MX2015003321A - Espectrometro de elemento computacional integrado de heterodino espacial (sh-ice). - Google Patents

Abstract

Un espectrómetro heterodino espacial puede emplear un elemento computacional integrado (ICE) para obtener una medición de una o más propiedades de fluidos sin requerir partes movibles, lo que lo hace particularmente adecuado para utilizarse en un entorno del interior de pozos. Una modalidad ilustrativa del método incluye: dirigir luz desde una fuente de luz para iluminar una muestra; transformar la luz desde la muestra en patrones de franjas espaciales utilizando un interferómetro dispersor de doble-haz; ajustar un peso espectral de los patrones de franjas espaciales utilizando un elemento computacional integrado (ICE); enfocar los patrones de franjas espaciales con peso espectral ajustado en intensidades de franjas combinadas; detectar las intensidades de franjas combinadas; y derivar por lo menos una propiedad de la muestra.

Description

ESPECTRÓMETRO DE ELEMENTO COMPUTACIONAL INTEGRADO DE HETERODINO ESPACIAL (SH-ICE) CAMPO DE LA INVENCIÓN La presente invención se refiere a herramientas y métodos para obtener mediciones de una o más propiedades de fluidos en el interior de pozos, más específicamente, a un espectrómetro heterodino espacial que emplea un elemento computacional integrado (ICE) para obtener mediciones de una o más propiedades de fluidos en el interior del pozo.

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN Los operadores en el campo del petróleo moderno requieren de acceso a una gran cantidad de información acerca de los parámetros y condiciones encontrados en el interior del pozo. Tal información generalmente incluye características de las formaciones terrestres atravesadas por el pozo y datos relacionados con el tamaño y configuración del propio pozo. La recolección de información que se relaciona con las condiciones en el interior del pozo, la cual se denominada comúnmente "registro", se puede llevar a cabo por medio de varios métodos entre los que se incluyen registro por línea de alambre, registro durante la perforación (LWD, Logging While Drilling), y registro transmitido por tubería.

En el registro por linea de alambre, se hace bajar una "sonda" en el pozo después de que parte o todo el pozo se ha perforado. La sonda cuelga en el extremo de un cable largo o una "línea de alambre" que proporciona a la sonda un soporte mecánico y también proporciona una conexión eléctrica entre la sonda y un equipo eléctrico ubicado en la superficie del pozo. De acuerdo con téenicas de registro existentes, se miden diferentes parámetros de las formaciones terrestres y se correlacionan con la posición de la sonda en el pozo conforme la sonda es jalada hacia afuera del pozo.

En el LWD, el ensamble de perforación incluye instrumentos de detección que miden diferentes parámetros conforme la formación se está penetrando, habilitando de esta manera mediciones de la formación mientras es menos afectada por la invasión de fluido. Aunque que las mediciones de LWD son deseables, las operaciones de perforación crean un entorno que generalmente es hostil para la instrumentación electrónica, telemetría, y operaciones de sensores.

El registro transmitido por la tubería, como el registro por línea de alambre, se lleva a cabo en un pozo existente. A diferencia del registro por línea de alambre, el registro transmitido por tubería habilita una herramienta de registro para viajar mientras que una herramienta suspendida en línea de alambre no puede, p.ej., en un pozo horizontal o ascendente. Las herramientas de registro transmitido por tubería generalmente sufren de bandas anchas con comunicaciones restringidas, lo que quiere decir que los datos adquiridos se almacenan generalmente en una memoria y se descargan desde la herramienta cuando la herramienta regresa a la superficie.

En estos y otros entornos de registro, los parámetros medidos se graban generalmente en forma de registros, i.e., una gráfica bidimensional que muestra el parámetro medido como una función de la posición o profundidad de la herramienta. Además de hacer mediciones de parámetros como una función de profundidad, algunas herramientas de registro también proporcionan mediciones de parámetros como una función de acimut. Tales mediciones de herramientas se han presentado frecuentemente como imágenes bidimensionales de la pared del pozo, con una dimensión que representa la posición o profundidad de la herramienta, la otra dimensión representa la orientación acimutal, y la intensidad de pixeles o color representa el valor del parámetro.

Una vez que se ha perforado el pozo, frecuentemente los operadores desean llevar a cabo pruebas de formación del interior del pozo antes de finalizar una estrategia de terminación y producción. Las herramientas de muestreo de fluido permiten a los operadores capturar muestras de fluido (i.e., gas o líquido) directamente de la pared del pozo y medir niveles de contaminación, composiciones, y fases, generalmente basados en las propiedades (p.ej., propiedades ópticas, propiedades eléctricas, densidad, resonancia magnética nuclear (NMR, Nuclear Magnetic Resonance), y propiedades de presión, volumen, y temperatura (PVT, Pressure, Volume, Temperature)) de los materiales capturados en la cámara de muestras. Las herramientas existentes de análisis de fluidos del interior del pozo pueden tener una confiabilidad limitada debido a, p.ej., insuficiente instrumentación para llevar a cabo análisis in-situ, o contrariamente, que tienen demasiadas partes movibles.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN Diferentes sistemas y métodos para llevar a cabo análisis ópticos con un espectrómetro de elemento computacional integrado (ICE) de heterodino espacial (SH) combinado, o espectrómetro de SH-ICE. Luz de una fuente de luz se encuentra con un material a analizar, tal como una muestra de un fluido de formación, una muestra de un fluido de pozo, una muestra de núcleo, o una porción de la pared del pozo. El encuentro puede tomar diferentes formas, entre las que se incluyen transmisión (atenuación) a través de la muestra, reflejo desde la muestra, reflexión total atenuada (onda evanescente), dispersión desde la muestra, y excitación de fluorescencia. En todo caso, las características espectrales del material están impresas en el haz de luz y se pueden analizar fácilmente con el espectrómetro para obtener una medición de características de la sustancia tales como concentraciones de los componentes seleccionados. Se cree que el espectrómetro divulgado es capaz de realizar mediciones de calidad de laboratorio en un amplio rango de contextos entre los que se incluye un entorno hostil del interior del pozo.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS Por consiguiente, en los dibujos y descripción detallada hay divulgadas modalidades específicas de métodos, sistemas, y herramientas del interior del pozo que emplean espectrómetros de elemento computacional integrado de heterodino espacial (SH-ICE, Spatial Heterodyne Integrated Computational Element). En los dibujos: La Figura 1 muestra un entorno para el registro durante la perforación (LWD) ilustrativo.

