本公開的實(shí)施方案涉及中紅外感測(cè)，并且更具體地為但不限于用于監(jiān)測(cè)流體中的二氧化碳(co2)的中紅外傳感器。

背景技術(shù)：

分析來自烴井的流體樣品的化學(xué)組成以確定相特性和化學(xué)組成是在烴井的監(jiān)測(cè)和管理以及烴儲(chǔ)層的可生產(chǎn)性和經(jīng)濟(jì)價(jià)值的評(píng)估中的一個(gè)重要步驟。類似地，在生產(chǎn)或其它操作期間對(duì)流體組成的監(jiān)測(cè)可對(duì)儲(chǔ)層管理決策具有重大影響。類似地，相特性和化學(xué)組成的確定在用于從井口傳輸/運(yùn)輸烴的管道等(包括海底管道)中是重要的。

若干公開已描述了在井下環(huán)境中使用近紅外(例如λ＝1–2.5μm)光譜測(cè)量對(duì)鉆孔流體中的特定氣體的分析。舉例來說，美國(guó)專利號(hào)5,859,430描述了使用近紅外光譜法來定量確定氣相中甲烷、乙烷以及其他簡(jiǎn)單烴類的存在。使用在光譜區(qū)1.64-1.75μm內(nèi)分子的泛頻/組合振動(dòng)模式對(duì)近紅外輻射的吸收對(duì)氣體進(jìn)行檢測(cè)。

最近，美國(guó)專利號(hào)6,995,360描述了在井下環(huán)境中使用波長(zhǎng)λ＝3-5μm的中紅外輻射來監(jiān)測(cè)氣體，并且美國(guó)專利公布號(hào)2012/0290208提出使用中紅外輻射來監(jiān)測(cè)溶解到咸水層的液體溶液中的封存的二氧化碳。

然而，在烴工業(yè)中使用中紅外傳感器以及處理來自此類傳感器的信息存在許多技術(shù)問題。另外，利用中紅外光譜法來進(jìn)行co2監(jiān)測(cè)在很大程度上先前尚未被認(rèn)可。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

因此，在第一方面，根據(jù)本公開的一個(gè)實(shí)施方案，提供一種用于監(jiān)測(cè)流體中的co2的傳感器，其中所述傳感器包括：

內(nèi)反射窗，其用于與流體接觸；

中紅外輻射源，其用于將中紅外輻射的光束引導(dǎo)至所述窗中，其中光束在窗與流體之間的界面處經(jīng)歷衰減內(nèi)反射；

三個(gè)第一窄帶通濾波器的集合，其中窄帶通濾波器各自被配置成優(yōu)先透射對(duì)應(yīng)于水、油以及co2的相應(yīng)吸收峰的波長(zhǎng)帶內(nèi)的中紅外輻射以過濾從窗接收的內(nèi)反射的中紅外輻射；

一個(gè)或多個(gè)紅外檢測(cè)器，其用于檢測(cè)透射通過濾波器集合的經(jīng)過濾的中紅外輻射；以及

處理器，其被配置成處理/測(cè)量所檢測(cè)到透射通過濾波器集合的中紅外輻射的強(qiáng)度，并且由其確定流體中的co2的量(例如濃度)。

通過使用第一方面的三個(gè)濾波器的集合，傳感器可測(cè)量co2，無論接觸窗的流體是基于液體水的相、基于液體油的相、基于液體水和液體油的相的混合物還是氣相。

此類傳感器是高度靈活的，因?yàn)閷?duì)于co2濃度的確定來說不必使窗與液體接觸，即它可與液體或氣體接觸。一般來說，衰減全反射中紅外感測(cè)僅可用于感測(cè)凝聚相，但根據(jù)本公開的一個(gè)實(shí)施方案的傳感器可測(cè)量非凝聚相中的co2，因?yàn)閏o2在約4.3μm的波長(zhǎng)下在中紅外線中強(qiáng)烈吸收。

如下文所論述，傳感器可為例如具有另一類似傳感器以獲得參考強(qiáng)度的傳感器布置的一部分。

在第二方面，根據(jù)本公開的一個(gè)實(shí)施方案，提供使用第一方面的傳感器或傳感器布置來確定流體中的co2的量(例如濃度)。因此，監(jiān)測(cè)流體中的co2的方法可包括：提供第一方面的傳感器，使得內(nèi)反射窗與流體直接接觸；以及操作傳感器以確定流體中的co2的量(例如濃度)。

