包括無機復制光柵的井下光譜分析工具的制作方法

專利名稱：包括無機復制光柵的井下光譜分析工具的制作方法
技術領域：
本發明涉及高溫環境中的光譜分析。更具體地，本發明涉及使用用于 井下條件的光柵，所述光柵用于為勘探和開發例如諸如油井或氣井這樣的 產烴井的地下巖層評價和測試時進行寬譜分析的各種設備，例如光學光譜
儀(optical spectrometer)和可調諧激光工具。
背景技術：
井下流體分析是常用于確定含烴類沉積物地層的特征和性質的重要且 有效的研究方法。因而，通常油田勘探和開發包括井下流體分析，用于判 定油氣藏的巖石物理、礦物學和流體性質。流體特性檢定對于油氣層經濟 可行性的準確評價是必要的。
通常，在井下儲層中會發現諸如油、氣和水這樣的流體的復雜混合物。 例如美國專利No.3,780,575、 No.3，859，851和No.6,476,384中披露了用于地 層流體分析的線纜式地層測試儀(wireline formation testing tool),在此引入它 們的全部內容作為參考。
在井下條件下地層流體的組成、壓力和溫度通常與在地面條件下不同。 例如，井中的井下溫度可為300°F 。當井下流體樣品傳輸至地面時，流體溫 度易于發生變化，并伴隨著體積和壓力的變化。傳輸至地面所造成的流體 變化導致樣品中氣相和液相的相分離和地層流體組成特性的變化，以及其 它流體性質的變化。
鑒于地面分析地層流體的缺點，井下流體分析的最新進展包括在井筒 或井眼中于井下檢測地層流體特性的方法。因而，從井眼抽取地層流體樣 品用于地面分析的取樣工具，例如Schlumberger的儲層測試器(Reservoir Formation Tester)(RFT)和模塊化地層動態測試器(Modular Formation Dynamics Tester)(MDT)可包括一個或多個流體分析才莫塊，例如Schlumberger 的組成流體分析儀(Composition Fluid Analyzer)(CFA)和活動流體分析儀 (Live Fluid Analyzer)(LFA)，例如在流體仍處于井下時對所述工具獲取的井 下流體樣品進行分析。
在上述類型的井下流體分析模塊中，將于井下進行分析的地層流體例 如流經流體與分析模塊如光語儀模塊相關聯的傳感器模塊，所述光譜儀通 過紅外吸收光譜分析流體。因而，可位于流體分析模塊中的光學流體分析
儀(optical fluid analyzer)(OFA)可鑒定流動液流中的流體并量化油和水的含 量。美國專利No.4,994，671(在此引入其全文作為參考)描述了具有測試室、 光源、光譜檢測器、數據庫和處理器的井眼設備。如下分析從地層抽取到 測試室中的流體用光照射流體、檢測透射光和/或背反射光的光譜、以及 處理該信息(根據數據庫中有關不同光譜的信息)，以檢定地層流體的特性。
另外，美國專利No. 5,167,149和No. 5,201,220(在此引入二者的全文作 為參考)描述了評估存在液流中的氣體量的設備。棱鏡安裝到液流中的窗口 上，光透過棱鏡射向窗口。檢測并分析從窗口/液流界面以某些特定角度反 射的光，以指示液流中氣體的存在。
如美國專利No. 5，266,800(在此引入其全文作為參考)所述，監測所得流 體樣品的光學吸收譜一段時間能夠允許確定何時地層流體而非泥漿濾液流 入流體分析模塊。此外，如美國專利No. 5，331,156(在此引入其全文作為參 考)所述，通過在預定的能量下對液流進行光密度(OD)測量，可量化兩相液 流的油分率(oil fraction )和水分率。
如上所述，石油工業已將光學系統用于井下條件。常用于井下工具的 光譜儀基于使用光帶通濾波器的濾波陣列(FA)結構。光譜儀輸入光分布在光 帶通濾波陣列上，測量地層流體在數量固定的離散波長處的光吸收，離散 波長的數量受限于濾波器的數量。然而濾波光譜儀不適合以高的波長分辨 率精確測量烴類光譜。由于傳統光譜儀采用光學帶通濾波器將光分為光譜 分量，所以光譜分辨率不佳。因而，不可能利用傳統型光譜儀以高的波長 分辨率進行精確的光譜分析。
尺寸和成本因素對于濾波光譜儀用于烴類流體井下分析的不適用性也