La Figura 2 muestra un entorno para el registro por línea de alambre ilustrativo.

La Figura 3 muestra un entorno para el registro transmitido por tubería ilustrativo.

La Figura 4 muestra una herramienta de muestreo de fluidos de formación ilustrativa.

Las Figuras 5A-5C muestra modalidades de un analizador de fluidos con base en un espectrómetro de SH-ICE ilustrativas.

Las Figuras 6A-6D ilustran una relación longitud de onda-a-franja espacial La Figura 6E muestra una intensidad de franjas espaciales combinadas ilustrativa.

La Figura 6F muestra una imagen de franjas espaciales ilustrativa.

La Figura 7A muestra un elemento computacional integrado (ICE) multiplex.

La Figura 7B muestra un ICE espacialmente dependiente ilustrativo.

La Figura 7C muestra un ICE multiplex espacialmente dependiente ilustrativo.

La Figura 8 es un diagrama de flujo de un método de análisis de fluidos del interior del pozo ilustrativo.

Debe entenderse, sin embargo, que las modalidades especificas dadas en los dibujos y la descripción detallada no limitan la divulgación. Al contrario, proporcionan el fundamento para que un experimentado en la materia discierna las formas alternativas, equivalencias, y las modificaciones que se abarcan en el alcance de las reivindicaciones adjuntas.

DESCRIPCION DETALLADA DE LA INVENCION Contexto Los sistemas y métodos divulgados se entienden mejor en el contexto de los sistemas más grandes en los cuales se puede emplear. La Figura 1 muestra un entorno de registro durante la perforación (LWD) ilustrativo. Una plataforma de perforación 2 da soporte a una torre de perforación 4 que tiene un bloque que viaja 6 para elevar y bajar una cadena de perforación 8. Un vástago de perforación 10 da soporte a la cadena de perforación 8 conforme ésta se hace bajar mediante una mesa rotatoria 12. Se impulsa una broca de perforación 14 mediante un motor en el interior del pozo y/o rotación de la cadena de perforación 8. Conforme gira la broca 14, ésta crea un pozo 16 que pasa a través de diferentes formaciones 18. Una bomba 20 hace circular fluidos de perforación a través de un tubo de alimentación 22 hacia el vástago de perforación 10, al interior del pozo a través del interior de la cadena de perforación 8, a través de orificios en la broca de perforación 14, de regreso a la superficie por medio del anillo de alrededor de la cadena de perforación 8, y hacia un foso de retención 24. El fluido de perforación transporta cortes desde el pozo 16 al foso 24 y ayuda a mantener la integridad del pozo.

Una herramienta de LWD 26 está integrada con el ensamble del fondo del pozo cerca de la broca 14. Conforme la broca extiende el pozo 16 a través de las formaciones 18, la herramienta de registro 26 recolecta mediciones relacionadas con diferentes propiedades de la formación asi como la orientación de la herramienta y otras condiciones diferentes de la perforación. La herramienta de registro 26 puede tomar la forma de un collar de perforación, i.e., una tubería con paredes gruesas que proporciona peso y rigidez para ayudar en el proceso de perforación. Como se explica más adelante, el ensamble de herramientas 26 incluye una herramienta de análisis de fluidos óptico que monitorea las propiedades de fluidos del pozo. Un sumergible de telemetría 28 se puede incluir para transferir datos de medición a un receptor en la superficie 30 y para recibir órdenes desde la superficie. En algunas modalidades, el sumergible de telemetría 28 no está comunicado con la superficie, sino que almacena los datos de registro para recuperarlos después en la superficie cuando se rescata el ensamble de registro.

En diferentes ocasiones durante el proceso de perforación, la cadena de perforación 8 se puede retirar del pozo como se muestra en la Figura 2. Una vez que se ha retirado la cadena de perforación, las operaciones de registro se pueden conducir utilizando una herramienta de registro por linea de alambre 34, i.e., una sonda del instrumento detector suspendida de un cable 42 que tiene conductores para transportar energía a la herramienta y telemetría de la herramienta a la superficie. Una herramienta de registro por línea de alambre 34 puede tener almohadillas y/o resortes centralizados para mantener la herramienta cerca del eje del pozo conforme la herramienta 34 es jalada hacia afuera del pozo. Como se explica a detalle más adelante, la herramienta 34 puede incluir un recolector de muestras de fluidos de formación que extiende una probeta contra una pared del pozo para colectar fluidos en una cámara de análisis de muestra. Una instalación de registro en la superficie 44 recolecta mediciones desde la herramienta de registro 34, e incluye un sistema de cómputo 45 para procesar y almacenar las mediciones reunidas por la herramienta de registro.

