專利名稱：用于井下折射計和衰減反射光譜計的方法和設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及鉆井環(huán)境中的量測折射術(shù)和光譜測定術(shù)。本發(fā)明尤其涉及一種穩(wěn)健設(shè)備和方法，用來沿著連續(xù)體(而不是逐步地)測量流體的折射率和測量衰減的反射光譜，并且用來解釋利用該設(shè)備得到的測量以確定巖層流體的各種參數(shù)。本文公開的折射儀和衰減反射光譜儀采用簡化設(shè)計，從而非常適應(yīng)井下環(huán)境。
背景技術(shù)：
石油和天然氣公司在試圖發(fā)現(xiàn)碳?xì)浠衔锍练e上花費(fèi)大量的金錢。它們在最有希望的礦區(qū)中開鉆探井，并且不僅利用這些探井確定是否存在碳?xì)浠衔?，并且還確定存在的碳?xì)浠衔锏男再|(zhì)。
對于深的海上油田，在可以生產(chǎn)任何碳?xì)浠衔镏?，必須首先花費(fèi)幾年的時間建造帶有適當(dāng)碳?xì)浠衔锕芾碓O(shè)施的非常昂貴的平臺。這些設(shè)施中使用的材料的設(shè)計技術(shù)要求以及成本極大地取決于碳?xì)浠衔锏男再|(zhì)，例如氣油比、粘性、泡點壓力、瀝青沉淀壓力等等。探井本身鉆好后不久通常堵住并且廢棄。但是，探井提供的信息通常在油田或氣田的整個生命中一直使用。
為了確定碳?xì)浠衔镄再|(zhì)，碳?xì)浠衔锕境３奶骄腥〕鲆恍┨細(xì)浠衔铩榇四康目梢园牙鏐aker Atlas ReservoirCharacterization Instrument(RCI)的電纜巖層測試器下降到井中。
最初，取出的流體可能被鉆井期間使用的流體的濾液(“泥漿”)高度污染。為了得到足夠干凈(通常小于10％的污染)的樣品從而樣品可提供和巖層有關(guān)的有意義的試驗室數(shù)據(jù)，通常要從鉆井抽吸30-90分鐘的巖層流體，并實時監(jiān)視其變干凈。接著可以把從井下取到的流體收集到罐中，以供隨后在地面上實驗室中進(jìn)行分析。
替代地，對于某些性質(zhì)，可以在井下實時分析樣品。本發(fā)明涉及監(jiān)視樣品變干凈并且涉及在儲層的溫度和壓力下在井下進(jìn)行樣品的分析。
井下環(huán)境是難以操作傳感器的環(huán)境。井下環(huán)境中的測量儀器必須在工具的壓力機(jī)架內(nèi)的有限空間以及極端條件(包括高溫、振動和沖擊)下操作。
Mullins等的美國5,167,149號和5,201,220號專利標(biāo)題都為“用于檢測井下流體流中的天然氣壓力的設(shè)備和方法(Apparatusand Method for Detecting the Presence of Gas in a Borehole FlowStream)”。Mullins的該發(fā)明的設(shè)備包括井下8通道臨界角(以及布魯斯特角)折射計以區(qū)分油和氣并且估計流體中氣的百分比。
測量黑流體(例如原油)的折射率的傳統(tǒng)方法是臨界角折射計。發(fā)散光束穿過透明固體(例如玻璃)并且射到該透明固體和與該透明固體接觸的一些要測量的流體之間的界面上。在接近該界面的法線的角度下反射的發(fā)散光束較暗。在這些角度，一些光透射(折射)到流體中。
在掠散角下反射的發(fā)散光束亮得多。從布魯斯特角開始，任何入射P偏振光不遭受反射損失。從臨界角開始，所有光，不論是否偏振，都不遭受反射損失而是從該界面100％地反射，從而沒有光透射入流體。
對于從介質(zhì)n0進(jìn)入介質(zhì)n1時的折射光，可以從斯涅耳折射定律n0sinθ0＝n1sinθ1計算臨界角。最大可能的折射角(從界面的法向測量)是90°，從而通過在斯涅耳定律中代入θ1＝90°，可以算出臨界角θc＝arcsin(n1/n0)。
在臨界角可以看到反射強(qiáng)度的大改變(亮/暗分界線)，可以利用單個可移動檢測器或者利用靜止的光測器陣列定位。對于井下設(shè)計單個可移動檢測器明顯增加機(jī)械復(fù)雜性。
實驗室儀器通常利用1024或更多的靜止光測器陣列檢測臨界角。但是，井下模仿實驗室設(shè)計會是困難的，因為光測器陣列中建立的多路復(fù)用器通常不能95℃以上工作。即使利用分立的高溫多路復(fù)用器，在井下遇到的高溫下多路復(fù)用這么多的微弱信號是成問題的，因為為了降低噪聲它們可能必須是堆疊的。從而，在井下，可能對于臨界角折射計只使用幾個固定的光測器器件(例如，8個)。當(dāng)然，如前面提到的美國5,167,149號和5,201,220號專利中說明那樣，利用8通道折射計只能按8步地而不是連續(xù)地測量折射率。
由于這種器件只在八個粗步程中測量折射率，該器件的操作者難以監(jiān)視樣品變清。樣品變清指的是當(dāng)從鉆井的選定深度抽取流體時從濾液污染流體轉(zhuǎn)變?yōu)閹缀跫儍舻膸r層流體。
