井下流体光谱分析的方法和设备的制作方法

专利名称：井下流体光谱分析的方法和设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及为勘探和开发产烃井例如油井或气井，评价和测试地下岩层 时，于井下采用分光计构造进行流体分析的方法和设备。更具体地，本发明 涉及具有第一分光计和第二分光计的流体分析模块，所述第一分光计用于确 定井下流体的组成，所述第二分光计用于校准。
背景技术：
为了评价井眼周围地层的性质，通常期望获取和分析井眼中多个特定位 置处的地层流体样品。多年来，已开发出各种工具和工艺以促进这种地层流 体评1介方法。所述工具的实例可见授予Schlumberger Technology Corporation ("Schlumberger，，)的美国专利6476384(第'384号专利)。在此引入第'384号专 利的全部内容作为参考。
如第'384号专利所述，Schlumberger的重复式地层测试器(Repeat Formation Tester)(RFT)和模块化地层动态测试器(Modular Formation Dynamics Tester)(MDT)工具是取样工具的具体实例。特别地，MDT工具包 括对其获取的流体样品进行分析的流体分析^f莫块。
多年来，已开发出结合取样工具使用的各种流体分析模块，例如MDT 工具，以判定和表征取样工具抽取的地层流体样品。例如，Schlumberger的 美国专利4994671 (同样在此引入作为参考)描述了 一种示范性流体分析模块， 其包括测试室、光源、光语检测器、数据库和处理器。如下分析通过流体输 入装置从地层抽取到测试室中的流体用光照射流体，；险测透射光和/或背散 射光的光语，以及处理信息(根据数据库中有关不同光谱的信息)以表征地层 流体。Schlumberger的美国专利5167149和5201220(在此引入两者作为参考) 也描述了使光以某些特定的角度从窗口/液流界面反射以确定液流中气体的 存在。另外，如美国专利5331156所述，通过在某些预定的能量下对液流进 行光密度(OD)测量，可量化两相液流的油分率和水分率。随着测量和表征地 层流体的技术愈加先进，对更精确且可扩展的地层流体分析工具的需求日益
增力口。
现有的光学流体分析工具通常釆用单个光源照射样品池以及单个分光
计对光进行采集和分析。在典型实施方案中，采用最多提供约20条通道的 滤光片阵列(FA)分光计。这些工具在可能影响分光计信噪比的井下不利条件 中使用。此外，井下尺寸约束通常限制所采用的任何工具必须适合很小的空 间。
现有的方法尽管十分有效但也表现出某些局限性。尽管可采用单个FA 分光计的测量结果，但期望可在井下同时使用多个不同类型分光计的系统对 流体进行分析。由此将减轻对多个独立模块的需求，单个光源可向一组不同 的分光计提供信息，从而增加了可用通道的数量和整个系统的专一性。
井下不利条件还使得需要校准分光计系统如现有的分光计系统。从而要 求使至少两束光即一束参比信号和一束测量信号射向分光计。从而要求光信 号的区分，如涉及井下分光计实时校准的共同未决美国专利申请No. 11/273893中所披露的，可通过使用遮光器实现光信号的区分。然而，遮光 器需要电机，从而明显增大了井下工具的尺寸。

发明内容
由于上述背景和井下流体分析领域已知的其它因素，本申请人认识到需 要用于宽谱光学分析的设备和方法，同时提供所关注范围内的详细光谱分 析。因而，本申请人认识到，在井下环境中的某些条件下，期望和/或需要分 设两个或更多个分光计，这些分光计独立地用于流体的光语测量和一个或多 个测量分光计的校准。
本发明的一个方面包括采用一个或多个分光计进行井下流体分析的方 法和设备。在本发明的一种实施方案中，提供输入光的一个或多个光源对准 包含流体的样品池。由第一分光计测量来自样品池的光输出用于流体分析。 另外，将来自一个或多个光源的输入光直接输送至第二分光计，以提供用于 校准的参比测量结果。可使用两个或更多个不同类型的分光计，包括但不限 于滤光片阵列分光计和光栅分光计。在一种实施方案中，第一和第二分光计 可包括多个分光计并且分光计的数量和类型相同。
员可通过阅读本申请材料或实施本发明而获知。本发明的优势可通过所附权
利要求列举的方式实现。


