JPH0442042A - 地層流体の組成を解析する装置及び方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 技術分野 本発明は地層流体の組成を分析する装置及び方法に関す
るものであって、更に詳細には、地層流体中の種々のタ
イプの油と水とガスの量を決定するために近赤外線スペ
クトル分析を使用する装置及び方法に関するものである
。

従来技術 第１図に示した如く、光がサンプル即ち試料に衝突する
場合に幾つかの異なった相互作用が発生する。典型的に
は、そのサンプルが流体である場合には、光の一部はサ
ンプルの境界において反射され、一方その光の残部はサ
ンプル内に入る。サンプル内においては、光は分子励起
（ラーマン散乱）によって及び媒体の集団モード（例え
ば、レイリー散乱）によって散乱される。一般的には、
ラーマン及びレイリー散乱プロセスによって、光路の１
ｃｍ当り散乱される光の量は非常に少ない割合のものに
過ぎない。

サンプル中に一つ以上の相が存在する場合には、光は相
間の境界において屈折及び反射によって弾性的に散乱さ
れる。この散乱プロセスは、光路の１ｃｍ未満において
多数回散乱されることが可能であるので、極めて強いも
のとなる場合がある。

散乱されることがないか又は散乱されるが入射光と同一
の方向であるかそれとほぼ平行な方向に進行するサンプ
ルから出てくる光は、一般的に、「伝送された」光と言
われる。その他の方向に向かってサンプルから出てくる
光は、「散乱された」光と言われ、−万人射光とほぼ反
対の方向に進行しながらサンプルから出る光は「後方散
乱された」光と言われる。

散乱の有無に拘らず、光の一部はサンプルによって吸収
される。サンプル中の光路長の単位長さ当り吸収される
入射光の割合は、サンプルの組成及び光の波長に依存す
る。従って、波長の関数としての吸収量は、「吸収スペ
クトル」と呼ばれ、それはサンプルの組成を表わすイン
ジケータである。本発明において主に興味のある波長範
囲である０、３乃至２．５ミクロンの波長範囲において
、ボアホール即ち穿孔内の流体において二つの重要な吸
収メカニズムがある。近赤外線領域において（１乃至２
．５ミクロン）、吸収は、主に、穿孔流体中の水素イオ
ンに関連する分子振動のオーバートーン即ち上音を励起
することから発生する。

近紫外線、可視光線、及び極近赤外線領域（０゜３乃至
１ミクロンの波長範囲）においては、吸収は、主に、例
えばアスファルテン、樹脂、ポルフィリンなどのような
穿孔流体中の大きな分子における電子遷移の励起から発
生する。

従来、ガス、液体及び固体サンプルの定性的及び定量的
分析のための技術は公知である。その様な方法及び装置
は、例えば、米国特許節４６２０．２８４号（Ｒ，Ｐ、
　　５ｃｈｎｅｉ）１１）に開示されており、その場合
、ヘリュウムーネオンレーザを使用して、０．６３３ミ
クロン波長のホトンを発生し、それをサンプルへ指向さ
せている。

その結果書られる入射光と異なった波長で散乱された光
を有するラーマンスペクトルを測定し、且つその測定し
たスペクトルを複数個の物質に関して以前に得られてい
る基準スペクトルと比較する。

この技術は、石油精練所におけるパイプラインを介して
流れる流体をモニタするために適用されている。

米国特許節４，６０９．８２１号（Ｃ，Ｆ。

Ｓｕｍｍｅ　ｒ　ｓ）においては、油特に石油を含有す
る泥土からの油を少なくとも有する特別に用意された岩
石切断部を０．２６ミクロンの波長を有するＵＶ照射で
励起する。前述した５ｃｈｎｅｆｌＩ特許においてなさ
れる如くラーマンスペクトルを測定する代わりに、この
Ｓｕｍｍｅｒｓ特許によれば、入射照射よりも長い波長
を有する結果的に得られる励起波（蛍光）の周波数及び
強度を検知し且つ測定する。検知波の蛍光スペクトル分
布を油を含有する泥土において使用される油の同様の分
布と比較することにより、地層油がその岩石切断部内に
も見出たされるか否かを決定する。

これらＳｕｍｍｅｒｓ及び５ｃｈｎｅｌｆｌ特許はある
制限された分野においては有用なものであるが、種々の
欠点を有するものである。例えば、５ｃｈｎｅｆｉｊ７
特許においてはレーザ装置を使用しているので、その装
置を使用することが可能な環境は極めて制限され、なぜ
ならばレーザを厳しい温度及び／又は圧力条件（例えば
、穿孔環境）において使用するのに適していないからで
ある。

又、５ｃｈｎｅ、Ｑｊ）特許においてはラーマンスペク
トルを使用しているので、低強度の散乱信号を極めて高
い分解能で検知することが可能な装置条件が必要とされ
る。Ｓｕｍｍｅｒｓ特許において０．２６ミクロンの波
長を持った光を使用していることは、サンプルを検査す
る場合に、そのサンプルが公称厚さのサンプルであるこ
とを必要とする。実際に、Ｓｕｍｍｅｒｓ特許において
は、分析を行なう前に、サンプルを溶媒で希釈すること
を必要とする。従って、Ｓｕｍｍｅｒｓ特許は、泥土が
地層油を含有するものであるか否かを決定することが可
能なものではあるが、地層流体を現場において分析する
ことを可能とするものではない。又、Ｓｕｍｍｅｒｓ特
許の方法は水に対して何ら感度を有するものではない。

当業者は、ダウンホールにおいて地層流体の分析を行な
うことが可能であることは極めて望ましいものであるこ
とを理解することが可能である。

第一の利点としては、地層流体と泥土濾過物とを区別す
る能力であり、それにより流体抽出装置が地表面へ帰還
させるために興味のある流体のみを保持することを可能
とする。第二の利点は、生産過程におけるものであり、
その場合に、地層から井戸内へ入る流体のタイプ（即ち
、水、油又はガス）をダウンホールにおいて直接的に決
定することが可能である。

