用于基于可調濾光器的井下光譜儀的方法與裝置的制作方法

專利名稱：用于基于可調濾光器的井下光譜儀的方法與裝置的制作方法
技術領域：
本發明總體上涉及烴井下采樣的領域，尤其涉及利用可調濾光器 進行的對烴樣本的井下和現場表面高分辨率光鐠，其中可調濾光器用 于測量和估計來自井下地層的流體的物理和化學屬性。
背景技術：
在油氣工業中，地層測試工具用于監視沿井筒的地層壓力，從該 井筒獲得地層流體樣本并預測該井筒周圍儲藏的性能。這種地層測試 工具一般包含細長的主體，該主體具有逆著井筒中感興趣地帶密封推 進的彈性封隔器，以便將地層流體樣本收集到位于工具中的存儲室中。
在井筒的鉆孔過程中，鉆孔液體("泥漿，，)用于使鉆孔過程更容 易并維持井筒中的壓力大于該井筒周圍地層中的流體壓力。當鉆到壓 力異常高的地層中時，這是尤其重要的。如果鉆孔中的流體壓力下降 到低于地層壓力，就會有井噴的危險。根據地層類型和所使用的鉆孔 液體，由于這種壓力差，鉆孔液體會深入或侵入地層變化的徑向厚度 (通常稱為侵入帶)。地層測試工具從期望的地層或感興趣的地帶取 回地層流體，測試取回的流體，以確保所取回的流體基本上是沒有泥 漿濾液的，并將這種流體收集到與工具關聯的一個或多個室中。如果 鉆孔中的流體壓力下降到低于地層壓力，就會有井噴的危險。根據地 層類型和所使用的鉆孔液體，由于這種壓力差，鉆孔液體會深入或侵 入地層變化的徑向厚度(通常稱為侵入帶)。地層測試工具從期望的 地層或感興趣的地帶取回地層流體，測試取回的流體，以確保所取回 的流體基本上是沒有泥漿濾液的，并將這種流體收集到與工具關聯的 一個或多個室中。所收集的流體被帶到地面上并進行分析，以確定這 種流體的屬性并確定收集到這種流體的地帶或地層的情況。大部分地層測試工具通常都具有的一個特征是流體采樣探測器。 這可以包括機械地壓到鉆孔附近巖層上的耐用橡膠墊，該墊子壓得足 夠緊，以形成液壓密封。穿過墊子是金屬管延長出來的一端，該金屬 管也與地層接觸。這個管子("探測器")連接到樣本室，樣本室又連 接到泵，泵的工作將減小附裝探測器的壓力。當探測器中的壓力下降 到低于地層流體的壓力時，地層流體將通過探測器吸到井筒中，在采 樣之前沖洗侵入的流體。在有些地層測試中，流體識別傳感器確定來
自探測器的流體什么時候主要包含地層流體；然后，由閥門、管子、 樣本室和泵組成的系統使得有可能恢復一個或多個流體樣本，當采樣 設備從鉆孔收回后，該樣本可以被取回并分析。
在它們存在于地層中的相同情況下，期望只收集未被污染的流 體。通常，取回的流體被鉆孔液體污染。這可能會由于釆樣墊與鉆孔 壁之間不好的密封而發生，使得鉆孔液體滲漏到探測器中。由鉆孔液 體形成的泥餅可能允許一些泥漿濾液持續侵入并在墊子周圍滲漏。即 使當存在有效密封的時候，鉆孔液體(或者是鉆孔液體的某些成分) 也可能"侵入，，地層，尤其如果地層是孔隙地層的話，并且與原生地層 流體一起吸入到采樣探測器中。
授予Safinya等人的美國專利No.4，994,671公開了一種設備，其 中對流體的可見及近紅外區(IR)分析是在鉆孔中進行的，這主要是 為了確定所泵流體什么時候達到其最小濾液污染并值得收集到樣本槽 中，該樣本槽隨后將被帶回地面。由于組分分子的分子振動或旋轉， 物質電磁頻譜的紅外線部分(0.8至25jim波長區域，或者等價地12,500 至400cm —"皮數)包含吸收特征。吸收由基頻(發生在從2.5至25.0 微米的中紅外區域中的單量子躍遷)和組合頻帶及諧波(發生在從0.8 至2.5微米的中和近紅外區域中的多量子躍遷)引起。這些吸收的位 置(頻率或波長)包含關于材料中存在的分子結構類型的信息，而且 吸收強度包含關于所存在分子類型量的信息。為了識別和量化成分或 屬性而使用光語中的信息需要執行校準，以確立吸光率和要估計的成 分或屬性之間的關系。對于其中單獨組分的吸收之間發生大量交迭的復雜混合物，這種校準必須利用各種化學計量數據分析方法來實現。
在復雜混合物中，所取回流體中的每種組分通常導致對應于不同 振動運動的多種吸收特征。首先，對不同成分分子之間任何相互作用
(例如，氫鍵結合)的混合光i普的影響是可以忽略的，因此遵守了比 耳定律，而且，隨著組分濃度的變化，這些吸收的強度都將以線性方 式一起改變。這些特征假定具有在頻率(或波長)域中關聯的強度。 這種關聯允許從不顯示這種關聯的不相關頻讒特征和隨機頻鐠測量噪 聲精確地區分出這些吸收。從不關聯吸收率信號分離關聯吸收率信號 的線性代數計算構成了例如多重線性回歸(MLR )、主成分回歸(PCR) 和偏最小二乘(PLS)技術的基礎。如眾所周知的，PCR從本質上講 是回歸分析之前的主成分分析(PCA)的分析數學過程。
PCR和PLS已經用于估計元素和化學組成，而且在較小程度上 還用于根據它們的中或近紅外頻鐠估計固體、液體和氣體的物理或熱 力學屬性。利用化學計量從其近紅外頻譜推斷原油物理和化學屬性的 一些例子在1988年的英國專利2，217，838A中給出，其中光譜是在實 驗室中利用高分辨率(2nm步長大小)光譜儀獲得的。 一般來說，化 學計量方法包括[1一組代表性樣本的中紅外或近紅外光譜的收集； [21對光譜數據的數學處理，以便提取最佳關聯的獨立波長(MLR)， 或者主成分或偏最小二乘隱變量(例如，上述關聯的吸收率信號)； 及[3這些光鐠變量相對組成和/或屬性數據的回歸，以便建立多元模 型。因而，新樣本的分析包括其光鐠的收集，關于回歸和回歸等式應 用中所使用的光鐠變量對光鐠的分解，以便計算組成或屬性。
