光学计算流体分析系统及方法
【专利摘要】用于与油田作业相关的流体的至少一个性质的方法及装置可包括光学计算设备，用于测量与流体(例如，流动流体和火焰)交互后的光。可至少部分都由来自于地下井的流体流给火焰提供燃料。方法可包括将包含已通过与油田作业相关的流体的光的交互光引导至光圈；用响应于入射于其上的交互光的光学计算设备对该交互光执行回归计算以生成至少一个输出光信号；并且从该至少一个输出光信号中确定该流体的至少一个性质。
【专利说明】光学计算流体分析系统及方法
[0001]相关申请的交叉引用
[0002]本申请要求2011年12月13日申请的，美国专利申请序列号13/324，185的优先权。
【背景技术】
[0003]本发明涉及光学分析系统及方法，用于分析与油田作业相关的流体(例如石油及钻井液)，例如在管道或油井中流动的流体以及从油井或储层中提取的流体。
[0004]光谱学是一种分析技术，通过将系统与从紫外(UV)至红外(IR)范围内的光交互来导出与所评估系统有关的信息。这种交互改变了光的性质，例如频率(颜色)、强度、偏振、或方向(散射或折射)。
[0005]光谱学可被用于分析油田中的样本以表征各种样本。油气勘探和生产可从在流保证、对地下地层内区域的实时处理(例如将被引入井眼的处理剂(pill)的位置和类型)、以及可导致不想要的井涌的压力上升等领域的光谱学中得益。
[0006]在油田作业期间的流体的流动可尤其是被蜡沉积、浙青质沉积、起泡、水合物生成、腐蚀、固体颗粒、储层侵蚀、以及水垢等阻碍。监测可导致阻碍流的项目的生成和形成可允许操作者在堵塞或诸如此类的情况形成前采取预防步骤。堵塞流经常需要昂贵且耗时的补救操作来使井眼回到继续烃类勘探与生产作业的状态。
[0007]在稍微相关区域，随钻确定石油质量可影响诸如对地下地层内个别区域进行专门处理之类的实时决策。在此，除了监测潜在的流保证问题，操作者可使用光谱学监测来自井眼的烃类质量，例如水和H2S浓度。实时监测可允许当遇到潜在的不理想区域时对其实施堵塞、导流、或桥接作业。
[0008]在另一种应用中，光谱学可使在欠平衡钻井作业工作的操作者受益。在欠平衡钻井中，操作者以略低于地层压力的压力钻通地下地层，这可导致烃类从地层泄漏到钻井液中。适度水平的烃(例如水平足够低而在燃烧尽(flare off)时不显示火焰)可产生井涌。在极端情况下，井涌可能导致井眼爆发及火灾。能够标识导致井涌的情况可允许操作者采取预防步骤以最小化井涌的强度，或更有利地，避免井涌。
[0009]虽然光谱学技术在烃勘探与生产作业中有多个潜在应用，认为该技术较慢地渗透进该领域。在某些情况下，光谱学可需要精密光学部件、独特的光源、以及精确对准。这些要求往往趋向于高成本、缓慢、以及笨重。此外，对于油田中的实现，光谱学仪器一般足够结实，它们需要来自具有高超技术水平人员的频繁维护。进一步地，在某些情况下，复杂的光谱学结果的解读可要求人员具有高超技术水平。
[0010]看到对于在烃勘探与生产作业中对流体进行长期监测的系统及方法的需求。优选地，该系统将是结实的且低成本，具有集成进复杂的石油领域各方面的能力。
【发明内容】
[0011]本发明涉及光学分析系统及方法，用于分析与油田作业相关的流体(例如石油及钻井液)，例如在管道或油井中流动的流体以及从油井或储层中提取的流体。
[0012]在一些实施例中，本发明提供了一种方法，包括将包含已通过与油田作业相关的流体的光的交互光引导至光圈(iris);采用响应于在其上入射的交互光的光学计算设备对该交互光执行回归计算以产生至少一个输出光信号；并且从该至少一个输出光信号中确定该流体的至少一个性质。
[0013]在其他实施例中，本发明提供了 一种方法，包括将包含来自火焰的光的交互光弓I导至光圈，该火焰包含与油田作业相关的流体；采用响应于在其上入射的交互光的光学计算设备对该交互光执行回归计算以生成至少一个输出光信号；并且从该至少一个输出光信号中确定至少一个性质。
[0014]又一些其他实施例中，本发明提供了 一种系统，包括交互光，该交互光包括选自如下组中的至少一项:已经与油田作业相关的流体交互的光、从包含与油田作业相关的流体的火焰发出的光、以及任何它们的组合；光学计算设备，用于对该交互光执行回归计算，该设备响应于在其上入射的交互光以产生至少一个输出光信号；以及信号处理装置，用于从该至少一个输出光信号中确定该流体的至少一个性质。
[0015]当阅读下文中对优选实施例的描述时，对于本领域技术人员，本发明的特点和优势将是显而易见的。
[0016]附图简述
[0017]下面所包括的附图示出本发明的某些方面，并且不应当被看成是独有的实施例。如同本领域以及能从本公开得益的技术人员将想到的，所公开的主题在形式和功能上可进行大幅度的修改、变更、组合、以及等同。
[0018]图1是根据本公开的一个实施例的采用现场光学回归计算设备用于监测与油田作业相关的流体的系统的非限制性示例的示意图。
[0019]图2是被认为是表示原油宽带光谱的吸光率-波长曲线图。
[0020]图3是以BTU/gm为单位的燃烧热曲线图。
