CN1672032A - 使用光学仪器对煤床甲烷地层的现场探测和分析以及促进甲烷产量和分析的方法和设备 - Google Patents

使用光学仪器对煤床甲烷地层的现场探测和分析以及促进甲烷产量和分析的方法和设备 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种通过光谱仪在井下现场测量的测量系统。光谱仪包括辐射源和检测器。探头光学连接到光谱仪并包括发送来自辐射源的辐射的光学通路和至少一个把特征辐射从样品发送到检测器的第二光学通路。提供一个定位器来把探头定位到钻孔侧表面的附近和把光学通路光学耦合到侧表面，其中探头受到操作性地连接到探头和井口上的固定位置的引导装置的作用而可在井内上下移动。通过使用本发明的器械和方法，可以测得所研究的甲烷或其他物质的浓度，从而获得煤床甲烷地层的潜在生产能力。

Description

使用光学仪器对煤床甲烷地层的现场探测和分析以及 促进甲烷产量和分析的方法和设备
                                技术领域
本发明涉及使用光谱仪现场测量或分析溶解的、游离的或埋藏的物质的方法和实施该方法的设备。本发明尤其涉及分析井下物质的方法和设备。更具体地说，本发明涉及使用便携式光谱仪对地表下煤床地层的甲烷或相关物质进行探测、分析和测量的方法和设备，由此预测井中潜在的甲烷产量。
                                背景技术
煤床甲烷是指产生于煤层处的甲烷。甲烷是煤化作用重要的副产物，通过煤化作用的过程有机物变成了煤。这类甲烷可能留在煤层中，也可能从煤层中跑出来。如果留在煤层中，它通常固定在煤表面或煤的气孔和层理系统中。通常煤层位于或靠近地下水或蓄水层，煤床甲烷产量取决于对地下水位和水平面的操控。地下水通常浸透发现有甲烷的煤层，而地下水也通常被甲烷饱和。在煤层当中或周围的蓄水层中可以找到甲烷，其或者以游离气体存在或包含在水中，被煤吸收或自身埋在煤中。
甲烷是天然气的主要成分。分离煤床甲烷是生产天然气的一个经济的方法。这种分离目前在全世界的地质煤田中实施。但是，每个生产煤床甲烷的煤层都有一套独特的储层特性，其决定经济和技术上的生存能力。这些特性典型地表现出大量的地层学的和侧向的多变性。
在煤层中，1固定的分子吸附相存储于块煤物质的微孔中。煤中所储存的甲烷的量通常表述为气体含量。
煤床甲烷的分离方法根据不同的煤田和不同的作业者而异。但是，一个典型的分离方案是：向煤层钻一口井，深度通常为地表以下数百至数千英尺；为煤层安装套管并在适当位置浇注水泥以阻隔煤层中的水和周围地层中的水；对煤钻孔并清洗；安装水泵和气体分离装置；以适合于降低地层压力，促使甲烷从煤中脱附以及用能够从井中开采甲烷的速率将水从煤层中抽出。
在特定的煤层的特定位置钻一口煤床甲烷井的经济和技术生存性的评估需要对一系列的储层特性进行评测。这些特性包括：气体含量和煤的储量：煤的气体饱和百分率；气体脱附率和煤密度、渗透性和渗透各向异性；以及气体分离因子。
虽然业内已开发出用以提高那些诸如渗透性和密度的物理特性较差的煤层的产量的方法，但目前没有用以提高煤层气体含量的现实可行的方法。因此，确定那些含有经济数量的甲烷的煤层对行业来说是个艰巨的任务。确定这些煤层的主要议题涉及开发一种用以快速和准确分析煤层的气体含量的方法和设备。
目前可接受的测定气体含量的方法包括从煤层提取煤样并通过体积或者使用甲烷气体传感器测定其后脱附出来的气体量。但是，对煤样的采集通常在监测气体脱附之前就已经较大程度上改变了其气体含量。这种试样完整性的破坏导致所采集数据可靠性的下降。数据可靠性的下降使对用这些常规方法获得的结果产生极大怀疑。同时，由于这些方法取决于对甲烷从煤中脱附的等待，因此在获得数据之前会耗去过多的时间和费用。
用光谱仪进行井底化学物探测已应用于油井。如，Smits等人的“作为电缆地层取样的辅助手段的现场光学液体分析”，1993 SPE 26496开发了一种可安置在钻具内的紫外/可见光谱仪。该光谱仪结合在地层液体取样器内，这样地层液体可流过该装置并被光谱仪分析。尽管该光谱仪能够测定液体的颜色和一些振动键的共振，但其很大程度上对试样的分子结构不敏感。该装置仅能区分水中的O-H键和烃中的C-H键并联系被分析物的颜色从而推断被分析物的组分。由该装置获取的组分是水、气体和烃的相组成。通过把对气体或非气体的观察与对水、烃和/或原油的观察联系起来，该仪器能够区分分离相、混合相和相的纵向尺寸等。通过联系气体、烃和原油指示剂，该仪器能够推测性地指出一个烃相是否是气态、液态、原生态或是轻质烃。含有从煤到甲烷的各种烃类以及可能的话含有细菌物质的煤床甲烷井为这种装置分辨甲烷以及其他研究的物质提供了一个过于复杂的环境。该装置不能从不同的烃类中将信号分解到有用的程度，也不能达到煤床甲烷井所需的测量精度。此外，试样为液态、分析须在光学穿透试样的条件下进行、以及试样须在装置内部检测等要求使该装置不能用于诸如精确测定煤层气体含量的各种应用。
在其他已知的如美国专利No.4802761(Bowen等人)和美国专利No.4892383(Klainer等人)的设备中，设置了一个光纤探针用以把辐射传送给化学过滤的单元体积。将取自周围环境的液态试样经由一层膜或其他过滤器注入到单元内。然后光纤探针提供一条光通路，通过它能影响试样体积的光分析。在Bowen等人的方法中，  在井口使用Raman光谱仪通过光纤探针来化学分析试样。该方法允许使用彩色图形过滤器对井底液态试样进行提纯，而后使用Raman光谱对液体及其溶质加以分析。但是，上述Raman光谱仪须远离待测样品、须使用光纤传送装置来激活和采集的要求使装置的灵敏度受到了限制。该装置没有进一步考虑到分析样品时地下井内存在的状况。此外，在Smits等人的文章中，在Bowen等人和Klainer等人的要求中，样品须为液体以及须在装置内部检测样品大大降低了该装置在诸如测量煤层气体含量等应用方面的实用性。
对样品制备和井下工具的操作方法也已有所描述。美国专利No.5293931(Nichols等人)揭示了一种将一个井孔隔离成多个区的设备。这种隔离允许通过井孔测量隔离的压力或者从井口采集来自井孔中不同位置的液体样品。但是，这种井口样品采集降低了样品的完整性，且不能提供用于评估煤层中气体含量的实用的方法或设备。所显示的设备严重影响到所采集的任何试样，其基本上是设置在井下的采集装置。
                            发明内容
本发明的一个目的是提供一种使用光学分析来精确测定井下物质的方法和系统。
本发明的另一个目的是提供一种能够测定煤床甲烷井中的甲烷的方法和测量系统。
本发明的另一个目的是提供一种使用光谱仪利用从物质发射、反射或散射的辐射分析甲烷和其他物质，并从而允许在井的侧面进行测定的方法和测量系统。
