用于井下流体特性的光谱成像的制作方法

专利名称：用于井下流体特性的光谱成像的制作方法
技术领域：
本发明一般涉及用于勘测地层流体的系统和方法。更特别地，本发明关 注于用于光谱成像以测定井下流体特性的系统和方法。
背景技术：
流体特性对于评估含烃储层的经济可行性非常重要。诸如斯伦贝谢的MDT(模块化动态检测器)的一些线缆式工具用于取样地层流体，将其储存 在一组容器中，然后保持流体受压的同时将其取回到地面。这种样品就是原 状流体。然后这些原状流体送到合适的实验室以测定其特性。流体的特性可 包括组成分析、流动特性和相特性(phase behavior )。了解储层流体相特性是各区域合适地规划和开发以及设计生产系统的 关键。了解储层流体相特性涉及对实际储层和生产状况下的流体进行许多非 常重要的测量。在大多数情况下，地层流体的温度(T)和压力(P)的改变 导致相的改变，包括相分离(例如液-气、液-固、液-液、气-固等)和相 再结合。例如，虽然大多数烃在初始储存状况(即组成、压力和温度)下以 单一相存在，但是由于在生产和流到地面设备期间的压力、组成和/或温度降 低，它们经常经受可逆的(可能还有一些不可逆的)多相改变。图l示出了 对于生产期间倾向于沉淀沥青烯、蜡和水合物的未饱和原油(live oil)测量 的典型的相图。液-固-气相边界一般在实验室使用现有技术测量，例如结合到斯伦贝谢 的基于激光的固体检测系统(SDS)和斯伦贝谢的高压显微镜(HPM)的斯 伦贝谢的压力-体积-温度(PVT)单元。这些现有技术的详细描述和它们的 用于石油流体的相特性和确保石油流体的流动的研究的应用已经公开，并为 本领域技术人员所公知。HPM当前用于实验室环境中以测定地层流体的特性。图2a-2b示出了具 有相变点之前和之后流体快照的HPM研究的例子图2a示出了在储层温度(Tres)下沥青烯初始压力的测量的例子。图2b示出了在温度T^下储层流体的饱和压力之上液-液分离的形成。HPM (—般装备有交叉偏光镜)使得可以量化微粒或气泡(bubble)尺 寸。此外，在如图2-c和2-d中所示多种成分共存时，还可清楚地区分蜡、 沥青歸、油相、水滴和含水晶体。然而，在线缆产业中当前的趋势是越来越多地地层流体特性的分析直接 在井下执行，以避免升高到井上时与样品保存有关的困难和与样品运输以及 在遥远的实验室内进行分析相关的延迟。例如类似于斯伦贝谢的MDT的工 具可用诸如原流体(live fluid)分析仪或气体冷凝物分析仪这样的光镨仪模 块进行改进，以提供流体组成(气油比(GOR))、水含量的基本信息和烃分 馏(d, C2-C5， C6+)的基本裂化。这些测量都通过红外(IR)吸收光谱学 进行。图3示出了典型的石油和存在于石油中的诸如水的其它物类(species) 的典型的吸收光i普。因而可测量出特征吸收峰值，特别是在近红外(NIR) 范围内。然而，当前诸如相特性这样的一些井下特性的测量不能够在实验室外得 到。如上所述，视频成像流体特性当前仅在实验室环境中可得到，因而期望 可以现场分析地层流体。在线缆式工具中已经使用了 一些井下视频成像，但是当前技术局限于与 生产测井相关的应用。当前井下成像致力于井眼壁面成像，并且具有较低的 空间分辨率。例如DHV国际为石油和天然气工业提供井下视频服务用于诊 断井眼的问题，例如捞出丢失的工具、机械检查和流体入口勘查。当前没有 方法或系统用于完全地测定井下地层流体的特性。除了在油井评估阶段测定地层流体的特性之外，相特性的了解在油井操 作的生产期间也是非常重要的。如上所述，在生产期间，地层流体在它们从 储层行进到地面时变凉并且降压。流体可经历多种相变，目前对此并没有充 分的理解。这些相变可导致严重的问题，特别是如果固相沉淀(例如蜡或沥 青烯)形成。在一定条件下，这些固体可粘到壁面套管，形成固体沉淀，并 最终由于流动阻力增加(减小了管道的水力直径)或形成了阻塞使井生产效 率降低。特别地，类似的问题可在海底环境中沿用于从生产井到岸上环境输 送石油的管道发生。因此，在生产期间井下相特性监控的引入将是重大的突破，以优化生产 条件并减少/控制固相析出和沉淀的风险。本发明致力于克服或至少减少上述的 一个或多个问题的影响。 发明内容本发明满足上述及其它需求。特别地，本发明提供了一种监控地下的地 层流体的方法，特别地能应用于但不限于烃。该方法包括用视频成像系统测 定井下地层流体样品的特性，其中视频成像系统执行像素成像和其它的成像。其它的成像可包括使用与井下光谱成像视频照摄像机(camera)结合的 宽波段光源光谱，或使用与任何照摄像机结合的可调谐或多波长光源的光语 成像。特性测定还可包括测定视频成像系统中的固定样品的特性。特性测定的准备可包括将地层流体样品泵浦到井下样品室内，隔离流体样品并控制隔离 的流体样品的压力和体积。根据本发明的一些方面，特性测定包括两维或三维成像及分析。 