中红外二氧化碳传感器制造技术

本发明专利技术提供一种用于监测流体中的CO2的传感器，不管所述流体的相位特性如何，即不管接触窗的所述流体是基于液体水的相、基于液体油的相、基于液体水和液体油的相的混合物还是气相。所述传感器包括用于与所述流体接触的内反射窗。中红外光源将中红外辐射的光束引导至所述窗中，并且在所述窗与所述流体之间的界面处对所述光束进行内反射。使所述反射的光束通过三个窄带通滤波器，所述三个窄带通滤波器优先透射对应于水、油以及CO2的吸收峰的波长带内的中红外辐射。由穿过所述三个滤波器的所述中红外辐射的强度确定CO2的量。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】中红外二氧化碳传感器
本公开的实施方案涉及中红外感测，并且更具体地为但不限于用于监测流体中的二氧化碳(CO2)的中红外传感器。
技术介绍
分析来自烃井的流体样品的化学组成以确定相特性和化学组成是在烃井的监测和管理以及烃储层的可生产性和经济价值的评估中的一个重要步骤。类似地，在生产或其它操作期间对流体组成的监测可对储层管理决策具有重大影响。类似地，相特性和化学组成的确定在用于从井口传输/运输烃的管道等(包括海底管道)中是重要的。若干公开已描述了在井下环境中使用近红外(例如λ＝1–2.5μm)光谱测量对钻孔流体中的特定气体的分析。举例来说，美国专利号5,859,430描述了使用近红外光谱法来定量确定气相中甲烷、乙烷以及其他简单烃类的存在。使用在光谱区1.64-1.75μm内分子的泛频/组合振动模式对近红外辐射的吸收对气体进行检测。最近，美国专利号6,995,360描述了在井下环境中使用波长λ＝3-5μm的中红外辐射来监测气体，并且美国专利公布号2012/0290208提出使用中红外辐射来监测溶解到咸水层的液体溶液中的封存的二氧化碳。然而，在烃工业中使用中红外传感器以及处理来自此类传感器的信息存在许多技术问题。另外，利用中红外光谱法来进行CO2监测在很大程度上先前尚未被认可。
技术实现思路
因此，在第一方面，根据本公开的一个实施方案，提供一种用于监测流体中的CO2的传感器，其中所述传感器包括：内反射窗，其用于与流体接触；中红外辐射源，其用于将中红外辐射的光束引导至所述窗中，其中光束在窗与流体之间的界面处经历衰减内反射；三个第一窄带通滤波器的集合，其中窄带通滤波器各自被配置成优先透射对应于水、油以及CO2的相应吸收峰的波长带内的中红外辐射以过滤从窗接收的内反射的中红外辐射；一个或多个红外检测器，其用于检测透射通过滤波器集合的经过滤的中红外辐射；以及处理器，其被配置成处理/测量所检测到透射通过滤波器集合的中红外辐射的强度，并且由其确定流体中的CO2的量(例如浓度)。通过使用第一方面的三个滤波器的集合，传感器可测量CO2，无论接触窗的流体是基于液体水的相、基于液体油的相、基于液体水和液体油的相的混合物还是气相。此类传感器是高度灵活的，因为对于CO2浓度的确定来说不必使窗与液体接触，即它可与液体或气体接触。一般来说，衰减全反射中红外感测仅可用于感测凝聚相，但根据本公开的一个实施方案的传感器可测量非凝聚相中的CO2，因为CO2在约4.3μm的波长下在中红外线中强烈吸收。如下文所论述，传感器可为例如具有另一类似传感器以获得参考强度的传感器布置的一部分。在第二方面，根据本公开的一个实施方案，提供使用第一方面的传感器或传感器布置来确定流体中的CO2的量(例如浓度)。因此，监测流体中的CO2的方法可包括：提供第一方面的传感器，使得内反射窗与流体直接接触；以及操作传感器以确定流体中的CO2的量(例如浓度)。在第三方面，根据本公开的一个实施方案，提供一种包括第一方面的传感器或传感器布置的井工具(诸如钻井、生产井或钢缆式取样工具)。现将陈述本公开的实施方案的任选特征。这些特征单独或与本公开的实施方案任何方面组合为适用的。根据本公开的一个实施方案，第一滤波器的透射带可位于约3330cm-1(水)、2900cm-1(油)以及2340cm-1(CO2)处。根据本公开的一个实施方案，流体可为生产流体、钻井流体、完井流体或工作流体(servicingfluid)。在一些实施方案中，流体可包括液体/气体混合物。如本文所用的“中红外辐射”意指辐射具有在从约2至20μm范围中的波长。在一些实施方案中，中红外辐射在约3至12μm或3至10μm范围内。在本公开的一些实施方案中，每个第一窄带通滤波器可以被配置以使得其波长透射带在从约25至150℃范围中的温度下是基本上温度不变的。井下环境中的温度可能会变化很大，例如从室温直到约150℃或200℃。