起到一定作用。傳統光譜儀由于濾波器和透鏡組而尺寸偏大，并且各測量 信道(channel)均需要光探測器。因而，傳統光學帶通光譜儀是昂貴的。 此外，除了傳統光譜儀的成本之外，測量信道的數量受限于井下使用的帶 通光譜儀中的可用空間。由于典型的井下工具具有有限的空間，所以測量 合適波長光譜范圍所需的帶通光譜儀的尺寸是井下使用的不利因素。
已知使用光柵的光譜儀用于地面用途，例如用于實驗室，但就本申請
人所知，目前還沒有適合井下使用的光柵光譜儀。在這方面，由于典型的
井下條件例如溫度、壓力等對于光i普儀是極端惡劣的操作條件，常規的地
面用光柵光譜儀不適合在油田作業中用于井下流體分析。
盡管已提出將光柵光譜儀用于井下，但所述光譜儀的實際實施存在困
難。在井下常見的高溫(HT)環境中常規光柵的性能存在極大的局限性。

發明內容
鑒于上述背景和井下流體光譜分析領域已知的其它因素，本申請人認 識到對適用于井下條件光譜測量的井下光柵的需要。
本發明提供適于井下應用的方法和設備，所述方法和設備涉及烴類諧 波型(overtone mode)區域內的半連續光譜的覆蓋范圍，特別是有關井下地層 流體中烴類如CEU、 C2H6、 C3Hs等的近紅夕卜(NIR)流體分析。通常稱為光譜 儀的本發明的一種設備包括光學濾波器、狹縫、凹面鏡、無機復制型光柵 (inorganic replica-type optical grating)和光探測器陣列，其中光柵基本上包括 一種或多種無機材料并用于在高溫環境下提供光的衍射。如本申請所述，
術語"井下高溫環境"是指高于環境溫度的井下溫度，通常約在so。c以上，
井下壓力通常為約100到約2000 bar,密度為300到1300kg m入粘度為約 0.1到約1000mPas。
本發明的另一種設備可包括可調諧激光裝置。有利地，為在井下條件 下測量烴類光譜，選擇該設備的部件例如用于井下流體光譜分析的衍射元 件，用于高溫應用。
一方面，本發明使用作為衍射元件的一個或多個基本上由無機材料構 成的無機復制型光柵，提供井下條件下的連續光譜評估。在本發明的另一 個方面，可調諧井下光譜分析通過具有促動衍射元件(actuated diffmctive dement)的基于光柵的工具實現，所述基于光柵的工具包括本發明的基本為 無機的復制型光柵。
作為本發明的一個特征，光柵波長范圍選自烴類光譜所在的約1600nm 到約1800nm,從而為本發明井下光譜分析設備的一個實施例提供有利的應 用。優選地，選擇具有擴充波長的光探測器陣列，例如銦-鎵-砷(InGaAs)型 光探測器陣列。例如通過電子設備、有效冷卻系統和軟件消除高溫下光探 測器的暗流(dark current)和靈#文度變化。
在本發明的一個實施例中，流體分析才莫塊，例如Schlumberger用于MDT 地層工具的超流分析儀(UltraFluid Analyzer)(UFA)，鑒定模塊流動管線中的 流體樣品并通過光譜分析測定流體樣品的性質。因而，本發明的一個有利 方面在于一種或多種合適的設備，例如可調諧光譜儀和/或可調諧激光設備， 用于測量約1600nm到約1800nm波長范圍內烴類光譜的UFA。
的基底，溝槽密度小于約5000溝槽/mm。在本發明的 一 個方面，針對約200nm 到約4000nm的波長，設置溝槽密度。在本發明的其它方面，設置光柵，用 于對井眼中流體進行波長約400nm到約1000nm的井下熒光測量，用于通 過井眼中波長約1400nm到約21 OOnm的吸收光語進行井下流體分析，以及 用于在井眼中通過流體的染色注入(dye injection)進行井下化學感應。
在另一個實施例中，光柵包括復制型光柵，用于在大于或等于8(TC的 溫度下進行高溫應用。光柵可包括金屬涂層并構造為用于反射入射光。在 其它方面，光柵可構造為用于透射入射光。在本發明的一些實施方案中， 光柵的基底基本上包括選自玻璃、石英、藍寶石、碳化硅和陶瓷的一種或 多種材料。光柵的溝槽密度可構造為用于包括烴類諧波型區域的光譜區域 中的光譜分析。
根據本發明的一種井下流體特性檢定設備包括至少一個具有光柵的光
約200nm的光譜波長信道。井下設備的光柵可構造為16條波長信道，并且 設備包括用于探測光柵的16條波長信道的光探測器陣列。本發明的方面包 括光譜儀，其構造為用于井下流體的吸收光譜測量、用于井下流體的熒光 再發射測量，以及用于井筒流體的拉曼光譜測量。