目　　的 本発明は、以上の点に鑑みなされたものであって、上述
した如き従来技術の欠点を解消し、水、ガス、一つ又は
それ以上の複数個の油、及び固体粒子などを有する地層
流体の組成を分析することが可能な方法及び装置を提供
することを目的とする。本発明の別の目的とするところ
は、地層流体の組成を現場において分析することが可能
なダウンホール装置を提供することである。本発明の更
に別の目的とするところは、地層流体の組成を分析する
ために少なくとも近赤外線スペクトルを使用する装置を
提供することである。

構成 本発明によれば、地層流体の組成を分析する穿孔装置が
提供され、それは、大略、テスト領域と、流体のサンプ
ルをそのテスト領域へ指向させる手段と、少なくとも近
赤外線光束を射出する光源と、スペクトル検知器と、デ
ータバス手段と、処理手段とを有している。テスト領域
は、例えば、地層流体がそれを介して流動することが可
能な管又は、地表面へ転送するために流体を保持するこ
とが可能なチャンバ（室）、又は光透過性手段を介して
進行する光を中断させる光路の何れかを有することが可
能である。管又はチャンバが使用される場合には、その
管又はチャンバは、少なくとも近紫外線の光に対して光
学的に透明即ち透過性てあって且つ好適には近紫外線及
び可視光線に対しても透過性である窓を有している。光
源は、既知であるか又は決定可能なスペクトルを有する
白熱電球とすることが可能であり、且つ射出された光は
コリメータ乃至はオプチカルファイバの何れかを介して
、管又はチャンバ内の窓へ向けて少なくとも部分的に指
向される。スペクトル検知器手段は、好適には、流体サ
ンプルを介して伝送された光のスペクトルを検知し且つ
測定することが可能なスペクトロメータ即ち分光器であ
る。典型的には、分光検知器手段は、又、指向及び合焦
用のミラー又は付加的なオプチカルファイバ束を有して
いる。

射出された光のスペクトル及び流体サンプルによって影
響を受けた検知された光のスペクトルを知ることにより
、その流体の存在しうる成分のスペクトルに関するデー
タベースが存在する場合には、その流体サンプルの組成
を決定することが可能である。そのために、水、ガス、
及び複数個の異なった油乃至は石油のスペクトルが捜し
出され且つデータベースに格納されている。従って、例
えば最小自乗分析又は主要成分分析などのようなあては
め技術を使用することにより、全ての情報へのアクセス
を有する処理手段（例えば、コンピュータ又はマイクロ
プロセサ）が、所望の流体成分分析を行なうことが可能
である。好適には、本発明の原理に基づいて、異なった
圧力及び温度における油、ガス及び水のスペクトルを用
意し、且つこのあてはめプロセスにおいて使用する。又
、本発明の別の側面によれば、流体サンプル内における
可視光線及び／又は近紫外線スペクトルの変化をモニタ
することにより、泥土濾過物から得られた流体サンプル
の地層流体への遷移を決定することが可能である。

実施例 以下、添付の図面を参考に、本発明の具体的実施の態様
について詳細に説明する。

本発明は、特に、プロダクションロギング即ち生産用検
層及びボアホール即ち穿孔の調査用ロギング（検層）両
方に適用することが可能である。

しかしながら、説明の便宜上、本明細書における説明は
、主に、穿孔調査検層に関して行なう。従って、本発明
に基づいて構成された地層１４からの流体の組成を分析
し地層をテストするための穿孔検層ツール（装置）１０
を第２図に示しである。

図示した如く、ツール（装置）１０は、地表面上に設け
られている適宜のウィンチ（不図示）上に通常の態様で
巻着されている典型的なマルチ導体ケーブル１５の下端
からボアホール即ち穿孔１２内へ懸架されている。地表
面上においては、ケーブル１５は電気制御システム１８
へ電気的に接続されている。装置１０は、長尺状の本体
１９を有しており、それは装置制御システム１６のダウ
ンホール部分を包囲している。長尺状の本体１９は、更
に、選択的に延長可能な流体取入れ組立体２０及び選択
的に延長可能な装置位置決め部材２１を担持しており、
それらは本体の両側にそれぞれ配設されている。流体取
入れ組立体２０は、隣接する地層との圧力又は流体連結
を確立するように穿孔１２の壁の選択した部分を選択的
に封止するか又は分離させる構成を有している。又、装
置１０は、流体分析モジュール２５を有しており、流体
分析モジュール２５を介して採取された流体が流れる。

その後に、該流体はボート（不図示）を介して排出され
るか、又は地層から得られた流体を受取り且つ保持する
ことが可能な一つ又はそれ以上の流体回収チャンバ２２
及び２３へ送ることが可能である。流体取入れ組立体、
流体分析セクション及び回収チャンバへの流体紅路の制
御は、電気制御システム１６及び１８によって行なわれ
る。

地層流体サンプルを採取するための方法及び装置に関す
る付加的な詳細は、例えば、米国特許第３゜８５９．８
５１号（Ｕｒｂａｎｏｓｋｙ）　、米国特許第４，３９
６，２５９号（Ｍｉｎｕｔｅｒ）及び本願出願人に譲渡
されている米国特許出願節３１３．２３６号などに記載
されている。しかしながら、本発明は、地層流体を採取
する何れかの特定の方法及び装置に制限されるべきもの
ではないことを理解すべきである。

第３図を参照すると、好適な流体分析モジュール２５が
詳細に示されており、それは、好適には、光源３０、流
体サンプル管３２、オプチカルファイバ３４、分光写真
器３６及びそれと関連する検知器アレイ３８を有してい
る。光源３０は、好適には、大気圧近くに維持された白
熱タングステン−ハロゲンランプである。光源３０は、
１乃至２゜５ミクロンの近赤外線波長領域に亘って且つ
約０゜５ミクロンに至るまで比較的明るく、且つ０．３
５乃至０．５ミクロンの許容可能なエミッションを有し
ている。光源３０からの光束は、好適には、オプチカル
ファイバ束３４の少なくとも一部によって光源から流体
サンプルへ送られる。オプチカルファイバ束３４は、好
適には、種々のセクションへ分割されている。第一の小
さなセクション３４ａは、光源３０から直接的に分光写
真器３６へ延びており、且つ光源をサンプルするために
使用される。第二セクション３４ｂは、光学セル３７内
へ指向されており、それを介して、サンプル管３２が延
在されており、流体サンプルを照明するために使用され
る。第三セクション３４ｃは、セル３７から出ており、
且つ直接的に分光写真器３６へ延在しており、サンプル
によって実質的に後方散乱された光を回収するために使
用される。セクション３４ｃによって採取されたスペク
トル情報は、サンプル流体の組成を決定する上で有用な
ものであり、且つ後述する如くガスが存在しているか否
かを決定する上で第四束３４ｄと関連して有用なもので
ある。第四束３４ｄは、サンプルによって散乱されるか
又はそれを介して伝送される光を回収し、且つサンプル
管又はチャンバ３２を介して流れる流体の性質に関する
情報を与える。