[0021]图4是说明性典型多元光学元件(MOE)滤波器结构的非限制性示例的侧视剖面图。
[0022]图5和图6是说明性曲线，分别示出了经过多层MOE滤波器所通过的说明性物质性质的透射及反射光强信号图形。
[0023]图7是芳香烃石油组分性质的回归曲线，示出了所测得的值和使用偏最小二乘法(PLS)所预测的值的相关，其中R2 = 0.97示出了所捕获的百分比方差。
[0024]图8是根据本公开另一实施例并且包括图1实施例的一部分的代表性性质监测系统的非限制性示例的剖面正视图。
[0025]图9是系统的非限制性示例的图示，该系统采用了多个MOE分析设备，用于采用吸光谱和荧光谱以及多个MOE分析装置来确定与油田作业相关的流体的性质。
[0026]图10是系统的非限制性示例的图示，该系统采用了相继使用的多个MOE分析设备以测量火炬(flare)中燃烧的各种化学物质浓度。
[0027]图11是一种系统的非限制性示例的图示，该系统采用了同时使用的多个MOE分析以测量火炬(flare)中燃烧的各种化学物质的浓度。
[0028]详细描述[0029]本发明涉及光学分析系统及方法，用于分析与油田作业相关的流体(例如石油及钻井液)，例如在管道或油井中流动的流体以及从油井或储层中提取的流体。
[0030]在某些实例中，存在着在钻井眼期间评估与油井作业相关的流体、评估在管道中流动的流体以优化钻井时的决策制定，以及基于上面所讨论的各种参数尽快且尽可能自动化地实时即时(on-the-fly)地监测流保证及该流体的其他生产特性以便即刻采取校正或预防措施。传统光谱分析技术可能不是很结实且相对昂贵、缓慢、且通常需要离开井场或油管取样。
[0031]在烃勘探与生产作业中，采用多元光学元件(MOE)的本发明的系统及方法对于监测流体可能有用。MOE是光学计算机，具有有利的结实度、低成本、以及精确特性，适合应用于分析和监测与油田作业相关的流体，例如在恶劣环境中的监测。本发明的系统及方法在高温、高压环境下，或在包括地下情况在内的遥远和恶劣情况下可具有特别的应用。
[0032]如在此描述的，如此处所述的采用MOE的本发明的系统和方法可进一步有利地用于实时分析和/或监测流体以便为操作者提供数据，以对相关联的井眼操作中所涉及的组分和方法进行即时改变，藉此提高操作效率、减少操作成本和停工时间、并且通过减轻潜在的不利结果(例如可导致爆裂和火灾的井涌)来增加工人安全。
[0033]图1提供了本发明的MOE系统的非限制性说明性示例。当井眼在钻井内、油管内、或在火炬烟囱流出物内(无论是否在燃烧)，系统10可用于测定与油田作业相关的流体(例如钻井液、石油、烃类气体、诸如此类)的多个性质。当所确定的任何性质被视为可能影响油井作业(例如，影响流保证或导致可能的井涌)时，系统10可实时发布关于该情况的警报13并且标识该情况的位置。术语“性质”意思是指与油田作业相关的流体(多个)的化学或物理特性或组分。示例性质可包括，但不限于，饱和、浙青质、树脂、芳香烃、固体颗粒组分及含量(例如沉淀物、灰尘、泥、水垢、及类似污染物)、H2O离子组分及含量、流体烃组分及含量、气体或挥发物组分及含量(例如具有C1-C6主链的烃类、氧气、CO2,以及H2S)、盐度、示踪物浓度、pH、以及相关的PVT (压力-体积-温度)性质(例如G0R(气油比)、起泡点、密度、石油地层因素、以及粘度)。
[0034]如在此使用的，术语“井眼”指的是位于油井内、或是连接到油井或连接到任何一个或多个储层的流，其流体被泵浦或以其他方式移动到油井表面。在实践中，许多储层可能通过全都馈送同一井口的流网络互连。
[0035]如在此使用的，术语“油管”指的是用于将与油田作业相关的流体(例如石油)从油场井口运输到远程地点的管道。可在井眼内及油管内使用管道。如在此使用的，术语“管道”包括井眼管道或油管管道。井眼管道可以是垂直的、水平的或是其他空间关系的。
[0036]如在此使用的，术语“残余”指的是被剩下的。在回归分析中，残余指的是不能被回归拟合的数据部分。
[0037]如在图2中，示出了石油宽带光谱以包括芳香烃、树脂、浙青质、及饱和，其中吸收因变于波长。在大约1500 - 1800nm示出了 1270ppb的近红外示踪物(NIR)。饱和位于该光谱的高端。
[0038]再次参考图1，与常规系统不同，在一些实施例中，系统10包括位于视线内或以其他方式与油田作业相关的流动流体视觉接触的装置。因此在一些实施例中，系统10的组件可位于井眼、油管上、或在远处，从而实时确定可位于地下管道内、油管内、或火炬烟囱流出物内(无论是否在燃烧)流动的与油田作业相关的流体的性质。作为结果，在一些实施例中，系统10的装置可承受地下流的极端温度和压力和/或火炬的极端温度。有利地，与常规系统中使用的昂贵的光谱仪器相反，本发明的系统及其组件在此采用了结实、可靠的光学计算设备。
