NO20111105A1 - Nedihulls fiberoptisk spektrometer for transiente bølger - Google Patents

Description

BAKGRUNN FOR OPPFINNELSEN

1. Teknisk område

Foreliggende oppfinnelse vedrører generelt brønnhullsverktøy og spesielt anordninger og fremgangsmåter for å estimere egenskaper ved brønnhullsfluider.

2. Beskrivelse av beslektet teknikk

Olje- og gassbrønner er blitt boret til dybder i området fra noen få tusen fot til så dypt som åtte km. En stor andel av nåværende boreaktivitet innebærer retnings-boring som innbefatter boring av borehull som avviker fra vertikalretningen med fra noen få grader opp til horisontal retning for å øke hydrokarbonproduksjonen fra undergrunnsformasjoner.

Informasjon om undergrunnsformasjonene som gjennomtrenges av borehullet, kan fremskaffes ved hjelp av et antall teknikker. Noen teknikker som brukes til å fremskaffe informasjon om formasjonene, innbefatter å tilveiebringe én eller flere prøver av undergrunnsformasjonene og tilveiebringe én eller flere fluidprøver produsert fra undergrunnsformasjonene. Disse prøvetakningene blir her kollektivt referert til som formasjonsprøvetakning. Moderne fluidprøvetakning innbefatter forskjellige brønnhullstester og noen ganger blir fluidprøver hentet opp for laboratorietesting på overflaten. De høye kostnadene i forbindelse med olje- og gassutvinning gir imidlertid sterke grunner til forbedrede fremgangsmåter og anordninger for brønnhullstesting.

Det som trengs, er følgelig forbedrede fremgangsmåter og anordninger for brønnhullstesting av fluider. Fremgangsmåtene og anordningene forsyner fortrinnsvis brukere med muligheter til hurtig identifikasjon av bestanddeler i en fluidprøve.

OPPSUMMERING AV OPPFINNELSEN

En utførelsesform av oppfinnelsen innbefatter en anordning for estimering av en egenskap ved et fluid nede i hullet, hvor anordningen innbefatter: en optisk fiber som mottar lys utsendt fra en lyskilde og som innbefatter ett ubeskyttet parti innrettet for kontakt med fluidet; en fotodetektor for å motta optiske signaler fra partiet; og et spektrometer for å fremskaffe et svinnspektrum for fluidet fra partiet.

En annen utførelsesform av oppfinnelsen innbefatter en fremgangsmåte for å estimere en egenskap ved et fluid nede i et hull, hvor fremgangsmåten innbefatter: å velge et brønnhullsspektrometer som innbefatter en optisk fiber med minst ett ubeskyttet parti; i det minste delvis å bringe partiet i kontakt med brønnhullsfluidet; å motta lys utsendt fra en lyskilde gjennom den optiske fiberen; å estimere et svinnspektrum for fluidet fra det mottatte lyset og estimere egenskapen fra spekteret.

En ytterligere utførelsesform av oppfinnelsen innbefatter et system for karakterisering av et fluid i et brønnhullsmiljø, hvor systemet innbefatter: minst én lyskilde for innmating i en optisk fiber som har et ubeskyttet parti innrettet for kontakt med fluidet; en fotodetektor for å motta optiske signaler fra partiet; et spektrometer for å fremskaffe et svinnspektrum for fluidet fra partiet; og en elektronikkenhet innrettet for å motta svinnspekterinformasjon og karakterisere fluidet.

KORT BESKRIVELSE AV TEGNINGENE

For å få en detaljert forståelse av foreliggende oppfinnelse skal det vises til den følgende detaljerte beskrivelse av flere ikke-begrensende utførelsesformer tatt i forbindelse med de vedføyde tegningene, hvor like elementer er blitt gitt like henvisningstall, og hvor: Fig. 1 skisserer aspekter ved et kabelsystem for utførelse av logging i et

borehull;

fig. 2 skisserer aspekter ved et system for å utføre logging-under-boring;

fig. 3 skisserer aspekter ved et fiberoptisk spektrometer som er nyttig for

karakterisering av petroleum,

fig. 4 skisserer aspekter ved en annen utførelsesform av det fiberoptiske

spektrometeret som er nyttig for karakterisering av petroleum, og

fig. 5 er et flytskjema som gir et eksempel på en fremgangsmåte for karakterisering av ett eller flere fluider med brønnhullsspektrometeret.

BESKRIVELSE AV OPPFINNELSEN

Det blir her beskrevet fremgangsmåter og anordninger for minst én av å analysere et brønnhullsfluid, og å identifisere bestanddeler i fluidet ved innsamling av optiske absorpsjonsspektre for svinnbølger. De tilveiebrakte teknikkene gjør bruk av en optisk fiber dyppet ned i eller i det minste delvis omgitt av fluidet. Eksempler på optiske fibre innbefatter de som er laget av silisium, germanium og safir. Teknikkene er spesielt velegnet for midlere infrarød spektroskopi og kan brukes til å estimere ting slik som andel forurensning fra oljebasert slam såvel som konsentrasjoner av hydrogensulfid (H2S), karbokdioksid (C02) såvel som konsentrasjoner av metan, etan, propan og butan.