束３４ａ、３４ｃ、３４ｄを分光写真器の入力スリット
（第４図参照）に位置させるために３位置ソレノイド（
不図示）が使用されており、且つ光チョッパ（不図示）
が５００Ｈｚにおいて信号を変調し、検知器内における
低周波数ノイズを回避している。

前述した如く、オプチカルファイバ束３４ｂは、流体サ
ンプルへ向けて光を指向させる。流体サンプルは、流体
取入れ組立体によって地層から採取され、次いで管３２
内の流体分析セクション２５へ送られる。好適実施例に
おいては、サンプル管３２は、３Ｘ４ｍｍの矩形状チャ
ンネルである。

護管は、好適には、サファイヤから構成される窓を有す
るセクション４０を具備している。このセクション４０
は、光学セル３７内に位置されており、そこで光束はサ
ンプルを照明すべく構成されている。サファイヤは、好
適な光源のスペクトルに対して透明即ち実質的に透過性
であるので選択されている。又、サファイヤは、シリカ
よりもかなり硬く且つ摩耗に対する耐性を有しているの
で好適である。第３図に示した如く、管３２のサファイ
ヤ窓区域４０は、高い内圧に耐えるように厚いものとす
ることが可能であり、且つこの窓区域は、多少オフセッ
トさせており、従ってそれらは伝送される光の経路上に
中心位置決めさせたままとさせることが可能である。オ
プチカルファイバ束３４ｂは、流れ方向に対して垂直で
はなく、従って全反射がオプチカルファイバ束３４ｃへ
入込むことはない。なぜならば、全反射（サファイヤ壁
と液体サンプルとの間の界面に起因する反射）は有用な
情報を与えるものではないからである。

この構成の結果として、オプチカルファイバ束３４ｃは
実質的に後方散乱された光を受取り且つ送給する。

前述した如く、オプチカルファイバ束３４ａ。

３４ｃ、３４ｄは、分光写真器３６において終端してい
る。第４図に詳細に示した如く、分光写真器は、入口ス
リット５２、軸をずらした放物体ミラー５４、回折グレ
ーチング手段５６、検知器アレイ３８を有している。選
択したオプチカルファイバ束から出てスリット５２を介
して分光写真器３６へ入る光は、軸をずらした放物体ミ
ラー５４で反射され、焼結した回折グレーチング５６へ
向かう。焼結された回折グレーチングは、光を分散させ
且つ小さな角度範囲で回折し、異なった波長の光束は異
なった態様で回折される。回折され且つ分散された光は
、軸をずらした放物体ミラーの所定のセクションへ向け
て帰還され、該ミラーは異なった波長の光束を検知器ア
レイ３８の異なった要素へ反射させ且つ合焦させる。従
って、該検知器アレイ要素は、分光写真器に入る光の強
度を波長の関数として決定する。次いで、この情報は、
デジタイザに対して多重化され、且つ地表上のエレクト
ロニクス及び処理手段１８へ伝送される準備がなされる
。

好適には、軸をずらした放物体ミラー５４、回折用グレ
ーチング５６、及びそれらを装着するために使用される
装着手段（不図示）の全ては、アルミニウムから構成し
、従って各構成要素の熱膨張を等しいものとする。この
様な構成は、構成要素間の角度関係が温度と共に変化す
ることがないことを確保する。その結果、検知器面にお
ける与えられた波長の位置は温度によって変化すること
はない。

流体分析セクション２５が設けられているので、光源の
スペクトル、流体サンプルによって散乱された後方散乱
光のスペクトル、及び前方散乱及び透過した光のスペク
トルを決定することが可能である。透過した光のスペク
トル及び後方散乱した光のスペクトルを光源のスペクト
ルで割ることによって、二つの吸収スペクトル（一つは
透過したもの、又−つは後方散乱したもの）が得られる
。

透過した光σ吸収スペクトルは、好適には、そのカウン
トレートが十分なものである場合に、以後の解析におい
て使用される。そうでない場合には、後方散乱吸収スペ
クトル（又は両方）を使用することが可能である。

異なった物質は異なった吸収特性を有しているので、流
体サンプル中に存在することがあるであろうような物質
のスペクトルが知られている場合には、どの様な物質が
流体サンプルを構成しているか否かを決定することが可
能である。そのために、当該技術において従来公知の技
術によって、水、ガス及び複数個の異なった油乃至は石
油のスペクトルが捜し出される。この様なスペクトルの
例は、第５ａ図に示してあり、水は約１．５及び１．９
ミクロンにおいて吸収ピークを有している。

第５ｂ図に示した如く、原油は１．７ミクロンにおいて
吸収ピークを有している。第５ｂ図に示した特定の原油
は、１．６ミクロン以下の波長領域において吸収が増加
している。多くの原油は、同様の特徴を有しているが、
オンセットはしばしばより短い波長である。第５ｃ図に
示した如く、灯油などのような精選した油乃至は石油は
、一般的に、０．７ミクロンと１．１ミクロンとの間に
おいて透明である。しかしながら、原油のように、典型
的には、１．７ミクロンにおいて吸収ピークを有してお
り、且つ１．２ミクロン及び１．４ミクロンにおいて原
油において表われるその他の特徴を有している。