[0039]在一些实施例中，如普通技术人员所理解的，系统10可包括程序化计算机12，该计算机包括微处理器14、存储器16 (其可包括ROM和RAM以储存分析程序)、以及操作系统程序、及所确定的数据、以及如光谱分析领域众所周知的其他信息等。在一些实施例中，该计算机12可包括显示器18、输入键盘20、以及鼠标22。在一些实施例中，该计算机12可位于中央位置，远离包括光学感测及光学计算分析设备24、26、28和30的系统10的至少大部分。虽然在图1中示出了四个设备，设备数量是以举例的方式，在实践中，可使用更多或更少的设备。本领域的技术人员应当理解设备相对必要的数量以及可接受的设备相关配置，以获得理想的结果。
[0040]每个设备24、26、28及30可检测并分析感兴趣的、已经通过与油田作业相关流体的光，在此被称为“交互光”。在一些实施例中，交互光可包括已经与油田作业相关的流体交互的光、从包含与油田作业相关的流体的火焰发出的光，和/或任何它们的组合。
[0041]在一些实施例中，系统10可具有与期望为与油田作业相关的流体测量的性质同样多的设备，每个设备对应不同性质。在一些实施例中，这些设备都可位于或邻近位于油田或油管的共同流体流，以提供在该位置的流体情况的整体状况。应当注意到，设备可紧凑为独立系统组件，即术语“设备”不意味着多个独立设备。
[0042]如果所期望的性质确定是确定为影响油井操作的种类和大小，在一些实施例中，对计算机12编程使其生成警报信号并且激活警报13。该警报13可包括声音的、视觉的、或其他指示(诸如警报、闪烁或稳态的光)、显示器、至另一计算机的电子信号、至数据采集系统的电子信号、至监测控制和数据采集(SCADA)系统的电子信号、至控制系统的电子信号、至监测系统的电子信号、或它们的任何组合。警报13的指示可位于现场任意数量的不同地点(例如位于或靠近设备和/或远离)用于警告员工所检测到的即刻的有问题的流保证情况。计算机12可确定由关联设备(多个)检测到的影响油井操作的无法接受的性质。警报13可警告员工所检测到的问题的存在。可对计算机12编程，以便基于系统10中设备和关联装置的位置，提供与该问题的位置及性质有关的信息。在一些实施例中，可对该计算机编程以校正任何检测到的问题。例如，可对该计算机编程，当油井发射出的H2S水平无法接受时关闭该油井，或当检测到烃生产的无法接受的高速率时进行抑制以防止或降低井涌强度。
[0043]在一些实施例中，设备24、26、28、及30可以是结实的，使其能够在相对于与油田作业相关的流体期望位置处经受现场温度和压力，例如，能够经受管道中的温度和压力或是火炬中的温度，从而可根据特定应用，被定位为长期永久使用或短期临时使用。这些设备与常规分析系统相比可有明显改进，常规分析系统可能不是非常结实、可能不是自动化、且可能无法满足长期使用而是限于短期使用。在一些实施例中，可冷却设备(或设备周围的环境)以减轻来自高温和高压的有害影响。在一些实施例中，可调整和/或设计设备布置以减轻和/或最小化来自高温和高压的有害影响，例如将设备安装在火炬烟囱顶部离火炬本身一定距离处。[0044]如图1所示的设备数量是随意的，并非意在传递任何重要性。系统中设备的数量还取决于地点数量，例如管道和/或火炬，以及在每个地点所监测和/或分析的性质的数量。进一步，系统的设备数量可不必要受限于在单个地点测量与油田作业相关的流体的性质。通过一个非限制性示例，可安装设备来在来自火炬烟?的流出物的不同点处监测该流出物。在一些实施例中，可为计算机12编程以监测大量设备，这些设备与若干不同流体流、管道、或火炬相关联或位于相关处。因此，通过一个或多个计算机12，可以同时监测这些独立流动在不同管道或火炬中的与油田作业相关的流体的性质，还能对这些计算机编程，使它们在一个储层系统中将与流保证问题相关的多个不同性质相关。
[0045]在一些实施例中，计算机12可耦合至警报13，该警报13可提供声音警报、视觉警报、或两者。通过非限制性示例的方式，石油油田或油管分布网络的地图布局可具有由代码或某种形式的标签进行标识的各种分支流体流。这些光学分析设备可各自都与标识其所监测的特定流体流、管道、或火炬的代码相关联。在一些实施例中，计算机12可为不可接受的性质情况对光学分析输入进行分析，并可输出该性质的本质及其位置。使用该信息，可采取及时校正措施。
[0046]在本发明的一个实施例中，可使用一计算机12监测在互连流体流及储层中的管道以提供，例如，流向同一井口的流体的整体状况。以此方式，可容易地将与一个流相关的问题与其他馈送该流体流的对应流体流相关联。这些设备可监测不同流体流的类似性质以确定问题性质的来源，例如显示出相同潜在问题的流体流(多个)和/或储层(多个)。因此，在一些实施例中，可对该计算机编程，通过分析来自共同互连流体流和/或储层的类似性质，显示并指示问题的可能来源。有利地，相对于昂贵且复杂的常规光谱系统，这可易于简化了监测和记录(log)哪些流的问题。
[0047]设备24、26、28及30中的每一个可具有类似的元件，这样对于一个设备24的描述就具有代表性。可设置每一个设备以确定与油田作业相关的流体的至少一个性质。这些所确定的性质包括任何上面所描述的，但优选地包括至少更重要的组分，其中重要是指取决于油田的。当然，仍可通过其他设备(图1中未示出)感测并检测其他性质。