本发明的另一个目的是提供一种精确测定煤床甲烷井中甲烷浓度、为单个井计算浓度随深度的变化以及为其他井计算浓度随深度的变化从而预测煤床甲烷区域的潜在产量的方法和测定系统。
这些目的是通过下面几部分来实现：一套用以导入井内，具有可沿井上下往返的外壳的测量系统；从固定位置向井下延伸并操作性地连接到外壳的引导装置；安置在外壳内并包括放射源的光谱仪；用以将辐射从放射源传送给样品的样品界面；用以探测从样品发射、反射或散射的特征辐射并输出信号的探测器；以及用以处理探测器输出的信号并计算样品中某种物质的浓度的信号处理器。
本发明的另一方面是使用光谱仪进行井下现场测量的测量系统。该光谱仪包括放射源和探测器。设置了一个与光谱仪光学连接的探针，其包括一条用于传送来自放射源的辐射的光通路和至少一条用于将特征辐射从样品传送给探测器的第二光通路。设置了一个定位装置将探针定位于钻孔侧表面附近并使光通路光学耦合于钻孔侧表面，其中探针可借助操作性地连接到探针和在井口的固定位置的导杆沿井上下往返。
本发明的另一方面是测量至少一个煤床甲烷井中的甲烷的方法。在外壳内设置了一套仪器组件，外壳向井下下降一段距离。放射源定位成用来照射样品，探测器定位成用来探测样品和来自放射源的入射辐射之间的相互作用的特征辐射。样品受到照射以产生特征辐射。样品中甲烷的浓度通过探测器探测特征辐射而测定。探测器传送一个表示甲烷浓度的信号给信号处理器，信号处理器处理信号以计算样品中甲烷的浓度。
在本发明的另一个方面中提供了一种使用光谱仪测定钻孔侧表面的方法。设置了一种带有放射源和探测器的光谱仪。钻孔的侧表面与放射源和探测器光学连接。放射源照射钻孔的侧表面，而后收集从钻孔侧表面发射、反射或散射的特征辐射。所收集的特征辐射被传送给探测器用以输出或产生信号。产生的信号被传送给信号处理器，接着计算在钻孔侧表面上的物质的浓度。
侧表面通常是诸如煤、砂岩、粘土或其他沉积物的固体物质。侧表面已受到钻头的影响。测表面还可能具有一层钻探“泥浆”膜或其他一些由钻头带入的污染杂质(带入的或天然发现的)。测量系统对这些物质的表面加以分析，或穿透该物质对其内部进行分析。分析之前可对表面进行处理(如用水洗)。对所研究的物质连同吸附的物质或吸附于该研究物质上的任何其他材料进行表征。这些吸附物可以包括气体、液体或固体。最好，对吸附到煤的表面或气孔里的甲烷进行鉴定。测量在表面上和气孔内的甲烷的量。
所研究的样品可以是煤层的面、煤本身、可以表现为甲烷的细菌或菌群、井中的水、煤或水中夹带的甲烷、溶解于水的甲烷或游离气体。游离气体可通过对水或煤提供压力变化而后在顶部空间收集释放出的气体而现场检测。所研究的样品或物质在测定前可现场接受物理的、生物的或化学的处理以增进探测或测量。
对放射源要尤其关注，并根据井下环境、待测物质和样品背景选择放射源。煤显示出不规则的荧光，且煤层附近往往有细菌和其他有机物质存在。这些物质容易产生荧光而干扰了其他物质的测定。除非测量荧光，放射源和波长要经选择而把这种影响减到最小。煤倾向于发出600nm到900nm之间的荧光，波长低于600nm时荧光迅速减少。优选使用顾及这些范围的放射源来测定甲烷，尤其是煤中吸附或埋藏的甲烷。因此，相对于其他组分，甲烷的识别信号得以扩大到最大程度。有时荧光的识别信号被扩大导致间接地表征甲烷。
这种测定能够建立煤床地层中甲烷的浓度并获得煤床的潜在产量或产能。通过由光谱仪获得代表井中从甲烷散射、发射或反射的辐射的一系列光谱来分析甲烷。使用捕获的光谱来确定煤床地层中的甲烷在不同深度的浓度。处理并分析光谱以得出井中甲烷的浓度。需要使用被设计成用来消除或减少来自存在于井中的放射源的辐射的各种过滤器来精确确定甲烷浓度或其他参数。其他参数可包括预测元素或煤床或井中天然的或引入的化合物过滤器的选择取决于所研究的化学物质。大多数测试中都使用到Raman光谱，但也可使用近红外激光和探测器以避免和来自水中或井中物质的荧光有关的影响。本发明中的测量系统具有高灵敏度。用于保持系统高灵敏度的一个因素是减少或消除测量系统中的移动部件。
Raman光谱的一个特殊形式允许直接对甲烷、二氧化碳和其他气体于煤上的吸附和从煤上脱附进行现场观察。显而易见的是，除测量吸附于煤上气体的量以外，还能对煤层环境一定的物理和化学性质加以推断。例如，通过把气体从煤的局部区域除去(如，通过抽蓄水层的水来降低局部压力，使用诸如超声波探针的声波装置，局部流体加热，使用诸如激光的光子装置等)可以判断煤层的渗透性，然后使用本发明特定优选的实施方式(如，通过测定煤中、煤上、或水或空气中的被分析物)来观察煤表面上的甲烷或其他析出物质在一段时间内的“恢复”情况，从而推断渗透性或层理性。(可使用包括区域封隔器、不连续气体扩散体系等机械、物理或化学手段将煤的局部区域进行隔离)水或其他液体和气体的其他物理或化学特性如压力、温度、流量，数量和质量也可用Raman光谱或其他变换器监测，以使其与来自甲烷的光谱的原始数据联系起来并增强这些原始数据。诸如伽马射线测量、阻抗测量、或流量计检测的其他传感技术也可结合到同一个如Raman光谱仪的工具平台上，从而准确地、可重复地和绝对地将Raman测量与更多传统的井测量标准联系起来。
在另一个实例中，光谱仪可被用来显示煤是否被吸附气体所浸透、未浸透或部分浸透。而后这种显示可与其他煤层数据一道用于预测必须从煤层中除去多少量的水(以及除去的速率)才能开始从该煤层的井中开采气体。这类信息可在蓄水层压力释放时用来跟踪井的进度。可采用一些测量方法历史性地映射在流体静力下降阶段从煤释放的甲烷与甲烷产量的关系。甲烷释放量的测定可归因于光谱仪对煤的响应(或者归因于甲烷、煤、气泡，或者其他被分析物)，甲烷在水中的浓度或甲烷在顶部空间的浓度而测量。这样，光谱响应库可与必须除去的水的量联系起来以研究潜在产量的极限。
光谱仪组件也可与其他形式的化学或物理激励结合使用以增强或扩大探测机制。例如，光谱仪组件可用于分析(井下、在井口、在钻液流中、在钻后钻孔处理中、或实验室中)把所需要的化学物质(如甲烷、细菌等)从煤层中提取出来所用的液体(如水、甲醇等)。在另一个实例中，光谱仪组件被用来分析被局部加热和/或冷却的煤层(如，直到有任何被吸附的气体析出成为气体或转移到局部区域的外部)。这些分析显示出甲烷在煤中的扩散性能、显示出煤的渗透性、层理性、品级、以及其他性能。在另一个实例中，光谱仪可用于测量分光光度指示剂，诸如、荧光团，磷光，或会与甲烷、煤或其他被分析物反应而发出荧光的生物试剂。可在不同阶段跟踪这类指示剂以研究煤层的扩散、多孔性和密度函数。区域封隔器可用来把指示剂的浓度降到最低。这些指示剂的注入可使用来自光谱仪外部的装置，也可以在煤层或蓄水层中天然发生。可使用成像光谱仪测量来自这些指示剂的信号。这种图像会随着指示剂与表面的反应而改变其强度、颜色或透明度。