For sammenhengens skyld skal det nå betraktes et eksempel på en anordning for olje- og gassleting. Fig. 1 illustrerer skjematisk aspekter ved en kabelanordning som brukes ved olje- og gassleting. I det viste eksemplet krysser et brønnhull 110 eller et borehull 110 undergrunnsmaterialer som kan innbefatte flere undergrunnsformasjoner 102. Borehullet 110 kan være fylt eller i det minste delvis fylt med en fluidblanding som innbefatter forskjellige gasser, vann, borevæske og formasjonsfluider som stammer fra undergrunnsformasjonene som gjennomtrenges av borehullet 110. Slike fluidblandinger blir her referert til som "brønnhullsfluider" eller "borehullsfluider". Uttrykkene "fossilt fluid" og "naturlig fluid" slik de brukes her, refererer til fluider som forekommer naturlig i eller er ekstrahert fra undergrunnsformasjonene 102, og uten noen betydelig blanding eller forurensning med fluider som ikke er naturlig tilstede i formasjonen, slik som borevæske.

I dette ikke-begrensende eksemplet blir et formasjonsevalueringsverktøy 120 transportert i brønnhullet 110 ved bruk av en kabel 104. Kabelutsetting og opphent-ing kan utformes ved hjelp av en motordrevet vinsj båret av et servicekjøretøy 108, som et eksempel. Kabelen 104 kan være en armert kabel som inneholder data- og kraftledere for levering av kraft til formasjonsevalueringsverktøyet 120 og for å tilveiebringe toveis datakommunikasjon mellom en verktøyprosessor 112 og en styringsenhet 114 som kan være båret av servicekjøretøyet 108. Kabelen 104 er generelt båret fra en spole 116 over en skive 118 understøttet av et boretårn 122. Spolen 116 kan være båret av kjøretøyet 108 som vist for operasjoner på land, av en offshore-rigg for undervannsoperasjoner eller av en hvilken som helst egnet mobil eller stasjonær bærestruktur. Styringsenheten 114 kan innbefatte en prosessor slik som i en datamaskin eller en mikroprosessor, datalagringsanordninger slik som faststofflagre og periferianordninger slik som datainnmatingsanordninger og visningsanordninger og andre kretser for styring og behandling av data mottatt fra formasjonsevalueringsverktøyet 120. Styringsenheten 114 på overflaten kan videre innbefatte ett eller flere datamaskinprogrammer innbakt i et datamaskinlesbart medium som er tilgjengelig for prosessoren i styringsanordningen 114 for å utføre instruksjoner som befinner seg i datamaskinprogrammene, for å utføre de forskjellige fremgangsmåtene og funksjonene som er tilknyttet behandlingen av dataene fra formasjonsevalueringsverktøyet 120. Det kan også være nyttig ved produksjons-logging å identifisere fluidfaser som strømmer inn i brønnhullet og å identifisere hvilke faser (gass, vann, olje) som blir produsert fra en spesiell perforering i foringsrøret.

En nedre del av formasjonsevalueringsverktøyet 120 kan innbefatte en sammenstilling av flere verktøysegmenter som er sammenføyet ende-mot-ende ved hjelp av gjengede muffer eller innbyrdes kompresjonsskjøter 124. En sammenstilling av verktøysegmenter som er passende for foreliggende oppfinnelse, kan innbefatte en kraftenhet 126 som kan innbefatte én eller flere av en hydraulisk kraftenhet, en elektrisk kraftenhet eller en elektromekanisk kraftenhet. I det viste eksemplet er en formasjonsfluidekstraktor 128 koblet til formasjonsevalueringsverktøyet 120 under kraftenheten 126. En motor/pumpe-enhet 130 med stort fordrivningsvolum kan være anordnet under formasjonsfluidekstraktoren 128 for ledningsspyling. En lignende motor/pumpe-enhet 132 som har et mindre fordrivningsvolum, kan være innbefattet i verktøyet i en passende posisjon, slik som under pumpen med det store volumet for kvantitativ overvåkning av fluidet som mottas av formasjonsevalueringsverktøyet 120. Ett eller flere magasinseksjoner 134 for prøvebeholdere kan være innbefattet for å oppta fluidprøver fra pumpen 132 med det lille volumet. Hver magasinseksjon 134 kan ha flere fluidprøvebeholdere 136. I flere utførelsesformer som skal beskrives mer detaljert senere, innbefatter formasjonsevalueringsverktøyet 120 et brønnhulls-spektrometer 300. Brønnhullsspektrometeret 300 kan brukes i enten utførelses-formen med logging-under-boring eller i utførelsesformen med kabellogging.

Formasjonsfluidekstraktoren 128 innbefatter generelt en utstrekkbar sugesonde 138 som blir motvirket av boringsvegglabber 140. Både sugesonden 138 og de motstående labbene 140 kan være hydraulisk eller elektromekanisk utstrekk-bare forfast kontakt med brønnhullsveggen.

Fig. 2 illustrerer skjematisk et ikke-begrensende eksempel på et boresystem 200 i et arrangement for måling under boring (MWD) i henhold til flere ikke-begrensende utførelsesformer av oppfinnelsen. Et boretårn 202 bærer en borestreng 204 som kan være et oppkveilingsrør eller borerør. Borestrengen 204 kan bære en bunnhullsanordning (BHA) 220 og et borkrone 206 ved den distale ende av borestrengen 204 for boring av borehullet 110 gjennom de forskjellige formasjonene og undergrunnsmaterialene.

Boreoperasjoner i henhold til flere utførelsesformer kan innbefatte pumping av en borevæske eller "slam" fra en slamtank 222 og bruk av et sirkulasjonssystem 224, sirkulering av slammet gjennom en indre boring i borestrengen 204. Slammet strømmer ut av borestrengen 204 ved borkronen 206 og returnerer til overflaten gjennom et ringformet rom mellom borestrengen 204 og den indre veggen i borehullet 110. Borevæsken er sammensatt for å tilveiebringe et hydrostatisk trykk som er større enn formasjonstrykket for å unngå utblåsninger. Borevæsken kan videre brukes til å drive en boremotor 208 og kan gi smøring for forskjellige elementer i borestrengen 204.

