色谱仪远程自动化标定系统的研制与应用
[曾红恩① ② ③ 
, 崔波① , 谢俊① , 彭军① , 齐林① , 孙光辉① ]
, 崔波引用本文
曾红恩, 崔波, 谢俊, 彭军, 齐林, 孙光辉. 色谱仪远程自动化标定系统的研制与应用[J]. 录井工程, 2026,37(2): 50-56.
ZENG Hongen, CUI Bo, XIE Jun, PENG Jun, QI Lin, SUN Guanghui. Development and application of remote automatic calibration system for chromatograph[J]. Mud Logging Engineering, 2026,37(2): 50-56.
Doi:10.3969/j.issn.1672-9803.2026.02.007
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ZENG Hongen, CUI Bo, XIE Jun, PENG Jun, QI Lin, SUN Guanghui. Development and application of remote automatic calibration system for chromatograph[J]. Mud Logging Engineering, 2026,37(2): 50-56.
Doi:10.3969/j.issn.1672-9803.2026.02.007
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色谱仪远程自动化标定系统的研制与应用
作者简介：曾红恩 高级技师,1976年生,1997年毕业于胜利油田测井技校测井专业,现在中石化经纬有限公司胜利地质录井公司从事录井现场工作。通信地址：257055 山东省东营市东营区八分场胜大花园。E-mail：reden@126.com
摘要
色谱仪是地质录井行业中气测数据分析的核心检测设备,在新井初上、长期停待和维修保养后再启用等情况下需要对色谱仪进行标定,针对传统人工标定方式存在标定耗时过长、操作繁杂、精度难以控制等问题,研发了色谱仪远程自动化标定系统。该系统通过模块化、集成电路设计,配置集成度高的自动标定机箱,预先接入不同浓度的标准气体钢瓶,在标定过程中自动完成不同浓度气路切换、标准样气采集分析及数据存储写入等操作,最终可在12 min内完成色谱仪各浓度标定,形成标定模板,全流程可远控、一键式、全自动标定。该标定系统现场使用技术门槛低,可长时间免维护,实现远程化、自动化、智能化运行,可适配录井行业“远程录井、智慧录井”的新模式。
关键词:
气测录井; 色谱仪; 自动化; 智能; 远程控制; 一键式标定
中图分类号:TE132.1
文献标志码:A
Development and application of remote automatic calibration system for chromatograph
Abstract
Chromatograph is the core testing equipment of gas logging data analysis in geological logging industry. It is necessary to calibrate the chromatograph when the new well is put on at the beginning,stopped for a long time and started after maintenance. However,the traditional manual calibration method has some problems such as too long calibration time,complicated operation and difficult to control the accuracy. Therefore,the remote automatic calibration system of chromatograph is developed in this paper. Through modularization and integrated circuit design,it is equipped with a highly integrated automatic calibration chassis,which is pre-connected to standard gas cylinders with different concentrations. During the calibration process,it automatically completes the operations of gas circuit switching with different concentrations,standard sample gas collection and analysis,data storage and writing,etc. Finally,it can complete the calibration of each concentration of the chromatograph within 12 min,forming a calibration template,and realizing the remote control,one-click and fully automatic calibration of the whole process. The calibration system has low technical threshold,can be maintenance-free for a long time,realizes remote,automated and intelligent operation,and adapts to the new mode of "remote logging and intelligent mud logging" in the logging industry.
