CN101375143B - 用于井下流体光谱分析的方法和设备 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了用于流体分析的方法和设备。井下流体分析***包括输入光信号，该输入光信号照射穿过容纳在样品室(202)中的流体样品。输入光信号可源自多个光源(200)。然后将来自样品室的光信号引导(206)至两个或更多个光谱仪(214，216)，用于输出光信号中代表性波长的测量。然后比较光谱仪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。此外，可将输入光直接引导(210)至两个或更多个光谱仪，用于对井下高温和噪声环境中的***进行校准。
Description
技术领域
本发明涉及用于流体分析的方法和设备，该流体分析在地下地层的评价和测试中于井下采用光谱仪(spectrometer)构造进行，该地下地层的评价和测试用于勘探和开发产烃井例如油井或气井。更具体地，本发明涉及采用具有至少两个光谱仪的流体分析模块检定井下流体特性。
背景技术
为评价井眼周围地下地层的性质，通常期望获取并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价方法。所述工具的实例可见转让给Schlumberger TechnologyCorporation(“Schlumberger”)的美国专利No.6,476,384(“第‘384号专利”)。在此引入第‘384号专利的全部内容作为参考。
如‘384号专利所述，Schlumberger的重复式地层测试器(RepeatFormation Tester)(RFT)和模块化地层动态测试器(Modular FormationDynamics Tester)(MDT)工具为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模块。
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，以鉴定取样工具抽取的地层流体样品和检定其特性。例如，Schlumberger的美国专利No.4,994,671(其全文同样在此引入作为参考)描述了一种示例性流体分析模块，其包括测试室、光源、光谱检测器、数据库和处理器。
如下分析通过流体接收装置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/或背散射光的光谱，以及处理该信息(根据数据库中有关不同光谱的信息)以检定地层流体特性。Schlumberger的美国专利No.5,167,149和No.5,201,220(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No.5,331,156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(oil fraction)和水分率。随着测量和检定地层流体特性的技术愈加先进，对更精确且可扩展的地层流体分析工具的需求日益增加。
现有的光学流体分析工具通常采用单个光源照射样品室以及单个光谱仪对光进行采集和分析。在典型实施例中，采用最多提供约20条信道(channel)的滤波阵列(FA)光谱仪。这些工具在可能影响光谱仪信噪比的井下不利条件中使用。
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光谱仪的测量结果，但期望可在井下同时使用多个不同类型光谱仪的***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光谱仪提供信息，从而增加了可用信道的数量和整个***的专一性。
井下不利条件还使得需要校准光谱仪***如现有的光谱仪***。从而要求使至少两束光即一束参考信号和一束测量信号射向光谱仪。从而要求光信号的区分，如涉及井下光谱仪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，遮光器需要马达，从而明显增大了井下工具的尺寸。
发明内容
根据上述背景和井下流体分析领域已知的其它因素，本申请人认识到对宽光谱光学分析的设备和方法并同时提供所关注的详细光谱分析的需求。因而，本申请人认识到具有多个光谱仪的光谱分析***将赋予井下流体分析在精度和效率方面的明显改进，所述光谱仪根据所进行的光谱分析的需要和要求选择。
本发明的一个实施例包括采用光谱仪进行井下流体分析的方法和设备。在一个方面，使一个或多个光源对准样品室，样品室中装有从井下抽取的流体。由两个或更多个光谱仪测量透过样品的光，用于流体光谱分析。另外，将一个或多个光源发出的光直接输送至相同的一组光谱仪以提供用于校准的参考测量。可使用两个或更多个不同类型的光谱仪，包括但不限于滤波阵列光谱仪和光栅光谱仪。
本发明的其它优势和新特征将在随后的说明中阐述或者本领域技术人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。
附图说明
附图示例本发明的优选实施例并为说明书的一部分。附图结合以下说明示范并解释本发明的原理。
图1为可应用本发明的一种示例性背景的示意图。
图2为根据本发明的流体分析模块的一种示例性结构的局部截面示意图。
图3为大型滤波阵列型光谱仪中一个滤波信道的截面示意图。
图4为井下遇到的大量烃类的示例性吸收光谱图。
图5为根据本发明的方法和设备的一种示例性结构的示意图，其中多个光源发出的光输送至多个光谱仪。
图6为根据本发明的光谱分析***的一个实施例的示意图。