I den ikke-begrensende utførelsesformen på fig. 2 innbefatter BHA 220 et formasjonsevalueringsverktøy 120 hovedsakelig makent til formasjonsevaluerings-verktøyet 120 som er beskrevet ovenfor og som er vist på fig. 1.

Formasjonsevalueringsverktøyet 120 for bruk under boring kan bære en fluidekstraktor 128 som innbefatter en utstrekkbar sugesonde 138 og motstående labber 140.1 flere utførelsesformer som vil bli beskrevet mer detaljert senere, innbefatter formasjonsevalueringsverktøyet 120 brønnhullsspektrometeret 300. Brønnhullsspektrometeret 300 kan enten brukes i utførelsesformen under boring eller i utførelsesformen med en kabel. Andre utførelsesformer kan selvsagt også realiseres. Brønnhullsspektrometeret 300 kan f.eks. brukes som endel av en trekkanordning (dvs. en anordning utplassert nede i hullet, uavhengig av en kabel, og hovedsakelig selvledet).

Det vises til fig. 3 hvor svinnbølgespektroskopi og brønnhullsspektrometeret 300 er illustrert for forbedret perspektiv. På fig. 3 innbefatter den optiske fiberen 310 generelt en kappe 301 og en kjerne 302.1 dette eksemplet som skisserer noen aspekter ved brønnhullsspektrometeret 300, er endel av fiberen 310 strippet naken. Det vil si at kjernen 302 er eksponert og uten den omgivende kappen 301. Dette partiet av fiberen 310 kan refereres til som "ubeskyttet". Det partiet av kjernen 302 som er eksponert, er i det minste delvis omgitt av en prøve 303 og kan være innbefattet i eller trenge gjennom et prøvekammer 305 (slik som en kanal, en celle, en prøveledning, et volum, et prøveområde eller en lignende anordning). Det skal bemerkes at det ubeskyttede partiet, selv om det kan være inne i et prøvekammer 305, kan være i et hvilket som helst område eller volum hvor prøven 303 kommer i kontakt med i det minste endel av overflaten til det ubeskyttede partiet. Prøven 303 med brønnhullsfluid kan være et strømmende fluid eller et ikke-strømmende fluid. Generelt kan fluidet være pumpet, transportert, tilsatt, strømmet, lastet, ført eller på en hvilken som helst måte beveget til kontakt med det ubeskyttede partiet for analyse.

En lysstrålebunt blir levert til en grenseflate på fiberen 310. Når lyset krysser det eksponerte partiet av kjernen 302, blir det lyset som faller inn på kjerne/prøve-grenseflaten delvis reflektert og delvis refraktert inn i prøven 303. Dette skjer hvis en innfallsvinkel er mindre enn en kritisk vinkel. Med en økning i innfallsvinkelen øker andelen reflektert lys, og hvis innfallsvinkelen overskrider en kritisk vinkel, blir indre totalrefleksjon realisert. Den kritiske vinkelen avhenger av refraksjonsindeksene til kjernematerialet, n,i> og prøvematerialet, n.2- En harmonisk bølge blir referert til som "svinnbølgen" eller den "evanescente bølgen". Svinnbølgen trenger inn i prøven 303 til en inntrengningsdybde, dp, og blir beskrevet ved hjelp av ligning (1): hvor z representerer en avstand normal til grenseflaten mellom prøven 303 og kjernen 302, E0representerer amplituden til en bølge ved z = 0. En inntrengningsdybde, d, inn i prøven 303 er gitt ved ligning (2):

hvor A representerer en bølgelengde for lys i kjernen 302 til fiberen 310, r) i representerer en brytningsindeks eller refraksjonsindeks (RI) for kjernen 302, og q2representerer refraksjonsindeksen til prøven 303. Følgelig, og som et eksempel er for en innmating 0=85 (grader),>A=2.000(nm), #^=1,75 ogA72=1,5, blir inntrengningsdybden, dp, estimert som 92,34 nm.

Det fiberoptiske spektrometeret innbefatter her forskjellige tilpasninger for å sørge for drift i et brønnhullsmiljø. Noen materialer som tidligere ble brukt for optiske fibre i det midlere infrarøde området (slik som sølvhalider) er f.eks. ikke praktiske for bruk i brønnhull ettersom disse materialene er sprø og lett brekker. Slike materialer har videre en uakseptabel høy løselighet og reaktivitet i formasjonsfluider slik som saltvann eller råoljer, og denne løsbarheten og reaktiviteten øker med de høye temperaturene som påtreffes i brønnhullsmiljøer.

De utførelsesformene av et brønnhullsspektrometer som beskrives her, omfatter følgelig blant annet optiske fibermateriale med høy refraksjonsindeks, liten eller ingen løselighet og liten eller ingen reaktivitet i formasjonsfluider ved høye temperaturer, og liten absorpsjon over de bølgelengdene som er av interesse.

Materialer valgt for brønnhullsspektrometeret 300 oppviser generelt en valgt gruppe med egenskaper slik som, og uten begrensning, ikke-klebrige overflater, ikke-korrosive, høy brytningsindeks, uoppløselighet og andre egenskaper som vil bli beskrevet nedenfor. Passende materialer for brønnhullsspektrometeret 300 vil generelt ikke bli ødelagt ved den høye temperaturen i nærvær av vann.