Keyword:
gas logging; chromatograph; automation; intelligent; remote control; one click calibration
0 引言
气测录井是一种在钻井过程中实时监测钻井液中烃类气体含量和组分特征的地球化学录井方法, 通过分析烃类及非烃气体的异常变化, 为油气勘探开发提供关键数据支持, 其核心作用在于发现油气显示、初步判断流体性质（如区分油、气、水层）, 以及评价油气富集程度等。气测数据还能为制定勘探计划与开采方案提供技术支撑, 提升勘探效率, 对后续勘探工作意义重大。数据的重要性决定了在采集过程中要保证色谱仪的性能稳定, 确保精确分析[1, 2, 3]。
根据行业标准, 新井开钻前、色谱仪长时间运行后、注样验证误差较大时或关键部件维修更换后, 必须对色谱仪进行标定。标定方法为：使用0.01%、0.1%、1%、10%、100%等不同浓度的标准样气（甲烷、组分样气）分别注样分析, 采值形成标定曲线, 标定误差不得超过标准样气浓度的5%。其中, 胜利工区0.01%、0.1%浓度的甲烷和组分样气需要用各自1%浓度标准样气分别进行两次人工配制, 两次注样结果的相对误差均不能超过3%。之所以采用更严格的标准对色谱仪进行标定, 是因为色谱仪性能好坏对于勘探过程中油气发现非常关键。标定过程需要两位数据工程师协作完成取样、配样、灌注、封闭气囊、记数、注样、采集、截图、数据提取等步骤, 但仍难以保证每一次的注样误差能够达到标准[4, 5, 6]。此外, 色谱仪在正常分析过程中, 也可能因仪器自身稳定性问题导致分析值不准确, 或分析结果与岩性特征不符等情况, 对此也需要及时在现场对色谱仪进行重新标定校正。然而, 一次完整的人为标定耗时较长, 通常需要2~4 h。在钻井工程提效提速的背景下, 这样的标定时长已难以满足录井行业的发展需求。此外, 录井现场时常面临临时性的标定任务, 以满足甲方对数据验证的相关要求。针对上述标定任务需求, 亟需提升色谱仪标定的及时性, 缩短标定时长。
随着录井技术不断进步, 色谱仪正向小型化、智能化方向发展, 通过集成物联网和人工智能（AI）功能逐步实现全流程自动化, 以提升分析效率和远程监控能力。而在“ 无人值守” 的录井仪器房内需要对色谱仪进行校准时, 也迫切需要一种能够自动标定的系统。为此, 研制了色谱仪远程自动化标定系统, 包括自动标定机箱、标定软件, 以及相关辅助设备, 以实现现场替代人工、远程快速准确标定的目标[7, 8]。
1 自动化标定系统构成及设计概述
色谱仪远程自动化标定系统设计原则如下：①硬件采用整体模块化、集成电路设计, 装置集成度高; ②软件与现有色谱软件兼容, 实现一键式操作; ③与现有色谱仪体系整合, 单次标定时间控制在12 min以内; ④具备功能拓展能力, 符合录井现场设备运行规范。
该系统主要由三大部分组成：①色谱仪自动标定系统相关硬件, 包括供电电源、控制电路板、分气阀组、三套电磁阀组（全烃、组分、控制电磁阀组）、三通电磁阀、控压压力表、标定机箱箱体等部件, 标定机箱相关组件布局如图1所示; ②色谱仪自动标定系统软件, 主要依据现有色谱软件（SGC-3KS）进行软件升级, 添加自动标定功能模块, 由组分标定、全烃标定、所有标定、停止等功能按钮组成; ③色谱仪自动化标定系统辅助部件, 由气源箱、样气瓶、减压阀、气动快插、转换接头等组成[9]。
 | 图1 标定机箱相关组件布局 |
气路总体设计流程（图2）包括：全烃样气（全烃通常用甲烷样气进行标定, 全烃样气即甲烷样气）与组分样气分别经电磁阀组1、电磁阀组2进气, 两路交替选通, 汇集于分气阀组处; 随后进入全烃样气气路或组分样气控制电磁阀（同属电磁阀组3）, 由气路控制电磁阀控制选择进入三通处（作用是减少气路连接节点）; 然后进入三通电磁阀, 实现标准样气进样（标定模式）还是脱气器析出的样气（外部样气）进样（正常分析模式）的选择; 最后进入色谱仪进行分析。
 | 图2 气路总体设计流程示意 |
2 色谱仪远程自动化标定系统主要硬件
2.1 标定机箱箱体
