EA021134B1 - Detecting gas compounds for downhole fluid analysis using microfluidics and reagent with optical signature - Google Patents

Detecting gas compounds for downhole fluid analysis using microfluidics and reagent with optical signature Download PDF

Info

Publication number
EA021134B1
EA021134B1 EA201171265A EA201171265A EA021134B1 EA 021134 B1 EA021134 B1 EA 021134B1 EA 201171265 A EA201171265 A EA 201171265A EA 201171265 A EA201171265 A EA 201171265A EA 021134 B1 EA021134 B1 EA 021134B1
Authority
EA
Eurasian Patent Office
Prior art keywords
fluid
analyzer according
reagent
sample
membrane
Prior art date
Application number
EA201171265A
Other languages
Russian (ru)
Other versions
EA201171265A1 (en
Inventor
Джимми Лоуренс
Дан Э. Анджелеску
Кристофер Харрисон
Цутому Ямате
Мэттью Т. Салливан
Роберт Дж. Шредер
Рональд Э.Г. Ван Хал
Бхавани Рагхураман
Original Assignee
Шлюмбергер Текнолоджи Б.В.
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Шлюмбергер Текнолоджи Б.В. filed Critical Шлюмбергер Текнолоджи Б.В.
Publication of EA201171265A1 publication Critical patent/EA201171265A1/en
Publication of EA021134B1 publication Critical patent/EA021134B1/en

Links

Classifications

    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N33/00Investigating or analysing materials by specific methods not covered by groups G01N1/00 - G01N31/00
    • G01N33/26Oils; Viscous liquids; Paints; Inks
    • G01N33/28Oils, i.e. hydrocarbon liquids
    • G01N33/2823Raw oil, drilling fluid or polyphasic mixtures
    • EFIXED CONSTRUCTIONS
    • E21EARTH OR ROCK DRILLING; MINING
    • E21BEARTH OR ROCK DRILLING; OBTAINING OIL, GAS, WATER, SOLUBLE OR MELTABLE MATERIALS OR A SLURRY OF MINERALS FROM WELLS
    • E21B47/00Survey of boreholes or wells
    • E21B47/10Locating fluid leaks, intrusions or movements
    • E21B47/113Locating fluid leaks, intrusions or movements using electrical indications; using light radiations

Landscapes

  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Mining & Mineral Resources (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Geology (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Medicinal Chemistry (AREA)
  • Geochemistry & Mineralogy (AREA)
  • Fluid Mechanics (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Environmental & Geological Engineering (AREA)
  • Oil, Petroleum & Natural Gas (AREA)
  • Geophysics (AREA)
  • Food Science & Technology (AREA)
  • General Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Biochemistry (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Immunology (AREA)
  • Pathology (AREA)
  • Investigating Or Analysing Materials By The Use Of Chemical Reactions (AREA)
  • Investigating Or Analyzing Non-Biological Materials By The Use Of Chemical Means (AREA)
  • Automatic Analysis And Handling Materials Therefor (AREA)

Abstract

A gas separation and detection tool for performing in situ analysis of borehole fluid is described. The tool operates by introducing a reagent to a test sample and causing the resulting mixture to flow through a microfluidic channel where optical testing is performed. The optical testing detects a change in a characteristic of the reagent in response to expose to one or more particular substances in the test sample. The test sample may be borehole fluid, a mixture of borehole fluid and scrubbing fluid subsequently mixed with reagent, a mixture of reagent and gas separated from borehole fluid, or a mixture of scrubbing fluid and gas separated from borehole fluid which is subsequently mixed with reagent. A membrane may be employed to separate one or more target gasses from the borehole fluid.

Description

Настоящее изобретение в основном относится к анализу скважинной текучей среды и более конкретно к обнаружению на месте газообразных соединений в скважинной текучей среде с использованием реагента, который обеспечивает оптическую регистрацию в микрофлюидном устройстве в ответ на воздействие определенных веществ.

Уровень техники

Как известно, фазовое поведение и химический состав скважинных текучих сред представляют собой полезную информацию. Например, концентрация газообразных компонентов, таких как диоксид углерода, сероводород и метан, в скважинной текучей среде является показателем экономической целесообразности разработки углеводородного месторождения. Концентрации СО2 и Н2§ представляют интерес потому, что углекислотная коррозия и сероводородное растрескивание под действием напряжения, обусловленные относительно высокими концентрациями, являются доминирующими причинами механического отказа эксплуатационного оборудования. Концентрация СН4 представляет интерес как показатель теплотворной способности газовых скважин. Поэтому желательно иметь возможность проводить анализ текучих сред быстро, точно, надежно и экономично.

Для выполнения анализа текучих сред в лаборатории имеются в распоряжении многочисленные способы и оборудование. Однако извлечение образцов для лабораторного анализа требует больших затрат времени и предрасположено к ошибкам. Вследствие разницы в условиях окружающей среды между местоположением в стволе скважины и местоположением на поверхности и ввиду прочих факторов, некоторые из характеристик скважинных текучих сред изменяются, когда текучие среды извлекают на поверхность. Например, поскольку газообразный сероводород легко образует нелетучие и нерастворимые сульфиды металлов реакцией со многими металлами и оксидами металлов, анализ образца текучей среды, извлеченного с использованием металлического контейнера, может дать неточную оценку содержания сульфида. Это составляет технологическую проблему, поскольку способы анализа текучих сред, которые известны для применения на поверхности, в основном являются непрактичными в окружающей среде, имеющей место в буровой скважине, ввиду размерных ограничений, экстремальной температуры, экстремального давления, присутствия воды и прочих факторов. Еще одной технологической проблемой является выделение газов и отдельных фракций газа из скважинной текучей среды, которая обычно существует в буровой скважине в виде многофазной текучей среды.

Технологические проблемы, связанные с обнаружением газа в текучих средах, были изучены в этой и других исследовательских областях. Например, патентные заявки США 20040045350А1, 20030206026А1 и 20020121370А1, патенты Великобритании 2415047А, 2363809А и 2359631А, патенты США 6995360В2 и 6939717В2, публикации АО 2005066618А1, АО 2005017514А1 и АО 2005121779А1, и патентные заявки США 20050269499А1 и 20030134426А1 описывают электрохимический способ обнаружения Н28 с использованием мембранного разделения. Патентная заявка США 20040045350А1 и патенты Великобритании 2415047А и 2371621А описывают обнаружение газообразных соединений сочетанием методов инфракрасной спектрофотометрии и мембранного разделения. Патентная заявка США 20060008913 А1 описывает применение полимера на основе перфторированного соединения для разделения нефти и воды в микрофлюидной системе. Патентная заявка США 2006000382А1 описывает микрофлюидную систему для химического анализа в скважине, в котором отбирают часть образца текучей среды на водной основе и смешивают ее с чувствительным к величине рН реагентом для вариантов применения с низкотемпературным измерением значения рН. Авторы Тойа и др. (ЬаЬ СЫр, 2005, том 5, стр.1374-1379) описывают систему для измерения концентрации Н28 с использованием колориметрического метода и микроканальных промывных устройств с сотовой конструкцией. Однако описанные система и реагент непригодны для использования в таких условиях среды в скважине, каковые имеют место при работах на нефтяных промыслах. Патент США 6925392В2 описывает микрофлюидное устройство, которое реагирует на специфические характеристики текучей среды во время работ. Устройство извлекают и подвергают анализу для измерения желательных характеристик, таких как удельное электрическое сопротивление, концентрация хлорида, кальция и прочих свойств текучей среды. Однако действующая в режиме реального времени сенсорная система на микрофлюидной основе, способная работать в широком диапазоне температур и давлений и в жестких условиях, таких как условия, встречающиеся при работах на нефтяных месторождениях, так до сих пор и не разработана.

Сущность изобретения

В соответствии с вариантом осуществления изобретения предложен анализатор проб текучей среды для использования в стволе скважины, содержащий первый канал для ввода образца текучей среды, второй канал для ввода реагента в образец текучей среды и создания смешанной текучей среды, характеристики которой изменяются при наличии в ней представляющего интерес вещества, микрофлюидное устройство для ввода смешанной текучей среды, испытательный модуль для определения внутри ствола скважины изменения характеристики смешанной текучей среды в микрофлюидном устройстве, датчик для подачи сигнала, показывающего определение изменения характеристики смешанной текучей среды; и средство отделения образца текучей среды от скважинной текучей среды, расположенное между скважинной текучей средой и первым каналом, содержащее мембрану в виде скрученной капиллярной труб- 1 021134 ки.

В соответствии с еще одним вариантом осуществления изобретения предложен способ обнаружения представляющего интерес вещества в скважинной текучей среде, предусматривающий использование упомянутого выше анализатора и содержащий следующие этапы: вводят образец текучей среды через первый канал; вводят реагент в образец текучей среды через второй канал и создают смешанную текучую среду, характеристики которой изменяются при наличии в ней представляющего интерес вещества; направляют по меньшей мере часть смешанной текучей среды в микрофлюидное устройство; определяют внутри ствола скважины изменения характеристики смешанной текучей среды в микрофлюидном устройстве посредством испытательного модуля.

Одно из преимуществ изобретения состоит в том, что скважинная текучая среда может быть проанализирована на месте. В частности, реагент вводят в образец испытуемой текучей среды и смесь тестируют внутри ствола скважины. Следовательно, занимающее много времени извлечение текучей среды и ошибки, обусловленные изменениями образцов текучей среды вследствие изменений условий между скважиной и окружающей средой, по меньшей мере уменьшаются.

Достижению некоторых из преимуществ изобретения способствует применение микрофлюидной технологии. В общем, микрофлюидные устройства представляют способ обработки и манипулирования объемами текучей среды порядка нанолитров в канале микрометрических размеров, известном как микроканал. В результате этого течение текучей среды внутри микроканала является ламинарным. Поэтому для усиления перемешивания текучих сред и достижения величины смесевого отношения смешанных текучих сред может быть использован статический или активный смеситель. Микрофлюидные устройства отличаются тем, что обращение с микролитрами текучей среды в режиме ламинарного течения предоставляет принципиально новые возможности регулирования концентраций молекул в пространстве и времени, в результате чего облегчается определение физических свойств. Поэтому вполне понятно, что микрофлюидная технология обеспечивает преимущества для применения в аналитических целях, в том числе мелких отпечатков, малых объемов образцов и реагентов, в плане возможности проводить разнообразные процессы, такие как разделение и обнаружение, с высокими разрешением и чувствительностью, с низкими затратами и за более короткое время анализа.

Краткое описание фигур

Фиг. 1 иллюстрирует скважинный зонд для отделения и обнаружения газа в буровой скважине.

Фиг. 2 более подробно иллюстрирует введение реагентной текучей среды и оптическое тестирование в микрофлюидном устройстве.

Фиг. 3 иллюстрирует вариант исполнения, в котором скважинную текучую среду непосредственно смешивают с реагентом в микрофлюидном устройстве.

Фиг. 4А-4С иллюстрируют механизмы подачи образца испытуемой текучей среды и реагента в микрофлюидное устройство.

Фиг. 5А-5С иллюстрируют объединение функций смешения и оптического обнаружения в микрофлюидном устройстве.

Фиг. 6 иллюстрирует альтернативный вариант исполнения микрофлюидного оптического устройства.

Фиг. 7 иллюстрирует вариант исполнения, в котором промывную текучую среду смешивают со скважинной текучей средой для создания промежуточной текучей среды, которую затем смешивают с реагентной текучей средой перед испытанием.

Фиг. 8 иллюстрирует вариант исполнения, в котором газ отделяют от скважинной текучей среды с использованием мембраны, и реагентную текучую среду смешивают с отделенным газом перед испытанием.

Фиг. 9 иллюстрирует вариант исполнения, в котором газ отделяют от скважинной текучей среды с использованием мембраны, промывную текучую среду смешивают с отделенным газом и затем реагентную текучую среду смешивают со смесью промывной текучей среды и газа перед испытанием.

Фиг. 10 и 11 иллюстрируют применение тонкокапиллярной мембраны.

Фиг. 12 и 13 иллюстрируют вариант исполнения, в котором для введения текучих сред перед измерением используют шестипозиционный клапан и контур отбора образцов.