Una téenica de registro alternativa es la de registro con tubería flexible. La Figura 3 muestra un sistema de registro transmitido por tubería flexible ilustrativo en el que la tubería flexible 54 se jala desde un carrete 52 por un inyector de tubería 56 y se inyecta en un pozo mediante un obturador 58 y un preventor de estallido 60 en el pozo 62. (También es posible llevar a cabo una perforación de esta manera al impulsar una barrena de perforación con un motor en el interior del pozo) . En el pozo, un sumergible de supervisión 64 y una o más herramientas de registro 65 están acoplados a la tubería flexible 54 y configurados opcionalmente para comunicarse a un sistema de cómputo en la superficie 66 a través de conductos de información u otros canales de telemetría. Una interfaz hacia afuera del pozo 67 se puede proporcionar para intercambiar comunicaciones con el sumergible de supervisión y recibir datos para transmitirse al sistema de cómputo en la superficie 66.

El sistema de cómputo en la superficie 66 está configurado para comunicarse con el sumergible de supervisión 64 durante el proceso de registro o alternativamente configurado para descargar datos desde el sumergible de supervisión después de recuperar el ensamble de herramientas. El sistema de cómputo en la superficie 66 está configurado preferiblemente con un software (mostrado en la Figura 3 en la forma de un medio de almacenamiento de información removible 72) para procesar las mediciones de la herramienta de registro (incluyendo las mediciones de componentes de fluidos descritas a detalle más adelante). El sistema 66 incluye un dispositivo de visualización 68 y un dispositivo de entrada para usuario 70 para habilitar que un operador humando interactúe con el software de sistema 72.

En cada uno de los entornos de registro anteriores, los ensambles de herramientas de registro incluyen preferiblemente un paquete sensor de navegación que incluye sensores direccionales para determinar el ángulo de inclinación, el ángulo horizontal, y el ángulo de rotación (también conocidos como "ángulo lateral de la herramienta") del ensamble en el fondo del pozo. Como se define comúnmente en la materia, el ángulo de inclinación es la desviación de hacia abajo verticalmente, el ángulo horizontal es el ángulo en un plano horizontal del norte geográfico, y el ángulo lateral de la herramienta es el ángulo (rotacional alrededor del eje de la herramienta) de orientación del lado elevado del pozo. De acuerdo con téenicas conocidas, las mediciones direccionales del pozo se pueden hacer como a continuación: un acelerómetro de tres ejes mide el vector del campo gravitacional de la tierra con relación al eje de la herramienta y un punto en la circunferencia de la herramienta llamado "linea de trazo lateral de la herramienta". (La linea de trazo lateral de la herramienta generalmente está dibujada en la superficie de la herramienta como una linea paralela al eje de la herramienta). A partir de esta medición, se puede determinar la inclinación y el ángulo lateral de la herramienta del ensamble de registro. Adicionalmente, un magnetómetro de tres ejes mide el vector del campo magnético de la tierra de una manera similar. A partir de los datos del magnetómetro y acelerómetro combinados, se puede determinar el ángulo horizontal del ensamble de registro.

La Figura 4 muestra una herramienta de muestreo de fluidos de formación ilustrativa 80. La herramienta 80 puede ser un collar de perforación, una junta de tubería flexible, o un tubular de perforación, pero lo más comúnmente se espera que sea parte de una sonda de línea de alambre. La herramienta 80 extiende una probeta 82 y un pie 84 para entrar en contacto con la pared del pozo 17, al generalmente impulsarlos hacia afuera desde el cuerpo de la herramienta utilizando presión hidráulica. La probeta 82 y el pie 84 cooperan para asentar la probeta 82 firmemente contra la pared del pozo 17 y establecer un sello que evita que los fluidos del pozo sean captados en el pozo 80. Para mejorar el sello, el lado de la probeta 82 que está en contacto con la pared incluye un material elastómero 85 que se conforma a la pared del pozo 17. Una bomba 86 hace descender la presión, provocando que fluido fluya desde la formación a través de un canal de probeta 88, una cámara de muestreo 90 en el analizador de fluidos 92, y una cámara de recolección de muestras 94. La bomba 86 expulsa fluido hacia el pozo 16 a través de un puerto 96 y continúa bombeando hasta que se completa un proceso de muestreo. Generalmente, el proceso de muestro continúa hasta que la herramienta 80 determina que la cámara de recolección de muestras 94 está llena y ningún contaminante se ha expulsado. Después de esto la cámara de recolección de muestras 94 se sella y la probeta 82 y el pie 84 se retraen. Si se desea, la herramienta 80 puede repetir el proceso en diferentes posiciones dentro del pozo 16. La cámara de recolección de muestras 94 puede ser una entre muchas de tales cámaras de recolección de muestras en un mecanismo de cassette 98, habilitando la herramienta 80 para que ésta regrese muchas muestras de fluido a la superficie.