[0048]应当理解，给定管道或火炬烟?可能与被认为适合给定流体流、位置、及储层的很多设备相关联。例如，众所周知不同储层可显示出具有不同有害性质(诸如水垢(scale)化学势、加水、水合物等)的流体和固体。在一些实施例中，一旦确定与给定油田作业相关的储层或流体的性质，取决于相对该储层、流体流、油管等的发现，可不必要监测所有性质。在一些实施例中，可以预订日程的方式监测这样的性质，例如，使用携带一个或多个诸如设备24之类的设备的锭(pig)(即，一种设备，包括但不限于被设计为去钻孔或在油管内执行作业的机器人)，或可相对于每个流体流固定到位。
[0049]设备24、26、28及30可相对低成本且结实，且因此，比起其他使用常规系统可能做到的，能够在更多位置和流体流中实现。
[0050]在一些实施例中，结合本发明的系统及方法使用的代表性设备24可具有光源32，包含作为流体流流动或是静态的所监测流体34的透射样本单元(cell)(或一系列窗口)、可作为光学回归计算设备的M0E36、用于检测从M0E36反射的光的检测器38、以及用于由M0E36透射的光的检测器40。在一些实施例中，该M0E36可能是包括多层的独特光学计算设备。[0051]光源的非限制性示例可包括发光二极管、宽波长光源、窄波长光源、单波长光源、白光、彩色光、红外光、近红外光、紫外光，诸如此类。应当注意到术语“光源”并不暗示单一光源或单一波长光。在一些实施例中，光源可能是多个发光源。
[0052]在一些实施例中，代表性设备26可具有火焰29的形式的光源，以采用类似于相对代表性设备24所描述的检测器来监测所监测的来自火炬烟?的流出物，这些流出物可能从火炬烟囱27流出。换言之，在火炬烟囱27顶端燃烧的火焰29提供了光源和样本。
[0053]在一些实施例中，火焰29可能由来自油井作业的流体至少部分地提供燃料。例如，在一些油井作业，诸如欠平衡钻井中，从油井产生的流体可包括泥、油、气、和水。在一些实施例中，一部分泥可从流体残余中分离出来并且回收，然后油可被分离出并储存。同样，气和水可被分离,气被引导到火炬烟囱27并且作为火焰29燃烧，而水被储存。虽然火焰29可主要使用气作为燃料，它仍可使用任何其他燃料，无论是否由油井作业或以其他方式提供。确定火焰29的化学组成可提供关于燃烧材料以及地层的化学和物理性质的洞察。当快速做出测定时，实时数据可允许建立准确的地质模型，提供安全和增强的油井作业。
[0054]在一些实施例中，代表性设备30可具有位于来自火炬烟囱27的流出物31 —侧的光源32，这些流出物可从正由类似于相对代表性设备24所描述的检测器所监测的火炬烟囱中流出。换言之，来自火炬烟囱27的流出物31可不需要燃烧以分析该流出物31的性质。在一些实施例中，该火炬烟?可具有光源及设备，并且能够燃烧，即无论该火炬烟?流出物是否燃烧，该设备都可能够检测性质。本领域的技术人员应当意识到，如果该火炬烟?流出物燃烧、而不是不燃烧，可需要不同的MOE来检测类似的性质。
[0055]在一些实施例中，对与油田作业相关的流体的性质的探测和分析可在离样本一段距离处进行。因此，此处描述的装置可不需要与现场装备有物理连接。在一些实施例中，这样的装置可以是便携式的，不需要特殊零件，并且对现有装备没有影响。在一些实施例中，此处描述的装置可能被安装在或出现在卡车内，被配置为易于从一个工作地点移动到另一个。
[0056]通过非限制性示例的方式，可估算火焰29的体积。在某些实例中，向着该流体(例如火焰29)的两个或更多相机可提供对体积的合理估算。火焰29的温度也是可得的(例如，经由火焰上的红外测温仪)，允许容易地计算该火焰所产生的总热量。基于所产生的热量，可在重量基础上计算出燃烧的燃料量。可使用该计算连同化学组成的确定来估算烃流速。对于烃，燃烧的特定热(在重量基础上)几乎是恒量，如图3所示。
[0057]与常规油井测试相关联的一个问题是在分离器处将烃雾从气体流中分离。在来自分离器的液体计数中经常少计所夹带的液体，且分离器气计量脚内的孔板型流量计也不能正确计量。由于气体及所夹带液体一般被送到火炬烟? 27，在上面概述的整体燃烧热方法可考虑到这些被少计的材料。
[0058]可执行对CO2的分析来校正总气体流。来自储层的气体流中的0)2不可作为燃料，但能够降低气体火焰温度，这是因为部分热将被转向将原始CO2成分加热到(较低的)火
焰温度。
[0059]在一些实施例中，在此描述的方法可允许更好地估算有多少雾通过了火炬烟囱27。这些估算可与对火炬烟囱27中所预期的液相(例如雾)水平的估算进行比较，以确定是否应当修改分离参数。因此，可在火炬烟囱27上游的分离器或其他装备中做出调整。[0060]如图4中所示，例如，与本发明结合使用的代表性光学回归计算设备M0E42可具有Nb2O5和SiO2 (石英)的交替层44及46。这些组成交替层的材料只是可用于该MOE滤波器结构的一对合适材料的一个示例。可堆叠其他材料以产生期望反射和透射光谱，然而，个别层的厚度将取决于材料。对于组成该堆叠的材料的主要要求是，它们单独地对于所期望的波长范围透明，并且堆叠的材料具有不同折射率。此外，在堆叠中可包括三个或更多不同材料，然而这会使这些设备的制造和分析变复杂。这些层可以沉积在任何光学基板48上，诸如，例如，一透明基板，诸如在该领域中被称为BK-7、二氧化硅、石英、或蓝宝石的类型。
