基于干涉测量的井下分析工具制造技术

本发明专利技术涉及用于通过干涉图(具有包含鉴别频率分量的时间变化的频率分量的光束)进行井下光学分析的各种系统和方法。通过在光路中引入干涉仪来产生干涉图，干涉仪的两臂具有以时间为函数变化的传播时间差。光在干涉仪之前或之后与待分析材料相遇，待分析材料例如为来自地层的流体样品、钻孔流体样品、矿样或钻孔壁的一部分。材料的光谱特性会留在光束上，并且可通过执行傅立叶变换以获得光谱或者能够与一个或多个模板相比较的电子处理装置容易地分析所述光谱特性。被设计成在不利的井下环境中良好运行的干涉仪有望实现实验室质量的测量。

【技术实现步骤摘要】
基于干涉测量的井下分析工具本申请是哈利伯顿能源服务公司的专利技术专利申请(申请日为2009年12月23日、申请号为200980157701.3，专利技术名称为“基于干涉测量的井下分析工具”)的分案申请。
技术介绍
现代油田操作者需要获取大量关于井下遇到的参数和条件的信息。这种信息通常包括钻孔所穿过的地层的特征以及与钻孔本身的尺寸和构造有关的数据。可以通过包括电缆测井、“随钻测井”(LWD)和油管传送测井在内的若干方法来执行井下条件相关信息的采集，其通常被称为“测井”。在电缆测井中，在一些或全部的井被钻成之后，将探头或“测井电极系(sonde)”下放到钻孔中。测井电极系悬挂在对测井电极系提供机械支撑并且还在测井电极系和位于井的地面处的电气设备之间提供电连接的“测井电缆”的长缆或“电缆”的端部。根据现有的测井技术，当测井电极系被拉向井口时，地层的各种参数被测量并与测井电极系在钻孔中的位置联系起来。在LWD中，钻具组件包括当地层被穿透时测量各种参数的感测仪器，从而可以实现地层的测量，而较少地被流体侵入影响。当需要进行LWD测量时，钻井操作所产生的环境通常不利于电子仪表、遥感勘测和传感器操作。油管传送测井是在已有的钻孔内进行的，与电缆测井类似。与电缆测井不同的是，油管传送测井能够使测井工具移动到悬挂在电缆上的工具无法到达的地方，例如水平或向上的钻孔。油管传送测井工具通常要忍受有限的通信带宽，这意味着所获取的数据通常被存储在存储器中，并且在工具返回到地面时从工具下载。在这些和其它的测井环境中，通常以测井记录的形式记录和显示被测参数，测井记录即为将被测参数显示为工具位置或深度的函数的二维曲线图。除了进行作为深度的函数的参数测量之外，一些测井工具还提供作为方位角的函数的参数测量。这种工具测量常常被显示为钻孔壁的二维图像，一个维度代表工具位置或深度，另一维度代表方位角定向，像素强度或颜色代表参数值。一旦钻好钻孔，操作者常常希望在确定完井投产策略之前执行井下地层测试。流体取样工具使操作者能够直接从钻孔壁抽出流体样品并且通常基于抽到样品室中的材料的特性(例如光学性质、电性质、密度、NMR和PVT性质)来测量污染程度、成分和相。
技术实现思路
为此，本专利技术提出一种井下工具，包括：井下光探测器；宽带光源和所述光探测器之间的光路上的井下双光束干涉仪，其中所述干涉仪从沿所述光路接收的光产生光谱化光束，所述光谱化光束具有可通过所述光谱化光束的强度的时间变化来测量的具有多个频率分量的光谱成分；所述光路上的窗口，所述窗口能够使沿所述光路接收的光照射待分析的材料；以及电子处理装置，所述电子处理装置连接到光探测器以探测代表所述光谱化光束的强度的时间变化的电子信号，并且从所述电子信号确定所述多个频率分量以及所述材料的参数；所述干涉仪包括具有低热膨胀系数的集成光路元件，且所述集成光路元件包括分束器。在一实施例中，所述材料是从坐落在钻孔壁上的出口抽出的流体。在一实施例中，所述窗口位于存储用于向地面传输的流体的样品室上，所述光路通过所述流体。在一实施例中，所述参数是流体的污染物水平。在一实施例中，所述参数包括至少一种流体类型的数量。在一实施例中，所述参数包括至少一种物质的浓度。在一实施例中，所述参数是所述流体中的微粒的尺寸分布。在一实施例中，所述材料是钻孔流体，所述参数是流体密度或至少一种流体类型的数量。在一实施例中，所述材料是钻孔壁的一部分。在一实施例中，所述光探测器感测从所述材料反射的光。在一实施例中，所述光探测器感测通过所述材料透射的光。在一实施例中，所述干涉仪包括含有透明材料块的集成光路元件。在一实施例中，所述干涉仪包括具有连接到所述电子处理装置的位置编码器的旋转回射器。在一实施例中，该工具进一步包括参考光源，所述参考光源提供至少穿过包括所述干涉仪和所述光探测器的光路部分的光，其中所述电子处理装置基于来自于所述参考光源的光的测量确定运动补偿。在一实施例中，所述工具适合作为以下装置的至少其中之一的一部分：电缆测井组件、钻具组件和油管传送测井装置。在一实施例中，所述电子处理装置将所述信号与一个或多个模板关联，以确定至少一种物质的相对浓度。本专利技术还提出一种井下分析方法，包括：沿包括井下双光束干涉仪和用于井下样品照射的窗口的光路引导来自于井下光源的准直光；作为时间的函数来调制所述干涉仪的一个臂长，以在光到达井下探测器之前产生光谱化光束，所述光谱化光束具有可通过所述光谱化光束的强度的时间变化来测量的具有多个频率分量的光谱成分；通过所述井下探测器测量所述光谱化光束的强度的时间变化；以及使用测量到的所述光谱化光束的强度的时间变化来确定所述多个频率分量以及所述井下样品的特性，所述干涉仪包括具有低热膨胀系数的集成光路元件，且所述集成光路元件包括分束器。在一实施例中，所述井下样品是从坐落在钻孔壁上的出口抽出的流体。在一实施例中，所述井下样品是钻孔流体或钻孔壁的一部分。在一实施例中，所述特性是以下至少其中之一：污染物水平、至少一种流体类型的数量、至少一种物质的浓度以及微粒的尺寸分布。附图说明结合附图来考虑下面的具体描述，可以更好地理解各个公开的实施例，其中：图1显示了例证性的随钻测井(“LWD”)环境；图2显示了例证性的电缆测井环境；图3显示了例证性的油管传送测井环境；图4显示了例证性的地层流体取样工具；图5显示了例证性的基于干涉仪的流体分析器；图6显示了具有集成(“单片”)光路元件的例证性干涉仪；图7显示了使用旋转回射器(spinningretroreflector)的例证性干涉仪；图8显示了第二个例证性的基于干涉仪的流体分析器；以及图9显示了例证性的基于干涉仪的分析方法。尽管本专利技术能够接受各种修改和替代形式，但是其特定实施例在图中是以示例方式显示的，并在文中进行了详细的描述。不过，应理解的是，附图及其具体描述并非要对公开进行限制，而是相反，其目的是覆盖落入权利要求的明确语言范围内的所有的修改、等效方式和替代方式。具体实施方式因此，本文公开了使用干涉图(通过光波的叠加产生的干涉图案)进行井下光学分析的各种系统和方法。通过在光路中引入干涉仪来产生干涉图，干涉仪的两臂具有以时间为函数变化的传播时间差。光在干涉仪之前或之后与待分析材料相遇，待分析材料例如为来自地层的流体样品、钻孔流体样品、矿样或钻孔壁的一部分。相遇可以以各种形式发生，包括通过样品的透射/衰减、从样品反射、衰减全反射比(倏逝波)、从样品散射以及激发荧光。无论如何，材料的光谱特性会留在光束上，并且可通过执行傅立叶变换以获得光谱或者能够与一个或多个模板相比较的电子处理装置容易地分析所述光谱特性。被设计成在不利的井下环境中良好运行的干涉仪有望实现实验室质量的测量。所公开的系统和方法在其工作所处的较大系统的背景下得到最好的理解。图1显示了例证性的随钻测井(LWD)环境。钻井平台2支撑井架4，井架4具有用于提升和下放钻柱8的游动滑车6。当通过转盘12下放钻柱8时，方钻杆10支撑钻柱8。通过井下电动机和/或钻柱8的转动来驱动钻头14。当钻头14转动时，其产生通过各个地层18的钻孔16。泥浆泵20使钻井液循环通过到方钻杆10的进给管22、在井下通过钻柱8的内部、通过钻头14中的孔、经由钻柱8周围的环状空间回到地面并进本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种井下工具，包括：井下光探测器；宽带光源和所述光探测器之间的光路上的井下双光束干涉仪，其中所述干涉仪从沿所述光路接收的光产生光谱化光束，所述光谱化光束具有可通过所述光谱化光束的强度的时间变化来测量的具有多个频率分量的光谱成分；所述光路上的窗口，所述窗口能够使沿所述光路接收的光照射待分析的材料；以及电子处理装置，所述电子处理装置连接到光探测器以探测代表所述光谱化光束的强度的时间变化的电子信号，并且从所述电子信号确定所述多个频率分量以及所述材料的参数；所述干涉仪包括具有低热膨胀系数的集成光路元件，且所述集成光路元件包括分束器。

