利用太赫兹辐射的油-水-气分析设备和方法

专利名称：利用太赫兹辐射的油-水-气分析设备和方法
技术领域：
本发明总体涉及材料成分分析。更具体地讲，本发明涉及利用辐射检 测的油-水-气分析以及在电磁谱的太赫兹域中操作的分析系统。
背景技术：
精确并实时地识别储层流体成分对于油-水-气储层的成功评价和开发 是重要的。储层流体成分影响储层开发的所有方面，包括井设计、提高采 收率的方法以及生产策略。实时或者至少接近实时地评价储层流体成分是 重要的。实时分析优选包括在井筒中的(也被称为"井下")评价。虽然这
样不是很及时，但是通常可以在地面仪器车(surface laboratory)中评价 提取的样本。为了获得井下样本，将特定工具降到井中并且设定感兴趣的 交叉点。转让给Schlumberger科技公司的第5,166,747号美国专利中描述了 这种工具的示例，该专利的全部内容通过引用结合于此。通过建立与储层 的连通，储层流体被从储层提取或抽取到所述工具。所提取的流体被引导 到流体存储模块和流体成分分析模块。
存在用于确定流体成分的方法。这些方法通常包括能够执行气液色谱 法的检测装置。这种装置可以对可分析的混合物做出定性和/或定量反应， 所述混合物包括在油田应用中遇到的碳氢化合物混合物。 一些最常使用的 检测器包括热导检测器、火焰离子化检测器、光度检测器和光电离检测器。
存在用于确定流体成分的技术，该技术使红外光射入到流动的样本中 并测量被输入的光的一部分以确定被样本吸收的量。这些技术使用光学或 者红外线(IR)吸收检测器，以在所述光穿过包含将被分析的样本混合物 的样本单元之前和之后检测光束强度的不同。当在被称为电子激发的过程 中所述光穿过样本单元时，样本中的原子和/或分子俘获一些光子，所述 电子激发是样本的原子或分子中的电子运动到更高的能级。这种技术通常确定样本中分子的电子激发。可惜的是，由于在这个范围内出现吸收峰值 和发射峰值的重叠，所以经常很难并且有时不能从将提供物质识别的光带 中选择波长。

发明内容
本发明的目的在于提供一种用于确定流体样本的成分而不遭受在光
学和IR频谱范围内出现的吸收峰值重叠的方案。
幸运地，可以通过利用从电磁谱的太赫兹(THz)域选择的电磁辐射 来基本去除在吸收或者发射频谱中与重叠峰值相关的问题。这通常包括具 有在大约3cm和大约3iam (即，0.01THz到100THz)之间的波长电磁辐射。 作为附加利益，可以利用太赫兹辐射来分析已经被充分加热以激发分子的 一个或者多个振动级和旋转级的样本混合物。至少部分是因为lTHz等于 0.004eV光子能量，所以在这种高温下这种分析是可能的。因此，太赫兹 辐射的使用对于包括井下样本分析的油田应用可以提供额外的灵活性。
本发明的各种实施例提供了一种利用在太赫兹频谱中操作的电磁辐 射源来确定流体样本的成分的设备和方法，所述流体样本包括水、油和气 体中一种或者多种的混合物。
一方面，本发明涉及一种用于分析气体样本、液体样本或者气体和液 体化合物的样本分析仪。该装置包括具有被构造成接收样本的流体连通端 口的样本腔室。该装置还包括与流体连通端口流体连通的过滤器，从而由 样本腔室接收的样本通过过滤器被过滤。太赫兹辐射检测器被设置成与样 本电磁连通。太赫兹检测器提供被检测的输出信号，该输出信号表示从样 本检测的太赫兹电磁辐射。在一些实施例中，该装置还包括照射样本的太 赫兹源，太赫兹检测器检测被样本改变的太赫兹源照射的一部分。可以对 太赫兹辐射的频谱的所检测的部分进行处理，以分析样本的成分。
另一方面，本发明涉及一种用于分析从地层获得的流体样本的成分的 钻井设备，流体样本包括水、油和气体中的至少一种。钻井设备包括用于 容纳钻井中流体样本的至少一个样本腔室。所述至少一个样本腔室包括基 本透射太赫兹辐射的第一窗口部分。该设备还包括与流体样本电磁连通的 太赫兹检测器，太赫兹检测器产生输出信号，该输出信号表示从流体样本
7检测的太赫兹电磁辐射。在一些实施例中，该装置还包括照射流体样本的 太赫兹源，太赫兹检测器检测被流体样本改变的太赫兹源照射的一部分。 可以对太赫兹辐射的频谱的所检测的部分进行处理，以分析样本的成分。 在另一方面，本发明涉及一种用于分析从地层获得的流体样本的成分 的过程，该流体包括水、油和气体中的至少一种。首先获得钻井中流体样 本，并将流体样本引导到至少一个样本腔室中。太赫兹辐射的频谱的至少 一部分从流体样本被引导到至少一个样本腔室中。对太赫兹辐射的频谱的 所检测的部分进行处理，以分析流体样本的成分。


通过以下对本发明的优选实施例的更详细地描述，本发明的上述和其 它目的、特点和优点将变得清楚，如图所示，相同的标号在不同的附图中 表示相同的部分。附图不是必须符合比例，在显示本发明的原理时可以夸大。
图l示出了示例性的钻井的剖视图，该剖视图中包括用于钻井应用而 构造的本发明实施例的主视图。
图2示出了太赫兹混合物分析仪的一个实施例的原理框图。 图3示出了在图2的太赫兹混合物分析仪中所示的样本腔室的一个实 施例的截面图。
图4示出了包括用于执行流体或者气体色谱法的多路样本腔室的太赫 兹混合物分析仪的另一个实施例的原理框图。
图5示出了根据本发明的原理的用于分析混合物的过程的功能框图。 图6示出了包括吸收气体样本的太赫兹频谱的样本腔室的太赫兹混合