在本發明的其它實施例中， 一種用于高溫操作的光譜分析儀包括基 本為無機的光柵，用于井下高溫下的光譜色散；光源，例如鹵素燈、發光 二極管、可調諧激光和單色器中的一種或多種；且高溫為高于或等于80°C。
本發明的其它優勢和新穎特征將在隨后的說明中闡述或者可由本領域 技術人員通過閱讀本申請文件或實施本發明而獲知。本發明的優勢可通過 所附權利要求列舉的方式實現。


附圖示例本發明的優選實施例且為說明書的一部分。結合隨后的說明， 附圖示例并解釋了本發明的原理。
圖1A示意地示出了刻劃型母光柵(ruled-type master grating)的制造工
藝
圖1B和1C示意地示出了全息型母光柵(holographic-type master grating) 的一種制造工藝。
圖1D示意地示出了全息型母光柵的正弦蝕刻工藝。
圖IE示意地示出了形成在母光柵基底上的溝槽的離子蝕刻。
圖2A和2B示意地示出了復制光柵的制造工藝。
圖3為本發明的一種示例性操作環境的截面示意圖。
圖4為本發明的地層流體井下分析系統的一個實施例以及部署于井筒 中的示例性工具管柱的示意圖。
圖5示意地示出了具有流體分析模塊的工具管柱的一個實施例，該流 體分析模塊具有根據本發明的用于井下流體光譜分析的基于無機復制型光 柵的裝置。
圖6示意地示出了具有根據本發明的光柵光譜儀的光譜分析工具的一 個實施例。
圖7示意地示出了根據本發明的無機復制型光柵光譜儀的 一個實施例。 圖8示意地示出了根據本發明的可調諧反射光柵光譜儀的一個實施例。 圖9用圖表示出了根據本發明的可調諧無機復制型光柵光譜儀的實驗 樣機和其中示出了烴類諧波區域的商購光譜儀所測量的庚烷光譜的比較。
圖10示意地示出了根據本發明的反射光柵光譜儀的另一個實施例。 圖11示意地示出了根據本發明的反射光柵光譜儀的另一個實施例。 圖12示意地示出了使用根據本發明 一 個實施例的透射光柵的光柵光語 儀的串列結構。
圖13示意地示出了根據本發明的外腔可調諧激光。 圖14示意地示出了使用根據本發明的反射光柵的單色器。 在所有附圖中相同的標記指示類似的元件但不一定是相同的元件。盡 管本發明允許各種改進和替換形式，但在附圖中作為實例示意地示出了具 體實施例，并將在本申請中對具體實施例進行詳細說明。然而，應當理解 的是本發明不限于所披露的具體形式，而是覆蓋落在所附權利要求所限定
的本發明范圍內的所有改進、等同物和替換方案。
具體實施例方式
以下描述本發明的示例性實施例和方面。為清楚起見，在說明書中沒 有描述實際實施例的全部特征。顯然應當理解的是，在任何這種實際實施 例的開發中，必須對于各種實施方式作出具體判斷以實現開發者的具體目 標，例如符合與系統相關和商業相關的規定，從而從一種實施方式變為另 一種實施方式。另外，應當理解的是這種開發工作是復雜且耗時的，然而 對于受益于本申請內容的本領域技術人員是常規工作。
本發明預期采用光柵，例如無機復制光柵，用于井下環境下的光譜色
例如光譜儀、可調諧光源如激光、單色器等其它設備。預期本發明在線纜
(wireline )、生產測井、隨鉆測井(LWD)、永久性監測、鉆探和測量應用以 及其它油田相關應用中具有適用性。特別地，本發明涉及在例如烴儲層中 遇到的極端井下條件下的光譜分析以及涉及C02螯合和儲水層控制的應用 中的光譜分析。
用于地面應用的現有光柵光譜儀依賴于兩種類型的光柵，即在環氧樹 脂薄膜上進行圖案化的母型光柵和復制型光柵。
母型光柵通常制作在硬基底如玻璃或金屬上，并且具有良好的熱穩定 性。然而，母型光柵的制造工藝導致這種光柵價格昂貴。例如，采用全息
技術的母型光柵的構圖復雜且昂貴,且由于制造工藝的復雜性，而可能難 以實現從一個光柵到另 一個的重復性(reproducibility )。
另 一方面，傳統的復制型光柵在有機材料薄膜如環氧樹脂上進行構圖。 環氧樹脂為在井下高溫下易于分解的有機化合物。因而，傳統的復制型光 柵不適合用于例如井下常見的高溫環境。然而，復制型光柵比母型光柵便 宜，且各批次之間的重復性更可靠。
衍射光柵(無論母型還是復制型)的特征在于溝槽密度和光柵表面，所述 參數確定了光柵的色散性質和其固有的光學分辨率。本申請人注意到根據 本發明一個實施例的光柵的溝槽密度(grooveden)小于或等于2/lmax，其中1,