在第三方面，根據(jù)本公開的一個(gè)實(shí)施方案，提供一種包括第一方面的傳感器或傳感器布置的井工具(諸如鉆井、生產(chǎn)井或鋼纜式取樣工具)。

現(xiàn)將陳述本公開的實(shí)施方案的任選特征。這些特征單獨(dú)或與本公開的實(shí)施方案任何方面組合為適用的。

根據(jù)本公開的一個(gè)實(shí)施方案，第一濾波器的透射帶可位于約3330cm^-1(水)、2900cm^-1(油)以及2340cm^-1(co2)處。

根據(jù)本公開的一個(gè)實(shí)施方案，流體可為生產(chǎn)流體、鉆井流體、完井流體或工作流體(servicingfluid)。在一些實(shí)施方案中，流體可包括液體/氣體混合物。

如本文所用的“中紅外輻射”意指輻射具有在從約2至20μm范圍中的波長(zhǎng)。在一些實(shí)施方案中，中紅外輻射在約3至12μm或3至10μm范圍內(nèi)。

在本公開的一些實(shí)施方案中，每個(gè)第一窄帶通濾波器可以被配置以使得其波長(zhǎng)透射帶在從約25至150℃范圍中的溫度下是基本上溫度不變的。井下環(huán)境中的溫度可能會(huì)變化很大，例如從室溫直到約150℃或200℃。通過使用此類溫度不變型濾波器，傳感器對(duì)于其周邊環(huán)境的溫度變化的靈敏度可以大大降低，從而提供對(duì)井下環(huán)境中的co2的檢測(cè)和/或co2的量的準(zhǔn)確測(cè)量。

為涵蓋更大的井下溫度范圍，每個(gè)第一窄帶通濾波器的波長(zhǎng)透射帶在從約25至200℃范圍中的所有溫度下可為基本上溫度不變的。為涵蓋井下和海底兩種條件(其中環(huán)境溫度可能在從約-25至25℃范圍中)，每個(gè)第一窄帶通濾波器的波長(zhǎng)透射帶在從約-25至150或200℃范圍中的所有溫度下可為基本上溫度不變的。

如本文所用的“基本上溫度不變”意指變化至多為約0.1nm/℃。在本公開的一些實(shí)施方案中，溫度不變性可為至多約0.05、0.03、0.02或0.01nm/℃。

在本公開的實(shí)施方案中，每個(gè)濾波器可包括干涉濾波器。僅僅舉例來說，在本公開的一些實(shí)施方案中，每個(gè)濾波器可包括由si、sio2、al2o3、ge或znse等形成的襯底，并且在襯底的每一相對(duì)側(cè)上可以形成交替的高折射率層和低折射率層。在本公開的一些實(shí)施方案中，高折射率層可由pbte、pbse或pbs形成，而低折射率層可由zns、znse等形成。

在本公開的實(shí)施方案中，每個(gè)濾波器可具有三個(gè)或更多個(gè)半波長(zhǎng)空腔。許多常規(guī)濾波器顯示隨溫度升高不能接受的高帶偏移。舉例來說，0.2至0.6nm/℃范圍內(nèi)的偏移為典型的。透射率也趨于隨溫度升高而降低。這些特性阻止/限制了中紅外傳感器的開發(fā)。然而，根據(jù)本公開的實(shí)施方案，通過使用pbte基、pbse基、pbs基的干涉濾波器等，有可能基本上減少帶偏移和透射率降低。舉例來說，根據(jù)本公開的一個(gè)實(shí)施方案，pbte基干涉濾波器可具有僅約0.03nm/℃或更小的帶偏移。作為pbte、pbse、pbs等的替代物，在本公開的一些實(shí)施方案中，高折射率層可由ge等形成。

在本公開的一些實(shí)施方案中，在確定流體中的co2的量時(shí)可使用參考強(qiáng)度。因此，根據(jù)本公開的一個(gè)實(shí)施方案，傳感器布置可包括第一方面的傳感器和可用于獲得此參考強(qiáng)度的另一類似傳感器。另一傳感器可具有與第一傳感器類似的特征，除了其窄帶通濾波器透射對(duì)應(yīng)于流體的吸收光譜的參考部分的波長(zhǎng)帶內(nèi)的中紅外輻射。在此類情況下，處理器布置可為兩種傳感器共同擁有的處理器布置。