粗略折射率讀數(shù)的處理不能對樣品變清提供準(zhǔn)確監(jiān)視。因此，需要一種可以沿著連續(xù)體測量折射率的方法和設(shè)備，從而操作員可以準(zhǔn)確監(jiān)視巖層樣品的折射率。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供連續(xù)折射率測量。利用連續(xù)折射率測量監(jiān)視變清的好處是，對于可以在井下透射光譜計的整個光譜上的光密度造成突然亂真增加(“跳躍”)的沙?；蚱渌w粒的通過，折射率遠(yuǎn)遠(yuǎn)不那么敏感。樣品的勘測深度僅為從藍(lán)寶石窗口表面深入到樣品中1-2微米，從而對樣品的光測量不受離該窗口表面3微米之外的氣泡或顆粒的影響。這種窄的勘測深度稱為界面技術(shù)，因為在樣品中只勘測非常淺的深度(1-2微米)。因此，由于大部分氣泡和顆粒不在藍(lán)寶石窗口表面的1-2微米內(nèi)通過，本發(fā)明提供的界面技術(shù)基本上消除氣泡造成的亮度的暫時增加以及顆粒造成的暗度的暫時增加。有趣的是，美國5,166,747號專利在第5欄第17-23行特地指出 “藍(lán)寶石壁和流體樣品的界面造成的反射不提供有用信息”，這種講授背離本發(fā)明。
本發(fā)明的折射計對顆粒的敏感較小，因為它只在通過窗口的光的幾個波長的深度上探測流體，從而它看不到所有通過2mm路徑長度單元(304)的顆粒。很少的顆粒進(jìn)入窗口幾個光波長之內(nèi)，這部分地是由于顆粒的周圍以及窗口的周圍涂覆著至少幾個光波長的流體。
本發(fā)明不要求測量臨界角。此外，它還可以充當(dāng)衰減反射光譜計。
本發(fā)明提供連續(xù)折射率測量，并且包括一種用于井下環(huán)境中的持續(xù)、準(zhǔn)確操作的簡化折射計設(shè)計的設(shè)備和方法。在本發(fā)明的一個方面，本發(fā)明提供對利用本發(fā)明的折射計得到的測量的新穎解釋。在本發(fā)明的另一個方面，本發(fā)明提供一種基于氣體的低得多的折射率區(qū)分氣體和流體的方法和設(shè)備。在本發(fā)明的另一個方面，本發(fā)明提供一種從透明窗口和鉆井或巖層流體之間的界面反射的光的部分R確定鉆井或巖層流體的折射率的方法。在本發(fā)明的又一個方面，可以利用本發(fā)明觀察減壓期間巖層流體的泡點和露點，或者準(zhǔn)確確定若干其它巖層特性。在本發(fā)明的又一個方面，可以利用本發(fā)明得到高衰減區(qū)中流體的吸收光譜。
高衰減區(qū)包括可見和近紅外光中的瀝青烯質(zhì)尖峰(由于電子躍遷)或中紅外(其吸收可以比近紅外中的對應(yīng)吸收尖峰大100倍以上)或近紅外中的強(qiáng)分子振動尖峰。這些光譜通常太衰減因而不能利用2mm徑長以上的透射光譜儀測量。
中紅外常常稱為紅外光譜的“指紋”區(qū)，因為在其上常?？梢蕴貏e明顯地出現(xiàn)微妙的化學(xué)差異。烷烴(在原油中找到)的紅外光譜不同于烯烴(只在某些鉆井流體中找到)的光譜，也不同于各種芳香烴(大都在原油中找到，但是通過設(shè)計不存在于任何環(huán)境友好的合成鉆井流體中)的光譜。
紅外光譜差異可以構(gòu)成一種改進(jìn)方法的基礎(chǔ)，以便根據(jù)從分子振動譜頻術(shù)推導(dǎo)出的而不是從顏色推導(dǎo)出的化學(xué)成分的微妙差異來估計樣品中鉆井流體的污染量。從下面的在本文的詳細(xì)說明書中公開的一優(yōu)選實施例的例子本發(fā)明的這些和其它目的和優(yōu)點會變得清楚。


圖1示出流體/藍(lán)寶石界面處光反射百分率對向該界面法向入射(垂直)的折射率的曲線，其中該流體是正在被測量的折射介質(zhì)；
圖2是本發(fā)明的折射計的一個優(yōu)選實施例的圖；圖3是圖2的折射計的放大圖；圖4是比較本發(fā)明的光譜計的讀數(shù)和一種已知光譜計的讀數(shù)的曲線。
圖5是示出污染原油的測得折射率n隨基于油的泥漿濾液污染的百分率的變化的圖；圖6是示出十種純碳?xì)浠衔?己烷，辛烷，癸烷，十二烷，廿二烷，苯，甲苯，鄰二甲苯，間二甲苯以及對二甲苯)的多種集的克勞修斯-莫索蒂比(n2-1)/(n2+2)對密度(g/cc)的曲線。這些數(shù)據(jù)是從公開文獻(xiàn)(化學(xué)和物理CRC手冊，第50版，1969)中得到的；圖7是示出這十種純碳?xì)浠衔锏碾S機(jī)合成混合物的每種成分的克勞修斯-莫索蒂比的體積加權(quán)和對該混合物的密度(g/cc)的曲線。注意這些混合物的最佳擬合斜率和截矩基本上與對各種純成分的最佳擬合斜率和截矩相同；并且圖8是示出范圍從19°到41°API的十種原油集的克勞修斯-莫索蒂比對密度(g/cc)的曲線。注意，這些高復(fù)合混合物(原油)的最佳擬合斜率和截矩非常接近為純碳?xì)浠衔锖退鼈兊幕旌衔锏玫降闹?，這指示克勞修斯-莫索蒂比和密度之間的幾乎通用的關(guān)系。去掉其中之一(Oklahoma原油)外，這些數(shù)據(jù)是從公開發(fā)布的文獻(xiàn)(Buckley等的表I，Paper 61f of 2nd International Symposium onThermodynamics of Heavy Oils and Asphaltenes，Houston，March9-13，1997)取得的；圖9示意示出當(dāng)形成流體片或形成液滴時光強(qiáng)下降時為確定露點執(zhí)行的操作；圖10示意示出為確定折射率為最小的壓力下的泡點執(zhí)行的操作；圖11示意示為對樣品估計溶解參數(shù)、表面張力和成分執(zhí)行的功能；圖12示出雜光對計算的折射率的誤差的影響；以及圖13是井下環(huán)境中本發(fā)明的一個例子。