图7为根据本发明的光谱分析***的一种井下实施方案中示例性样品室的截面示意图。
图8为根据本发明的光谱分析***的另一个实施例的示意图。
在所有附图中，相同的标记表示类似的元件，而不一定必须表示相同的元件。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***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来说是常规工作。
图1为测试地层和分析地层流体的组成的示例性井下工具110的示意图。井下工具110通过以常规方式与地面***118相连的缆线115悬吊在井眼112中。地面***118结合适当的电子设备和处理***用于控制井下工具110并分析从井下工具接收的信号。
井下工具110包括细长主体119，主体119包封工具控制***116的井下部分。细长主体119还具有可选择性延伸的流体接收/排放装置120和可选择性延伸的锚定构件121。例如在Schlumberger的美国专利No.3,780,575、No.3,859,851和No.4,860,581中示意并描述了流体接收/排放装置的实例。
在此并入上述各专利的内容作为参考。流体接收/排放装置120和锚定构件121分别布置在细长主体119的相对侧。装配流体接收/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也包括在细长主体119内，使要被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中或输送至一个或多个样品室122、123用于地面上的回收。通过电控***116、118保持对流体接收/排出装置120、流体分析模块125和通向样品室122、123的流动路径的控制。
图2示出了可集成到工具110中的光谱分析模块134的一个实例。地层流体132为***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。在本发明的一个实施例中，光源可为卤素灯、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500-2000nm的宽光谱范围。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)光谱分析模块的光谱仪区138。在现有***中，光谱仪区通常包含最多有20个信道的单个FA光谱仪。本发明提供包括在光谱仪区138中的多个光谱仪。从而增加了可用信道的数量，还允许包括不同类型的光谱仪如光栅光谱仪，来检测并分析输出光信号。光谱仪区的输出用于确定流体样品132的特性。
图3为通常用于现有***并且可在本发明中用作光谱仪之一的FA光谱仪的一个信道的示意图。光通过光纤束从140输入，光纤束允许通过标记为142的多个路径将光输送至各个信道。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和滤波器148。滤波器148通常为带通滤波器。这种带通滤波器仅允许一定波长范围的光通过。全谱光谱仪具有多个这种滤波器元件，每个滤波器元件可对应于不同的波段。经过滤波器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。可知各检测波长对应的电压不同并且该电压给出不同波长相对贡献的指示。从而根据控制数据将了解流体样品的组成。
光吸收依赖于波长且取决于流体样品的组成。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(element)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1.6μm和1.8μm之间标记为176的区域，烃类具有强吸收并显示出多种必须检测的光谱依赖性特征。然而，由于FA光谱仪的信道数量有限，因而不可能捕获全部光谱细节。FA光谱仪覆盖可见光至IR区域，本发明允许混合光谱仪构造以增大特定光谱区中的信道密度。
现参考图5，在本发明中，将两个或更多个光谱仪引入井下。在本发明的一个实施例中，至少一个光谱仪可为FA光谱仪，至少一个光谱仪可为光栅光谱仪。例如，可设置光栅光谱仪用于在有限的光谱范围内提供非常高的信道密度。光栅光谱仪可用于测量标记为176的重要范围1.6-1.8μm内的光谱细节。例如，可设置光栅光谱仪用于提供约16个信道，这些信道是除FA光谱仪提供的10-20个信道以外的信道并提供更多有关较小光谱范围的更具体信息。例如，可设置FA光谱仪以在可见光和红外光区进行测量来确定流体的存在，例如峰位于1450nm的水，并用于基线校准，同时可设置光栅光谱仪以监测上述烃的范围。本发明可预期光谱仪的其它组合，以使宽的波长范围可用于井下流体的光谱分析。可见光范围内的光谱特征有限，因而无需光栅光谱仪的高信道密度。
本发明的一个实施例的示意图如图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。光源包括但不限于卤素灯(宽带光源)、发光二极管(LED)和激光。输入光可由光处理单元188之一进行处理。所述光处理单元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，以及其它光处理单元。在一个实施例中，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光谱仪的数量任选的。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采用光采集器。然后输入光继续射向样品室184的一个或多个输入窗口。该样品室容纳在流动管线中流动的要被测试的流体样品。光在穿过流体，并通过根据光的波长和流体的组成与流体相互作用而改变，从而产生输出光。例如，输入光可经历反射和/或吸收和/或可由于输入光和流动管线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谱分析。
