发布日期：2026-10-22 08:47:45 速览表
天然气组分测定长期依赖气相色谱，ISO 6974 系列已较成熟。但上游井口、集气站、处理厂前端更关心“快”和“稳”：气层性质变化快、含硫风险高、站点偏远、维护窗口短。
ISO 23978 前言明确说，激光拉曼比色谱更简单直接，属于全光学方法、以光速运行、无运动部件；快速组分和实时监测有利于优化天然气处理工艺，并改善勘探、井作业、运输与处理环节。
拉曼的物理本质是：激光光子与分子发生非弹性散射，散射光相对入射光产生“拉曼位移”；位移位置识别分子种类，位移峰强度与分子数成正比，因此天然适合多组分同时定量。
针对上游勘探开发场景，拉曼光谱可实现实时井下/井口组分监测，以快速判断气层性质、优化采气工艺、提前预警硫化氢等有毒有害组分，是上游天然气快速分析的专用标准。
基于拉曼散射效应：单色激光照射气体分子时，大部分光子发生弹性散射（瑞利散射，波长不变），极少量光子与分子振动能级交换能量，发生非弹性散射，波长发生偏移（拉曼位移）；拉曼位移是分子的固有指纹，与激发激光波长无关，不同组分的拉曼峰位置唯一，峰强与分子数量（浓度）成正比。
标准明确允许两类技术路线，覆盖不同成本与精度需求：
1) 结构：激光器置于气室外部，激光穿过气体样品，散射光由收集透镜导入光谱仪分光，最终在多通道面阵探测器（CCD/CMOS）上一次性成像，获得完整全波段拉曼光谱。
2) 优势：一次曝光即可获得所有组分的光谱，可通过解谱算法灵活拆分重叠峰，测量组分数量不受硬件通道限制。
3) 典型硬件路径：532 nm/785 nm激光器→聚焦气室→高通量收集物镜→光栅光谱仪→CCD探测器→计算机解谱。
1) 结构：气体样品直接置于激光谐振腔内部，腔内激光功率密度远高于外腔，信号强度提升数个量级；每个组分配备独立的雪崩光电二极管（APD）探测器，搭配窄带滤光片选择对应组分的拉曼峰，直接计数光子数。
2) 限制：每个组分对应一个独立探测器通道，当前商用单模块最多8个APD通道；超过8种组分需要多模块并联。
3) 优势：结构紧凑、灵敏度高、响应速度快，适合固定少量组分的现场在线监测。
标准规定采用外标法，拉曼信号强度与气体浓度呈严格线性关系，计算公式：
(1) Ci：待测样品中第i种组分的浓度
(2) Ii：样品中第i种组分的拉曼信号强度（光子计数）
(3) IRi：已知浓度的标准气中第i种组分的拉曼信号强度
(4) CRi：标准气中第i种组分的标称浓度
标准明确规定了可保证指定精密度的浓度区间（注意：这不是检出限，超出区间也可测量但精度不保证）：
组分 | 浓度范围 （体积百分比，mol/mol×10⁻²） | 说明 |
甲烷（CH₄） | 50%~100% | 天然气主组分 |
乙烷（C₂H₆） | 0.02%~20% | 重烃组分 |
丙烷（C₃H₈） | 0.02%~10% | 重烃组分 |
氮气（N₂） | 0.02%~10% | 惰性组分 |
二氧化碳（CO₂） | 0.02%~30% | 酸性组分 |
硫化氢（H₂S） | 0.02%~30% | 有毒酸性组分，可直接拉曼定量（这是该标准的核心特色之一） |
补充说明：
(1) 还可扩展测量氢气（H₂）、异丁烷、正丁烷等组分，需要增加对应的探测通道；
(2) 硫化氢可直接测量是拉曼相对于传统在线色谱的重要优势，色谱测硫化氢需要专门的分离系统和惰性管路，响应慢；
(3) 上游天然气中常见的C5+以上重烃、水分、汞等杂质，不在本标准的测量范围内。