I en utførelsesform blir følgelig et metalloid brukt i brønnhullsspektrometeret 300. Et metalloid oppfører seg som et speil ved kortere bølgelengder og som et transparent vindu ved lengre bølgelengder. Metalloidet som i et eksempel er silisium, har en ytterligere fordel ved å være nesten ikke-reaktivt og har en ikke-klebende overflate slik at det er bestandig overfor både korrosjon fra fluidet og tilsøling av utfellinger fra fluidet. Germanium er også ganske kjemisk ikke-reaktivt og er et egnet materiale. Silisium og germanium er begge halvledere slik at de har et energigap som er grunnen til at de opererer som et speil for fotoner med energi større enn energigapet og opererer som et transparent vindu for fotoner med energi mindre enn energigapet. Silisium endrer f.eks. oppførsel fra den med et speil til et vindu ved bølgelengder lenger enn omkring 1.100 nm, og germanium endrer seg fra speil til et vindu ved bølgelengder lenger enn omkring 1.800 nm.

For å sette foreliggende beskrivelse inn i en sammenheng, blir det nå gitt en oversikt over fiberoptiske grunntrekk i forhold til brønnhullsspektrometeret. Et prinsipp for fiberoptikk er at lys blir totalreflektert ved en kjerne/kappe-grenseflate hver gang lys treffer grenseflaten ved en utfallsvinkel som overskrider en kritisk vinkel. Kjernen i fiberen må ha en høyere refraksjonsindeks enn kappen som omgir kjernen for at den kritiske vinkelen skal eksistere. Selv i det tilfellet med indre total refleksjon er det imidlertid et evanescent felt for det reflekterte lyset som svekkes eksponensielt utenfor kjernen. Dette betyr at endel av lyset trenger svakt inn i kappen til en dybde som er mindre enn noen få bølgelengder. Hvis det skulle være slik at kappen er meget absorberende for bølgelengdene til lyset, slik at signifikant lys blir absorbert inne i den evanescente inngrengningsdybden, dp, så kan man oppnå det dempede reflektansspekteret til kappen. Hvis man bruker et materiale som oppviser en tilstrekkelig høy refraksjonsindeks som kjernen i fiberen, så vil det formasjonsfluidet som i det minste omgir kjernen, virke som kappen. I dette tilfellet kan man oppnå et absorpsjonsspektrum for formasjonsfluidet ved å bruke det evanescente signalet eller svinnsignalet. De fundamentale, molekylære vibrasjons-båndene som opptrer i det midlere infrarøde områdene til spekteret (omkring 2,5 til 11 mikrometer), er flere størrelsesordener mer absorberende enn overtonen og kombinasjonsbånd enn hva som skjer i det nære infrarøde området (0,8 til 2,5 mikrometer) i spekteret. Den effektive banelengden for et svinnbølgespektrometer er ganske kort. Den er lik produktet av inntrengningsdybden på bare enn et par mikrometer og antallet indre refleksjoner. Fordi absorbansen er produktet av den effektive veilengden og absorpsjonsevnen, blir det foretrukket å ta svinnbølge-målinger i det høyabsorberende, midlere infrarøde området for å kompensere for den korte effektive veilengden,

For å tilveiebringe et robust brønnhullsspektrometer må kjernematerialet i fiberen ha høy kjemisk og termisk bestandighet for å motstå det barske brønnhulls-miljøet. Kjernematerialet bør også ha en refraksjonsindeks som er høyere enn typisk brønnhullsgass (RI < 1,3), saltvann (RI i omårdet 1,30-1,33) eller råolje (RI i området I, 40-1,55). Det bør fortrinnsvis også ha evne til å overføre lys i det midlere infrarøde området. Eksempler på egnede materialer innbefatter safir (RI = 1,75, overfører bølgelengder så lange som opptil 5 mikrometer), ren silisium (RI = 3,4, overfører til bølgelengder så lange som 11 mikrometer), rent germanium (RI = 4, overfører bølgelengder opptil 20 mikrometer) og andre slike materialer. Rent silisium og germanium ser ut som glinsende metaller i det synlige elektromagnetiske spekteret, men blir transparente ved lengre bølgelengder (1.100 nm for silisium og 1.800 nm for germanium). Det midlere infrarøde området er av spesiell interesse for bruk med et brønnhullsspektrometer og ligger i området fra omkring 2.500 nm (2,5 mikrometer) til II. 000 nm (11 mikrometer).

Det kan derfor sees at valg av den optiske fiberen 310 bør ta hensyn til materialegenskaper i kjernen 302 såvel som egenskapene til prøven 303. Tabell 1 nedenfor gir ikke begrensende eksempler på egnede materialer for bruk i kjernen 302 i den optiske fiberen 310 sammenlignet med egenskapene til materialene i prøver.

Spesielle aspekter og betraktninger ved forskjellige materialer er ikke tilveiebrakt. Selv om det antas at metalloider generelt er anvendbare, har arsenikk, polonium og antimon ikke blitt undersøkt eller evaluert for bruk i brønnhullsspektro-meteret 300 på grunn av giftighet. Dette er imidlertid ikke nok til å antyde at disse materialene ikke ville virke bra. Det antas i stedet at det er en sannsynlighet for at slike materialer vil virke like bra som medlemmer av metalloidfamilien.