设计为U型机箱, 材质为铝合金, 整体尺寸为500 mm× 480 mm× 120 mm, 能够安装在录井仪器房机柜内, 布局合理, 与录井仪器上下完美融合。机箱前面板上设置有标识区、电源指示灯和电源开关, 并在前面板两侧安装抓手与固定孔。机箱有盖板, 可固定与拆卸。盖板拆开后可直观看到机箱内部部件构成与布局, 便于维修养护。下盖板设计为两层, 内层为固定衬板, 作为机箱内部部件的安装底座, 确保各部件固定牢靠, 不晃动; 外层为保护盖板, 遮盖并保护衬板上的固定螺丝与其他固定装置。机箱后面板设置有12路夹板气嘴：其中5路气嘴对应不同浓度全烃样气; 5路气嘴对应不同浓度组分样气; 剩余2路气嘴一路为采集脱气器端样气分析, 另一路则连接色谱仪进行样气分析。标定机箱整体设计相当于一个样气分配器, 分配不同浓度样气从唯一的样气出路进入色谱仪分析。后面板还设置有电源插口与上网COM接口（图3）。
 | 图3 标定机箱后面板布局图 |
2.2 控制电路板
控制电路板为色谱仪自动化标定系统相关硬件的核心部件。其主要包含16路10 A继电器输出模块, 每路在28 V工作电压下的额定负载为10 A, 最大允许电流15 A, 触点类型为常闭, 接触电阻0.1 Ω 。模块对外供电电压24 V 直流电, 输入类型为光耦隔离, 通信接口为隔离型网口, 支持ModBus TCP通信协议, 波特率为19 200 bit/s, 通信地址范围为1~255。整体外形尺寸为250 mm× 110 mm× 65 mm。控制电路板控制相关电磁阀组以不同组合进行开关程序切换, 达到为色谱仪供应不同浓度样气的作用。
2.3 供电电源
供电电源主体供电单元采用220 V交流电, 稳压电源为SPS-50-2335型, 额定功率50 W。该型电源能够输出24 V和5 V直流电。电源能够稳定供电, 适用于小型集成电路。
2.4 电磁阀
电磁阀组包括全烃、组分和气路控制电磁阀组。其中, 全烃电磁阀组和组分电磁阀组分别由5个二路二通电磁阀组成, 分别控制全烃和组分样气的采集与关闭功能。气路控制电磁阀组由2个二路二通电磁阀组成, 主要用于全烃样气与组分样气气路的通断控制。除电磁阀组外, 在气路末端有一个单独三通电磁阀, 主要作用是选择标准样气还是外部样气进气分析。
2.5 分气阀组
分气阀组又称双排管路分气块, 共两个。其主要用于将多路全烃或组分样气集中, 再统一输送至气动调节阀, 调节阀外置可视压力表盘。该配件材质为不锈钢, 主体可抗15 MPa以上压力, 尺寸大小为32 mm× 40 mm× 16 mm, 最多可同时接入6路样气源。接头为直通快插式, 能够快速完成气路的连接, 其最大耐压值为0.98 MPa。
2.6 控压压力表
控压压力表又称气动调压阀, 最大耐压1 MPa。录井色谱仪气体分配单元中样气采集泵的采集压力为0.04 MPa, 据此调整气路压力值至0.04 MPa。压力值的设定能够保证色谱仪气路分配单元的稳定运行, 防止异常压力导致的色谱出峰抖动、异常高值等。
3 色谱仪远程自动化标定分析软件
3.1 自动化标定分析软件
采用经纬公司拥有自主知识产权的SGC-3KS型色谱仪开展相关实验。该设备配套的自动分析软件为2.2.3版本, 其改进主要是在旧版基础上增加了自动标定模块。新版色谱仪自动化标定分析软件界面见图4。
 | 图4 新版色谱仪自动化标定分析软件界面 |
色谱仪软件自动标定模块包含组分标定、全烃标定、所有标定、停止共4种命令模式。在仪器房后方放置标准样气箱, 箱内存放10个含有1 L左右不同类型和浓度标准样气的样气瓶, 通过减压阀与标定机箱后面板始终连接。进行自动标定时只需要点击色谱仪分析软件相应自动标定按钮即可, 如进行组分标定时, 点击组分标定按钮开启组分标定程序, 标准样气从0.01%浓度开始进样, 每个组分浓度在分析两周期后采集第二周期的分析电压值, 组分分析周期设定为30 s, 即在分析60 s后进行数据采集分析并记录。之所以不采集第一周期的分析电压值, 是为了避免开始时样气浓度不稳定或在切换浓度时受到前一浓度样气残留的影响, 导致本浓度样气分析值不准确。分析所得的各烃类样气浓度值会即时写入标定模板, 直到第5个浓度（100%浓度样气）分析完成。当所有浓度的标准样气都分析完成后, 软件会自动存储和生成以日期命名的标定模板。当软件切换为正常分析状态时, 系统会自动调用该标定模板。至此, 色谱仪远程自动标定系统已完成所有预设程序, 标定流程结束。
