包括无机复制光栅的井下光谱分析工具的制作方法

专利名称：包括无机复制光栅的井下光谱分析工具的制作方法
技术领域：
本发明涉及高温环境中的光谱分析。更具体地，本发明涉及使用用于 井下条件的光栅，所述光栅用于为勘探和开发例如诸如油井或气井这样的 产烃井的地下岩层评价和测试时进行宽谱分析的各种设备，例如光学光谱
仪(optical spectrometer)和可调谐激光工具。
背景技术：
井下流体分析是常用于确定含烃类沉积物地层的特征和性质的重要且 有效的研究方法。因而，通常油田勘探和开发包括井下流体分析，用于判 定油气藏的岩石物理、矿物学和流体性质。流体特性检定对于油气层经济 可行性的准确评价是必要的。
通常，在井下储层中会发现诸如油、气和水这样的流体的复杂混合物。 例如美国专利No.3,780,575、 No.3，859，851和No.6,476,384中披露了用于地 层流体分析的线缆式地层测试仪(wireline formation testing tool),在此引入它 们的全部内容作为参考。
在井下条件下地层流体的组成、压力和温度通常与在地面条件下不同。 例如，井中的井下温度可为300°F 。当井下流体样品传输至地面时，流体温 度易于发生变化，并伴随着体积和压力的变化。传输至地面所造成的流体 变化导致样品中气相和液相的相分离和地层流体组成特性的变化，以及其 它流体性质的变化。
鉴于地面分析地层流体的缺点，井下流体分析的最新进展包括在井筒 或井眼中于井下检测地层流体特性的方法。因而，从井眼抽取地层流体样 品用于地面分析的取样工具，例如Schlumberger的储层测试器(Reservoir Formation Tester)(RFT)和模块化地层动态测试器(Modular Formation Dynamics Tester)(MDT)可包括一个或多个流体分析才莫块，例如Schlumberger 的组成流体分析仪(Composition Fluid Analyzer)(CFA)和活动流体分析仪 (Live Fluid Analyzer)(LFA)，例如在流体仍处于井下时对所述工具获取的井 下流体样品进行分析。
在上述类型的井下流体分析模块中，将于井下进行分析的地层流体例 如流经流体与分析模块如光语仪模块相关联的传感器模块，所述光谱仪通 过红外吸收光谱分析流体。因而，可位于流体分析模块中的光学流体分析
仪(optical fluid analyzer)(OFA)可鉴定流动液流中的流体并量化油和水的含 量。美国专利No.4,994，671(在此引入其全文作为参考)描述了具有测试室、 光源、光谱检测器、数据库和处理器的井眼设备。如下分析从地层抽取到 测试室中的流体用光照射流体、检测透射光和/或背反射光的光谱、以及 处理该信息(根据数据库中有关不同光谱的信息)，以检定地层流体的特性。
另外，美国专利No. 5,167,149和No. 5,201,220(在此引入二者的全文作 为参考)描述了评估存在液流中的气体量的设备。棱镜安装到液流中的窗口 上，光透过棱镜射向窗口。检测并分析从窗口/液流界面以某些特定角度反 射的光，以指示液流中气体的存在。
如美国专利No. 5，266,800(在此引入其全文作为参考)所述，监测所得流 体样品的光学吸收谱一段时间能够允许确定何时地层流体而非泥浆滤液流 入流体分析模块。此外，如美国专利No. 5，331,156(在此引入其全文作为参 考)所述，通过在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(oil fraction )和水分率。
如上所述，石油工业已将光学系统用于井下条件。常用于井下工具的 光谱仪基于使用光带通滤波器的滤波阵列(FA)结构。光谱仪输入光分布在光 带通滤波阵列上，测量地层流体在数量固定的离散波长处的光吸收，离散 波长的数量受限于滤波器的数量。然而滤波光谱仪不适合以高的波长分辨 率精确测量烃类光谱。由于传统光谱仪采用光学带通滤波器将光分为光谱 分量，所以光谱分辨率不佳。因而，不可能利用传统型光谱仪以高的波长 分辨率进行精确的光谱分析。
尺寸和成本因素对于滤波光谱仪用于烃类流体井下分析的不适用性也