水、ガス、原油及び精製した油、及びドリリング流体（
泥水）の吸収スペクトルを使用して、Ｐｈ１ｌｌ　ｉｐ
　　Ｒ，Ｂｅｖｉｎｇｔｏｎ著「物理科学用のデータ還
元及びエラー解析（ＤａｔａＲｅｄｕｃｔｉｏｎ　　ａ
ｎｄ　　Ｅｒｒｏｒ　　Ａｎａｊ）ｙｓｉｓ　　ｆｏｒ
　　ｔｈｅ　　ＰｈｙｓｉｃａＯ５ｃｉｅｎｃｅｓ）Ｊ
、マクグローヒル出版社、ニューヨーク（１９６９）に
記載される如き最小自乗解析を使用して流体サンプルの
成分を決定することが可能である。又は、所望により、
例えば、Ｐ、　　　Ｃ０Ｗｉ（１（ｌｉａｍｓ　　ｅｔ
　　ａｇ、著の「農業食品化学ジャーナル（Ｊ、　　Ａ
ｇｒｉｃｕＩＩｔｕｒａｊ７　　Ｆｏｏｄ　　Ｃｈｅｍ
ｉｓｔｒｙ）Ｊ、Ｖｏｉｄ、３３、ｐ、２３９　（１９
８５）に記載される如き主要成分解析（ｐｒｉｎｃｉｐ
ｌｅ　　ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ　　ａｎａｊｌ）ｙｓｉＳ
）を同様の態様で使用して、流体サンプルの成分を決定
することが可能である。この解析は、好適には、地表上
に設けられているエレクトロニクス及び処理回路１８に
おけるコンピュータなどの処理手段によって行なうこと
が可能である。

流体成分を決定するために使用されるあてはめ技術に関
しては、データベース中の水、ガス、オイルなどに対す
る単一のスペクトルを使用することが可能であるばかり
か、所望により、各々に対して透過スペクトル及び後方
散乱吸収スペクトルの両方を使用することも可能である
。更に、種々の成分のスペクトルは温度及び圧力と共に
変化する場合があることを注意すべきである。従って、
水、ガス及び複数個のオイルのスペクトルを基準スペク
トルとして使用するばかりでなく、異なった圧力及び温
度（且つ、所望により、トランスミッション即ち透過及
び後方散乱に対し）における各界なった物質に対する複
数個の異なったスペクトルを流体成分の正確な決定を行
なうために使用可能な状態とすべきである。

当業者にとって明らかな如く、自然ガスはある種のオイ
ル即ち油（石油）と同様のスペクトル形状を有している
。一方、ガスは密度が低いので、０．３乃至２．５ミク
ロンの波長範囲を持った光のほんの僅かの部分が流体サ
ンプルによって吸収されるに過ぎない。従って、本発明
の別の側面によれば、オプチカルファイバ束３４Ｃによ
って得られるスペクトルは、オプチカルファイバ束３４
ｄによって得られるスペクトルと比較して、サンプル内
に含まれるガスのパーセントを表わす第一表示を与える
ことか可能である。この様な表示をうろことにより、ガ
スのスペクトルが油のスペクトルの一つ又はそれ以上の
ものと非常に類似したものであったとしても、異なった
スペクトルのより完全なあてほめを行なうことを可能と
する。

又、本発明の別の側面によれば、例えばポルフィリン、
アスファルテン、大きな芳香族及び樹脂などのような流
体中の大きな分子が存在することの表示を得るために、
好適には０．３ミクロン乃至１ミクロンの波長範囲であ
る可視光及び／又は近紫外光スペクトルを使用すること
が可能である。

これらの大きな分子が低濃度で存在する場合には、それ
らの電子遷移による吸収に起因してそれらを容易に観測
することが可能である。泥土濾過物及び地層流体中の大
きな分子の濃度及び種類は通常異なるので、大きな分子
の０．３乃至１ミクロンのスペクトルの相関は、光学セ
ル３７を介して流れる流体サンプルが時間に関して変化
しているか否かに関する表示を与える。セル３７に入る
最初の流体は、典型的には、ドリリング流体であるので
、流体サンプルはチャンバ２２又は２３内に格納されず
に排出される。同様に、大きな分子のスペクトルか流体
のタイプの変化を表わした浸油をベースとした泥土濾過
物及び地層油の場合にそうである如く、流体中の油及び
／又は水に対するＮＩＲスペクトルが実質的に同一の状
態を維持する場合であっても、そのサンプルは地層流体
サンプルであると識別することが可能であり、且つ該サ
ンプルは流体分析モジュール２５から格納用チャンバ（
室）へ送給され、地表へ送給する準備をすることが可能
である。

本発明の更に別の側面に関連して、そのようにして得ら
れたスペクトル及びガスが存在するということの決定は
、地層流体の一層代表的なサンプルを得るために流れラ
インの圧力を制御するために使用することが可能である
。地層流体が重い炭化水素及び軽い炭化水素の両方から
構成されている場合には、−層軽い炭化水素の泡は流体
から排出することが可能であり、又はより重い炭化水素
は流体から凝縮して取出すことが可能である。流体の圧
力が泡立ち点圧力又は露点圧力（場合に応じて）の何れ
かよりも下であると、該流体は、液相及び蒸気相の両方
において地層から表われる。

より粘度の低い蒸気相は液相よりもより自由に流れるの
で、得られたサンプルは、地層流体の代表的なものより
も一層軽い炭化水素を有している。

標準的な技術によって行なわれる流れラインにおける圧
力を変化させることによって、これらの両方の効果は透
過された光を減少させ且つ後方散乱された光を増加させ
るので、泡立ち点又は露点を見付けることが可能である
。光の透過及び反射をモニタすることは、吸収が弱く且
つサンプルが比較的透明である波長において行なうこと
が最適である。泡立ち点又は露点圧力が見付かると、流
れラインの圧力（サンプリング圧力）を、例えば、サン
プリング装置を介して流れる流体の流量を制御し及び／
又はサンプリング装置を井戸乃至は穿孔内の適宜の深さ
へ位置させることによって、関連する点景上に増加させ
る。