具體實施例方式
本發(fā)明提供一種從折射計測量確定若干巖層流體特性的方法和設(shè)備。本發(fā)明還提供一種根據(jù)氣體的低得多的折射率更準(zhǔn)確地區(qū)分氣體和流體的方法和設(shè)備?？梢詮木哂幸阎凵渎实膬?yōu)選透明窗口和被分析的巖層流體之間的界面反射的光的部分R確定鉆井或巖層流體的折射率。
圖1示出從流體/藍(lán)寶石界面反射的光的百分比曲線101，其中光垂直入射到該透明窗口和界面的表面平面上。在該圖中，窗口具有1.75的固定折射率但流體的折射率是變化的。當(dāng)流體的折射率等于窗口的折射率(對于藍(lán)寶石為1.75)時出現(xiàn)最小反射。
圖2示出裝在井下流體特性鑒定工具內(nèi)的已有空間中的折射計的本發(fā)明的優(yōu)選設(shè)計，其可以進(jìn)行巖層和鉆井流體的現(xiàn)場分析(例如Baker Atlas公司的Sample ViewSM工具)。
在一優(yōu)選實施例中，光源201(例如鎢絲燈泡)向巖層或鉆井流體樣品發(fā)射光。通過該光源和流體樣品之間的準(zhǔn)直透鏡器件203準(zhǔn)直該發(fā)射的光。如果不受阻礙，準(zhǔn)直后的光束通常垂直地入射到第一藍(lán)寶石窗303的外表面上。通常垂直于準(zhǔn)直后的光束的藍(lán)寶石窗303和302由間隙或通道304隔開，以便能使被分析的流體在它們之間流過。在一優(yōu)選實施例中，折射計組件205使來自310的入射準(zhǔn)直光束中的一部分轉(zhuǎn)向并把這部分光聚焦到第一藍(lán)寶石窗303和通道304中的流體之間的界面307上。反射的光束在折射計(316，318和320)和衰減反射光譜計321之間的317處分裂。沒有為在該折射計或該衰減反射光譜計中使用而轉(zhuǎn)向的那一部分準(zhǔn)直光束繼續(xù)前進(jìn)以供其它試驗例如透射吸收光譜計209中使用。
圖3是折射計組件205的放大圖，圖中示出二個稱為左棒300和右棒301的光透射棒300、301(它們可以是中繼透鏡或者可以簡單地是玻璃或藍(lán)寶石棒)。這二個光透射棒的縱軸位于垂直于二個承壓板303、302的平面的平面中，這二個板包括第一藍(lán)寶石窗303、第二藍(lán)寶石窗302以及通道304。另外，這二個光透射棒300、301最好是并排的(并且在它們相遇處300彼此接觸)，并且還可以和第一藍(lán)寶石板303接觸。為了使光信號最大，施加高溫折射率匹配凝膠以橋接透射棒300、301和第一藍(lán)寶石板303之間的間隙。除了空氣之外使該間隙不被填充不會改變折射率測量，因為它按相同的因子減弱未知樣品以及基準(zhǔn)樣品二者的光強(qiáng)測量。用來計算折射率的式16只取決于比值Ir_air/Ir_unk，從而分子分母中的相同因子彼此抵消。透射棒300和301最好對法線是等角的(大約4°)，并且跨在垂直中心線306上。這樣的優(yōu)選角是機(jī)械設(shè)計限制下能達(dá)到的最小實際工作角。理想角應(yīng)為零度，因為在從反射光強(qiáng)計算折射率的公式中該角假定為零度。但是，理論計算顯示只在0°到4°可忽略反射光強(qiáng)改變(對于空氣為-0.0062％而對于石油為-0.0079％)。當(dāng)通過我們的公式傳播這些反射光強(qiáng)誤差時，發(fā)現(xiàn)4°角度使得參照空氣的對石油測量折射率的誤差只比應(yīng)該值低可忽略的百萬分之2到3。從藍(lán)寶石窗表面到樣品中的樣品勘測深度僅為1-2微米，從而對樣品的光測量不受離窗表面的距離超過3微米的氣泡或顆粒的影響。這種窄深度勘測稱為界面技術(shù)，因為只在樣品中勘測非常淺的深度(1-2微米)。由此，本發(fā)明提供的界面技術(shù)實質(zhì)上消除了氣泡造成的亮度的暫時增加以及顆粒造成的暗度的暫時增加，因為大部分氣泡和顆粒不在藍(lán)寶石窗表面的1-2微米內(nèi)通過。
通過在通道304內(nèi)放置折射率已知的物質(zhì)(例如空氣或水)校準(zhǔn)該優(yōu)選折射計。記錄經(jīng)左棒300透射到第一藍(lán)寶石板303并且通過右棒301反射回到該藍(lán)寶石/空氣(或藍(lán)寶石/水)界面上的反射光的強(qiáng)度，并且將其用作校準(zhǔn)基準(zhǔn)值以供從其它流體的相對反射強(qiáng)度計算它們的折射率。利用通道304中的折射率已知的流體(最好是空氣)調(diào)準(zhǔn)光源310，光進(jìn)入左棒300，在流體藍(lán)寶石界面上反射并且通過右棒301返回。反射的光經(jīng)光纖鏈路314到達(dá)濾光器316，接著到達(dá)光電轉(zhuǎn)換器318并且最后到達(dá)電子分析/顯示系統(tǒng)320。