Med hensyn til andre materialer og betraktninger med hensyn til konstruksjon av brønnhullsspektrometeret 300, viser tynnfilmer av tellur gunstige egenskaper, slik som lavt energigap og transparens i det infrarøde området. Diamant oppviser et transmisjonsområde fra omkring 300 nm til 2,5 mikrometer og en refraksjonsindeks 2,4175 @ 0,589 mikrometer, og er uløselig i vann. Germanium har et transmisjonsområde fra omkring 1,8 til 23 mikrometer, en brytningsindeks på 4,0026 ved 11 mikrometer og er uløselig i vann. Gallumlantansulfid er et kalkogenidglass og et alternativ til toksiske arsenikkbaserte glass, som oppviser et transmisjonsområde fra omkring 0,5 til 10 mikrometer og en refraksjonsindeks på 2,398 ved 1,014 mikrometer. Rutil (titandioksid) oppviser et transmisjonsområde på fra omkring 0,43 til 5,0 mikrometer, en refraksjonsindeks på 2,555 ved 0,69 mikrometer og er uløselig i vann. Safir oppviser et transmisjonsområde fra omkring 0,17 til 5,5 mikrometer og en refraksjonsindeks på 1,75449. Silisium oppviser et transmisjonsområde fra omkring 1,2 til 15 mikrometer, en refraksjonsindeks på 3,4223 ved 5 mikrometer og er uløselig i vann. YAG (yttriumgalliumoksid) Y3AI5O12) oppviser et transmisjonsområde fra omkring 0,21 til 5,5 mikrometer, en refraksjonsindeks på 1,81523 ved 1,06 mikrometer og er uløselig i vann.

Brønnhullsspektrometeret 300 kan realiseres i forskjellige former. I én utførelsesform er den optiske fiberen 310 (slik som en silisiumfiber eller en germaniumfiber) festet til et substrat. Substratet tilveiebringer mekanisk forsterkning som reduserer skjørheten ettersom utførelsesformer som bruker halvmetaller er litt sprø. Den optiske fiberen 310 som er montert på et substrat, forsyner derfor generelt brukere med en utforming som er vibrasjonstolerant. Noen ytterligere utførelses-former av vibrasjonstolerante utforminger innbefatter montering på ettergivende anordninger slik som fjærer, for dempning av bevegelse og lignende.

I noen andre utførelsesformer innbefatter brønnhullsspektrometeret en fotontråd-bølgeleder (slik som en silisiumtråd) på et substrat som er meget sensitivt for spormengder i prøven 303.1 ytterligere utførelsesformer innbefatter brønnhulls- spektrometeret 300 små optiske vinduer med dempet reflektans ut av silisium eller germanium (f.eks. vinduer mellom omkring 2 mm og omkring 3 mm). Endelig elementanalyse viser i tillegg at slike vinduer laget av disse halvmetallene kan motstå brønnhullstrykk og brønnhullstemperaturer.

I tillegg kan forskjellige andre fysiske former for fiberoptiske materialer brukes. Mer spesielt innses det at visse aspekter ved den her angitte læren er tilveiebrakt i forbindelse med en optisk fiber. Brønnhullsspektrometeret 300 kan imidlertid, i det minste i noen utførelsesformer, realiseres i andre former slik som en tynnfilmbølge-leder. Det vil si at i noen tilfeller kan tynnfilmer tilveiebringe bølgeledere av materialet som ikke behøver å oppfylle alle ytelseskriteriene nede i hullet. Tynnfilmbølgeledere kan f.eks. gi robuste utførelsesformer av brønnhullsspektrometeret 300 selv om det brukes materialer slik som sprøtt bor, diamant, silisium, germanium, safir, osv. I utførelsesformer som bruker tynnfilmbølgeledere, kan det materialet som brukes i brønnhullsspektrometeret være understøttet på et stivt substrat og kan være preparert ved hjelp av vanlige brikkebehandlingsteknikker. Disse tynnfilmene, "optiske trådene" eller "silisiumfotonikk" behøver ikke virke som optiske bølgeledere på samme måte som en rund optisk fiber vil selv om de har et annet tverrsnitt, slik som et kvadratisk eller rektangulært tverrsnitt. Følgelig skal uttrykkene "fiberoptisk", "optisk fiber", "brønnhullsspektrometer" og andre slike beslektede uttrykk slik de brukes her, anses å innbefatte tynnfilmbølgeledere av en form som er nyttig når det gjelder å utføre svinnbølgespektroskopi.

Det vises nå til fig. 4 hvor aspekter ved en annen utførelsesform av brønn-hullsspektrometeret 300 er vist. I dette eksemplet innbefatter brønnhullsspektro-meteret 300 en infrarød lyskilde 401 i optisk kommunikasjon med en bølgeleder 402 (som kan være hul) for overføring av lys inn i et fiberoptisk element 403.1 noen utførelsesformer er det et speil ved den distale enden av det fiberoptiske elementet 403 slik som et gullspeil 404 ved endespissen av fiberen som kan være innbefattet og brukt til å reflektere lyset i det fiberoptiske elementet 403. Råoljen eller annet fluid som skal analyseres virker som en kappe på fiberen og blir betegnet med skraveringer mellom henvisningene 403 og 404. Bølgelederen 402 overfører det reflekterte lyset til minst én fotodetektor 405. Fotodetektoren 405 kan f.eks. innbefatte et antall detekteringselementer for én eller flere bølgelengder som er spesifikke for olje, eller andre valgte brønnhullsfluider. Elektronikk 410 kan være innbefattet og brukt til å styre lyskilden 401, analysere signaler fra fotodetektoren 405 og til å overføre signaler til fjerntliggende steder etter ønske.

Fotodetektoren 405 blir hovedsakelig brukt til å motta lys utsendt fra lyskilden 401 etter at lyset vekselvirker med fluidet via den optiske returfiberen 403.1 én eller flere utførelsesformer omfatter fotodetektoren 405 én enkelt bredbåndet fotodetektor som reagerer på lys utsendt fra lyskilden 401 og/eller lys reflektert ved en fluid/metalloid-grenseflate. I andre ikke-begrensende utførelsesformer innbefatter fotodetektoren 405 en tolags fotodetektor som reagerer på lys utsendt fra lyskilden 401 og/eller lys reflektert ved fluid/metalloid-grenseflaten. En egnet utførelsesform av fotodetektoren 405 innbefatter en tolags fotodetektor som er en tolags Si- og InGaAs-fotodetektor. Fotodetektoren 405 leverer et utgangssignal som er en indikasjon på det lyset som er mottatt ved fotodetektoren 405, til elektronikkenheten 42.