Espectrómetro de Elemento Computacional Integrado de Heterodino Espacial Las Figuras 5A-5C muestran modalidades ilustrativas de un analizador de fluidos basado en el espectrómetro de SH-ICE. En la Figura 5A, una fuente de luz 502 irradia luz a través de una ventana de entrada 504 hacia una muestra (mostrada aquí como corriente de flujo de fluido 506). La fuente de luz 502 puede ser una de banda ancha o una de banda estrecha. Para los propósitos de esta divulgación, el término "banda ancha" se utiliza para distinguirse de fuentes de banda estrecha que proporcionan solo picos aislados en sus espectros. Las fuentes de banda ancha contempladas para utilizarse en el interior del pozo tienen espectros continuos en el rango de 200-400 nm (para absorción de UV y espectroscopia de fluorescencia), 1500-2300 nm (para espectroscopia de propósitos especiales, p.ej., determinación de la relación gas a petróleo (GOR, Gas to Oil Ratio)), y 400.6000 nm (para espectroscopia de infrarrojo visible (VIS IR, Visible Infrared) de propósitos generales). Estos ejemplos solo son ilustrativos y no limitativos. Una fuente fácilmente disponible adecuada para estos propósitos es una fuente incandescente de tungsteno-halógeno con una envoltura de cuarzo, que genera luz por el rango de 300-3000 nm. Lámparas de arco, fuentes fluorescentes de banda ancha, fuentes de luz cuántica de banda ancha, o una combinación de un número de fuentes de luz de banda relativamente estrecha (tal como diodos emisores de luz (LED, Light-Emitting Diode)) pueden ser fuentes de luces adecuadas. Entre las fuentes de luz de banda estrecha se encuentran láseres y LED de longitud de onda sencilla. Tales fuentes de luz de banda estrecha se pueden utilizar para espectroscopia de excitación de longitud de onda sencilla (p.ej., Raman y Fluorescencia).

La muestra ilustrada es una transmisión de flujo de fluidos 506 entre la ventana de entrada 504 y una ventana de salida 508. Las ventanas 504 y 508 están hechas de un material transparente (p.ej., cuarzo, diamante, zafiro, seleniuro de zinc) de tal manera que el efecto principal en el espectro de la luz sea producido por atenuación conforme pasa la luz a través de la corriente de flujo de fluidos 506 (i.e., espectroscopia de transmisión). Otras configuraciones del espectrómetro pueden causar que la luz interactúe con la muestra (la cual, en algunas configuraciones de la herramienta, puede ser una superficie de un sólido) por reflejo, reflejo difuso, reflexión total atenuada, dispersión, o fluorescencia. Contrariamente, algunas modalidades del espectrómetro causan que la luz pase múltiples veces a través de la muestra para incrementar la atenuación inducida por transmisión.

La luz de la cámara de muestras puede capturarse por un elemento de colimación tal como un espejo o una lente 510. Entre las modalidades del espectrómetro que emplean una fuente de banda estrecha generalmente se incluyen un filtro supresor 511 para bloquear la frecuencia central emitida por la fuente de luz 502 para prevenir que la intensidad en esta longitud de onda abrume las mediciones en frecuencias cercanas. El filtro supresor 511 puede estar posicionado en cualquier lugar en el trayecto óptico después de la muestra (p.ej., corriente de flujo de fluido 506).

Una o más aperturas 512 pueden estar posicionadas en diferentes puntos a lo largo del trayecto óptico para definir la luz en un haz y limitar los efectos de la periferia del haz. Un Ínte ferómetro dispersor de doble-haz 514 emplea un separador de haz 516 para separar el haz de luz entrante en dos haces que viajan a lo largo de un primer y segundo trayectos ópticos antes de ser recombinados por el separador de haces 516 en un haz saliente. (Se prefiere un separador de 50/50, pero no se requiere).

La luz que viaja lo largo del primer trayecto interactúa con una retícula de difracción 518 u otro elemento dispersor que refleja la luz en un ángulo que depende de su longitud de onda. En otras palabras, el haz que regresa al separador tiene los componentes espectrales propagándose con los ángulos de los frentes de onda dependientes de longitud de onda. Similarmente, la luz que viaja a lo largo del segundo trayecto interactúa con una segunda retícula de difracción 520 u otro elemento dispersor que produce un retorno de haz con componentes espectrales que se propagan con los ángulos de los frentes de onda dependientes de longitud de onda. Los elementos dispersores 518, 520 están posicionados para proporcionar los ángulos del frente de onda opuestos. Conforme el haz saliente llega a un detector 530, la diferencia en ángulos de propagación produce un conjunto de franjas de interferencia. Como se explica más adelante haciendo referencia a las Figuras 6A-6B (tomadas de la patente de EU 5,059,027, "Espectrómetro Heterodino Espacial y Método" (Spatial Heterodyne Spectro eter and Method), las franjas varían con base en el ángulo del frente de onda.

Para una longitud de onda l0, los ángulos de frente de onda en ambos haces están alineados, sin producir franjas como se indica en la Figura 6A. La gráfica 602 muestra gue la intensidad como una función de posición en un detector (p.ej., detector 530 en la Figura 5A) es constante en esta longitud de onda. Conforme incrementa la longitud de onda, los ángulos del frente de onda de los dos haces se vuelven incrementalmente diferentes. La Figura 6B muestra los frentes de onda en un ángulo que produce una franja en el detector (la variación de intensidad en la gráfica 604 resulta cuando la diferencia de trayecto entre los frentes de onda varía de -l/2 en un borde del detector a +L/2 en el otro borde). La Figura 6C muestra los frentes de onda en un ángulo que produce dos franjas en el detector (la variación de intensidad en la gráfica 606 resulta cuando la diferencia de fase entre los frentes de onda varia de -l a +l). Como se indica en la Figura 6D, cada incremento de la longitud de onda por un valor de dl añade una franja que atraviesa el ancho del detector. (La gráfica 608 muestra n franjas que cruzan el ancho del detector).