當(dāng)利用透明的已知基準(zhǔn)流體時，在黑色測試目標(biāo)312駐留在通道304中第二藍(lán)寶石窗302的內(nèi)表面上。它吸收任何通過第一藍(lán)寶石窗的并且撞擊第二藍(lán)寶石窗的光，從而消除從第二窗302的背反射。該測試目標(biāo)312能校正讀數(shù)，因為移動目標(biāo)312潛在地允許從第二藍(lán)寶石窗302背反射，該背反射可顯著增加并且從而改變校準(zhǔn)讀數(shù)。但是，這些二次反射通常只在校準(zhǔn)中是問題。一個原因是，巖層流體通常具有比校準(zhǔn)中使用的流體(空氣)高的吸收，從而二次反射通常由流體自身消除。另一個原因是，第一窗流體界面處反射的光的部分只取決于在該界面的大約一個表皮深度內(nèi)的流體的折射率，而間隙304遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于該表皮深度。
在一優(yōu)選實施例中，巖層流體或氣體通過藍(lán)寶石窗302和303之間的通道304，并且測量反射光強(qiáng)度。該反射強(qiáng)度主要取決于通道304中的與上板界面303接觸的薄巖層流體層的折射率。
光纖鏈路314能使光電轉(zhuǎn)換器318以及關(guān)聯(lián)的固定裝置位于中央光束的之外，該中央光束供透射吸收光譜計209使用。這種組件布局防止陰影投到藍(lán)寶石窗中用于其它測量例如透射吸收光譜術(shù)209的部分上。
基本反射公式是周知的并且例如可以在Handbook of Optics，Volume I，Second Edition，Michael Bass.ed中找到。對于不吸收窗和不吸收流體，垂直于界面的光束的反射系數(shù)為R＝Ir/Io＝(n0-n1)2/(n0+n1)2(1)其中n0是窗口的折射率而n1是流體的折射率。為了求解n1可以反演式1。
對于n1＜n0，n1＝n0(1-Sqrt(R))/(1+Sqrt(R))(2)對于n1＞n0，n1＝n0(1+Sqrt(R))/(1-Sqrt(R))(3)本發(fā)明最好把藍(lán)寶石(n0＝1.746)用作為透明窗口材料。大部分原油的折射率約在1.43到1.55之間。高壓下天然氣的折射率明顯要低。從而，本發(fā)明的實施采用和n1＜n0情況關(guān)聯(lián)的公式(式2)。對于透過藍(lán)寶石窗口并且射到流體/窗界面上的光，該界面的反射越亮，流體的折射率越低。真空的流體折射率最低(n0＝1.0)，它接近0℃時一個大氣壓下的空氣的折射率(n0＝1.0002926)。
本發(fā)明還包括考慮出現(xiàn)在流體-窗界面的大約一個表皮深度內(nèi)的流體的任何光吸收(衰減反射效應(yīng))而修正折射率公式(式1)的估算。只有當(dāng)在折射計使用的光波長下流體是高衰減的，流體才會在一個表皮深度的短距離下吸收足夠的光，用式11代替較簡單的式11以修正吸收是必要的。
本發(fā)明的折射計基于藍(lán)寶石/流體界面處反射的光強(qiáng)。
為了成功操作這種類型的折射計，消除雜光是關(guān)鍵性的。為此，本發(fā)明在該工具內(nèi)部的不同位置，例如其中安放該折射計組件的管，上提供陰暗(不亮的)黑涂層，例如無光拋光黑鉻。在施加黑色無光涂層之前，在該管的內(nèi)部形成螺紋，利用螺紋達(dá)到斜脊(而不是平臺)以進(jìn)一步減小管內(nèi)反射造成的任何雜光。
本發(fā)明還基本上消除來自第二藍(lán)寶石窗的反射。為此，在二個窗之間設(shè)置由黑鉻包圍的黑特氟隆目標(biāo)。這對井下流體暴露一些黑鉻，并且黑鉻看來比較好地被保持。但是，對于鉆井流體中的最關(guān)鍵位置，使用粗砂磨加碳黑特氟隆，因為不同于涂層，流體中的顆粒不會磨掉它的黑度。任何磨蝕僅僅只是暴露更多的黑特氟隆。在該工具的內(nèi)部不對鉆井流體暴露的區(qū)域中使用黑鉻以減小這些區(qū)域中的雜光。
為了消除第二藍(lán)寶石窗外面的部件所反射的雜光，最好采用對水和油稍微(但不過度)吸收的波長(1740mm)，即“最佳吸收”。對于折射計，不希望采用在其上原油是高吸收的波長(400-1100nm瀝青烯尖峰)，因為接著會存在明顯的衰減反射，這種衰減反射會在折射率讀數(shù)中造成不容易修正的系統(tǒng)誤差。
對于不吸收窗口和吸收流體，可以用實部(n1撇)和虛部(k1)定義流體的復(fù)數(shù)折射率。