I noen tilfeller kan utgangssignaiet fra fotodetektoren være et analogt elektrisk signal slik at en analog/digital-omformer kan brukes til å omforme utgangssignalet fra fotodetektoren til et digitalt signal som blir mottatt av en styringsenhet i brønnhullet i elektronikkenheten 410 eller av en styringsenhet 114 på overflaten. Det lyset som utsendes fra lyskilden 401 kan være modulert av en prosessor i den samme styringsenheten som mottar utgangen fra fotodetektoren 405 eller av en modulator i en separat styringsenhet. I det viste eksemplet er en modulator/styringsenhet koblet til fotodetektoren 405, og en andre modulator/styringsenhet er koblet til lyskilden 401. Disse styringsenhetene kan være implementert som en enkelt styringsenhet uten å avvike fra oppfinnelsens ramme. I andre utførelsesformer kan styringsenheten eller styringsenhetene være plassert ved overflaten av brønnen som beskrevet ovenfor og som vist på fig. 1 og 2 ved 114, ved å bruke én av flere kommunikasjonsmetoder. Kjøling av én eller flere av disse brønnhullskomponentene kan utføres ved å bruke en kjøleanordning. Kjøleanordningen som brukes, kan være en hvilken som helst av én eller flere av et antall anordninger som f.eks. kan innbefatte termisk/elektriske, termisk/tunneling, sorpsjonskjøling, evaporatorer og et kjølekar. Kjøling er valgfri der de valgte komponentene er kompatible med brønn-hullstemperaturen i omgivelsene.

Kjøling kan anvendes når en driftstemperatur for en komponent er lavere enn brønnhullsmiljøet og/eller der hvor kjøling kan forbedre ytelsen til brønnhulls-spektrometeret 300.1 flere utførelsesformer er lyskilden 401 kompatibel med brønnhullstemperaturen og kjøleanordningen er valgfri. Kjøling forbedrer i noen tilfeller et signal/støy-forhold for fotodetektoren 405 og øker laserintensiteten der hvor lyskilden 401 innbefatter én eller flere lasere.

De ikke-begrensende eksemplene på spektrometerverktøy som er beskrevet her, tilveiebringer et lite, lett, fiberoptisk brønnhullsspektrometer som har betydelig høyere oppløsning enn konvensjonelle spektrometre. Spektrometeret 300 kan dessuten innbefatte kalibreringskapasiteter på stedet, slik som ved bruk av et posisjonerbart referansemateriale og en lyskilde som genererer både korte og lange bølgelengder.

I flere utførelsesformer kan lyskilden 401 innbefatte én eller flere bredbånds lyskilder som for eksempel en glødelampekilde sammen med et optisk filter for å frembringe utvalgte bølgelengder, eller lyskilden 401 kan innbefatte en eller flere lysemitterende dioder (LED). Lyskilden kan også bruke én eller flere laserdioder. I andre utførelsesformer kan brønnhullsspektrometeret 300 innbefatte én eller flere lyskilder 401 som innbefatter en kombinasjon av lyskildetyper. Noen utførelses-former kan brukes som multibølgelengde-implementeringer. En glødelampe og et dobbelt båndpassfilter kan brukes som lyskilde 401 for å generere to valgte bølge-lengder. Alternativt kan dioder eller laserdioder med dobbelt bølgelengde brukes. Lyset med dobbelt bølgelengde kan transporteres via den optiske fiberen 403 til en silisium- eller germanium-spiss neddykket i et målfluid i en fluidcelle. En tolags fotodetektor 405 som ovenfor, kan brukes til å detektere lys reflektert ved fluidgrenseflaten. I én utførelsesform innbefatter de to bølgelengdene lys med kort bølgelengde og lys med lang bølgelengde hvor lyset med den korte bølgelengden er lys som har en energi mindre enn energigapet til metalloidmaterialet, og lyset med den lange bølgelengden har en energi som er større enn energigapet til metalloidmaterialet.

Som en fagkyndig på området vil forstå, kan en "enkelt bølgelengde" som diskutert her, i virkeligheten opptre som et bånd med bølgelengder slik som en topp i et spektrum. Et antall bølgelengder kan følgelig i virkeligheten manifesteres som et antall bånd med bølgelengder som effektivt kan diskrimineres ved hjelp av tilhørende elektronikk. Bruk av forskjellige typer eller kombinasjoner av optiske filtre kan videre forfine lys og bølgelengdegrupper som kan brukes med brønnhullsspektrometeret 300.1 noen utførelsesformer kan lyskilden 32 justeres for å multiplekse varierende bølgelengder i tid.

Fotodetektoren med dobbelt bølgelengde kan tilveiebringe en detektor med kort bølgelengde og en detektor med lang bølgelengde for samtidig å detektere bølgelengdene som er reflektert ved fluidgrenseflaten. I noen utførelsesformer, når det brukes en fiber som har et Si- eller Ge-materiale og en Si- og InGaAs-detektor, vil Si-delen av detektoren detektere refleksjonene av lyset med kort bølgelengde og med den høyeste intensiteten, mens InGaAs-delen av detektoren detekterer refleksjonene med lavest intensitet i lyset med den lange bølgelengden.