通过使用此类温度不变型滤波器，传感器对于其周边环境的温度变化的灵敏度可以大大降低，从而提供对井下环境中的CO2的检测和/或CO2的量的准确测量。为涵盖更大的井下温度范围，每个第一窄带通滤波器的波长透射带在从约25至200℃范围中的所有温度下可为基本上温度不变的。为涵盖井下和海底两种条件(其中环境温度可能在从约-25至25℃范围中)，每个第一窄带通滤波器的波长透射带在从约-25至150或200℃范围中的所有温度下可为基本上温度不变的。如本文所用的“基本上温度不变”意指变化至多为约0.1nm/℃。在本公开的一些实施方案中，温度不变性可为至多约0.05、0.03、0.02或0.01nm/℃。在本公开的实施方案中，每个滤波器可包括干涉滤波器。仅仅举例来说，在本公开的一些实施方案中，每个滤波器可包括由Si、SiO2、Al2O3、Ge或ZnSe等形成的衬底，并且在衬底的每一相对侧上可以形成交替的高折射率层和低折射率层。在本公开的一些实施方案中，高折射率层可由PbTe、PbSe或PbS形成，而低折射率层可由ZnS、ZnSe等形成。在本公开的实施方案中，每个滤波器可具有三个或更多个半波长空腔。许多常规滤波器显示随温度升高不能接受的高带偏移。举例来说，0.2至0.6nm/℃范围内的偏移为典型的。透射率也趋于随温度升高而降低。这些特性阻止/限制了中红外传感器的开发。然而，根据本公开的实施方案，通过使用PbTe基、PbSe基、PbS基的干涉滤波器等，有可能基本上减少带偏移和透射率降低。举例来说，根据本公开的一个实施方案，PbTe基干涉滤波器可具有仅约0.03nm/℃或更小的带偏移。作为PbTe、PbSe、PbS等的替代物，在本公开的一些实施方案中，高折射率层可由Ge等形成。在本公开的一些实施方案中，在确定流体中的CO2的量时可使用参考强度。因此，根据本公开的一个实施方案，传感器布置可包括第一方面的传感器和可用于获得此参考强度的另一类似传感器。另一传感器可具有与第一传感器类似的特征，除了其窄带通滤波器透射对应于流体的吸收光谱的参考部分的波长带内的中红外辐射。在此类情况下，处理器布置可为两种传感器共同拥有的处理器布置。然而，另一种选择是使用第一传感器获得参考强度。举例来说，根据本公开的一个实施方案，传感器可进一步包括第二窄带通滤波器，所述第二窄带通滤波器被配置成透射对应于流体的吸收光谱的参考部分的波长带内的中红外辐射。在此类实施方案中，可使用所述或另一红外检测器来检测透射穿过第二滤波器的经过滤的中红外辐射，并且处理器布置可测量所检测到的透射穿过第二滤波器的中红外辐射的参考强度并且在流体中的CO2的量的确定中使用所测得的参考强度。在本公开的一些实施方案中，第一和第二滤波器可以是可选择地可安置于单个检测器与窗之间的，或者第一和第二滤波器中的每一者可具有相应的检测器。可将第二窄带通滤波器配置成使得其波长透射带在从约25至150℃范围内的所有温度下为基本上温度不变的。第一窄带通滤波器的其他任选特征对第二窄带通滤波器也适合。第二滤波器的透射带可位于约2500cm-1处。在本公开的一些实施方案中，可将中红外辐射的光束脉冲。在本公开的一些实施方案中，这可例如通过在源与窗之间提供机械斩波器或者通过将源脉冲来实现。在本公开的一些实施方案中，源可本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于监测流体中的CO2的传感器，所述传感器包括：内反射窗(4)，其被配置成用于接触所述流体；中红外光源(1)，其被配置成将中红外辐射的光束(3)引导至所述窗中，以在所述窗与所述流体之间的界面处提供中红外辐射的所述光束(3)的衰减内反射；三个窄带通滤波器的集合(5)，其被配置成过滤从所述窗接收的内反射的中红外辐射，其中：所述三个窄带通滤波器的集合中的第一者包括水滤波器，并且被配置成优先透射对应于水的相应吸收峰的波长带内的中红外辐射；所述三个窄带通滤波器中的第二者包括油滤波器，并且被配置成优先透射对应于油的相应吸收峰的波长带内的中红外辐射；并且所述三个窄带通滤波器的集合中的第三者包括CO2滤波器，并且被配置成优先透射对应于CO2的相应吸收峰的波长带内的中红外辐射；一个或多个红外检测器(6)，其被配置成检测透射通过三个窄带通滤波器的集合的经过滤的中红外辐射；以及处理器布置(7)，其可操作地耦合至所述一个或多个红外检测器，并且被配置成测量所述检测到的透射通过所述三个窄带通滤波器的集合的中红外辐射的强度，并且由其确定所述流体中的CO2的量，无论接触所述窗的所述流体是基于液体水的相、基于液体油的相或基于液体水和液体油的相的混合物还是气相。...