根据一些实施例，特性测定还包括使流体样品流过视频成像系统。相应地，特性测定可包括一维在线成像和分析。该一维成像可包括连续获得一维流动管线图像和将两个或多个一维流动管线图像重建为两维图像。根据本发明的一些方面，该方法可包括主动地冷却井下视频成像系统。 本发明的 一 些方面可包括经由遥测总线从视频成像系统传送视频成像数据到井上或将采集到的图像临时地储存在合适的且可恢复的井下存储器芯片中。本发明的另外的方面提供一种井下流体特性测定装置。该装置包括井下 实验室模块，其包括样品流动管线，与该样品流动管线流体连通的样品室， 该样品室包括至少一个透明窗、邻近样品室的光源和用于井下流体成像的照 摄像机。该装置还包括用于井下冷却照摄像机的主动冷却系统。至少一个透 明玻璃可包括蓝宝石。光源和照摄像机可包括透射或背向散射成像构造。照 摄像机可以是光谱照摄像机。光镨照摄像机可包括成像镜片和图像传感器。 根据一些实施例，光源包括可调谐或多波长光源，并且照摄像机包括宽波段 照摄像机。该照摄像机可以是一维照摄像机。根据本发明的 一 些方面，井下实验室模块还包括压力-体积控制单元。 该装置还可包括用于确保样品质量的井下视频模块。该井下视频模块还包括 第二样品室，其与样品流动管线流体连通，该第二样品室包括至少一个透明窗、邻近第二样品室的第二光源和用于井下流体成像的第二照摄像机。根据本发明的 一 些方面，该装置包括可操作连接到照摄像机的遥测总线。根据一些方面，井下实验室模块可包括线缆式工具的一部分。井下实验 室模块还可以是永久安装在井下，并且与生产线流体连通。本发明的另外的方面提供了 一种井下地层流体特性测定的方法，包括将 样品流动管线、光源和照摄像机插入到井眼中，然后将样品流动管线、光源 和照摄像机邻近所关注的地层定位，再使感兴趣的地层流体进入流动管线， 最后用照摄像机对井下感兴趣的地层流体成像。该方法还可包括实时地将来 自照摄像机的成像数据经由遥测线路传送到井上的操作者。该方法可包括主 动地冷却至少井下的照摄像机。该方法可包括用波长可选择光源在不同光谱 区域连续地照射感兴趣的地层流体、随光谱顺序同步获取图像，并对于每个 光傳区域产生图像。该成像还可包括示出所关注的地层流体的成分的位置的 空间成像，和示出光学吸收的光谱成像。本发明的另外的方面提供了 一种井眼生产的方法。该方法包括使来自地 层的地层流体流过生产线、使地层流体的一部分流过在第一位置的第一永久 井下实验室模块、用第 一永久井下实验室模块的第 一井下照摄像机对地层流 体的一部分成像以及将成像数据传送到井上。该方法还可包括井上分析成像 数据，并基于成像数据调整生产参数。该方法可包括使地层流体的一部分流 过在第二位置(可以是第一位置的下游)的第二永久井下实验室模块、用第 二永久井下实验室模块的第二井下照摄像机对地层流体的 一部分成像，以及 将成像数据从第二井下照摄像机传送到井上。该方法还可包括基于来自第一 和第二井下照摄像机的成像数据调整化学制剂注入参数。另外的相似或相同设置可沿第 一 位置的下游的生产流动管线安装。本发明的另外的方面提供了一种测定井下地层流体的方法。该方法包括 使地层流体从地层流入井下压力-体积控制单元、调整由井下压力-体积控制 单元容纳的地层流体的压力、用第 一井下照摄像机对由井下压力-体积控制 单元容纳的地层流体成像以及将成像数据传送至井上。压力的调整可包括降 低压力以在井下恒定的深度处？ i起相变。成像可包括当压力降低时视频记录 井下的地层流体，并且^f全测相变。本发明的另外的优点和新颖特征将在后面的说明中提出，该说明可通过点可通过在所附的权利要求中叙述的方法而获得。


附图示出了本发明的优选实施例并成为说明书的 一部分。与随后的描述 一起，附图示范和说明了本发明的原理。图1是根据本发明的一个方面对于原状不稳定石油测量的相图的例子。图2a是使用视频成像可得到的与沥青烯的开始相关的相特性分析的例子。图2b是使用视频成像可得到的与在温度Tres下储层流体的饱和压力之上液-液分离相关的相特性分析的例子。图2c示出了使用视频成像可得到的在等压冷却储层流体期间蜡-沥青烯 共同沉淀的i正氺居。图2d示出了使用视频成像可得到的在水滴-重油界面处含水晶体的证据。图3是石油和水在可见/NIR范围内的典型的吸收光谱。 图4示出了对于当前可得到的通常的图像传感器的光谱响应。 图5a示出了根据本发明的一个方面的井下流体样品特性测定系统的构 造的示意图。图5b示出了根据本发明的一个方面用于背向散射成像的井下流体样品 特性测定系统的示意图。图5c示出了根据本发明的一个方面用于产生流动管线的三维图像的井 下流体样品特性测定系统的示意图。图6示出了根据本发明的一个方面使用用于成像的黑白照摄像机的井下 流体特性测定技术。图7示出了根据本发明的一个方面使用可调谐/多波长光源的井下流体 光语成像的示意图。