然而，另一種選擇是使用第一傳感器獲得參考強(qiáng)度。舉例來說，根據(jù)本公開的一個(gè)實(shí)施方案，傳感器可進(jìn)一步包括第二窄帶通濾波器，所述第二窄帶通濾波器被配置成透射對(duì)應(yīng)于流體的吸收光譜的參考部分的波長(zhǎng)帶內(nèi)的中紅外輻射。在此類實(shí)施方案中，可使用所述或另一紅外檢測(cè)器來檢測(cè)透射穿過第二濾波器的經(jīng)過濾的中紅外輻射，并且處理器布置可測(cè)量所檢測(cè)到的透射穿過第二濾波器的中紅外輻射的參考強(qiáng)度并且在流體中的co2的量的確定中使用所測(cè)得的參考強(qiáng)度。

在本公開的一些實(shí)施方案中，第一和第二濾波器可以是可選擇地可安置于單個(gè)檢測(cè)器與窗之間的，或者第一和第二濾波器中的每一者可具有相應(yīng)的檢測(cè)器?？蓪⒌诙瓗V波器配置成使得其波長(zhǎng)透射帶在從約25至150℃范圍內(nèi)的所有溫度下為基本上溫度不變的。第一窄帶通濾波器的其他任選特征對(duì)第二窄帶通濾波器也適合。第二濾波器的透射帶可位于約2500cm^-1處。

在本公開的一些實(shí)施方案中，可將中紅外輻射的光束脈沖。在本公開的一些實(shí)施方案中，這可例如通過在源與窗之間提供機(jī)械斬波器或者通過將源脈沖來實(shí)現(xiàn)。

在本公開的一些實(shí)施方案中，源可為寬帶熱源或較窄帶源，諸如發(fā)光二極管或激光器。

在本公開的一些實(shí)施方案中，檢測(cè)器可為熱電堆、熱電(特別是在低環(huán)境溫度可提供冷卻的海底應(yīng)用中)或光電二極管檢測(cè)器。

在本公開的一些實(shí)施方案中，窗可包括金剛石窗或藍(lán)寶石窗。在本公開的一些實(shí)施方案中，可通過化學(xué)氣相沉積來形成金剛石窗。藍(lán)寶石對(duì)波長(zhǎng)為約5至6微米的中紅外輻射具有截止能力，但藍(lán)寶石窗的形成通?？杀冉饎偸案阋恕Ｒ虼?，對(duì)于低于截止值的吸收峰(諸如約4.3微米處的co2吸收峰)，藍(lán)寶石可為金剛石的適用替代物。具體地說，對(duì)于給定成本，可形成更大的窗。

在本公開的一些實(shí)施方案中，傳感器可進(jìn)一步包括加熱器，所述加熱器可操作以局部加熱窗，從而清潔與流體接觸的窗表面。舉例來說，在本公開的一些實(shí)施方案中，如果窗包括傳導(dǎo)或半傳導(dǎo)性材料(例如一定區(qū)域的半傳導(dǎo)性硼摻雜金剛石)，那么加熱器可包括電力供應(yīng)器，所述電力供應(yīng)器通過窗傳送電流以誘導(dǎo)其電阻加熱。舉例來說，在本公開的一些實(shí)施方案中，金剛石窗可具有中心中紅外透射(例如未摻雜)區(qū)域和半傳導(dǎo)性硼摻雜金剛石的環(huán)繞區(qū)域。加熱器可誘導(dǎo)環(huán)繞區(qū)域的電阻加熱，并且然后可通過環(huán)繞區(qū)域的熱傳導(dǎo)來加熱中心區(qū)域。在本公開的一些實(shí)施方案中，加熱器可將窗加熱至至少400℃的峰值溫度。在本公開的一些實(shí)施方案中，加熱器可將峰值溫度維持不到一微秒。

或者或另外，在本公開的一些實(shí)施方案中，傳感器可進(jìn)一步包括超聲波清潔器，所述超聲波清潔器可操作以通過超聲清潔與流體接觸的窗表面。作為另一種選擇，傳感器設(shè)置有壓力脈沖布置，所述壓力脈沖布置可操作以在窗處在流體中產(chǎn)生壓力脈沖，從而清潔與流體接觸的窗表面。在本公開的一些實(shí)施方案中，所述布置可在流體中產(chǎn)生至少約1000psi(6.9mpa)的壓力脈沖。