Фиг. 14А-14В иллюстрируют вариант, альтернативный системе на основе шестипозиционного клапана из фиг. 12 и 13.

Фиг. 15 иллюстрирует способ согласно изобретению.

Фиг. 16 иллюстрирует опорную конструкцию для капиллярной трубки.

Фиг. 17 иллюстрирует экспериментальный результат проточно-инъекционного анализа сульфида, растворенного в воде.

Фиг. 18 иллюстрирует экспериментальный результат измерения газообразного Н2§ с использованием микрофлюидного устройства на основе мембраны из тонкостенных капиллярных трубок.

Подробное описание изобретения

На фиг. 1, показана колонна 100 инструментов для измерения характеристик текучей среды в стволе 102 скважины. Ствол скважины может быть пробурен через углеводородный пласт 106, смежный с

- 2 021134 непроницаемым слоем 108, и различные другие слои, которые составлены перекрывающими породами 110. Колонна инструментов, которая может быть частью колонны инструментов для кабельных каротажных исследований, колонны инструментов для каротажа во время бурения или другого устройства, действует по сигналам управляющего устройства 104, которое может быть расположено на поверхности. Управляющее устройство 104 также может быть способным анализировать данные. Колонна 100 инструментов соединена с управляющим устройством 104 каротажным кабелем для инструмента, спускаемого в скважину на тросе, или колонной бурильных труб для инструмента для каротажа во время бурения. Колонна 100 инструментов включает газоанализатор 112, который опускают в ствол скважины для измерения физических свойств, связанных с текучей средой в буровой скважине или в пласте. Данные, собранные газоанализатором 112, могут быть переданы на управляющее устройство в режиме реального времени по проводному кабелю или системе для каротажа во время бурения.

Фиг. 2 иллюстрирует базовые принципы работы газоанализатора 112 (фиг. 1). Реагент 200 приводят в контакт с образцом испытуемой текучей среды 202 для получения смешанной текучей среды 204. Внутри смешанной текучей среды 204 реагент 200, образец испытуемой текучей среды 202 или оба демонстрируют изменение по меньшей мере одной физической характеристики вследствие присутствия одного или более специфических веществ или классов веществ в образце испытуемой текучей среды. Например, и без ограничения, реагент может демонстрировать изменение цвета, если в смешанной текучей среде присутствует такое вещество, как СО2, или Н2§, или СН4 из образца испытуемой текучей среды. Кроме того, степень изменения характеристики может зависеть от концентрации вещества, продолжительности воздействия или обоих факторов. Затем обеспечивают протекание смешанной текучей среды 204 через микрофлюидное устройство 206, где смешанную текучую среду подвергают тестированию. Тестирование может быть выполнено с помощью оптического испытательного модуля, предназначенного для обнаружения изменения цвета или удельного коэффициента пропускания, проявляемого реагентом. Оптический модуль может включать оптическую проточную ячейку с малым мертвым объемом или микрофлюидную оптическую проточную ячейку. В одном варианте исполнения оптический испытательный модуль включает оптический излучатель 208, такой как источник ультрафиолетового и видимого излучения, и оптический приемник 210, такой как спектрометр с зарядовой связью, который детектирует изменения цвета или оптического поглощения. Испытательный модуль выдает выходной сигнал, который является показателем обнаруженных изменений. Кроме того, выходной сигнал может быть показателем степени изменения. Выходной сигнал направляют в интерпретационную схему с программным обеспечением в управляющем устройстве 104, которое обрабатывает выходной сигнал для характеристики образца испытуемой текучей среды, например обнаружение определенного газа или продуктов реакции определенного газа и реактантов. Кроме того, обработка может дать показания концентрации этого газа в скважинной текучей среде. Будет понятно, что обрабатывающее программное обеспечение будет включать компьютерную программу, сохраняемую на считываемом компьютером носителе. Как будет разъяснено ниже, образец испытуемой текучей среды может включать многообразные различные текучие среды либо по отдельности, либо в сочетании.

Реагент 200 выбирают в зависимости от вида газа или газов, определяемых и измеряемых оператором. Например, реагент может быть выбран на основании способности реагировать с представляющими интерес газом или газами или поглощать его(их) с предсказуемой скоростью или степенью в зависимости от концентрации газа в скважинной текучей среде. Кроме того, реакция реагента на воздействие представляющих интерес газа или газов должен обусловливать изменение характеристики реагента, газа или другого вещества, которое может быть зарегистрировано и, возможно, измерено. Примеры реагентов, которые могут быть использованы для детектирования газообразного сероводорода, включают, но не ограничиваются таковыми, меркурацетат флуоресцеина, комплексы катиона металла и органических соединений, и металлоорганические материалы, объединенные с разнообразными подходящими растворителями.

Микрофлюидное устройство 206 образовано прочным корпусом, который обеспечивает возможность пропускания света от испытательного модуля через канал от оптического излучателя до оптического приемника. Устройство 206 имеет диаметр канала от около 100 нанометров до нескольких сотен микрометров, и, в случае прямоугольного канала, по меньшей мере один из его внутренних размеров составляет менее, чем несколько сотен микрометров. Течение текучей среды внутри микрофлюидного устройства характеризуется числом Рейнольдса,

где Ь представляет наиболее соответствующий масштаб длины, μ представляет вязкость, г представляет плотность текучей среды и Уауд представляет среднюю скорость течения. Значение Ь может составлять 4А/Р, где А представляет площадь поперечного сечения устройства, и Р представляет периметр смоченной поверхности канала. Ке имеет величину порядка единицы для типичных вариантов применения микрофлюидного устройства, и предполагается ламинарное течение для ньютоновских текучих сред, и текучие среды с пренебрежимо малой упругостью. В настоящем изобретении значение Ке может составлять вплоть до 5, например в диапазоне от 0,01 до 50 мкл/мин (50 для текучих сред с низкой вязко- 3 021134 стью). Вследствие размеров микрофлюидного устройства и свойств реакционной текучей среды течение реакционной текучей среды через устройство является ламинарным, то есть без турбулентности.

Фиг. 3 представляет блок-схему варианта исполнения газоанализатора 112 (фиг. 1), в котором реагент 200 смешивают непосредственно со скважинной текучей средой 300. Этот вариант исполнения включает по меньшей мере два впускных канала 302, 304. Впускной канал 302 используют для принятия скважинной текучей среды 300 и впускной канал 304 применяют для принятия реагента 200, например, из резервуара. Скважинную текучую среду и реагент смешивают в статическом смесителе 306, тем самым создавая смешанную текучую среду, например сульфид металла в растворе. Затем обеспечивают протекание смешанной текучей среды через микрофлюидное устройство 206, в котором смешанную текучую среду подвергают оптическому тестированию. Затем протестированную текучую среду выводят в виде отходов.

Для инициирования течения текучей среды известны разнообразные средства. В то время как конкретный способ течения текучей среды не является критически важным для изобретения, для полноты могут быть описаны некоторые альтернативные варианты. В основном течение текучей среды через микрофлюидное устройство 206 может быть обеспечено за счет разности давлений или электрокинетическим способом. Для создания потока, протекающего под действием давления, может быть применен поршневой насос прямого вытеснения. Для создания потока, возбуждаемого электрокинетическим способом, могут быть использованы электроды. Возбуждаемое электрокинетическим способом течение обеспечивается электрическим поверхностным зарядом, включающим двойной слой из противоионов, который формируется на поверхности корпуса канала. Когда с использованием электродов в пределах канала микрофлюидного устройства прилагают электрическое поле, ионы в двойном слое перемещаются в сторону электрода с противоположной полярностью. Это вызывает движение реакционной текучей среды вблизи стенок корпуса, которое силами вязкого сопротивления преобразуется в конвективное перемещение текучей среды. Альтернативно могли бы быть применены другие средства возбуждения течения текучей среды, включающие, но не ограничивающиеся таковыми, микронасосы на пьезоэлектрической основе и лопастные насосы на основе крыльчатки.

Фиг. 4А-4С иллюстрируют механизмы подачи образца испытуемой текучей среды и реагента в микрофлюидное устройство. В общем, течение текучей среды инициируют насосом, использованием давления в буровой скважине с дроссельным ограничителем текучей среды для регулирования течений текучих сред, или некоторой комбинацией способов. Фиг. 4А конкретно иллюстрирует применение независимых насосов 401, 403 для инициирования течения образца испытуемой текучей среды 202 и реагента 200, соответственно, в микрофлюидное устройство 206. Фиг. 4Ь иллюстрирует вариант, в котором единичный насос 405 обеспечивает протекание образца испытуемой текучей среды 202 в тройник 407. Из тройника 407 текучая среда 202 протекает по двум маршрутам: первый маршрут в микрофлюидное устройство 206, и второй маршрут в поршневой цилиндр 409. Течение текучей среды 202 в поршневой цилиндр 409 приводит поршневой цилиндр в действие, тем самым заставляя реагент протекать в микрофлюидное устройство 206. Дроссельный ограничитель 411 текучей среды может быть использован для регулирования давления и объема реагента, вводимого в микрофлюидное устройство. Фиг. 4с иллюстрирует вариант, в котором для инициирования течения образца испытуемой текучей среды 202 в тройник 407 используют скважинное давление. Тем самым давление в буровой скважине приводит в действие поршневой цилиндр для введения реагента в микрофлюидное устройство 206. Второй дроссельный ограничитель 413 текучей среды используют для регулирования объема и давления образца испытуемой текучей среды 202, вводимой в микрофлюидное устройство 206.

Разнообразные насосы, описанные выше, могут представлять собой, без ограничения, общеупотребительные плунжерные, пьезоэлектрические насосы, лопастные насосы на основе крыльчатки, управляемые механическими тягами или срабатыванием под действием магнитного поля, предпочтительно маленькие в достаточной мере, чтобы соответствовать размеру и величине расхода потока, требуемых для микрофлюидного устройства. Некоторые примеры описаны авторами Ьакег и др. в 2004 году в журнале 1. М1сготеей. Мюгоеид., том 14, стр. Р35-Р64; С. Уатайа1а. М. СкаЦеПат. ν.Κ. Рагакйаг, А. Ре1п. Н. НоГтапп. и М.А.М. Сщ, Р1а8Йс Мюгоритр \νίΐΗ РеггоЯшФс АсЩаОоп (Пластиковый микронасос, действующий с использованием феррофлюидной среды), 1. Мюгое1ес1готесйашса1 8у81ет8, том 14 (№1), 2005; и Ье1 и др., РРОСЕЕОШСЗШЗТТГиТГОК ОТ МНСНАМСАЕ НУС1УТУР8. РАРТ Н (Труды Института инженеров-механиков, Часть Н), ΙΟυΡΝΑΕ ОР ЕЫСТХЕЕРГЫС ΙΝ МЕИК’ШЕ. 2007, том 221; №2, страницы 129-142.

В дополнение к регулированию течения текучей среды для выполнения многочисленных испытаний, течение текучей среды можно варьировать, чтобы упростить тестирование в пределах большего диапазона концентраций газов. Поскольку объем реагентной текучей среды, подвергаемой воздействию отделенного газа, является относительно малым, реагентная текучая среда может становиться насыщенной, если скорость течения текучей среды является относительно медленной между смешением и тестированием, концентрация газа является относительно высокой, или имеют место оба фактора. Чтобы избежать насыщения и тем самым упростить измерение в пределах более широкого диапазона концентраций, скорость течения текучей среды можно варьировать так, чтобы как продолжительность экспозиции,

- 4 021134 так и концентрация газа, как показываемая оптической сигнализацией, были переданы на управляющее устройство как данные. Будет понятно, что индикация скорости течения реагентной текучей среды может способствовать детектированию отделенного газа при относительно низких концентрациях, тогда как повышение скорости течения реагентной текучей среды может способствовать детектированию отделенного газа при относительно высоких концентрациях.