起到一定作用。传统光谱仪由于滤波器和透镜组而尺寸偏大，并且各测量 信道(channel)均需要光探测器。因而，传统光学带通光谱仪是昂贵的。 此外，除了传统光谱仪的成本之外，测量信道的数量受限于井下使用的带 通光谱仪中的可用空间。由于典型的井下工具具有有限的空间，所以测量 合适波长光谱范围所需的带通光谱仪的尺寸是井下使用的不利因素。
已知使用光栅的光谱仪用于地面用途，例如用于实验室，但就本申请
人所知，目前还没有适合井下使用的光栅光谱仪。在这方面，由于典型的
井下条件例如温度、压力等对于光i普仪是极端恶劣的操作条件，常规的地
面用光栅光谱仪不适合在油田作业中用于井下流体分析。
尽管已提出将光栅光谱仪用于井下，但所述光谱仪的实际实施存在困
难。在井下常见的高温(HT)环境中常规光栅的性能存在极大的局限性。

发明内容
鉴于上述背景和井下流体光谱分析领域已知的其它因素，本申请人认 识到对适用于井下条件光谱测量的井下光栅的需要。
本发明提供适于井下应用的方法和设备，所述方法和设备涉及烃类谐 波型(overtone mode)区域内的半连续光谱的覆盖范围，特别是有关井下地层 流体中烃类如CEU、 C2H6、 C3Hs等的近红夕卜(NIR)流体分析。通常称为光谱 仪的本发明的一种设备包括光学滤波器、狭缝、凹面镜、无机复制型光栅 (inorganic replica-type optical grating)和光探测器阵列，其中光栅基本上包括 一种或多种无机材料并用于在高温环境下提供光的衍射。如本申请所述，
术语"井下高温环境"是指高于环境温度的井下温度，通常约在so。c以上，
井下压力通常为约100到约2000 bar,密度为300到1300kg m入粘度为约 0.1到约1000mPas。
本发明的另一种设备可包括可调谐激光装置。有利地，为在井下条件 下测量烃类光谱，选择该设备的部件例如用于井下流体光谱分析的衍射元 件，用于高温应用。
一方面，本发明使用作为衍射元件的一个或多个基本上由无机材料构 成的无机复制型光栅，提供井下条件下的连续光谱评估。在本发明的另一 个方面，可调谐井下光谱分析通过具有促动衍射元件(actuated diffmctive dement)的基于光栅的工具实现，所述基于光栅的工具包括本发明的基本为 无机的复制型光栅。
作为本发明的一个特征，光栅波长范围选自烃类光谱所在的约1600nm 到约1800nm,从而为本发明井下光谱分析设备的一个实施例提供有利的应 用。优选地，选择具有扩充波长的光探测器阵列，例如铟-镓-砷(InGaAs)型 光探测器阵列。例如通过电子设备、有效冷却系统和软件消除高温下光探 测器的暗流(dark current)和灵#文度变化。
在本发明的一个实施例中，流体分析才莫块，例如Schlumberger用于MDT 地层工具的超流分析仪(UltraFluid Analyzer)(UFA)，鉴定模块流动管线中的 流体样品并通过光谱分析测定流体样品的性质。因而，本发明的一个有利 方面在于一种或多种合适的设备，例如可调谐光谱仪和/或可调谐激光设备， 用于测量约1600nm到约1800nm波长范围内烃类光谱的UFA。
的基底，沟槽密度小于约5000沟槽/mm。在本发明的 一 个方面，针对约200nm 到约4000nm的波长，设置沟槽密度。在本发明的其它方面，设置光栅，用 于对井眼中流体进行波长约400nm到约1000nm的井下荧光测量，用于通 过井眼中波长约1400nm到约21 OOnm的吸收光语进行井下流体分析，以及 用于在井眼中通过流体的染色注入(dye injection)进行井下化学感应。
在另一个实施例中，光栅包括复制型光栅，用于在大于或等于8(TC的 温度下进行高温应用。光栅可包括金属涂层并构造为用于反射入射光。在 其它方面，光栅可构造为用于透射入射光。在本发明的一些实施方案中， 光栅的基底基本上包括选自玻璃、石英、蓝宝石、碳化硅和陶瓷的一种或 多种材料。光栅的沟槽密度可构造为用于包括烃类谐波型区域的光谱区域 中的光谱分析。
根据本发明的一种井下流体特性检定设备包括至少一个具有光栅的光
约200nm的光谱波长信道。井下设备的光栅可构造为16条波长信道，并且 设备包括用于探测光栅的16条波长信道的光探测器阵列。本发明的方面包 括光谱仪，其构造为用于井下流体的吸收光谱测量、用于井下流体的荧光 再发射测量，以及用于井筒流体的拉曼光谱测量。