[0061]给定性质的感兴趣的光谱可包括任何数量的不同波长。应当理解到图4中的M0E42仅作为说明目的而提供。因此在图4中，层的数量及它们的相对厚度与本公开所针对的任何流体性质不相关，且不按比例。如图所示，这些层的厚度每个都可以在微米级。
[0062]这些多层可具有不同折射率。通过适当选择这些层的材料及其间距，可构造该光学计算设备，以便选择性通过处于不同波长的光的预定部分。可赋予每个波长预定的加权或负荷因数。从感兴趣的性质的光谱，使用各种近似方法，可确定这些层的厚度和间距。这些方法可包括对光透射光谱进行反傅里叶变换(“IFT”)并将该光学计算设备构建成该IFT的物理表示。该近似法基于具有恒定折射率的已知材料将该IFT变换成一种结构。在《应用光学》35卷5484-5492页(1996)以及129卷2876-2893页(AppliedOptics, Vol.35, pp.5484-5492(1996) R Vol.129, pp.2876-2893)提供了这种光学计算设备的结构，通过引用结合至此。
[0063]该M0E42层在每个波长施加的权重可设定为相对于已知等式、数据、或光谱特征描述的回归权重。光学计算设备M0E42可执行进入该光学计算设备的输入光束与由每个波长的每层所代表的所期望加载的回归向量的点积。M0E42输出光强可与所期望的流体性质直接相关并成比例。该输出光强可表示所有通过波长与对应向量全部点积的和。
[0064]通过非限制性示例的方式，如果所测量的性质是石油中存在的树脂以及对应该树脂的回归向量，该MOE的光输出的强度将与样本中的树脂量成比例，经该样本输入该光学计算设备的光束，已经通过或被反射或以其它方式交互。这些层的整体将对应该树脂的特征。通过构造对应的光学计算设备层，这些波长将被成比例地加权。所得层将共同从该输入光束生成光学计算设备M0E42的输出光强。该输出光强将代表该性质(例如树脂)的所有波长点积与加载向量的和。该输出光学计算设备强度值将与所检查的石油中的树脂量成比例。以此方式，可与油田作业相关的流体的每一个要确定的性质来制造MOE光学计算设备。
[0065]虽然图4示出了一种类型的Μ0Ε，根据本发明，各种其他光学计算设备可被当成Μ0Ε。例如，在一些实施例中，与本发明结合使用的合适MOE设备可用装有镜的阵列进行编程，或可具有各种可变编程以检测各种化学组成。
[0066]这样的MOE光学计算设备表示图形识别设备，生成特性输出图形，表示定义感兴趣的性质的光谱元素的特征(signature)。在所评估的测试介质中，该光输出的强度是该性质的成比例量的量度。例如，一 MOE透射输出波形可能表现为图5和图6所示，其不代表任何特定流体性质，而仅作为示例的目的示出。图5的波形形成包括对于某一性质是独特的光谱的不同波长的图形。例如，该波形可以是射到检测器40 (如图1所示)上的光，或系统10中的设备26、28及30的对应检测器。这些检测器中的每一个，诸如与M0E36关联的探测器38和40，可传输其输出(例如，一电子信号)，该输出表示图5中入射到该检测器上的信号强度大小。因此，该信号可能是所有入射到该探测器上不同波长强度的和。赋予每一层的不同加权因数为该性质生成复合特征波形。
[0067]对于没有样本或光吸收的情况，从M0E36(如图1所示)反射的光可生成图5中透射信号的负数。该反射信号可用图6中的波形代表，并且可不是回归计算。计算机12(如图1所示)可从图5的透射信号中减去该反射信号。其差可表示从该MOE输出的净光强输出的大小以及所检查流体中的性质。该减法提供的相关可独立于由于功率波动造成的原始光强波动、使用在原始装置中使用的相同类型不同灯泡、或从火炬烟囱27发出的火焰29的强度或方向变化。即，如果透射光强由于波动发生变化，该系统可将其解读为性质变化。通过减去负反射，其结果是独立于这样的波动的绝对值且因此为正在确定的期望性质提供所需的相关。例如，可将该原始检测器输出发送到计算机，或可用模拟电路减去该信号并用运算放大器放大该信号转换为电压并作为比例信号发送到计算机。
[0068]在预测性质(诸如诸如图7中的芳香烃)与该性质的测量量之间存在良好相关。因此，用于确定与油田作业相关的流体的至少一个性质的本发明的一些实施例可包括使该流体产生火焰(例如，增加燃料、点燃该流体、在火焰中夹带该流体，诸如此类)，该火焰通过望远镜来创建交互光；使用响应于入射在其上的交互光，使用光学计算设备对该交互光执行回归计算以生成至少一个输出光信号，该光信号显示了计算结果和对应的至少一个性质；并且从该至少一个输出光信号确定该至少一个性质。