Фиг. 5А-5С иллюстрируют некоторые конструктивные особенности инструмента, используемого на микросхеме 555. Функция смешения может быть важной потому, что характеристики смешения различаются между ламинарными потоками и неламинарными потоками. Как правило, микрофлюидные потоки имеют высокое число Пекле, например Ре=и.1/Э, где и=средняя скорость течения, 1=размер канала, и О=молекулярная диффузионная способность. Время диффузионного смешения задается выражением Ф~1Л2/О. Поэтому длина смесительного канала, необходимая для достижения надлежащего смешения веществ, линейно возрастает пропорционально числу Пекле (Ьш~Рех1). Например, средняя скорость течения на уровне 500 мкм/с, размер канала в 100 мкм и диффузионная способность молекул на уровне 10 мкм2/с потребуют продолжительности смешения и длины канала с величинами порядка 1000 с и 0,5 м, соответственно. Варианты исполнения смесителя 306 (фиг. 3) показаны на фиг. 5А. Во многих случаях микрофлюидное устройство с конструкцией пассивного смесителя, такой как зигзагообразная конструкция 501 елочкой, в которой для инициирования винтового течения и повышения эффективности смешения используют серию ребер (смотри работу авторов §1гоок и др., Бшеисе, том 295, стр. 647-651 (2002) для обсуждения основополагающих принципов). Смесительная функция также может быть исполнена с помощью извилистой структуры 503, включающей серию поворотов, которые стимулируют смешение благодаря различиям в расстоянии, проходимом текучей средой при изменении направления, то есть, более быстрого течения на наружной стороне угла, чем на внутренней стороне угла. Альтернативно, в качестве смесителя может действовать микронасос, такой как лопастной насос на основе крыльчатки. Как специально иллюстрировано на фиг. 5В, оптические волокна 505, 507 могут быть сопряжены с микрофлюидным устройством так, что свет проходит через сегмент микрофлюидного устройства 206. Например, волокна могут примыкать к каналу, где канал проложен под прямым углом. Таким образом, свет от одного волокна 505 входит в канал, и проходит через него, и выходит через еще одно волокно 507. Вариант, в котором функция смешения включена в микрофлюидное устройство, например, на единичном чипе с модулем оптического детектирования, более конкретно иллюстрирован в фиг. 5С. Более конкретно, как смесительное устройство, так и микрофлюидную оптику размещают на чипе таким образом, что смесительное действие происходит выше по потоку относительно микрофлюидной оптики.

Варианты микрофлюидных оптических устройств иллюстрированы на фиг. 6А и 6В. Как показано на фиг. 6А, микрофлюидное устройство может действовать как оптический волновод таким образом, что возможен нелинейный участок 611 оптического тестирования. В этом варианте канал, который содержит текучую среду, имеет внутреннее отражающее покрытие с надлежащим показателем преломления так, что падающий свет не выходит наружу. Свет вводят в нелинейный участок 611 оптического тестирования через оптические волокна 505, 507, как уже обсуждалось выше. Одно преимущество этого варианта исполнения состоит в том, что длина секции оптического тестирования может быть увеличена за пределы базовой длины и ширины микросхемы 555. Как показано на фиг. 6В, испытательный участок альтернативно может быть сформирован так, что обеспечивает прохождение света через микрофлюидное устройство под прямыми углами. Другими словами, путь света на испытательном участке 613 является линейным и перпендикулярным маршруту течения текучей среды. Основополагающая технология описана авторами Мойа! и др., Ыа1иге №шор1юЮшс5. том 1, 2007, стр. 106.

Фиг. 7 схематически представляет блок-схему, иллюстрирующую, что с оптикой микрофлюидного устройства 206 на единичной микросхеме 555 могут быть применены многочисленные смесители 502, 504. Будет также понятно, что на единичной микросхеме могут быть реализованы многочисленные независимые испытательные модули (микрофлюидные оптические устройства с другими компонентами или без них, известные также как контуры отбора образцов). Например, матрица, включающая многочисленные испытательные модули одноразового применения, могла бы быть использована с клапанами 777 однократного применения для введения текучих сред так, что микросхему можно было бы выбросить после того, как все модули использованы. Альтернативно, на микросхеме могли бы быть применены испытательные модули многократного использования. Одно преимущество реализации матрицы из испытательных модулей состоит в том, что такие характеристики, как объемы текучих сред и длина участка оптического тестирования, могли бы различаться среди испытательных модулей, тем самым способствуя работе в более широком диапазоне условий и в пределах более широкого диапазона скважинных текучих сред.

Как предложено выше, может быть нежелательным непосредственное смешение реагента со скважинной текучей средой. Один способ предотвращения такого непосредственного смешения состоит в применении промывной текучей среды 500 для создания промежуточной текучей среды из скважинной текучей среды 300. Промывную текучую среду выбирают для нейтрализации характеристик скважинной текучей среды, которые делают ее непригодной для непосредственного смешения с реагентом. Промывная текучая среда также может повышать растворимость газа, что является преимущественным, если растворимость газа в реагенте низка. Например, в случае кислотного газа может быть использован ще- 5 021134 лочный раствор, такой как гидроксид натрия, производные алканоламинов, такие как триэтаноламин, диэтаноламин и метилдиэтаноламин. В качестве вымывающей/промывной текучей среды могут быть также применены органические растворители, такие как диметилформамид и Ν-метилпирролидон, соединения на основе гликоля (этиленгликоль, пропиленгликоль, монобутиловый простой эфир диэтиленгликоля). На практике промывная текучая среда и скважинная текучая среда могут быть введены в статический смеситель 502 для создания образца испытуемой текучей среды. Затем образец испытуемой текучей среды и реагент 200 вводят во второй статический смеситель 504 для создания смешанной текучей среды, которую подвергают тестированию в микрофлюидном устройстве 206. Как обсуждено выше, смесители и оптика микрофлюидного устройства могут быть реализованы на одном чипе в виде компоновки из единичного или множественных испытательных модулей.

Фиг. 8 представляет блок-схему альтернативного варианта исполнения газоанализатора 112 (фиг. 1), в котором образец испытуемой текучей среды представляет собой газ 400, который отделяют от скважинной текучей среды 300 с помощью газоразделительной мембраны 402. Скважинная текучая среда 300 протекает через канал 404 на одной стороне мембраны, и реагентная текучая среда 200 из резервуара 406 протекает через канал 408 на противоположной стороне мембраны 402. Отверстия, связанные с каналом 404, проводящим скважинную текучую среду, могут быть открыты к буровой скважине таким образом, который предоставляет преимущество потоку текучей среды внутри буровой скважины для пополнения текучей среды внутри канала 404. Канал 408, проводящий реагент, соединен с реагентным резервуаром 406 одним отверстием и со статическим смесителем 306 другим отверстием. Текучая среда, которая смешивается смесителем, протекает в микрофлюидное устройство 206. Если таковые присутствуют, один или более конкретных типов газов 400 отделяются мембраной 402 от скважинной текучей среды 300. Реагент 200 смешивается с отделенным газом в статическом смесителе 306 на конце канала 408. Реагент 200 проявляет изменение физической характеристики в ответ на воздействие отделенного газа в смеси газа и реагента. Изменение затем детектируется оптическим тестированием в микрофлюидном устройстве 206, как уже описано выше. Преимущество этого варианта состоит в том, что реагент не подвергают непосредственному воздействию скважинной текучей среды. Такое разделение может быть желательным в зависимости от состава скважинной текучей среды и реагента. Например, скважинная текучая среда может быть настолько темной по цвету, что обусловливала бы ошибки при оптическом тестировании.

Мембрана 402 имеет характеристики, которые препятствуют прохождению всех, кроме одного или более выбранных соединений. Могли бы быть использованы многообразные газоразделительные мембраны, имеющиеся в продаже на рынке. Такие мембраны типично доступны в виде либо тонкой пленки, либо тонкостенной трубки, любая из которых могла бы быть применена для мембраны 402. Мембрана может быть сформирована из любого из разнообразных материалов, некоторые из каковых могут быть предпочтительно приспособленными к условиям в забое скважины и веществу, которое желательно обнаруживать. Один вариант исполнения мембраны представляет собой неорганическую, газоселективную мембрану с молекулярным разделением, имеющую оксид алюминия в качестве своей базовой структуры, например, цеолитную мембрану ΌΌΚ-типа. Еще один вариант исполнения представляет полимерную мембрану, такую как высокотермостойкая полимерная мембрана, такая как Тейои АР (фирмы ΌπΡοηΐ), полидиметилсилоксан или микропористый политетрафторэтилен (фирмы Соге-Тех). В такой полимерной мембране, как Тейоп АР (фирмы ΌπΡοηΐ) или полидиметилсилоксан, молекулы газа проникают сквозь мембрану в результате процесса растворения-диффузии, тогда как в неорганической или микропористой мембране газ проходит в результате диффузии Кнудсена. В случае цеолитной мембраны, нанопористый цеолитный материал наращивают поверх базового материала. Примеры таких мембран описаны в патентных заявках США 20050229779А1, 20040173094А1 и патенте США 6953493В2. Мембрана может быть охарактеризована размером пор около 0,3-0,7 мкм, обусловливающих сильное сродство к СО2. Дополнительное усиление характеристик разделения и селективности мембраны может быть выполнено модифицированием структуры поверхности. Например, для подавления проникновения воды сквозь мембрану может быть нанесен водонепроницаемый слой, такой как полимер на основе перфторированного соединения. Прочие варианты разделительной мембраны действуют либо как молекулярные сита, либо в режиме адсорбционно-фазового разделения. Эти варианты могут быть сформированы из неорганических соединений, неорганического золя-геля, неорганическо-органических комбинированных соединений, материала на неорганической основе с соединением на органической основе, внедренным внутрь матрицы, и любых органических материалов, которые удовлетворяют техническим требованиям.

Фиг. 9 представляет блок-схему альтернативного варианта исполнения газоанализатора 112 (фиг. 1), в котором образец испытуемой текучей среды формируют смешением промывной текучей среды 500 с газом 400, который отделен от скважинной текучей среды 300 с помощью газоразделительной мембраны 402. Скважинная текучая среда 300 протекает через канал 404 на одной стороне мембраны 402, и промывная текучая среда 500 протекает из резервуара 600 через канал 408 на противоположной стороне мембраны. Канал 408 для промывной текучей среды 500 соединен с резервуаром 600 для промывной текучей среды одним отверстием и со статическим смесителем 602 другим отверстием. Если таковые присутствуют, один или более конкретных типов газов 400 отделяются мембраной 402 от скважинной теку- 6 021134 чей среды 300. Промывная текучая среда смешивается с отделенным газом в смесителе 602, тем самым создавая образец испытуемой текучей среды. Образец испытуемой текучей среды затем смешивают с реагентом 200 во втором статическом смесителе 604. Реагент демонстрирует изменение физической характеристики в ответ на воздействие газа в образце испытуемой текучей среды. Изменение затем детектируется оптическим тестированием в микрофлюидном устройстве 206, как уже описано выше.

Фиг. 10 и 11 иллюстрируют применение тонкокапиллярной мембраны 902 для обеспечения селективной проницаемости газа из скважинной текучей среды 300. Капиллярная мембрана позволяет достигнуть очень высокого отношения площади поверхности к объему, и она менее склонна к протечке из канала в канал, по сравнению с тонкопленочной мембраной с планарным проточным каналом. Например, трубка может быть намотана с образованием компактной конструктивной формы, и необходимое время удерживания реагента можно регулировать путем корректирования длины трубки или скорости течения. В случае тонкопленочной мембраны можно корректировать только скорость течения. Кроме того, относительно затруднительным является формирование крупнолистовых мембран. Промывную текучую среду можно использовать для способствования реакции, как уже описано выше. Детектированию также может способствовать протекание текучей среды в режиме пуск-стоп.

Проточно-инжекционный анализ, предложенный Ружичкой и сотрудниками в 1974 году, представляет собой надежный и воспроизводимый метод для проведения химического анализа. Часть образца вводят в протекающий поток реагента и после этого регистрируют изменение характеристики. Точность метода может быть улучшена с использованием переключающего клапана, оснащенного контуром отбора образцов.