第６図を参照すると、穿孔装置１０の流体分析モジュー
ル２５の別の実施例１２５が示されている。基本的に、
流体モジュール構成要素は好適実施例と同一であるが、
オプチカルファイバ束を使用する代わりに、指向用及び
合焦用ミラーが使用されている。第６図の実施例によれ
ば、光源１３０は、好適実施例において使用されている
ものと同一である。この光源からの光は、ビームスプリ
ッタ用ミラー１３５ａによって部分的に反射され、その
反射された光は基準検知器１３１へ向かい、そこで光源
スペクトルのダウンホールでの決定を行なうことが可能
である。反射されなかった光は、コリメータ用ミラー１
３５ｂへ前進する。次いで、コリメートされた光は、指
向用ミラー１３５Ｃ及び１３５ｄを介して、光学セル１
３８へ前進する。

光学セル１３８は、高圧ステンレススチール製のチャン
バ即ち室から構成されており、それを貫通して流体サン
プル管１３２が設けられると共に、光路１３９がそれを
貫通して管１３２に対して直交し且つそれと交差して設
けられている。光学セル１３８においては、流体サンプ
ル管１３２がサファイヤ窓１４０を有している。ミラー
１３５ｄから光路１３９内へ通過する光は、流体サンプ
ルを透過するか又は流体サンプルによって散乱されて光
学セル１３８を出、且つミラー１３５ｅによってスペク
トロメータ（分光写真器）１３６へ指向される。尚、ス
ペクトロメータ１３６は、好適には、前述した第４図の
分光写真器３６と同様のものである。所望により、光源
からスペクトロメータへ直接的に光を送給するために適
宜の光学的手段（不図示）が使用され且つ光源からの光
か又は光学セルからの光の何れかを選択するためにその
他の手段（マルチプレクス手段）が使用される場合には
、基準検知器１３１の代わりにスペクトロメータ１３６
を使用することが可能である。更に、ミラー１３５Ｃを
適宜のビームスプリッタで置換し且つ後方散乱された光
をスペクトロメータへ送るために付加的な適宜の光学手
段（不図示）が使用される場合には、後方散乱された光
をスペクトロメータによって分析することが可能である
。

この様な付加的な光学的手段が設けられる場合には、第
６図の実施例は、第４図の実施例において、オプチカル
ファイバを反射光学系で置換した場合の機能的に均等な
ものとなることが理解される。

第７図を参照すると、生産検層装置の流体分析モジュー
ル２２５が示されている。流体分析モジュール２２５の
理論的な根拠は、第３図及び第６図に示した流体分析モ
ジュールのものと同一である。しかしながら、地層から
流体サンプルを採取するために流体取入れ組立体を設は
且つ採取したサンプルを格納するためのチャンバを設け
る代わりに、流体はツール即ち検層装置２００を介して
流れる構成となっている。前述したモジュールにおける
如く、流体解析モジュール２２５は、光源２３０として
石英ハロゲンランプを使用している。

第６図の実施例における如く、基準検知器２３１が光源
の光のスペクトルを検知し且つ決定し、且つサンプルさ
れるべき流体へ向けてビームを送るためにビームスプリ
ッタミラー２３５ａが使用されている。該ビームは、コ
リメート用ミラー２３５ｂによってサファイヤ窓２３７
を介し、且つ次いでその中に収容されている反射面又は
ミラー２３５ｃを持ったサファイヤロッド２４１ａを介
して指向される。次いで、該ビームは、撹拌器２６５に
よって流体を混合し且つサファイヤロッド２４１ａと２
４１ｂとの間に約５ｒｒ＋ｍの開口（尚、この開口は「
テスト領域」を画定している）を介して流体の一部を通
過させることによって採取される流体サンプルを介して
指向される。次いで、該流体は、装置２００の壁内のボ
ート２７０ａ及び２７０ｂを介して流体分析モジュール
２２５から流出する。次いで、該流体によって散乱され
るか又は該流体を透過する光は、反射面又はミラー２３
５ｄを具備するサファイヤロッド２４１ｂを介して透過
され、サファイヤ窓２３７を介して出力され、且つスペ
クトロメータ２３６へ直接的に供給される。スペクトロ
メータ２３６は、好適には、第３図に示した如き分光写
真器であり、且つこのスペクトロメータは、基準検知器
として使用することが可能である。更に、第６図に関（
７て説明した如く、後方散乱された光も、適宜の反射光
学系を配設することによりスペクトロメータへ指向させ
ることが可能である。

動作について説明すると、第２図及び第３図に示した穿
孔検層ツール（装置）１０を、延長させたケーブル１５
を介してダウンホール即ち穿孔内に位置させる。所望の
位置において、エレクトロニクスセクション１８が、エ
レクトロニクスセクション１６へ信号を送り、エレクト
ロニクスセクション１６は、位置決め部材２１及び流体
取入れ組立体２０を動作させて穿孔壁と接触さ仕る。エ
レクトロニクスセクション１６から２番目の信号が供給
されると、当該技術における公知の装置における如く、
地層流体が流体取入れ組立体２０によって採取され且つ
流体分析モジュール２５のサンプル管３２へ送られる。

同時的に、光源３０から射出された光は、オプチカルフ
ァイバ３４を介して光学セル３７へ送られ、そこで、流
体サンプルを介して光が透過されるか、散乱されるか又
は吸収される。前方向散乱された光及びサンプルを介し
て透過した光は、分光写真器３６へ送られ、そこで、透
過された光及び前方散乱された光のスペクトルは、その
成分波長に分離される。又、好適には、後方散乱された
光及び光源のスペクトルサンプルがオプチカルファイバ
束を介して分光写真器３６へ送られ、その波長成分への
分割に使用される。各スペクトルは、順番にサンプルさ
れる（光源の光のスペクトルは、しばしばサンプルされ
ることは必要ではない）。次いで、検知器アレイ３８及
びエレクトロニスセクション１６を使用して、異なった
スペクトル情報が地表上のエレクトロニス及び処理セク
ション１８へ送られ、解析がなされる。又、所望により
、流体温度及び圧力情報も地表へ送ることが可能である
。好適には、最小自乗あてほめを使用して、処理セクシ
ョン１８におけるプロセサが、採取されたスペクトル（
０，３乃至２．５ミクロンの波長を有している）をプロ
セサがアクセス可能なデータベース内に格納されている
油、水及びガスに対する複数個の温度及び圧力によって
特定される吸収スペクトルに対してあてはめが行なわれ
る。このあてはめプロセスの結果として、流体サンプル
を構成する成分の決定が行なわれる。穿孔深さに亘って
この様な決定の検層を行なうことが可能である。