n1′+ik1(4)其中k1＝(αλ)/(4π) (5)這里，k1是流體的復(fù)數(shù)折射率的虛部，其代表波長λ下的吸收率，而α是在其上光強(qiáng)下降到其初始值的1/e的距離(通常稱為“表皮深度”或“滲透深度”)的倒數(shù)。按吸收率的定義，A＝log10[I0/I1]。對該式二側(cè)乘以α并且用(I0/e)代替I，產(chǎn)生波長λ下流體中每單位長度上的相應(yīng)吸收率，即Aα＝αlog10[I0/(I0/e)]＝αlog10(e) (6)通過該儀器的另一個過程得到流體在固定路徑長度L上的吸收率A。該長度L最好選成為2mm。類似于質(zhì)量密度，單位長度上的吸收率是一個集中性質(zhì)(和形狀或體積無關(guān))。這樣，可以把測到的單位長度的吸收率(A/L)看成是式(6)的右側(cè)并求解α以得到下式α＝A/[Llog10(e)] (7)現(xiàn)在可以把式7的α帶到式5中以按波長λ下測到的單位長度上的吸收率計算k1，即k1＝(Aλ)/(4πLlog10(e))(8)數(shù)值上，對于L＝2mm并且λ以nm為單位，k1＝A2mmλ[nm]/(10915011) (9)從而，對于1300nm，k1＝A2mm/8396；而對于1600nm，k1＝A2mm/6821，其中A2mm是通過現(xiàn)有井下透射光譜計(本折射計靠著該光譜計安裝)測量的吸收率。
對于不吸收窗口但吸收流體，垂直于或接近垂直于界面的光束的反射系數(shù)為R＝[(n0-n1)2+k12]/[(n0+n1)2+k12] (10)求解n1得到n1＝(n0/a{1±Sqrt[1-a2(1+(k1/n0)2)]} (11)其中a＝(1-R)/(1+R)。為了使吸收率修正的需要為最小，可以在流體吸收最小的波長，例如1300nm和1600nm下進(jìn)行反射系數(shù)的測量。這二個波長位于分子吸收帶之中。最好在1740nm下進(jìn)行測量，因為該波長對于油和水是適度(和最優(yōu))吸收的，并且減小從遠(yuǎn)藍(lán)寶石窗反射的雜光。
當(dāng)然，原油還具有由于瀝青烯而隨波長增加下降的電子吸收帶。對于輕原油，瀝青烯尖峰通常在1300nm前下降到最小吸收率。對于中比重原油，在較大波長1600nm之前瀝青烯尖峰可能不下降到最小吸收率。對于重原油，盡管采用較長的最小吸收波長例如1600nm，為了計算n1可能需要修正公式(式9和式11)。瀝青烯吸收的亂真影響在1740nm下更小。
對于流體不強(qiáng)烈吸收的波長下的法向入射，可以利用下面的公式計算未知流體的折射率nunk。該式根據(jù)1)藍(lán)寶石的折射率、2)空氣的折射率以及3)藍(lán)寶石/空氣界面的反射光強(qiáng)對藍(lán)寶石/未知流體界面反射的光強(qiáng)的比率計算nunk。
nunk＝nsap(a-b)/(a+b) (14)其中a＝(nsap+nair)/(nsap-nair)(15)b＝Sqrt(Ir-unk/Ir-air) (16)Ir_air＝當(dāng)空氣在單元中時的反射信號強(qiáng)度Ir_unk＝未知流體在單元中時的反射信號強(qiáng)度nunk＝未知流體的折射率nair＝空氣的折射率(約為1.0029)nsap＝藍(lán)寶石的折射率(約為1.746)可以從式1這樣得到式14先取未知流體/藍(lán)寶石界面的反射率對空氣/藍(lán)寶石界面的反射率之比的平方根，接著應(yīng)用a和b的定義，并且最后求解nunk。
圖4的曲線401比較本發(fā)明的折射計對折射率的測量(1600nm下利用式14)和利用常規(guī)折射計在可見光下對水、戊烷和三色乙烷(tricloroethane)(分別為低、中、高折射率)測量的折射率?？梢宰龀鲞M(jìn)一步的改進(jìn)以修正空氣和藍(lán)寶石的折射率隨溫度的輕微改變或者對照常規(guī)折射率(可見光下測量，通常在589nm)修正(本發(fā)明在1600nm下測量的)折射率。
本發(fā)明在可見光和近紅外短波下得到高衰減瀝青烯尖峰上的原油光譜。當(dāng)把空氣充填到第一藍(lán)寶石窗303下的間隙304中時，在400-110nm的范圍下，通過使Ocean Optics S2000便攜式光纖光譜計直接和光纖鏈路314連接收集反射光強(qiáng)對波長的基準(zhǔn)光譜。接著間隙304充填原油，本發(fā)明收集另一個反射光強(qiáng)對波長的光譜。這二個光譜的比以10為底取對數(shù)產(chǎn)生瀝青烯區(qū)域上的原油的吸收光譜。該測量顯示出瀝青烯較短波長下的特征性的升高吸收。
為了使本發(fā)明充當(dāng)折射計和衰減反射光譜計二者，對光纖鏈路314添加一個分光器317。該分光器317把部分準(zhǔn)直光束發(fā)送到原有的濾光器316和折射計的光電轉(zhuǎn)換器318。該分光器把其余的光束轉(zhuǎn)向到衰減反射光譜計321，后者包括一個或更多的濾光器、光柵或其它波長分離器件以及光檢測器。
本發(fā)明提供連續(xù)折射率讀數(shù)(而不是疏步的)，這樣，還可以利用這些連續(xù)的折射讀數(shù)監(jiān)視折射率上例如和樣品變清關(guān)聯(lián)的更細(xì)微的變化。樣品變清指的是當(dāng)從鉆井的選定深度抽取流體時濾液污染巖層流體轉(zhuǎn)變幾乎純凈的巖層流體。圖5的曲線501示出如何把污染原油的折射率和以油為基的泥漿濾液污染百分率關(guān)聯(lián)起來。