在本公開的一些實(shí)施方案中，可將傳感器定位于井下。

為確定流體中的co2的量，在本公開的一些實(shí)施方案中，處理器布置可由所測(cè)得的透射穿過水和油第一濾波器的中紅外輻射的強(qiáng)度計(jì)算流體的相位，并且然后可由流體的相位和所測(cè)得的透射穿過co2第一濾波器的中紅外輻射的強(qiáng)度計(jì)算流體中的co2的量。更具體地說，在本公開的一些實(shí)施方案中，處理器布置可在流體中的co2的量的計(jì)算中使用從流體相位得到的流體折射率。

實(shí)際上更一般地，在第四方面，根據(jù)本公開的一個(gè)實(shí)施方案，提供一種確定流體中的co2的量的方法，所述方法包括：

接收相應(yīng)的所測(cè)得強(qiáng)度的由三個(gè)窄帶通濾波器過濾的中紅外輻射，所述三個(gè)窄帶通濾波器被配置成優(yōu)先透射對(duì)應(yīng)于水、油以及co2的相應(yīng)吸收峰的波長(zhǎng)帶內(nèi)的中紅外輻射，其中中紅外輻射是在過濾之前通過將中紅外輻射的光束引導(dǎo)至內(nèi)反射窗中以便在窗與同窗直接接觸的流體之間的界面處進(jìn)行衰減內(nèi)反射而產(chǎn)生；

由所測(cè)得的由所述水和油濾波器過濾的所述中紅外輻射的強(qiáng)度計(jì)算所述流體的所述相位，以及

由所述流體的所述相位和所測(cè)得的由所述co2濾波器過濾的所述中紅外線的強(qiáng)度計(jì)算所述流體中的co2的量。

所述方法可進(jìn)一步包括：從所計(jì)算的流體相位得到流體折射率。然后可在流體中的co2的量的計(jì)算中使用所述折射率。

本公開的實(shí)施方案的其他方面提供：計(jì)算機(jī)程序，所述計(jì)算機(jī)程序包含代碼，所述代碼當(dāng)在計(jì)算機(jī)上運(yùn)行時(shí)使計(jì)算機(jī)執(zhí)行第四方面的方法；計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)，所述計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)存儲(chǔ)包含代碼的計(jì)算機(jī)程序，所述代碼當(dāng)在計(jì)算機(jī)上運(yùn)行時(shí)使計(jì)算機(jī)執(zhí)行第四方面的方法；以及計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，所述計(jì)算機(jī)系統(tǒng)被編程以執(zhí)行第四方面的方法。

附圖說明

現(xiàn)將參考附圖以舉例方式描述本發(fā)明的實(shí)施方案，在附圖中：

圖1根據(jù)本公開的實(shí)施方案示意性示出了：(a)中紅外傳感器，以及(b)作為模塊以工具串(toolstring)形式實(shí)現(xiàn)的傳感器；

圖2示意性示出了根據(jù)本公開的一個(gè)實(shí)施方案基于法布里-珀羅干涉法(fabry-perotinterferometry)的窄帶通濾波器；

圖3示出了根據(jù)本公開的一個(gè)實(shí)施方案用znse作為低折射率材料和pbte作為高折射率材料制作的一系列濾波器的dλm/λmdt變化；

圖4示出了根據(jù)本公開的實(shí)施方案以下濾波器在從25至200℃的溫度范圍中透射率相對(duì)于波長(zhǎng)的曲線：(a)基于pbte的濾波器，其具有中心位于4.26μm處的通帶，以及(b)基于pbte的濾波器，其具有中心位于12.1μm處的通帶；

圖5示出了(a)由不含給定物質(zhì)的流體獲得的參考強(qiáng)度光譜i0，(b)由含有所述物質(zhì)的流體獲得的強(qiáng)度光譜i，以及(c)所述物質(zhì)的吸收光譜；

圖6示出了溶解于氘代氯仿中以增加十二烷的濃度的十二烷所獲得的強(qiáng)度光譜，所述光譜與通帶為3000至2800cm^-1的第一濾波器和通帶為2000至1800cm^-1的第二濾波器的透射率曲線疊加；