上述した如く、後方散乱及び前方散乱及び透過情報の両
方が得られると、ガスが存在することの第一表示を得る
ことが可能である。この第一表示は、次いで、あてはめ
プロセスにおいて利用することが可能である。又、所望
により、約０．３ミクロン乃至１ミクロンのスペクトル
を使用して、大きな分子のタイプ及び／又は量において
変化が発生したか否かの決定を、相関技術を使用して行
なうことが可能である。流体変化が発生したか否かの決
定は、次いで、エレクトロニクスセクション１６を介し
てプロセサ１８によって使用し、その流体サンプルを穿
孔内へ排出されるが又は貯蔵用チャンバ２２又は２３へ
送給して更に地表において解析をすることを行なうこと
を可能とする。

第８図は、第３図の光学セルを示した概略図である。オ
プチカルファイバ束３２４Ａは、例えば第３図の光源３
０などのような光源からの光を第−窓セクション４０Ａ
へ担持する。窓セクション４０Ａは、流体サンプルが流
れるサンプル管３２の一部を有している。サンプル管３
２は、更に、流体サンプルを収容するチャンバを有して
いる。

流体サンプルは、サンプル管３２内に影線を付すことに
よって示しである。

オプチカルファイバ束３２４Ａによって担持される光は
、サンプル管３２内の流体サンプルを介して通過し且つ
その流体サンプルによって散乱される。流体サンプルに
よって散乱される光の量は、その流体サンプルの組成に
依存する。地層流体などのような多層流れの場合、流れ
の組成は常に−様なものではないので、流れの組成は著
しく変化する。例えば、この流れは、ガスの泡、砂粒子
、及び油の小滴などを有している。サンプル管３２内を
流れる明るい区域４１Ａで示したガスは、ガスが窓セク
ション４０Ａを流れる際に、小さな角度光を散乱させる
。光が小さな角度散乱されるので、比較的高い強度の光
信号が流体サンプルを介して通過し且つ第二窓セクショ
ン４０Ｂに到達する。逆に、サンプル管３２内を流れる
黒い区域４１Ｂで示した砂は、オプチカルファイバ束３
２４Ａからの光を砂が窓セクション４０Ａを流れる場合
に、大きな角度散乱させる。このように光がより大きな
角度散乱されるので、低い強度の光信号が窓セクション
４０Ｂに到達する。第二オプチカルファイバ東３２４Ｂ
は、その結果得られる窓セクション４０Ｂからの光信号
を第３図の分光写真器３６へ運び、解析を行なう。散乱
角度は窓セクション４０Ａ及び４０Ｂを異なった相の流
体が通過すると急激に変化する場合があるので、流体サ
ンプルを介して通過する光信号の強度において大きなス
イング即ち振れが発生する。この様な信号を受取る分光
写真器は、光信号が表わす情報を処理するためにこの様
なスイング即ち振れを受入れることが可能であるように
構成されていなければならない。

従って、本発明者らは、この様な大きな信号の振れの影
響を最小とするための技術及び装置を開発した。この技
術及び装置は、直接的な透過された光の代わりに、間接
的な透過された光又は前方散乱された光を測定するもの
である。間接的に透過された光を測定することは、より
一貫性のある振幅を持った光信号となり、そのことは例
えば、サンプル管３２内の流れパターン及び相変化にお
ける変化によって影響を受けることが少なくなる。

より一定の振幅を持った光信号を形成する場合、信号の
振れにおける著しい減少が発生する。

第８Ａ図及び第９図は、流体サンプルを介して入カオブ
チカルファイバ束３２４Ａ及び窓セクション４０Ａから
窓セクション４０Ｂ及び出力オプチカルファイバ束３２
４Ｂへの光路を修正することにより信号の振れの影響を
補償する本発明の二つの好適実施例を示している。これ
らの実施例は、実質的に間接的な透過光の検知及び測定
を行なうことを可能とするために、流体サンプルを介し
ての光の光路を修正している。

第８Ａ図は、拡散器４１を持った第８図の第二窓セクシ
ョン４０Ｂを示している。拡散器４１は、個別的な要素
であり、それは窓セクション４０Ｂの表面に取り付けら
れるか、又は、好適には、その表面上に直接的に形成さ
れる。拡散器４１は、窓セクション４０Ｂの表面に刻み
部を刻設するか又はエツチングすることによって形成さ
れる。窓セクション４０Ｂ上の拡散器は、流体を介して
通過する光の回収角度を増加させる。

オプチカルファイバ束３２４Ａからの光は、窓セクショ
ン４０Ａに入り、且つ光の拡大したビーム４２として出
力され、それはサンプル管３２内に収納されている流体
へ通過される。ビーム４２の一つの光束４３は、例えば
、流体中の砂粒子４４又１よ油の小滴に衝突する。流体
中には多数の砂粒子が存在しているが、簡単化のために
、第８Ａ図には一つのみ示しである。流体中の砂粒子４
４は、光を多数の方向へ散乱させる。前方散乱された光
４５は、サンプル管３２の反対側へ透過される。拡散器
４１は、砂粒子４４から散乱する光を回収し、且つ回収
した光４６のかなりの部分を出力オプチカルファイバ束
３２４Ｂへ向けて指向させる。拡散器４１は、サンプル
管３２内の流体サンプルを介して例えばオプチカルファ
イバ束３２４Ｂへ直接的に透過されるオプチカルファイ
バ束３２４Ａからの光の強度を減少させる。しかしなが
ら、拡散器４１は、砂粒子からの散乱された光束のエミ
ッションの固体角を変化させ、その際に出力オプチカル
ファイバ束３２４Ｂに対する実行的により広い許容光角
度４７を与える。拡散器４１がない場合には、許容光角
度４７は狭いものであり、それは出力オプチカルファイ
バ束３２４ＢのＮＡによって決定され、それは流体中の
砂粒子によって散乱された光のより少ない部分を回収す
るに過ぎない。