為光柵可操作的最大可能波長。本申請人認識到根據本發明用于井下應用 的合適的復制型光柵可根據前述數學關系構造，從而可實現經濟且精確的
基于光柵的井下工具。另外，可調節溝槽形狀以在特定的衍射級內優化光
柵的效率。可采用不同的構形，即矩形、閃耀(blazed)、正弦，光柵表面 的類型可為平坦型或凹面型即球形，或者其它更復雜的表面形狀。最后， 像差的校正使光柵的特征在于，傳統平面光柵具有平行溝槽，然而本發明 的光柵可制造不平行的溝槽以校正光學像差，即所述光柵是像差經校正的。
如前所述，光柵可根據制造工藝和材料，即有機或無機，劃分為母型 光柵和復制型光柵。如圖1A到1E所示，在母型光柵中溝槽直接成形在光 柵表面上。圖l(A)示出了機械刻劃母型光柵100的制造方法，其中金剛石 工具102在涂覆有諸如鋁這樣的金屬108的基底106上形成平行溝槽的格 柵(network) 104。然而，在這種情況下，對溝槽密度、溝槽形狀、像差校 正和平行溝槽的形成存在限制。
圖l(B)和l(C)示出了可應用于平面光柵和凹面光柵的制造母型光柵 100的全息記錄方法。該制造方法包括全息記錄和溝槽成型。如圖l(B)和 l(C)所示，在全息記錄中，首先利用光敏樹脂110涂覆基底106，然后，使 該基底106暴露于兩條激光束形成的干涉條紋。可通過如圖l(B)和l(C)所 示的兩種光學方案進行全息記錄。在一種方法中(圖l(B))，兩條平行激光束
干涉形成等同于機械刻劃母型光柵的平行圖案和等間距溝槽。在另 一 種方 法種(圖1(C)),調整沒有相對于基底106對稱放置的兩處激光源，以將密度 不均勻的曲面溝槽記錄在光敏層110上，從而形成光柵像差經校正的溝槽 格柵。在本申請中未討論兩種其它方法，即消象散光柵(stigmatic grating)和 單色光柵(monochromator grating)。
圖l(D)示出了全息母型光柵100的溝槽成形，該全息母型光柵100具 有直接蝕刻在光敏層上的正弦溝槽l(M。經過全息處理之后，印刷光敏樹脂 112覆蓋基底106。然后，可如下在光敏樹脂112上進行溝槽成型通過化 學工藝蝕刻掉樹脂112的一部分，從而在樹脂上形成正弦波紋104。利用金 屬層114涂覆樹脂112,從而完成光柵100的制造。
圖l(E)示出了用于母型光柵100的離子蝕刻方法。光敏樹脂用作離子 蝕刻帶波紋104的基底106的保護掩沖莫。各種形狀的溝槽104可直接形成 在光柵基底106上。
圖2(A)和2(B)示出了由母光柵100制造復制型光柵120。在本申請中， 如圖2(A)和2(B)所示，復制型光柵為使用"母版"模制"復制品"而形成
的母型光柵的復型(replication )。圖2(A)示出了由母版100制造復制型光柵 120。利用環氧樹脂124覆蓋復制基底122并將其壓向母版100。然后使樹 脂124硬化并凝固，并使基底122與其上的樹脂124與母版100分離(如圖 2(B)所示)。從而將母版100的溝槽126復制在樹脂124上。施涂金屬涂層 128完成圖2(B)所示復制型光柵120。復制型光柵的優勢在于與母型光柵相 比制造成本降低以及來自同一母版的復制品之間的保真度。
光柵光譜儀是用于對光進行光譜分析的設備或裝置。光柵光譜儀提供 作為波長的函數的光功率密度的評價。如上所述，傳統光柵光譜儀主要用 于地面即室溫(RT)應用。用于井下的光柵光譜儀例如在美國專利No. 5,166,747中被披露，在此引入其全文作為參考。
如本申請所用，術語"光諳學"(spectrosc叩y)是指光譜的形成和研究， 術語"光譜設備"包括用于形成和檢驗特別是電磁光譜可見區域內的光譜 的設備，包括但不限于光譜儀以及用于井下流體光譜分析的其它設備。術 語"母型光柵"是指形成在硬基底上的原始刻劃光柵或全息光柵，術語"復 型光柵"是指由母型光柵制成的復制品。術語"無機"是指金屬、玻璃、 碳化硅、陶瓷、石英、藍寶石以及適于本申請所述目的的其它硬質無機材 料中的一種或多種，術語"無機復制型光柵"是指如下在基本上為無機的 基底上形成的光柵將外部母版的周期性結構轉移到無機基底上，從而在 適于HT應用的基本上為無機的材料中形成溝槽。本申請所披露的無機光柵 可包括由合適的材料例如金屬在帶槽基底上形成的涂層，以在光柵上設置 反射表面。