附图示例本发明的优选实施方案并为说明书的一部分。附图结合以下说 明示例并解释本发明的构思。
图1为可利用本发明的示范性范围的示意图。
图2为本发明的流体分析模块的示范性结构的局部截面示意图。
图3为大型滤光片阵列型分光计中 一个滤波通道的截面示意图。
图4为井下遇到的大量烃类的吸收光谱的示意图。
图5为本发明多个光源发出的光输送至两组分光计的方法和设备的一 种示范性结构的示意图。
图6为本发明光语分析系统的一种井下实施方案中的示范性样品池的 截面示意图。
图7为具有两个用于测量和参比的独立分光计的本发明一种实施方案 的详细示意图。
在附图中，相同的标记始终表示类似的要素而不必表示相同的要素。尽 管本发明允许各种改进和替换形式，但在附图中作为实例示出了具体实施方 案，并将在本申请中对具体实施方案进行详细说明。然而，应当理解的是， 本发明不限于所披露的具体形式，而是意图覆盖落入所附权利要求定义的本 发明范围内的所有改进、等同物和替换方案。
具体实施例方式
以下描述本发明的示例性实施方案和方面。为清楚起见，在说明书中没 有描述实际实施方案的全部特征。显然应当理解的是，在任何这种实际实施
标，例如符合与系统相关和商业相关的规定，从而从一种实施方式变为另一 种实施方式。另外，应当理解的是这种开发工作是复杂且耗时的，然而是受 益于本申请内容的本领域技术人员承担的常规工作。
图1为测试地层和分析地层流体组成的示范性井下工具110的示意图。 井下工具110通过以常规方式与地面系统118相连的钢缆115悬吊在井眼112 中。地面系统118结合适当的电子设备和处理系统控制井下工具110并分析从井下工具接收的信号。
井下工具110包括细长的机壳119，机壳119包封工具控制系统116的 井下部分。细长机壳119还具有选择收放式流体输入/排放装置120和选择收 放式锚定构件121。例如在美国专利3780575、 3859851和4860581中示意并 描述了流体输入/排放装置的实例。在此引入所述各专利的内容作为参考。流 体输入/排放装置120和锚定构件121分别布置在细长机壳119的相对侧。装 配流体流入/排放装置120用于选择性封闭或隔离部分井眼112壁，从而可选 择性建立与相邻地层的压力或流体连通。流体分析模块125也包括在细长机 壳119内，使将进行分析的地层流体通过分析模块。然后流体样品可通过端 口(未示出)重新排入井眼112中或输送至地面上一个或多个用于回收的样品 池122、 123。通过电控系统116、 118保持对流体输入/排出装置120、流体 分析模块125和通向样品池122、 123的流动通路的控制。
图2示出了可与工具110成为一体的光语分析模块134的一种实施方案 的整体结构。地层流体132为系统终端用户所关注的样品。该流体可包含任 意多种组分，包括但不限于气体、油和水。如上所述，非常期望获知存在何 种流体以及相对量。为此，放置光源130以使光射向两个光学窗口 136之一。 在一种实施方案中，光源可为卣素灯、发光二极管(LED)、激光或可引入井 下的任何其它光源。这些光源产生的光覆盖波长为约500-2000 nm的宽谱范 围。光源130产生的光透过第一光学窗口 136和流体样品132并从第二光学 窗口 136射出。采集该出射光并利用光纤束传输，光纤束允许光信号的特定 方向和路径。特别关注的是从流体样品反射、透射和/或发射的光，即输出光。 使这种输出光信号射向(通常也使用光纤)光语分析;溪块的分光计区138。在 现有系统中，分光计区通常包含最多有20个通道的单个FA分光计。本发明 提供包含在分光计区138中的多个分光计。从而增加了可用通道的数量，还 允许包括不同类型的分光计如光栅分光计，来检测并分析输出光信号。分光 计区的输出用于确定流体样品132的特性。另外，将光源发出的光直接输送 到至少一个参比分光计。从而，引入一个或多个参比分光计用于校准。
图3为通常用于现有系统并且可在本发明中用作分光计之一的FA分光 计的一个通道的示意图。通过光纤束从140输入光，光纤束允许通过标记为 142的多个路径将光输送至FA分光计的各个通道。所述路径之一将光信号 传输给输入光纤束144。然后所述光穿过第一透镜146和滤光片148。滤光