在本发明的其它实施例中， 一种用于高温操作的光谱分析仪包括基 本为无机的光栅，用于井下高温下的光谱色散；光源，例如卤素灯、发光 二极管、可调谐激光和单色器中的一种或多种；且高温为高于或等于80°C。
本发明的其它优势和新颖特征将在随后的说明中阐述或者可由本领域 技术人员通过阅读本申请文件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例且为说明书的一部分。结合随后的说明， 附图示例并解释了本发明的原理。
图1A示意地示出了刻划型母光栅(ruled-type master grating)的制造工
艺
图1B和1C示意地示出了全息型母光栅(holographic-type master grating) 的一种制造工艺。
图1D示意地示出了全息型母光栅的正弦蚀刻工艺。
图IE示意地示出了形成在母光栅基底上的沟槽的离子蚀刻。
图2A和2B示意地示出了复制光栅的制造工艺。
图3为本发明的一种示例性操作环境的截面示意图。
图4为本发明的地层流体井下分析系统的一个实施例以及部署于井筒 中的示例性工具管柱的示意图。
图5示意地示出了具有流体分析模块的工具管柱的一个实施例，该流 体分析模块具有根据本发明的用于井下流体光谱分析的基于无机复制型光 栅的装置。
图6示意地示出了具有根据本发明的光栅光谱仪的光谱分析工具的一 个实施例。
图7示意地示出了根据本发明的无机复制型光栅光谱仪的 一个实施例。 图8示意地示出了根据本发明的可调谐反射光栅光谱仪的一个实施例。 图9用图表示出了根据本发明的可调谐无机复制型光栅光谱仪的实验 样机和其中示出了烃类谐波区域的商购光谱仪所测量的庚烷光谱的比较。
图10示意地示出了根据本发明的反射光栅光谱仪的另一个实施例。 图11示意地示出了根据本发明的反射光栅光谱仪的另一个实施例。 图12示意地示出了使用根据本发明 一 个实施例的透射光栅的光栅光语 仪的串列结构。
图13示意地示出了根据本发明的外腔可调谐激光。 图14示意地示出了使用根据本发明的反射光栅的单色器。 在所有附图中相同的标记指示类似的元件但不一定是相同的元件。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意地示出了具 体实施例，并将在本申请中对具体实施例进行详细说明。然而，应当理解 的是本发明不限于所披露的具体形式，而是覆盖落在所附权利要求所限定
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例和方面。为清楚起见，在说明书中没 有描述实际实施例的全部特征。显然应当理解的是，在任何这种实际实施 例的开发中，必须对于各种实施方式作出具体判断以实现开发者的具体目 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 对于受益于本申请内容的本领域技术人员是常规工作。
本发明预期采用光栅，例如无机复制光栅，用于井下环境下的光谱色
例如光谱仪、可调谐光源如激光、单色器等其它设备。预期本发明在线缆
(wireline )、生产测井、随钻测井(LWD)、永久性监测、钻探和测量应用以 及其它油田相关应用中具有适用性。特别地，本发明涉及在例如烃储层中 遇到的极端井下条件下的光谱分析以及涉及C02螯合和储水层控制的应用 中的光谱分析。
用于地面应用的现有光栅光谱仪依赖于两种类型的光栅，即在环氧树 脂薄膜上进行图案化的母型光栅和复制型光栅。
母型光栅通常制作在硬基底如玻璃或金属上，并且具有良好的热稳定 性。然而，母型光栅的制造工艺导致这种光栅价格昂贵。例如，采用全息
技术的母型光栅的构图复杂且昂贵,且由于制造工艺的复杂性，而可能难 以实现从一个光栅到另 一个的重复性(reproducibility )。
另 一方面，传统的复制型光栅在有机材料薄膜如环氧树脂上进行构图。 环氧树脂为在井下高温下易于分解的有机化合物。因而，传统的复制型光 栅不适合用于例如井下常见的高温环境。然而，复制型光栅比母型光栅便 宜，且各批次之间的重复性更可靠。
衍射光栅(无论母型还是复制型)的特征在于沟槽密度和光栅表面，所述 参数确定了光栅的色散性质和其固有的光学分辨率。本申请人注意到根据 本发明一个实施例的光栅的沟槽密度(grooveden)小于或等于2/lmax，其中1,
