，选择设计楔形镜片作为气体池的入射和出射窗片。窗片材料选用溴化钾，在楔形窗片上涂有增透膜，加强对1 550 nm中红外波的透射，优化后的透过率可达98%。窗片大小根据气体吸收池窗口的大小确定，尺寸为25 mm×4 mm的圆柱形镜片，楔形角为6°。楔形窗片的角度设计可阻止多光束干涉后的光进入气体池，能达到降低系统噪声、提高系统检测精度的效果。

TDLAS气体传感系统的工作波段是近红外区域，要求探测器需具备在700～2 010 nm波段光电响应度高的特点。带宽为17 MHz的增益可调放大式铟镓砷探测器满足检测需求。需要注意的是，由于铟镓砷探测器中的感光材料价格昂贵，探测器光敏面上感光面积一般较小，以Thorlabs型号PDA10CS的探测器为例，其光敏面只有0.8 mm²。因此，为保证探测信号能被高效接收，必须使出射光垂直入射，尽量与探测器的光敏面重叠。

锁相放大器用来提取光电探测器输出信号的二次谐波，从而判断气体浓度。本检测系统中锁相放大器需要2路输入信号，分别是光电探测器产生的电压信号和提取该电压信号二次谐波的参考信号。参考信号是频率为高频调制波2倍的信号，需要通过倍频电路产生，本系统采用乘法器来实现2倍频信号的生成。

激光驱动器用于控制可调谐DFB激光器的输出光。该设备需具备1个高稳定性的低噪声恒流源、1个具有高性能宽控温范围的温度控制器和广泛适用的激光器夹具输出接口。

分别测试了(50～500)×10⁻⁶浓度CH₄的二次谐波幅值。每个浓度获取50个数据，取算数平均作为该浓度下的二次谐波幅值以减小误差。所用激光器中心波长为1 563.72 nm，激光驱动器设置温度为25 ℃，低频锯齿波驱动电压范围是−50～20 mV，气室长度为80 cm，余弦信号频率为20 kHz，振幅为100 mV，相位差为270°，气体温度为293 K，气压为101 kPa。对测得的结果进行了二次多项式拟合，结果如图5所示。R²值为0.999 8。

图  5  甲烷浓度标定结果

Figure 5.  Methane concentration calibration results

分别测试了(50～500)×10⁻⁶浓度CO₂的二次谐波幅值。每个浓度获取50个数据，取算数平均作为该浓度下的二次谐波幅值以减小误差。所用激光器中心波长为2 004 nm，激光驱动器设置温度为25 ℃，低频锯齿波驱动电压范围是−80～40 mV，气室长度为80 cm，余弦信号频率为20 kHz，振幅为100 mV，相位差为270°，气体温度为293 K，气压为101 kPa。对测得的结果进行了二次多项式拟合，结果如图6所示。R²值为0.999 5。

图  6  二氧化碳浓度标定结果

Figure 6.  Carbon dioxide concentration calibration results

为适应天然气水合物开采现场监测，必须对TDLAS气体监测系统进行改造，以实验室内搭建的样机为基础，开展了气体传感器井下适应性改造、地面设备的便携化升级以及数据采集处理系统的整合优化。

天然气水合物开采井井筒空间环境狭小，必须缩小气体传感器体积。气室内采用波分复用技术，将原本分别在2条通路上传播的1 653和2 004 nm波段的2束激光复用到1条通路通过传感气室，与气室内气体接触测量后，将其再重新分解成2束光分别进行光信号探测与处理，最终实现下井传感气室体积缩小50%。气室容积下降，还缩短了气体交换所需时间，仅需2 min就可以完成与外界环境的气体交换，从而节省了气体交换辅助工具，进一步降低下井难度。

此外，还对气室的内径以及管壁的厚度做了减小减薄调整、气室内壁进行了防锈处理。考虑到传感气室在下井的过程中可能会遇到磕碰的问题，设计并制作了保护套筒（图7）。保护套筒全长为110 cm，外径为7 cm，材质为316 L不锈钢，经过防腐蚀喷涂后还能够有效抵御酸性流体的侵蚀，从而保证可在低浓度H₂S或CO₂等气体环境中工作。保护套筒分为3截，与气室通过螺丝固定，方便替换。套筒内部最多可放置3根传感气室，可以根据实际的探测浓度，灵活地调整内部传感气室数目。当井下浓度较高时，可以选择只放2根或者1根传感气室进行下井测试工作，这样可以降低下井重量，方便下井。

图  7  波分复用传感气室保护套筒

Figure 7.  Wavelength division multiplexing sensing gas chamber protective sleeve

实验室内样机所用的信号传输光纤由裸纤升级为3 mm套管的光纤，以应对井下恶劣环境，防止光纤断裂。此外，波分复用技术测量CH₄所用的1 653 nm波段与测量CO₂所用的2 004 nm波段的激光需在1条通路中进行传播，而光纤通信波长窗口位于1 550 nm波段，导致2 004 nm处光信号损耗较大。为此，选用波长范围较宽的通讯光纤，在1 653和2 004 nm处损耗分别为3和5 dB/km，可满足100 m深度测试需求。