本申請人認識到，對于井下應用，與現有濾波陣列(FA)工具構造相比， 光柵構造的實施提供了明顯的優勢。在本申請中，本申請人認識到基于光 柵的裝置增加了可獲得的光譜信道(spectral channel)數量。例如，光柵光
譜儀基于光柵構造提供較高的光譜信道密度。例如，結合超高密度光譜探 測器例如線性CCD，基于光柵的裝置可提供大量光譜信道。
在本發明的另一個方面中，本申請人認識到本發明的光柵可以是可調 的。在這方面，可以促動光柵，從而光譜分析范圍取決于光柵位置。在這 種情況下，根據光柵促動的分辨率，裝置的光譜分析能力可擴展為近乎連 續的波道。
本申請人還認識到本發明的基于光柵的工具可提供提高的測量穩定
性。例如，在傳統濾波陣列(FA)構造中，光進入分光計，被分離然后射向不
同的光學濾波器。從而，通過物理上和空間上不同的單元進行光譜分析。 相反，在本發明的光柵設備中，通過同一衍射元件即光柵且沿同一光學路 徑分離波長，從而提高了光譜測量的穩定性。
本申請人在應用具有包括無機復制型光柵的衍射元件的新型基于光柵 的井下光譜分析工具時發現了驚人的結果。在這方面，本發明的系統預期 使用單個濾波元件的寬光譜覆蓋范圍。如上所述，傳統復制型光柵采用相 似的工藝形成，不同的是圖案轉移到環氧基底上。本申請人認識到無機材 料例如二氧化硅玻璃、石英、藍寶石、碳化硅、陶瓷比有機材料更耐高溫。 有利地，所述無機材料具有非常高的熱穩定性。
圖3為本發明的示范性操作環境的截面示意圖，其中服務車IO位于具 有井眼或井筒12的井場，井眼工具20在所述井眼或井筒12中懸吊于線纜 22的端部。圖3示意地示出了應用本發明的一種可能的環境，并且本發明 還預期了其它操作環境。通常，井眼12包含流體例如水、泥漿濾液、地層 流體等的組合。如圖3所示，在示范性布局中，通常相對于服務車10構造 和布置工具管柱20和線纜22。
地層測試器例如MDT具有兩個明顯的功能。通常，地層測試器進行壓 力測試和地層流體取樣。對于壓力測試，地層測試器用于測量多個不同深 度處的地層壓力以鑒定地層流體中的流層，例如氣、油和水的邊界。在取 樣作業中，地層測試器從地層吸取或抽取氣體樣品或流體樣品，并將吸取 的一個或多個樣品輸送至地面。
地層測試器例如MDT通常還包括一個或多個流體分析^^塊，例如CFA 或LFA,所述流體分析模塊用于分析地層測試器的流動管線(flowline)中 的地層流體。所述井下流體分析包括鑒定流動管線中的流體樣品和通過例 如光譜分析測定流體的流體性質。
圖4為根據本發明的地層流體井下分析和取樣系統14的示例性實施 例，例如在服務車IO位于井場中時(圖3中所示)。在圖4中，井下系統14 包括井眼工具管柱20，該井眼工具管柱20可用于測試地層和分析來自地層 的流體的組成。井眼工具20通常從纏繞在地面絞盤16(圖3中所示)上的多 芯測井電纜或線纜22較低的一端懸吊于井眼12(圖3所示)中。測井電纜22 通常與地面電控系統24電連接，所述地面電控系統24具有用于井眼工具20的合適的電子設備和處理系統。
參考圖5，井眼工具20包括封裝圖4和圖5所示各種電子元件和模塊 的細長主體26,所述電子元件和模塊賦予井眼工具管柱20必需和期望的功 能。可選擇性延伸的流體接收裝置28和可選擇性延伸的工具錨定構件30(圖 4所示)分別布置在細長主體26的相對側。流體接收裝置28可操作地用于 選擇性封閉或隔離井眼壁12的選定部分，以建立與鄰近地層的壓力或流體 連通。流體接納裝置28可為單探針模塊29(示于圖5)和/或封隔器模塊31(示 于圖5)。井下工具的實例披露于上述美國專利3,780,575、 3，859，851和 4,860,581,在此引入它們的全部內容作用參考。
一個或多個流體分析模塊32設置在其中配置有一個或多個光譜分析工 具50的工具主體26中，以提供根據本發明的井下流體光譜分析。獲自地 層和/或井眼的流體經過一個或多個流體分析模塊32在流動管線33中流動， 然后可通過泵出模塊38(圖5所示)的端口排出。或者，可將流動管線33中 的地層流體引入一個或多個流體采集室34和36，例如l、 2%或6加侖樣品 室和/或六個450 cc的多采樣模塊，用于接收和存放從地層獲得的流體以用 于運輸到地面。