为光栅可操作的最大可能波长。本申请人认识到根据本发明用于井下应用 的合适的复制型光栅可根据前述数学关系构造，从而可实现经济且精确的
基于光栅的井下工具。另外，可调节沟槽形状以在特定的衍射级内优化光
栅的效率。可采用不同的构形，即矩形、闪耀(blazed)、正弦，光栅表面 的类型可为平坦型或凹面型即球形，或者其它更复杂的表面形状。最后， 像差的校正使光栅的特征在于，传统平面光栅具有平行沟槽，然而本发明 的光栅可制造不平行的沟槽以校正光学像差，即所述光栅是像差经校正的。
如前所述，光栅可根据制造工艺和材料，即有机或无机，划分为母型 光栅和复制型光栅。如图1A到1E所示，在母型光栅中沟槽直接成形在光 栅表面上。图l(A)示出了机械刻划母型光栅100的制造方法，其中金刚石 工具102在涂覆有诸如铝这样的金属108的基底106上形成平行沟槽的格 栅(network) 104。然而，在这种情况下，对沟槽密度、沟槽形状、像差校 正和平行沟槽的形成存在限制。
图l(B)和l(C)示出了可应用于平面光栅和凹面光栅的制造母型光栅 100的全息记录方法。该制造方法包括全息记录和沟槽成型。如图l(B)和 l(C)所示，在全息记录中，首先利用光敏树脂110涂覆基底106，然后，使 该基底106暴露于两条激光束形成的干涉条紋。可通过如图l(B)和l(C)所 示的两种光学方案进行全息记录。在一种方法中(图l(B))，两条平行激光束
干涉形成等同于机械刻划母型光栅的平行图案和等间距沟槽。在另 一 种方 法种(图1(C)),调整没有相对于基底106对称放置的两处激光源，以将密度 不均匀的曲面沟槽记录在光敏层110上，从而形成光栅像差经校正的沟槽 格栅。在本申请中未讨论两种其它方法，即消象散光栅(stigmatic grating)和 单色光栅(monochromator grating)。
图l(D)示出了全息母型光栅100的沟槽成形，该全息母型光栅100具 有直接蚀刻在光敏层上的正弦沟槽l(M。经过全息处理之后，印刷光敏树脂 112覆盖基底106。然后，可如下在光敏树脂112上进行沟槽成型通过化 学工艺蚀刻掉树脂112的一部分，从而在树脂上形成正弦波紋104。利用金 属层114涂覆树脂112,从而完成光栅100的制造。
图l(E)示出了用于母型光栅100的离子蚀刻方法。光敏树脂用作离子 蚀刻带波紋104的基底106的保护掩冲莫。各种形状的沟槽104可直接形成 在光栅基底106上。
图2(A)和2(B)示出了由母光栅100制造复制型光栅120。在本申请中， 如图2(A)和2(B)所示，复制型光栅为使用"母版"模制"复制品"而形成
的母型光栅的复型(replication )。图2(A)示出了由母版100制造复制型光栅 120。利用环氧树脂124覆盖复制基底122并将其压向母版100。然后使树 脂124硬化并凝固，并使基底122与其上的树脂124与母版100分离(如图 2(B)所示)。从而将母版100的沟槽126复制在树脂124上。施涂金属涂层 128完成图2(B)所示复制型光栅120。复制型光栅的优势在于与母型光栅相 比制造成本降低以及来自同一母版的复制品之间的保真度。
光栅光谱仪是用于对光进行光谱分析的设备或装置。光栅光谱仪提供 作为波长的函数的光功率密度的评价。如上所述，传统光栅光谱仪主要用 于地面即室溫(RT)应用。用于井下的光栅光谱仪例如在美国专利No. 5,166,747中被披露，在此引入其全文作为参考。
如本申请所用，术语"光谙学"(spectrosc叩y)是指光谱的形成和研究， 术语"光谱设备"包括用于形成和检验特别是电磁光谱可见区域内的光谱 的设备，包括但不限于光谱仪以及用于井下流体光谱分析的其它设备。术 语"母型光栅"是指形成在硬基底上的原始刻划光栅或全息光栅，术语"复 型光栅"是指由母型光栅制成的复制品。术语"无机"是指金属、玻璃、 碳化硅、陶瓷、石英、蓝宝石以及适于本申请所述目的的其它硬质无机材 料中的一种或多种，术语"无机复制型光栅"是指如下在基本上为无机的 基底上形成的光栅将外部母版的周期性结构转移到无机基底上，从而在 适于HT应用的基本上为无机的材料中形成沟槽。本申请所披露的无机光栅 可包括由合适的材料例如金属在带槽基底上形成的涂层，以在光栅上设置 反射表面。