图8示出了根据本发明的一个方面通过使用可调谐/多波长光源的光谱 成像进行具有不同光学吸收的两物质的井下区分。图9示出了根据本发明的一个方面使用光谱照摄像机的井下光i普成像。图10示出了根据本发明的一个方面通过光谱成像进行具有不同光学吸收的两物质的井下区分。图11示出了根据本发明的一个方面使用一维图像传感器在流体流动状 况下井下成像的示意图。图12示出了根据本发明的一个方面井下成像流体特性测定在井下环境 中的应用。图13a示出了根据本发明的一个方面用于流体特性测量且可以确保样品 质量的井下视频成像模块的示意图。图13b是根据本发明的一个方面用于流体特性测量的井下PVC模块和 相关的^f见频照摄像机的示意图。图14示出了根据本发明的一个方面流体在海下流动管线内流动期间用 于子样品(sub-sample)可视化的旁路和永久生产照摄像机系统的执行的示 意图。图15示出了根据本发明的实施例可使用的主动照摄像机冷却系统。 整个附图中相同的参考标号代表相似但不必是相同的元件。
具体实施方式
本发明的各方面和示例性实施例将在下面进行描述。当然应了解到在任 何这样的实际的实施例的开发中，必须做出大量的实现相关 (implementation-specific )的决定以实现开发者的特殊目的，例如符合系统 相关和商业相关的限制，其从一种实现到另一种实现而变化。此外，应意识 到该开发工作可能是复杂的和费时的，然而对于从此公开受益的本领域技术 人员而言不过是常规工作。本发明打算实现用于地层流体样品的以及在其流过包括海下流动管线 的生产管道期间的特性测定的井下视频成像或光谱视频成像。本发明关注通 过视频分析促进行进中的井下流体特性测定的各种方法和装置，其优选实施 例将在下面进行描述。该方法和系统可特别适用于线缆采样操作和线缆或钢 丝(slick-line)运送的生产测井，沿油井的路线(同时压力和温度改变)的 生产流体的相特性的轮廓将特别地有利于优化井压。然而，在此描述的方法 和系统不限于此。例如，该方法和系统可应用到永久和半永久生产监控或其 它的应用中，例如随钻测井(LWD )和随钻测量(MWD )。广义上，在此描 述的技术可应用到与任何地下烃储层和流体生产系统相关的流体特性测量。如整个说明书和权利要求书中所使用的，术语"流体"意味着连续的无 定形的物质，其分子自由地越过彼此移动并且具有呈现其容器形状的倾向， 包括液体、气体、乳状液(油包水和水包油，两种或更多液相)和多相系统 (液体+气体+固体)。"透明"意味着能传播光，使得好像或几乎好像没有干 扰物质，能够看到目标或图像，但是不必清楚。本说明书包括权利要求书中 使用的术语"包含"和"具有"具有与"包括"同样的意思。在此示出的用于井下地层流体特性测定的方法和系统包括至少两种通常光学配置(optical layout)的描述。这至少两种通常的光学配置包括结合 有诸如视频照摄像机的光谱成像器的宽光谱光源的使用，以及结合有任何类 型的照摄像机的可调谐或多波长光源的使用。本发明的原理可包括一维(1D ) (成直线)、两维(2D)和三维(3D)成像。如背景技术中所提到的，存在对用于实验室条件下井下流体特征测定的 成像技术的关注。实验室成像技术是基于在可见光范围内单一像素、黑白或 彩色模式测量，可能具有偏振。此外还存在对用于井下流体特征测定的可见 IR光i普仪的关注。在可见范围和大约lOiam之间的光波长范围内流体吸收特 性与化学成分紧密相关。根据本发明的原理，使用黑白模式下的可见光和执 行光谱成像的光学光谱仪可在井下实现流体特性测定。现在回到附图中，并且特别是图5a-5c示出了用于根据本发明的原理的 井下成像的三种构造。图5a-5c的实施例包括流体采样装置112,其用于从 井眼114或地层运送样品流体经过流动管线118到样品室116。采样装置1]2 的其他细节在下面进行描述。样品室116流体连接到流动管线118。样品室116包括一个或多个窗， 例如如图5a所示的第一和第二窗120、 122。第一和第二窗120、 122包括透 光材料，并可以朝向和远离流动管线118调整以根据需要控制样品厚度。第 一和第二窗120、 122例如可由蓝宝石制成。光源124和照摄像机126设置为邻近第一或第二窗120、 122中的一个。 光源124和照摄像机126便于位于样品室116内的流体成像。光源照亮样品 室116内的样品。光源124和照摄像机126的许多可能的构造是本发明所预 期的。三个可能的构造如图5a-5c所示。图5a-5c中示出的每一种构造包括 通常位于照摄像机前面的光源124。根据图5a的透射成像构造，光源124和照摄像机126设置在样品室116的相对侧上。因而照摄像机126可邻近第一窗120设置，并且光源124可邻 近第二窗122设置。电磁辐射因而可从光源124穿过第二窗122通过，照亮 样品流体并穿过第一窗120并被照摄像机126检测。