CN101542272B - 用于光学地确定二氧化碳存在的设备和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于光学地确定流体中二氧化碳的存在的设备，所述设备包括：发光源；光学传感探头，所述光学传感探头与分析的流体接触；光学的光传送装置，用于将从发光源发射的光传输到光学传感探头，和将由光学传感探头反射的光线传输到用于在由光学传感探头反射的光束的波长之间进行识别的装置；将由波长识别的光束转换成测量数据的装置，所述测量数据表示流体中二氧化碳的存在，其中，光学传感探头包括尖端部，所述尖端部在红外波长中作为衰减全反射(ATR)吸收器工作。
Description
技术领域
根据本发明的设备和方法涉及光学地确定流体中二氧化碳的存在。更精确地，根据本发明的设备和方法涉及确定井眼流出物的气相中二氧化碳的部分压力。
背景技术
二氧化碳天然地存在于气井以及油井流出物的气相中。二氧化碳的浓度在0与100％之间变化。出于经济的原因，确定此浓度以便评价储层的经济价值。在CO2浓度高的情况下，储层的价值将显著下降。此外，由于CO2气体的腐蚀特性，高CO2浓度将对井设备，尤其是介于完井部分期间的井设备有重要的影响。
已知的是，当定量和定性分析井眼流出物时，使用在紫外线波段、可见光和红外线波段内的吸收光谱法。
斯伦贝谢公司可商业获得的MDT(模块式地层动态测试器)井下仪中的OFA(光学流体分析仪系统)自从1993年引入之后通过MDT井下仪已经提供了收集在井眼中的流体样品的定性测量。OFA分析仪系统使地层流体受到可见光范围和在红外线范围的照明的影响。在这些特殊的波长中，因为其它井眼成分吸收同一波长内的光，所以不可以评估CO2的浓度。
已知在现有技术中使用大约4.3μm的差示红外光谱法用于具体地在环境检测应用中测量CO2的浓度。在此波长中，二氧化碳表现出重要的并且特征的吸收谱带。此吸收谱带不干涉其它井眼成分的吸收谱带。
红外线在完全衰减之前在样品中可以穿透的典型波长取决于CO2的密度和浓度。对于油气井中的通常条件(压力达到20000Psi，温度达到200℃或更高，CO2浓度从2％到50％)，需要微米级的光程长度在4.3μm处通过差示光谱法测量二氧化碳。此光程长度对于使用如上所述的OFA来说太小，在所述OFA中，光程长度为毫米级。
已知“衰减全反射”(ATR)原理很好地适于吸收材料内的光谱学。此技术允许使用微米级的光程长度进行光谱测量。在ATR原理中，入射光线朝向分析的流体位于其后方的窗体发射。入射角使得发生全反射。损耗波然后传送到分析的介质中，并吸收在所述介质的吸收波长内。此吸收可在反射波的光谱上检测到。
已知ATR光学传感器包括扁平窗体。当期望在井眼流体环境中使用所述传感器时此特性产生重要的问题。实际上，由于流出物不同相(油、水和气)，传感器平坦窗体被迅速污染，这大大地影响了测量精度。
因此，本发明的目的是克服从现有技术已知的技术中给出的各种问题和限制，从而提供用于测量井流出物中二氧化碳是否存在的可靠而又精确的方法和设备。本发明的设备和方法将可用于大量应用中，并且不限于从地层取的样品，根据本发明的设备和方法将还可以应用于依赖井的性质的各种类型的流体(气、烃、水)。
发明内容
根据本发明，提出一种用于光学地确定流体中二氧化碳的存在的设备，所述设备包括：
发光源；
光学传感探头，所述光学传感探头与分析的流体接触；
光学光传送装置，用于将从发光源发射的光传输到光学传感探头，和将由光学传感探头反射的光线传输到用于在由光学传感探头反射的光束的波长之间进行识别的装置；
将由波长识别的光束转换成测量数据的装置，所述测量数据表示流体中二氧化碳的存在，
其中，光学传感探头包括尖端部，所述尖端部在红外波长中作为衰减全反射(ATR)吸收器工作。
此设备有利地允许检测在磨蚀流体和多相流体中CO2的存在，因为适当提出的光学原理(ATR)对CO2检测来说尤其有效，并且具有尖端部的传感探头的使用允许表面毛细排流。此排流确保即使传感探头浸没在井流出物中也使所述传感探头保持清洁，这允许可靠的光学测量。