物分析仪的实施例的原理框图。
图7示出了包括适于发射气体样本的太赫兹频谱的样本腔室的太赫兹
混合物分析仪的另一实施例的原理框图。
图8示出了适于利用吸收太赫兹频谱执行液体色普法的太赫兹检测器 的一个实施例的原理框图。
图9示出了用于利用发射太赫兹频谱执行液体色普法的太赫兹检测器 的可选实施例的原理框图。
8优选实施方式
为了对流体/气体识别分析提供额外的灵活性，从而提供更高质量的 储层评价，太赫兹辐射被应用到油田应用中。这种应用的一个示例包括利 用气体/流体色谱法和其它成分分析系统的井下流体/气体成分分析。
通过避免由光学和近红外线方法导致的吸收峰值重叠，利用太赫兹辐 射源和检测器执行的成分分析提供了额外的灵活性。当被转换成其它单位
时，太赫兹频谱在电磁谱中覆盖了从至少0.01到大约100太赫兹(从0.3至lJ 300cm—"的频域，l太赫兹对应于300pm的自由空间波长，还等于在300K 自由度的平均热能的大约1/6、 0.004 eV光子能或者33.33cm"(波数)。太 赫兹频率适于探测低能量光物质相互作用，例如分子中的旋转跃迁、固体 中的声子、等离子体动力、原子中的电子精细结构、冷源中的热成像以及 在弱粘合簇(weakly bonded clusters)中的振动旋转隧穿行为。
太赫兹辐射可以被应用到频谱分析中以获得在太赫兹频带中的样品 材料的频谱特征(spectral signature)。作为样本的频率的函数，频谱特征 包括吸收、发射和反射中的一个或者多个。不同的样本，在该频带中产生 不同的频谱响应，称为各个样本的太赫兹特征。
由分子旋转和振动导致的太赫兹特征是允许在混合物中分子和分子 集合体的指示层自由识别、安全和选择的特定化合物/元素。有利地，太 赫兹特征可以被用作用于包括气体-液体混合物的液体色谱法、气体色谱 法和利用太赫兹发射辐射的其它成分分析系统的检测器。在一些实施例 中，太赫兹分析系统使用一个或者多个太赫兹激发和吸收过程。可选择地 或者另外地，因为太赫兹辐射可被水吸收，所以太赫兹辐射可以被用于区 分具有不同水含量的样本。
多种不同的技术可以被用于执行太赫兹分析。 一些更重要的技术可以 被分成两个宽的类别(i)频域分析和(ii)时域分析。这些分析中的一 个或者多个可以包括利用多种标准变换中的任意一种从时域或者延迟域 变换到频域。这种变换包括傅立叶变换、快速傅立叶变换(FFT)以及小 波变换。
傅立叶变换技术可以被用于分析置于光学干涉仪系统中的样本。光学千涉仪系统将来自多个源的光合并到光学仪器中，以实现各种精确的测 量。这种技术是本领域技术人员所公知的。迈克逊-莫利干涉仪就是这种 光学干涉仪的一个例子。干涉仪具有从同一光源延伸的至少两条不同的光 路或者光学臂。样本被宽频带的热源例如弧光灯照射。干涉仪臂中一个的 路径长度变化或者被扫描，表示可变的光学延迟线。直接检测器例如辐射 热测量仪可以被用于检测由于来自于同一源的两个不同的光路(一个穿过 样本，另一个穿过可变长度的延迟线)之间的相互作用而导致的干涉信号。
检测信号的傅立叶变换可以利用标准处理技术被实时计算(例如，FFT或
者在后处理期间)，以产生样本的功率谱密度。由此得到的频谱在太赫兹 范围内提供了关于样本混合物成分的信息。
可以利用带有可调的太赫兹装置的窄频带系统进行具有高溶解性的 测量。可调装置包括至少一个太赫兹源和太赫兹检测器。在一些实施例中， 可调装置包括太赫兹源和太赫兹检测器，太赫兹源和太赫兹检测器中的至 少一个是可调的。在这些系统中，源和/或检测器的波长被调到横跨允许 样本的响应(例如，吸收率、发射率和反射率)被直接测量的希望的带宽 (例如，太赫兹带)。傅立叶变换分析和窄频带分析都可以被用于监控分 子热发射线的无源系统中。在这种情况下，由于样本本身在太赫兹频谱中 产生发射，所以不需要太赫兹发生器，仅需要检测器。
利用短脉冲带宽的太赫兹辐射的太赫兹时域分析是时域方法的一个 例子。利用当前可用的超快激光脉冲可以产生短脉冲。当前可用的脉冲宽
度为大约100飞秒或者更少。能够提供这种短脉冲的至少一个示例性装置 是钛-蓝宝石激光器。
优选地，发射的太赫兹电场被结合地测量，以提供具有更高灵敏度的 时间分辨的相信息(time-resolved phase information)。利用光电导检测器 可以实现这种检测。穿过样本腔室的太赫兹光束与设置在腔室中的可被分 析的样本通过光子激发和去激发相互作用。入射辐射与样本的相互作用导 致到达检测器的响应脉冲相应时间的延迟。通过改变接收样本脉冲的时间 以及通过在检测器处比较响应脉冲与延迟样本脉冲，可以获得时域内的脉 冲轮廓(pulse profile)。时域频谱结果可以被记录并通过傅立叶分析或者 小波分析进行处理，以获得对应的频域频谱。图l示出了利用井下分析仪执行流体/气体成分分析的示例性构造。设
置用于测试地球地层并分析来自地层14的流体的成分的钻井测井工具10。
在一些实施例中，测井工具io用包括在钻井的同时具有用于测井信息的测