在Safinya等人的專利中，可見和近紅外光穿過流體樣本。然后， 光鐠儀(實際上就是具有IO個位于不同中心波長的濾光器的濾色光度 計)測量發射和反向散射光的頻譜，由于知道入射光的頻譜，因此樣 本的發射和反向散射吸收光譜可以確定。利用水的吸收光譜，及氣體、 原油和精制油以及鉆孔液體的吸收光鐠的特定例子，執行最小二乘分 析，該分析將觀察到的光語建模為其成分光語的加權和，最小二乘分 析關于各種成分的權重給出了流體的組成。因為無論哪個例子都是選擇原油和濾液頻鐠來進行最小二乘擬合的，所以Safinya方法假設原 油和包括受污染地層流體混合物的濾液的光鐠是相同的。但是，當第 一次測試任何含烴地帶時，由于原油光i普的高可變性，因此該假設是 有問題的。
目前， 一般的井下光鐠儀實際上是濾色光度計。它們使用固定的 單色干擾濾光器，由于制造干擾濾光器技術的現有狀態，該干擾濾波 器的帶通分辨率限于至多是llnm半幅全寬，因此在少數選定的中心 波長(例如，10到24個不同的濾光器)提供了相對低的光語分辨率。 這些濾光器不適于區分緊密的光鐠峰值或者識別其光譜峰值間距遠小 于llnm的同位素。因此，需要一種適于烴樣本的井下和現場表面光 鐠分析的具有更高分辨率的分析技術。

發明內容
所公開的是一種用于提供來自井筒的樣本的光譜數據的采樣工 具，該工具具有用于收集樣本并將樣本的至少一部分置于樣本室中的 采樣裝置；該樣本室包括至少一個用于詢察(interrogate)樣本并向 控制器提供樣本分析數據的熱可調光學傳感器，該控制器從樣本分析 數據產生樣本的光譜數據。
還公開了一種用于提供來自井筒的樣本的光譜數據的方法，該方 法包括從井筒收集樣本；將樣本的至少一部分置于樣本室中，該樣本 室具有至少一個用于詢察樣本并向控制器提供樣本分析數據的熱可調 光學傳感器；用一系列通帶的波長發射照射樣本；檢測該系列，產生 檢測信號；將檢測信號提供給處理器；及處理該檢測信號，提供光譜 數據。
另外，還公開了一種存儲在機器可讀介質上并具有提供來自井筒 的樣本的光鐠數據的指令的計算機程序產品，指令用于從井筒收集樣 本；將樣本的至少一部分置于樣本室中，該樣本室具有至少一個用于 詢察樣本并向控制器提供樣本分析數據的熱可調光學傳感器；用一系 列通帶的波長發射照射樣本；檢測該系列，產生檢測信號；將檢測信號提供給處理器；及處理該檢測信號，提供光鐠數據。
為了接下來的具體描述可以更好地理解，并且為了它們對本領域 的貢獻可以得到理解，本發明某些特征的例子已經在這里相當廣義地 進行了概述。當然，本發明還有將在下文中描述并且將構成所附權利 要求主題的其它特征。


為了本發明的具體理解，應當聯系附圖參考以下的具體實施方 式，附圖中相同的元素給予相同的編號，其中
圖l描述了利用采樣工具在井筒中采樣的各方面； 圖2描述了采樣工具的各方面； 圖3描述了樣本室；
圖4提供了微調熱可調光學傳感器的概述； 圖5是描述熱可調光學傳感器部件的框圖6A和6B,統稱為圖6，描述了可調光發射器的一種實施方式 的各方面；
圖7A和7B，統稱為圖7，描述了另一可調光發射器的一種實施 方式的各方面；
圖8描述了發射對波長；
圖9描述了熱可調光學傳感器的各種調諧狀態；
圖10對濾波器描述了圖9的各種調諧狀態；
圖11和圖12描述了熱可調光學傳感器部件的各方面；
圖13A至圖13F,統稱為圖13，描述了用在采樣工具中的熱可
調光學傳感器的各種實施方式；及
圖14描述了用于提供光語數據的示例過程的各方面。
具體實施例方式
這里的教義通過使用至少一個選自各種實施方式的熱可調光學
傳感器提供了高分辨率光譜(HRS)。可調光學傳感器的例子包括熱可調光學傳感器、Fabry-Perot、抱怨(Complaint)微機電系統及其 它。傳感器用于估計、確定或量化釆自地層流體的樣本的多個方面。 估計、確定和量化是通過光鐠的收集和光i普分析實現的。收集是在井 筒11或可能期望的"頂邊"中進行或完成的。
如在此所公開的，比其它實施方式提供某些好處的傳感器的一種 實施方式是熱可調光學傳感器。因此，這里的公開內容總體上是參考 熱可調光學傳感器及其實施方式。但是，應當認識到熱可調光學傳感 器的使用不是對這里教義的限制。例如，在有些實施方式中，對熱可 調光學傳感器的參考實際上可能期望和包括多個熱可調光學傳感器。 在其它實施方式中，熱可調光學傳感器可以與其它傳感器一起使用， 如Fabry-Perot濾光器。
熱可調濾光器的一種非限制性例子在于2005年2月10日發表的 標題為"Very Low Cost Narrow Band Infrared Sensor"的美國專利申 請發行號US/2005/0030628 Al中公開，該申請的全部內容在此引入作
為參考o
現在轉向圖1，描述了沿稱為"井筒"ll的穿透長度的地球10的 截面圖。通常，井筒11至少部分地充滿著包括水、鉆孔潤滑液及地層 流體的液體混合物，其中地層流體是井筒11所穿透的地球地層所固有 的。井筒11中懸桂在繩索12底端的是地層流體采樣工具20。繩索12 常常通過由鉆架14支撐的滑輪13運送。繩索12的展開和取回一般是 通過由工程車15攜帶的動力絞盤完成的。