在一个有利的实施例中，光学传感探头的尖端部包括锥形形状，所述锥形形状具有偏向所述锥形形状轴线的角度，使得从发光源发射的光发生全反射。
有利地，传感探头的锥形尖端部的角度大约为90°，并且光学传感探头由蓝宝石制成。
有利地，光学传送装置包括：第一波导器，所述第一波导器将来自发光源的光传输到光耦合器；光耦合器，所述光耦合器传输发射到光学传感探头的光和传输从光学传感探头反射的光；以及第二波导器，所述第二波导器将被光学传感探头反射的光传输到用于在光束的波长之间进行识别的装置。在优选地实施例中，波导器由蓝宝石棒制成。
在有利的实施例中，光耦合器是包括第一和第二波导器的末端的多模耦合器，所述末端被斜切并且胶粘在一起。
本发明的另一目的是提出一种用于光学地确定流体中存在二氧化碳的方法，所述方法包括以下步骤：
将入射光束射到与分析的流体接触的光学传感探头中；
将由光学传感器探头反射的光束发送到识别装置；
在反射光束的波长之间进行识别，使得与二氧化碳吸收波长相对应的光谱带(F3)与其它谱带(F4)隔离；
确定与二氧化碳吸收波长相对应的光谱带(F3)的强度和与非二氧化碳波长相对应的光谱带(F4)的强度之间的比值；以及
使用所述比值表示流体中二氧化碳的存在，
其中，入射光束是红外光束，并且光学传感探头被设计成在探头尖端部处发生入射光束的衰减全反射(ATR)。
有利地，二氧化碳的存在由根据以下关系的部分二氧化碳压力给出：
PparCO2＝invf(F3/F4)
其中，F3是与二氧化碳吸收波长相对应的光谱带的强度，而F4是与非二氧化碳吸收波长相对应的光谱带的强度。
附图说明
以下参照附图以示例的方式说明本发明的各种实施例，其中：
图1示意性地表示根据本发明的设备；
图2示意性地表示根据本发明的实施例的光波导器布置；
图3示意性地示出根据本发明的、代表并转换光的反射带的装置；
图4示意性地表示根据本发明的光波导器布置的第二实施例；以及
图5示意性地表示根据本发明的传感探头的示例。
具体实施方式
图1示意性地表示根据本发明的设备。光学传感器探头6与分析的介质1接触。密封的压力障碍物12使传感器探头6与光学设备2的其余部分隔离。因此，设备的其它光敏部和电敏部没有暴露给传感探头所面对的相同恶劣的条件。压力障碍物12可以通过以下各种方式构造而成：将传感探头6焊在金属障碍物12内，或者将所述探头胶粘在障碍物内，或者甚至使用前述的这两种方式。
红外光源3在第一光导向器4中传送红外光线F1。作为示例，红外光源可以是黑体源：具有对红外光透明的灯泡的白炽灯光或红外光。
光线F1通过耦合器7导向传感探头6。在优选的示例中，耦合器是多模式耦合器，并且如图2中所示，耦合器包括波导器4和8的末端，所述末端在交界面16处已经被斜切并胶粘在一起。
传感探头包括尖端部5，所述尖端部被设计成发射的红外光束根据全反射而反射。有利地，如图5中示意性地所示，传感探头6由蓝宝石制成，并且尖端部5是锥形，所述锥形成形有相对于锥形轴线大约为45°的角度(具有90°的锥形形状)。
反射光束然后从尖端部5传播回到传感器探头6。耦合器7然后将光束F2引导向第二波导器8，所述光束F2是反射光束的一部分。有利地，第一和第二波导器4和8由直径大约为1.5mm的蓝宝石棒制成。
识别装置9然后在各种波长中分解红外光束F2。波长F3的一部分在二氧化碳吸收谱带中，而这些波长的第二部分F4在CO2的吸收谱带之外。如图3中所示，识别装置9可以包括并排放置在挡板21上的滤波器22和23。这些滤波器分别分离在光束F2中的F3光束与F4光束。
一旦将F3光束与F4光束隔离，转换装置10将F3和F4转换成电信号。如图3中所示，两个热电检测器25和26可以构成转换装置10。检测器25和26分别在滤波器22和23前方并排放置。这样，检测器25仅暴露给光束F3，而检测器26仅暴露给光束F4。检测器25和26以及滤波器22和23可以放置在同一壳体20内。
这些电信号被转化为数字信号并被控制器11解释。
光束F3和F4之间的强度比是分析的介质1中二氧化碳浓度的函数f。部分二氧化碳压力P部分CO2由所述函数f的倒数给出：
PparCO2＝invf(F3/F4)。
根据本发明的设备和方法可以在任何井下仪中实现，在所述井下仪中，传感探头6的尖端部5可以与分析的流体接触。