流體接收裝置、 一個或多個流體分析模塊、流動路徑和采集室，以及 井眼工具管柱20的其它操作元件可通過電控系統例如地面電控系統24(圖4 所示)控制。優選地，電控系統24和置于工具殼體26中的其它控制系統例 如包括能夠用于工具20中的地層流體光譜分析的處理器。
在本發明的各種實施例中，本發明的系統14優選包括可操作地與井眼 工具管柱20連接的控制處理器40。控制處理器40示于圖4作為電控系統 24的元件。優選地，通過例如處于控制系統24中的處理器40中運行的計 算機程序實施本發明的方法。運行中，連接所述程序從而通過線纜式電纜 22例如從流體分析模塊32接收數據，并將控制信號傳輸到井眼工具管柱 20的操作元件。
計算機程序可存儲在處理器40的計算機用存儲介質42中，或者可存 儲在外接計算機用存儲介質44中并根據需要與處理器40電連接。存儲介 質44可為目前已知的存儲介質中任意一種或多種，例如裝入磁盤驅動器中 的磁盤，或任選的可讀CD-ROM,或任何其它類型的可讀裝置，包括通過 交換型遠程通信連接相連的遠程存儲裝置，或適用于本申請所述目的和目 標的未來的存儲介質。
在本申請的一些實施例中，本申請所披露的方法和設備可在
Schlumberger的地層測試儀即模塊化地層動態測試儀(MDT)的一個或多個 流體分析模塊中實施。本發明有利地提供對于地層流體井下光譜分析具有 增強的功能性的地層測試儀，例如MDT。因而，該地層測試儀可有利地結 合地層流體的井下光譜分析用于地層流體取樣。
如上所述，石油工業已將光學系統用于井下條件。傳統井下光譜儀采 用濾波陣列(FA)結構，從而允許評價取樣流體在固定數量的離散波長處的光 吸收。各信道的中值波長由光學濾波器的傳輸特性確定。因而，由于僅能 通過改變濾波器來調節儀器，從而阻礙了在工具井下操作的同時進行調節， 因而不能夠實現工具的波長覆蓋范圍的原位調節。為了適當地分析地層流 體的組成，要求1600nm到1800nm的烴類光譜的精確分析。井下流體的吸 收光譜分布在約200nm到約4000nm的波長范圍內。因而，為了鑒定和計 算地層流體樣品中的油分率和水分率，需要多個測量信道，例如優選多于5 條的測量信道以精確判定井下流體樣品的組成。
圖5示出了根據本發明的具有光譜分析系統50的工具管柱20的一個 實例。由從工具管柱20向外伸出與地層接觸的探針29和/或封隔器31起動 取樣作業。泵出模塊38將地層流體抽取到工具管柱20的流動管線33中并 排放到泥漿中。在本發明的一個實施例中，模塊32例如鑒定流動管線33 中的流體樣品，以確定在流動管線中流動的流體的性質。模塊:32例如可基 于光譜分析來計算水和油的體積百分率。模塊32還可分析流體樣品流入流 動管線33時的樣品污染度和相分離度。有利地，流體分析模塊32還可于 井下測定樣品的流體性質，例如氣油比(GOR)、流體組成等其它性質。
圖6示意地示出了具有根據本發明的光柵的光譜分析系統50的一個實 施例。圖7示意地示出了用于光譜分析系統50的根據本發明的無機復制型 光柵工具70的一個實施例。
參考圖7,輸入光譜儀組件70的光可產生于井下或者可來自地面(即通 過光纖束)。需要對輸入光進行光譜分離以獲取光譜信息。可能的應用包括 在井下地層和/或井下獲取的地層流體中傳播的光的光譜分析。特別是例如 通過紅外(IR)光譜、光譜成像(spectral imaging)等分析井下流體性質的應用以 及其它可能的應用。圖7的示例性描述可在例如使用反射型無機復制光柵、
透射型無機復制光柵的光譜儀結構中以及本發明預測的其它可能的實施方 式中實際實施。
參考圖8,根據本發明的可調諧光柵光譜儀70的一個示范性實施例包 括光柵72和光探測器陣列74,所述光探測器陣列74具有多個光電二極管， 以使各光電二極管根據光柵取向對應于一個固定的中值波長。對于光柵不 可調的光謙儀，光柵取向固定，從而各象素/光電二極管的中值波長固定且 不可調。相反，在通過改變光柵取向而可調諧的光柵光譜儀中，可調節各 象素/光電二極管的中值波長。
例如可通過步進電機76的促動來改變光柵取向。合適的步進電機可用 于提供高的角分辨率，從而可精確調節光柵角度和被測波長。