本申请人认识到，对于井下应用，与现有滤波阵列(FA)工具构造相比， 光栅构造的实施提供了明显的优势。在本申请中，本申请人认识到基于光 栅的装置增加了可获得的光谱信道(spectral channel)数量。例如，光栅光
谱仪基于光栅构造提供较高的光谱信道密度。例如，结合超高密度光谱探 测器例如线性CCD，基于光栅的装置可提供大量光谱信道。
在本发明的另一个方面中，本申请人认识到本发明的光栅可以是可调 的。在这方面，可以促动光栅，从而光谱分析范围取决于光栅位置。在这 种情况下，根据光栅促动的分辨率，装置的光谱分析能力可扩展为近乎连 续的波道。
本申请人还认识到本发明的基于光栅的工具可提供提高的测量稳定
性。例如，在传统滤波阵列(FA)构造中，光进入分光计，被分离然后射向不
同的光学滤波器。从而，通过物理上和空间上不同的单元进行光谱分析。 相反，在本发明的光栅设备中，通过同一衍射元件即光栅且沿同一光学路 径分离波长，从而提高了光谱测量的稳定性。
本申请人在应用具有包括无机复制型光栅的衍射元件的新型基于光栅 的井下光谱分析工具时发现了惊人的结果。在这方面，本发明的系统预期 使用单个滤波元件的宽光谱覆盖范围。如上所述，传统复制型光栅采用相 似的工艺形成，不同的是图案转移到环氧基底上。本申请人认识到无机材 料例如二氧化硅玻璃、石英、蓝宝石、碳化硅、陶瓷比有机材料更耐高温。 有利地，所述无机材料具有非常高的热稳定性。
图3为本发明的示范性操作环境的截面示意图，其中服务车IO位于具 有井眼或井筒12的井场，井眼工具20在所述井眼或井筒12中悬吊于线缆 22的端部。图3示意地示出了应用本发明的一种可能的环境，并且本发明 还预期了其它操作环境。通常，井眼12包含流体例如水、泥浆滤液、地层 流体等的组合。如图3所示，在示范性布局中，通常相对于服务车10构造 和布置工具管柱20和线缆22。
地层测试器例如MDT具有两个明显的功能。通常，地层测试器进行压 力测试和地层流体取样。对于压力测试，地层测试器用于测量多个不同深 度处的地层压力以鉴定地层流体中的流层，例如气、油和水的边界。在取 样作业中，地层测试器从地层吸取或抽取气体样品或流体样品，并将吸取 的一个或多个样品输送至地面。
地层测试器例如MDT通常还包括一个或多个流体分析^^块，例如CFA 或LFA,所述流体分析模块用于分析地层测试器的流动管线(flowline)中 的地层流体。所述井下流体分析包括鉴定流动管线中的流体样品和通过例 如光谱分析测定流体的流体性质。
图4为根据本发明的地层流体井下分析和取样系统14的示例性实施 例，例如在服务车IO位于井场中时(图3中所示)。在图4中，井下系统14 包括井眼工具管柱20，该井眼工具管柱20可用于测试地层和分析来自地层 的流体的组成。井眼工具20通常从缠绕在地面绞盘16(图3中所示)上的多 芯测井电缆或线缆22较低的一端悬吊于井眼12(图3所示)中。测井电缆22 通常与地面电控系统24电连接，所述地面电控系统24具有用于井眼工具20的合适的电子设备和处理系统。
参考图5，井眼工具20包括封装图4和图5所示各种电子元件和模块 的细长主体26,所述电子元件和模块赋予井眼工具管柱20必需和期望的功 能。可选择性延伸的流体接收装置28和可选择性延伸的工具锚定构件30(图 4所示)分别布置在细长主体26的相对侧。流体接收装置28可操作地用于 选择性封闭或隔离井眼壁12的选定部分，以建立与邻近地层的压力或流体 连通。流体接纳装置28可为单探针模块29(示于图5)和/或封隔器模块31(示 于图5)。井下工具的实例披露于上述美国专利3,780,575、 3，859，851和 4,860,581,在此引入它们的全部内容作用参考。
一个或多个流体分析模块32设置在其中配置有一个或多个光谱分析工 具50的工具主体26中，以提供根据本发明的井下流体光谱分析。获自地 层和/或井眼的流体经过一个或多个流体分析模块32在流动管线33中流动， 然后可通过泵出模块38(图5所示)的端口排出。或者，可将流动管线33中 的地层流体引入一个或多个流体采集室34和36，例如l、 2%或6加仑样品 室和/或六个450 cc的多采样模块，用于接收和存放从地层获得的流体以用 于运输到地面。