在如图5b所示的背向散射成像构造中，光源124和照摄像机126可都 设置在样品室116的同一侧。样品室116因而可仅包括第一窗120。分光器 128显示为样品室116和照摄像机126之间的倾斜板，其用于将光引导到样 品室116，同时还允许背向散射的光返回到照摄像机126。相应地，来自光 源124的径直电^f兹辐射由分光器128引导到第一窗120,并且此辐射可由容 纳在样品室内的样品反射并由照摄像机126检测。在图5c示出的另外的构造中，3D流动管线图像可使甩诸如照摄像机126 的单一像素光谱成像器产生。根据图5c的构造，共焦显微镜应用到流动管 线成像以产生3D图像。根据图5c来自光源124的照射光是激光，其聚焦于 流动管线118内的A点。由于流体特性和流体与照射光的相互作用， 一些进 入流动管线118的光返回到共焦透镜127 (其可以是共焦显微镜的一部分)。 通过由于流动管线118内的折射率差异导致的折射现象可产生反射光。反射 光还可能是由于荧光性，流动管线118内的流体自身再发射的光。发射的光 或来自流动管线11S内的样品流体的再发射的光由共焦透镜127收集并送至 照摄像机126。第一和第二针孔129、 131分别邻近光源124和照摄像机126， 使得可以仅选择由共焦点A发射的光。共焦点A上面和下面的光都不能到 达照摄像机126。可在(x， y)平面内扫描共焦透镜127，以重新建立平行于(x, y)并 通过A点的平面的2D图像。通过沿z方向移动共焦透镜127组件，可产生 流动管线118的3D光学图像。石油、天然气和水具有显著的折射率差异， 并且石油具有荧光特性，而水和天然气没有。因而，共焦成像可有利于更好 地理解井下条件下的相特性，特别是用于流体界面研究和乳化现象。除了或替换共焦显微镜或共焦透镜的使用，高压显微镜在井下可执行。 交叉偏光镜可根据一些实施例设置在显微镜前面。交叉偏光镜的使用使得能 够实现蜡的检测。根据本发明透射、背向散射和3D构造每个都可用上。然而，下面的描 述主要指图5a的透射构造。然而，参考图5a的透射构造描述的原理还可应 用到其它构造中。照摄像机126 (图5a)在流体存在的情况下形成样品室116的图像。图 6提供了与照摄像机126 (图5a)相关的照摄像机系统128的更详细的概况， 其包括成像镜130和位于成像平面134的1D、 2D或3D图像传感器132。 成像镜130用于收集来自样品室116的光，并将其重新成像到图像传感器132 上。照摄像机126 (图5a)可以是电子成像照摄像机，其使用图像传感器以 将光学信号转换成电学数据。然后电学数据被处理以产生图像。输出可以是 分成基本像素136的图像，并且各个像素的组合形成图像。可见或NIR范围内的图像传感器(例如图6的图像传感器132) —般都 是基于光电二极管或相似的能够将光转换成电信号的装置。图4显示了当前 可获得的一般图像传感器的在所期望的光谱范围中的典型波长灵敏度。图像 传感器132 (图6)因而可认为是具有较差波长选择性的"宽波段"的传感 器。再参考图6,样品室116内的样品流体的存在导致到达像素136的光功 率光谱密度的改变。图6包括图表138,其示出了到达像素136的光的光功 率光谱密度，其是波长的函数。第一曲线140表示样品流体不在流动管线118 中(图5a)时到达像素136的光。第二曲线142表示样品流体在流动管线 118内时到达像素136的光。流动管线118内的样品对到达像素136的光产 生波长选择性的更改。在每个像素输出处产生的电信号正比于化(;l)《(;i)^1然而丢失了光谱信息。因而，如果使用时没有光过滤部，图像传感器132产生所谓的"黑白" (B/W)图像，而没有照射每个像素136的光的光谱信息。根据本发明的一 些方面这种类型的成像技术可井下使用，而不是如上所述的在实验室中使 用。B/W图像允许使用者不需光谱信息而测定流体的特性。然而，光的光谱特性可用于增强对样品特性的理解。例如，如图3所示， 吸收现象表示样品的化学性质，并且可有选择地区分水和石油或测定水和石 油的特性。因而，根据本发明的一些方面，除了成像以外，依赖于样品的光 学特性的波长分析可用于进一步测定样品的特性。根据本发明的一个方面，光源124是波长可选择的光源或多个波长可选 择的光源，其可与任何类型的照摄像机一起使用。波长可选择的光源可以是多波长的和可调谐的。由此波长可选择光源可提供窄光谱光源。波长可选择的光源的发射光i普可调谐到感兴趣的光谱区域。光谱选择可在光源级(source level)处执行，因而宽波段照摄像机可直接用于成像。图7示出了与多波长光源724相关的图像处理，以及可能的光学布置。 如图所示，光源发射光谱可以被改变，并且可顺序地从一个状态切换到另外 的状态。图7示出了光源发射从义,到；12再到；13顺序地改变。图像获取可与光 i普切换次序同步，以对于每个发射状态产生图像，如框144所示。