參考圖8，可調諧光柵光譜儀70包括可調光柵72,例如本發明的無 機復制型光柵72,其中配置有伺服電機76以驅動可調光柵72;光探測器 陣列74;狹縫78;和鏡80。例如光經由合適的光學濾波器82例如長通 (longpass )光學濾波器穿過狹縫78進入光譜儀70。如圖8所示，輸入光 被凹面鏡80反射和聚焦并入射到光柵72上。光柵72使光發生衍射并將衍 射光送回反射鏡80。通過反射鏡80將衍射光反射并聚焦到光探測器陣列 74上。從而，在光探測陣列74上生成輸入光的光譜(從較短波長至較長波 長的連續光譜)。光探測器陣列74的象素/單元將輸入光的光譜分量分開。 波長分辨率取決于光柵波長規格和光探測器陣列74的象素/單元數量。
圖9示出了在實驗室中采用本發明的可調諧光柵光譜儀和商購光譜儀 測量庚烷光語的比較。圖9中的虛線表示可調諧光柵光譜儀試驗樣機的光 譜數據，實線表示商購光譜儀的數據。因而，本發明的一些實施例預期可 獲得近紅外(NIR)流體分析所需的烴類諧波型區域中的光譜覆蓋范圍。如圖 9所示烴類諧波型區域在約1600nm到約1800nm范圍內。
圖10和圖11為根據本發明的反射型光柵光譜儀的另一些示例性實施 例。圖10示出了具有凹面光柵72的光譜儀70的一個實例。圖10的實施 例包括狹縫78、凹面光柵72，例如本發明的無機復制型光柵、以及光探測 器陣列74。例如，圖10中的光柵72可以是根據本發明的經過像差校正的 固定無機復制型光柵。圖10的實施例有利于減小光譜儀的尺寸，僅要求光 柵的精確定向以提供光譜分析所需的波長。
圖11示意地示出了示范性單片光柵光譜儀70，其中光柵72如本發明 的無機復制型光柵可位于光學塊84的凸面上。如圖11所示，光探測器陣
列74可位于所述光學塊84的另一面上，光入射狹縫78可位于所述光學塊 84的第三面上。圖11的光柵光譜儀不需要調節，但需要精確加工以制造光 學塊84。
圖12示意地示出了用于井下光譜分析的本發明的透射型可調光柵的一
本發明可調諧無機復制型光柵的激光光譜分析設備的一種可能的構形。圖 14示意地示出了使用根據本發明的反射型可調光柵的單色器。
盡管隨后討論本發明制造無機復制型光柵的兩種方法，然而其它方法 也落在本發明的范圍內。在使用溶膠凝膠法的傳遞模塑中，由沉積在基底(圖 2(A)所示)上的無機凝膠代替傳統復制型光柵中的環氧樹脂層。然后將母光 柵壓在凝膠上，從而形成光柵周期性結構。然后加熱基底和凝膠，凝膠形 成其中印有母版構圖的硬質固體表面。例如在美國專利6,849,209、 6,849,350 和6,740,366中描述了不同的凝膠組成和工藝步驟，在此引入它們的全部內 容作為參考。由于凝膠在高于300。C的溫度下固化，因而形成高溫穩定結構。
在近場全息方法中，通過光學方法進行母型周期性結構的傳遞。在本 申請中，母光柵包括相掩模光柵(phase mask grating)。在美國專利No. 6，693，701中描述了該方法，在此引入其全部內容作為參考。該方法利用近 場全息將母光柵周期性結構傳遞到覆蓋有光敏樹脂的基底上。然后對樹脂 進行顯影，可通過任意適當的方法蝕刻基底，從而形成光柵溝槽。最終的 光柵為單片式。在一個實施例中，基底可為低熱膨脹玻璃，從而產生高的 熱穩定性。
上述方法提供與傳統復制型光柵類似的低制造成本和與傳統母型光柵 相當的熱穩定性。因而，所述無機復制型光柵可有利地用于本申請所述類 型的井下光柵工具。特別地，無機復制型光柵與可調光柵結構結合用于地 層流體的井下光譜分析提供了以傳統光柵光譜儀結構不可能獲得的意外結 果。
前述說明僅僅示例和說明本發明及其實施方式的 一 些實例。本發明并 不限制于所披露的任何具體形式。根據上述教導可作出各種改進和變化。
選擇并描述了優選方面，以最佳地解釋本發明的原理及其實際應用。 前述說明意圖使本領域技術人員最佳地將本發明用于各種實施例和方面，
以及以適當的改進用于所預期的具體用途。本發明的范圍意欲由所附權利 要求限定。
權利要求
1. 一種具有光譜分析模塊的井下工具，包括:復制光柵，其包括其中具有溝槽的基本上為無機的基底，所述溝槽具有構造為用于約200nm到約4000nm的波長的光柵溝槽密度。
2. 如權利要求1所述的井下工具，其中 所述溝槽密度為約50溝槽/mm到約5000溝槽/mm。