采樣工具20的示例性實施方式由圖2示意性地說明。采樣工具 20 —般包括通過螺套或彼此壓縮的連接23首尾連接到一起的幾個工 具部件的組裝。適于本發明的工具部件的組裝可以包括液壓動力單元 21和地層流體提取器22。在提取器22的下面，提供了用于路線清洗 的大容量泵24。在大容量泵24的下面，是具有被定量監視的較小置 換容量的類似小容量泵25。通常， 一個或多個樣本槽模塊部分26組 裝在小容量泵25的下面。每個模塊部分26—般都包括至少一個流體 樣本槽30。在這種實施方式中，地層流體提取器22包括與支撐臂28對立的 可延伸取樣探測器27。取樣探測器27和對立的支撐臂28都是可液壓 延伸的，以便牢固地銜接井筒11的壁。采樣工具20的構造和工作細 節在本領域中是眾所周知的。因此，對采樣工具20各方面的進一步討 論通常在這里就忽略了。
樣本室的各方面在圖3中描述。 一般來說，在采樣工具20中有 樣本室301。在此所給出的非限制性實施方式中，樣本299置于樣本 室301中。樣本299被熱可調光學傳感器300照射。盡管熱可調光學 傳感器300的各方面將在下面更具體地討論，但是在圖3中，熱可調 光學傳感器300 —般包括可調光發射器120和檢測器108。作為概述， 可調光發射器120產生一些帶寬的紅外(IR)光，其中心波長是可調 的而且在穿過樣本299以后可以被檢測器108檢測到(即，.基于光的 前置濾波的光鐠儀)。IR的波長穿過樣本299。熱可調光學傳感器300 的調諧提供了對樣本299的詢察，以確定樣本299中感興趣組分的存 在及其它方面。可選地， 一束白光可以首先穿過樣本299，然后只有 一部分發射光將穿過熱可調濾光器并照射到檢測器108上(即，基于 光的后置濾波的光譜儀)。
熱可調光學傳感器300耦合到一般用于信號處理的設備。不作為 限制，示例設備包括處理器、電源、存儲器、儲存器、輸入設備和輸 出設備。由于信號處理設備在本領域中是已知的，而且其本身不是本 發明的一部分，因此對這種設備的進一步討論通常在這里就忽略了。
盡管在此所公開的是關于紅外區域的紅外發射和工作，但是應當 認識到熱可調光學傳感器300可以在其它波長工作。例如，熱可調光 學傳感器300可以在近紅外區域工作。事實上，盡管本實施方式參考 在紅外(IR)區域中的工作，但這里的教義還可以使用其中樣本中感 興趣組分具有吸收帶的任何波長發射。因此，在此IR的使用僅僅是 用于說明本發明的各方面，而不是對其進行限制。
此外，如在此所使用的，"感興趣組分"通常是指樣本299的化學 成分。感興趣組分一般是熱可調光學傳感器300所選的化學成分。例如，在一種實施方式中， 一氧化碳(CO)是感興趣組分。在這種實施 方式中，CO具有位于大約4.7nm的主吸收帶。由于熱可調光學傳感 器300具有有限的有用光工作范圍，因此熱可調光學傳感器300選成 具有中心在大約CO吸收帶的，或者大約4.7nm的，光工作范圍。這 種關系的各方面在圖4中更具體地描述。
在圖4中，示出了一系列不同通帶的發射305。所描述的這一系 列通帶發射305指示熱可調光學傳感器300光工作范圍308的至少一 部分。這一系列通帶發射305的生成在光工作范圍308上通過在此稱 為"微調，，也可以稱為"掃頻，，的處理在發射器120中發生。熱可調光學 傳感器300 —般是通過利用濾光器過濾掉寬帶發射來調諧的，其中該 濾光器有選擇地使中心在大約第一波長的第一通帶發射通過，然后調 諧該寬帶發射的過濾，以便有選擇地使中心在大約按增量較大(或較 ,小)的第二波長的第二通帶發射通過。因此，熱可調光學傳感器300 可以在光工作范圍308上被調諧。感興趣組分的吸收帶304吸收這一 系列通帶發射305中至少一個關聯通帶發射的至少一部分。因此，檢 測用于通帶發射的信號的檢測器108將信號信息傳遞到處理器。處理 器采用已知的信號處理技術來確定例如信號中衰減(稱為"下降")的 任何變化的顯著性。該顯著性可以關聯到例如，但不限于，化學特性 和濃度的各方面。
因此，本領域技術人員將理解可以采用多個熱可調光學傳感器 300來提供對樣本299的綜合性光語分析。即，這多個傳感器中的每 一個都可以選擇用來分析樣本200的特定方面。在這種實施方式中， 處理器提供對樣本數據的聚合并提供綜合性的光鐠分析數據。
盡管這里的教義提供了利用熱可調光學傳感器300的高分辨率光 譜儀，但假設在至少有些情況下，術語"高分辨率"可以是主觀術語。 為了所給出的公開內容，高分辨率光譜通常是指對電磁頻鐠的中-紅外 區域有一般比100納米好而對近紅外區域有一般比10納米好的分辨 率。但是，這個通用規律不是對教義的限制。例如，在此處所公開內 容的實際應用中，術語"高分辨率，，可以指提供感興趣組分足夠分離與分辨率的光i普性能。因此，盡管本領域技術人員可能認為小于100nm 是理想的，但這種性能可能不總是需要的。例如，在有些情況下，從 詢察感興趣組分得到的信號可以在很大程度上與其它通常出現的感興 趣組分隔開。在這些情況下，包括任選帶寬中的分辨率可能不是必需 的，其中該任選帶寬對于其它評估可能是期望的。