图8示出了将上述的处理应用到样品以区分具有不同光吸收特性的两种 样品的例子。例如，根据图8，物类A可能是烃并且物类B可能是水。在此 例子中，样品可在NIR范围内成像。几种光源类型可应用来执行此处理，包 括但不限于(a)发射单一或多个固定波长的光源，(b)可调谐光源，和(c) 具有光谱照摄像机的宽波段光源。每种指出的光源在下面将进行详细描述。在发射单一或多个固定波长的光源种类中，可具有多种选择。。例如， 执行用于发射固定波长的光源可包括使用宽波段光源，例如结合有滤光片的 白炽灯，其可包括偏振片以能够区分蜡和沥青烯。根据一些实施例滤光片可 安装在转轮上，以改变感兴趣的光谱区域。另外的方法可以是使用诸如激光 器这样的固有窄光谱的光源。例如根据一些实施例可使用半导体激光二极管 (LD),因为从可见到NIR的大部分光语范围都可由商用的LD覆盖。发光 二极管(LED )也可用作固定波长光源。与LD —样，覆盖从可见到NIR的 大部分光谱范围的LED是可从市场上得到的。也可得到多种选择以用于产生可调谐光源。例如，宽波-R光源可与可调 谐分光部(spectroscopic section) —起使用。分光部在所关注的光i普范围对 发射光进行过滤。另外的选择可以是干涉滤镜，在光源的前面改变滤镜的方 向。此外，还可使用直接可调谐的窄光语光源。例如，LD的发射波长可通 过改变激光器的温度来调谐。激光器的温度可通过将激光器安装在热电 (TEC)模块上而控制。类似的解决办法还可以通过LED来执行。宽波段光源还可与光谱照摄像机一起使用，以实现本发明的原理。不需 要附加元件地使用宽波段光源需要在照摄像机层面处进行光语分析。根据本 发明的原理使用的光语照摄像机可包括结合有光谱仪部的宽波段传感器。类似于宽波段照摄像机，如图9所示的具有宽波段光源924的光i普照摄 像机926产生由基本像素936形成的图像。每个像素936与将成像的目标的基本区域相关联。如图9所示，照摄像机的光学系统收集来自每个基本区域
的光，然后处理光，并提供用于每个像素936的光谱分析。图像不能以B/W 的或彩色的2D平面表示而不丟失信息。 一种可能的表示是如图9所示的光 i普立方图946。光谱立方体946提供与每个像素相关的光学光谱的三维(3D ) 空间(x， y,义)表示。因而，光谱信息可保留作为根据本发明的原理用于 流体特性测定的视频图像的一部分。另一方面，现有技术限于像素视频成像。 本发明的原理可提供包括像素信息和附加信息(例如光语或其它信息)的视 频成像。
图10示出了根据上述原理参考图9的成像的一个例子。此外出于描述 目的，物类A可以是烃，物类B可以是水，它们在NIR范围内成像。如图 10所示，成像过程可包括分开位置的显示和容纳在样品中的各种物类的光学 吸收。图像1046示出了物类A和B的位置，并且图表1048示出了每个物 类的光学吸收。在像素层面上的光功率光谱密度可由用于多种物类的光谱照 摄像机评价，例如如图IO所示的物类A和B。此后，图像1046可从光谱立 方体946 (图9)的一部分重建，这使得可能识别处于样品室116 (图9)内 的物类。
用于2D应用的光语图像可分为成为三个通常类别中的一个，包括液晶 可调谐滤光器(LCTF)、声光可调谐滤光器(AOTF)和干涉计成像仪。
LCTF包括偏振片材料夹在各种厚度的双折射片之间的结构。LCTF组 件的透射曲线取决于双折射层的厚度和它们各自的双折射率。双折射层中的 一个优选的是装填有液晶的单元。通过施加电压到填充有液晶的层，可改变 双折射性以调谐滤光器的透射曲线。
AOTF是已知的用于执行光谱成像的技术。 一镜片用于校准来自光源的 光。校准后的光束于是通过AOTF。 AOTF可用作滤光器。
干涉计成像仪的使用还可以执行图像的光谱分析。从此公开受益的本领 域技术人员将会理解千涉计的使用。
用于光谱成像的上述各种例子在某些波长处并不提供瞬时测量，然而， 整体结果已证实非常有用。
替换地，还可完成与平行读取几个波长处的图像有关的1D光镨成像。 用于同时并平行读取图像和分光信息的 一个方法可以是使用与多个图像传 感器相关的分光器(beam splitter)。例如，来自的物体或流体用来成像的光束分成几束光束。每束光束再聚焦到独立的图像传感器。每个图像传感器与 可调谐到所关注光谱范围的滤光器相关。应注意到滤光器还可在像素水平上
直接应用到图像传感器，这对于红-绿-蓝(RGB)编码的数码照摄像机来说
是普通的，并提供平行读出波长。
1D传感器的使用特别关注于结合流动管线118内的流动样品。如图11 所示，如果样品流体相对于传感器(例如照摄像机1126)移动，那么有可能 重建流过流动管线118的流体的局部图像1146。 1D照摄像机1126处于相对 于样品室116的固定位置。因而经过一段时间成行的像素1152被成像，于 是结合或重建以形成局部图像1146。即使局部图像1146不提供流过流动管 线118的样品的精确图像，它还是供了有用的信息。特别地，在快速移动的 样品流体的情况下，2D图像传感器的读出数据的速度可能很慢而不能提供 样品的连续图像。然而，通过使用1D照摄像机1126或其它的1D传感器， 可实现更快的读出速度，便于流过流动管线118的样品流体的连续成像。1D 照摄像机1126的另外的优点是经由遥测系统传送到井上的数据量减小。