例えば、拡散器がない窓セクション４０Ｂの場合、光束
４５ｇは許容の角度４７外側の砂粒子４４によって散乱
される。従って、散乱された光束４５ｇは、出力オプチ
カルファイバ束３２４Ｂに到達することはない。しかし
ながら、本発明によれば、光束４５ａは砂粒子４４によ
って拡散器４１へ散乱され、それは出力オプチカルファ
イバ束３２４Ｂの許容角度内において光束４５ａを再度
散乱し且つ再指向させる。

拡散器４１を°介して通過し且っオプチカルファイバ束
３２４Ｂに到達する光の強度は、例えば、チャンバを介
して光入力端から光出力端へ直接的に透過される光の強
度と比較して著しく小さい。

この強度の低い光は、分光写真器に関してより弱い信号
を発生する。しかしながら、この弱い信号は、信号安定
性に対する利益考量として許容されるものである。

拡散器の代わりに、コリメート用レンズが、出力オプチ
カルファイバ束３２４Ｂへの前方散乱光を脱コリメート
させることが可能である。拡散器は、第一窓セクション
４ＯＡの表面上のみに形成することが可能であり、一方
、窓セクション４０Ｂに付加的に形成して、窓セクショ
ン４０Ａから透過された光の角度を拡大すると共に、出
力オプチカルファイバ束３２４Ｂの許容光角度を拡大す
ることが可能である。拡散器４１は、更に、オプチカル
ファイバ束３２４Ａ又は３２４Ｂの何れがの端部に形成
することも可能であり、又第３図のプリズム上に形成す
ることも可能である。

第９図は、サンプル管３２内のサンプル流体を介して透
過される光の光路を修正するために、出力オプチカルフ
ァイバ束３２４Ｂが入力オプチカルファイバ束３２４Ａ
に対して不整合状態とされている実施例を示している。

これらのオプチカルファイバ束は、それらの束の長手軸
が同軸上ではなく平行状態にはないという点において不
整合状態にある。好適実施例においては、オプチカルフ
ァイバ束３２４Ｂは、プリズムを介して窓セクション４
０Ｂと接続し、且つ第３図に示した如く、オプチカルフ
ァイバ束３２４Ａと平行である。第９図は、簡単化のた
めに、プリズムなしの状態のオプチカルファイバ束３２
４Ｂを示している。

このように入力及び出力のオプチカルファイバ束が不整
合状態にあるので、サンプル管３２内の流体サンプルを
介してオプチカルファイバ束３２４Ｂへ直接的に透過さ
れるオプチカルファイバ束３２４Ａからの光の量は減少
される。なぜならば、太い矢印で示した如く、直接的に
透過される光は、出力オプチカルファイバ束３２４Ｂか
らずれているからである。細い矢印で示した如く、間接
的な光のみが出力オプチカルファイバ束３２４Ｂに到達
する。平行且つオフセットした入力及び出力オプチカル
ファイバ束を有する光学セルシステムと比較して、第９
図のシステムは、窓セクション４０Ａと４０Ｂとの間の
流体がガス泡を有している場合に、オプチカルファイバ
束３２４Ｂに入ル間接的な光の量を減少するが、その流
体が、例えば、砂の粒子を有している場合には、そのオ
プチカルファイバ束に入る間接的な光の量を増加する。

このことは、分光写真器が比較的一定の信号を受取るこ
とを可能とし、従って、サンプル管３２内の流れの変化
によって影響を受けることを防止している。従って、こ
のように前方散乱された間接的な透過光を測定すること
により、信号の振れの程度を著しく減少させ、且つ全体
的な信号レベルを減少させることを可能としている。

散乱光オプチカルファイバ束３２４　Ｃｌ；ｉ、例工ば
、サンプル管３２内の砂の粒子によって反射された後方
散乱光を、第３図の分光写真器３６へ送り、反射分光分
析に使用する。この分光写真器は、サンプル管３２内の
地層流体を分析する場合に、出力オプチカルファイバ束
３２４Ｂの信号と共ニ、オプチカルファイバ束３２４Ｃ
の信号を使用する。

以上、本発明の具体的実施の態様について詳細に説明し
たが、本発明は、これら具体例にのみ限定されるべきも
のではなく、本発明の技術的範囲を逸脱することなしに
種々の変形が可能であることは勿論である。