【技术特征摘要】
1.一种井下工具，包括：井下光探测器；宽带光源和所述光探测器之间的光路上的井下双光束干涉仪，其中所述干涉仪从沿所述光路接收的光产生光谱化光束，所述光谱化光束具有可通过所述光谱化光束的强度的时间变化来测量的具有多个频率分量的光谱成分；所述光路上的窗口，所述窗口能够使沿所述光路接收的光照射待分析的材料；以及电子处理装置，所述电子处理装置连接到光探测器以探测代表所述光谱化光束的强度的时间变化的电子信号，并且从所述电子信号确定所述多个频率分量以及所述材料的参数；所述干涉仪包括具有低热膨胀系数的集成光路元件，且所述集成光路元件包括分束器。2.根据权利要求1所述的工具，其中所述集成光路元件还包括两个固定反射镜以及两个具有中心孔的固定反射镜。3.根据权利要求1所述的工具，其中所述集成光路元件与旋转角形反射器联用。4.根据权利要求1所述的工具，其中所述旋转角形反射器在偏移轴上旋转以使所述干涉仪中的两个光路的长度差周期性变化，从而使从所述干涉仪传播到所述井下光探测器...

【专利技术属性】
技术研发人员：M·L·莫里斯，S·A·赞诺尼，C·M·琼斯，
申请(专利权)人：哈利伯顿能源服务公司，
类型：发明
国别省市：美国,US