流体接收装置、 一个或多个流体分析模块、流动路径和采集室，以及 井眼工具管柱20的其它操作元件可通过电控系统例如地面电控系统24(图4 所示)控制。优选地，电控系统24和置于工具壳体26中的其它控制系统例 如包括能够用于工具20中的地层流体光谱分析的处理器。
在本发明的各种实施例中，本发明的系统14优选包括可操作地与井眼 工具管柱20连接的控制处理器40。控制处理器40示于图4作为电控系统 24的元件。优选地，通过例如处于控制系统24中的处理器40中运行的计 算机程序实施本发明的方法。运行中，连接所述程序从而通过线缆式电缆 22例如从流体分析模块32接收数据，并将控制信号传输到井眼工具管柱 20的操作元件。
计算机程序可存储在处理器40的计算机用存储介质42中，或者可存 储在外接计算机用存储介质44中并根据需要与处理器40电连接。存储介 质44可为目前已知的存储介质中任意一种或多种，例如装入磁盘驱动器中 的磁盘，或任选的可读CD-ROM,或任何其它类型的可读装置，包括通过 交换型远程通信连接相连的远程存储装置，或适用于本申请所述目的和目 标的未来的存储介质。
在本申请的一些实施例中，本申请所披露的方法和设备可在
Schlumberger的地层测试仪即模块化地层动态测试仪(MDT)的一个或多个 流体分析模块中实施。本发明有利地提供对于地层流体井下光谱分析具有 增强的功能性的地层测试仪，例如MDT。因而，该地层测试仪可有利地结 合地层流体的井下光谱分析用于地层流体取样。
如上所述，石油工业已将光学系统用于井下条件。传统井下光谱仪采 用滤波阵列(FA)结构，从而允许评价取样流体在固定数量的离散波长处的光 吸收。各信道的中值波长由光学滤波器的传输特性确定。因而，由于仅能 通过改变滤波器来调节仪器，从而阻碍了在工具井下操作的同时进行调节， 因而不能够实现工具的波长覆盖范围的原位调节。为了适当地分析地层流 体的组成，要求1600nm到1800nm的烃类光谱的精确分析。井下流体的吸 收光谱分布在约200nm到约4000nm的波长范围内。因而，为了鉴定和计 算地层流体样品中的油分率和水分率，需要多个测量信道，例如优选多于5 条的测量信道以精确判定井下流体样品的组成。
图5示出了根据本发明的具有光谱分析系统50的工具管柱20的一个 实例。由从工具管柱20向外伸出与地层接触的探针29和/或封隔器31起动 取样作业。泵出模块38将地层流体抽取到工具管柱20的流动管线33中并 排放到泥浆中。在本发明的一个实施例中，模块32例如鉴定流动管线33 中的流体样品，以确定在流动管线中流动的流体的性质。模块:32例如可基 于光谱分析来计算水和油的体积百分率。模块32还可分析流体样品流入流 动管线33时的样品污染度和相分离度。有利地，流体分析模块32还可于 井下测定样品的流体性质，例如气油比(GOR)、流体组成等其它性质。
图6示意地示出了具有根据本发明的光栅的光谱分析系统50的一个实 施例。图7示意地示出了用于光谱分析系统50的根据本发明的无机复制型 光栅工具70的一个实施例。
参考图7,输入光谱仪组件70的光可产生于井下或者可来自地面(即通 过光纤束)。需要对输入光进行光谱分离以获取光谱信息。可能的应用包括 在井下地层和/或井下获取的地层流体中传播的光的光谱分析。特别是例如 通过红外(IR)光谱、光谱成像(spectral imaging)等分析井下流体性质的应用以 及其它可能的应用。图7的示例性描述可在例如使用反射型无机复制光栅、
透射型无机复制光栅的光谱仪结构中以及本发明预测的其它可能的实施方 式中实际实施。
参考图8,根据本发明的可调谐光栅光谱仪70的一个示范性实施例包 括光栅72和光探测器阵列74,所述光探测器阵列74具有多个光电二极管， 以使各光电二极管根据光栅取向对应于一个固定的中值波长。对于光栅不 可调的光谦仪，光栅取向固定，从而各象素/光电二极管的中值波长固定且 不可调。相反，在通过改变光栅取向而可调谐的光栅光谱仪中，可调节各 象素/光电二极管的中值波长。
例如可通过步进电机76的促动来改变光栅取向。合适的步进电机可用 于提供高的角分辨率，从而可精确调节光栅角度和被测波长。