为了进一步完成仪器化工作，对激光驱动、探测模块以及信号处理模块进行改进优化，并编写Labview程序替代部分仪器功能，精简设备体积和结构，适应野外工作环境。

（1）激光驱动器优化

使用体积13 cm×9 cm×5 cm的激光驱动模块替代体积较大的激光驱动器（图8a）。

图  8  地面设备的优化改造

Figure 8.  Optimization of ground equipment

（2）探测模块优化

设计制作光电探测电路板替代只能测量空间光的激光探测器。该电路板能够直接测量光纤里的光信号，并且测量过程光信号质量中不受外部环境震动的影响（图8b）。

（3）信号处理模块优化

将锁相放大器、信号发生器、倍频信号产生电路的功能用锁相模块以及Labview程序进行替代。经改进，只需要14 cm×10 cm×5 cm的锁相模块以及Labview程序即可完成激光调制和采集信号的处理工作（图8c）。

基于图形化编程平台Labview软件编写了配套程序，用于控制仪器的各个模块，对探测到的信号进行处理以及完成人机交互功能。软件界面如下图9所示：

运行程序后，点击运行按钮后，就可以在气体浓度界面上读出所需要的CH₄以及CO₂信息。可以在保存路径栏里根据实际的需要，将浓度信息保留到所需要的文件夹，还可通过文件名栏输入想要保存成的文件名称。

图  9  Labview软件控制界面

Figure 9.  Labview software control interface

以(50～500)×10^－6浓度的CH₄气体为标准进行检测。采用1 653.72 nm激光器对CH₄气体进行测量，激光驱动器设置温度为24 ℃，低频锯齿波驱动电压范围是−40～30 mV，信号电压与激光器电流的转换率为0.25 A/V，频率为10 Hz，气室长度为2.4 m，余弦信号频率为20 kHz，振幅为100 mV，相位差为270°，气体温度为293 K，气压为101 kPa。每个浓度获取50个数据，取算数平均作为该浓度下的二次谐波幅值以减小误差，对测得的结果进行了多项式拟合，结果如图10所示。R²值为0.998 6，完全能够满足气体检测的要求。

图  10  CH₄气体浓度标定结果

Figure 10.  CH₄ concentration calibration results

以(100～500)×10⁻⁶浓度CO₂气体为标准进行检测。每个浓度同样是获得50个数据，取算数平均作为该浓度下的二次谐波幅值以减小误差。激光驱动器设置温度为25 ℃，低频锯齿波驱动电压范围是100～200 mV，气室长度为2.4 m，余弦信号频率为20 kHz，振幅为100 mV，相位差为135°，气体温度为293 K，气压为101 kPa。对测得的结果进行了多项式拟合，结果如图11所示。R²值为0.990 1，完全能够满足气体检测的要求。

稳定性对于仪器至关重要，它决定了测量时能否得到可靠的数据，为此开展了光纤气体传感监测仪器稳定性验证。在传感气室中充入一定浓度的气体，设置固定的时间间隔进行采样，观察测量时间内的数据变化情况。

图  11  CO₂气体浓度标定结果

Figure 11.  CO₂ concentration calibration results

首先，在气室中充入浓度500×10⁻⁶的CH₄气体，每隔5 min采样并存储数据，50次采样数据如图12所示。用标准差来衡量数据的离散程度，数据的最大值为528.664×10⁻⁶，最小值为479.715 3×10⁻⁶，算数平均值为504.779×10⁻⁶，标准差为11.932 5×10⁻⁶。因此，对于CH₄气体检测仪器表现出较好的稳定性。

图  12  CH₄气体稳定性测试结果

Figure 12.  CH₄ gas concentration stability test results

其次，在气室中充入浓度500×10⁻⁶的CO₂气体，每隔5 min采样并存储数据，50次采样数据如图13所示。用标准差来衡量数据的离散程度，数据的最大值为541.455 5×10⁻⁶，最小值为442.465×10⁻⁶，算数平均值为491.609 3×10⁻⁶，标准差为28.142 4×10⁻⁶。因此，对CO₂气体检测仪器表现出较好的稳定性。

图  13  CO₂气体稳定性测试结果

Figure 13.  CO₂ gas concentration stability test results

针对现阶段海域天然气水合物试采井筒内气体成分实时监测手段的不足，本研究利用光纤抗干扰、抗腐蚀能力强的特点，研发了一套基于TDLAS原理的光纤气体传感监测系统，实现了CH₄、CO₂气体浓度测量。依据天然气水合物开采生产井工况，完成测试系统硬件小型化、抗干扰改良、编制控制与处理软件，最终形成一套设备样机。经测试和验证，光纤气体传感监测系统具备对50×10⁻⁶以上浓度CH₄、100×10⁻⁶以上浓度CO₂的有效稳定测量能力。该技术方法进一步丰富了水合物生产井内CH₄等气体监测，为发展我国海域天然气水合物产业化开发装备体系提供了有效支撑。