标准对激光器稳定性做了严格量化要求，是保证长期测量精度的核心：
(1) 波长范围：500 nm~800 nm，行业默认推荐785 nm，532 nm也在合规范围内；
(2) 波长稳定性：出厂初始≤ ± 0.005 nm，运行10000小时后长期稳定性≤±0.05 nm；
(3) 输出功率：0.5 W~5.0 W，根据收集光路效率调整；
(4) 功率稳定性：短期（秒级）波动≤ ± 0.5%，运行10000小时后功率衰减≤ 20%。
要求具备足够的光谱分辨率、高通光量与温度稳定性，保证拉曼峰位不漂移、信号不失真；未强制要求探测器深度制冷（区别于液态LNG的ASTMD7940-21，因为气态拉曼信号受热噪声影响更小，常温探测即可满足要求）。
(1) 过滤要求：入口必须配置0.2 μm精度过滤器，去除所有大于0.2 μm的颗粒和气溶胶，防止污染光学窗口、污染气室；
(2) 材质要求：采样探头、过滤壳体、管路必须采用惰性材质（优选不锈钢），不吸附、不渗透待测组分，避免轻组分损失；
(3) 压力调节：含硫天然气必须配置抗硫化氢腐蚀的减压阀，防止硫化物应力开裂；
(4) 可选硫吸收器：高含硫工况可配置碱性溶液硫化合物吸收器，对样品进行预处理，保护后续光学器件。
软件必须具备以下功能：
(1) 实时处理探测器原始信号，输出各组分浓度结果；
(2) 监控关键诊断参数：激光器功率、光学系统温度、光谱强度漂移；
(3) 管理校准流程，自动追踪仪器漂移，提醒校准周期；
(4) 存储测量历史数据，支持审计追溯。
标准规定了三级校准流程，是保证定量准确性的关键，预览版未完整展示细节，结合标准公开框架：
(1) 零点校准：用高纯零气（不含待测组分的平衡气）测量，扣除仪器背景噪声与暗电流；
(2) 基础跨度校准：用多组分混合标气测量，消除不同组分拉曼峰的交叉干扰、补偿拉曼峰位漂移，建立光谱基线模型；
(3) 工作跨度校准：用和现场待测气浓度接近的实际标气，建立浓度-信号强度的定量曲线，用于日常样品计算。
(4) 标气配制必须符合ISO6142-1（重量法一级标气）、ISO6144/6145（静态/动态配气）的要求，保证量值溯源。
标准给出了重复性的统计计算方法，同时规定了不确定度的评定规则：
(1) 不确定度来源包括：样品信号强度测量误差、标气信号强度误差、标气标称浓度误差；
(2) 明确要求实验室间精密度验证需参照ISO5725、ASTME691的统计流程；
(3) 测试报告必须包含：测量条件、校准信息、各组分浓度、扩展不确定度等强制内容。
无运动部件、无载气，维护量极低，适合偏远气田无人值守现场；
秒级多组分同时测量，可实现井口实时在线监测，快速反馈地层产气变化；
可直接定量硫化氢，替代部分专门的硫化氢在线分析仪；
全光学位点，无高温高压运动部件，本质安全性能优于色谱。
仅适用于气态上游天然气，不能直接测量液态LNG；
对微量组分检出限有限，适合常量组分测量，痕量杂质（如硫化物ppb级、水、重烃）无法覆盖；
样品必须严格过滤，粉尘、液滴会污染光学窗口，需要定期维护清洁；
高含硫工况下，硫化物会在光学窗口沉积，需要额外的硫预处理系统；
属于上游气田专用标准，不直接等同于长输管道、贸易交接的气相色谱计量标准。
ISO 23978:2020与ASTM D7940-21两个标准的对比：
ISO23978管井口气态天然气拉曼检测；
ASTM D7940 21管液态 LNG 拉曼检测；
一个气体池，一个深冷蓝宝石探头，两者应用场景完全分开。