井能力的钻具代替。测井工具10或者钻具都可以包含用于存储所述装置在 井下时获得的信息的存储模式或者存储能力。钻井工具10从以通常方式巻 绕在地层表面上的适合的绞车(未显示)上的线缆15的下端悬在钻井12 中。更具体地讲，线缆15可以包括任意其它类型的脐带和钻杆，或者其它 类型的运输方法。在地面上，线缆15连接到电气控制系统18。工具10包括 围绕工具控制系统16的井下部分的细长体19。如图所示，细长体19还携带 可选择性地延伸的流体导入组件20以及分别布置在细长体19的相对侧的 可选择性地延伸的工具锚固构件21。装备流体导入组件20用于选择性地封 闭钻井12的壁的选择部分或者隔离钻井12的壁的选择部分，从而与相邻地
球地层建立压力或者流体连通。
工具10还包括流体分析模块25 ，获得的流体流过该流体分析模块25 。 随后流体可以通过端口 (未显示)排出或者可以被输送到一个或者多个流 体收集室22和23。可以通过电子控制系统16和18保持对流体导入组件、流 体分析部分和到收集室的流动路径的控制。通过参照授权给Schroder等人 并在此转让给受让人的第5，166,747号美国专利可以了解用于获得地层流 体样本的方法和设备的其它详细资料。
为了提供流体、气体以及流体和气体化合物的成分分析，来自地层的 样本被收回到工具10中，并且经过成分分析模块25被暴露于太赫兹辐射， 在成分分析模块25，至少一个单元具有典型的混合物。示例性的THz样本 分析模块的原理图在图2中示出。分析模块100包括THz辐射源，该THz辐 射源包括短脉冲激光器102和太赫兹发射器107。快速激光泵102包括在装 置中的太赫兹发射部分，例如Auston开关107。利用第一分束器104分离快 速脉冲的一部分，并且通过单独的路径被引导到样本腔室lll。样本腔室 111可选地包括与输入口流体连通的过滤器126，以在样本进入样本腔室 lll之前对样本进行过滤。分析模块100还包括光学传播系统，该光学传播 系统具有从由镜子112a和112b、透镜、棱镜、过滤器和光学延迟线114构 成的组中选择的部件。在一些实施例中，分析模块包括一个以上样本腔室。这种多腔室装置可以用于对通过不同等级过滤而获得的不同样本执行分 析。可选择地或者另外地，多腔室装置可以利用在此描述的一种或者多种 技术的结合来执行不同的测量和分析。在一些实施例中，在此描述的技术 可以与先前可用于油田应用的其它测量和分析技术相结合。
在示例性实施例中，太赫兹辐射源102发射太赫兹辐射103的定向光 束，该利用分束器104将该定向光束分成至少两个单独的光束I06a和106b。 第一分光束106a经过包括第一镜子112a、光学延迟线114、第二镜子112b 的传播系统以直接方式传到检测器108，而不经过样本腔室lll。设置直接 光束106a通过其传送的光学延迟系统，以对第二光束106b在经过样本单元 传播期间遇到的延迟进行补偿。光学延迟系统还用于评价最初的太赫兹光 束。
第二分光束106b直接经过测试样本腔室111。测试样本腔室111限定了 包括将被分析的材料的测试样本的空腔。经过样本腔室lll的第二光束 106b与样本混合物122 (图3)相互作用。在样本混合物中每单位路径长度 吸收的太赫兹辐射的部分取决于样本的化学成分(即，构成化合物的元素 和浓度或者量)和太赫兹辐射的波长。因此，在太赫兹波长域中存在用于 成分分析的选择性吸收部分。光学延迟系统用于扫描检测源与样本激光脉 冲之间的延迟。以这种方式，可以测量电场波形以增加延迟，从而可以重 建时间波形。时间到频率转换的应用产生频谱响应。这种技术通常可以被 称为时域频谱法。
太赫兹辐射源107可以包括量子级联激光器(在这种情况下，TE代替 元件102)。这种装置因为它们的高光学输出功率、物质可调谐性以及室温 操作而众所周知，各种功能一起使其适于频谱应用，像遥感周围气体一样。
通常，太赫兹分析系统的主要部件可以分成至少五大类。这些种类包 括(i)发射太赫兹辐射的源；(ii)将太赫兹信号传递到需要评估的样本 的传播部件；(iii)检测太赫兹信号的检测器；(iv)信号分析仪；(v)用 于计算检测器信号并控制系统和用户之间通信的软件。
窄频带THz辐射的连续波源通常用作具有非常高频率的分辨率的频谱 法。几毫瓦的功率级对很多频谱法和成像应用是足够的。在THz电磁谱的 一部分中连续波(CW)源已经实现了这种功率级。 一类窄频带CW太赫兹源使用由倍频跟随的微波发生器。这些商业上是可用的，并且是小型的和 全固体状态的装置。调谐带宽通常是最大功率装置的5-10%，多达40%的
牺牲功率。功率范围从接近0.2THz的30毫瓦到接近1.6THz的大约l微瓦。 示例性装置是1.26-1.31THz的固态源，在商业上可从弗吉尼亚的夏洛茨维 尔的弗吉尼亚二极管有限公司得到。
另一类窄频带CW源包括回波振荡器。输出功率级从接近0.1THz的大 约100毫瓦改变到接近1.2THz的大约l毫瓦。当前设计输出多模式光束。基 于光电流的光电混频器还可以在单个装置中用在从大约0.1THz到大约3 THz的调谐范围内。在频率大约lTHz以上时，功率级通常低于l微瓦。其 它装置还使用基于非线性光学晶体的光电混频器。这些装置利用高功率脉 冲泵激光器提供毫瓦级的窄频带THz功率。转换效率最终受到THz与可见 光子能量的比率限制。