Las Figuras 6A-6D ilustran ejemplos de lo que ocurre cuando hay presente una sola longitud de onda. Cuando hay presentes múltiples longitudes de onda, la relación intensidad vs posición se vuelve más compleja, como se indica por la gráfica 610 en la Figura 6E. No obstante, una transformada de Fourier espacial puede separar las contribuciones de las longitudes de onda individuales. La imagen verdadera proyectada por el haz saliente en el detector es bidimensional. La Figura 6F (extraída de una figura en N. Gromer et al., "Espectroscopia de Raman utilizando un Espectrómetro Heterodino Espacial: Prueba de Concepto" (Raman Spectroscopy Using a Spatial Heterodyne Spectrometer: Proof of Concept), Solicitud Espectroscopia v65, n8, 2011) muestra una imagen bidireccional ilustrativa 612. A lo largo del ancho del detector (i.e., en la dimensión-x), la imagen demuestra una dependencia de franjas compleja, mientras que a lo largo de la altura del detector (i.e., en la dimensión-y) la intensidad es relativamente constante. La relación señal a ruido se puede mejorar al sumar o promediar las columnas de la imagen antes de analizar la estructura de franjas.

Haciendo referencia otra vez a la Figura 5A, la discusión anterior desatiende a presencia del elemento 522, el cual como se explica con mayor detalle más adelante, es un elemento computacional integrado (ICE, Integrated Computational Element) que modifica la imagen del haz saliente antes de que golpee el detector 530. El ICE 522 se incluye para explotar la observación de que, además de la variación de intensidad espacial, la imagen también contiene una variación de intensidad dependiente de la longitud de onda (color), habilitando hacer más procesamientos en la imagen antes de ser capturada por el detector 530.

El ICE 522 opera para pesar los diferentes componentes espectrales del haz de luz saliente por cantidades correspondientes, siendo la plantilla de paso elegida con base en las propiedades de fluidos que se están midiendo. Muchas implementaciones de ICE son conocidas y potencialmente adecuadas, incluyendo un sustrato transparente que transporta una pila de múltiples capas de materiales que tienen índices refractantes contrastantes, p.ej., silicio y sílice, niobio y óxido de niobio, germanio y óxido de germanio, MgF y SiO. Entre los sustratos adecuados se pueden incluir vidrio óptico BK-7, cuarzo, zafiro, silicio, germanio, seleniuro de zinc, sulfuro de zinc, diferentes polímeros (p.ej., policarbonatos, metacrilato de polimetilo, cloruro de polivinilo), diamante, cerámicas, y similares. Una capa transparente protectora con índices refractivos contrastantes además puede proporcionarse sobre las capas. Los pesos relativos de diferentes longitudes de onda se logran mediante una selección juiciosa del número, acomodo, y espesor de las capas para proporcionar diferentes grados de interferencia óptica en longitudes de onda seleccionadas transmitidas (o reflejadas). Otras implementaciones de ICE logran pesos dependientes de la longitud de onda al variar adecuadamente su transmisividad, reflexividad, absorbencia, dispersividad, y/o propiedades de dispersión. Tales implementaciones pueden emplear materiales diseñados, elementos ópticos holográficos, rejillas, elementos acústico-ópticos, elementos magneto-ópticos, elementos electro-ópticos, tubos de luz, y procesadores de luz digitales (DLP, Digital Light Processor) u otros tipos de dispositivos de manipulación de luz con base mecánica micro-electrónica (MEM, Micro-Electronic Mechanical).

La Figura 7A muestra un ICE 702 ilustrativo de la variedad de indice contrastante-refractivo de múltiple capa. El ICE ilustrado 702 es un dispositivo complejo que tiene diferentes estructuras de múltiple capa sobre diferentes regiones de imagen 704, pero también se contempla que hay solo una sola región 704 sobre el total de la superficie del sustrato. Las regiones 704 son continuas a través del ancho del dispositivo. En lo sucesivo este tipo de región se describe como "orientada en filas". No hay dependencias espaciales horizontales para el ICE, lo que quiere decir que, cuando se emplea como el ICE 522 en la Figura 5A, cada una de las franjas de imagen se procesa con base en solamente sus longitudes de onda. No obstante, la fidelidad de la medición de franjas se incrementa por la supresión de intensidades de longitud de onda irrelevantes (y por lo tanto las franjas espaciales son irrelevantes para la medición de propiedades del fluido). Nótese que esta modalidad del ICE puede estar posicionado casi en cualquier lugar en el trayecto óptico.

El uso de diferentes estructuras de ICE que corresponden a regiones orientadas en fila habilita que las diferentes plantillas de ICE sean aplicadas simultáneamente. Conforme incrementa el número de regiones, sin embargo, el tamaño de cada región disminuye correspondientemente, reduciendo la intensidad de luz total asociada con cada medición. En algunas modalidades, esta pérdida se puede compensar prolongando el tiempo de medición.