[0069]现在参考图8，它提供了本发明的系统的一个非限制性示例，在一些实施例中，代表性火炬烟囱27连接到流体流，例如井眼管道。例如，该井眼管道可以是一垂直管道或水平管道，并且可以是井口或互联油田内各种石油储层的互连流管道的一部分。流体52和/或相关联的水气(或在一些实施例中，是与油田作业相关的其他流体)可以方向54在该管道中流动。在一些实施例中，与该火炬烟? 27对准的可能是便携式或固定光学MOE流体性质检测装置56。在一些实施例中，装置56可对应图1中的设备24、26、28及30中的任意一个或多个，并且可在诸如图1所示的系统10的系统中使用来确定从火炬烟囱27流出的流体的性质的量。在一些实施例中，与系统10对应的本发明的系统可使用装置56来实时测定该性质的量，并当其在流体52的流动流中出现时立即报告该量，并与邻近火炬烟囱27或位于火炬烟? 27附近的给定位置处的对准火炬烟? 27的装置56对应的其他装置(未示出)、以及对应被监测的油田内的众多流的又一些管道同步。
[0070]在一些实施例中，装置56可具有外壳58,夕卜壳具有数种形状中的任意,诸如圆柱形或矩形中。例如，M0E36可粘合至外壳58，或以其他本领域所知的方式附接到到该外壳58。光源(例如，以火焰29的形式)可使用望远镜108或其他机制对准，以便使得交互光76通过光圈58，允许对进入壳体腔74的光量进行控制。如在此使用的，术语“光圈”一般是指用于限制光的整体强度的设备，包括狭缝、交叉偏振滤波器、中性密度滤波器、全息滤波器、散斑分束器、以及光阑，在一些实施例中是可调的或是固定的。虽然望远镜108被示为连接至外壳58，其他配置可包括与外壳58脱离或以其他方式位于其附近的望远镜。类似地，即使该光圈59被示为望远镜108的组件，其他配置可包括脱离该望远镜108的光圈。进一步地，在该光圈59与环境之间可设置窗口或其他覆盖物，以将外壳58中的内容与物外部环境相隔绝。一旦进入外壳58，火焰29或其他光源所发出的交互光76的一部分可被传输到检测器40，而交互光76的另一部份可被反射到检测器38。
[0071]位于外壳58的腔74内的，可能是一个或多个MOE光学计算设备80与82，及响应这些MOE光学计算设备80与82的输出以生成对应电强度输出信号的检测器38与40，输出电信号的差对应所确定的流体性质。导体84、86可接收检测器输出信号。电线，诸如导体84、86，可连接到位于远程站点的计算机，诸如计算机12 (如图1所示)，用于确定导体84及86上的信号所显示的流体性质。在对装置56组件的硬接线的可选项中，还可以使用电池、局部发电机、或遥测技术为这些装置组件供电。
[0072]在一些实施例中，在操作装置56 (如图8所示，本发明的一种系统的非限制性示例)时，来自火焰29的交互光76经由光圈59进入该装置。交互光76的行为将取决于该来自火炬烟? 27且为火焰29提供燃料的流体或其他材料的化学组成。当光射到M0E36，透射该交互光76的一部分，而该交互光的另一部分被该M0E36反射。根据该流体类型及组分、气相、水相、所分析的组分等，可改变该M0E36的特殊配置。作为结果，来自火焰29的交互光76被分为反射光88和透射光90。该反射光88及透射光90通过各自MOE光学计算设备80及82到各自检测器38及40。
[0073]在一些实施例中，可为每个从流动流体确定的性质提供独立装置56。在本发明一些实施例中，在同一外壳中提供了附加装置，其中各种组件同时共享交互光76。在其他实施例中，可以在同一外壳中提供附加装置，其中各组件轮流依次暴露给交互光76。在一些实施例中，可在装置56中使用光纤(未示出)作为光路的一部分。
[0074]然而，应当理解，与光源(例如，如图8所示的火焰29或如图1所示的光源32)和装置56之间的不同光路相关联的光分布对于M0E36的结构是关键性的。即，不同外壳及与其相关联的光源都具有可影响光分布的独特光路。构建该MOE期间，应当考虑到这些光路及光分布。该结构是以感兴趣的流体的代表性光谱为基础的。各波长的强度和分布从对于各装置而不同，且因此，在设计和构建与给定装置相关联的MOE时，需要考虑到这样的光路及光分布。
[0075]在一些实施例中，通过使用将由与给定MOE关联的光学元件利用的用于生成将由常规光谱仪提供的光谱的外壳58和火焰29，可解决这一问题。然后利用所生成的光谱数据构建将与相关外壳和光源共同使用的Μ0Ε。因此，可确保来自所安装的外壳和光源的光路及光分布与用于创建MOE的那些的相同，且因此，在使用具有这样的组件的MOE时不会有误差或问题。从而，如果这样的组件有时需要更换，可构建对于那些更换组件所独有的新的Μ0Ε，或用其他方式补偿光分布的变化。不然，如果使用了不同于被用于建造该MOE的组件的其他组件，有可能在性质确定时发生误差。因此，需要使用任何被利用于或可影响从光源到MOE的光路长度或波长分布的组件，以确定用于构建对应MOE的感兴趣的性质的光谱方面。
[0076]现在参考图9，利用本发明的系统107的非限制性实施例示出了可选实施例。例如，为了仅包括来自火焰29的交互光76或其一部分，系统107可包括望远镜108或其他装置用于集中、限制、控制视野、排除背景、偏振、滤波、增强对比、或以其他方式调节交互光76。火焰29可提供光至望远镜108,导致聚焦光束112。光束112可被镜116反射并以大约变化90°被重新定向。镜116可部分透射形成部分反射的光束112’。虽然示出了三个光束112’，在实践中可使用任何数量的光束，如虚线120所代表的。这些反射及透射光束可未被频率偏置。