片148通常为带通滤光片。这种带通滤光片仅允许一定波长范围的光通过。 全语分光计具有多个这种滤光片元件，每个滤光片元件可对应于不同的波 段。经过滤光片148之后，通过第二透镜146使信号朝向输出光探测器150 重新聚焦。该光探测器基于入射光生成电流，电流与入射光的量成比例。然 后通过I/V转换器152将电流转换为电压，传送电压信号进行进一步处理。 可知各4企测波长对应的电压不同并给出不同波长相对贡献的指示。从而#4居 控制数据将了解流体样品的组成。
光吸收依赖于波长且决定于流体样品的组成。图4示出了在井下可能遇 到的多种烃和其它流体的吸收特性。轴162为透射光的波长，轴160为相应 的光密度(OD)。水由线164表示，要素166对应于柴油，要素168对应于冷 凝液，要素170对应于油基泥浆滤液，要素172对应于原油A，以及要素174 对应于原油B。能够区分几个光谱区域，通过这些区域能够了解整个流体的 组成。此处显示水的峰位于约1450nm，恰好位于特别关注的大量烃的峰所 处的区域之前。在1.6 pm和1.8 iim之间标记为176的区域，烃类具有强吸 收并显示出多种必须^r测的光语依赖性特征。然而，由于FA分光计的通道 数量有限，因而不可能捕获全部光谱细节。FA分光计覆盖可见光至IR区域， 本发明允许混合分光计构造以增大特定光镨区中的通道密度。
现参考图5，在本发明中，将两个或更多个分光计引入井下。在一种实 施方案中，在所述分光计中， 一个可为FA分光计， 一个可为光栅分光计。 光栅分光计可用于在有限的波长范围内提供非常高的通道密度。光栅分光计 可用于测量标记为176的重要范围1.6-1.8 jmi中的光语细节。例如，光栅分 光计可用于提供约16条通道，这些通道为除FA分光计提供的10-20条通道 以外的通道并提供有关较小光镨范围的更具体信息。例如，可设置FA分光 计以测量可见光语和红外光i普来确定流体的存在，例如峰位于1450nm的水， 同时可设置光栅分光计以监测上述烃的范围用于基线校准。本发明预期分光 计的其它组合，以使宽的波长范围可用于井下流体的光语分析。可见光范围 内的光语特征有限，因而无需光栅分光计的高通道密度。
本发明的一种实施方案的示意图如图5所示。光源180提供输入光。如 图所示，光源可产生多种不同类型的光。光源包括但不限于囟素灯(宽带光 源)、发光二极管(LED)和激光。输入光可由光处理装置188之一进行处理。 所述光处理装置可包括改变光性质的任何装置，例如偏光器、调幅器和调频器，以及其它光处理装置。在一种实施方案中，然后可将光引入光采集器182, 然而该元件是根据操作中光源和分光计的数量任选的。设置光采集器以允许 将不同波长的光输送到不同的位置或在不同的时间引入。当希望独立地确定 不同类型的光的影响时可釆用光采集器。然后输入光继续射向样品池184的 一个或多个输入窗口 。该样品池容纳在出油管中流动将进行测试的流体样 品。光在流体中传播，并通过与流体相互作用根据光的波长和流体的组成而 改变，从而产生输出光。例如，输入光可经历反射和/或吸收和/或可由于输 入光和出油管中样品之间相互作用而发射光。因而，本发明预期各种已知的 方法用于流体光语分析。
输出光穿过样品池184的输出窗口并射在任选的光采集器和路由器 (router) 182上。然后将光输送至至少一个测量分光计186。因而，如图5所 示，可设置多个测量分光计186。如上所述，在本发明的一种实施方案中， 多个测量分光计186中的至少一个可为FA分光计且至少另一个可为光^f册分 光计。如上所述，这些分光计的输出显示一组波长范围内的光量。
除入射到样品池上的光，将光直接从一个或多个光源180输送至至少一 个参比分光计187也是有利的。然而，如图5所示，可设置多个参比分光计 187。用于常规流体分析模块的光源、光探测器和处理电子设备通常受到井 下遭遇的极端温度和振动的不利影响。例如，当在高温下操作时光源的光功 率趋于减小或偏移。类似地，当经受高的工作温度时许多光探测器的光学增 益(optical gain)可明显偏移。偏移可造成异常的结果，^旦可在测试的同时即 实时校准以补偿这种偏移。可通过使光不断地从光源180射向一个或多个参 比分光计187来完成校准。为完成校准，通过光纤束使一个或多个光源180 发出的光穿过任选的光采集器183，然后射到一个或多个参比分光计187上。 该光信号称作参比光信号，射入样品池184的光称作测量光信号。 一个或多 个第二参比分光计187称作参比分光计。在本发明的一个方面中， 一个或多 个第二参比分光计187的分光计数量和类型与称作测量分光计的一个或多个 第一分光计186相同。从而允许根据井下条件和响应校准各分光计。