Фиг. 12 и 13 иллюстрируют конкретный вариант исполнения газоанализатора 112 (фиг. 1), в котором для введения образцов испытуемых текучих сред в контур 702 отбора образцов перед тестированием используют шестипозиционный клапан 700. Клапан 700 имеет шесть отверстий 1-6. Отверстие 1 используют для непрерывного введения образца испытуемой текучей среды 202. Отверстие 4 используют для введения реагента 200. Клапан имеет две различные конфигурации, между которыми он может быть переключен. В первой конфигурации, показанной на фиг. 10, отверстие 1 соединено с отверстием 6, отверстие 2 соединено с отверстием 3, и отверстие 4 соединено с отверстием 5. В этой первой конфигурации образец испытуемой текучей среды 202 протекает в отверстие 1, в отверстие 6, в контур 702 отбора образцов между отверстиями 6 и 3, и из отверстия 3 в отверстие 2, которое соединено с трубопроводом для отходов текучей среды или резервуаром для утилизации. Объем канала между отверстием 1 и отверстием 2 известен. Следовательно, объем образца текучей среды в канале, и в частности объем образца испытуемой текучей среды в контуре 702 отбора образцов, является фиксированным и известным. Реагент 200 протекает непрерывно из отверстия 4 к 5 и в смеситель и оптический модуль. В этой конфигурации может быть проведено базисное измерение. Затем клапан 700 переключают на вторую конфигурацию, показанную на фиг. 13. Во второй конфигурации соединяются отверстия 3 и 4, вызывая течение реагента 200 в контур 700 отбора образцов через отверстие. Затем образец испытуемой текучей среды и реагент смешиваются, перемещаются через контур отбора образцов и наружу из отверстия 5 в статический смеситель 704 и микрофлюидное устройство 206 для оптического тестирования. Одно из преимуществ применения состоит в улучшении контроля объема реагента, вводимого для каждого цикла тестирования. При определенных обстоятельствах впускные каналы для реагента 200 и образца испытуемой текучей среды 202 могут быть реверсированы.

Фиг. 14Ά-14Ό иллюстрируют вариант, альтернативный системе на основе шестипозиционного клапана. Этот альтернативный вариант исполнения включает два поршневых клапана 1200 плунжерного типа, изготовленных из материала на основе железа, покрытого инертным, слегка упругим веществом с низким коэффициентом трения на поверхности для лучшего уплотнения. Клапаны 1200 могут быть приведены в действие магнитными устройствами 1202. Когда активируют магниты с левой стороны, измеряют базисный сигнал реагента. Когда активируют магниты с правой стороны, плунжеры сдвигаются, и образец текучей среды поступает в контур отбора образцов (срединный канал). Когда опять активируют магниты с левой стороны, плунжеры опять смещаются налево, и реагент проталкивает «захваченный» образец в смеситель и детектор. Перемещения плунжеров регулируют для выравнивания давлений этих текучих сред и также для использования разности давлений между этими текучими средами, для улучшения герметизации.

На фиг. 15 показан способ согласно изобретению. Сначала получают образец скважинной текучей среды и готовят известный объем реагента на стадиях 800, 802 соответственно. Необязательно, может быть приготовлена промывная текучая среда на стадии 804. Следует отметить, что «приготовленный» подразумевает, что текучая среда может быть введена при известном объеме или скорости течения, и не предполагает способа приготовления. Затем для получения образца испытуемой текучей среды могут быть применены любые из разнообразных альтернативных способов. В одном варианте способа известный объем реагента и образца скважинной текучей среды объединяют на стадии 806. В еще одном варианте способа газ отделяют от скважинной текучей среды на стадии 808, и отделенный газ объединяют с реагентом на стадии 810. В другом варианте способа газ отделяют от скважинной текучей среды на стадии 808, и отделенный газ объединяют с промывной текучей средой на стадии 812, и полученную теку- 7 021134 чую среду объединяют с реагентом на стадии 814. В еще одном альтернативном варианте скважинную текучую среду объединяют с промывной текучей средой на стадии 816, и полученную текучую среду объединяют с реагентом на стадии 818. Поскольку мог бы быть применен любой из способов, результаты изображены как действия до логического ИЛИ на стадии 820. Затем образец испытуемой текучей среды подвергают оптическому тестированию на стадии 822. Сигнал, показательный для результата испытания, затем передается на обрабатывающую схему на стадии 824.

Фиг. 16 иллюстрирует опорную конструкцию для капиллярной трубки. Как обсуждалось выше, для обеспечения селективной проницаемости газа из скважинной текучей среды может быть использована тонкокапиллярная трубчатая мембрана 902. Капиллярная мембрана преимущественно характеризуется высоким отношением площади поверхности к объему и менее склонна к протечке из канала в канал по сравнению с тонкопленочной мембраной с плоским проточным каналом. Как иллюстрировано, трубка может быть смотана в компактную конструктивную форму. В частности, трубчатую мембрану наматывают вокруг опорной конструкции, которая занимает менее нескольких процентов всей площади поверхности.

Фиг. 17 иллюстрирует экспериментальный результат проточно-инжекционного анализа сульфида, растворенного в воде. Эксперимент проводили при температуре 150°С, давлении 5200 фунт/кв.дюйм (35,9 МПа), с использованием контура отбора образцов емкостью 5 мкл (микролитров). Образец текучей среды вводили в протекающий поток реагента и изменение цвета/оптический сигнал регистрировали с использованием микрофлюидной оптической ячейки с длиной пути 10 мм. Оптический сигнал наблюдали при длине волны 400 нм. При использовании длины волны 850 нм (или выше) в качестве базовой линии/эталона разность между этими двумя сигналами может быть использована для количественной оценки содержания сульфида.

Фиг. 18 иллюстрирует экспериментальный результат измерения газообразного Н2§ с использованием микрофлюидного устройства на основе мембраны из тонкостенных капиллярных трубок. Газопроницаемую капиллярную трубку намотали на механическую опору. Затем в капиллярную трубку протекал реагент, например, при величине расхода потока 50 мкл/мин, и газообразный Н2§ протекал со стороны подачи, то есть снаружи капиллярной трубки. Продукт реакции определяли с использованием микрофлюидной оптической ячейки с длиной пути испытательного участка равной 10 мм. Сигнал фиксировали при длине волны 400 нм и использовали. Для повышения точности можно было бы применять коррекцию по базисной линии, например, при длине волны 800 нм.

Несмотря на то что изобретение было описано для вышеуказанных примерных вариантов его осуществления, специалистам с обычной квалификацией в данной области техники понятно, что модификации и вариации иллюстрированных вариантов исполнения могут быть осуществлены в пределах раскрытой концепции изобретения. Более того, в то время как предпочтительные варианты исполнения описаны в связи с разнообразными иллюстративными конструкциями, квалифицированному специалисту в данной области техники понятно, что система может быть реализована с использованием многочисленных конкретных конструкций. Соответственно этому, изобретение не следует рассматривать как ограниченное приведенным описанием, а ограниченное только прилагаемыми пунктами формулы изобретения.

The present invention mainly relates to the analysis of borehole fluid, and more specifically to the on-site detection of gaseous compounds in the borehole fluid using a reagent that provides optical recording in a microfluidic device in response to exposure to certain substances.

The level of technology

As is well known, the phase behavior and chemical composition of borehole fluids are useful information. For example, the concentration of gaseous components, such as carbon dioxide, hydrogen sulfide and methane, in the wellbore fluid is an indicator of the economic viability of developing a hydrocarbon field. CO concentrations 2 and H 2 § are of interest because carbon dioxide corrosion and hydrogen sulfide cracking under the action of stress, due to relatively high concentrations, are the dominant causes of mechanical failure of operating equipment. CH Concentration four It is of interest as an indicator of the calorific value of gas wells. Therefore, it is desirable to be able to analyze fluids quickly, accurately, reliably and economically.

Numerous methods and equipment are available to perform fluid analysis in the laboratory. However, the extraction of samples for laboratory analysis is time consuming and prone to errors. Due to the difference in environmental conditions between the location in the wellbore and the location on the surface and due to other factors, some of the characteristics of the well fluids change when fluids are extracted to the surface. For example, since gaseous hydrogen sulfide readily forms nonvolatile and insoluble metal sulphides by reaction with many metals and metal oxides, analysis of a fluid sample extracted using a metal container may provide an inaccurate estimate of the sulphide content. This is a technological problem, because methods for analyzing fluids that are known for use on the surface are generally impractical in the environment that occurs in a borehole due to dimensional limitations, extreme temperature, extreme pressure, water and other factors. Another technological problem is the release of gases and discrete gas fractions from a well fluid, which usually exists in a borehole in the form of a multi-phase fluid.

Technological problems associated with gas detection in fluids have been studied in this and other research areas. For example, patent applications for the United States of America, 20040045350A1; separation. US patent application 20040045350A1 and patents Great Britain 2415047A and 2371621A describe the detection of gaseous compounds using a combination of infrared spectrophotometry and membrane separation methods. US patent application 20060008913 A1 describes the use of a polymer based on perfluorinated compounds for the separation of oil and water in a microfluidic system. US patent application 2006000382A1 describes a microfluidic system for chemical analysis in a well, in which a portion of an aqueous-based fluid sample is taken and mixed with a pH-sensitive reagent for use cases with low-temperature pH measurement. The authors of Toya et al. (LAB, 2005, Vol. 5, pp. 1374–1379) describe a system for measuring the concentration of H28 using the colorimetric method and microchannel washers with a cellular design. However, the described system and reagent are unsuitable for use in such environmental conditions in the well, which are the case when working in the oil fields. U.S. Patent 6,925,392B2 describes a microfluidic device that responds to specific fluid characteristics during operation. The device is removed and analyzed to measure desirable characteristics, such as electrical resistivity, chloride, calcium concentration, and other fluid properties. However, a real-time, microfluidic sensor system capable of operating in a wide range of temperatures and pressures and under harsh conditions, such as those encountered in oil field operations, has not yet been developed.

Summary of Invention

In accordance with an embodiment of the invention, a fluid sample analyzer for use in a wellbore is provided, comprising a first channel for introducing a fluid sample, a second channel for introducing reagent into a fluid sample and creating a mixed fluid whose characteristics change when there is in it substances, a microfluidic device for introducing a mixed fluid, a test module for determining inside the wellbore changes in the characteristics of the mixed fluid in ikroflyuidnom device for supplying the sensor signal indicative of identification of the change characteristics of the mixed fluid; and means for separating the sample fluid from the well fluid, located between the well fluid and the first channel, containing the membrane in the form of a twisted capillary tube.

In accordance with another embodiment of the invention, a method is proposed for detecting a substance of interest in a borehole fluid, using the above-mentioned analyzer and comprising the following steps: introducing a fluid sample through the first channel; introducing the reagent into the sample fluid through the second channel and creating a mixed fluid, the characteristics of which change when it contains the substance of interest; directing at least a portion of the mixed fluid into the microfluidic device; inside the wellbore, changes in the characteristics of the mixed fluid in the microfluidic device are determined by means of a test module.

One of the advantages of the invention is that the well fluid can be analyzed in situ. In particular, the reagent is injected into the sample of the test fluid and the mixture is tested inside the wellbore. Consequently, the time-consuming extraction of fluid and errors due to changes in fluid samples due to changes in conditions between the well and the environment are at least reduced.

The achievement of some of the advantages of the invention is facilitated by the use of microfluidic technology. In general, microfluidic devices represent a method of processing and manipulating fluid volumes of the order of nanoliters in a micrometric channel size, known as a microchannel. As a result, the flow of fluid inside the microchannel is laminar. Therefore, a static or active mixer can be used to enhance the mixing of fluids and achieve the magnitude of the mix ratio of mixed fluids. Microfluidic devices are distinguished by the fact that the treatment of microliters of fluid in the laminar flow regime provides fundamentally new possibilities for controlling the concentrations of molecules in space and time, as a result of which the determination of physical properties is facilitated. Therefore, it is clear that microfluidic technology provides advantages for analytical applications, including small prints, small sample volumes and reagents, in terms of the ability to carry out various processes, such as separation and detection, with high resolution and sensitivity, with low costs and for a shorter analysis time.

Brief description of the figures

FIG. 1 illustrates a downhole probe for separating and detecting gas in a borehole.

FIG. 2 illustrates the introduction of a reagent fluid and optical testing in a microfluidic device in more detail.

FIG. 3 illustrates an embodiment in which the well fluid is directly mixed with a reagent in a microfluidic device.

FIG. 4A-4C illustrate the mechanisms for feeding the sample of the test fluid and reagent into the microfluidic device.