在优选的实施方式中仪器组件包括测量用的Raman光谱仪。但仪器组件可改由包括其他类型的光谱仪和/或光学测量系统。这些可包括其他光源如电弧、白炽灯、金属卤素灯、高强度放电灯或其他灯，或传统激光、单色激光、Raman光谱仪激发激光以外的或除此以外再加上以任何不同频率、多重频率(包括多重同时频率)或可变频率的二级管激发固态激光、气态激光、金属蒸汽激光、二极管激发激光、激发染料激光、固态激光或其他激光。这些其他类型的系统还可包括与单光谱滤波器或各种复合光谱滤波器结合使用的不连续光学探测器的使用。这些光谱滤波器可基于任何材料、技术的组合，诸如光学薄膜干涉滤波器；选择性吸收玻璃、晶体、陶瓷、金属、半导体、液体、气体或聚合物材料；双折射光滤波器；Fabry Perot标准器或其他基于空腔的干涉滤波器；极化选择滤波器；包括各种滤波器的声-光、电-光、热色、和电色滤波器；全息滤波器；基于诸如光栅和棱镜的衍射和折射组件和材料的波长分散滤波器；以及基于干涉或衍射基元件的倾斜、用以改变入射光的角度的可变光学滤波器。
光谱仪组件直接测量煤或其他蓄水层岩石结构中吸附的或包含的甲烷或其他气体。这提供了一种比目前的气体脱附技术更为快速且准确的分析这些岩芯矿样的方法。例如，可以把岩芯矿样带进实验室进行甲烷含量的即刻分析，减少数月的气体含量确定时间。还有，气体脱附技术本身从体积数据产生了一条“脱附曲线”，可用它来倒算在分析开始时岩芯矿样中存在的气体。光谱仪组件可用作互补技术以核实和完善而非只是现场监测和测量的分析中所用的数据。在另一个实例中，光谱仪组件还可用于分析钻井过程中的钻屑，从而免除了昂贵的钻芯取样过程。捕获的钻屑立即被密封进一个分光室内接受分析。可对分光室内的钻屑和气体顶部空间进行分析以确定甲烷浓度。
在井孔中使用仪器组件的一个优选步骤是将工具定位以使仪器光学系列位于距离样品合适的位置。例如，在分析通过聚焦的激光束穿过的蓝宝石窗口距外壳外1英寸的样品时，仪器光学系列可被调整到提供最大的灵敏度和准确度。但是，外壳位置微小的变化却能导致仪器信号灵敏度和准确度本质上的改变。此外，如果把灵敏度作为样品中绝对(非相对)化学含量的判据，这种改变会导致数据分析中有害的误差。为了降低定位给数据可信度造成的影响，列出了五种方法和设备的实例，其中每一种都可单独使用或联合使用。
实例1：电—光
使用能够在相当高频(如，超过1Hz，更优选超过1kHz)电子变焦的光学仪器具有明显的好处。由于观察到信号的最大值，或探测到所研究的光谱特征或物理特征，因此刻意使光学仪器的焦距在一个宽的范围内变化。而后把信号的最大值设想作为样品被定位的点。而后将光学仪器设定在该距离并进行全面分析。这一过程可通过使用计算机或反馈回路实现自动化。
实例2：光-机
使用或作为不连续组件、或以组合形式的移动式光学仪器，使测量系统焦点的物理位置相对于诸如仪器组件的外壳或井孔的一个固定基准变化。例如，光纤、波导管、反射镜、透镜、“积分球”、或部分或全部光学组合可以经平动而使仪器组件的焦点相对于某个基准移动。只要没有其他物理孔径如光学窗框或任何外壳部件阻碍光学系统在整个行程范围上的激发或收集通道，这都不会改变Raman激发和收集的光学系统的数字孔径。这样在焦距相对于固定基准较大的变化范围下，能够提供恒定的灵敏度和收集效率。根据移动轴线，仪器外壳内的光学窗口可以要求在一个或多个轴线内整形或放大，以防止对光学激发和收集通道的干扰。通过对聚焦透镜、反射镜或系统的光轴经由反射面的使用而进行重新定向，而后沿透镜的原始光轴改变反射面的位置，可以使焦点相对某基准变化。例如，通过把反射镜置于对于透镜光轴成45度的入射角，透镜的光轴和焦点被重定向为与其初始通道和位置成90度角。当反射镜沿聚焦透镜、反射镜或系统的原始光轴移动时，结果的焦点沿垂直于原始光轴的轴线朝向或背离原始光轴平动，同时还朝向或背离聚焦透镜、反射镜或系统平动。这向垂直于诸如仪器外壳或井孔的长轴的固定基准的变化焦点距离提供在正交方向上进行聚焦扫描的能力。另一种安排允许固定焦距激发/收集光束通过一个圆筒或拉长的仪器窗口几何形状接受或是绕着井孔圆周，或是垂直地沿着井孔的长轴的光机化旋转扫描，以允许将系统的焦点定位于井孔内离仪器外壳的纵轴或横轴不同距离的不同点处。改变焦点直至观察到最大信号或探测到所研究的光谱的或物理的特征。所需要的移动可由电-机、气动、液压、伺服电动机、齿轮电机、压电、机械、热膨胀、动量转移或重力基激励系统来产生。
实例3：延展光束腰
选择焦点刻意加长的固定光学仪器作为仪器光学系列中的“激发/收集”透镜。由于透镜的长焦点，激光束更为逐渐地聚焦到开始发散处的点。这当中，该点位置处的光束宽度被称作最小光束腰。在一个长焦距透镜中，最小光束腰沿光束通路比短焦距透镜更为恒定。由于最小光束腰较为恒定，仪器的灵敏度和准确度受工具位置变化的影响较小。
实例4：平行激励光束：
一个具有平行光束的固定光学激励系统用来激励在一个仪器光学系列和被测样品之间很大变化的距离上保持恒定或接近恒定性能的拉曼散射。收集光学系统可以是固定的，并且设计得具有较长的景深，或被优化到使在无穷远处的物体成像，来允许在变化的距离上保持接近恒定的收集性能。比如说，通过使用一个具有较短景深而较大的数字孔径系统，再用光-电和光-机方法改变焦距，收集光学系统也可以是可变化的来达到更有效的收集。如同在一个“180°”或“epi”拉曼布局中那样，激励和收集光学系统可以是共线性的，并且可以共享一个或多个光学元件，或者两个系统可以使用原来为激励和收集设计的分立光学仪器。一个共线性，但是分立的激励和收集光学仪器的例子是使用一个收集部件中有一个孔的收集透镜或镜面或检测器阵列，来使一个平行激励光束穿过光学仪器。激励和收集光学仪器也可以沿着与被测样品的激励/收集位置相截或重合的不同的光轴而布置。
实例5：内部标准：
在分析时使用“内部标准”很有好处。举例来说，这个标准可以包括诸如煤，水，或其他化学物质之类的自然产生的物质。它也可包括诸如注入的化学液体，机械地附着的固体之类的人造标准。通过把收集到的任何信号的强度参照来自这种标准的信号强度，仪器的响应可以归一化到已知值，使得测量结果获得更为精确的表述。
内部标准的其他例子包括气体(等离子体)放电灯，金属卤化物灯，弧光灯，发光二极管，发光聚合物，荧光灯，或其他发光装置或材料。内部标准可以使用和具有光谱上变化的吸收，反射，衍射，或干涉性质的元件相结合的光源。例子可以包括掺钬玻璃滤光器，光学干涉滤光器，和法布里-佩洛基准滤光器，和光纤布喇格光栅。这些拉曼散射，光发射或光改型的“内部标准”源可以耦合到相同的光纤，或分立光学元件中，收集光学遗弃用这些相同的光纤或分立光学元件来把光线引导到光谱仪检测器或其他检测器上。如果用一捆光纤来将光线收集到光谱仪检测器或其他检测器上，光纤捆中的一根或多根光纤可以从收集光学仪器中分离出来，用来把“内部标准”光线引导到检测器。
一小部分激励光信号也可以通过例如分光镜从激励源取出，并按规定路线发送到光谱仪检测器或其他检测器以便监视强度或光谱频率的稳定性。通过计算被测信号强度除以源信号的商值，或确定源的光谱位置偏离理想信号的差值，该商值和差值就可以用来纠正源的强度变化和光谱的变化。可以通过使用一个或多个在收集光学仪器光纤捆束中共处的光纤或使用分立光学元件把内部标准光引导到检测器，来把该源的光信号耦合到光谱仪检测器或其他检测器。