参考图8，可调谐光栅光谱仪70包括可调光栅72,例如本发明的无 机复制型光栅72,其中配置有伺服电机76以驱动可调光栅72;光探测器 阵列74;狭缝78;和镜80。例如光经由合适的光学滤波器82例如长通 (longpass )光学滤波器穿过狭缝78进入光谱仪70。如图8所示，输入光 被凹面镜80反射和聚焦并入射到光栅72上。光栅72使光发生衍射并将衍 射光送回反射镜80。通过反射镜80将衍射光反射并聚焦到光探测器阵列 74上。从而，在光探测阵列74上生成输入光的光谱(从较短波长至较长波 长的连续光谱)。光探测器阵列74的象素/单元将输入光的光谱分量分开。 波长分辨率取决于光栅波长规格和光探测器阵列74的象素/单元数量。
图9示出了在实验室中采用本发明的可调谐光栅光谱仪和商购光谱仪 测量庚烷光语的比较。图9中的虚线表示可调谐光栅光谱仪试验样机的光 谱数据，实线表示商购光谱仪的数据。因而，本发明的一些实施例预期可 获得近红外(NIR)流体分析所需的烃类谐波型区域中的光谱覆盖范围。如图 9所示烃类谐波型区域在约1600nm到约1800nm范围内。
图10和图11为根据本发明的反射型光栅光谱仪的另一些示例性实施 例。图10示出了具有凹面光栅72的光谱仪70的一个实例。图10的实施 例包括狭缝78、凹面光栅72，例如本发明的无机复制型光栅、以及光探测 器阵列74。例如，图10中的光栅72可以是根据本发明的经过像差校正的 固定无机复制型光栅。图10的实施例有利于减小光谱仪的尺寸，仅要求光 栅的精确定向以提供光谱分析所需的波长。
图11示意地示出了示范性单片光栅光谱仪70，其中光栅72如本发明 的无机复制型光栅可位于光学块84的凸面上。如图11所示，光探测器阵
列74可位于所述光学块84的另一面上，光入射狭缝78可位于所述光学块 84的第三面上。图11的光栅光谱仪不需要调节，但需要精确加工以制造光 学块84。
图12示意地示出了用于井下光谱分析的本发明的透射型可调光栅的一
本发明可调谐无机复制型光栅的激光光谱分析设备的一种可能的构形。图 14示意地示出了使用根据本发明的反射型可调光栅的单色器。
尽管随后讨论本发明制造无机复制型光栅的两种方法，然而其它方法 也落在本发明的范围内。在使用溶胶凝胶法的传递模塑中，由沉积在基底(图 2(A)所示)上的无机凝胶代替传统复制型光栅中的环氧树脂层。然后将母光 栅压在凝胶上，从而形成光栅周期性结构。然后加热基底和凝胶，凝胶形 成其中印有母版构图的硬质固体表面。例如在美国专利6,849,209、 6,849,350 和6,740,366中描述了不同的凝胶组成和工艺步骤，在此引入它们的全部内 容作为参考。由于凝胶在高于300。C的温度下固化，因而形成高温稳定结构。
在近场全息方法中，通过光学方法进行母型周期性结构的传递。在本 申请中，母光栅包括相掩模光栅(phase mask grating)。在美国专利No. 6，693，701中描述了该方法，在此引入其全部内容作为参考。该方法利用近 场全息将母光栅周期性结构传递到覆盖有光敏树脂的基底上。然后对树脂 进行显影，可通过任意适当的方法蚀刻基底，从而形成光栅沟槽。最终的 光栅为单片式。在一个实施例中，基底可为低热膨胀玻璃，从而产生高的 热稳定性。
上述方法提供与传统复制型光栅类似的低制造成本和与传统母型光栅 相当的热稳定性。因而，所述无机复制型光栅可有利地用于本申请所述类 型的井下光栅工具。特别地，无机复制型光栅与可调光栅结构结合用于地 层流体的井下光谱分析提供了以传统光栅光谱仪结构不可能获得的意外结 果。
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 不限制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原理及其实际应用。 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例和方面，
以及以适当的改进用于所预期的具体用途。本发明的范围意欲由所附权利 要求限定。
权利要求
1. 一种具有光谱分析模块的井下工具，包括:复制光栅，其包括其中具有沟槽的基本上为无机的基底，所述沟槽具有构造为用于约200nm到约4000nm的波长的光栅沟槽密度。
2. 如权利要求1所述的井下工具，其中 所述沟槽密度为约50沟槽/mm到约5000沟槽/mm。