根据本发明的一些方面，井下流体样品自己可产生光。例如， 一些人造 光源可导致样品具有荧光性。诸如上述的光语照摄像机可用于执行荧光的光 谱以及空间分析，以增加相特性的了解。已知石油由蓝光照射时展现荧光性。 另一方面，水由蓝光照射时不展现焚光性。因而，根据本发明的一些方面， 样品荧光的光谱成像可用于在井下识别和区分水和石油。
在此描述的方法和成像系统和其它可经由线缆式设备在井下执行，例如 图12所示的井下采样工具1254。井下采样工具1254示出为在井眼1256中 展开并包括采样探头(probe)模块1258。采样探头模块1258邻近并接触含 有所关注流体的地层1260。采样探头模块1258包括泵出模块1262,其包括 第一和第二支撑腿1264、 1266，以及用于流体连通流动管线118的开口。设 置在泵模块1268内的泵便于从地层抽取流体到流动管线118内。
流动管线118可提供静态或连续流动的样品流体到井下实验室模块 1270，井下实验室模块1270可包括压力-体积控制单元和上述成像系统中的 一个。此外，井下采样工具1254可包括样品质量确保视频模块1272。该样 品质量确保视频模块1272的一个实施例的细节如图13a所示。井下实验室 模块1270的一个实施例的细节如图13b所示。
参考图13a,照摄像机1326 (其可包括上述任何照摄像机)优选地设置为直接邻近流动管线118。照摄像机1326优选地设置到很高的快门速度，其 可与流体流过流动管线118的流动速度同步。照摄像机1326可操作地连接 到遥测总线1374,并可用于监控样品流体以观察污染和单相流动。如上所述， 成像使得能够检测液-液分离、气体泡沫、固体颗粒，并能够区分水和烃。
监控单相流动特别重要。当地层流体被泵抽通过流动管线118时，其往 往会降压到一定程度(取决于井下压力的幅度)。降压可导致沥青烯沉淀、 气体泡沫出现或其它多相现象。为了收回(和/或通过^L频成像井下测定特征) 可以代表地层流体的样品，避免所有的相变很重要。相应地，通过在采样期 间经由视频成像监控流体的相特性，可以调整泵浦状态以防止相变发生，改 变其它的操作参数或避免将样品取回到地面。
井下实验室模块1270可包括任何所示的和上述的或其它的视频成像构 造(连接到遥测总线1374 )。本发明关注于地层流体特性的任何井下视频监 控。此外，井下实验室模块1270可包括如图13b所示的配置。井下实验室 模块1270可致力于测定井下流体特性。模块1270可包括诸如密封阀1376、 1378这样的第一和第二密封件，以隔离流体样品。因而光源124、照摄像机 1326和样品室116设置在第一和第二密封阀1376、 1378之间。此外，井下 实验室模块1270可包括压力-体积控制单元1380,用于控制隔离样品流体的 压力和体积。PVC单元1380产生压力变化。在样品被限制在第一和第二密 封阀1376、 1378之间后，活塞1386被操作以减小压力并产生流体相变。照 摄像机图像记录作为活塞位置和流体压力的函数。照摄像机1326用于检测 相变。照摄像机1326使得可以识别相变。照摄像机1326可用于识别起泡点， 沥青烯和蜡沉淀点。因而，照摄像机1326可如在此所描述的使用，以监控 样品相特性并测定井下样品流体的特性。照摄像机能够观察到下至光衍射极 限的细节。因而，照摄像机可被选择用来分辨几微米的范围内的目标细节。 与样品流体相关的信息可经由遥测总线13 74传送到井上。
除了例如通过上述的线缆式配置进行临时监控以外，根据本发明的井下 视频监控的原理可被应用于永久生产监控系统中以便于测定流体特性。在永 久视频监控组件中，采样装置可包括旁路1482,其将生产线1484连接到样 品室116,如图14所示。用于在生产状态下流体采样的旁路已显现出产生满 意的结果。当然任何上述及其它的视频系统和方法可用于永久性装置，因而 组件不限于图14中示出的实施例。照摄像机1326在井下用作永久组件的一部分，便于在生产状态下测定 相特性的特性。特别地，图14的实施例的永久装置便于固相的识别，其可 由沥青烯或蜡沉淀产生。沉淀现象的管理在石油生产期间特别重要。沉淀物 可凝聚和粘到生产套筒上，导致流动受阻。在一些情况下，沉淀物可堵塞生 产管道。
固体沉淀物导致了注入的化学制剂处理的发展以减少沉淀。然而，在本 发明之前，由于缺乏现场确认，难于评估在井下条件下处理产品的效率。