通过同时把光从“内部标准”和收集的拉曼信号引导到相同的和不同的检测器，并且观察收集的测量信号上叠加的标准信号，任何“内部标准”都可能在所有测量中被监视。
仪器组合也可以用来测量溶解在诸如水之类的液体内的所研究的甲烷和其他化学物质。这些测量也可以用来推断出环境中的其他化学和物理特性。举例来说，在一个煤层环境中，如果煤不是饱含甲烷的，极少或没有甲烷溶解在水中。不是高度饱含甲烷的煤在能够开始生产煤气之前一般需要生产实质上更多的水。这样，测量几个钻井中的水溶甲烷就可以指出哪一口井生产煤气时生产最少的水。在减压过程中测量这样的成分可以给生产者提供一个历史数据地图。这种信息可以用来为同类租赁区域内的井作出关键的完工决定。
超声波可以用来诱发各种介质，最显著的是液体，中的压力的微观变动。为了从煤层中生产甲烷，必须从这个煤层中生产大量的水来降低局部的煤层压力。通过将一个超声波发射器插入到井中，可以诱发甲烷在较低局部煤层压力下从煤表面脱附。这样就减少了从煤层中生产甲烷所需生产的水的数量。在另一个实施例中，这样的发射器可以在井的清洗过程中协助清除淤泥，煤屑，和其他不需要的物质。
在钻井的侧壁上的泥饼和其他物质会干扰仪器测量。给仪器组合配备一个压穿干扰物质但是基本不会减小仪器的光学激励/收集过程的固定机械球，半球，菱形体，圆锥体，圆柱体，或其他这样的突出物，可以将来自这些物质的干扰减小到最小程度。在一个优选实施例中，固定件既作为突出物，又作为激励/收集透镜。在另一个实施例中，超声波或其他物理方法可以用来在某些情况下击碎干扰物质。在另一个实施例中，这种物质可以用螺旋钻或其他机械方法穿破。
一个意想不到的效果是仪器组合可以用来测量煤中的结构和成分的变化的征兆，而又可以用来推断煤层和它的环境中的某些化学和物理特性。举例来说，仪器组合在煤层中有水和甲烷等吸附物质时从煤中测出一个低强度的荧光峰值。仪器组合在煤层中没有水和甲烷等吸附物质时测出一个高强度的荧光峰值。这样，测量结果清楚地指出何时煤层有吸附物质，何时没有吸附物质。在另一个实例中，仪器可以用来测量煤层的玻璃样反射率值，后者广泛用来作为现场环境的井中的煤层的“等级”，因此也是煤的经济价值的量度。这个技术可以先于传统的昂贵的和危险的井岩芯采样过程使用或替代该过程。从这种类型的“基质”测量得出的信息可以用来估算一个具体煤矿地层的经济价值，来区别这个煤矿地层和其他煤矿地层，和在开发煤矿地层中发现的天然气时选择所需使用的施工和生产方法。
仪器组合可以用来根据其他物质的有无的指示而推断煤矿基层中的甲烷和其他吸附物质的存在或变化。举例来说，某些基层特征振动模式的减少可以指出吸附物质的减少或增加。在另一个例子中，诸如二氧化碳之类的一种吸附物质的存在可以指出诸如甲烷之类的另一种吸附物质的空缺(反之亦然)。
仪器组合可以用来监视诸如二氧化碳之类的某些气体进入诸如煤层之类的岩石中的排螯合作用。举例来说，它可以用来观察二氧化碳进到煤层的螯合度量，包括螯合速率，螯合程度，最终的二氧化碳从煤层的脱附率等等。
内部(例如有关仪器)和外部(例如自然生成和注入的)标准可以用来使仪器的处理能力，激励/收集光学仪器的焦距，激光功率，检测器响应，和色散频率刻度归一化。
对于水中甲烷的钻井测量，井口中的静水压力可能对于水中发现的甲烷数量有很大影响。储水层压力的诱发的变化可以指出煤-甲烷-水的平衡中的变化并预测生产煤气的所需条件。
超声波处理也可以用来诱发从井中煤田样品的脱附。这种脱附能够在进行测量之前先行浓缩甲烷。此外，超声波处理可以用来清洗侧壁和井中的其他物质以便在进行测量之前预处理这些物质。最后，超声波处理可以用来清洗工具中的受污染窗口而无须把工具从井中取出。
为了减少来自环境中不需要的物质产生的光学干扰，可以用细尼龙或SS网筛过滤这样的物质以保持其从光路中分离。简单的扩散或机械的虹吸可以用来把所需的样品递送到相关的测量区域。
煤层中生产甲烷部分是通过自然的甲烷产生过程而发生的。生产可以发生在细菌团的早期生命周期，或者至今还在起着作用。一个数据库说明了甲烷产生的细菌团如何改变作为包括温度，水质，煤层等级，渗透率等等的环境变量的函数的它们的气体生产率，该数据库在提供关键的煤层统计数字方面是很有用的。
在煤化过程中，细菌团很可能在总个数和每种细菌的相对组成上有所变化。识别细菌团的总个数和相对个数(就是生命周期状态)可以推断煤床甲烷井的储藏历史，由此也推断一个煤床甲烷井将来的潜在生产能力。这种识别需要捕获，隔离和培养能够产生甲烷的细菌。已经捕获和隔离了几种能够产生甲烷的细菌。这些细菌的捕获，隔离和培养规程是已知的。利用这个信息库提供了预报产生甲烷的理想条件的能力。
通过了解细菌团如何与它的化学和物理环境相互作用，人们就能够根据储藏煤矿岩石的化学和物理特性来预测哪种类型的煤矿储藏包含最为经济的气体数量。人们也可以识别有利于加速煤化的条件，由此能够增加煤的气化和潜在地延长一个煤床甲烷井的寿命。
本发明的其他目的，优点和新颖特征在下文对于本发明的结合附图的详细说明中会变得更加明显。
                            附图说明
图1是一个本发明的实施例以及井口装有光谱仪和用光纤将光辐射传输到井下探头的煤层甲烷井的侧平面图；
图2是一个本发明的另一个实施例和装有位于降到井下的外壳中的光谱仪的煤层甲烷井的侧平面图；
图3是一个带有液体和气体分析用的流体通道的外壳的实施例的截面图；
图4是一个带有一个非接触型样品界面的外壳的实施例的截面图；
图5是一个带有一个气体分析用的头部-空间的外壳的实施例的截面图；
图6是一个带有一个压向钻孔一侧的轴外样品界面的外壳的实施例的截面图；
图7是一个带有光纤的探头的实施例的截面图；
图8是一个带有压靠向钻孔侧面的样品界面的探头的实施例的截面图；
图9是一个带有定位在井下的光谱仪和一个压靠向钻孔侧面的作为一捆光纤束的样品界面的探头的实施例的截面图；
图10是一个带有一个流体通道和作为样品界面的光纤尖端的探头的实施例的截面图；
图11是一个带有一个光纤光学通路的探头的实施例的截面图；
图12显示一个带有清洗光学仪器部分和外壳的窗口用的超声波发射器的外壳；
图13显示一个配备一个要被压进煤面的突出物的外壳；
图14显示一个配备和煤面相互作用的加热器和泵唧装置的外壳；和
图15显示一个具有准备煤面的超声波装置的外壳。
                          具体实施方式
图1显示一个煤层甲烷井1，钻孔3从井口伸展到煤层10，图中显示了含水层馈水水平9。光谱仪4定位在井口或者接近井口处并包括一个产生辐射用的辐射源5，沿钻孔3向下把辐射发送到样品界面25。来自辐射源的辐射经过至少一个光学通路7而发送。在本情况下是水的样品与从辐射源5发送来的辐射互相作用，通过互相作用产生一个样品的特征辐射。于是这个特征辐射经过光学通路7发送到定位在表面的光谱仪4中的检测器6。合适的发送用的光学通路7是光纤8。在图中相似的元件用相同的参考数字来表示。