作为示例，根据本发明的设备可以放置在可商业获得的MDT(模块式地层动态测试器)井下仪的放喷管线内。在此实施例中，整个设备位于井下仪主体内，使得传感探头的尖端与由MDT所采的地层样品接触，同时设备的另一部分与取样流体密封。
如图4中所示，可以折叠光程4和8，使得根据本发明的设备做得更小而又坚固。为此，波导器4的与传感探头6的尖端部5相对的末端42和靠近红外光3的末端43被45°角度斜切，使得光程可以弯曲到90°。在此示例中，红外光源3通过斜切端43将红外光束射入波导器4中。波导器4和8垂直于传感探头6的轴线，并通过所述探头的斜切末端42光学地连接在一起。
Claims (11)
1.一种用于光学地确定井流出物中二氧化碳的存在的设备，所述设备包括：
发光源；
光学传感探头，所述光学传感探头延伸通过密封的压力障碍物以与所述井流出物接触，且所述光学传感探头包括尖端部，所述尖端部在红外波长中作为衰减全反射(ATR)吸收器工作；
识别装置，用于在由所述光学传感探头反射的光束的波长之间进行识别，使得和二氧化碳吸收波长相对应的光谱带(F3)与和非二氧化碳吸收波长相对应的光谱带(F4)隔离；
光学光传送装置，用于将从所述发光源发射的光传输到所述光学传感探头，和将由所述光学传感探头反射的光传输到所述识别装置；
转换装置，将和二氧化碳吸收波长相对应的光谱带(F3)以及和非二氧化碳吸收波长相对应的光谱带(F4)转换成电信号；
控制器，确定和二氧化碳吸收波长相对应的光谱带(F3)的强度与和非二氧化碳吸收波长相对应的光谱带(F4)的强度的比值，并且使用所述比值表示所述井流出物内的二氧化碳的存在。
2.根据权利要求1所述的设备，其中，所述光学传感探头的所述尖端部包括锥形形状，所述锥形形状具有偏向所述锥形形状的轴线的角度，使得从所述发光源发射的光发生全反射。
3.根据权利要求2所述的设备，其中，所述传感探头的锥形尖端部的所述角度大约为90°。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的设备，其中，所述光学传感探头由蓝宝石制成。
5.根据权利要求1-3中任一项所述的设备，其中，所述发光源是发射红外光的黑体源。
6.根据权利要求1-3中任一项所述的设备，其中，所述光学传送装置包括：
第一波导器，所述第一波导器将来自所述发光源的光传输到光耦合器；
所述光耦合器，所述光耦合器传输发射到所述光学传感探头的光并传输从所述光学传感探头反射的光；以及
第二波导器，所述第二波导器将被所述光学传感探头反射的光传输到所述识别装置。
7.根据权利要求6所述的设备，其中，所述第一波导器和所述第二波导器由蓝宝石棒制成。
8.根据权利要求6所述的设备，其中，所述光耦合器是包括第一和第二波导器的末端的多模耦合器，所述末端被斜切并且胶粘在一起。
9.根据权利要求7所述的设备，其中，所述光耦合器是包括第一和第二波导器的末端的多模耦合器，所述末端被斜切并且胶粘在一起。
10.一种用于光学地确定井流出物中二氧化碳的存在的方法，所述方法包括以下步骤：
将入射光束射到延伸通过密封的压力障碍物以与所述井流出物接触的光学传感探头中，所述入射光束是红外光束，并且所述光学传感探头被设计成在探头尖端部处发生所述入射光束的衰减全反射(ATR)；
将由光学传感器探头反射的光束发送到识别装置；
在反射光束的波长之间进行识别，使得与二氧化碳吸收波长相对应的光谱带(F3)与其它谱带(F4)隔离；
确定与所述二氧化碳吸收波长相对应的光谱带(F3)的强度和与非二氧化碳波长相对应的光谱带(F4)的强度之间的比值；以及
使用所述比值表示所述井流出物中二氧化碳的存在。
11.根据权利要求10所述的方法，其中，所述二氧化碳的存在由根据以下关系的部分二氧化碳压力给出：
PparCO2＝invf(F3/F4)
其中，F3是与所述二氧化碳吸收波长相对应的光谱带的强度，而F4是与非二氧化碳吸收波长相对应的光谱带的强度，invf为给出井流出物中二氧化碳的浓度的函数的倒数。
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