C02激光泵分子气体激光器是点可调的(g卩，频率不能连续改变)，但 是在2.5THz基本提供高达l瓦特的功率级。这种级别的源通常被称为光学 泵太赫兹激光器(OPTL)。 一个示例是No.SIFIR-50泵激光太赫兹源模型， 在商业上可以从加利福尼亚的圣克拉拉的Coherent公司得到。另一级别的 激光源包括THz量子级联激光器。这些是很新的，并且在其研发上实现了 非常快的进步。在量子级联激光器中，在分层的半导体异质结构中相互子 带或者相互小带跃迁被用于产生频谱的THz域中的光。目前，THz量子级 联激光器优选被冷却到利用热-电冷却器可以得到的温度之下的温度。输 出功率通常是几毫瓦。宽带、脉冲太赫兹源的至少一个示例是Auston开关。
Auston开关涉及在太赫兹频带中的电磁辐射的宽频带、短脉冲源。该 装置实质上由在半导体基底上制造的分割电极构成，以形成开关。电极可 以是简单的偶极天线的形式。合适的半导体基底包括低温砷化镓 (LT-GaAs)、半绝缘砷化镓(SI-GaAs)和包括InP和ZnTe的其它半导体。 直流(DC)偏压(例如，40伏)被施加到天线，超短泵激光脉冲聚焦在 分裂天线(split antenna)的间隙中。优选地，脉冲宽度小于大约100飞秒。 与DC偏压结合的激光脉冲允许电子有效地"跳"过间隙，使得产生太赫兹电 磁波的天线内产生电流。
结合有在频谱范围内的较高等级的热背景辐射的THz源的低输出功率通常具有必要的高敏感检测方法。对于宽频带检测，通常使用基于热吸收 的直接检测器。这些检测器中的大多数通常需要冷却，以降低热背景。多
数普通系统是氦冷却的硅、锗和InSb辐射热测量仪。热电物质红外线检测 器也可以用在THz频率。超导体研究基于超导体(例如铌)的状态改变已 经生产了的非常敏感的辐射热测量仪。利用直接检测器，干涉技术也可以 用于提取频谱信息。
太赫兹辐射检测器108包括辐射热测量仪、热检测器、光声单元和 Auston开关，而没有偏压(即偶极天线)。检测器108检测穿过测试样本腔 室lll的第一部分的太赫兹辐射和穿过延迟线的来自同一源的第二部分的 太赫兹辐射。检测器108提供响应于被检测的太赫兹辐射的检测器信号输 出信号。
在需要非常高的频谱分辨率的传感器的应用中，优选外差传感器。在 这些系统中，本机振荡器源与接收到的信号在THz频率混合。然后，向下 移位信号(downshifted signal)被放大并测量。在室温下，可以使用半导 体结构。
在THz-TDS系统中对于脉冲的THz检测，需要相干检测器。基于光电 导取样(例如，稍后做更详细描述的基于Auston开关原理的THz检测器) 和自由空间光电取样是两种最普通的方法，这两种方法都依赖超快激光 源。本领域的技术人员将理解，在本发明的使用中，存在众多可选择的源 和检测器。基于Auston开关的以下对本发明的描述只是用于示例性的目的 和使发明清楚，本领域的技术人员应该理解，在实施本发明中可以应用各 种检测器，例如辐射热测量仪、热检测器、光声单元和光电检测器，但不 限于此。另外，本领域技术人员应该理解，在本发明的实施中可以应用各 种可选择的源，包括量子级联激光器、回波振荡器和OPTL，但不限于此。
基于上述描述，检测器输出信号被发送到信号检测系统116，在信号 检测系统116中，可以执行检测样本的进一步处理。例如，信号检测系统 116可以用于计算不同波长的吸收系数。样本的吸收系数可以与来自于现 有数据库中的吸收系数进行比较，并且可以识别可分析混合物的不同成 分。
更具体地讲，图3的截面图示出了测试腔室111的实施例。腔室lll包括入口124，样本122通过该入口124进入腔室111。过滤器126可选地与入 口124流体连通地设置，从而以预定方式过滤样本。测试腔室lll还包括基 本透射太赫兹辐射的第一窗口130a。窗口130a沿着源102 (图l)和腔室lll 之间的光路设置。太赫兹辐射通过第一窗口130a进入腔室lll的内部，照 射分布在腔室1H中的样本122。
腔室lll包括也基本透射太赫兹辐射的第二窗口130b，太赫兹辐射的 一部分通过该第二窗口130b离开腔室111。在一些实施例中，窗口130a和 130b可以由透射太赫兹辐射的塑料制成。在一些实施例中，第一窗口130a 和第二窗口 130b对齐，从而进入第一窗口 130a的入射太赫兹辐射穿过在腔 室111中的样本122，然后从第二窗口130b离开。窗口130a和130b与腔室111 防水连通，以将流体样本保持在腔室lll中。检测器108可以与一对窗口 130a和130b光学对齐，以捕捉从腔室lll发出的太赫兹辐射。在一些实施 例中，腔室还包括出口128，样本122可以通过该出口128离开腔室111。在 这种方式下，测试样本122可以包括流体。
可选级别的太赫兹分光计400还对图4的原理图中所示的井下流体/气 体的成分分析有所帮助。分裂立方体(dividing cube) 402将来自于飞秒激 光器404 (例如，钛蓝宝石)的激光脉冲(激光脉冲可以通过电磁导管 如光导纤维电缆从在地表的测井单元被输送)分成两部分。 一部分穿过分 裂立方体402，然后被引导到太赫兹发射臂406。激光脉冲的第二部分在分 裂立方体402中被反射，然后引导到太赫兹检测器臂408。截光器410被专 门引导到TE臂406中，以在该臂中周期性地中断太赫兹光束。这种规律性 的中断可用于同步检测太赫兹检测信号。例如，截光器410在特定期限中 仅允许辐射穿过。中断信号可以用于将放大器锁定到特定频率。