圖7示出了改進(jìn)的吸光度a’相對(duì)于溶解于氘代氯仿中的十二烷的烴含量的圖；

圖8示出了吸光度相對(duì)于溶解于水或烴中的co2濃度的圖；

圖9示出了(a)水相和co2的中紅外吸收光譜，以及(b)h2o中的co2的吸光度相對(duì)于co2濃度的對(duì)應(yīng)曲線；

圖10示出了(a)油相和co2的中紅外吸收光譜，以及(b)油中的co2的吸光度相對(duì)于co2濃度的對(duì)應(yīng)曲線；

圖11示出了水相、油相以及co2的中紅外吸收光譜；并且

圖12示出了氣相中的co2的吸光度相對(duì)于co2濃度的曲線。

在附圖中，類似組件和/或特征可具有相同的參考標(biāo)記。另外，相同類型的各種組件可通過以下方式進(jìn)行區(qū)分：參考標(biāo)記后加短橫線和對(duì)類似組件進(jìn)行區(qū)分的第二標(biāo)記。如果說明書中僅使用第一參考標(biāo)記，那么不考慮第二參考標(biāo)記，描述適用于具有相同第一參考標(biāo)記的類似組件中的任何一個(gè)。

具體實(shí)施方式

隨后的描述僅提供優(yōu)選示例性實(shí)施方案，并且并非意在限制本發(fā)明的范圍、適用性或配置。相反，隨后的優(yōu)選示例性實(shí)施方案的描述將向本領(lǐng)域技術(shù)人員提供用于實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的優(yōu)選示例性實(shí)施方案的詳細(xì)描述，應(yīng)理解，可以在不脫離本發(fā)明的范圍的情況下對(duì)元件的功能和布置作出各種更改。

具體細(xì)節(jié)在以下描述中給出，以提供對(duì)實(shí)施方案的透徹理解。然而，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員將理解，可以在沒有這些具體細(xì)節(jié)的情況下實(shí)踐實(shí)施方案。例如，可以示出熟知的電路、工藝、算法、結(jié)構(gòu)和技術(shù)，而無需不必要的細(xì)節(jié)，以避免使實(shí)施方案模糊。

而且，應(yīng)注意，實(shí)施方案可以被描述成過程，所述過程被描繪成流程表、流程圖、數(shù)據(jù)流圖、結(jié)構(gòu)圖或框圖。雖然流程圖可將操作描述成順序過程，但操作中的許多可并行或同時(shí)執(zhí)行。除此之外，操作的次序可以重新排列。過程當(dāng)其操作完成時(shí)結(jié)束，但是可能具有附圖中不包括的額外步驟。過程可能對(duì)應(yīng)于方法、函數(shù)、規(guī)程、子例程、子程序等。當(dāng)過程對(duì)應(yīng)于函數(shù)時(shí)，其結(jié)束對(duì)應(yīng)于該函數(shù)返回至調(diào)用函數(shù)或主函數(shù)。

此外，如本文所公開，術(shù)語(yǔ)“存儲(chǔ)介質(zhì)”可代表用于存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的一種或多種裝置，包括只讀存儲(chǔ)器(rom)、隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(ram)、磁性ram、磁芯存儲(chǔ)器、磁盤存儲(chǔ)介質(zhì)、光學(xué)存儲(chǔ)介質(zhì)、閃存存儲(chǔ)器裝置和/或用于存儲(chǔ)信息的其它機(jī)器可讀介質(zhì)。術(shù)語(yǔ)“計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)”包括但不限于便攜式或固定存儲(chǔ)裝置、光學(xué)存儲(chǔ)裝置、無線信道以及能夠存儲(chǔ)、包含或攜帶指令和/或數(shù)據(jù)的各種其它介質(zhì)。

此外，實(shí)施方案可通過硬件、軟件、固件、中間件、微代碼、硬件描述語(yǔ)言或其任何組合來實(shí)現(xiàn)。當(dāng)以軟件、固件、中間件或微代碼中實(shí)現(xiàn)時(shí)，用以執(zhí)行必要的任務(wù)的程序代碼或代碼段可以存儲(chǔ)在諸如存儲(chǔ)介質(zhì)等機(jī)器可讀介質(zhì)中。處理器可執(zhí)行必要的任務(wù)。代碼段可代表規(guī)程、函數(shù)、子程序、程序、例程、子例程、模塊、軟件包、類別或指令、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)或程序語(yǔ)句的任何組合。代碼段可通過傳遞和/或接收信息、數(shù)據(jù)、論據(jù)、參數(shù)或存儲(chǔ)器內(nèi)容耦合至另一代碼段或硬件電路。信息、論據(jù)、參數(shù)、數(shù)據(jù)等可以經(jīng)由任何合適的手段進(jìn)行傳遞、轉(zhuǎn)發(fā)或傳輸，所述任何合適的手段包括存儲(chǔ)器共享、消息傳遞、權(quán)標(biāo)傳遞、網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)取?/p>