输出光穿过样品室184的输出窗口并射在任选的光采集器和路由器(router)182上。然后将光输送至多个光谱仪186之一。如上所述，在本发明的一个实施例中，至少一个光谱仪可为FA光谱仪且至少一个光谱仪可为光栅光谱仪。如上所述，这些光谱仪的输出显示一组波长范围内的样品室输出光的量。
除入射到样品室上的光，将光直接从一个或多个光源180输送至多个光谱仪186也是有利的。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)可能明显偏移。偏移可造成异常的结果，但可在测试的同时完成校准以补偿这种偏移。可通过使光不断地从光源180射向光谱仪186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，然后射到多个光谱仪186上。该光信号称作参考光信号，射入样品室184的光称作测量光信号。
为成功实现校准，需要在多个光谱仪之前或多个光谱仪处将参考光信号和测量光信号分开。这是因为光谱仪将检测所有入射光，所以将要进行比较的信号必须存在一定的差异。在一个实施例中，可通过光处理单元188进行区分。光处理单元188可包括调频器，例如光斩波轮(optical chopperwheel)。斩波轮为包括一组开口的圆盘，光信号射向所述开口。根据开口尺寸，透射出一定频率的光。参考信号和测量信号作为可确定的不同信号透射出来，从而可获知哪一个信号是光谱仪将要测量的信号。然后，将参考信号用于校准，而将测量信号用于确定样品室184中流体的组分。共同未决美国专利申请No.11/273893(在此引入其全文作为参考)披露了井下光谱仪的实时校准。
图6为根据本发明的一种光谱分析***的示意图。由输入光200引入光。此外，该输入光根据应用可为多个光源。然后将光分流进入两条通路。第一通路为测量通路并且光穿过样品室202。该样品室容纳要被分析的井下流体。第二通路为参考通路。然后，两条通路与旋转斩波轮208相交于轮上不同的位置。可通过马达204使轮旋转。从而使得各光信号的频率将被独立地调制。位置206处的测量光信号具有第一频率且分流进入两条通路。位置210处的参考光信号具有第二频率且分流进入两条通路。然后，将这些光信号输送至光谱仪。如上所述第一光谱仪214可为FA光谱仪。第二光谱仪216可为光栅光谱仪。光信号首先经过光谱仪入口218。该入口还作为光信号的长通滤波器。一旦进入光栅光谱仪216，光被反射镜220反射并最后到达光栅光谱仪的出口。将光探测器222置于光栅光谱仪的出口以测量光输出并将光输出转化为与输出光的量成比例的电流。然后通过I/V转换器224将该电流转换为电压，然后继续传输用于进一步分析。光电二极管212用于斩波轮前后信号的同步。
图7为如前图所示样品室的一个实施例的截面图。所示的本发明实施例可以多种其它构形实施。流体样品流过流动通道234。在流动管线中设置对置开口236和240，各开口分别与输入窗口或输出窗口以及凸缘组件对接。样品室的输入侧和输出侧在结构上相同，因此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 locatingseat)。窗口242位于流动通道234每一侧。在一个实施例中，窗口可由蓝宝石制成。窗口242通过凸缘230定位，凸缘230设置有连接器以连接窗口242的外表面和光纤束232、244。凸缘可相互螺旋接合以便将窗口密封在底座中。使用垫圈或O形环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。
图7示出了具有一组窗口的一种样品室。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多个光谱仪用于分析。
图8为根据本发明的光谱分析***的整体结构的一个实施例的示意图。光源250使光经过斩波器马达252驱动的斩波轮254进入光纤束256。获取来自光纤束256的输出，为马达同步光电二极管(motor synchronizationphotodiode)258、光源输入通路282、光分配器286(light distributor)(形成以下更详细说明的探测器的一部分)和为光谱仪样品室270提供输入的测量通路264提供输入。旋转电磁开关262驱动的校准轮260选择光进入光源输入通路282还是测量通路264或者同时进入两者。输入光纤束266与样品室的输入法兰268连接并与窗口272光学连接。光从窗口272透出，经过流动通路274透过另一窗口272进入与输出法兰276连接的输出光纤束278。输出束还与光分配器286连接。光分配器286将从光源输入250和输出光纤束278接收到的光分配到多个不同的信道。针对该实例的目的，仅示出四条信道，但最多可达二十条信道。这种上述FA光谱仪提供有关流体样品输出波长的信息。各信道包括透镜288和馈送光电二极管292的带通滤波器290。可对滤波器进行选择以选定预定波长的光并提供相对于所关注波长的输出信号。除FA光谱仪之外，还可设置光栅光谱仪294。通路280通向光栅光谱仪294。通路280为光源直接提供给光谱仪以用于校准的参考信号。在输入光经过流体样品之后从输出信号中分支出通路284。通路284中传送的光信号为测量光信号，并将该信号引入光栅光谱仪294。