光纤8沿钻孔3向下伸展到外壳12并穿过一个高压馈通护套18馈送到外壳中。护套18允许光纤8进入外壳12而不让外壳遭受井下的诸如高压，粒子和水等条件。外壳保护任何滤光器14和其他装在外壳内的仪器装置。光纤8可以穿过另一个护套18伸出外壳而光学耦合到所研究的样品或物质。光纤8的尖端15提供来自辐射源5的辐射并收集特征辐射。
光纤8可以是一捆光纤束，其中的中心光纤发送来自辐射源5的辐射而其他光纤发送特征辐射。也可以用一个单收集光纤来发送特征辐射。光纤8也可以包括一个透镜。光纤使用一个抛光的尖端或熔化的尖端。
样品界面包括井中水的入口16和出口17。当外壳位于井中某一深度时水流进入口，并流到光纤的尖端15的周围，由此与来自辐射源5的辐射相互作用。
在图2所示的优选实施例中，光谱仪4定位在井1下的外壳12中，这样减少了辐射的长距离发送的影响。光谱仪4被一根引导线21沿钻孔3下降到一个深度，而这个深度由表面2上的引导控制器20控制。
这个实施例显示的辐射源5通过不是光纤的光学通路7提供辐射。辐射被引向分光镜23和通过窗口24和所研究的样品或物质相互作用。然后发射，反射和散射的辐射通过窗口24发送进入内部并通过分光镜23到达检测器6。
在这个实施例中，外壳12中没有移动部分存在。这样可以得到较高的灵敏度和精度。
引导线21可以是一个绳索，一根滑动线，盘管，钻杆或其他类型的引导线。所设置的引导线用来把外壳定位在井下，并且也可以发送信号到表面上的数据记录器或其他处理器。如果信号不是由引导线来发送，就需要在外壳中装一个信号或数据储存装置。引导线也可以把电源供给到装在外壳中的仪器装置，或者可在外壳中放置一个电池。
图3-6显示带有光谱仪4在其中和使用引导线21的外壳12的实施例。图3显示一个样品界面用的流体通道，其中辐射源5通过窗口24提供一个入射辐射来和水相互作用。特征辐射通过另一个窗口24发送到检测器6。特征辐射在到检测器6之前先穿过滤光器14。外壳12本身可以流线型化26来提供外壳在井下的平滑通道。
图4显示一个为在其尖端的非接触型样品界面设计的外壳12。这里辐射源5产生的辐射经过光学通路7发送到反射镜或光栅27，引导辐射通过外壳尖端的窗口24。辐射与在窗口24一段距离之外的样品或有关物质相互作用。于是特征辐射通过窗口24被发送并到达反射镜或光栅27，把特征辐射引向检测器6。
图5显示一个外壳12的共焦的布置。辐射源5提供的辐射被引向分光镜23，后者把辐射反射到透镜30并通过窗口24到头部空间31中。特征辐射射到分光镜23再到另一个滤光器14和另一个透镜30到达检测器6。
样品界面包括头部空间31，后者截留通过流体通道中水的减压而产生的气体。活塞33或其他装置用于使水减压。头部空间31收集气体用来测量和分析。闸门32设置来允许水流入外壳，再把水和井隔离使之减压。
图6显示一个轴外的光谱仪4的配置。辐射源5不在井的轴线和钻孔3的面上。辐射源5向下沿光学通路7经过透镜30和窗口24将辐射提供到所研究的样品或物质上。特征辐射穿过窗口24，另一个透镜30和滤光器14射到检测器6。外壳12有一个可调装置来把外壳压到钻孔的侧表面。一个可伸长的腿36是这样设置的，它可以被控制器37从外壳12中向外移动并接触到和窗口24相对的钻孔的侧表面，并由此把外壳12移向钻孔的相对侧面。共焦的，轴外的和非接触型的光学布置可以互换。
图7-11显示其中光纤8被用作光学通路7的至少一部分的外壳12的实施例。图7显示一个作为探头的外壳，而光谱仪不定位在外壳中。光纤8支撑探头并把探头沿钻井定位。使用一个高压馈通护套18来允许光纤8进入布置有滤光器14或其他分散性元件的外壳12。光纤8伸出外壳，而样品界面是光纤8的尖端15。
图8显示光纤的使用，其中用一个可调装置来把样品界面压靠向钻井的侧表面11。袋子40被控制器41扩张使其压靠向钻井的相对的侧表面，由此把光纤8的尖端15压靠向或压入钻井的侧表面。
图9显示光纤的使用，其中光谱仪4定位在外壳12中。辐射源5将辐射提供到光纤8，后者经过护套18把辐射发送到样品。回程光纤8接近或邻靠在样品界面上的第一光纤，并穿过护套18伸展到检测器6。外壳12也有一个可伸长的腿36和控制器37来把外壳12压到侧表面11上。
图10显示一个沿着钻井向下伸展和进入一个带有流体通道的外壳的光纤。滤光器14或其他分散性元件装在外壳12中，并得到保护不受钻井环境的影响。光纤尖端15穿过护套18突出到流体通道中。流体通道包括一个带有过滤粒子和水中夹带的其他物质的过滤器45的进口16和一个出口17。
图11显示一个光纤8的光学通路，光纤进入外壳12并把发送的辐射提供到滤光器14或其他分散性元件，透镜30和窗口24。
用于这个方法的实用的光学光谱仪包括，但不限于，拉曼光谱仪，傅里叶变换拉曼光谱仪，红外光谱仪，傅里叶变换红外光谱仪，近和远红外光谱仪，傅里叶变换近和远红外光谱仪，紫外和可见光吸收光谱仪，荧光光谱仪，X射线光谱仪。凡是通过观察自然发生的，刻意诱发的，和/或无意诱发的光和物体之间的相互作用和/或相互作用的后果来运作的其他一切光谱仪都属于本方法的实用范围。
对于利用反射，发射或散射特性辐射的光谱仪，拉曼光谱仪，近红外光谱仪，红外光谱仪，紫外和可见光吸收光谱仪或荧光光谱仪适合于表征钻孔的侧表面。
以前，使用光谱仪在像井口这样的远距离位置测量溶解在水中的或埋藏的甲烷是不可想象的。随着携带式廉价而高精度的光谱仪的问世，测量溶解在水中的甲烷成为可能。在某些情况下，用来分析所研究材料的光谱可能模糊不清或一定程度上被所在的介质阻挡。在煤床甲烷的情况下，水和夹带的粒子可能对溶解或埋藏的甲烷的测量造成干扰。可以采取某些步骤来确保甲烷的更为精确的分析。
数据纠正，滤光器和改善光谱仪和甲烷的信号的步骤等措施可以用来精确地测量甲烷浓度。甲烷在散射的或回程的光谱中有一个或几个特征峰值。通过将滤光器和任何数据纠正设备调整到希望的甲烷峰值，溶解的甲烷就可以更为精确地测出。纠正水或其他夹带物体的干扰的另一个方法是调整或选择所用辐射的波长，用来减少水和夹带物质的影响以及增加甲烷造成的回程信号。波长也可以调整或选择来减轻光学通路的长度的影响。从光谱仪到煤床地层的光学通路的长度可以是10,000英尺。通路的长距离导致随着光学通路而来的误差的增加。调整或纠正激光辐射或来自样品的回程辐射的方法可以用在测量系统中的任何地方。
在这个方法的实施例中，光谱仪实际上定位在水的外面，同时采样探头进入到有关样品中。这样的探头提供光学通路，经过这个光学通路观察到光和物体的相互作用。在某些情况下，这样的探头也递送与物体相互作用的光子。所用的探头可以有一个透镜来聚焦辐射源的或特征辐射，或者可以有滤光器来调整回程光谱辐射来对付系统或外部信号中的任何缺陷。探头可以需要铠装或其他方法来保护探头以抵抗井中压力和其他条件的影响。光学通路或光纤也可以需要保护来抵抗井中的条件。