此外，繼續考慮分辨率，術語"通帶，，不是對這里教義的限制。即， 在此所使用的"通帶"通常提供在熱可調光學傳感器300微調過程中所 產生波長帶之間的區別。在實際當中，波長的通帶可以不是非常窄， 尤其是當在與這些教義不相關的其它應用的環境下考慮時。可以肯定 地說， 一系列通帶的(波長)發射305提供了 (該系列中)足夠的區 別并且支持可接受性能等級的光譜。在實際當中，波長通帶真正的半 幅全寬將依賴于很多約束，例如熱可調光學傳感器300的構造和工作 條件(例如，溫度)。
因此，本領域技術人員將理解，至少一個熱可調光學傳感器300 的使用可以提供關于樣本299中至少一種感興趣組分的確定。 一般來 說，多個熱可調光學傳感器包括在儀器中，用于樣本299的分析。在 這些實施方式中，多個熱可調光學傳感器300中的每一個都具有中心 在大約特定的感興趣波長并且可以關于該波長進行微調的工作范圍 308，該感興趣波長與組分的已知吸收帶關聯。以這種方式，相對均質 樣本299的組分可以確定。
現在更具體地轉向熱可調光學傳感器300，用于說明熱可調光學 傳感器300工作的一個主要例子是CO氣敏傳感器，它使用可調光發 射器120 (TOE)來指引窄帶紅外(IR)光通過氣體樣本并照射到檢 測器108上。熱可調光學傳感器300通常調制IR光的波長往返通過 CO光鐠吸收特征，即，從大約4500nm到大約4700nm。
如以下更具體描述的，TOE 120包括通過很少或者沒有熱耦合的 接近或者通過直接集成與熱可調光學傳感器300關聯的黑體發射器， 從而使發射器與濾光器熱耦合。在圖5中，虛線框118代表發射器102 和可調濾光器104之間的關聯，以便形成可調光發射器120 (TOE)。一般來說，TOE 120在兩種主要實施方式的一種中實現。
在TOE 120的第一種實施方式中，具有恒定輸出頻鐠和幅值的 固定發射器提供了到可調濾光器104的背光照明。發射器102和可調 濾光器104可以布置在單個包裝中，例如罐子或本領域中已知的其它 合適的電子包裝。可調濾光器104—般包括用于調諧的加熱機制(例 如，電阻器)，其中該加熱機制獨立于發射器102。發射器102 —般 是處于恒定的相對高的溫度(例如，在大約500°C到大約10，000°C之 間)，以便提供強發射。相反，可調濾光器104的溫度一般要低得多， 并在(例如，從大約25。C到大約4000。C的)溫度范圍上變化。該變 化提供調諧。0.6nm/°C的波長-溫度調諧率對于鍺材料和中-IR設計是 典型的。 一般來說，波長-溫度調諧率對于鍺是中心波長的1.3E-04次 方/。C，而對于硅是中心波長的6E-05次方/。C。
在發射器102安裝到可調濾光器104附近的情況下，其中濾光器 104具有結合到其中的獨立加熱機制，發射器102通常與可調濾光器 104至少有一些熱隔離，以避免調諧中的偏差。熱隔離可以通過多種 技術實現，包括在元件之間提供足夠的距離及通過適當的包裝。
如圖6A中所示，提供金屬拋物線、橢圓或其它形狀的背光反射 器60，以便集中IR發射并將其指引到可調濾光器104的孔，這一般 來說可以提高發射器102的功效。如圖6A中所示，橢圓形反射器60 可以用于將來自發射器102的光重新聚焦到可調濾光器104的輸入孔。 圖6B顯示在掃描過程中，通過使用第一加熱電路131,發射器102的 溫度保持基本恒定。相反，通過使用獨立的第二加熱電路132，可調 濾光器104的溫度是周期性循環的。
在圖7A中所描述的是TOE 120的第二種實施方式，在此稱為集 成TOE 121 (ITOE)，它包括通過最小隔離或者通過將可調濾光器 104直接連接到發射器102上與IR發射器的熱耦合，其中直接連接例 如通過使用焊接材料或者其它固定技術。就象對于TOE 120的第一種 實施方式，ITOE 121的發射器102和可調濾光器104也可以布置在單 個包裝中，例如罐子或本領域中已知的其它合適的電子包裝。 一般來說，反射器60是拋物線形的并且包括在ITOE121中，以便指引發射。 熱耦合使得可調濾光器104可以直接由發射器102加熱(從而進行調 諧)。因此，可調濾光器104不需要內部的或獨立的加熱機制。盡管 熱耦合可以包括輻射耦合和電導耦合中的至少一種，但一般釆用輻射 耦合，因為輻射耦合允許溫度關于時間的更大變化。
在這種實施方式中，發射器102的溫度是周期性變化的，而不是 工作在恒定的溫度。溫度范圍一般是在大約800°C至大約1000°C之 間。這一般會造成可調濾光器104通過大約100°C至大約400°C之間 的熱耦合加熱。對于這種關系的示例性加熱廓線在圖7B中描述。發 射器102的溫度范圍與可調濾光器104的溫度范圍之間的關系是通過 適當的結構和度量并通過為可調濾光器104提供吸收可調濾光器104 不發射波長的適當層來布置的，由此增強到發射器102的耦合。
這種實施方式的其它版本可以使用不同的溫度范圍與關系。有利 地，只有一個加熱機制用于發射器102。因此，完全集成的可調光發 射器121可以制造得非常小。