3. 如權利要求1所述的井下工具，其中 所述溝槽密度為約100溝槽/mm到約600溝槽/mm。
4. 如權利要求1所述的井下工具，其中所述光^H勾造為用于對井眼中的流體進行波長從約400nm到約 1000nm的井下熒光測量。
5. 如權利要求1所述的井下工具，其中約2100nm的井下流體分析。
6. 如權利要求1所述的井下工具，其中所述光柵構造為用于在井眼中通過流體的染色注入進行井下化學感應。
7. 如權利要求1所述的井下工具，還包括光源，其包括卣素燈、發光二極管、可調諧激光和單色器中的一種或 多種。
8. 如權利要求1所述的井下工具，其中所述光柵構造為用于在高于或等于80。C的溫度下進行高溫應用。
9. 如權利要求8所述的井下工具，其中所述光柵還包括金屬涂層，且所述光柵構造為用于反射入射光。
10. 如權利要求8所述的井下工具，其中 所述光柵構造為用于透射入射光。
11. 如權利要求1所述的井下工具，其中所述光柵基底基本上包括選自玻璃、石英、藍寶石、碳化硅和陶瓷的 材料。
12. 如權利要求1所述的井下工具，其中 所述光柵溝槽密度構造為用于包括烴類諧波型區域的光譜區的光譜分析。
13. —種井下流體特性檢定設備，包括至少一個光譜儀，其具有基本上由無機材料制成的光柵，所述光柵構 造為至少五條波長分別大于或等于約200nm的光譜波長信道。
14. 如權利要求13所述的井下流體特性檢定設備，其中 所述光柵包括復制型光柵，該光柵基本上包含選自玻璃、石英、藍寶石、碳化硅和陶資中的一種或多種材料。
15. 如權利要求14所述的井下流體特性檢定設備，其中 所述光柵具有金屬涂層并構造為用于反射入射光。
16. 如權利要求15所述的井下流體特性檢定設備，其中 所述光柵具有大致為平面的反射表面。
17. 如權利要求15所述的井下流體特性檢定設備，其中 所述光柵具有大致為凹面的反射表面。
18. 如權利要求14所述的井下流體特性檢定設備，其中 所述光柵構造為用于透射入射光。
19. 如權利要求14所述的井下流體特性檢定設備，其中 所述光柵為可調光柵。
20. 如權利要求13所述的井下流體特性檢定設備，其中 所述光柵構造為用于在包括烴類諧波型區域中的波長的波長范圍中操作。
21. 如權利要求20所述的井下流體特性檢定設備，其中 所述波長范圍包括約1600nm到約1800nm的波長。
22. 如權利要求13所述的井下流體特性檢定設備，其中 所述光柵構造為16條波長信道， 所述設備還包括構造為用于探測所述光柵的16條波長信道的光探測器陣列。
23. 如權利要求13所述的井下流體特性檢定設備，其中 所述光柵包括溝槽密度小于約5000溝槽/mm的溝槽。
24. 如權利要求13所述的井下流體特性檢定設備，其中 所述光柵包括復制型光柵，該光柵構造為用于在高于或等于80。C的溫 度下進行高溫應用。
25. 如權利要求13所述的井下流體特性檢定設備，其中 所述至少一個光鐠儀構造為用于井下流體的吸收光譜測量。
26. 如權利要求13所述的井下流體特性檢定設備，其中 所述至少一個光譜儀構造為用于井下流體的熒光再發射測量。
27. 如權利要求13所述的井下流體特性檢定設備，其中 所述至少 一 個光譜儀構造為用于井下流體的拉曼光譜測量。
28. —種用于在高溫下操作的光譜分析儀，包括 基本上為無機的光柵，其在井下高溫中用于光譜色散； 光源；所述光譜分析儀構造為用于在高于或等于80°C的高溫下和約200nm到 約4000nm的波長范圍內操作；以及所述光柵具有小于或等于2/波長^的溝槽密度，其中波長"表示光柵 的最大工作波長。
29. 如權利要求28所述的用于在高溫下操作的光譜分析儀，其中 所述光源包括單色器。
30. 如權利要求28所述的用于在高溫下操作的光譜分析儀，其中 所述光源包括可調諧激光。
全文摘要
提供包括無機復制光柵的井下光譜分析工具，該系統采用作為衍射元件的無機復制型光柵(72)，該光柵在井下高溫環境中提供寬的光譜覆蓋范圍。
文檔編號G01J3/12GK101384887SQ200780003769
公開日2009年3月11日 申請日期2007年1月24日 優先權日2006年1月26日
發明者寺林徹, 山手勉, 斯蒂法尼·范紐弗倫, 犬童健太郎 申請人:普拉德研究及開發股份有限公司