克勞修斯-莫索蒂比公式(式17)把克勞修斯-莫索蒂比r＝(n2-1)/(n2+2)和質(zhì)量密度ρ、容模極化率P以及克分子量M關(guān)聯(lián)起來。
(n2-1)/(n2+2)＝ρPm/M (17)對于理想混合物，每一成分的克勞修斯-莫索蒂比的體積加權(quán)和等于混合物的克勞修斯-莫索蒂比。以此方式，可以把混合物的折射率和它的組成成分的折射率相關(guān)聯(lián)。即，如果混合物的折射率為n并且體積份額為fi的第i個混合物成分的折射率為ni，則(n2-1)/(n2+2)＝∑ifi(ni2-1)/(ni2+2)(18)本發(fā)明還能確定通道中的流體的露點壓力，如果該流體是純巖層流體它代表周圍巖層的流體。通過在通道304中捕獲巖層流體樣品，并且通過關(guān)上閥340以及上、下移動活塞341以分別減小或增加通道304中的樣品的體積以及提高或減小通道304中的壓力來改變體積，本發(fā)明能使用戶確定流體樣品340的露點或泡點。本發(fā)明在通過界面的樣品的短距離內(nèi)從通道/樣品界面在小的光波長范圍內(nèi)測量流體的折射率。在露點，氣體優(yōu)先在充當(dāng)成核點的固體表面上凝結(jié)成液體。即，在露點下，在窗口上形成一層液體，并且通過本發(fā)明利用當(dāng)從氣體變成液體時檢測到的折射率改變檢測出這層液體。
流體從氣相轉(zhuǎn)變到液相期間測到的折射率增大，因為液相和窗口接觸，從而反射光的強(qiáng)度下降。但是在薄液層是完美平坦的和平行的而不是略微楔形的可能性不大的情況下，來自液體/氣體界面的部分反射可以回到檢測器，造成越過露點時反射光中的變化不那么顯著。
圖6的曲線601示出十種純碳?xì)浠衔?己烷，辛烷，癸烷，十二烷，廿二烷，苯，甲苯，鄰二甲苯，間二甲苯以及對二甲苯)的多種集的克勞修斯-莫索蒂比(n2-1)/(n2+2)對密度(g/cc)的曲線。這些數(shù)據(jù)是從公開文獻(xiàn)(化學(xué)和物理CRC手冊，第50版，1969)中得到的。
圖7的曲線701示出這十種純碳?xì)浠衔锏碾S機(jī)合成混合物的每種成分的克勞修斯-莫索蒂比的體積加權(quán)和對該混合物的密度(g/cc)的曲線。注意，這些混合物的最佳擬合斜率和截矩基本上和各種純成分的最佳擬合斜率和截矩相同。
本發(fā)明使得能在井下連續(xù)測量折射率。該測量可以和從區(qū)域的歷史值數(shù)據(jù)庫中得到的、從特定地理區(qū)和深度的經(jīng)驗中推出的、從折射率推出的或者通過完全獨立的手段測到的估計摩爾質(zhì)量、比重或沸點相組合。例如，可以從井中不同深度上的一系列RCI壓力測量的梯度(壓力對深度斜率)得到井下比重。替代地，如圖8中的曲線801所示，可以從折射率自身估計比重。
已知井下折射計八步測量，從而它們只告訴用戶折射率屬于這八步中的哪一步。即，八步部件只能報告流體的折射率的范圍(這八步中的一步的上、下限而不是折射率自身)。
本發(fā)明的優(yōu)選井下折射計連續(xù)地而不是分步地測量折射率。從而，測到的折射率能估計其它有用的井下性質(zhì)，例如泡點壓力、表面張力和溶性參數(shù)。
折射率對流體壓力曲線在流體的泡點壓力上具有最小值。例如，可以從1.47(當(dāng)流體在泡點之上或之下)變化到1.43的最小值(泡點下)。為此，本發(fā)明提供一個由通道304、閥340和活塞341組成的可延伸的樣品腔，以在測量折射率時減小井下壓力，從而利用本發(fā)明的折射計確定泡點壓力。(Buckley等，Paper 61f of 2nd InternationalSymposium on Thermodynamics of Heavy Oils and Asphaltenes，Houston，March 9-13，1997)。減小壓力以低于泡點的可延伸樣品腔在技術(shù)上是周知的，如在美國6,218,662號專利中公開那樣。
參數(shù)Rm＝(n2-1)/[(n2+2)ρ]表示總體積中分子占據(jù)的份額并且是一個預(yù)測許多物理和熱力學(xué)性質(zhì)的非常有用的參數(shù)(Riazi M.R.，Daubert T.E.，“Characterization Parameters for PetroleumFractions，Industrial and Engineering Chemistry Research，U.S.A，Vol.26，Pages 755-759，1987”)。在此式中，(n2-1)/(n2+2)是每摩爾分子占據(jù)的體積，而ρ是每單位體積的摩爾數(shù)(不是克數(shù))。參數(shù)Rm以及其他參數(shù)可被用于估算表面張力、泡點，以及用于閃速計算(flash calculation)(Escobedo，J和Mansoori，G.A.，Surface TensionPrediction for Liquid Mixtures，AIChE Journal，Vol.44，No.10，pp.2324-2332，1 998)。