眾所周知，如圖8所示，隨著黑體發射器溫度的上升，在任何給 定波長的發射也將上升。因此，可能希望ITOE 121的輸出也隨著調 諧的進行(該調諧的各方面在圖9中示出)而上升。輸出功率中的這 種變化通常是不期望的，尤其如果變化過大的話。但是，由于鍺的透 射性隨著其溫度的上升而下降，因此對于使用鍺薄膜的可調濾光器 104來說，當發射器102加熱(并由此調諧)可調濾光器104時，透 射性的下降有助于抵消增加的黑體照明，從而導致恒定或基本恒定的 輸出強度，如圖10所示。特別地，可調濾光器104也是黑體發射器， 它進一步促進關于溫度的整體強度增加。這些因素可以結合，以^t當 TOE 120掃描通過期望的波長時，為TOE 120產生恒定或接近恒定的 輸出強度。小的輸出變化可以通過本領域中已知的電子技術在檢測器 108或者在其后進行補償。
利用固有的熱光屬性，CO氣體傳感器利用熱機制調諧TOE 120 和ITOE 121中的至少一個。利用薄膜沉積的已知技術，例如電子束沉積、'減射和等離子體增強化學氣相沉積(PECVD) ， TOE 120和 ITOE 121的制造相對來說是不昂貴的。此外，可以實現相對簡單的設 計變化，以便提供寬的帶寬范圍。因此，對于IR可調濾光器來說， 將TOE結合到化學傳感器中是一種低成本和可大量制造的方法，而 且可以應用到寬的目標波長范圍。
回過頭來參考圖5， CO氣體傳感器100的一種實施方式包括黑 體發射器102、可調濾光器104、樣本室299、檢測器108和控制器110。 黑體發射器102向可調濾光器104提供寬帶黑體輻射。控制器110使 可調濾光器104掃描其穿過對應于CO吸收廓線的波長范圍的發射。 可調濾光器104過濾來自發射器102的光，從而產生具有也掃描穿過 相同波長范圍的頻鐠的過濾光。來自可調濾光器104的過濾光進入多 路徑氣室106，該氣室106設計成允許過濾光多次穿過樣本室299中 的氣體樣本。在光穿過樣本之后，檢測器108接收來自樣本室299的 光，并產生對應于所接收光的檢測信號。控制器110分析該檢測信號， 以確定是否存在吸收峰值。
為了長使用壽命、低成本和強烈的IR輸出，各種可選的發射器 結構也可以選擇。 一般來說，為了提供有效的工作，最小可能的發射 器102是理想的。這種發射器102包括導電摻雜的硅芯片、薄硅膜、 象碳的菱形薄膜或者金屬線圏或細絲(如在此所使用的，"膜"可以包 括單個薄膜層，或者也可以包括彼此層疊到一起的多個薄膜層)。Cr
與Ni、 Fe或Al的合金(例如，"鎳鉻鐵合金"或"坎塔爾鐵鉻鋁系高電 阻合金，，)是金屬線圏或細絲發射器的很好選擇，因為它們可以長時間 地工作在1000°C或更高的空氣中，而不需要將以別的方式阻擋大約 4000nm至大約5000nm之間IR發射的窗戶。
黑體發射器102可以包括具有微米級特征結構的硅表面，從而導 致與簡單的硅膜相比有些更窄的黑體頻譜。因為更少的帶外IR能量 被浪費，所以更窄的黑體頻語允許提供給發射器的功率的更有效利用。
可調濾光器104 —般是熱光濾光器，在吸收特征范圍內提供帶通 發射響應。總的來說，在此所述的可調濾光器104是為電信行業并為處于或接近1500nm應用所開發的帶通濾光器。如已知的，這些濾光 器可以是單個或多個腔，Fabry-Perot線型或平頂線型，而且可以工作 在各種帶寬。這種濾光器可以通過利用內部導電薄膜或金屬電阻薄膜 的加熱或冷卻來調諧。在此所述的實施方式將主要為用在1.5微米并 使用非晶硅而開發的這種技術擴展到用在氣體傳感及其它形式傳感的 3-12微米的更長波長。除了由于鉻在中-IR波長的超級透射性與鉻的 更大波長-溫度調諧率而在中-IR應用的許多情況下鉻一般代替硅使用 之外，基本原理是非常相同的。
對于中IR范圍的使用(大約是2至5微米波長)，可調濾光器 104是由沉積到硅絕緣體(SOI)晶片上的鉻與一氧化硅的薄膜制成的。 這種薄膜濾光器是利用眾所周知的方法設計和制作的。例如，在一種 實施方式中，可調濾光器104利用三個共振腔的薄膜結構設計，大約 有20層，并在4.55微米波長顯示大約0.1微米寬(100nm )的"方形，， 發射區域，其中在該發射區域中濾光器104大約可以透射90%。腔的 特定個數、層數及維度的設置僅僅是為了描述而給出的示例情況，其 它構造也可以4吏用。
現在參考圖11和圖12，如圖所示，可調濾光器104的實施方式 包括一個通常稱為"T08"罐包裝170的小容器。可調濾光器104安裝 到集管160上，其中集管160充當罐包裝170的基部。引線結合將可 調濾光器104上的加熱環162連接到集管130中的引線。位于罐子161 的頂部和集管160上的阻擋濾光片144只允許從大約4000nm至大約 5000nm帶寬內的光通過，由此排除了無關的帶外光。
可調濾光器104是通過改變其溫度來調諧的。在具有4.45微米中 心波長的基于鉻的濾光器的說明性情況下，中心波長隨溫度的變化系 數是大約每°C 0.6nm或者每100°C 60nm。 CO吸收帶具有從大約 4420nm至大約4900nm的雙峰值結構。感測通過調諧存在于從大約 4450nm至大約4570nm的CO吸收峰值附近的斜面上的可調濾光器 104發生，調諧范圍是大約120nm。這個調諧范圍暗示大約200°C溫 度范圍上的濾光器溫度調諧。波長變化的其它選擇也可以用于特定的應用(即，檢測其它化學品)或者用于解決特定問題。例如，C02吸
收特性剛好發生在CO吸收峰值的短波長一側，因此兩個稍高波長之
間的調諧可以避免來自于C02吸收的干擾。