【図面の簡単な説明】

第１図は光がサンプルに当った場合に発生することのあ
る異なった相互作用の幾つかを示した概略図、第２図は
地層流体の組成を分析する穿孔装置の第一実施例を示し
た概略図、第３図は第２図の好適な近赤外線流体分析モ
ジュールを示した概略図、第４図は本発明の好適スペク
トロメータを示した概略図、第５ａ図乃至第５ｃ図は水
、原油及び灯油の近赤外線吸収スペクトルを示した各説
明図、第６図は第２図の別の近赤外線流体分析モジュー
ルを示した概略図、第７図は生産検層装置に関連して使
用される本発明の流体分析モジュールを示した概略図、
第８図は拡散器の使用状態を示した第３図における光学
セルの一実施例を示した概略図、第８ａ図は第８図にお
ける拡散器が光束に与える影響を示した概略図、第９図
は不整合状態を使用した場合の第３図における光学セル
の別の実施例を示した概略図、である。 （符号の説明） １０：穿孔検層装置（ツール） １２：穿孔 １４：地層 １５：ケーブル １６：制御システム １８：電気的制御システム １つ二本体 ２０：流体取入れ組立体 ２１：装置位置決め部材 ２２．２３：流体回収チャンバ ２５：流体分析モジュール ３０：光源 ３２：流体サンプル管 ３４ニオブチカルフアイバ ３６二分光写真器 ３８：検知器アレイ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、地層から得た流体であって水と油とガスの少なくと
   も一つを有する流体の組成を解析する穿孔装置において
   、光路を持っており周波数スペクトルを有する光を射出
   する光源、前記流体を収容し且つ光に対して実質的に透
   明な第一部分を有するチャンバ手段、前記光源からの光
   を前記第一部分を介して前記流体へ指向させる光入力手
   段、前記チャンバ手段内の流体からの光を受取る光出力
   手段、前記光入力手段と前記光出力手段との間に接続さ
   れており前記光出力手段によって受取られる光が前記チ
   ャンバ手段内の流体を介して間接的に通過する光を実質
   的に有するように前記光入力手段と前記光出力手段との
   間の光の光路を修正する手段、前記光出力手段からの光
   のスペクトルを検知する検知手段、水と油とガスの内の
   少なくとも二つの吸収スペクトル情報を格納する格納手
   段、前記光源からの光のスペクトルと前記検知器手段に
   よって検知されたスペクトルと前記格納手段の吸収スペ
   クトル情報から前記流体の組成を決定する処理手段、を
   有することを特徴とする装置。 ２、特許請求の範囲第１項において、前記光路修正手段
   が、前記流体を介して伝達される光を拡散させる拡散器
   を有することを特徴とする装置。 ３、特許請求の範囲第２項において、前記チャンバ手段
   が、前記流体からの光が前記光出力手段へ通過する第二
   部分を有することを特徴とする装置。 ４、特許請求の範囲第３項において、前記第二部分が、
   前記光源からの光に対して実質的に透明な物質を有して
   おり且つ不規則表面を有することを特徴とする装置。 ５、特許請求の範囲第４項において、前記不規則表面を
   有する第二部分が拡散器を有することを特徴とする装置
   。 ６、特許請求の範囲第５項において、第一及び第二窓の
   不規則表面が刻設されていることを特徴とする装置。 ７、特許請求の範囲第５項において、第一及び第二窓の
   前記不規則表面がエッチングされていることを特徴とす
   る装置。 ８、特許請求の範囲第１項において、前記光路修正手段
   が、前記光出力手段に対して前記光入力手段を不整合と
   させていることを特徴とする装置。 ９、特許請求の範囲第８項において、前記光入力手段及
   び前記光出力手段が不整合状態としたオプチカルファイ
   バ手段を有することを特徴とする装置。 １０、地層から採取した流体であって水と油とガスの少
   なくとも一つを有する流体の組成を穿孔内において解析
   する方法において、実質的に光に対して透過性の第一部
   分を有するチャンバ内に流体を収容し、光入力端を有す
   る光路に沿って周波数スペクトルを持った光を指向させ
   、尚前記光路は窓及び前記流体を包含しており、前記光
   入力端と光出力端との間に接続されている手段によって
   前記光入力端と光出力端との間の光路を修正し、前記チ
   ャンバ内の流体から実質的に間接的な光を前記光出力端
   によって受取り、前記光出力端からの光のスペクトルを
   検知器によって検知し、水と油とガスの内で少なくとも
   二つの吸収スペクトル情報を格納し、光源からの光のス
   ペクトルと前記検知器によって検知されたスペクトルと
   前記吸収スペクトル情報を処理することにより前記流体
   の組成を決定する、上記各ステップを有することを特徴
   とする方法。 １１、特許請求の範囲第１０項において、前記光路を修
   正するステップにおいて、伝送される光を拡散させるこ
   とを特徴とする方法。 １２、特許請求の範囲第１１項において、前記光路を修
   正するステップにおいて、光に対して実質的に透過性で
   あり且つ不規則表面を持った前記チャンバの第二部分に
   よって前記光を拡散させることを特徴とする方法。 １３、特許請求の範囲第１２項において、前記チャンバ
   の第二部分を介して前記光を前記光出力手段へ通過させ
   ることを特徴とする方法。 １４、特許請求の範囲第１３項において、前記光路を修
   正するステップにおいて、前記光出力端に対して前記光
   入力端を不整合状態とさせることを特徴とする方法。 １５、特許請求の範囲第１４項において、前記光路を修
   正するステップにおいて、前記光入力端と前記光出力端
   とを具備するオプチカルファイバ束を不整合状態とさせ
   ることを特徴とする方法。 １６、水と油とガスの内の少なくとも一つを有する流体
   の組成を分析する装置において、 （ａ）前記流体へ向けて少なくとも近赤外線を射出し第
   一スペクトルを有する光源、 （ｂ）前記流体内へ伝送される近赤外線のスペクトルを
   検知するスペクトル検知手段、 （ｃ）分析することが予定される水と油とガスの内の少
   なくとも二つの近赤外線吸収スペクトル情報を格納する
   データベース手段、 （ｄ）前記光源のスペクトルと前記検知したスペクトル
   と前記少なくとも近赤外線吸収スペクトル情報を得それ
   から前記流体の組成を実質的に決定するための処理手段
   、 を有することを特徴とする装置。 １７、地層から得られた流体であって水と油とガスの内
   の少なくとも一つを有する流体の組成を分析する穿孔装
   置において、 （ａ）テスト領域、 （ｂ）地層から得られた流体のサンプルを前記テスト領
   域内へ指向させる手段、 （ｃ）前記流体へ向けて光束を射出し決定可能なスペク
   トルを有する光源手段、 （ｄ）前記流体内へ伝送される射出された光束のスペク
   トルを検知するスペクトル検知手段、尚前記テスト領域
   と、指向手段と、光源手段と、スペクトル検知手段は、
   前記射出された光束のスペクトルが地層中のダウンホー
   ルにおいて検知されるように地層中のダウンホールにお
   いて動作する穿孔ツールを構成しており、 （ｅ）分析することが予定されている水と油とガスの内
   の少なくとも二つのスペクトル情報を格納するデータベ
   ース手段、 （ｆ）前記光源手段のスペクトルと前記検知したスペク
   トルと前記スペクトル情報とを得それから前記流体の組
   成を実質的に決定する処理手段、を有することを特徴と
   する装置。 １８、地層から得られた流体の組成を穿孔装置において
   分析する方法において、 （ａ）少なくとも近赤外線波長を有するスペクトルを持
   った光束を光源から前記流体へ向けて指向させ、 （ｂ）前記流体によって後方散乱されるか又は前記流体
   を介して伝送されるものの少なくとも一方の光のスペク
   トルを検知し、その検知したスペクトルは前記近赤外線
   波長を有しており、尚前記指向及び検知ステップは地層
   中のダウンホール内にある穿孔装置によって行なわれ、 （ｃ）前記光源のスペクトルを得、 （ｄ）前記得られたスペクトル及び前記検知されたスペ
   クトルから、及び水と複数個の油とガスの内の少なくと
   も二つの複数個の所定の近赤外線スペクトルから前記流
   体の組成を実質的に決定する、 上記各ステップを有することを特徴とする方法。