Når det gjelder valg av materialer er en fordel ved en silisiumgrenseflate at en silisiumgrenseflate gir en glatt overflate som er bestandig mot tilsmussing av avleiringer fra brønnhullsfluider. Silisium virker videre som et speil for lysbølge-lengder kortere enn omkring 1.100 nm og er hovedsakelig transparent for bølge-lengder lenger enn omkring 1.100 nm. Denne karakteristikken er nyttig i utførelses-formen med dobbelt bølgelengde som er beskrevet ovenfor. Som diskutert ovenfor, er germanium et annet eksempel på et metalloid som gir egnede egenskaper for bruk som optisk fiber.

I noen utførelsesformer kan minst én av lyskilden 401, elektronikkenheten 410 og fotodetektoren 405 holdes på et fjerntliggende sted. Den minst ene av lyskilden 401, elektronikkenheten 410 og fotodetektoren 405 kan f.eks. være anordnet på toppsiden. I slike utførelsesformer blir brukere og designere gitt muligheter for å anvende en større gruppe med komponenter for å utføre nødvendige oppgaver. I slike utførelsesformer kan kommunikasjoner til komponenter i brønnhulls-spektrometeret 300 skje gjennom en rekke forskjellige anordninger, innbefattende, uten noen begrensning, kablede rør, fiber, telemetri og lignende. I andre utførelses-former kan den minst ene av lyskilden 401, elektronikkenheten 410 og fotodetektoren 405 være innbefattet i brønnhullsspektrometeret 300 i nærheten av prøve-kammeret 305. I disse sistnevnte utførelsesformene kan brønnhullsspektrometeret 300 gjøre bruk av brønnhullskomponenter slik som kraftforsyninger, kjøleenheter og lignende.

Generelt tilveiebringer brønnhullsspektrometeret 300 resultater på en "sanntidsbasis". Det vil si at brønnhullsspektrometeret 300 tilveiebringer resultater med en hastighet som er nyttig for brukere og operatører av brønnhullsutstyr under anvendelse av slikt utstyr. Hastigheten er generelt tilstrekkelig for brukerne og operatørene til å ta meningsfulle beslutninger vedrørende brønnhullsmiljøet og ytterligere brønnhullssekvenser.

Det vises nå til fig. 5 hvor det er vist et eksempel på en fremgangsmåte for å estimere en egenskap ved et fluid nede i et borehull. I et første trinn 501 krever fremgangsmåten valg av et brønnhullsspektrometer som omfatter en optisk fiber med minst ett parti uten omgivende kappe. I et annet trinn 502 krever fremgangsmåten at fluidet nede i borehullet i det minste delvis omgir partiet. I et tredje trinn 503 krever fremgangsmåten mottakelse av lys utsendt fra en lyskilde gjennom den optiske fiberen. I et fjerde trinn 504 krever fremgangsmåten estimering av et svinnbølgespektrum for fluidet fra det mottatte lyset. I et femte trinn 505 krever fremgangsmåten estimering av egenskapen ved prøven i henhold til svinnbølge-spekteret.

Etter å ha introdusert aspekter ved oppfinnelsen bør visse fordeler være opplagte. Brønnhullsspektrometeret som er tilveiebrakt her, gir f.eks. generelt forenklet fremstilling i forhold til tidligere konstruksjoner. Bruken av en enkelt fiber medfører mer spesielt at man unngår inkorporering av én eller flere optiske grenseflater utover de som er nødvendige mellom lyskilden og fotodetektoren. Bruk av den ene fiberen gir videre forenklet montering av komponenter. Det vil si at bruk av en fiber videre fører til at komplikasjoner unngås ved bruk av komponenter slik som reflektanskrystaller som har tilsvarende geometriske krav. Brønnhullsspektro-meteret som er tilveiebrakt her, er følgelig generelt mer robust fysisk såvel som mer økonomisk å fremstille eller skifte ut.

Som angitt ovenfor sørger foreliggende oppfinnelse for analyse av brønnhullsfluidet ved å samle inn optiske absorpsjonsspektre fra svinnbølger i fluidet, men ved å bruke en optisk silisiumfiber, germaniumfiber, safirfiber eller en annen høytemperatur og på annen måte robust optisk fiber dyppet ned i eller i det minste delvis omgitt av prøvefluidet. Denne løsningen er velegnet for midlere infrarød spektroskopi og bestemmer ting slik som andelen av forurensning fra oljebasert slam eller konsentrasjoner av H2S eller CO2, metan, etan, propan og butan og andre bestanddeler i petroleum.

Til understøttelse av den her angitte lære kan forskjellige analyse-komponenter brukes, innbefattende et digitalt system og/eller et analogt system. Det ene eller de flere systemene kan ha komponenter slik som en prosessor, lagrings-media, et minne, en innmating, en utmating, en kommunikasjonsforbindelse (kablet, trådløs, pulset slam, optisk eller annen), brukergrensesnitt, programvare, signal-prosessorer (digitale eller analoge) og andre slike komponenter (slik som resistorer, kondensatorer, induktorer og andre) for å sørge for drift og analyse av anordningen og fremgangsmåten som er beskrevet her, på noen av flere måter som er velkjente på området. Det anses at læren kan, men ikke behøver, implementeres i forbindelse med et sett datamaskinutførbare instruksjoner lagret på et datamaskinlesbart medium, innbefattende lagre (ROM, RAM), optiske (CD-ROM) eller magnetiske (disketter, plater) eller en hvilken som helst annen type, som når de utføres, får en datamaskin til å implementere fremgangsmåten ifølge foreliggende oppfinnelse. Disse instruksjonene kan sørge for drift og styring av utstyr, datainnsamling og analyse samt andre funksjoner som anses relevante for en systemdesigner, eier, bruker eller annet personell i tillegg til de funksjonene som er beskrevet i det foregående.