FIG. 5A-5C illustrate the combination of mixing and optical detection functions in a microfluidic device.

FIG. 6 illustrates an alternative microfluidic optical device.

FIG. 7 illustrates an embodiment in which the wash fluid is mixed with the well fluid to create an intermediate fluid, which is then mixed with the reactant fluid before testing.

FIG. 8 illustrates an embodiment in which gas is separated from the well fluid using a membrane, and the reactant fluid is mixed with the separated gas before testing.

FIG. 9 illustrates an embodiment in which the gas is separated from the well fluid using a membrane, the wash fluid is mixed with the separated gas, and then the reactant fluid is mixed with the mixture of wash fluid and gas before testing.

FIG. 10 and 11 illustrate the use of a thin capillary membrane.

FIG. 12 and 13 illustrate an embodiment in which a six-way valve and a sampling loop are used to inject fluids prior to measurement.

FIG. 14A-14B illustrate an alternative alternative system based on the six-position valve of FIG. 12 and 13.

FIG. 15 illustrates a method according to the invention.

FIG. 16 illustrates a support structure for a capillary tube.

FIG. 17 illustrates the experimental result of a flow-injection analysis of sulphide dissolved in water.

FIG. 18 illustrates the experimental measurement result of gaseous H2g using a microfluidic membrane-based device made of thin-walled capillary tubes.

Detailed Description of the Invention

FIG. 1, a string of tools 100 is shown for measuring fluid characteristics in a borehole 102. The wellbore may be drilled through hydrocarbon formation 106 adjacent to

- 2 021134 impermeable layer 108, and various other layers, which are composed of overlapping rocks 110. A tool column, which may be part of a string of cable logging tools, a string of log tools while drilling or another device, acts on signals from the control device 104, which can be located on the surface. Controller 104 may also be capable of analyzing data. A tool column 100 is connected to a control device 104 by a logging cable for a tool that is lowered into a well on a cable, or a string of drill pipes for a tool for logging while drilling. The tool column 100 includes a gas analyzer 112 that is lowered into the wellbore to measure the physical properties associated with the fluid in the borehole or in the formation. The data collected by the gas analyzer 112 can be transmitted to the control device in real time via a wire cable or system for logging while drilling.

FIG. 2 illustrates the basic principles of operation of the gas analyzer 112 (FIG. 1). Reagent 200 is brought into contact with the sample of the test fluid 202 to produce the mixed fluid 204. Inside the mixed fluid 204, the reagent 200, the sample of the test fluid 202 or both exhibit a change in at least one physical characteristic due to the presence of one or more specific substances or classes substances in the sample of the test fluid. For example, and without limitation, the reagent may exhibit a color change if a substance such as CO is present in the mixed fluid. 2 or H 2 § or CH four from the sample of the test fluid. In addition, the degree of change in characteristics may depend on the concentration of the substance, the duration of exposure, or both. The mixed fluid 204 is then allowed to flow through the microfluidic device 206, where the mixed fluid is tested. Testing can be performed using an optical test module designed to detect color change or specific transmittance shown by the reagent. The optical module may include a low dead space optical flow cell or a microfluidic optical flow cell. In one embodiment, the optical test module includes an optical emitter 208, such as a source of ultraviolet and visible radiation, and an optical receiver 210, such as a charge coupled spectrometer, which detects changes in color or optical absorption. The test module generates an output signal that is indicative of detected changes. In addition, the output signal can be an indication of the degree of change. The output signal is sent to an interpretative software circuit in control device 104, which processes the output signal to characterize the sample of the test fluid, for example, the detection of a specific gas or reaction products of a specific gas and reactants. In addition, the treatment may give an indication of the concentration of this gas in the well fluid. It will be understood that the processing software will include a computer program stored on computer readable media. As will be explained below, the sample of the test fluid may include a variety of different fluids, either individually or in combination.

The reagent 200 is selected depending on the type of gas or gases, determined and measured by the operator. For example, a reagent can be selected based on the ability to react with or absorb gas (or gases) of interest at a predictable rate or degree depending on the concentration of gas in the wellbore fluid. In addition, the reaction of the reagent to the effects of the gas or gases of interest must cause a change in the characteristic of the reagent, gas or other substance that can be registered and possibly measured. Examples of reagents that can be used to detect hydrogen sulfide gas include, but are not limited to, fluorescein merkuracetate, metal cation complexes and organic compounds, and organometallic materials combined with a variety of suitable solvents.

The microfluidic device 206 is formed by a robust housing that allows light to pass from the test module through the channel from the optical emitter to the optical receiver. The device 206 has a channel diameter of from about 100 nanometers to several hundred micrometers, and, in the case of a rectangular channel, at least one of its internal dimensions is less than a few hundred micrometers. The fluid flow inside a microfluidic device is characterized by the Reynolds number,

where b represents the most appropriate length scale, μ represents viscosity, g represents the density of the fluid, and Y aud represents the average flow rate. The value of b may be 4A / P, where A represents the cross-sectional area of the device, and P represents the perimeter of the wetted surface of the channel. Ke has a magnitude of the order of a unit for typical applications of a microfluidic device, and laminar flow is assumed for Newtonian fluids, and fluids with negligible elasticity. In the present invention, the Ke value may be up to 5, for example, in the range from 0.01 to 50 μl / min (50 for low viscosity fluids). Due to the size of the microfluidic device and the properties of the reaction fluid, the flow of the reaction fluid through the device is laminar, that is, without turbulence.

FIG. 3 is a block diagram of an embodiment of a gas analyzer 112 (FIG. 1) in which the reagent 200 is mixed directly with the well fluid medium 300. This embodiment includes at least two inlet ducts 302, 304. Inlet duct 302 is used to accept the well fluid 300 and inlet channel 304 are used to receive reagent 200, for example, from a reservoir. The well fluid and the reagent are mixed in a static mixer 306, thereby creating a mixed fluid, such as metal sulfide in solution. The mixed fluid is then allowed to flow through the microfluidic device 206, in which the mixed fluid is subjected to optical testing. Then the tested fluid is discharged as waste.

A variety of means are known to initiate fluid flow. While the specific method of fluid flow is not critical to the invention, some alternatives may be described for completeness. In general, the flow of fluid through the microfluidic device 206 can be achieved by a differential pressure or electrokinetic method. A positive displacement piston pump can be used to create a flow under pressure. Electrodes can be used to create a stream excited by the electrokinetic method. The flow excited by the electrokinetic method is provided by an electric surface charge, including a double layer of counter-ions, which is formed on the surface of the channel casing. When using an electrode within the channel of a microfluidic device, an electric field is applied, the ions in the double layer move towards the electrode with opposite polarity. This causes the movement of the reaction fluid near the walls of the body, which is transformed by forces of viscous resistance into convective movement of the fluid. Alternatively, other means of exciting fluid flow could be used, including, but not limited to, piezoelectric-based micropumps and impeller pumps based on impellers.

FIG. 4A-4C illustrate the mechanisms for feeding the sample of the test fluid and reagent into the microfluidic device. In general, fluid flow is initiated by a pump, using pressure in a borehole with a throttle fluid limiter to control fluid flow, or some combination of methods. FIG. 4A specifically illustrates the use of independent pumps 401, 403 to initiate sample flow of the test fluid 202 and reagent 200, respectively, into a microfluidic device 206. FIG. 4b illustrates a variant in which the unit pump 405 provides the flow of the sample of the test fluid 202 to the tee 407. From the tee 407, the fluid 202 flows along two routes: the first route to the microfluidic device 206, and the second route to the piston cylinder 409. Flow of the fluid 202 Into the piston cylinder 409, it actuates the piston cylinder, thereby forcing the reagent to flow into the microfluidic device 206. The throttle restrictor 411 of the fluid can be used to control the pressure and volume of the reagent, th in microfluidic device. FIG. 4c illustrates an embodiment in which borehole pressure is used to initiate the flow of a sample of the test fluid 202 into tee 407. Thus, the pressure in the borehole actuates the piston cylinder to inject the reagent into the microfluidic device 206. The second choke restrictor 413 of the fluid is used to control the volume and pressure of the sample of the test fluid 202 introduced into the microfluidic device 206.

The various pumps described above can be, without limitation, commonly used plunger, piezoelectric pumps, impeller-based impeller pumps driven by mechanical rods or triggered by a magnetic field, preferably small enough to fit the size and flow rate required for microfluidic device. Some examples are described by the authors of Lack et al. In 2004 in the journal 1. Msgotey. Mugoeid., Volume 14, p. R35-P64; S. Uataia. M. SkatePat. ν.Κ. Ragakyag, A. Pe1p. N. NoGtapp. and M.A.M. Ssch, P1a8Ys Myugorit \ νίΐΗ ReggoYashFs AsschSAoop (Plastic micropump operating with the use of ferrofluidic medium), 1. Myuyemst1gotovyashsa1yy81et8, Volume 14 (No. 1), 2005; and le1 and others, the SROCEEOSHSSZHZTTGiTGOK from MNSNAMSE NUS1UTUR8. RART N (Proceedings of the Institute of Mechanical Engineers, Part H), ΙΟυΡΝΑΕ OR EYSTHERGYS ΙΝ MEIK'SHE. 2007, vol. 221; №2, pages 129-142.

In addition to controlling the flow of fluid to perform multiple tests, the flow of fluid can be varied to simplify testing within a larger range of gas concentrations. Since the volume of reactant fluid exposed to the separated gas is relatively small, the reactant fluid may become saturated if the flow rate of the fluid is relatively slow between mixing and testing, the gas concentration is relatively high, or both factors occur. To avoid saturation and thereby simplify measurement within a wider range of concentrations, the flow rate of the fluid can be varied so that, as the duration of the exposure,

- 4 021134 and the gas concentration, as indicated by the optical signaling, was transmitted to the control device as data. It will be appreciated that the indication of the flow rate of the reagent fluid may aid in detecting the separated gas at relatively low concentrations, while increasing the flow rate of the reagent fluid may help detecting the separated gas at relatively high concentrations.

FIG. 5A-5C illustrate some of the design features of the instrument used on the 555 chip. The mixing function may be important because the mixing characteristics differ between laminar flows and non-laminar flows. As a rule, microfluidic flows have a high Peclet number, for example, Pe = I.1 / E, where u = average flow velocity, 1 = channel size, and O = molecular diffusion capacity. The diffusion mixing time is given by the expression Φ ~ 1 L 2 / O. Therefore, the length of the mixing channel, necessary to achieve proper mixing of substances, linearly increases in proportion to the Peclet number (Lm ~ Rex1). For example, the average flow velocity is 500 μm / s, the channel size is 100 μm and the diffusion capacity of molecules is 10 μm. 2 / s will require the duration of mixing and the length of the channel with values of about 1000 s and 0.5 m, respectively. Embodiments of the mixer 306 (FIG. 3) are shown in FIG. 5A. In many cases, a microfluidic device with a passive mixer design, such as a 501 herringbone zigzag design, in which a series of ribs is used to initiate a screw flow and increase mixing efficiency (see the authors §1gook et al., Bsheise, volume 295, 647-651 (2002) to discuss underlying principles). The mixing function can also be performed using a winding structure 503, including a series of rotations that promote mixing due to differences in distance traveled by the fluid as the direction changes, i.e., more rapid flow on the outside of the angle than on the inside of the angle. Alternatively, a micropump, such as an impeller pump based on an impeller, may act as a mixer. As specifically illustrated in FIG. 5B, the optical fibers 505, 507 may be interfaced with a microfluidic device so that light passes through a segment of the microfluidic device 206. For example, the fibers may abut a channel where the channel is laid at a right angle. Thus, light from a single fiber 505 enters the channel, and passes through it, and exits through another fiber 507. The variant in which the mixing function is included in the microfluidic device, for example, on a single chip with an optical detection module, is more specifically illustrated in FIG. 5C. More specifically, both the mixing device and the microfluidic optics are placed on the chip in such a way that the mixing action takes place upstream of the microfluidic optics.