表達(dá)式(n2-1)/(n2+2)3/4與溶性參數(shù)成比例，并可用于估算混合物的極化性和芳香族化合物對脂肪族化合物的相對分?jǐn)?shù)(Buckley等，“Asphaltene Precipitation and Solvent Properties of Grude Oils，Pet.Sci.Tech.，Vol.16，No.3-4，p.251，1998”)。
在正確設(shè)計和操作石油生產(chǎn)、處理和運(yùn)輸中的設(shè)備上石油鎦分以及產(chǎn)品的熱力學(xué)和物理性質(zhì)是重要的。如下面的摘錄中所示那樣，在Mohammad R.Riazi*和Yousef A.Roomi的論文的文摘中概括地討論巖層流體性質(zhì)的估計，該論文標(biāo)題是“Minimum Lab.Data ToMeasure Fluid Properties”，其討論從摩爾質(zhì)量、比重和折射率估計絕大多數(shù)的巖層流體性質(zhì)，并發(fā)表于2000年10月15-18日于加拿大蒙特利爾召開的第50屆加拿大化學(xué)工程會議(CSChE 2000)。(另參見Industrial and Engineering Chemistry Research(Issue 8，2001)。Riazi，M.R.和Y.Roomi在Industrial and Engineering ChemistryResearch，American Chemical Society，January 2001上發(fā)表的“Use ofRefractive Index in Estimating Thermophysical Properties ofHydrocarbon Mixtures”)。
設(shè)計和操作提煉中使用的熱交換器單元中需要石油鎦分的比熱、導(dǎo)熱率、粘性和密度。在確定諸如汽油或柴油等石油燃料的品質(zhì)上對石油產(chǎn)品的苯、芳香族以及硫的含量的了解是重要的。試驗確定不同條件下各種石油混合物的所有這些性質(zhì)是費(fèi)錢的和耗時的。通過只測量三種基本性質(zhì)，可以以良好的精確度估計幾乎所有其它性質(zhì)。這三種基本性質(zhì)是20℃下的摩爾質(zhì)量、比重和折射率。在得不到摩爾質(zhì)量的情況下，可以利用沸點(蒸鎦數(shù)據(jù))以及比重和折射率來估計各種熱力學(xué)和物理性質(zhì)。石油鎦分和石油產(chǎn)品是來自不同族的許多碳?xì)浠衔锍煞值幕旌衔铩＿@些成分是無極性的并且主要分子間力是從用極化性定義的極化強(qiáng)度確定的倫敦分散力。折射率是一種容易在實驗室測量的性質(zhì)。通過了解折射率、密度和摩爾質(zhì)量，可以準(zhǔn)確確定石油鎦分中的石蠟、環(huán)烷、單芳香族、多芳香族和硫的含量。通過這些參數(shù)，可以從經(jīng)驗數(shù)據(jù)在1-2％的精確度下確定許多物理性質(zhì)，例如臨界性質(zhì)、狀態(tài)參數(shù)方程、粘度、導(dǎo)熱率、擴(kuò)散率、比熱和汽化熱?？梢詮姆浅Ｉ俚膸讉€可測量的參數(shù)確定復(fù)雜石油混合物的許多物理以及熱力學(xué)性質(zhì)。
這樣，利用本發(fā)明確定巖層樣品的折射率并提供摩爾質(zhì)量和比重，可以準(zhǔn)確確定石油鎦分中石蠟、環(huán)烷、單芳香族、多芳香族和硫的含量。通過這些參數(shù)可以確定許多物理性質(zhì)，例如臨界性質(zhì)、狀態(tài)參數(shù)方程、粘度、導(dǎo)熱率、擴(kuò)散率、比熱和汽化熱。
圖9示意示出當(dāng)由于形成一層液體或形成液滴時光強(qiáng)下降時確定露點所執(zhí)行的功能。本發(fā)明的一個例子中執(zhí)行的功能是得到巖層流體901；改變流體體積以降低和/或加大流體上的壓力902；改變流體體積以降低和/或加大流體上的壓力903；在壓力改變期間監(jiān)視流體的折射率904；確定在降壓期間反射光的強(qiáng)度的下降905；確定降壓期間反射光的強(qiáng)度的下降906；以及，當(dāng)形成液體層或形成液滴時光強(qiáng)下降時確定流體的露點907。
圖10示意說明為確定折射率為最小時壓力下的泡點而執(zhí)行的功能。本發(fā)明的一個例子中執(zhí)行的功能是得到巖層流體1001；對流體減壓1003；監(jiān)視減壓期間的折射率1005；確定折射率為最小時壓力下的流體泡點1007。
圖11示意說明為確定樣品的溶性參數(shù)、表面張力和成分執(zhí)行的功能。本發(fā)明的一個例子中執(zhí)行的功能是得到巖層流體并減壓1101；連續(xù)監(jiān)視流體折射率1103；以及估計流體的溶性參數(shù)、表面張力和成分105。