第一光学延迟线(0DL1)包括第一角镜412a，并用于获得太赫兹脉 冲的时间轮廓。第二光学延迟线(0DL2)包括第二角镜412b，并用于补 偿与传播穿过样本单元414有关的延迟以及用于获得时间轮廓。第一格兰 棱镜系统416和第二格兰棱镜系统418中的每个都包括两个或者更多个格 兰棱镜(GP1和GP2)，所述两个或者更多个格兰棱镜(GP1和GP2) —起 在TE臂406和TD臂408的每个中提供各自的功率衰减器。在格兰棱镜系统 416和418中使用的对应的棱镜GPl和GP2的每个可以包括格兰-泰勒棱镜、格兰-激光棱镜或者这两种棱镜的组合。通常，格兰-激光棱镜由于它们在 处理激光发射时的高功率容量而众所周知。使用这些功率衰减器416和
418，在不改变其偏振平面的情况下可以改变激光辐射的振幅。
设置两个透镜420和422，第一透镜420将激光辐射聚焦到太赫兹发射 器(例如，Auston开关)上；第二透镜422将激光辖射聚焦到太赫兹检测 器424 (例如，Auston开关，光电检测器)上。
太赫兹发射器426被放置在第一抛物面镜428的焦点上，朝着抛物面镜 428引导所发射的太赫兹辐射。这样建立了从镜子428反射的平行的太赫兹 光束，该镜子428可以沿着光路指向样本单元414的第一侧。第二抛物面镜 430沿着样本单元414的相对侧对齐，并且与来自于第一抛物面镜428的平 行光束对齐。第二抛物面镜430将从样本单元414接收的太赫兹能量聚焦到 置于其焦点的太赫兹检测器424上。
还设置两个分束器432和434。第一分束器434放置在检测器臂中，在 第一光学延迟线408上位于角镜412a之后，第二分束器432放置在第二光学 延迟线406之前。来自于两个分束器434和432的光束通过第三透镜440被聚 焦到非线性晶体442上。这种晶体442的一个示例是磷酸二気钾晶体
(KDP)，以其非线性光学特性而著名，使用在光学调制器中，并且在非 线性光学镜中，例如二次谐波产生器中。来自于非线性晶体442的输出被 检测，作为激光脉冲的自相关函数的结果被记录在相关器444中。
首先，第一光学延迟线408优选地被定位以从相关器444产生最大的信 号。第二光学延迟线406随后被调整，从而引导穿过样本单元414的太赫兹 脉冲与通过第二臂引导到太赫兹检测器424的光学脉冲及时匹配。 一旦建 立，太赫兹脉冲的第一光学延迟线406时间轮廓在放大器448中被放大之后 就被记录在信号检测系统446中。
为了执行气体混合物的井下色谱成分分析，样本首先从地层被取回到 工具10中，如上参照图l所述。被取回的样本经过成分分析模块25，该成 分分析模块25包括在此描述的气体色谱系统或者液体色谱系统中的至少 一种，在所述系统中，发生样本的色谱分离。
为了提供这种色谱系统额外的灵活性，与一个或者多个普通的色谱检 测器(例如，热导检测器(TCD)、火焰离子化检测器和光电离检测器)相组合(例如，串联、并联)地安装利用太赫兹辐射的额外的检测器。TCD 是非破坏性的，从而其可以与其它检测器一起串联地操作。其它检测器可 以是在此描述的任何太赫兹检测器或者其它气体色谱检测器。如果使用破
坏性检测器，太赫兹检测器应位于破坏性检测器之前。例如，TCD可以被
连接在太赫兹检测器之前，以提供对相同洗提液的补充检测。为了避免过 分的峰加宽，这些检测器之间的连接可以用毛细管进行。这种毛细管的出 口可以连接到太赫兹检测器样本单元。
图5示出了用于对从地层获得的流体样本的成分进行分析的示例性过 程。首先从钻井中获得流体样本(505)，然后将该流体样本引导到至少一 个样本腔室中(510)。太赫兹辐射的频谱的至少一部分从流体样本被引导 到至少一个样本腔室中(515)，在一些情况下，太赫兹辐射的频谱的至少 一部分从流体样本通过过滤系统被引导到至少一个样本腔室中，所述过滤 系统允许从储层混合物中选择性地去除油、水和气体成分中的至少一种。 对太赫兹辐射的频谱的被检测部分进行处理，以分析流体样本的成分 (520)。在一些实施例中，检测器是无源的，在太赫兹波段中检测来自产 生的样本的电磁发射。在一些实施例中，流体样本被电磁辐射的源(例如 太赫兹光束)照射(512)。这种照射对从流体样本引导的太赫兹辐射的频 谱的至少一部分是起作用的。
图6示出了用于色谱和其它成分分析应用的另一实施例的检测器。色 谱装置600包括用于提供太赫兹辐射源的太赫兹发射器602。在一些实施例 中，太赫兹发射器602包括量子级联激光器和偶极天线(例如，Asuton开 关)。太赫兹辐射通过传播系统606从发射器602传送到样本腔室604。与光 学系统类似，传播系统606可包括透镜、过滤器、样本单元和分束器中的 一个或者多个。
在成分分析过程中，有益的是，使由于其缺陷或者仅仅因为其存在而 由样本腔室引入的实验误差最小化。通过空样本腔室的频谱分布的单独特 性，可以实现这种修正。在一些实施例中，在单独特性处理中，"空"腔室 可包括化合物(例如，惰性气体)。 一旦获得，就可以有效地从频谱结果 中去除腔室的影响，所述频谱结果从在样本腔室内的样本中获得。