盡管熱可調光學傳感器300的所述實施方式使用可調發射器102 來提供用于檢測化學吸收峰值的光鐠變化，但利用可選配置的其它實 施方式也可以使用。光化學傳感器的各種實施方式現在在圖13A至 13F中示出。
圖13A中的實施方式描述了在可調濾光器104的位置關于發射器 102的調諧。黑體輻射源150 (發射器102)產生寬鐠(即，寬帶)IR 輻射。熱光可調的薄膜濾光器152 (可調濾光器104 )置于這個源150 的前面，而且相關聯的電路關于各種波長設置掃描濾光器152。過濾 后的輻射154穿過包含待測量樣本299的樣本室301，而且在輻射穿 過樣本299之后寬帶檢測器158測量輻射的強度。關聯電路關于波長 測量輻射強度中的衰減("下降，，)，以確定特定的化學成分是否存在 于樣本299中，而且如果有，則從下降的幅度確定該化學成分的濃度。 濾光器152和源150沒有熱耦合，因此可調濾光器152包括獨立于源 150的用于改變濾光器152溫度的加熱元件。在一種實施方式中，該 加熱元件包括沉積到濾光器152上的薄膜金屬環。
圖13B描述了圖7的配置，其中發射器150結合到濾光器152。
圖13C所示實施方式與圖7實施方式的區別在于可調濾光器172 位于檢測器162附近。黑體輻射源170產生寬鐠IR輻射。該寬帶輻 射穿過包含樣本299的樣本室301,且關聯電路(未示出)掃描熱光 可調的薄膜濾光器172，以便允許不同波長的寬帶輻射到達寬帶檢測 器174。寬帶檢測器174測量來自濾光器172的過濾后的IR輻射的輻 射強度。關聯電路關于其波長測量輻射強度中的"下降"，以確定特定 的化學成分是否存在于樣本299中，而且如果有，則從下降的幅度確 定該化學成分的濃度。
圖13D所示的實施方式將可調濾光器和檢測器耦合到一起，形成可 調光學檢測器(TOD)。這種實施方式使用黑體輻射源180來產生寬語IR輻射。該寬帶輻射穿過包含樣本299的樣本室310。在穿過樣本299 之后，熱光可調薄膜濾光器與寬帶熱檢測器182的組合接收該寬帶輻射。 關聯電路(未示出)加熱濾光器/檢測器182，以便掃描不同的波長，同 時將加熱濾光器/檢測器182所需的功率數量記錄到對應的溫度。當越少 的IR輻射到達濾光器/檢測器182時(即，當樣本299吸收一部分IR光 時)，需要越多的能量來改變濾光器/檢測器182的溫度(并由此改變其 波長)。外部電路使用這個能量差來計算樣本299的化學成分濃度。
如果濾光器自己不輻射太多黑體輻射以至于可以覆蓋附近的檢 測器，則TOD配置是有用的，其中濾光器由于其調諧機制而必須加 熱。包含TOD部件的包裝可以充滿例如氙的氣體，以便改善熱電堆 檢測器的響應。
圖13E的實施方式使用黑體發射器黑體檢測器/熱光可調濾光器 的單個組合190。該組合被加熱，以便發射波長掃描通帶紅外輻射。 這個輻射借助角反射器192兩次穿過包含樣本299的樣本室301。背 反射的輻射在黑體發射器/檢測器組合190中被過濾并吸收。類似于圖 13D中所示的實施方式，關聯電路(未示出)加熱組合190，以便掃 描不同的波長，同時將加熱組合190所需的功率數量記錄到對應的溫 度。當越少的IR輻射到達組合190時，需要越多的能量來改變組合 190的溫度(并由此改變其波長)。外部電路使用這個能量差來計算 樣本299的化學成分濃度。
圖13F的實施方式使用組合的黑體發射器/檢測器200來產生穿 過包含樣本299的樣本室301的寬帶IR輻射。熱光可調的薄膜濾光 器202反射該IR輻射的通帶部分。關聯電路(未示出)在波長中掃 描濾光器202。在輻射向后穿過樣本299之后，黑體發射器/檢測器200 再次吸收該IR輻射反射的通帶部分。類似于圖13D所示的實施方式， 關聯電路(未示出)加熱發射器/檢測器200，以便掃描不同的波長， 同時將加熱發射器/檢測器200所需的功率數量記錄到對應的溫度。當 越少的IR輻射到達發射器/檢測器200時，需要越多的能量來改變發 射器/檢測器200的溫度(并由此改變其波長)。外部電路使用這個能量差來計算樣本299的化學成分濃度。
總的來說，圖13A至圖13F中所述的實施方式是緊密關聯的， 不同類型的發射器和檢測器用在不同的波長。在中IR波長，低成本 發射器包括黑體熱源(例如，熱的電線和導電薄膜)，而低成本檢測 器包括非制冷的熱電堆或焦熱電設備。在近IR波長，低成本發射器 包括LED，而低成本檢測器是例如PIN光電二極管的光子檢測器。在 近IR波長，源和檢測器比用于中IR波長的源和檢測器有效得多。
作為實際的問題，這些因素約束了可調光學檢測器(圖13D和 13E)實現對近IR (小于2000nm)中有用波長的使用，其中與所測 量到的IR輻射相比，來自加熱到大約200°C至大約300°C濾光器的 輻射將不會覆蓋檢測器。對于在2000nm諧波帶的(例如)<:02的光 譜，或者具有在1400nm至1800nm范圍中吸收的其它痕量氣體，可 以使用TOD。在這些較短的波長，由于黑體發射器將需要不切實際的 高溫來充當有效的近IR源，因此一般的發射器包括LED。
因為熱的濾光器將覆蓋置于幾毫米間隔之內的熱電堆檢測器，所 以對于較長的波長，例如4600nm, TOD可能是不現實的。在這種情 況下，可調光發射器(圖13B)配置是更好的選擇。