Variants of microfluidic optical devices are illustrated in FIG. 6A and 6B. As shown in FIG. 6A, the microfluidic device can act as an optical waveguide such that a non-linear optical testing portion 611 is possible. In this embodiment, the channel that contains the fluid has an internal reflective coating with a proper refractive index so that the incident light does not come out. Light is introduced into the non-linear optical testing section 611 through optical fibers 505, 507, as already discussed above. One advantage of this embodiment is that the length of the optical testing section can be extended beyond the base length and width of the chip 555. As shown in FIG. 6B, the test section can alternatively be shaped such that it allows light to pass through the microfluidic device at right angles. In other words, the path of light on the test section 613 is linear and perpendicular to the flow path of the fluid. The underlying technology is described by the authors Moya! et al., Bailee NoschoriuYuShs5. Volume 1, 2007, p. 106.

FIG. 7 schematically represents a block diagram illustrating that numerous mixers 502,504 can be used with the optics of a microfluidic device 206 on a single chip 555. It will also be understood that multiple independent test modules can be implemented on a single chip (microfluidic optical devices with other components or without them, also known as sampling contours). For example, a matrix comprising multiple disposable test modules could be used with single-use valves 777 to introduce fluids so that the chip could be thrown away after all the modules have been used. Alternatively, reusable test modules could be used on the chip. One advantage of implementing a matrix of test modules is that characteristics such as fluid volumes and the length of the optical test section could differ among the test modules, thereby facilitating operation in a wider range of conditions and within a wider range of borehole fluids .

As suggested above, it may be undesirable to directly mix the reagent with the well fluid. One way to prevent such direct mixing is to use the wash fluid 500 to create intermediate fluid from the well fluid 300. The wash fluid is chosen to neutralize the characteristics of the well fluid that make it unsuitable for direct mixing with the reagent. The flushing fluid may also increase the solubility of the gas, which is advantageous if the solubility of the gas in the reagent is low. For example, in the case of an acid gas, an alkaline solution such as sodium hydroxide, alkanolamine derivatives such as triethanolamine, diethanolamine, and methyldiethanolamine can be used. Organic solvents, such as dimethylformamide and Ν-methylpyrrolidone, glycol based compounds (ethylene glycol, propylene glycol, diethylene glycol monobutyl ether) can also be used as wash / wash fluid. In practice, the washing fluid and the well fluid may be introduced into the static mixer 502 to create a sample of the test fluid. Then the sample of the test fluid and the reagent 200 are introduced into the second static mixer 504 to create a mixed fluid, which is tested in a microfluidic device 206. As discussed above, the mixers and optics of the microfluidic device can be implemented on a single chip as a single or multiple test modules.

FIG. 8 is a block diagram of an alternative embodiment of a gas analyzer 112 (FIG. 1), in which the sample of the test fluid is gas 400, which is separated from the borehole fluid 300 by a gas separation membrane 402. The well fluid 300 flows through channel 404 in one the side of the membrane, and the reagent fluid 200 from reservoir 406 flows through channel 408 on the opposite side of membrane 402. Holes associated with channel 404, which conducts well fluid, can be opened to the drill hole not in a way that provides an advantage to the flow of fluid inside the borehole to replenish the fluid inside channel 404. Channel 408, the conductive agent, is connected to the reactor tank 406 by one hole and to the static mixer 306 by another hole. The fluid that is mixed by the mixer flows into the microfluidic device 206. If present, one or more specific types of gases 400 are separated by the membrane 402 from the well fluid 300. The reagent 200 is mixed with the separated gas in the static mixer 306 at the end of the channel 408. Reagent 200 shows a change in physical characteristics in response to exposure to the separated gas in a mixture of gas and reagent. The change is then detected by optical testing in the microfluidic device 206, as already described above. The advantage of this option is that the reagent is not directly exposed to the borehole fluid. This separation may be desirable depending on the composition of the well fluid and the reagent. For example, the wellbore fluid may be so dark in color that it would cause errors in optical testing.

The membrane 402 has characteristics that prevent the passage of all but one or more selected compounds. Multiple gas separation membranes available on the market could be used. Such membranes are typically available as either a thin film or a thin-walled tube, any of which could be applied to the membrane 402. The membrane may be formed from any of a variety of materials, some of which may preferably be adapted to the conditions at the bottom of the well and the substance which is desirable to detect. One embodiment of the membrane is an inorganic, gas-selective molecular separation membrane having alumina as its basic structure, for example, an ΌΌΚ-type zeolite membrane. Another embodiment is a polymer membrane, such as a highly heat-resistant polymer membrane, such as Teioi AR (фирмыποηΐ), polydimethylsiloxane, or microporous polytetrafluoroethylene (Soge-Tech). In a polymer membrane such as Teiop AR (фирмыπΡοη или) or polydimethylsiloxane, gas molecules penetrate the membrane as a result of a dissolution-diffusion process, whereas in an inorganic or microporous membrane gas passes as a result of Knudsen diffusion. In the case of a zeolite membrane, a nanoporous zeolite material is expanded on top of the base material. Examples of such membranes are described in US patent applications 20050229779A1, 20040173094A1 and US patent 6953493B2. The membrane can be characterized by a pore size of about 0.3-0.7 μm, which causes a strong affinity for CO 2 . Additional enhancement of the separation characteristics and membrane selectivity can be accomplished by modifying the surface structure. For example, to suppress the penetration of water through a membrane, a waterproof layer may be applied, such as a polymer based on a perfluorinated compound. Other variants of the separation membrane act either as molecular sieves or in the mode of adsorption-phase separation. These options can be formed from inorganic compounds, inorganic sol-gel, inorganic-organic combination compounds, inorganic-based material with an organic-based compound embedded inside the matrix, and any organic materials that meet the technical requirements.

FIG. 9 is a block diagram of an alternative gas analyzer 112 (FIG. 1), in which a sample of the test fluid is formed by mixing the wash fluid 500 with gas 400, which is separated from the well fluid 300 by a gas separation membrane 402. The well fluid 300 flows through channel 404 on one side of membrane 402, and the washing fluid 500 flows from reservoir 600 through channel 408 on the opposite side of the membrane. The flush fluid channel 408 500 is connected to the flush fluid reservoir 600 by one hole and to the static mixer 602 by another hole. If present, one or more specific types of gases 400 are separated by the membrane 402 from the well current 6 021134 of medium 300. The wash fluid is mixed with the separated gas in mixer 602, thereby creating a sample of the test fluid. The sample of the test fluid is then mixed with the reagent 200 in the second static mixer 604. The reagent demonstrates a change in physical characteristics in response to the gas in the sample of the test fluid. The change is then detected by optical testing in the microfluidic device 206, as already described above.

FIG. 10 and 11 illustrate the use of thin-capillary membrane 902 to provide selective gas permeability from well fluid 300. A capillary membrane allows a very high surface area to volume ratio to be achieved, and it is less prone to leakage from channel to channel compared to thin-film membrane with a planar flow-through channel. For example, the tube can be wound to form a compact structural form, and the required retention time of the reagent can be adjusted by adjusting the tube length or flow rate. In the case of a thin film membrane, only the flow rate can be adjusted. In addition, the formation of large-sheet membranes is relatively difficult. Wash the fluid can be used to facilitate the reaction, as already described above. Detection can also be facilitated by the flow of fluid in the start-stop mode.

Flow-injection analysis, proposed by Ruzicka and co-workers in 1974, is a reliable and reproducible method for conducting chemical analysis. A part of the sample is introduced into the flow of the reagent and then a change in characteristic is recorded. The accuracy of the method can be improved using a switching valve equipped with a sampling circuit.

FIG. 12 and 13 illustrate a specific embodiment of the gas analyzer 112 (FIG. 1), in which a six-valve valve 700 is used to introduce samples of the test fluids into the sampling circuit 702 before testing. The valve 700 has six holes 1-6. Hole 1 is used to continuously introduce a sample of the test fluid 202. Hole 4 is used to introduce reagent 200. The valve has two different configurations between which it can be switched. In the first configuration shown in FIG. 10, the hole 1 is connected to the hole 6, the hole 2 is connected to the hole 3, and the hole 4 is connected to the hole 5. In this first configuration, a sample of the test fluid 202 flows into the hole 1, into the hole 6, into the sampling loop 702 between the holes 6 and 3, and from the opening 3 to the opening 2, which is connected to a fluid waste piping or a disposal tank. The volume of the channel between hole 1 and hole 2 is known. Therefore, the volume of the sample fluid in the channel, and in particular the volume of the sample of the test fluid in the circuit 702 sampling, is fixed and known. Reagent 200 flows continuously from the 4 to 5 hole and into the mixer and the optical module. A basic measurement can be made in this configuration. The valve 700 is then switched to the second configuration shown in FIG. 13. In the second configuration, holes 3 and 4 are connected, causing the flow of reagent 200 to sample loop 700 through the hole. Then the sample of the test fluid and the reagent are mixed, moved through the sampling loop and out of the hole 5 into the static mixer 704 and the microfluidic device 206 for optical testing. One of the advantages of the application is to improve the control of the amount of reagent entered for each test cycle. Under certain circumstances, the inlets for the reagent 200 and the sample of the test fluid 202 can be reversed.

FIG. 14Ά-14Ό illustrate an alternative alternative system based on a six-position valve. This alternative design includes two plunger-type piston valves 1200 made of iron-based material coated with an inert, slightly elastic substance with a low coefficient of friction on the surface for better sealing. Valves 1200 can be actuated by magnetic devices 1202. When the magnets are activated on the left side, the reagent baseline signal is measured. When the magnets are activated on the right side, the plungers move and the fluid sample enters the sampling circuit (middle channel). When the magnets are again activated on the left side, the plungers are again shifted to the left, and the reagent pushes the “trapped” sample into the mixer and detector. The displacement of the plungers is adjusted to equalize the pressures of these fluids and also to use the pressure difference between these fluids to improve sealing.

FIG. 15 shows a method according to the invention. First, a sample of the well fluid is obtained and a known volume of reagent is prepared in steps 800, 802, respectively. Optionally, a wash fluid may be prepared at step 804. It should be noted that “cooked” means that the fluid can be introduced at a known volume or flow rate, and does not imply a method of preparation. Then, any of a variety of alternative methods can be used to obtain a sample of the test fluid. In one embodiment of the method, a known volume of reagent and sample of the well fluid is combined in step 806. In another embodiment of the method, the gas is separated from the well fluid in step 808, and the separated gas is combined with the reagent in step 810. In another embodiment of the method the fluid at step 808, and the separated gas is combined with the wash fluid at step 812, and the resulting fluid is combined with the reagent at step 814. In yet another alternative, the well fluid is combined with flushing fluid at stage 816, and the resulting fluid is combined with the reagent at stage 818. Since any of the methods could be applied, the results are shown as actions to logical OR at stage 820. Then the sample of the test fluid is subjected to optical testing at stage 822. The signal indicative of the test result is then transmitted to the processing circuit in step 824.

FIG. 16 illustrates a support structure for a capillary tube. As discussed above, a thin capillary tubular membrane 902 can be used to provide selective permeability of gas from the borehole fluid. The capillary membrane is mainly characterized by a high surface area to volume ratio and is less prone to leakage from the channel to the channel compared to a thin-film membrane with a flat flow channel. As illustrated, the tube may be wound into a compact structural form. In particular, the tubular membrane is wound around a support structure, which occupies less than a few percent of the total surface area.

FIG. 17 illustrates the experimental result of a flow-injection analysis of sulphide dissolved in water. The experiment was carried out at a temperature of 150 ° C, a pressure of 5200 psi (35.9 MPa), using a sampling loop with a capacity of 5 μl (microliters). A fluid sample was injected into the flow of reagent and a color change / optical signal was recorded using a microfluidic optical cell with a path length of 10 mm. The optical signal was observed at a wavelength of 400 nm. When using a wavelength of 850 nm (or higher) as the baseline / reference, the difference between these two signals can be used to quantify the sulfide content.

FIG. 18 illustrates the experimental result of measuring gaseous H 2 § using a microfluidic membrane-based device made of thin-walled capillary tubes. A gas-permeable capillary tube was wound on a mechanical support. Then the reagent flowed into the capillary tube, for example, at a flow rate of 50 μl / min, and gaseous H 2 § flowed from the supply side, that is, outside the capillary tube. The reaction product was determined using a microfluidic optical cell with a test track length of 10 mm. The signal was fixed at 400 nm and used. To improve accuracy, one could apply a baseline correction, for example, at a wavelength of 800 nm.