当探头定位在诸如井下的极端远离光谱仪的地方时，必须采取纠正措施来纠正由于源辐射和光谱辐射必须行走的距离导致的固有误差。一个方法是估计到采样的更长周期以便接收加在一起的几个光谱来分析存在的甲烷。另一个方法是通过一个滤光器或纠正装置来调整信号或辐射，由此允许纠正反馈来调整回程光谱以对付和辐射行走如此距离有关的缺陷和误差。
在本方法的另一个实施例中，光谱仪实际上进入到水中使其接近研究的样品。这种表现形式有一个意想不到的好处就是由于光谱仪和样品的实际的接近使得把光子传递给样品和观察光和物体之间的相互作用变得更加容易。
两个实施例也可以使用诸如从回程信号减去暗电流来纠正固有系统噪声和误差之类的误差纠正装置。系统也可以使用源辐射和光谱信号校准的技术来确保甲烷浓度的精确测量。这种技术可以包括把信号跟已知光谱信号相比较的数据处理。为了计算甲烷浓度，可以使用任何一种从光谱计算浓度的已知技术。一个优选的方法是利用部分最小二乘法或PLS来计算甲烷浓度。
为了实现这个方法的优选实施例，必须使光谱仪和研究样品相互作用。光谱仪与样品的相互作用可以用几种方法实现。这些方法的例子包括，但不局限于：利用光导装置的光谱仪与样品的直接光学耦合；来自样品的物理处理的光谱仪与化学物质的光学耦合；来自样品的化学处理的光谱仪与化学物质的光学耦合；来自样品的生物学处理的光谱仪与化学物质的光学耦合。
利用光导装置的光谱仪与样品的直接光学耦合的一个方式包括，但不局限于：经过光纤装置的光与物体之间的相互作用的光学耦合。这种表现形式有一个意想不到的好处就是把光子传递给样品和观察光和物体之间的相互作用在某些情况下直接导致对样品的较高处理能力。
光学耦合的一个优选的方式是经过透镜，滤光器和/或窗口把辐射从光谱仪直接发送到样品，和经过滤光器，窗口和/或透镜把特征辐射从样品直接发送到检测器。这减少了通过光纤的长距离传送的影响和有利于光谱仪与样品的近距离紧密相处。
所用的滤光器可以沿光谱仪的光学通路放置。滤光器或分散性元件，统称为滤光器，可以是波长选择器，带通滤光器，陷波滤光器，线性可变滤光器，分散性滤光器，光栅，棱镜，发送光栅，中阶梯光栅，光声切缝和孔径。
为了使光谱仪够承受诸如高压，高低温，腐蚀性液体和溶解的固体之类的钻井特有的条件，最好把光谱仪安装在一个能够保护它们不受这种条件影响的容器之内。这个新颖的方法提供显著胜过前期技术的优点之处在于安装在容器里面的光谱仪可以直接引入到钻井中去。这个方法允许，但不要求，实现样品与光谱仪直接相互作用或耦合带来的好处。
为了在钻井中利用这种光导装置使光谱仪和样品相互作用，必须这样设计界面使其能够适应诸如高压，高低温，腐蚀性液体和溶解的固体之类的采样环境特有的条件。界面必须承受这些和其他条件。光纤探头的这样一种界面的表现形式包括，但不限于，一种在安装在容器里面的光谱仪的条件和钻井中的条件之间相互作用的高压馈通护套。这样一个护套的显著好处在于使用了这样一个护套使光谱仪直接耦合到样品成为可能。
由于样品物理处理而达到光谱仪与化学物质的光学耦合的方法包括，但不限于，把样品引入到安装在容器中的光谱仪的一部分中。于是这个部分受到物理影响使样品得以处理并产生一个适合于使用一个或多个光谱仪经过光学通路进行气相分析的化学物质。这种物理处理包括，但不限于，样品减压来将气体释放进入容器内的一个预定的“头部空间”。于是使用一个或多个光谱仪经过光学通路对这个头部空间进行分析。这个方法有一个意想不到的好处在于，化学物质的气相能谱一般由远高于相应液相能谱的分辨率的特征能谱构成。这样，采用这个方法很容易勾画出诸如甲烷和水之类的气体复杂混合物的轮廓。
处于煤床地层中的水可以认为是稳定的或在平衡状态。钻井操作会搅动水，使水变浑浊和污染。在某些情况下，钻井和制井的结果可能人为地影响水中的和煤层周围的甲烷的浓度。可以用纠正所分析水的各种方法来更为精确地反映在平衡状态下煤床地层的真实甲烷浓度。一个简单方法是让钻井在钻进或扰动之后回到平衡状态。同样地，接触到煤床地层中的水的探头或仪器组合可以做成流线型的或受到控制，使其平滑地在水中移动。钻井中的测量位置也可以缓和稳定被破坏的水/甲烷浓度的影响。在探头或仪器组合在要被分析的水中移动之前进行测量时，通过首先分析煤床地层顶部的水，再继续沿钻井向下进行测量这种做法，对水的平衡的影响就会减少。也可以用过滤器来过滤水或样品。
为了通过光学分析准确地预测一个煤床甲烷地层的储量和产量，钻井必须钻进到一个合适的深度。如果存在的地下水位的深度，煤层顶部和煤层底部的深度要记录下来。井口必须准备好接收探头或仪器组合。探头必须耦合到光纤缆。光纤缆耦合到包含光源，分散性元件，检测器和信号处理设备和辅助装置的光谱仪。用作仪器控制器，数据收集和操纵装置的计算机连接到光谱仪系统。系统(计算机，光谱仪，检测器和激光器)接通电源并且使激光器和操作设备达到操作温度。然后检测器冷却到操作温度。探头或仪器组合通过井口下降到钻井中，直至探头或仪器组合到达地下水位。辐射源或激光器发射一个辐射，这个辐射被引向光学通路或光纤缆中。光纤缆把辐射沿钻井向下发送到探头。探头将辐射发射到研究的样品上。探头可以包括一个或多个透镜来把辐射聚焦到离开探头不同距离处的样品上。辐射与样品相互作用并使样品反射，散射或发射一个识别信号或特征辐射或光谱。光谱或特征辐射通过探头和光学通路被发送到光谱仪。光谱仪检测光谱或特征辐射并分析光谱找出甲烷的特征峰值。然后光谱仪将信息输出到数据处理器，并被处理成可以用来计算甲烷浓度和潜在产量的信息。
在分析过程中，在地下水位的深度取出初始光谱。测量荧光性，如果荧光性较高，源辐射波长可以调整或选择使荧光性降低。如果存在粒子而且由此而来的噪声较高，可以选择一个不同的焦距来减轻噪声水平。选择检测器的积分时问使信号达到最大。闭合快门使没有光线到达检测器时记下暗电流光谱。暗电流是主要由于热效应引起的存在于系统内的噪声。这个强度从每个光谱中减去来降低噪声水平。选择共添加的数目来平衡信号和时间限制。共添加会改善信噪比，但是会增加每个测量的时间。探头或仪器组合下降到煤层顶部并记下光谱。每隔一个固定深度的间隔探头下降一次并记下光谱直至到达井底。测量显示出根据井深的甲烷浓度。通过井中的甲烷浓度与其他数据的对比，煤床地层或煤层的储量可以计算出来。然后把探头抽回并把井口封住。
本发明的这个实施例就使用能识别和定量分析煤床甲烷地层的三种不同的光谱仪系统来的技术细节做了详细说明。这个实施例集中在开发一种能够检测水中溶解的甲烷和其他气体的化学识别信号和检测埋藏或受限于地下煤层的甲烷的仪器组合，两种功能都通过下降仪器组合和从固定的监视点进行。这样的光学基础的仪器适合于钻井环境中溶解甲烷和相似地层的物理和化学性能的复杂分析。