然后，将参比信号用于校准，将测量信号用于确定样品池184中流体的 组成。共同未决美国专利申请11/273893(在此S1入其全文作为参考)t皮露了井 下分光计的实时校准。
图6为前图所示样品池的一个实例的截面图。所示本发明实施方案可以
多种其它构形实施。流体样品流过流动通道234。在出油管中设置对置开口 236和240，各开口分别与输入窗口或输出窗口以及法兰组件对接。样品池 的输入侧和输出侧在结构上相同，因而仅对输入侧进行详细说明。流动通道 234位于开口 236和240之间并限定窗口定位底座(window locating seat)。窗 口 242位于流动通道234各侧。在一种实施方案中，窗口可由蓝宝石制成。 窗口 242通过法兰230定位，法兰230具有光学连接器以连接窗口 242的外 表面和光纤束232、 244。法兰可相互螺旋接合以便将窗口密封在底座中。使 用垫圏或O型环238辅助密封。对窗口 242的内表面和外表面进行抛光达到 光学质量，对侧面进行抛光以助于密封。
这仅是具有一组窗口的一种样品池。可具有附加窗口和将不同类型的光 导向不同位置并全部穿过流体样品的光纤束。通过光纤束232输入的光与流 体样品相互作用，并通过光纤束244采集输出光。然后将所^接收的光信号输 送至一个或多个测量分光计以用于分析。
图7为根据本发明的光语分析系统的一种实施方案的示意图。机壳264 容纳设备的主体，在井式工具(well type tool)的测井电缆或随钻测井(LWD) 或随钻测量(MWD或生产测井或永久监测中，将所述设备引入井下。另夕卜， 本发明预期在例如二氧化碳螯合作用和储水层控制等领域的适用性。因而， 预测本申请披露的系统和方法在釆用常规光镨分析系统进行井下应用的各 种井下流体分析操作中具有广泛的应用。
通过如图1所示的入口将流体样品充入出油管266。光源250向系统引 入光。光源可为卣素灯、LED、激光或任何其它合适的光源。尽管仅示出了 一个光源，但可具有多个不同类型的光源以产生覆盖宽语的光。输入光分流 进入两个通道。通道252为参比通道，其中的光信号作为光源250的输出光。 然后将该光信号引入分光计254。示例了FA分光计，但可为任何类型的分 光计并且可包括两个或更多个不同的分光计。这些分光计测量已知的输入光 并相应校准测量分光计的输出。通过电子设备262监测参比分光计的输出。 通道258为测量通道。该通道使光通过样品池256的输入窗口。光穿过流体 样品并与流体样品相互作用。输出光射向测量分光计260。在此可使用两个 或更多个分光计，通过监测电子设备262监测所述分光计的输出。尽管仅示 意了FA分光计，但可为任何类型的合适的分光计，在本发明的一种实施方 案中，可存在至少一个FA分光计和至少一个光栅分光计。
然后将一个或多个测量分光计的输出用于流体样品的分析。分光计的电 讯号输出与入射在分光计上的给定波长范围的光成比例。本发明提供覆盖宽 波长范围的大量通道，所有波长均可在井下获得。
在本申请所披露的系统和方法中， 一个或多个光源180对准样品池184。 光与流体样品相互作用，并汇集在光纤束中，射向一个或多个测量分光计 186。例如，可设置滤光片阵列分光计以提供覆盖宽光镨范围的信息，可设 置光栅分光计以提供对于确定所需烃类的存在所特别关注的较小波长范围 的精细分析。
除了测量从流体样品射出的输出光的一种功能，还可使光直接从光源射 向例如数量和型号与测量分光计相同的一个或多个参比分光计。由于分光计 和相关电子设备的性能在井下高温和噪声环境中可能改变，因而利用参比信 号校准分光计和相关电子设备。与提供相同信息的其它尝试相比，这种构造 减小了系统的整体尺寸。
前述说明仅仅示例和说明本发明及其实施方式的一些实例。本发明并不 限于所披露的任何具体形式。根据上述教导可作出各种改进和变化。
选择并描述了优选方面，以最佳地解释本发明的构思及其实际应用。前 述说明意图使本领域技术人员最佳地将本发明用于各种实施方案和方面，以 及以适当的改进用于所预测的特殊用途。本发明的范围意图由权利要求限 定。