Although the invention has been described for the above exemplary embodiments thereof, it will be understood by those of ordinary skill in the art that modifications and variations of the illustrated embodiments may be made within the disclosed concept of the invention. Moreover, while the preferred embodiments are described in connection with a variety of illustrative designs, it is clear to those skilled in the art that the system can be implemented using numerous specific designs. Accordingly, the invention should not be construed as limited to the above description, and limited only by the attached claims.

Claims (32)

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯCLAIM 1. Анализатор проб текучей среды для использования в стволе скважины, содержащий первый канал для ввода образца текучей среды, второй канал для ввода реагента в образец текучей среды и создания смешанной текучей среды, характеристики которой изменяются при наличии в ней представляющего интерес вещества, микрофлюидное устройство для ввода смешанной текучей среды, испытательный модуль для определения внутри ствола скважины изменения характеристики смешанной текучей среды в микрофлюидном устройстве, датчик для подачи сигнала, показывающего определение изменения характеристики смешанной текучей среды; и средство отделения образца текучей среды от скважинной текучей среды, расположенное между скважинной текучей средой и первым каналом, содержащее мембрану в виде скрученной капиллярной трубки.1. A fluid sample analyzer for use in a wellbore, comprising a first channel for introducing a fluid sample, a second channel for introducing a reagent into the fluid sample and creating a mixed fluid, the characteristics of which change when there is a substance of interest, a microfluidic device for mixed fluid input, test module for determining inside the wellbore changes in the mixed fluid characteristics in the microfluidic device, a sensor for signaling, showing its definition change characteristics of the mixed fluid; and means for separating the fluid sample from the well fluid located between the well fluid and the first channel, comprising a membrane in the form of a twisted capillary tube. 2. Анализатор по п.1, дополнительно содержащий сепаратор компонентов.2. The analyzer according to claim 1, further comprising a component separator. 3. Анализатор по п.1, дополнительно содержащий компенсатор давления для выравнивания давления текучей среды внутри и снаружи анализатора.3. The analyzer according to claim 1, further comprising a pressure compensator for equalizing the pressure of the fluid inside and outside the analyzer. 4. Анализатор по п.1, дополнительно содержащий модуль подачи текучей среды для введения каждой соответствующей текучей среды.4. The analyzer according to claim 1, further comprising a fluid supply module for introducing each respective fluid. 5. Анализатор по п.1, в котором сигнал, поданный датчиком, является показателем уровня концентрации представляющего интерес вещества в скважинной текучей среде.5. The analyzer according to claim 1, in which the signal supplied by the sensor is an indicator of the concentration level of the substance of interest in the borehole fluid. 6. Анализатор по п.1, в котором испытательный модуль содержит оптический излучатель и оптический приемник, который определяет различие в цвете или удельном коэффициенте пропускания.6. The analyzer according to claim 1, in which the test module contains an optical emitter and an optical receiver, which determines the difference in color or specific transmittance. 7. Анализатор по п.1, в котором реагент выбран из группы, состоящей из меркурацетата флуоресцеина, комплексов катиона металла и органических соединений и металлоорганических материалов, объединенных с различными подходящими растворителями, и их комбинаций, пригодных для примене- 8 021134 ния в условиях как окружающей среды, так и ствола скважины.7. The analyzer according to claim 1, wherein the reagent is selected from the group consisting of fluorescein mercuric acetate, metal cation complexes and organic compounds and organometallic materials combined with various suitable solvents, and combinations thereof suitable for use under conditions such as environment and well bore. 8. Анализатор по п.1, в котором образец текучей среды представляет собой скважинную текучую среду.8. The analyzer according to claim 1, wherein the fluid sample is a borehole fluid. 9. Анализатор по п.1, в котором образец текучей среды представляет собой скважинную текучую среду, смешанную с промывочной текучей средой.9. The analyzer according to claim 1, in which the fluid sample is a borehole fluid mixed with a flushing fluid. 10. Анализатор по п.1, в котором микрофлюидное устройство содержит встроенный смеситель.10. The analyzer according to claim 1, in which the microfluidic device comprises an integrated mixer. 11. Анализатор по п.1, в котором представляющее интерес вещество для анализа может быть перенесено из одной фазы на стороне подачи в еще одну фазу на стороне пермеата.11. The analyzer according to claim 1, in which the substance of interest for analysis can be transferred from one phase on the supply side to another phase on the permeate side. 12. Анализатор по п.1, в котором микрофлюидное устройство и испытательный модуль объединены в одно устройство.12. The analyzer according to claim 1, in which the microfluidic device and the test module are combined into one device. 13. Анализатор по п.1, в котором капиллярная трубка поддерживается структурой, которая увеличивает площадь диффузии.13. The analyzer according to claim 1, in which the capillary tube is supported by a structure that increases the diffusion area. 14. Анализатор по п.1, в котором мембрана содержит тонкую пленку, многослойную микропористую или нанопористую мембрану.14. The analyzer according to claim 1, in which the membrane contains a thin film, a multilayer microporous or nanoporous membrane. 15. Анализатор по п.1, в котором образец текучей среды представляет собой смесь промывочной текучей среды и скважинной текучей среды.15. The analyzer according to claim 1, in which the fluid sample is a mixture of flushing fluid and well fluid. 16. Анализатор по п.1, дополнительно содержащий мембрану, размещенную между скважинной текучей средой и первым каналом, и образец текучей среды представляет собой смесь промывочной текучей среды и газа, отделенного от скважинной текучей среды посредством мембраны.16. The analyzer according to claim 1, further comprising a membrane disposed between the well fluid and the first channel, and the fluid sample is a mixture of flushing fluid and gas separated from the well fluid by a membrane. 17. Анализатор по п.1, в котором первый и второй каналы представляют собой часть многоканального клапана, и испытательный контур подсоединен между каналами клапана для ввода предварительно заданного фиксированного объема реагента.17. The analyzer according to claim 1, in which the first and second channels are part of a multi-channel valve, and a test circuit is connected between the valve channels to enter a predetermined fixed volume of reagent. 18. Анализатор по п.1, дополнительно содержащий плунжер для подачи по меньшей мере одной из текучих сред в ответ на давление нагнетания другой текучей средой.18. The analyzer according to claim 1, further comprising a plunger for supplying at least one of the fluids in response to the discharge pressure of the other fluid. 19. Анализатор по п.1, дополнительно содержащий плунжер для подачи по меньшей мере одной из текучих сред в ответ на давление в стволе скважины.19. The analyzer according to claim 1, further comprising a plunger for supplying at least one of the fluids in response to pressure in the wellbore. 20. Анализатор по п.1, в котором давление уравновешено по меньшей мере одним из пружины или плунжера, гофрированной мембраны и диафрагменной мембраны.20. The analyzer according to claim 1, in which the pressure is balanced by at least one of the spring or plunger, corrugated membrane and diaphragm membrane. 21. Анализатор по п.1, дополнительно содержащий комбинированный пассивный смеситель и мембранный модуль.21. The analyzer according to claim 1, additionally containing a combined passive mixer and a membrane module. 22. Анализатор по п.1, дополнительно содержащий тонкостенную капиллярную трубку, которая действует как оптический волновод и соединена с оптическим источником и детектором.22. The analyzer according to claim 1, additionally containing a thin-walled capillary tube, which acts as an optical waveguide and is connected to an optical source and detector. 23. Анализатор по п.1, в котором многочисленные контуры отбора образцов размещены между каналами на единичной микросхеме.23. The analyzer according to claim 1, in which numerous sampling loops are placed between the channels on a single chip. 24. Анализатор по п.23, в котором контуры отбора образцов управляются по меньшей мере одним из многопозиционных переключаемых клапанов и клапанов однократного применения.24. The analyzer according to item 23, in which the sampling circuits are controlled by at least one of the multi-position switch valves and single-use valves. 25. Способ обнаружения представляющего интерес вещества в скважинной текучей среде, предусматривающий использование анализатора по пп.1-24 и содержащий следующие этапы:25. A method for detecting a substance of interest in a borehole fluid, comprising using an analyzer according to claims 1-24 and comprising the following steps: вводят образец текучей среды через первый канал;introducing a fluid sample through the first channel; вводят реагент в образец текучей среды через второй канал и создают смешанную текучую среду, характеристики которой изменяются при наличии в ней представляющего интерес вещества;introducing the reagent into the fluid sample through the second channel and creating a mixed fluid medium whose characteristics change if there is a substance of interest in it; направляют по меньшей мере часть смешанной текучей среды в микрофлюидное устройство; определяют внутри ствола скважины изменения характеристики смешанной текучей среды в микрофлюидном устройстве посредством испытательного модуля.directing at least a portion of the mixed fluid into a microfluidic device; determining within the borehole the characteristics of the mixed fluid in the microfluidic device by means of a test module. 26. Способ по п.25, дополнительно содержащий стадию передачи выходного сигнала, показывающего уровень концентрации представляющего интерес вещества в скважинной текучей среде.26. The method of claim 25, further comprising the step of transmitting an output signal indicating a concentration level of the substance of interest in the well fluid. 27. Способ по п.25, в котором испытательный модуль содержит оптический излучатель и оптический приемник и который дополнительно содержит этап определения различия в цвете или удельном коэффициенте пропускания.27. The method according A.25, in which the test module contains an optical emitter and an optical receiver and which further comprises the step of determining the difference in color or specific transmittance. 28. Способ по п.25, в котором введение образца текучей среды содержит введение скважинной текучей среды.28. The method according A.25, in which the introduction of the sample fluid contains the introduction of a borehole fluid. 29. Способ по п.25, в котором ввод образца текучей среды содержит ввод газа, отделенного от скважинной текучей среды посредством мембраны.29. The method according A.25, in which the introduction of the sample fluid contains the input of gas separated from the borehole fluid through a membrane. 30. Способ по п.25, в котором ввод образца текучей среды содержит ввод смеси промывочной текучей среды и скважинной текучей среды.30. The method according A.25, in which the introduction of the sample fluid contains the introduction of a mixture of flushing fluid and well fluid. 31. Способ по п.25, в котором введение образца текучей среды содержит ввод смеси промывочной текучей среды и газа, отделенного от скважинной текучей среды посредством мембраны.31. The method according A.25, in which the introduction of the sample fluid contains the introduction of a mixture of flushing fluid and gas, separated from the downhole fluid through a membrane. 32. Способ по п.25, в котором первый и второй каналы представляют собой часть многоканального клапана и испытательный контур подсоединен между каналами клапана, при этом ввод реагента содержит обеспечение течения предварительно заданного объема реагента в испытательный контур.32. The method according A.25, in which the first and second channels are part of a multi-channel valve and the test circuit is connected between the valve channels, while the input of the reagent contains the flow of a predetermined volume of reagent in the test circuit.
EA201171265A 2009-04-22 2010-04-22 Detecting gas compounds for downhole fluid analysis using microfluidics and reagent with optical signature EA021134B1 (en)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US12/428,454 US20100269579A1 (en) 2009-04-22 2009-04-22 Detecting gas compounds for downhole fluid analysis using microfluidics and reagent with optical signature
PCT/IB2010/000909 WO2010122413A1 (en) 2009-04-22 2010-04-22 Detecting gas compounds for downhole fluid analysis using microfluidics and reagent with optical signature

Publications (2)

Publication Number Publication Date
EA201171265A1 EA201171265A1 (en) 2012-05-30
EA021134B1 true EA021134B1 (en) 2015-04-30

Family

ID=42357773

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
EA201171265A EA021134B1 (en) 2009-04-22 2010-04-22 Detecting gas compounds for downhole fluid analysis using microfluidics and reagent with optical signature

Country Status (6)

Country Link
US (1) US20100269579A1 (en)
EP (1) EP2422195A1 (en)
BR (1) BRPI1014955A2 (en)
EA (1) EA021134B1 (en)
MX (1) MX2011011077A (en)
WO (1) WO2010122413A1 (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2749223C1 (en) * 2020-03-27 2021-06-07 Общество с ограниченной ответственностью «ГеоСплит» Method of qualitative and quantitative estimation of downhole gas inflows in multistage hydraulic fracturing in a multiphase flow system