在这种情况下，仪器本身被组合起来并适合于这种环境中的普遍条件，和在自然状态下或在适当处理后对地层进行检查。这种方法提供了一种岩心采样技术无法获得的一定程度上直接进入地层的化学和地质领域的方法。
至少有三种类型的光谱仪适宜于钻井甲烷的远程检测。首先的两种，紫外/可见光吸收光谱和近红外光谱特别适宜于煤床样品减压后释放出来的气体的“头部空间”感测。紫外/可见光吸收光谱提供关于水的分子吸收性能的数据。根据实验，这些数据可以包括有关溶解的烃类气体的识别和浓度方面的信息。但无论如何它包含有关选择用于拉曼光谱仪的适当的激光激励波长方面的信息。近红外(NIR)光谱已经广泛地用来远距离测定复杂气体混合物的特性。在这种情况下，NIR光谱仪提供有关气体样品的结构和键合方面的数据。如果光谱仪的分辨率足够，那么这些数据就包含了解析非常复杂的样品的足够的信息。
上述两种光谱仪都要求集中到传感器或仪器组合中的基本为液体的处理。这样，当和直接耦合的现场方法相比时，就导致较慢的收集时间，以及对于降低的仪器组合，导致较低的数据空间分辨率。另一方面，拉曼光谱仪是用现有技术的高压探头来操作的，它可以进行水和甲烷的快速化学分析而无需附加的硬件。
拉曼光谱检测溶解的和埋藏的烃类气体的识别标志和浓度。典型物质的拉曼“散射”相当低，在利用这种类型的光谱时产生明显的信噪比问题。然而，包括甲烷的对称分子显示出非常强的散射性。这在一定程度上缓解了对信噪比问题的担心。
同样，所有三种光谱仪都重新适配于适当的压力管的技术规格。管耦合的光谱仪要降低到现有钻井设备上的适当深度或定位在钻井的邻近，而数据用现有的数据转换协议收集。所有三种仪器的数据带宽都相对低-约每分钟50KB是一个合理的速率(在某种程度上取决于信噪比的考虑)。
紫外/可见光吸收光谱仪
因为紫外/可见光吸收光谱仪以低强度的白光源为基础，在这种情况下不宜使用聚焦的光学探头(诸如光纤)。这种光谱仪更为适宜于样品减压后建立的“头部空间”中的气体分析。这样，为了使用紫外/可见光吸收光谱仪来分析甲烷，最好使用机械的流体控制。
提供一个在所研究的钻井深度并在持续的基础上可以充液的，减压的，分析的和排空的自动液体减压室。减压室的减压将溶解的烃类气体释放到结果的真空中，在那里气体被紫外/可见光吸收光谱仪有效而迅速地分析。下一个周期将继续该减压室的排空和充溢。
使用这种类型的光谱仪的几个关心问题是开发用于分析的适当的光学通路，避免减压室和光学窗口被水携带化学物质和生物有机物污染，和建立用于数据收集的适当的温度/压力条件。相应的解决方案是提供很高的灵敏度的多反射收集几何形状，在充溢阶段向减压室适当引入抗污染剂，和现有压力/温度收集条件的整个范围与所得结果的数据质量进行实验室关联。
进行这种头部空间分析也提供一种用于传感器平台，对来自溶解，空化作用或混合产生的气泡进行化学分析的方法，否则，这些气泡不适宜于进行分析。举例来说，通过合适的阀门把捕获的气体转向到头部空间提供了紫外/可见光吸收光谱和近红外光谱直接分析发射气体的机会。
近红外光谱仪
近红外和拉曼光谱仪检测溶解的和埋藏的烃类气体的识别标志(就是分子键)和浓度。在工业生产中广泛地用来控制质量的近红外分析一般给出带有足够信息的中等适度信号(即振动带的谐波)来处理非常复杂的样品。近红外光谱仪可以用于头部空间的分析。允许光束通过单元的多重反射(由此是光束多重通过样品)提供了意想不到的提高数据的信噪比的好处。近红外光谱仪直接光学耦合到样品也是优选的。
拉曼光谱仪
因为水不与典型的拉曼激光能量作强烈的相互作用，拉曼光谱仪广泛地用于水携带样品的现场分析。拉曼光谱仪以传统的光栅光学元件为基础，因此具有很高的光处理能力。
在某些情况下，光谱仪的分光能力通过使用一种以经滤光的6个环绕1个的光纤探头为基础采集基调样品的光纤探头而提高到最大。6个环绕1个的光纤探头考虑到从压力容器到水的安全而全封闭的光学馈通。这个设计去除了其他两种光谱仪所必需的精心设计的射流装置。
由于现有的拉曼系统尺寸庞大和功率消耗大，直至最近拉曼光谱仪仍没有被考虑作为一个现场探头。高效率的二极管激光器和电荷耦合器件(CCD)，和较好的滤光技术使拉曼光谱仪小型化并且降低功耗成为可能。光纤探头已经消除了曾经使拉曼光谱仪困难而繁琐的复杂的采样布置。
长的输出波长往往从样品提供有用的光谱，样品在较短波长上产生干扰荧光。即使在这些较长的波长，波长偏移一般是400到1000cm-1波数的无机振动偏移仍然接近CCD检测器的峰值灵敏度，但有一个附加好处是显著地减少了存在于许多样品中的背景荧光干扰。一个优选实施例使用了在合理程度上避免样品的任何荧光特性的激光波长。
通常通过提供高于荧光波长的激光来减轻荧光的影响。在一个优选实施例中，从二极管激光器提供450nm到580nm的波长。这个范围低于煤的荧光波长。使用更短的波长来减少从煤发出的辐射和增加从埋藏的或吸附在煤上的甲烷发出的相对辐射。
在某些情况下使用6个环绕1个的探头来完成远距采样。附带照明的探头包括一个激励和六个收集光纤。这个探头可以对溶解在水中的碳氢化合物进行直接拉曼测量而无需发送穿过厚而不良的光学窗口。这个探头具有高压馈通机制。
在实验室中的水溶碳氢化合物的分光识别信号的测量显示简单碳氢化合物的已知分光识别信号区域的能量图，而这些区域由本文考虑的三种光谱仪所审查。这样，所有三种光谱仪提供了有关碳氢化合物识别标记和浓度的信息。
然而，用于这些碳氢化合物的典型的紫外/可见光吸收波段并不具有强的特征性-许多化合物在0到250nm之间的能量区域内吸收。把紫外/可见光吸收光谱的结果与从拉曼和/或近红外的结果相关联得出详细的化学分析。同样，紫外光谱仪也必须工作在发生甲烷转变的区域。
和光谱仪系统一起使用的检测器是重要的。为了获得高灵敏度和减少从其他物质来的干扰，最好用CCD型检测器。电荷耦合器件检测器考虑到只有光谱的一小部分要被分析。其他检测器包括光电倍增管，光二极管阵列，CMOS图像传感器，雪崩光二极管和CID。
测量系统可以由引导线或内部电池供电。
为了预测或测量一个煤床甲烷田的潜在产量，要进行一系列的钻井测量。在单一个钻井的井下不同高度测量所研究的甲烷或其他物质可以得到沿钻井深度的甲烷浓度分布。这可以指出在地下区域或地层中的甲烷的存在和数量。通过对煤床甲烷地层或煤床甲烷田的其他井的类似测量可以获得甲烷的空间规模的图表。利用这个图表可以获得甲烷的运输，生产区域和甲烷承载区域的范围等资料。
还有定位得和光谱仪十分相同的其他光学仪器也预期可以用来测量煤层或钻井中的甲烷或其他分析物。通过这些仪器，光谱滤光器55可以用来从样品中只滤出回程光谱的一部分。于是这个滤出的光谱经检测和分析，作所研究的分析物的分析之用。
因为钻井和煤层在钻进之后由于水中和煤面上的污染而变脏，使用超声波或其他声波装置50来清洗仪器和煤面。如图12所示，装置50可以定位在外壳中并产生声波来清洗窗口24的外部或内部或仪器装置的其他部件。定位在外壳外部的或如图15所示至少能够穿透外壳的装置50产生的声波可以用来清洗窗口24或要被照射的煤面。这个装置也可以用来诱发煤层中的甲烷的局部压力化，由此在测量之前脱附甲烷以便捕获和预先浓缩。在压力变化的情况下在一段时间上对样品的测量显示甲烷的恢复或潜在产量。装置50也可扰动煤面以方便分析物的测量。