井下成像系统。通过在沿流动路径的不同位置处监控相特性，可以量化注入 的化学制剂(如果有的话)的效果，并由此，优化或改进化学处理注射点的 位置。使用在化学制剂注入深度下游不同位置(对应于不同压力、温度、和 /或组成)处的显微照相的成像分析，操作者可实时地评估化学处理的效率并 优化化学制剂的剂量。诸如固体颗粒的尺寸、体积浓度和分布这样的信息是 用于评估化学制剂处理效率的关键参数，并可通过根据在此描述的原理的视 频分析来辨别。油水比还可经由线缆或永久装置进行监控。在井眼中相隔一 定距离定位的双照摄像机系统的使用使得可以通过互相关(cross-correlation) 技术确定流体速度，可能结合自动图像分析技术，并且其还便于确定每一相 的单独速度和体积分数。
上述的照摄像机可被主动冷却，以便于在井下高温环境中使用。例如， 上述的每个照摄像机可包括如图15所示的主动冷却配置，然而，任何主动 冷却配置都可以使用。如图15所示，照摄像机1326可包括容纳图像传感器 1336的窗1388。图像传感器1336由热电冷却器1390或其它的诸如斯特林 冷却器(sterling coole )的冷却机构冷却。配线1392提供图像传感器和外部 电路之间的电连接。从本公开受益的本领域技术人员可理解任何主动冷却器 的冷却面可包括驱动图像传感器所必需的任意电设备。例如，通过使用封装 了用作MCM的陶瓷衬底的珀耳帖面的多芯片模块(MCM)技术，可制得 更紧凑的装置。相应地，大部分^:感电子元件可处于冷却环境中。热电冷却 器1390可热连接到散热器，例如图15所示的鳍形散热器。外壳可真空密封 以提高冷却效率。尽管上面描述了特别的例子，但是根据本发明的原理可使 用任何主动冷却系统以冷却照摄像机1326或其它的电子元件。
上面的描述仅为了示出和描述本发明。其不期望是详尽的或限制本发明于任何公开的明确形式。根据上述教导许多修改和改变都是可能的。
为了最好地解释本发明的原理和其实际应用，已选^^并描述了优选的实 施例。前面的描述期望使本领域技术人员能够最好地以各种实施例和作为适 于所期望特定使用的各种修改而利用本发明。本发明的范围期望由所附的权 利要求限定。
权利要求
1.一种用于监控地下的地层流体的方法，包括用视频成像系统测定井下地层流体样品的特性；其中所述视频成像系统执行像素成像和另外的成像。
2. 如权利要求1所述的监控地下的地层流体的方法，其中所述另外的 成像包括光谱成像。
3. 如权利要求2所述的监控地下的地层流体的方法，还包括使用与井 下光i普成像视频照摄像机结合的宽光谱光源。
4. 如权利要求1所述的监控地下的地层流体的方法，还包括使用与任 意照摄像机结合的可调谐或多波长光源。
5. 如权利要求1所述的监控地下的地层流体的方法，其中所述特性的 测定还包括在所述视频成像系统中测定固定样品的特性。
6. 如权利要求5所述的监控地下的地层流体的方法，还包括 将地层流体样品泵到井下的样品室内； 隔离所述流体样品；控制所述隔离的流体样品的压力和体积。
7. 如权利要求5所述的监控地下的地层流体的方法，其中所述特性的 测定包括两维成像和分析。
8. 如权利要求1所述的监控地下的地层流体的方法，其中所述特性的 测定还包括使所述流体样品流过所述视频成像系统。
9. 如权利要求8所述的监控地下的地层流体的方法，其中所述特性的 测定包括一维在线成像和分析。
10. 如权利要求9所述的监控地下的地层流体的方法，其中所述一维成 像包括连续地获取一 维流动管线图像；将所述一维流动管线图像中的两个或多个重建成两维图像。
11. 如权利要求1所述的监控地下的地层流体的方法，其中所述特性的 测定包括用所述视频成像系统产生三维流动管线图像。
12. 如权利要求11所述的监控地下的地层流体的方法，其中所述三维 流动管线图像使用井下共焦显微镜产生。
13. 如权利要求1所述的监控地下的地层流体的方法，还包括井下主动冷却所述^L频成像系统。
14. 如权利要求1所述的监控地下的地层流体的方法，还包括经由遥测总线或临时的可恢复存储器芯片将来自所述视频成像系统的视频成像数据 与井上相关联。
15. 如权利要求1所述的监控地下的地层流体的方法，其中所述另外的 成像包括井下提供高压显微镜以及在所述高压显微镜前方的交叉偏光镜，用 于检测蜡。
16. —种井下流体特性测定装置，包括 井下实验室模块，所述井下实验室模块包括样品流动管线；与所述样品流动管线流体连通的样品室，所述样品室包括至少一个 透明窗；邻近所述样品室的光源；用于井下流体成像的照摄像机。
17. 如权利要求16所述的井下流体特性测定装置，还包括用于冷却所 述井下照摄像机的主动冷却系统。
18. 如权利要求16所述的井下流体特性测定装置，其中所述至少一个 透明窗包括蓝宝石。
19. 如权利要求16所述的井下流体特性测定装置，其中所述光源和照 摄像机包括透射成像构造。
20. 如权利要求16所述的井下流体特性测定装置，还包括反射镜，其 中所述光源和照摄像机包括背向散射成像构造。