在用于去除样本腔室的影响的示例性处理中，单独记录空样本腔室的频谱，作为第一频谱。这可以在测量测试样本之前作为初始步骤完成，或 者在随后处理过程中接着完成。获得储层混合物和样本腔室的频谱，作为 第二频谱。利用在此描述的任意技术可完成这个步骤。可以从第二频谱中 减去第一频谱以获得未受样本腔室影响或者劣化的储层混合物的频谱。
具体地讲，第一分束器608被放置在太赫兹源602与样本腔室604之间 的光路上。从太赫兹源入射的光束被分成两个不同的光束。所述光束中的 第一个被直接引导通过窗口610，该窗口610被设置在样本腔室604的与分 束器608相邻的一侧上。可以利用透射太赫兹辐射的材料(例如，塑料) 制成窗口610。优选地，窗口材料基本不受样本环境的影响，从而当在预
期的环境中操作时不会降低窗口材料的特性。 一种这类材料包括聚醚醚酮 (PEEK)，该PEEK也被称为聚酮。PEEK是工程热塑性塑料，由于在很多
环境中(包括在芳香烃和石油中)表现出良好的耐化学性以及其特别的机 械特性而被了解。
被分开的光束的另一部分可以被用于分析初始的太赫兹光束，以校正 在发射器、检测器设备和电路中环境改变产生的影响。第二光束(未显示) 可以被引导到用于监视这种特性因子的监视检测器。
在一些实施例中，窗口610限定的孔小于样本腔室604相邻的侧部613。 当入射光束沿着光路以某个入射角进入窗口610时(如图所示)，作为在腔 室604中多次内部频谱反射的结果，入射光束经过样本腔室604的长度变为 两倍以上。最后，多次反射的太赫兹辐射光束沿着与入射光束不同的光路 或者轨迹离开同一窗口610。离开的光束被发送到适于检测太赫兹辐射的 检测器612。如图所示，与样本混合物相互作用的光束最后通过窗口610 离开样本腔室604，并通过第二分束器614被引导到检测器612。优选地， 当分束时，光束大部分(例如，大于50%)被引导到太赫兹检测器612， 同时少量的剩余部分可以用于太赫兹发射器602的反馈监视。
在可分析的混合物中吸收的太赫兹辐射的部分与光束路径的长度成 比例。因此，可以通过增加样本腔室604中的太赫兹光束的路径长度来提 高装置600的灵敏度。较长的路径长度对应于更多的太赫兹辐射吸收。将 提供的一种方案是细长的测试腔室。但是，优选的方案表现为，示例性的 装置600使相同的入射光束通过多次内反射穿过样本两次以上。这种变短的装置604更适于钻井测试中遇到的尺寸的限制。在一些实施例中，实际 反射表面(例如，光谱镜)策略上位于样本腔室的内部。示例性系统600 包括反射光束的三个镜子(Ml、 M2和M3)，如图所示。在一些实施例中， 样本腔室包括共振腔。
在一些实施例中，加热器614被加到样本腔室。加热器614可以是电加 热器，并且适于为样本腔室604提供温度控制，使温度在特定范围内(例 如，士0.05度-C范围)。提供加热器614主要避免成分的冷凝。加热器614还
可以用于建立并保持基本均匀的温度场。可以利用一个或者多个普通的电 灯丝以及其它适合的薄膜结构形成加热器614。
在样本混合物中每单位路径长度上吸收的太赫兹辐射部分取决于样 本的化学成分(即，化合物成分的元素和浓度或者量)以及太赫兹辐射的 波长。因此，太赫兹波长的吸收可用于成分分析。
太赫兹检测器612检测发射的太赫兹辐射，并将被检测的信号发送到 信号检测系统(未显示)。在信号检测系统中可以计算不同波长的吸收系 数。样本的吸收系数可以与来自于现有数据库的数据进行比较，并且可分 析的混合物的不同成分可以被识别。可以利用处理器自动地完成这种比 较，从而读取分析结果并将它们与存储的己知结果的数据进行比较。可以 用作太赫兹检测器的一些示例性的装置包括辐射热测量仪、热检测器和 光声单元。
另一种方法使用太赫兹发射频谱，而不需要单独的太赫兹源。这种装 置700在图7中示出，并且可以被有效地用于可分析混合物呈高浓度的情 况。在这种情况下，在气体色谱分析之后，被加热的混合物穿过毛细管柱 705，进入样本腔室704。在一些实施例中，样本在进入室704之前流入过 滤器707。与先前实施例类似，样本腔室704包括透射太赫兹辐射的窗口 710。通过该窗口710，从被加热的样本发射而产生的部分太赫兹辐射从样 本腔室704的内部发射穿过窗口710。聚焦透镜711可设置到样本腔室704 的外部，并且沿着窗口710与样本分析仪712之间的光路设置。透镜711将 发射出的辐射聚焦到样本分析仪712上。在一些实施例中，样本分析仪712 是太赫兹检测器和信号检测系统的组合。在一些实施例中，加热器714被 添加到检测器以避免可分析的混合物在样本腔室中浓縮。优选地，电子加
19热器714被添加到样本腔室的外表面，并且被构造成提供对样本腔室的温
度进行控制，使样本腔室的温度在期望的容差内，例如土0.05度C范围内。
对于液体色谱系统，可以使用另一种类型的吸收检测器，在液体色谱 系统中，可分析混合物的浓度高于气体色谱系统的浓度。对于高浓度的可
分析混合物，可以通过毛细管柱执行分析。示例性的液体色谱系统800在 图8中被示出。该系统包括支持样本液体流动的柱体802。在一些实施例中， 包括过滤器807以选择性地过滤流动。装置800包括基本透射太赫兹辐射的 窗口805。在一些实施例中，窗口805由柱体802的一部分形成，该柱体802 由适合的窗口材料(例如，PEEK)制成。