3. 如权利要求1所述的井下工具，其中 所述沟槽密度为约100沟槽/mm到约600沟槽/mm。
4. 如权利要求1所述的井下工具，其中所述光^H勾造为用于对井眼中的流体进行波长从约400nm到约 1000nm的井下荧光测量。
5. 如权利要求1所述的井下工具，其中约2100nm的井下流体分析。
6. 如权利要求1所述的井下工具，其中所述光栅构造为用于在井眼中通过流体的染色注入进行井下化学感应。
7. 如权利要求1所述的井下工具，还包括光源，其包括卣素灯、发光二极管、可调谐激光和单色器中的一种或 多种。
8. 如权利要求1所述的井下工具，其中所述光栅构造为用于在高于或等于80。C的温度下进行高温应用。
9. 如权利要求8所述的井下工具，其中所述光栅还包括金属涂层，且所述光栅构造为用于反射入射光。
10. 如权利要求8所述的井下工具，其中 所述光栅构造为用于透射入射光。
11. 如权利要求1所述的井下工具，其中所述光栅基底基本上包括选自玻璃、石英、蓝宝石、碳化硅和陶瓷的 材料。
12. 如权利要求1所述的井下工具，其中 所述光栅沟槽密度构造为用于包括烃类谐波型区域的光谱区的光谱分析。
13. —种井下流体特性检定设备，包括至少一个光谱仪，其具有基本上由无机材料制成的光栅，所述光栅构 造为至少五条波长分别大于或等于约200nm的光谱波长信道。
14. 如权利要求13所述的井下流体特性检定设备，其中 所述光栅包括复制型光栅，该光栅基本上包含选自玻璃、石英、蓝宝石、碳化硅和陶资中的一种或多种材料。
15. 如权利要求14所述的井下流体特性检定设备，其中 所述光栅具有金属涂层并构造为用于反射入射光。
16. 如权利要求15所述的井下流体特性检定设备，其中 所述光栅具有大致为平面的反射表面。
17. 如权利要求15所述的井下流体特性检定设备，其中 所述光栅具有大致为凹面的反射表面。
18. 如权利要求14所述的井下流体特性检定设备，其中 所述光栅构造为用于透射入射光。
19. 如权利要求14所述的井下流体特性检定设备，其中 所述光栅为可调光栅。
20. 如权利要求13所述的井下流体特性检定设备，其中 所述光栅构造为用于在包括烃类谐波型区域中的波长的波长范围中操作。
21. 如权利要求20所述的井下流体特性检定设备，其中 所述波长范围包括约1600nm到约1800nm的波长。
22. 如权利要求13所述的井下流体特性检定设备，其中 所述光栅构造为16条波长信道， 所述设备还包括构造为用于探测所述光栅的16条波长信道的光探测器阵列。
23. 如权利要求13所述的井下流体特性检定设备，其中 所述光栅包括沟槽密度小于约5000沟槽/mm的沟槽。
24. 如权利要求13所述的井下流体特性检定设备，其中 所述光栅包括复制型光栅，该光栅构造为用于在高于或等于80。C的温 度下进行高温应用。
25. 如权利要求13所述的井下流体特性检定设备，其中 所述至少一个光镨仪构造为用于井下流体的吸收光谱测量。
26. 如权利要求13所述的井下流体特性检定设备，其中 所述至少一个光谱仪构造为用于井下流体的荧光再发射测量。
27. 如权利要求13所述的井下流体特性检定设备，其中 所述至少 一 个光谱仪构造为用于井下流体的拉曼光谱测量。
28. —种用于在高温下操作的光谱分析仪，包括 基本上为无机的光栅，其在井下高温中用于光谱色散； 光源；所述光谱分析仪构造为用于在高于或等于80°C的高温下和约200nm到 约4000nm的波长范围内操作；以及所述光栅具有小于或等于2/波长^的沟槽密度，其中波长"表示光栅 的最大工作波长。
29. 如权利要求28所述的用于在高温下操作的光谱分析仪，其中 所述光源包括单色器。
30. 如权利要求28所述的用于在高温下操作的光谱分析仪，其中 所述光源包括可调谐激光。
全文摘要
提供包括无机复制光栅的井下光谱分析工具，该系统采用作为衍射元件的无机复制型光栅(72)，该光栅在井下高温环境中提供宽的光谱覆盖范围。
文档编号G01J3/12GK101384887SQ200780003769
公开日2009年3月11日 申请日期2007年1月24日 优先权日2006年1月26日
发明者寺林彻, 山手勉, 斯蒂法尼·范纽弗伦, 犬童健太郎 申请人:普拉德研究及开发股份有限公司