21. 如权利要求16所述的井下流体特性测定装置，其中所述照摄像机 包括光i普照摄像机。
22. 如权利要求21所述的井下流体特性测定装置，其中所述光语照摄 像机包括成像镜片和图像传感器。
23. 如权利要求16所述的井下流体特性测定装置，其中所述光源包括 可调谐或多波长光源，并且所述照摄像机包括宽波段照摄像机。
24. 如权利要求16所述的井下流体特性测定装置，其中所述照摄像机 包括一维照摄像机。
25. 如权利要求16所述的井下流体特性测定装置，其中所述井下实验 室模块还包括压力-体积控制单元。
26. 如权利要求16所述的井下流体特性测定装置，还包括用于确保样 品质量的井下视频模块。
27. 如权利要求26所述的井下流体特性测定装置，其中所述井下视频 模块包括与所述样品流动管线流体连通的第二样品室，所述第二样品室包括至少 一个透明窗；邻近所述第二样品室的第二光源； 用于井下流体成像的第二照摄像机。
28. 如权利要求16所述的井下流体特性测定装置，还包括可操作地连 接到所述照摄像机的遥测总线。
29. 如权利要求16所述的井下流体特性测定装置，其中所述井下实验 室模块包括线缆式工具的一部分。
30. 如权利要求16所述的井下流体特性测定装置，其中所述井下实验 室模块包括钻井和测量工具的 一部分。
31. 如权利要求16所述的井下流体特性测定装置，其中所述井下实验 室模块永久地安装在井下并与产生线流体连通。
32. —种井下地层流体特性测定的方法，包括 将样品流动管线、光源和照摄像机插入到井眼中； 将所述样品流动管线、光源和照摄像机定位到所关注的地层附近； 使所关注的地层流体进入所述流动管线； 在井下用所述照摄像机对所述关注的地层流体成像。
33. 如权利要求32所述的井下地层流体特性测定的方法，还包括实时 地将来自所述照摄像机的成像数据沿遥测线路向井上传送到操作者。
34. 如权利要求32所述的井下地层流体特性测定的方法，还包括主动 冷却至少所述井下的照摄像机。
35. 如权利要求32所述的井下地层流体特性测定的方法，还包括 用波长选4奪的光源顺序地在不同光谱区域照射所关注的地层流体； 随光谱顺序同步获取图像；对于每个光i普区域产生图像。
36. 如权利要求32所述的井下地层流体特性测定的方法，其中所述成 像还包括空间成像，其示出所关注的地层流体的成分的位置； 光镨成像，其示出光学吸收。
37. —种井眼生产的方法，包括 使来自地层的地层流体流过生产线；使所述地层流体的 一部分流过在第 一位置的第 一永久井下实验室模块； 用所述第 一永久井下实验室模块的第 一井下照摄像机对所述地层流体 的一部分成4象；将成像数据传送到井上。
38. 如权利要求37所述的井眼生产的方法，还包括 井上分析所述成像数据； 基于所述成像数据调整生产参数。
39. 如权利要求37所述的井眼生产的方法，还包括使所述地层流体的 一部分流过在第二位置的第二永久井下实验室模块；用所述第二永久井下实验室模块的第二井下照摄像机使所述地层流体 的一部分成^^;将成像数据从所述第二井下照摄像机传送到井上；使用分开一定距离设置的所述第一照摄像机和第二照摄像机通过互相 关确定相速。
40. 如权利要求39所述的井眼生产的方法，还包括基于来自所述第一 井下照摄像机和第二井下照摄像机的成像数据调整化学制剂注入参数。
41. 一种井下地层流体特性测定的方法，包括使来自地层的地层流体流入井下压力-体积控制单元； 调整由所述井下压力-体积控制单元容纳的地层流体的压力； 用第 一井下照摄像机对由所述井下压力-体积控制单元容纳的地层流体 成像；将成像数据传送至井上。
42. 如权利要求41所述的井下地层流体特性测定的方法，其中所述调 整压力包括降低压力以在井下引起相变。
43. 如权利要求41所述的井下地层流体特性测定的方法，其中所述调 整压力包括降低压力，并且所述成像包括当压力降低时视频记录井下的地层流体；和斗全测相变。
全文摘要
本发明涉及用于井下流体特性的光谱成像。实施瞬时井下视频成像和/或光谱成像，用于对在现场以及在流过用于永久和/或长期装置的产品管道期间的样品流体的特性进行测定，所述产品管道包括海底流动管线。实时视频分析使得单次或连续的井下流体特性测定变得更加容易。本方法和系统可特别地适合于永久的和定期的基于干涉的操作。
文档编号E21B49/10GK101287890SQ200680038015
公开日2008年10月15日 申请日期2006年7月18日 优先权日2005年8月15日
发明者劳伦特·普劳沃斯特, 安德鲁·L·库克吉安, 寺林彻, 山手勉, 弗朗索伊斯·奥泽雷斯, 斯蒂法尼·瓦努费伦, 杰弗里·A·塔文, 特里·索普科, 约翰·A·克尔, 约翰·拉图洛夫斯基, 罗伯特·J·施罗德, 阿梅德·哈马米 申请人:石油研究和发展公司