Cuando se captura la imagen con un detector 530 (Figura 5A) tal como un dispositivo acoplado de carga intensificada (ICCD, Intensified Charge Coupled Device) ésta se digitaliza y adecúa para un procesamiento de señal digital. (Otros detectores de captura de imagen también pueden ser adecuados). Como se mencionó anteriormente, el procesamiento puede incluir combinar mediciones de diferentes filas (aunque, diferentes regiones dentro de la misma región 704) para incrementar la relación señal a ruido, y además puede incluir una transformada de Fourier espacial para derivar el contenido espectral del haz saliente filtrado por el ICE. Tal procesamiento se puede realizar utilizando un procesador de propósito general programado con un software o un firmware, o un circuito integrado de aplicación especifica. El procesamiento por transformada de Fourier del patrón espacial pesado o no pesado permite que un sistema que utiliza un SH-ICE reúna datos espectrales in-situ para una calibración o recalibración.

En la mayoría de los casos, sin embargo, se espera que la transformada de Fourier no sea requerida, pero que la información en cada fila se pueda combinar (promediar o sumar) para obtener un solo valor representativo de la medición específica del ICE (p.ej., una concentración de analitos). Tal medición se puede llevar a cabo utilizando software o hardware (p.ej., un detector apropiadamente alambrado) o, como se indica en la Figura 5B, un espejo o lente 524 que enfoque la información de cada fila en puntos asociados a la fila, produciendo una línea unidimensional. Se puede proporcionar un arreglo de fotodetectores 540 a lo largo de la línea para habilitar que cada fotodetector 540 adquiera una medición asociada a la fila. Debido a que el arreglo de imágenes ahora solo es unidimensional, se puede simplificar más a, p.ej., un solo fotodetector 540 y un espejo de escaneo. El fotodetector 540 puede tomar la forma de una fotodiodo, un detector térmico (que incluye termopilas y detectores piroeléctricos), una celda de Golay, un elemento fotoconductivo. Se puede utilizar enfriamiento para mejorar la relación señal-a-ruido del fotodetector 540.

Ya sea que la recombinación de información de franjas espaciales se realiza ópticamente (Figura 5B) o electrónicamente (Figura 5A, después de la captura de la imagen con el detector 530), la relación señal-a-ruido se puede mejorar al combinar las mediciones asociadas con todas las filas en una región dada 704.

En las Figuras 5A y 5B, el ICE 522 opera en la luz transmitida. Los sistemas se pueden modificar fácilmente para emplear la luz reflejada, como se indica en la Figura 5C. El ICE 526 tiene una reflectividad dependiente de la longitud de onda para proporcionar el peso espectral deseado en las franjas que llegan al detector 530. Todavía otras modalidades del sistema miden la luz transmitida y reflejada para lograr un rendimiento aún más alto. Sin embargo, un rendimiento similar se logra con un ICE multiplex 702 que tiene regiones 704 con plantillas complementarias del ICE, o al emplear por lo menos una región de "referencia" que está pesada en un valor constante (p.ej., densidad neutral) o dejada como una región sin pesar (limpia).

La Figura 7B muestra un ICE 712 alternativo que emplea una dependencia espacial para proporcionar el peso espectral deseado. Emplea regiones que cruzan continuamente por la altura del dispositivo, i.e., a lo largo del eje-y. En lo sucesivo, este tipo de región está descrito como "orientado en columnas". Debido a que la dependencia espacial corresponde a franjas seleccionadas, la selectividad de la longitud de onda de las regiones se puede relajar. De hecho, algunas modalidades contempladas emplean una máscara que atenúa igualmente todas las longitudes de onda en esa región del haz. Sin embargo, se cree que la mejor eficiencia será lograda cuando por lo menos parte de la selectividad de la longitud de onda sea combinada con por lo menos parte de la dependencia espacial, y el grado más alto de rendimiento se debería lograr cuando la geometría y la selectividad de longitud de onda sean ajustadas cuidadosamente en la medición deseada.

La Figura 7C muestra un ICE multiplex 722 ilustrativo en el cual cada región orientada en filas 724 emplea una estructura de ICE espacialmente dependiente. Como antes, el uso de multiplaje habilita mediciones múltiples simultáneas, aunque hace esto al reducir correspondientemente la intensidad de luz disponible para cada medición.

Una alternativa para un ICE multiplex es el uso de múltiples ICE que pueden estar posicionados secuencialmente en el trayecto de la luz, p.ej., con el uso de una rueda de filtro giratoria. Como todavía otra alternativa, el ICE pude cambiarse dinámicamente, p.ej., con un ICE acústico-óptico programable (para dependencia espacial cambiable). Los ICE cambiables dinámicamente pueden utilizar pixeles controlables individualmente de un filtro ajustable de cristal líquido o un filtro ajustable acústico-óptico. Entre otros ICE programables se incluyen pero sin limitación la DPL u otros tipos de dispositivos basados en MEMS.

La Figura 8 es un diagrama de flujo de un método de análisis de fluidos del interior del pozo ilustrativo. Incluye operaciones representadas por bloques mostrados y descritos en orden secuencial pero esta secuencia solo es para propósitos explicativos. En práctica, las operaciones pueden llevase a cabo concurrentemente, si son secuenciales, se pueden llevar a cabo en un orden diferente o asincrónicamente.