太赫兹源806通过传播系统提供能够从在此描述的任何太赫兹发射器 发出的太赫兹辐射，该传播系统可以包括透镜、样本单元、过滤器和分束 器(未显示)中的一种或者多种。被分裂的太赫兹源光束的第一部分通过 直接通道被发送到太赫兹检测器808，而不穿过样本单元804。该直接通道 (未显示)包括光学延迟系统，以补偿与通过样本腔室804传播的被分裂 的太赫兹光束的第二部分有关的延迟。来自太赫兹源806的被延迟的样本 可以用于评估初始的太赫兹光束。
光束的另一部分与样本腔室804相互作用，在这种情况下，样本腔室 804是柱体802的一部分。光束穿过样本腔室804，在该样本腔室804中，光 束与可分析样本相互作用。通过光子-分子相互作用的过程，光束的一部 分(依靠化学成分和浓度)在样本腔室804中被样本混合物吸收。
因此，在样本腔室804中的样本混合物使光束在达到太赫兹检测器808 之前衰减。太赫兹检测器808检测通过样本腔室传送的太赫兹辐射(所传 送的太赫兹辐射接近入射辐射，小于反射辐射，小于吸收辐射)，并且将 信号发送到信号检测系统(未显示)，在信号检测系统中，可以计算不同 波长的吸收系数。
为了增加太赫兹光束穿过样本腔室804的光路长度，并且为了实现与 上述增加的光路相关的利益，光束以角度ot被引导到样本腔室804。对于非 垂直指向的光束，可实现更长的路径长度。有效路径长度(/w)与入射角(a) 之间的关系是
20其中，De。,u^是柱体直径。
参照图9，所示的另一个实施例包括构造为发射高浓度可分析混合物
的频谱的检测器。系统900包括用于支持样本流体的流动的柱体902。在一 些实施例中，包括过滤器(未显示)以选择性地过滤流动。装置900包括 基本透射太赫兹辐射的窗口904。在一些实施例中，窗口904由柱体卯2的 一部分形成，该柱体902由合适的窗口材料(例如，PEEK)制成。检测器 信号分析仪组合被形成为环形方式、与柱体902同轴对齐并且以窗口904 为中心。这种构造允许来自被加热的混合物的太赫兹辐射到达样本分析仪 906。样本分析仪906包括检测器和信号检测系统。这种构造允许大多数被 发射出的辐射到达样本分析仪，以便于低浓度的可分析混合物的检测。
在一些实施例中，当使用对应的窗口时， 一个或者多个太赫兹源可以 相对于光路和窗口表面的法线以优选的角度对齐。在一些例子中，入射的 优选角度对应于布鲁斯特角，使得优选偏振的太赫兹辐射没有从所述表面 反射。公知的是，布鲁斯特角是在窗口边缘的任一侧(例如，玻璃-空气) 上相应介质的折射指数的函数。在其它情况下，入射的优选角度对应于临 界角，从而入射到窗口一侧上的太赫兹辐射易于全内反射。利用在窗口边 缘的任一侧(例如，玻璃-空气)上对应的介质的折射指数的公知函数来 实现临界角的确定。
可以清洗在此描述的任何样本分析腔室。在一些实施例中，利用合适 的气体例如，氮、氦或者任何其它惰性气体来清洗所有样本分析腔室。可 选择地，仅利用类似气体来清洗有太赫兹光束穿过的这些区域。
再次参照图l，分析模块25包括在此描述的至少一个测试系统，以执 行在此描述的对应的一个分析。在一些实施例中，在测井工具10中提供了 用于执行测量和分析的基本所有的设备。可以利用线缆在测井工具10与地 表电子控制系统18之间来进行控制和/或结果的通信。可选择地或者另外， 控制和/或结果可以被记录在工具存储器中或者通过其它通信装置发送到 地表获取系统。在这种情况下，线缆可以包括金属导体，例如，屏蔽双扭 线和同轴线缆以及光纤光缆中的一种或者多种。在一些实施例中，太赫兹辐射的源被放置在地表上，并且利用电磁通 信装置例如低损耗同轴线缆或者光纤传到测井工具10中的样本分析仪。可 选择地或者另外，超短激光脉冲源被放置在地表上并且利用电磁通信例如
光纤传到测井工具10中的样本分析仪。
虽然已经参照本发明的优选实施例显示并描述了本发明，但是本领域 技术人员应该理解，在不脱离由权利要求所概括的本发明的范围的情况 下，可以对这些实施例进行各种形式和细节上的修改。
权利要求
1.一种用于分析样本的样本分析仪，其包括样本腔室，所述样本腔室具有被构造成接收样本的流体连通端口；与所述流体连通端口流体连通的过滤器，通过所述过滤器过滤由所述样本腔室接收的样本；以及太赫兹辐射检测器，所述太赫兹辐射检测器与样本电磁连通并提供所检测的输出信号，该输出信号表示来自样本的被检测到的太赫兹电磁辐射。
2. 根据权利要求l所述的样本分析仪，其中，所述过滤器包括至少一 个分子隔膜，所述分子隔膜被构造成对于包括水、油和气体中一种以上 的流体样本，选择性地去除水、油和气体中的至少一种。
3. 根据权利要求l所述的样本分析仪，进一步包括与样本电磁连通的 太赫兹源，所述太赫兹源发射的辐射具有第一波长。
4. 根据权利要求3所述的样本分析仪，其中，所述太赫兹源可改变所 发射的輻射，改变太赫兹辐射的频率、幅度和相位中的一种或者多种。
5. 根据权利要求3所述的样本分析仪，其中，所述太赫兹源以多于一 种波长发射辐射，所述太赫兹辐射检测器提供所检测的输出信号，该输出 信号表示来自样本的被检测到的太赫兹电磁辐射。
6. 根据权利要求3所述的样本分析仪，其中，所述太赫兹源发射短暂 脉冲的太赫兹辐射或者连续辐射。