在可選實施方式中也使用可調濾光器(圖13A和圖13C)配置， 在該配置中包裝的可調濾。光器以既不和發射器也不和檢測器關聯的方 式置于光學系統中。不管是實現為TOE、 TOD還是TOF,在此所述 的實施方式都基于可調濾光器。
再次轉向熱可調光學傳感器300在分析井下流體中的使用，本領 域技術人員將認識到樣本室301可以制作成考慮高粘性流體或者樣本 299的其它這些方面。即，樣本299的抽吸可以擠出流體薄膜。該薄膜 可以通過高透射性材料(例如，光學性能玻璃)的使用與熱可調光學傳 感器300物理地隔開。在有些實施方式中，熱可調光學傳感器300在支 持浸入樣本299的外罩中提供，由此提供分析過程中更大的靈敏度。
因此，可以實現利用熱可調光學傳感器300的光鐠測量，來確定或 估計原油或氣體樣本中化學成分組(芳香經、烯烴、飽和烴)的克分子分數或百分比。這種測量可以用于確定或估計或直接測量井筒11
中地層流體的氣油比(GOR)。
這里的教義還提供了熱可調光學傳感器300在多種實施方式中的 使用。例如，在一種實施方式中，熱可調光學傳感器300與采樣工具 20—起使用，來提供實時數據。應當指出，如在此所使用的，數據"實 時，，生成的意思是在產生、實驗、驗證及用戶所選其它類型的調查或使 用處理過程中或者同時數據以對作出決定有用或足夠的速率生成。作 為非限制性的例子，實時測量與計算可以向用戶提供在鉆井處理過程 中作出期望調整所必需的信息。在一種實施方式中，調整(以鉆井速 率)持續地啟用，而在另一種實施方式中，為了對數據的評估，調整 可能需要鉆井的周期性停止。因此，應當認識到"實時，，應當根據上下 文理解，而不一定指示數據的即時確定，或者作出關于數據收集與確 定的時間頻率的任何其它建議。
在其它實施方式中，熱可調光學傳感器300用于提供對遠程取回 并傳輸到獨立儀器的樣本室301中的樣本299的分析。作為這些其它 實施方式的例子，熱可調光學傳感器300可以在手動工具、野外工作 臺設備、實驗室設備中或者作為聯機處理設備釆用。更具體而言，本 發明適于在勘探底座、管道、精煉廠及實驗室的至少一個中使用。
多種確定或估計可以通過這里教義的應用實現。根據這些教義產 生的光傳數據可以包括，但不限于，以下任何一個或多個光語測量 結果與物理屬性(API重力、濁點、泡點、瀝青質沉淀壓力，等等) 的關聯；原油的化學屬性(酸值、鎳、釩、硫、汞，等等)，天然氣 (即，不溶于液體)中甲烷同位素之比"C嚴C;原油的植烷/姥鮫烷之 比的確定結果或估計結果；不溶于原油的H2S的確定結果或估計結果 (100%H2S的NIR吸收率是非常弱的，因此10ppm H2S的吸收率更 弱)；估計原油樣本包含濕氣還是干氣(d對C" C3、 C4);甲烷氣 體中C02或溶于原油的C02的確定結果或估計結果；水的同位素之比 170/180的確定結果或估計結果；獲得"合成的"過程規模(course-scale ) 的氣體色譜(Q、 C2、 C3的包絡線，這是油的碳值分布)；在其仍溶于液態原油中的時候對甲烷氣體同位素13c/12c的確定結果或估計結
果；井筒11中油基泥漿濾液污染物百分比的確定結果或估計結果，尤 其如果基礎油是沒有芳香烴(不象原油)但富含烯烴(也不象原油)的 話；及芳香烴、烯烴(不可能出現在原油中但是在OBM濾液中很普通 的化學成分類)、飽和烴、甲烷、乙烷、丙烷、丁烷的量化結果。盡管 這是配備熱可調光學傳感器300的釆樣工具20能力的基本列表，但這 個列表不能認為是窮盡的，它僅僅是說明在此教義的各個方面。
此外，這里的教義還提供從例如最小二乘法、化學計量或神經網 絡的軟模型推導相關等式，以便推斷樣本地層流體或其它流體的物理 和化學屬性，之前認為井筒11中的光鐠是不可能做到的。這些教義利 用快速執行高分辨率光鐠或波長調制光鐠的能力來找出在另 一峰值肩 部的光語峰值或者大大改善信噪比并使得有可能觀察到關于低分辨率 的傳統中紅外(MIR)和近紅外(NIR)光鐠的細小變化(例如，百 萬分之10-20 (ppm) H2S-之前當執行井筒11中的光鐠時，這是不 可能的)。為了提高靈敏度并允許弱吸收氣體的痕量檢測，波長調制 光i普可以象在美國專利申請20050099618的等式1至9中所描述的那 樣使用，該申請的全部內容在此引入作為交叉參考。
此外，這里的教義還提供辨析13C甲烷氣體與12C甲烷氣體之間 極其細小的光i瞽差異(假設壓力沒有高到使這些峰值的過多壓力增寬 到它們融合的程度)。
由于熱可調光學傳感器300的高工作溫度，預期井筒11中的環 境溫度是不成問題的。但是，在有些實施方式中，采樣工具20包括吸 附制冷或另一制冷機制，來克服高溫環境下工作的任何溫度問題。一 般來說，對于吸附制冷，熱可調光學傳感器300放置成與(液態或水 合物)水源有熱接觸。當水從液態蒸發或者由水合物釋放時，熱可調 光學傳感器300變冷。結果產生的水蒸汽被吸附劑吸收，吸附劑在這 個過程中變熱。吸附劑將其額外的熱量傳遞給井筒流體，其中吸附劑 通過采樣工具20的外軍與井筒熱接觸。
此外，因為熱可調光學傳感器300是物理強壯的，所以根據這里教義制作的采樣工具20很好地適于嚴寒環境。即，熱可調光學傳感器 300對于振動及井下監視的其它方面相當不敏感，而有些現有技術的 系統對這些方面是敏感的。