En el bloque 802, el perforador posiciona la herramienta de análisis de fluidos en el interior del pozo, p.ej., en una sonda por línea de alambre o un collar de LWD. En el bloque 804, se capta fluido (p.ej., de la formación) hacia la celda de muestras. En el bloque 806, la fuente de luz se energiza y calibra. En algunas modalidades, la calibración se lleva a cabo al medir la luz recibida de la fuente a través de un trayecto que sobrepasa la muestra de fluido. Se puede derivar una corrección de medición a partir de esta medición. Además, o alternativamente, una señal de retroalimentación se puede derivar a partir de la medición con base en la salida de la fuente de luz y utilizar para ajustar la intensidad de luz aplicada a la muestra del fluido.

En el bloque 808, la herramienta ilumina la muestra del fluido con luz de la fuente y analiza la luz transmitida, reflejada o dispersa utilizando un espectrómetro de SH-ICE. Como se discute anteriormente, el espectrómetro obtiene mediciones indicativas de las propiedades del fluido tales como concentraciones de analitos. En el bloque 810, estas mediciones son procesadas, ya sea por la propia herramienta o en una instalación en la superficie, para derivar las propiedades del fluido. Entre las propiedades ilustrativas se incluye cantidad y tipo de hidrocarburos (p.ej., fracciones de aromáticos, resinas, y asfaltinas saturados), cantidad y tipo de fase gaseosa (p.ej., CO2, ¾S, etc.), cantidad y tipo de fase liquida (p.ej., corte de agua), las propiedades de PVT (incluyendo punto de burbujeo, relación gas-a-petróleo, variación de densidad con temperatura), concentraciones de compuestos tales como concentración de fluidos de tratamiento, y cantidad de contaminación (p.ej., fluidos de perforación) en la muestra del fluido de formación.

En el bloque 812, la herramienta y/o la instalación en la superficie comunica y almacena la información derivada. Contemporáneamente, o más tarde, la información se muestra a un usuario, preferiblemente en forma de una registro. En el bloque 814, la operación de la herramienta se ajusta opcionalmente en respuesta a la medición, p.ej., al terminar una operación de bombeo cuando el nivel de contaminación cae por debajo de un umbral predeterminado.

Las modalidades del SH-ICE mostradas en las Figuras 5A, 5C emplean una serie de elementos ópticos discretos acomodados a lo largo de un trayecto óptico, el cual además puede incluir espejos, lentes, aperturas, interruptores, filtros, fuentes y detectores adicionales. Algunas modalidades contempladas emplean un componente de trayecto de luz integrado (monolítico). El componente integrado proporciona una sensibilidad reducida a los cambios de temperatura, cambios de presión, vibraciones, e impacto. Un bloque sólido de material transparente (p.ej., cuarzo, zafiro, seleniuro de zinc) se utiliza como el cuerpo del componente integrado. Retículas de espejos 518, 520, separador de haces 516, hechas también del mismo material, el ICE 522 (o ICE 526), y el elemento de enfoque 524, están fusionados o adheridos a este cuerpo sin espacios de aire para mantener la alineación y espacio de los componentes sobre un amplio rango de temperatura, presión, vibración, y condiciones de impacto.

Algunas modalidades de la herramienta, en lugar de ser analizadora de fluidos, ésta analiza un sólido que está visible a través de una ventana o abertura, tal como una muestra de núcleo o una porción de la pared del pozo adyacente a la herramienta. En tales modalidades, la herramienta sigue el movimiento de la herramienta con relación al sólido, asociando las mediciones con el tiempo y/o la posición para construir una imagen de la superficie de la muestra. diferentes téenicas para maximizar la calidad de las mediciones son conocidas por los experimentados en la materia en la industria del campo del petróleo y se pueden emplear. Por ejemplo, la herramienta puede estar equipada con un depósito de un fluido de referencia para la calibración en el interior del pozo del sistema y para la compensación por contaminación en las ventanas de la celda de flujo. Se puede utilizar enfriamiento del detector o compensación de temperatura para minimizar los efectos de la variación de la temperatura en los electrónicos.

Otras funciones diferentes se pueden incorporar en la herramienta. Por ejemplo, la luz dispersa se puede analizar para determinar la distribución del tamaño de las partículas arrastradas en un flujo de fluido. Una fuente de luz ultravioleta se puede incluir para inducir fluorescencia en el material, esta fluorescencia puede analizarse para ayudar a determinar la composición de la muestra.

Los diseños y métodos del espectrómetro divulgados en este documento se pueden utilizar en teenologías más allá del campo del petróleo entre los que se incluyen, por ejemplo, la industria alimenticia y farmacéutica, aplicaciones de procesamiento industrial, industrias de minería, o cualquier campo en donde sea conveniente rápidamente una determinación de las características espectralmente relacionadas de un material. Estas y otras variaciones, modificaciones y equivalencias serán evidentes para un experimentado en la materia luego de revisar esta divulgación. Se tiene el propósito de que las reivindicaciones siguientes sean interpretadas para aprovechar todas tales variaciones y modificaciones en donde sean aplicables.