[0077]反射光束112’可被引导至一个或多个对应M0E122U24及126。可以使用检测器134来检测这些MOE的输出信号，可用计算机(未示出)分析该检测器的输出。举例来说，使用吸收M0E122至126可分析四种不同光谱，等等。因此，系统107可同时获得四种不同性质、浙青质、树脂等的四个不同的测量值。与光束112相关联的检测器134的输出导致与两个MOE探测到的信号之和成比例的性质，一个来自代表一个性质的每个光谱吸收组件。从而，用该光束112分析了四个不同的性质。
[0078]现在参考图10，它提供了本发明的系统的非限制性示例，通过使用MOE设备位于其上的轮、或通过使用旋转镜118,可轮流选择多个Μ0Ε。因此,光束112可离开望远镜108并与该旋转镜118交互。根据该旋转镜118的取向，光束112可被转向至方向112a、112b、或若干其他方向中的任意方向(未不出)。光束(例如112a、112b)然后可直接传到一个或更多MOE并继续传至对应检测器，或者如所示的，在传到M0E126a、126b及检测器(多个)134a、134b之前，可与一个或更多可能是固定的附加镜152a、152b交互。以此方式，对旋转镜118的旋转可允许串联使用任何数量的Μ0Ε。
[0079]现在参考图11，它提供了本发明的系统的非限制性示例，通过全都用该望远镜108照明多个Μ0Ε，可同时使用多个Μ0Ε。换句话说，光束112的不同部分112a、112b可照射不同的M0E126a、126b并为不同检测器134a、134b提供信息。以此方式，可并联使用任何数量的MOE。
[0080]在一些实施例中，本发明的系统可包括光学计算设备，用于对交互光执行回归计算，该设备响应于在其上入射的交互光(如在此描述的包括通过与油田作业相关的流体的火焰和光)以生成至少一个输出光信号；以及信号处理装置，用于从该至少一个输出光信号中确定该流体的至少一个性质。在一些实施例中，本发明的系统的计算设备可包括包含多个光学折射层的多元光学元件，这些层显示出多元计算，其中该计算结果相关该流体的一个性质。在一些实施例中，本发明的系统可进一步包括容纳至少该设备的外壳、在管道系统中在其中该设备监测的区域(例如在管道或火炬烟?中)上游的湍流发生器、多个所述光学计算设备(用于检测相同或各种性质)、用于校正该计算值的偏差的内部校准装置、用于根据经校正的偏差值来确定该至少一个性质的处理装置，或它们的任意组合。
[0081]在一些实施例中，本发明的系统可包括与油田作业的连接，可操作地能改变该油田作业的至少一个方面。所述方面可以是硬件方面(例如阀门、泵浦、发动机，诸如此类)和/或操作方面(例如流量、流向、钻井速度、钻压、流体压力、温度、流体流组成，诸如此类)。
[0082]在一些实施例中，本发明的系统可包括被设置为生成第一及第二信号的光学计算设备，这些信号分别代表来自该设备的透射光及反射光，以及适于处理该第一及第二信号以确定该流体的至少一个性质的信号处理装置。
[0083]在一些实施例中，与所监测的油田作业相关的流体可包括流体中的指示器以指示该流体的一个参数。
[0084]本发明的一些实施例可包括接收交互光(已经与油田作业相关的流体交互的光)至光学计算设备，对该交互光执行回归计算以产生至少一个输出光信号，以及从该至少一个输出光信号中确定该流体的至少一个性质。本发明的一些实施例可进一步包括基于该至少一个性质，来改变油田操作的至少一个方面。[0085] 结果，本发明很适于达到所提到的以及那些其中固有的目的和优势。上面公开的特定实施例仅为举例，因为本发明可以被修改并以不同但等同的方式实行，这些方式对于那些得益于在此的教学的本领域技术人员是显而易见的。进一步地，除了如下面权利要求中所描述的，没有任何意图对在此所示出的结构或设计进行限制。因此很明显上面所公开的特定示例性实施例可以被改变、组合、或修改并且所有这样的变化被认为是在本发明的范围和精神内。在此示例性公开的本发明可在缺少任何在此未具体公开的元件和/或任何在此公开的可选元件情况下适当地实行。虽然组分和方法以术语“包括”、“容纳”、“包含”各种组分或步骤被描述，这些组分及方法也可“本质上由各种组分或步骤组成”或“由各种组分或步骤组成”。上面公开的所有数量和范围可以一定量变化。每当公开一具有下限和上限的数值范围，即具体公开了该范围内的任何数字及任何被包括范围。特别是，在此公开的每个值的范围(以这样的形式:“从大约a至大约b ”或等同的“从近似a至b ”或等同的“从近似a-b”)应当理解为陈述了较宽的值的范围内所包含的每个数字及范围。并且，在权利要求中的术语具有它们的清楚的、普通的意义，除非专利权人另有明确的、清楚的定义。此夕卜，不定冠词“一”或“一个”，如权利要求中所使用的，在此被定义为意味着它引入了一个或更多元素。如果在本说明书以及可能通过引用结合至此的一个或更多专利或其他文档中，在单词或术语的用法中有任何争议，应当采用与本说明书一致的定义。
【权利要求】