圖14描述了示例光鐠過程1400的各方面。在圖14中，對釆自 井筒11的樣本299提供光諳數據需要收集樣本1410、將樣本的至少 一部分沉積到樣本室301中1420、利用一系列通帶的波長發射照射樣 本1430;利用檢測器檢測系列1440，以產生檢測信號；將檢測信號提 供給處理器1450;及處理該檢測信號，以便提供光鐠數據1460。
為了支持這里的教義，可以有包括軟件的各種計算機部件，來提 供對在此所公開光i普裝置與方法的操作和分析。因此，可以認為這些 教義可以實現為存儲在計算機可讀介質上的一組計算機可執行指令， 其中計算機可讀介質包括ROM、 RAM、 CDROM、閃存或任何其它 計算機可讀介質，現在已知的或未知的，當這些指令執行時，使計算 機實現本發明的方法。這些指令可以提供設備工作、控制、數據收集 和分析及用戶認為相關的其它功能。
關于如何開發儲藏(井的位置、生產設備的類型，等等)的數十 億美元的決定是基于多種因素的，例如儲藏是否是劃區的。盡管薄膜 可以用于將氣與液體隔開，以便執行氣體同位素的比率分析，但是還 有可能利用對液態原油的植烷/姥鮫烷之比的分析或者通過使用任何 其它區分特征來評估區劃，其中其它區分特征例如流體光譜中能夠利 用具有執行高分辨率光譜能力的采樣工具20分辨的任何不期望的細 小差異。因此，這里的教義提供了提供期望能力的采樣工具20。
盡管前面的公開內容針對本發明的示例實施方式，但各種修改對 于本領域技術人員是顯然的。預期在所附權利要求范圍之內的所有變 更都可以由前面的公開內容包含。為了接下來的具體描述可以更好地 理解并且為了它們對本領域的貢獻可以得到理解，本發明更多重要特 征的例子已經相當廣義地進行了概述。當然，本發明還有將在其后進 行描述并構成所附權利要求主題的其它特征。
權利要求
1、一種用于提供樣本的光譜數據的井下工具，該工具包括熱可調濾光器。
2、 如權利要求1所迷的井下工具，還包括 發射器，用于產生沿穿過樣本室的光路行進的寬帶光； 檢測器，用于產生對應于該檢測器所接收光的檢測信號，其中該檢測器位于光路中。
3、 如權利要求2所述的井下工具，還包括反射器。
4、 如權利要求2所述的井下工具，其中發射器生成工作范圍之 內的一系列通帶發射。
5、 如權利要求4所述的井下工具，其中工作范圍的中心大約在 所述樣本中感興趣組分的吸收帶處。
6、 如權利要求1所述的井下工具，其中光譜數據包括以下中的 至少一個光鐠測量結果與物理屬性和化學特性中一個的關聯；同位素比和同位素量中的至少一個；植烷與姥鮫烷之比的確定結果和估計結果中 的至少一個；溶解的H2S量的確定結果和估計結果中的至少一個；合 成的過程規模的氣體色譜；油基泥漿濾液污染物百分比的確定結果和 估計結果中的至少一個；及樣本中芳香烴、烯烴、飽和烴、甲烷、乙 烷、丙烷和丁烷中至少一種的量化結果。
7、 如權利要求1所述的井下工具，其中樣本包括水、鉆孔液體 和地層流體的混合物。
8、 如權利要求1所述的井下工具，其中樣本室包括在手動工具、野外工作臺設備、實驗室設備和聯機處理設備的一個中。
9、 一種用于提供井下樣本的光譜數據的方法，該方法包括以下步驟利用熱可調濾光器用 一 系列通帶的波長發射照射樣本；檢測這一系列發射；及處理檢測到的發射，以便提供光語數據。
10、 如權利要求9所述的方法，其中照射步驟包括 產生具有第一波長頻i脊的光；及有選擇地過濾該頻鐠，以便產生包括一 系列通帶波長發射的過濾光。
11 、 如權利要求9所述的方法，其中照射步驟包括在工作范圍 上微調該 一 系列通帶的波長發射。
12、 如權利要求11所述的方法，其中工作范圍至少部分地與 樣本中感興趣組分的吸收帶關聯。
13、 如權利要求9所述的方法，其中提供光譜數據包括利用釆 樣工具來提供該光譜數據。
14、 如權利要求9所述的方法，其中提供光鐠數據包括使用手 動工具、野外工作臺設備、實驗室設備和聯機處理設備中的一種。
15、 如權利要求9所述的方法，其中提供光譜數據包括至少一個關聯光譜測量結果與物理屬性；確定化學特性；確定同位素比和同 位素量中的至少一個；確定和估計植烷與姥鮫烷之比的至少一個；確定 和估計溶解的H2s成分中的至少一個；提供合成的過程規模的氣體色 譜；確定和估計油基泥漿濾液污染物百分比中的至少一個；及量化樣本 中芳香烴、烯烴、飽和烴、甲烷、乙烷、丙烷和丁烷中的至少一種。
16、 如權利要求9所述的方法，其中樣本包括水、鉆孔液體和 地層流體的混合物。
17、 如權利要求9所述的方法，其中產生過濾光包括改變可調 濾光器的溫度來產生 一 系列通帶的波長發射。
18、 一種存儲在機器可讀介質上并包括用于提供井下樣本的 光譜數據的指令的計算機程序產品，該指令用于利用熱可調濾光器用 一 系列通帶的波長發射照射樣本； 檢測這一系列發射；及 處理檢測到的發射，以便提供光譜數據。
全文摘要
熱可調光學傳感器用在對來自井筒的樣本進行分析的采樣工具中。熱可調光學傳感器生成一系列通帶的波長發射并檢測其信號中的衰減。所檢測到的衰減被處理并用于確定樣本的各方面。分析可以(在井筒外面)遠程地、(在鉆井過程中或以別的方式)在井筒里面或者作為例如流體管理、運輸和精煉的另一處理的一部分完成。
文檔編號E21B49/10GK101427114SQ200780013450
公開日2009年5月6日 申請日期2007年2月21日 優先權日2006年2月23日
發明者R·迪弗吉奧 申請人:貝克休斯公司