Claims (28)

NOVEDAD DE LA INVENCIÓN Habiendo descrito la presente invención como antecede, se considera como una novedad y, por lo tanto, se reclama como propiedad lo contenido en las siguientes: REIVINDICACIONES

1. Una herramienta de análisis espectral que comprende: una fuente de luz que ilumina una muestra; un detector; un trayecto óptico que acopla con el detector la luz que ha interactuado con la muestra; un interferómetro dispersor de doble haz que transforma la luz que se propaga a lo largo del trayecto en patrones de franjas espaciales asociados con longitudes de onda correspondientes; y un elemento computacional integrado (ICE) que ajusta un peso espectral de la luz que se propaga a lo largo del trayecto óptico.

2. La herramienta de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizada porque el ICE tiene una atenuación programable dependiente de la longitud de onda

3. La herramienta de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizada porque el ICE emplea enmascaramiento espacialmente dependiente para ajustar el peso espectral con base en una dependencia espacial de los patrones de franjas espaciales.

4. La herramienta de acuerdo con la reivindicación 3, caracterizada porque el ICE tiene una dependencia espacial programable.

5. La herramienta de acuerdo con la reivindicación 3, caracterizada porque el ICE además emplea enmascaramiento dependiente de la longitud de onda.

6. La herramienta de acuerdo con la reivindicación 5, caracterizada porque la dependencia en la longitud de onda es programable.

7. La herramienta de acuerdo con la reivindicación 3, caracterizada porque el ICE es un dispositivo multiplex que emplea diferentes regiones de peso espectral orientadas en filas para proporcionar múltiples ajustes al peso espectral.

8. La herramienta de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizada porque el ICE emplea múltiples regiones diferentes de peso espectral orientadas en fila para proporcionar ajustes multiplex al peso espectral.

9. La herramienta de acuerdo con la reivindicación 1, además comprende un elemento de enfoque que recombina una o más filas de información de patrones de franjas espaciales en puntos asociados con filas.

10. La herramienta de acuerdo con la reivindicación 9, caracterizada porque el detector comprende un arreglo de detectores que capturan mediciones de intensidad combinada asociada con filas en los puntos asociados con filas.

11. La herramienta de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizada porque el detector adquiere una imagen bidimensional de patrones de franjas espaciales con peso espectral ajustado, y en donde la información de patrones de franjas espaciales orientados en filas se combina electrónicamente.

12. La herramienta de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizada porque el detector adquiere una imagen bidimensional de patrones de franjas espaciales con peso espectral ajustado, y en donde la información de patrones de franjas espaciales orientadas en filas se ajusta por la transformada de Fourier electrónicamente.

13. La herramienta de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizada porque la herramienta de análisis espectral está integrada en un paquete de instrumentos por linea de alambre en el interior del pozo o de registro durante la perforación.

14. La herramienta de acuerdo con la reivindicación 13, caracterizada porque dicha muestra incluye fluido capturado desde una formación.

15. La herramienta de acuerdo con la reivindicación 13, caracterizada porque la muestra incluye una porción de una pared del pozo.

16. La herramienta de acuerdo con la reivindicación 13, caracterizada porque la muestra incluye fluido desde un pozo.

17. Un método de análisis espectral que comprende: dirigir luz de una fuente de luz para iluminar una muestra; transformar luz de la muestra en patrones de franjas espaciales utilizando un inferíerómetro de doble haz; ajustar un peso espectral de los patrones de franjas espaciales utilizando un elemento de computación integrado (ICE); detectar intensidades de franjas combinadas derivadas de patrones de franjas espaciales con peso espectral ajustado; y derivar por lo menos una propiedad de la muestra.

18. El método de acuerdo con la reivindicación 17, caracterizado porque dicha detección incluye enfocar patrones de franjas espaciales de peso espectral ajustado en intensidades de franjas combinadas.

19. El método de acuerdo con la reivindicación 17, caracterizado porque dichas operaciones de dirección, transformación, ajuste, enfoque, y detección se llevan a cabo en una herramienta del interior del pozo.

20. El método de acuerdo con la reivindicación 19, además comprende modificar una operación de la herramienta en el interior del pozo con base en dicha propiedad.

21. El método de acuerdo con la reivindicación 17, caracterizado porque dicho ajuste incluye aplicar una máscara espacialmente dependiente a los patrones de franjas espaciales.

22. El método de acuerdo con la reivindicación 21, caracterizado porque la máscara espacialmente dependiente además aplica una atenuación dependiente de longitud de onda.

23. El método de acuerdo con la reivindicación 17, caracterizado porque dicho ajuste incluye aplicar diferentes máscaras en múltiples regiones orientadas en filas.

24. El método de acuerdo con la reivindicación 17, caracterizado porque dicha detección incluye: detectar patrones de franjas espaciales con peso espectral ajustado con un arreglo bidimensional de detectores; y combinar electrónicamente mediciones a lo largo de una dimensión de filas para obtener las intensidades de franjas combinadas.

25. El método de acuerdo con la reivindicación 24, además comprende aplicar una transformada de Fourier a los patrones de franjas espaciales con peso espectral ajustado detectados.

26. El método de acuerdo con la reivindicación 17, caracterizado porque la muestra del interior del pozo es un fluido capturado desde un puerto asentado contra una pared del pozo.

27. El método de acuerdo con la reivindicación 17, caracterizado porque la muestra es un fluido del pozo o una porción de una pared del pozo.

28. El método de acuerdo con la reivindicación 17, caracterizado porque la propiedad es por lo menos una de entre: un nivel de contaminación, una cantidad de por lo menos un tipo de fluido, y una concentración de por lo menos una sustancia.