Videre kan forskjellige andre komponenter være innbefattet og påkalles for å tilveiebringe aspekter ved den beskrevne oppfinnelsen. En prøveledning, et prøve-lager, et prøvekammer, et prøveutløp, en pumpe, et stempel, en kraftforsyning (f.eks. minst én av en generator, en fjerntliggende forsyning og et batteri), en vakuumforsyning, en trykkforsyning, en fryseenhet eller forsyning (f.eks. kjøling), en oppvarmingskomponent, en bevegelseskraft (slik som en translasjonskraft, en fremdriftskraft eller en rotasjonskraft), en magnet, en sensor, en regulator, en optisk enhet, en elektrisk enhet eller en elektromekanisk enhet kan f.eks. være innbefattet for å understøtte de forskjellige aspektene som er diskutert her eller for å understøtte andre funksjoner ut over de som er beskrevet her.

En fagkyndig på området vil innse at de forskjellige komponentene eller teknologiene kan gi visse nødvendige eller gunstige funksjonaliteter eller trekk. Disse funksjonene og trekkene som kan være nødvendige for understøttelse av de vedføyde patentkrav og varianter av disse, er derfor å anse som iboende innbefattet som en del av den her beskrevne lære og en del av den beskrevne oppfinnelsen.

Selv om oppfinnelsen er blitt beskrevet under henvisning til utførelses-eksempler, vil fagkyndige på området forstå at forskjellige endringer kan gjøres og ekvivalenter kan erstatte elementer uten å avvike fra oppfinnelsens ramme. I tillegg vil mange modifikasjoner kunne finnes av fagkyndige på området for å tilpasse et spesielt instrument, en spesiell situasjon eller et spesielt materiale til oppfinnelsen uten å avvike fra dennes hovedomfang. Det er derfor ment at oppfinnelsen ikke skal begrenses til de spesielle utførelsesformene som er beskrevet som den beste måte å utføre oppfinnelsen på, men at oppfinnelsen skal innbefatte alle utførelsesformer som faller innenfor rammen av de vedføyde patentkravene.

Claims (19)

1. Anordning for estimering av en egenskap ved et fluid i et brønnhull, hvor anordningen omfatter: (a) en optisk fiber som mottar lys utsendt fra en lyskilde og som omfatter et ubeskyttet parti innrettet for kontakt med fluidet; (b) en fotodetektor for å motta optiske signaler fra partiet; og (c) et spektrometer for å fremskaffe et svinnbølgespektrum for fluidet fra partiet.

2. Anordning ifølge krav 1, hvor den optiske fiberen omfatter én av silisium, germanium og safir (Al203), bor, tellur, diamant, galliumlantansulfid, rutil (Ti02) og yttriumaluminium-granat (YAG).

3. Anordning ifølge krav 1, hvor den optiske fiberen omfatter en tynnfilmbølgeleder.

4. Anordning ifølge krav 1, videre omfattende lyskilden.

5. Anordning ifølge krav 4, hvor lyskilden omfatter minst én av en glødelampe, en lysemitterende diode, en diode med dobbelt bølgelengde, en laserdiode, et enkelt bånd med bølgelengder, et antall bånd med bølgelengder og et filter.

6. Anordning ifølge krav 1, hvor den optiske fiberen er festet til et substrat.

7. Anordning ifølge krav 1, videre omfattende en fotontrådbølgeleder.

8. Anordning ifølge krav 1, videre omfattende minst ett optisk vindu med dempet reflektans.

9. Anordning ifølge krav 1, videre omfattende et antall optiske fibere for å motta lys utsendt fra lyskilden, og som har et parti uten en omgivende kappe.

10. Anordning ifølge krav 1, omfattende én av en borestreng, et kabelinstrument og en trekkanordning.

11. Anordning ifølge krav 1, hvor partiet av den optiske fiberen omfatter en refraksjonsindeks som er større enn en refraksjonsindeks for fluidet.

12. Anordning ifølge krav 1, hvor den optiske fiberen omfatter minst én av en lav løselighet i saltvann, en lav reaktivitet med fluidet og en høy termisk bestandighet.

13. Fremgangsmåte for estimering av en egenskap ved et brønnhullsfluid, hvor fremgangsmåten omfatter: (a) å velge et brønnhullsspektrometer som omfatter en optisk fiber med minst ett ubeskyttet parti; (b) i det minste delvis å bringe partiet i kontakt med fluidet nede i hullet; (c) å motta lys utsendt fra en lyskilde gjennom den optiske fiberen; (d) å estimere et svinnbølgespektrum for fluidet fra det mottatte lyset; og (e) å estimere egenskapen fra spekteret.

14. Fremgangsmåte ifølge krav 13, hvor neddykkingen omfatter i det minste én av pumping, portering, tilsetning, strømning, lasting, senkning og bevegelse av fluidet.

15. Fremgangsmåte ifølge krav 13, videre omfattende klassifisering av fluidet i henhold til svinnbølgespekteret.

16. Fremgangsmåte ifølge krav 15, hvor klassifiseringen omfatter å søke i et bibliotek med prøvedata.

17. Fremgangsmåte ifølge krav 15, hvor klassifiseringen omfatter å utføre en regresjon av data fra svinnbølgespekteret.

18. System for karakterisering av et fluid i et brønnhullsmiljø, hvor systemet omfatter: (a) minst én lyskilde for innmating til en optisk fiber som har et ubeskyttet parti innrettet for kontakt med fluidet; (b) en fotodetektor for å motta optiske signaler fra partiet; et spektrometer for å fremskaffe et svinnbølgespektrum for fluidet fra partiet; og (c) en elektronikkenhet innrettet for å motta svinnbølgespekter-informasjon og karakterisering av fluidet.

19. System ifølge krav 18, hvor karakteriseringen blir utført på en sanntidsbasis.