组分样气包含甲烷（C1）、乙烷（C2）、丙烷（C3）、异丁烷（iC4）、正丁烷（nC4）、异戊烷（iC5）、正戊烷（nC5）7种烃类气体。各烃类气体按不同浓度组合在一起, 分析时的电压值也各不相同, 其中甲烷浓度最大。设定自动标定点实时检查正在标定的浓度点, 自动标定点为1时对应0.01%浓度, 2对应0.1%浓度, 3对应1%浓度, 4对应10%浓度, 5对应100%浓度。图5展示的是自动标定点为4时的电压值, 即10%浓度组分自动分析时产生的电压值。
 | 图5 组分自动标定展示图 |
在标定模块中设置了所有标定按钮, 点击该标定按钮后, 色谱仪会自动对组分和全烃依次进行标定。在标定过程中, 如果发现分析结果出现明显错误或遇到其他需中止情况时, 可使用停止按钮强制终止本次自动标定程序。经过在实验机房的多次实验可知, 色谱仪远程自动化标定系统运行良好, 在单气样和混合气样标定中均能够准确地被色谱仪采集分析出浓度值, 并按日期形成数据模板存储在软件中。
3.2 远程控制方式
现场录井仪器房内安装有一套录井采集软件（井场端采集软件）, 后方数据中心一台电脑上安装有另一套录井采集软件（基地端采集软件）, 二者共享中央数据（服务器安装在胜利地质录井公司）。远程控制方式为在后方数据中心打开基地端采集软件找到现场色谱仪分析界面, 实时控制色谱机进行远程控制分析。两套采集软件都可以对录井数据进行读取、修改、控制, 在修改完成后都会以弹出通知方式告知对方此前进行过的相关修改、设置。
后方工作人员远程操作录井现场色谱机需遵循严格的双层跳转安全协议。首先, 通过加密的远程录井桌面工具建立安全通道, 连接至仪器房内作为一次网关的专用计算机; 随后, 再以此计算机为操作跳板, 利用其内网环境中部署的VNC工具, 最终与处于隔离网络区的色谱机建立远程控制连接[7]。
4 开机测试
4.1 实验测试
在录井实验室内将色谱仪开机预热2 h, 确保各辅助设备压力正常、色谱仪各性能参数正常, 显示状态稳定。色谱仪远程自动化标定系统进行各组件连接：将各浓度样气手动连接至自动标定装置, 手动调整各浓度样气瓶压力至与样气采集泵压力相同（0.04 MPa）, 打开色谱自动化标定分析软件确认色谱仪网络连接良好。分别进行自动标定中的组分、全烃、所有标定模式测试。系统进入自动进样分析模式, 其中所有的标定模式均在12 min内完成各浓度进样分析采集过程, 分析数据最终保存至数据模板。
实验测试表明, 标定过程完整, 样气采集准确、数据分析精确。在实际使用中发现该系统能够准确分配各浓度样气, 所有电磁阀组实时切换到位, 切换时间准确精细, 标定过程中实时定义了各浓度样气分析电压值, 分别对应标准样气的标准浓度。经计算, 分析值与标定值的误差< 2%, 契合度> 98%, 较行业标准95%提高了3%, 实验运行成功。
4.2 现场测试
色谱仪远程自动化标定系统在胜利油区20余口井进行了现场测试, 正常运行累计560 d, 共11 260 h。在现场应用中, 通过一键式标定模式自动完成了色谱仪采样、分析、写入、形成模板等标定过程, 实现了色谱仪远程自动化标定。
根据自动化标定系统模板生成的1%组分（表1）和10%组分（表2）标准样气标定数据可以看出, 1%组分和10%组分两组标定数据均符合技术指标, 误差均控制在3%以内, 两次标定的重复性误差均控制在2%以内, 色谱仪标定整体性能达到更高的水平。
 | 表1 1%组分标准样气标定数据 |
| 表2 10%组分标准样气标定数据 |
经过现场测试发现, 在标定方式、标定耗时、标定精度、标定及时性、重复性误差等方面（表3）, 色谱仪远程自动化标定系统具有显著的优势。
| 表3 自动化标定与传统人工标定对比 |
5 结论
（1）色谱仪远程自动化标定系统, 可在远程或现场对色谱仪（SGC-3KS型）进行一键式注样标定, 标定过程无需人工参与, 单次标定用时不超过12 min。色谱仪的自动化标定精度较人工标定大幅提高, 提升至98%以上。在正常录井过程中可以利用停泵接立柱的短暂时间完成色谱仪的重新标定, 及时性得到了很大提高。自动化标定系统既节约了人工成本, 缩短了现场施工时间, 降低了劳动强度, 又提高了标定效率和录井设备的自动化程度。
（2）色谱仪远程自动化标定系统解决了困扰国内录井现场多年的色谱仪标定难题, 降低了设备操作难度。特别适合当下录井行业无人值守、远程录井、智慧录井、集群录井的发展新方向。该标定系统与其他各类型号的色谱仪连接方式简单, 兼容性好, 极具推广价值。
编辑 郑春生
参考文献
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