應(yīng)理解，以下公開提供許多不同的實(shí)施方案或?qū)嵗?，以用于?shí)現(xiàn)各種實(shí)施方案的不同特征。下面描述了組件和布置的特定實(shí)例以簡(jiǎn)化本公開。當(dāng)然，這些僅為實(shí)例且并非意在進(jìn)行限制。除此以外，本公開可能會(huì)在各種實(shí)例中重復(fù)參考編號(hào)和/或參考字母。該重復(fù)是出于簡(jiǎn)單和清楚的目的，且本身并不指示所討論的各種實(shí)施方案和/或構(gòu)造之間的關(guān)系。此外，在以下描述中在第二特征件上方或上面形成第一特征件可包括以直接接觸形成第一和第二特征件的實(shí)施方案，并且還可包括可形成插入第一和第二特征件中使得第一和第二特征件不會(huì)直接接觸的額外特征件的實(shí)施方案。

圖1(a)示意性地示出了根據(jù)本公開的一個(gè)實(shí)施方案的中紅外傳感器，其具有熱寬帶中紅外光源1、將從源發(fā)出的中紅外輻射的光束3脈沖的機(jī)械斬波器2、金剛石窗4、可選擇性去除的第一窄帶通濾波器的集合5和第二窄帶通濾波器5’、濾波器的相應(yīng)中紅外檢測(cè)器6以及處理器布置7。在一些實(shí)施方案中，可將傳感器包裹在保護(hù)外殼中，從而允許在井下配置傳感器，窗4被安置成與所要監(jiān)測(cè)的流體接觸。中紅外波導(dǎo)(未示出)將源、窗以及檢測(cè)器光學(xué)連接。合適的波導(dǎo)可由光纖(例如中空纖維或硫族化物纖維)、固體光管(例如藍(lán)寶石管)或具有反射(例如金)涂層的中空光管(例如空氣或真空填充的)形成。

由于檢測(cè)器6隨其溫度而改變其輸出，即使小的溫度變化也可導(dǎo)致信號(hào)輸出的大的漂移。然而，根據(jù)本公開的一個(gè)實(shí)施方案，將光束3脈沖允許檢測(cè)器的輸出信號(hào)為頻率調(diào)制的，從而能夠從信號(hào)中去除環(huán)境溫度影響。更具體地說，可通過高通濾波器在電學(xué)上在很大程度上去除環(huán)境影響，因?yàn)榄h(huán)境影響的時(shí)間常數(shù)傾向于比信號(hào)頻率長(zhǎng)得多。在本公開的一些實(shí)施方案中，檢測(cè)器輸出為耦合至放大器的ac。然后可例如在電學(xué)上通過鎖定放大或以計(jì)算的方式通過傅立葉變換(fouriertransformation)來提取所需信號(hào)。

替代熱源1和機(jī)械斬波器2，在本公開的一些實(shí)施方案中，可例如由可脈沖的熱源、發(fā)光二極管或激光光源來產(chǎn)生脈沖光束3。以此方式將所述源脈沖可給出同樣的頻率調(diào)制測(cè)量益處，再加上它可降低電阻加熱效應(yīng)。

光束3在窗4的一個(gè)邊緣處進(jìn)入，并且經(jīng)歷許多次全內(nèi)反射，然后從相對(duì)邊緣出現(xiàn)。在窗的流體側(cè)紅外輻射的全內(nèi)反射伴隨著消逝波傳播進(jìn)入流體。由于流體視其化學(xué)組成而定優(yōu)先吸收某些波長(zhǎng)，這使得出現(xiàn)的光束的強(qiáng)度隨波長(zhǎng)具有特征變化。

在本公開的一些實(shí)施方案中，窗4機(jī)械上能夠承受在井下通常遇到的高壓和高溫。它對(duì)井下遇到的流體為化學(xué)穩(wěn)定的，并且在中ir波長(zhǎng)區(qū)為透明的。在本公開的一些實(shí)施方案中，窗可包含金剛石、藍(lán)寶石等。