1.一种方法，包括 将包含已通过与油田作业相关的流体的光的交互光引导至光圈； 使用响应于入射于其上的交互光的光学计算设备对所述交互光执行回归计算以生成至少一个输出光信号；并且 从所述至少一个输出光信号中确定所述流体的至少一个性质。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，进一步包括: 基于所述至少一个性质来改变油田作业的至少一个方面。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，执行所述回归计算的步骤包括从所述光学计算设备生成分别表示透射光和反射光的第一和第二信号，并且其中所述确定步骤包括处理所述第一和第二信号。
4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，执行所述回归分析的步骤包括将来自所述光圈的交互光应用于多个堆叠的光学层。
5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述至少一个性质选自基本上包括如下项的组:浙青质、饱和、树脂、芳香烃、固体颗粒含量、烃类组分及含量、气体组分C1-C6及含量、CO2、H2S及相关、石油气相的气体组分、水、气体、油、固体颗粒的总体流百分比、固体类型、油指纹、储层连续性、油型、和水元素，并且其中所述水元素基本包括离子组分及含量、阴离子、阳离子、盐度、有机物、pH、掺混比、示踪物组分、以及污染物。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，进一步包括: 在引导所述交互光通过所述光圈之前引导所述交互光通过望远镜。
7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，进一步包括: 用常规光谱学仪器从所述交互光生成光谱数据，然后使用所生成的光谱数据用于产生所述光学计算设备。
8.如权利要求6所述的方法，其特征在于，进一步包括: 为所述火焰上游的流体提供湍流以在为所述火焰提供燃料的流体中提供不同组分的均质分布。
9.如权力要求I所述的方法，其特征在于，所述执行步骤包括将所述交互光应用于形成多元光学计算设备的多个堆叠光学层。
10.如权利要求9所述的方法，其特征在于，包括: 提供多个所述多元光学计算设备并且将所述交互光应用于每个所述设备，每个设备对应将要确定的不同性质。
11.如权利要求1所述的方法，其特征在于，进一步包括: 提供内部校准以校正所述计算值的数值偏差，然后根据所述经校正的偏差值来确定所述至少一个性质。
12.—种方法,包括: 将包含来自火焰的光的交互光引导至光圈，所述火焰包含与油田作业相关的流体； 用响应于入射在其上的交互光的光学计算设备对所述交互光执行回归计算以生成至少一个输出光信号；并且 从所述至少一个输出光信号中确定所述至少一个性质。
13.—种系统,包括:交互光，包括选自如下组中的至少一项:已经与油田作业相关的流体交互的光、从包含与油田作业相关的流体的火焰发出的光、以及任何它们的组合； 光学计算设备，用于对所述交互光执行回归计算，所述设备响应于入射在其上的交互光以产生至少一个输出光信号；以及 信号处理装置，用于从所述至少一个输出光信号中确定所述流体的至少一个性质。
14.如权利要求13所述的系统，其特征在于，所述计算设备包括多元光学元件，所述光学元件包括多个光学折射层，这些层显示出多元计算，其中所述计算的结果相关所述流体的一个性质。
15.如权利要求13所述的系统，其特征在于，进一步包括: 在所述流体中提供指示器以指示所述流体的参数。
16.如权利要求13所述的系统，其特征在于，进一步包括: 容纳至少所述设备的外壳。
17.如权利要求13所述的系统，其特征在于，进一步包括: 湍流发生器，位于所述火焰上游的管道系统中。
18.如权利要求13所 述的系统，其特征在于，进一步包括: 位于管道系统中的至少一个湍流发生器，用于混合相对所述设备处于上游的流体。
19.如权利要求13所述的系统，其特征在于，所述设备被设置为生成表示分别来自所述设备的透射光和反射光的第一和第二信号；并且其中所述信号处理装置适于处理所述第一和第二信号以确定所述至少一个性质。
20.如权利要求13所述的系统，其特征在于，进一步包括: 多个所述光学计算设备，其中所述交互光应用于每个所述设备，每个设备对应将要确定的不同性质。
21.如权利要求13所述的系统，其特征在于，进一步包括: 内部校准装置，用于校正所述计算值的数值偏差，其中所述处理装置根据所述经校正的偏差值来确定所述至少一个性质。
22.如权利要求13所述的系统，其特征在于，进一步包括: 与所述油田作业的连接，可操作地能改变所述油田作业的至少一个方面。
【文档编号】G01N33/22GK103958831SQ201280057212
【公开日】2014年7月30日 申请日期:2012年2月3日 优先权日:2011年12月13日
【发明者】N·G·斯金纳, M·T·佩勒莱特 申请人:哈里伯顿能源服务公司