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2014.09.15 GB 1416256.41.一种用于监测流体中的CO2的传感器，所述传感器包括：内反射窗(4)，其被配置成用于接触所述流体；中红外光源(1)，其被配置成将中红外辐射的光束(3)引导至所述窗中，以在所述窗与所述流体之间的界面处提供中红外辐射的所述光束(3)的衰减内反射；三个窄带通滤波器的集合(5)，其被配置成过滤从所述窗接收的内反射的中红外辐射，其中：所述三个窄带通滤波器的集合中的第一者包括水滤波器，并且被配置成优先透射对应于水的相应吸收峰的波长带内的中红外辐射；所述三个窄带通滤波器中的第二者包括油滤波器，并且被配置成优先透射对应于油的相应吸收峰的波长带内的中红外辐射；并且所述三个窄带通滤波器的集合中的第三者包括CO2滤波器，并且被配置成优先透射对应于CO2的相应吸收峰的波长带内的中红外辐射；一个或多个红外检测器(6)，其被配置成检测透射通过三个窄带通滤波器的集合的经过滤的中红外辐射；以及处理器布置(7)，其可操作地耦合至所述一个或多个红外检测器，并且被配置成测量所述检测到的透射通过所述三个窄带通滤波器的集合的中红外辐射的强度，并且由其确定所述流体中的CO2的量，无论接触所述窗的所述流体是基于液体水的相、基于液体油的相或基于液体水和液体油的相的混合物还是气相。2.根据权利要求1所述的传感器，其中所述三个窄带通滤波器的集合优先透射对应于以下各项的相应波长带内的中红外辐射：对于水3330cm-1吸收峰；对于油2900cm-1吸收峰；以及对于CO22340cm-1吸收峰。3.根据权利要求1或2所述的传感器，其中为确定所述流体中的CO2的量，所述处理器布置由所测得的透射通过所述水和油滤波器的所述中红外辐射的强度计算所述流体的相位，并且接着由所述流体的所述相位和所测得的透射通过所述CO2滤波器的所述中红外辐射的强度计算所述流体中的CO2的量。4.根据权利要求3所述的传感器，其中在所述流体中的CO2的量的所述计算中，所述处理器布置使用所述流体的折射率，所述折射率是从所述流体的所述相位得到。5.根据前述权利要求中任一项所述的传感器，其中所述三个窄带通滤波器的集合(5)中的每一者被配置成使得其波长透射带在约25至150℃范围内的所有温度下为基本上温度不变的。6.根据权利要求5所述的传感器，其中所述窄带通滤波器中的每一者包括干涉滤波器，所述干涉滤波器具有衬底并且在所述衬底的每个相对侧具有交替的高折射率层和低折射率层。7.根据前述权利要求中任一项所述的传感器，其进一步包括：参考窄带通滤波器(5’)，所述参考窄带通滤波器被配置成透射对应于所述流体的吸收光谱的参考部分的波长带内的中红外辐射，其中所述或另一红外检测器被配置成检测透射通过所述参考滤波器的经过滤的中红外辐射，并且其中所述处理器布置被配置成测量所检测到的透射通过所述参考滤波器的中红外辐射的参考强度并且在所述流体中的所述CO2的量的所述确定中使用所述测得的参考强度。8.根据前述权利要求中任一项所述的传感器，其中将中红外辐射的所述光束脉冲。9.根据前述权利要求中任一项所述的传感器，其中所述窗包括金刚石窗或蓝宝石窗中的一者。10.根据前述权利要求中任一项所述的传感器，其进一步包括：加热器(8)，其被配置成加热所述窗并且清洁与所述流体接触的所述窗的表面。11.根据前述权利要求中任一项所述的传感器，其进一步包括：压力脉冲布置，其被配置成在所述窗处在...

【专利技术属性】
技术研发人员：藤泽刚，S赵，T琼斯，N劳伦斯，R拉斯塔德，L姜，S加林斯，
申请(专利权)人：施蓝姆伯格技术公司，
类型：发明
国别省市：荷兰,NL