权利要求
1.一种流体分析系统，用于在穿越地层的井中进行井下操作，该系统包括:至少一个产生输入光的光源；容纳流体样品的样品池，该样品池可操作地连接在所述至少一个光源上的样品池，该样品池还包括:至少一个输入窗口，其允许所述输入光射入样品池并透过所述流体样品以产生输出光；至少一个输出窗口，其允许所述输出光从所述样品池射出；至少一个第一分光计，其可操作地连接在样品池的输出窗口上，并用于测量所述输出光和产生多个测量信号；分析装置，其可操作地连接在所述第一分光计的输出上，并用于接收所述多个测量信号和确定所述流体样品的性质；至少一个第二分光计，其可操作地连接在所述至少一个光源上，并用于测量所述输入光和产生多个参比信号；校准装置，其可操作地连接在所述第二分光计的输出上，并用于接收所述多个参比信号和校准所述第一分光计及其它电子设备。
2. 根据权利要求1所述的用于井下操作的流体分析系统，其中所述第 一分光计包括第 一组两个或更多个分光计，以及所述第二分光计包括第二组 两个或更多个分光计，所述第二组分光计的分光计it量和类型与所述第 一组 分光计相同。
3. 根据权利要求1所述的用于井下操作的流体分析系统，还包括多个 光源，其中所述多个光源产生宽光i普范围的光。
4. 根据权利要求1所述的用于井下操作的流体分析系统，还包括下述 中的至少一种置于所述至少一个光源和所述样品池之间的第一光采集器； 置于所述样品池和所述第一分光计之间的第二光采集器；及 置于所述至少一个光源和所述第二分光计之间的第三光釆集器。
5. 根据权利要求4所述的用于井下操作的流体分析系统，其中所述第 一、第二和第三光采集器还包括路由器，用于将光选择性地输送至特定输入 窗口 、特定分光计中的至少一个和/或以特定的时间输送。
6. 根据权利要求1所述的用于井下操作的流体分析系统，其中所述第 一分光计包括滤光片阵列分光计。
7. 根据权利要求1所述的用于井下操作的流体分析系统，其中所述第 一分光计包括光栅分光计。
8. 根据权利要求1所述的用于井下操作的流体分析系统，其中所述第 一分光计包括至少一个滤光片阵列分光计和至少一个光栅分光计。
9. 根据权利要求1所述的用于井下操作的流体分析系统，其中所述第 二分光计包括一个或多个分光计并且与所述第一分光计在分光计的数量和 类型上相同。
10. 根据权利要求1所述的用于井下操作的流体分析系统，其中所述至 少一个光源包括卣素灯。
11. 根据权利要求1所述的用于井下操作的流体分析系统，其中所述至 少一个光源包括发光二极管(LED)。
12. 根据权利要求1所述的用于井下操作的流体分析系统，其中所述至 少一个光源包括激光。
13. —种井下流体分析方法，包括 利用至少一个光源提供输入光； 将流体样品？ I入样品池；将所述输入光引向所述样品池的输入窗口 ，所述光穿过所述流体样品， 并产生穿过所述样品池的输出窗口的输出光； 用第 一分光计接收所述输出光； 所述第 一分光计基于所述输出光产生多个测量信号； 分析所述多个测量信号，以确定所述流体样品的性质； 用第二分光计接收所述输入光； 所述第二分光计产生多个参比信号；以及 利用所述多个参比信号，校准所述第一分光计及其它电子设备。
14. 根据权利要求13所述的井下流体分析方法，还包括由多个光源 向多个测量分光计和多个参比分光计提供输入光，其中所述多个光源产生宽 光语范围的光。
全文摘要
一种井下使用的流体分析系统，其包括输入光信号，该输入光信号照射透过容纳在样品池(184)中的流体样品。输入光信号可源自多个光源(180)。然后将来自样品池的输出光信号输送至一个或多个分光计(186)，以测量输出光信号中代表性波长。然后比较分光计的输出和井下常见烃类的已知值。从而了解流体样品的组成。另外，可将光源发出的光直接输送至一个或多个用于对井下高温和噪声环境中的系统进行校准的分光计。
文档编号G01J3/10GK101375141SQ200780003751
公开日2009年2月25日 申请日期2007年1月24日 优先权日2006年1月26日
发明者宫下正树, 山手勉, 斯蒂法尼·范纽弗伦, 犬童健太郎, 纸谷明, 莱茵哈特·西格莱内克 申请人:普拉德研究及开发股份有限公司