变动局部压力的另一种方法是用一个如图14所示的泵53。如图14所示的外壳包括一个外部壳体，这个外部壳体接触煤面并有效地封住要被测量的煤面。在这段时间上泵可以对接近煤面的壳体的局部区域进行加压或减压以方便测量。泵53也可以把标记引入到这个区域，标记由于加压而流入煤床并与所研究的分析物相互作用。于是泵53可以把由于相互反应而附着在一起的标记和分析物抽出以便光学仪器来测量壳体内的分析物或标记。在一个变型中，如果光学仪器系列单独安装在外壳内，泵53可以把分析物和/或标记带到外壳中进行测量或分析。加热器52或激光器可以用来加热要被分析的煤面周围的局部区域，如图14所示。
如图13所示，外壳可以包括一个突出物51，突出物被推入到煤面并与它相互作用。如果钻井或煤面受到某些污染，突出物51使光学仪器有清洁的样品可以测量。突出物51被诸如作用在外壳另一边的可伸长的褪37之类的机械手段推入煤面。突出物51可以包含光学仪器的光学系列的各个部分。突出物的插入也可能对测量时的外壳稳定性有一定程度的影响，或可以允许光学仪器的精确定位。
影响光学仪器的精度和灵敏度的定位精度也可以用其他方法来实现。光学系列或通路可以包括其焦距可以电子方式变化的光学元件，辐射源可以进行平行校正或可以使用一个内部标准。还有，光学系列可以包括一个如图12所示的可移动光学元件54。可移动光学元件54改变焦距，由此使测量的灵敏度和精度提高。
上文揭示的内容只是为了说明本发明而不是用来限制本发明。因为业内专业人士可以对所揭示的结合本发明的精神和实质的实施例进行各种修改，本发明应该理解为包括附后的权利要求及其等价物的范围内的任何事物。

Claims (17)

1.一种使用光学测量仪器在具有伸展到至少一个煤床的至少一个顶部表面和包含水的钻孔的煤床甲烷井中进行测量的方法，包括：
提供一个包括辐射源、检测器和样品界面的外壳，
把外壳沿井向下降到井中的一个深度，
把样品界面定位到样品，该样品是煤床的煤面，
从辐射源向样品辐照，
用检测器检测来自样品的甲烷的特征辐射，该特征辐射首先穿过光谱过滤器，和处理来自检测器的信号用以计算甲烷浓度。
2.一种在至少一个煤床甲烷井中的测量方法，包括：
提供一个在外壳中的仪器组合，
把该仪器组合降到井下的一个深度，
把甲烷从煤面的局部区域中移出，
定位辐射源来照射该煤面和定位检测器来检测来自煤面的特征辐射，
用来自辐射源的辐射照射煤面以产生来自煤面的特征辐射，和
通过用检测器检测来自煤面的特征辐射，将来自检测器的信号发送到信号处理器和处理该信号来计算甲烷或其他煤面上散发的物质的浓度，以便观察具有甲烷或其他散发物质的煤面的重新统计，由此来测量煤面上的一段时间上的甲烷和其他散发物质的浓度。
3.一种使用光学测量仪器在具有伸展到至少一个煤床的至少一个顶部表面和包含水的钻孔的煤床甲烷井中进行测量的方法，包括：
提供一个包括辐射源、检测器和样品界面的外壳，
把外壳沿井向下降到井中的一个深度，
把样品界面定位到样品，
预先处理该样品，
从辐射源向样品辐照，
用检测器检测来自样品的甲烷的特征辐射，和
处理来自检测器的信号用以计算甲烷浓度。
4.如权利要求3所述的测量方法，其特征在于，其中样品是煤床的煤面，而预先处理是扰动样品的局部压力。
5.如权利要求3所述的测量方法，其特征在于，其中预先处理是通过加热，声波或水压变动扰动局部压力来预浓缩甲烷。
6.如权利要求5所述的测量方法，其特征在于，其中样品是煤面。
7.一种使用光学仪器在具有伸展到至少一个煤床的至少一个顶部表面和包含水的钻孔的煤床甲烷井中测量甲烷的方法，包括：
提供一个包括辐射源、检测器和样品界面的外壳，
把外壳沿井向下降到井中的一个深度，
把样品界面定位到样品，
从辐射源向样品辐照，
用检测器检测来自样品的甲烷的特征辐射，该样品是煤面，和
处理来自检测器的信号用以计算甲烷浓度，确定煤面是浸透，未浸透，还是部分浸透。
8.如权利要求7所述的测量方法，其特征在于，其中煤面的浸透度用来预测在甲烷产生过程中要从井中排出的水量或水流速率。
9.一种使用光学仪器在具有伸展到至少一个煤床的至少一个顶部表面和包含水的钻孔的煤床甲烷井中进行测量的方法，包括：
提供一个包括辐射源、检测器和样品界面的外壳，
把外壳沿井向下降到井中的一个深度，
把一种液体引入到煤床和抽取该液体，
把样品界面定位到包含在液体中的样品，
从辐射源向样品辐照，
用检测器检测样品的特征辐射，和
处理来自检测器的信号用以计算样品浓度。
10.如权利要求9所述的测量方法，其特征在于，其中液体包含与甲烷，煤或其他分析物起化学反应的分光光度计的标记物。
11.一种使用光学仪器在具有伸展到至少一个煤床的至少一个顶部表面和包含水的钻孔的煤床甲烷井中测量甲烷的方法，包括：
提供一个包括辐射源、检测器和样品界面的外壳，
把外壳沿井向下降到井中的一个深度，
把样品界面定位到样品，其中定位的灵敏度和精度通过用电子方式改变光学仪器的焦距，用机械方式改变焦点，应用光学仪器的内部标准和平行校正辐射源等诸措施中的一个措施而降低；
从辐射源向样品辐照，
用检测器检测来自样品的甲烷的特征辐射，和
处理来自检测器的信号用以计算甲烷浓度。
12.一种使用光学仪器在具有伸展到至少一个煤床的至少一个顶部表面和包含水的钻孔的煤床甲烷井中进行测量的方法，包括：
提供一个包括辐射源、检测器和样品界面的外壳，
把外壳沿井向下降到井中的一个深度，
通过将突出物压靠煤面而穿透煤面用以显露样品，
把样品界面定位到样品，
从辐射源向样品辐照，
用检测器检测来自样品的甲烷的特征辐射，和
处理来自检测器的信号用以计算甲烷浓度。
13.如权利要求12所述的测量方法，其特征在于，其中突出物包括光学仪器的收集和/或激励透镜。
14.一种引入到井中的测量系统，其特征在于，包括：
在井中能上下移动的外壳，
从固定位置伸展到井下和操作性地连接到外壳的引导装置，
定位在外壳内部和包括辐射源、把辐射从辐射源发送到样品的样品界面和检测从样品发射、反射或散射的特征辐射和输出信号的检测器的光学仪器，
处理来自检测器的信号和计算样品中的物质浓度的信号处理器，和
布置在外壳中或外壳上产生超声波的超声装置。
15.如权利要求14所述的测量系统，其特征在于，其中所述超声装置设置在用于清洗外壳或光学仪器的光学窗口的位置。
16.如权利要求14所述的测量系统，其特征在于，其中所述超声装置设置在用于清洗井的煤面的位置。
17.如权利要求14所述的测量系统，其特征在于，其中所述超声装置设置在用于把声波引向煤面以便从煤中释放甲烷的位置。
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