根據(jù)本公開的一個(gè)實(shí)施方案，第一窄帶通濾波器5各自透射對(duì)應(yīng)于流體中的相應(yīng)物質(zhì)的吸收峰的波長(zhǎng)帶內(nèi)的中紅外輻射，而第二窄帶通濾波器5’透射對(duì)應(yīng)于流體的吸收光譜的參考部分的波長(zhǎng)帶內(nèi)的中紅外輻射。然后，光束3穿過一個(gè)選定的窄帶通濾波器并且在相應(yīng)檢測(cè)器6處被檢測(cè)。替代具有多個(gè)檢測(cè)器，每個(gè)檢測(cè)器可與其對(duì)應(yīng)濾波器一起移動(dòng)(如由雙頭箭頭所指示)，在本公開的一些實(shí)施方案中，提供單個(gè)檢測(cè)器，在所述單個(gè)檢測(cè)器前面濾波器可選擇性移動(dòng)。

在本公開的一些實(shí)施方案中，檢測(cè)器6可包括半導(dǎo)體光電二極管(特別是在海底應(yīng)用中)、熱電堆或熱電檢測(cè)器。

處理器布置7從相應(yīng)檢測(cè)器6接收信號(hào)，它處理所述信號(hào)以測(cè)量所檢測(cè)到的透射通過每個(gè)濾波器5、5’的中紅外輻射的強(qiáng)度，并且如下文更詳細(xì)論述，由其確定流體中的相應(yīng)物質(zhì)的量。

下文還詳細(xì)論述傳感器可具有加熱器8，所述加熱器可操作以局部加熱窗4，從而清潔與流體接觸的窗表面。然而，其他選擇為以超聲波方式(如例如美國(guó)專利號(hào)7,804,598中所描述)或使用機(jī)械擦拭物清潔窗。

圖1(b)示意性示出了根據(jù)本公開的一個(gè)實(shí)施方案如何可作為模塊以工具串形式實(shí)現(xiàn)傳感器。在本公開的一些實(shí)施方案中，可將源1和斬波器2含于源單元9和濾波器5、5’中，并且將檢測(cè)器6含于檢測(cè)器單元10中?？煽拷?定位這些組件，所述窗與工具流線11接觸。可將傳感器包裝在防護(hù)性金屬底盤12中，以承受流線中的流體的高壓?？蓪⒋懊芊庵恋妆P，還是為承受高壓，并且其包裝確保無直接源光線雜散到檢測(cè)器中。

窄帶通濾波器

在本公開的實(shí)施方案中，窄帶通濾波器5、5’可以是基于法布里-珀羅干涉法。如圖2中所示，每個(gè)濾波器可具有襯底s，所述襯底具有低折射率和厚度d。在襯底的相對(duì)表面上堆疊使用諸如離子束濺射或自由基輔助濺射等技術(shù)沉積至襯底上的具有高h(yuǎn)和低l折射率的交替高反射率介電層。在本公開的一些實(shí)施方案中，高h(yuǎn)和低l折射率交替層的堆疊中的每個(gè)層具有四分之一波長(zhǎng)的光學(xué)厚度。

襯底s的光學(xué)厚度ndcosθ(其中n為襯底的折射率)等于整數(shù)個(gè)半波長(zhǎng)λm，其中λm為峰值透射波長(zhǎng)，大致對(duì)應(yīng)于濾波器的通帶的中心波長(zhǎng)。因此，波長(zhǎng)λm的輻射透射穿過濾波器的條件為mλm/2＝ndcosθ，其中m為整數(shù)。

被設(shè)計(jì)成在中紅外光譜區(qū)中操作的常規(guī)窄帶通介電濾波器的光譜區(qū)隨著溫度升高系統(tǒng)地偏移至較長(zhǎng)波長(zhǎng)。λm隨溫度的變化的起源為組成濾波器層的介電材料的材料特性隨溫度的變化。

然而，根據(jù)本公開的一個(gè)實(shí)施方案，以下描述的方法提供在較寬溫度范圍內(nèi)具有基本上溫度不變型光學(xué)特性的中紅外窄帶通濾波器的配置和制造。

所述方法可通過濾波器的設(shè)計(jì)來考慮：

(lh)^x1(ll)^y1(hl)^x2(ll)^y2……(ll)^yn(hl)^xn+1

由在n個(gè)循環(huán)周期內(nèi)的低折射率材料的總計(jì)y個(gè)半波長(zhǎng)間隔(空腔)ll(y＝∑yi)組成，lh是在n個(gè)循環(huán)周期內(nèi)的交替的高折射率材料和低折射率材料的xi個(gè)四分之一波長(zhǎng)層的堆疊。不考慮xi和n的值，對(duì)于一階反射(m＝0)，四分之一波長(zhǎng)反射器堆疊的反射波長(zhǎng)(其為僅有的經(jīng)歷相長(zhǎng)干涉的反射)可表示為：