7. 根据权利要求3所述的样本分析仪，其中，所述太赫兹辐射的波长 是可选择的。
8. 根据权利要求3所述的样本分析仪，其中，所述太赫兹源包括Auston开关。
9. 根据权利要求l所述的样本分析仪，进一步包括处理器，所述处理 器从所述太赫兹辐射检测器接收所检测的输出信号并利用所检测的输出 信号分析测试样本。
10. 根据权利要求9所述的样本分析仪，其中，在时域太赫兹频谱混合物分析的情况下，所述处理器利用傅立叶变换或者小波分析来分析测试 样本。
11. 根据权利要求l所述的样本分析仪，包括第二样本腔室，所述第 二样本腔室具有被构造成接收第二样本的流体连通端口 ，太赫兹辐射检测 器与第二样本电磁连通并提供所检测的输出信号，该输出信号表示来自样 本的被检测到的太赫兹电磁辐射。
12. 根据权利要求l所述的样本分析仪，其中，所述样本腔室包括部 分透射太赫兹辐射的至少一个窗口，所述至少一个窗口的法线与入射的太 赫兹辐射所成的角度为布鲁斯特角。
13. 根据权利要求l所述的样本分析仪，其中，所述样本腔室包括部分透射太赫兹辐射的至少一个窗口，所述至少一个窗口的法线与入射的太 赫兹辐射所成的角度超过临界角，使得入射的太赫兹辐射受到全内反射。
14. 根据权利要求l所述的样本分析仪，其中，所述太赫兹辐射检测 器包括Auston开关。
15. —种用于分析从地层获得的流体样本的成分的钻井设备，所述流体样本包括水、油和气体中的至少一种，所述设备包括用于容纳钻井内的流体样本的至少一个样本腔室，所述至少一个样本腔室包括基本透射太赫兹辐射的第一窗口部分；以及与流体样本电磁连通的太赫兹检测器，所述太赫兹检测器响应来自流 体样本的太赫兹辐射的频谱的至少一部分产生输出信号。
16. 根据权利要求15所述的钻井设备，进一步包括用于发射太赫兹辐 射的与流体电磁连通的太赫兹辐射源，所述太赫兹检测器除了检测从至少 一个储层中的流体样本接收的太赫兹辐射的频谱之外，还检测所发射的太 赫兹辐射的至少一部分。
17. 根据权利要求15所述的钻井设备，其中，所述至少一个样本腔室 进一步包括也基本透射太赫兹辐射的第二窗口部分，由太赫兹辐射源发射 的太赫兹辐射通过所述第二窗口部分与流体样本电磁连通。
18. 根据权利要求15所述的钻井设备，其中，所述至少一个样本腔室 进一步包括至少一个镜子系统，所述至少一个镜子系统在样本腔室内提供 太赫兹辐射的多次反射，从而增加太赫兹辐射与流体样本之间的光子-分子相互作用的长度。
19. 根据权利要求15所述的钻井设备，进一步包括与所述至少一个样 本腔室流体连通的过滤器，流体样本通过所述过滤器进入所述至少一个样 本腔室。
20. 根据权利要求19所述的钻井设备，其中，所述过滤器包括至少一个分子隔膜，所述分子隔膜被构造成对于包括水、油和气体中一种以上的流体样本，选择性地去除水、油和气体中的至少一种。
21. 根据权利要求15所述的钻井设备，进一步包括太赫兹辐射源，所 述太赫兹辐射源放置在地表上并且通过电磁管道被传递到样本腔室。
22. 根据权利要求21所述的钻井设备，其中，所述太赫兹辐射源包括 Auston开关。
23. 根据权利要求15所述的钻井设备，进一步包括超短激光脉冲源， 所述超短激光脉冲源放置在地表上并且通过电磁管道传递到样本腔室。
24. 根据权利要求15所述的钻井设备，其中，所述太赫兹检测器包括 Auston开关。
25. —种用于分析从地层获得的流体样本的成分的方法，所述流体样 本包括水、油和气体中的至少一种，所述方法包括步骤获得钻井内的流体样本；将流体样本引导到至少一个样本腔室中；以及检测来自被引导到所述至少一个样本腔室中的流体样本的太赫兹辐 射的频谱的至少一部分；以及对太赫兹辐射的频谱的所检测的部分进行处理，以分析流体样本的成分。
26. 根据权利要求25所述的方法，其中，检测步骤包括通过基本透 射太赫兹辐射的至少一个储层的第一窗口部分，检测来自位于至少一个储 层中的流体样本的太赫兹辐射的频谱的至少一部分。
27.根据权利要求25所述的方法，进一步包括步骤利用太赫兹辐射照射在至少一个储层中的流体样本。
28.根据权利要求27所述的方法，其中，照射太赫兹辐射的波长在大 约3cm到大约3nm之间。
29.根据权利要求27所述的方法，其中，照射流体样本的步骤包括在照射期间改变太赫兹辐射的波长。
全文摘要
本发明公开了一种利用太赫兹辐射分析油田中的气-液-水化合物的设备和方法以及其它应用。样本分析仪包括具有被构造成接收样本的流体连通端口的样本腔室。分析仪还包括用于过滤样本并从由样本腔室接收的储层混合物选择性地去除油、水或者气体的过滤器。太赫兹(THz)辐射检测器被设置成与样本电磁连通。太赫兹检测器提供所检测的输出信号，该输出信号表示从样本检测的太赫兹电磁辐射。在一些实施例中，该装置还包括照射样本的太赫兹源，太赫兹检测器检测被样本改变的太赫兹源照射的一部分。可以对太赫兹辐射的频谱的所检测的部分进行处理，以分析样本的成分。
文档编号E21B49/08GK101539017SQ20081008298
公开日2009年9月23日 申请日期2008年3月17日 优先权日2008年3月17日
发明者奥列格·日丹涅夫 申请人:普拉德研究及开发股份有限公司