圖12示出1％(1201)、2％(1202)和5％(1203)的雜光對計算的折射率的誤差的影響。圖13說明部署在鉆井中的本發(fā)明的示范實施例。本發(fā)明適于部署在鋼絲繩、滑繩中或適于鉆井同時進(jìn)行監(jiān)視的環(huán)境。圖13示出鉆井操作同時進(jìn)行監(jiān)視時部署的本發(fā)明的一示范實施例。現(xiàn)轉(zhuǎn)到圖13，圖13是依據(jù)本發(fā)明的一實施例的鉆井設(shè)備。如業(yè)內(nèi)人士周知那樣示出典型的鉆機(jī)202，鉆井204從其延伸。鉆機(jī)202具有工作繩206，在示出的實施例中該繩是鉆繩。鉆繩206附著有用來鉆開鉆井204的鉆頭208。本發(fā)明也可用于其它類型的工作繩，并且本發(fā)明可以和鋼絲繩、接合管、螺旋管或者諸如緩沖減振動管的其它小直徑工作繩一起使用。鉆機(jī)202示出定位在帶有提升器224的鉆井船222上，該提升器從鉆井船222延伸到海底220。但是，任何鉆機(jī)配置例如以陸地為基的鉆機(jī)都適于實現(xiàn)本發(fā)明。
優(yōu)選實施例的上述例子用于解釋的目的而不是用來限制本發(fā)明的范圍，本發(fā)明的范圍是由下述權(quán)利要求書限定的。
權(quán)利要求
1.一種用于測量巖層流體的折射率的設(shè)備，包括和巖層連通以便從該巖層捕獲流體的通道；光源，用于把光引向該通道之間的界面、通過第一通道壁并進(jìn)入包含在該通道中的流體的勘測區(qū)；用來改變流體上的壓力的可變體積通道；以及電子分析系統(tǒng)，用于測量在該界面處從該樣品反射的作為壓力的函數(shù)的光信號。
2.權(quán)利要求1的設(shè)備，該流體通道還包括其中用來減少進(jìn)入該電子分析系統(tǒng)的雜光的雜光減少器件包括攔截從勘測區(qū)范圍之外進(jìn)入樣品的光的不反射材料。
3.權(quán)利要求1的設(shè)備，還包括確定流體的露點的功能。
4.權(quán)利要求1的設(shè)備，還包括確定流體的泡點的功能。
5.權(quán)利要求1的設(shè)備，還包括估計物理參數(shù)的功能。
6.權(quán)利要求1的設(shè)備，還包括確定流體的物理性質(zhì)的功能。
7.權(quán)利要求1的設(shè)備，還包括確定流體的成分的功能。
8.權(quán)利要求1的設(shè)備，濾光器用于選擇最佳吸收的光波長，其中該最佳吸收光波長為1740nm。
9.一種測量巖層流體的折射率的方法，包括在通道中得到來自巖層的流體；把光引向第一通道壁之間的界面，并進(jìn)入到該通道中含有的樣品的勘測區(qū)中；改變該通道中的流體上的壓力；以及在最佳吸收波長下測量從該界面反射的作為壓力的函數(shù)的光量。
10.權(quán)利要求9的方法，還包括攔截從勘測區(qū)范圍之外進(jìn)入樣品的光。
11.權(quán)利要求9的方法，還包括確定流體的露點。
12.權(quán)利要求9的方法，還包括確定流體的泡點。
13.權(quán)利要求9的方法，還包括估計物理參數(shù)。
14.權(quán)利要求9的方法，還包括確定流體的成分。
15.權(quán)利要求9的方法，還包括確定流體的物理性質(zhì)。
16.權(quán)利要求15的方法，濾掉最佳吸收光波長之外的所有光，其中該最佳吸收光波長為1740nm。
17.一種計算機(jī)可讀媒體，其含有當(dāng)被計算機(jī)執(zhí)行時實現(xiàn)一種測量巖層流體的折射率的方法的指令，包括在通道中得到來自巖層的流體；把光引向第一通道壁之間的界面，并進(jìn)入到該通道中含有的樣品的勘測區(qū)中；改變該通道中流體上的壓力；以及在最佳吸收波長下測量從該界面反射的作為壓力的函數(shù)的光量。
18.權(quán)利要求17的媒體，還包括攔截從勘測區(qū)范圍之外進(jìn)入樣品的光。
19.權(quán)利要求17的媒體，還包括確定流體的露點。
20.權(quán)利要求17的媒體，還包括確定流體的泡點。
21.權(quán)利要求17的媒體，還包括估計物理參數(shù)。
22.權(quán)利要求17的方法，還包括確定流體的成分。
23.權(quán)利要求17的方法，還包括確定流體的物理性質(zhì)。
24.權(quán)利要求23的方法，檢測最佳吸收光波長，其中該最佳吸收光波長為1740nm。
全文摘要
本發(fā)明提供一種基于氣體的低得多的折射率區(qū)分氣體和流體的方法和設(shè)備。它還可用于監(jiān)視流體樣品隨時間變清。鉆井流體的折射率是從折射率已知的透明窗和該流體之間的界面反射的光的部分R確定的。最好在流體不高度衰減但最佳衰減的某波長下測量折射率。可以利用相鄰的透射光譜計修正其監(jiān)視的那些波長衰減的折射率測量。該基于反射的折射計設(shè)計可充當(dāng)高衰減波長下的衰減反射光譜計。
文檔編號E21B49/10GK1836155SQ200480023306
公開日2006年9月20日 申請日期2004年8月12日 優(yōu)先權(quán)日2003年8月14日
發(fā)明者洛克·迪弗格奧, 阿爾諾德·維爾考, 保羅·伯格恩, 路易斯·普里茲 申請人:貝克休斯公司