Families Citing this family (30)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CA2877194C (en) 2011-07-06 2020-01-21 Source Rock Energy Partners Inc. Jet pump data tool system
US8960294B2 (en) 2011-08-05 2015-02-24 Halliburton Energy Services, Inc. Methods for monitoring fluids within or produced from a subterranean formation during fracturing operations using opticoanalytical devices
US8997860B2 (en) 2011-08-05 2015-04-07 Halliburton Energy Services, Inc. Methods for monitoring the formation and transport of a fracturing fluid using opticoanalytical devices
US9395306B2 (en) 2011-08-05 2016-07-19 Halliburton Energy Services, Inc. Methods for monitoring fluids within or produced from a subterranean formation during acidizing operations using opticoanalytical devices
US9464512B2 (en) 2011-08-05 2016-10-11 Halliburton Energy Services, Inc. Methods for fluid monitoring in a subterranean formation using one or more integrated computational elements
US9182355B2 (en) 2011-08-05 2015-11-10 Halliburton Energy Services, Inc. Systems and methods for monitoring a flow path
US9261461B2 (en) 2011-08-05 2016-02-16 Halliburton Energy Services, Inc. Systems and methods for monitoring oil/gas separation processes
US9222348B2 (en) 2011-08-05 2015-12-29 Halliburton Energy Services, Inc. Methods for monitoring the formation and transport of an acidizing fluid using opticoanalytical devices
US9222892B2 (en) 2011-08-05 2015-12-29 Halliburton Energy Services, Inc. Systems and methods for monitoring the quality of a fluid
US9297254B2 (en) 2011-08-05 2016-03-29 Halliburton Energy Services, Inc. Methods for monitoring fluids within or produced from a subterranean formation using opticoanalytical devices
US8908165B2 (en) 2011-08-05 2014-12-09 Halliburton Energy Services, Inc. Systems and methods for monitoring oil/gas separation processes
US9441149B2 (en) 2011-08-05 2016-09-13 Halliburton Energy Services, Inc. Methods for monitoring the formation and transport of a treatment fluid using opticoanalytical devices
US9297767B2 (en) * 2011-10-05 2016-03-29 Halliburton Energy Services, Inc. Downhole species selective optical fiber sensor systems and methods
US20130175036A1 (en) * 2012-01-10 2013-07-11 Andreas Hausot Methods and Apparatus for Downhole Extraction and Analysis of Heavy Oil
US8910514B2 (en) 2012-02-24 2014-12-16 Schlumberger Technology Corporation Systems and methods of determining fluid properties
US10060250B2 (en) 2012-03-13 2018-08-28 Halliburton Energy Services, Inc. Downhole systems and methods for water source determination
US9399912B2 (en) 2012-09-13 2016-07-26 Geosyntec Consultants, Inc. Passive sampling device and method of sampling and analysis
CA2880499C (en) * 2012-09-14 2017-08-22 Halliburton Energy Services, Inc. Systems and methods for monitoring oil/gas separation processes
US9239406B2 (en) 2012-12-18 2016-01-19 Halliburton Energy Services, Inc. Downhole treatment monitoring systems and methods using ion selective fiber sensors
AU2013380989B2 (en) * 2013-03-08 2016-08-11 Halliburton Energy Services, Inc. Systems and methods for optimizing analysis of subterranean well bores and fluids using noble gases
US9804076B2 (en) * 2013-03-13 2017-10-31 Baker Hughes, A Ge Company, Llc Use of detection techniques for contaminant and corrosion control in industrial processes
BR112015024352B1 (en) 2013-04-18 2021-10-05 Halliburton Energy Services, Inc METHOD AND MICROFLUID DEVICE TO PERFORM AN ANALYSIS OF WELL FLUID PRESSURE, VOLUME AND TEMPERATURE
US9103720B2 (en) 2013-07-10 2015-08-11 Halliburton Energy Services, Inc. Methods for assaying polymers using an integrated computational element
WO2016043746A1 (en) * 2014-09-18 2016-03-24 Halliburton Energy Services, Inc. Mixing fluids with weighted aqueous phases
WO2017061986A1 (en) * 2015-10-06 2017-04-13 Halliburton Energy Services, Inc. Methods and systems using micro-photomultiplier tubes and microfluidics with integrated computational elements
US10500587B2 (en) 2016-07-20 2019-12-10 Boise State University Ferro-magnetic shape memory alloy microcavity fluid sensor
US10962484B2 (en) * 2016-09-19 2021-03-30 Halliburton Energy Services, Inc. Detection via bandgap of reactive components in fluids
US11761873B2 (en) * 2016-12-14 2023-09-19 Schlumberger Technology Corporation Method to predict downhole reservoir fluids interfacial tension
GB201713017D0 (en) * 2017-08-14 2017-09-27 Innospec Ltd Kit and method
AR114207A1 (en) 2018-01-15 2020-08-05 Baker Hughes A Ge Co Llc USE OF MICROFLUIDS AS A RAPID EVALUATION TECHNOLOGY FOR ENHANCED OIL RECOVERY

Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5644395A (en) * 1995-07-14 1997-07-01 Regents Of The University Of California Miniaturized flow injection analysis system
US20030134426A1 (en) * 2000-02-26 2003-07-17 Li Jiang Hydrogen sulphide detection method and apparatus
US20040098202A1 (en) * 2002-08-21 2004-05-20 Mcneil Robert Irving Method for measuring fluid chemistry in drilling and production operations
GB2412171A (en) * 2004-02-19 2005-09-21 Schlumberger Holdings Spectroscopic pH measurement using optimised mixtures of reagents to extend measurement range
US20060008382A1 (en) * 2004-07-06 2006-01-12 Schlumberger Technology Corporation Microfluidic system for chemical analysis
US20060008913A1 (en) * 2004-07-06 2006-01-12 Schlumberger Technology Corporation, Incorporated In The State Of Texas Microfluidic separator
US20080066537A1 (en) * 2006-09-18 2008-03-20 Schlumberger Technology Corporation Systems and Methods for Downhole Fluid Compatibility

Family Cites Families (15)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4296810A (en) * 1980-08-01 1981-10-27 Price Ernest H Method of producing oil from a formation fluid containing both oil and water
US6196320B1 (en) * 1998-01-21 2001-03-06 Warren J. Ray Method of cleaning a well bore prior to installing a water based fluid system
GB2362469B (en) * 2000-05-18 2004-06-30 Schlumberger Holdings Potentiometric sensor for wellbore applications
GB2363809B (en) * 2000-06-21 2003-04-02 Schlumberger Holdings Chemical sensor for wellbore applications
US7025138B2 (en) * 2000-12-08 2006-04-11 Schlumberger Technology Corporation Method and apparatus for hydrogen sulfide monitoring
US7095012B2 (en) * 2000-12-19 2006-08-22 Schlumberger Technology Corporation Methods and apparatus for determining chemical composition of reservoir fluids
EP1437172B1 (en) * 2001-09-17 2009-02-11 Ngk Insulators, Ltd. Method for preparing ddr type zeolite film, ddr type zeolite film, and composite ddr type zeolite film, and method for preparation thereof
US6992768B2 (en) * 2003-05-22 2006-01-31 Schlumberger Technology Corporation Optical fluid analysis signal refinement
US6995360B2 (en) * 2003-05-23 2006-02-07 Schlumberger Technology Corporation Method and sensor for monitoring gas in a downhole environment
US7511819B2 (en) * 2003-11-10 2009-03-31 Baker Hughes Incorporated Light source for a downhole spectrometer
WO2005047647A1 (en) * 2003-11-10 2005-05-26 Baker Hughes Incorporated A method and apparatus for a downhole spectrometer based on electronically tunable optical filters
US7697141B2 (en) * 2004-12-09 2010-04-13 Halliburton Energy Services, Inc. In situ optical computation fluid analysis system and method
US7595876B2 (en) * 2006-01-11 2009-09-29 Baker Hughes Incorporated Method and apparatus for estimating a property of a fluid downhole
US7336356B2 (en) * 2006-01-26 2008-02-26 Schlumberger Technology Corporation Method and apparatus for downhole spectral analysis of fluids
US7508506B2 (en) * 2006-04-04 2009-03-24 Custom Sensors And Technology Method and apparatus for performing spectroscopy downhole within a wellbore

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5644395A (en) * 1995-07-14 1997-07-01 Regents Of The University Of California Miniaturized flow injection analysis system
US20030134426A1 (en) * 2000-02-26 2003-07-17 Li Jiang Hydrogen sulphide detection method and apparatus
US20040098202A1 (en) * 2002-08-21 2004-05-20 Mcneil Robert Irving Method for measuring fluid chemistry in drilling and production operations
GB2412171A (en) * 2004-02-19 2005-09-21 Schlumberger Holdings Spectroscopic pH measurement using optimised mixtures of reagents to extend measurement range
US20060008382A1 (en) * 2004-07-06 2006-01-12 Schlumberger Technology Corporation Microfluidic system for chemical analysis
US20060008913A1 (en) * 2004-07-06 2006-01-12 Schlumberger Technology Corporation, Incorporated In The State Of Texas Microfluidic separator
US20080066537A1 (en) * 2006-09-18 2008-03-20 Schlumberger Technology Corporation Systems and Methods for Downhole Fluid Compatibility

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2749223C1 (en) * 2020-03-27 2021-06-07 Общество с ограниченной ответственностью «ГеоСплит» Method of qualitative and quantitative estimation of downhole gas inflows in multistage hydraulic fracturing in a multiphase flow system
WO2021194373A1 (en) * 2020-03-27 2021-09-30 Общество с ограниченной ответственностью "ГеоСплит" Method for evaluating downhole gas inflow rates during multistage hydraulic fracturing

Also Published As

Publication number Publication date
BRPI1014955A2 (en) 2019-09-24
EP2422195A1 (en) 2012-02-29
EA201171265A1 (en) 2012-05-30
WO2010122413A1 (en) 2010-10-28
MX2011011077A (en) 2011-12-16
US20100269579A1 (en) 2010-10-28

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EA021134B1 (en) Detecting gas compounds for downhole fluid analysis using microfluidics and reagent with optical signature
US7575681B2 (en) Microfluidic separator
US7799278B2 (en) Microfluidic system for chemical analysis
RU2315180C2 (en) Method for fluid chemistry determination during well drilling and fluid production
US8826981B2 (en) System and method for fluid processing with variable delivery for downhole fluid analysis
US8146415B2 (en) Downhole gas chromatograph
Cai et al. A microfluidic chip based liquid–liquid extraction system with microporous membrane
Milani et al. Development and application of a microfluidic in-situ analyzer for dissolved Fe and Mn in natural waters
US11028690B2 (en) System and methodology for chemical constituent sensing and analysis
EA010497B1 (en) A method and apparatus for downhole detection of gas components in formation fluids
US11015446B2 (en) Flushing microfluidic sensor systems
MX2011006294A (en) Microfluidic methods and apparatus to perform in situ chemical detection.
US20140024073A1 (en) Bio-mems for downhole fluid analysis
US20140371105A1 (en) Mercury sensor for detecting, differentiating, and measuring organic and inorganic mercury compounds
CN104412105A (en) Detection of hydrocarbons in aqueous environments
Huang et al. Microfluidic chip-based valveless flow injection analysis system with gravity-driven flows
US12092626B2 (en) Characterization of polar species in reservoir fluids
WO2020008469A1 (en) An integrated opto-microfluidic platform for real-time detection of gases in biosamples and liquids
Harrison et al. Development of a Downhole Measurement System for Phase Behavior of Reservoir Crude Oils and Retrograde Condensates
Moore et al. Miniature FlowProbTM chemical sensor
Greenwood et al. Analysis of toxic metals by micro total analytical systems (μTAS) with chemiluminescence
Al-Othman Flow injection/sequential injection separation and preconcentration: Diffusion denuders as renewable separative surfaces in flow injection analysis
Lucero A dynamic gas sampler/analyzer system for geopressured aquifer logging
CN101520417A (en) Fluorimetric biochip
Zeilinger et al. Use of Microfluidic Devices to Investigate Formation Damage

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A Lapse of a eurasian patent due to non-payment of renewal fees within the time limit in the following designated state(s)

Designated state(s): AM AZ BY KZ KG MD TJ TM RU