然后，将两个光谱仪的输出用于流体样品的分析。光谱仪的电讯号输出与入射在光谱仪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信道，所有波长可于井下在井式工具(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实现。另外，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***和方法在采用常规光谱分析***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。
在本申请所披露的***和方法中，一个或多个光源180发出的光射向样品室184以与其中的流体样品相互作用，输出光汇集在光纤束中并输送至两个或更多个光谱仪186。例如，可设置滤波阵列光谱仪以提供覆盖宽光谱范围的信息，可设置光栅光谱仪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。
除了对从流体样品接收的光进行测量的一种功能，还可将光直接从光源输送至两个或更多个光谱仪。由于光谱仪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，因而利用参考信号校准光谱仪和相关电子设备。
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例和方面，以及以适当的改进用于所预期的特殊用途。本发明的范围意欲由所附权利要求限定。
Claims (21)
1.一种流体分析***，用于在穿越地层的井中进行井下操作，该***包括：
产生输入光的至少一个光源，该输入光覆盖宽且连续的光谱范围；
可操作用于将流动流体样品容纳于其中的样品室，所述样品室还包括：至少一个输入窗，该输入窗允许所述输入光射入所述样品室并穿过所述流动流体样品，从而产生输出光；
至少一个输出窗，该输出窗允许所述输出光从所述样品室中射出；
两个或更多个井下光谱仪，用于测量所述输出光并生成多个测量信号；以及
分析装置，用于接收所述多个测量信号并确定该流动流体样品的性质。
2.如权利要求1所述的用于井下操作的流体分析***，还包括：
多个光源，其中所述多个光源产生覆盖宽光谱范围的光。
3.如权利要求1所述的用于井下操作的流体分析***，还包括下述中的至少一个：
置于所述至少一个光源和所述样品室之间的第一光采集器；及
置于所述样品室和所述两个或更多个光谱仪之间的第二光采集器。
4.如权利要求3所述的用于井下操作的流体分析***，其中
所述第一和第二光采集器还包括路由器，用于将光在特定时间选择性地输送至特定输入窗和特定光谱仪中的至少一个。
5.如权利要求1所述的用于井下操作的流体分析***，还包括：
置于所述至少一个光源和所述两个或更多个光谱仪之间的第三光采集器，所述第三光采集器可操作用于将所述输入光直接从所述至少一个光源输送至所述两个或更多个光谱仪以用于参考测量。
6.如权利要求5所述的用于井下操作的流体分析***，还包括：
置于所述第三光采集器和所述两个或更多个光谱仪之间的一个或多个光处理单元。
7.如权利要求1所述的用于井下操作的流体分析***，其中
所述两个或更多个光谱仪之一包括滤波阵列光谱仪。
8.如权利要求1所述的用于井下操作的流体分析***，其中
所述两个或更多个光谱仪之一包括光栅光谱仪。
9.如权利要求1所述的用于井下操作的流体分析***，其中
所述两个或更多个光谱仪包括至少一个滤波阵列光谱仪和至少一个光栅光谱仪。
10.如权利要求1所述的用于井下操作的流体分析***，其中
所述至少一个光源包括卤素灯。
11.如权利要求1所述的用于井下操作的流体分析***，其中
所述至少一个光源包括发光二极管(LED)。
12.如权利要求1所述的用于井下操作的流体分析***，其中
所述至少一个光源包括激光。
13.如权利要求1所述的用于井下操作的流体分析***，还包括：
用于处理所述输入光和所述输出光的多个光处理单元。
14.如权利要求13所述的用于井下操作的流体分析***，其中
所述多个处理单元包括至少一个调幅器。
15.如权利要求13所述的用于井下操作的流体分析***，其中
所述多个处理单元包括至少一个调频器。
16.一种井下流体分析方法，包括：
利用至少一个光源提供输入光，该输入光覆盖宽且连续的光谱范围；
将流动流体样品注入样品室；
将所述输入光引向所述样品室的输入窗，所述光穿过所述流动流体样品并产生穿过所述样品室的输出窗的输出光；
使用两个或更多个井下光谱仪接收所述输出光；
使用所述两个或更多个光谱仪根据所述输出光生成多个测量信号；及
分析所述多个测量信号以确定所述流动流体样品的性质。
17.如权利要求16所述的井下流体分析方法，还包括：
将所述输入光直接引入所述两个或更多个光谱仪；
由所述两个或更多个光谱仪生成多个参考信号；
利用所述多个参考信号校准所述光谱仪。
18.如权利要求16所述的井下流体分析方法，还包括：
由多个光源提供输入光，其中所述多个光源产生覆盖宽光谱范围的光。
19.如权利要求16所述的井下流体分析方法，还包括：
在引入所述样品室之前对所述输入光进行处理。
20.如权利要求19所述的井下流体分析方法，其中
所述处理包括对所述输入光进行调幅。
21.如权利要求19所述的井下流体分析方法，其中
所述处理包括对所述输入光进行调频。
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