λm＝2(nldl+nhdh)

反射器堆疊中的波長(zhǎng)的溫度變化dλm/dt|s可表示成：

其中cl和ch分別是低折射率材料和高折射率材料的線性膨脹的系數(shù)。根據(jù)方程式[1]，對(duì)于一階反射和垂直入射(即m＝1且θ＝0°)，低折射率材料的空腔層的對(duì)應(yīng)溫度依賴性dλm/dt|c由以下給出：

注意，y是半波長(zhǎng)空腔層的總數(shù)。波長(zhǎng)隨溫度的總變化dλm/dt|t由dλm/dt|c和dλm/dt|s的和給出：

或

注意，在濾波器被設(shè)計(jì)供使用的溫度下nldl＝nhdh。顯然如果所述材料中的一種的dn/dt的值為負(fù)值，那么dλm/dt|t可僅為零。此條件可由諸如pbte、pbse或pbs等高折射率材料來實(shí)現(xiàn)。為了使dλm/dt|t的值非常接近于零，可將ni溫度的波長(zhǎng)依賴性和dni/dt的波長(zhǎng)依賴性納入考慮。

條件dλm/dt|t＝0近似地由以下給出：

注意，對(duì)于中紅外濾波器中所用的大多數(shù)材料來說，ci比dni/nidt小得多?？筛鶕?jù)低折射率材料的選擇來選擇項(xiàng)(1+y)以滿足上述表達(dá)式。例如，在低折射率材料和高折射率材料分別為znse和pbte的情況下，并且對(duì)于λm＝3.4μm，使用材料體相值nl＝2.43、nh＝6.10、dnl/dt＝6.3x10^-5k^-1和dnh/dt＝-2.1x10^-3k^-1，y＝13.3滿足表達(dá)式，即需要約13個(gè)半波長(zhǎng)空腔層來實(shí)現(xiàn)條件dλm/dt|t＝0。

在多層結(jié)構(gòu)的薄膜中出現(xiàn)的材料特性(nh、dnh/dt、ch等)的值存在相當(dāng)大的變化，并且因此dλm/λmdt的預(yù)測(cè)值或?qū)崿F(xiàn)條件dλm/λmdt＝0所需要的y值存在相當(dāng)大的變化。對(duì)于pbte，鑒于其量值和對(duì)y值的影響，dnh/dt值的不確定性尤為嚴(yán)重。例如，對(duì)于pbte，據(jù)報(bào)道當(dāng)λm＝5μm時(shí)的dn/dt值為-1.5x10^-3k^-1(zemel,j.n.,jensen,j.d.以及schoolar,r.b.,“electricalandopticalpropertiesofepitaxialfilmsofpbs,pbse,pbteandsnte”,phys.rev.140,a330-a343(1965))、-2.7x10^-3k^-1(piccioli,n.,besson,j.m.以及balkanski,m.,“opticalconstantsandbandgapofpbtefromthinfilmstudiesbetween25and300^ok”,j.phys.chem.solids,35,971-977(1974))以及-2.8x10^-3k^-1(weiting,f.和yixun,y.,“temperatureeffectsontherefractiveindexofleadtellurideandzincselenide”,infraredphys.,30,371-373(1990))。根據(jù)上述表達(dá)式，對(duì)應(yīng)的y值(取最近似整數(shù))分別為9、17以及18。

對(duì)于pbte，鑒于dn/dt值的不確定性，且因此實(shí)現(xiàn)dλm/dt＝0所需要的低折射率半波長(zhǎng)間隔的數(shù)量的不確定性，更適用的方法是確定隨通過相同方法制作的一系列濾波器的低折射率空腔的光學(xué)厚度變化的dλm/dt的實(shí)驗(yàn)值。圖3示出使用znse作為低折射率材料以及pbte作為高折射率材料制作的一系列濾波器的dλm/λmdt的變化。該圖顯示，可以通過控制濾波器中的低折射率材料和高折射率材料的比率(即類似于上述表達(dá)式中的y的參數(shù))來實(shí)現(xiàn)dλm/λmdt的特定值。圖3顯示對(duì)于λm<5μm，條件dλm/λmdt＝0由4:4:4(即3個(gè)全波長(zhǎng)或6個(gè)半波長(zhǎng)空腔(y＝6))濾波器來滿足，而對(duì)于λm>5μm，則需要6:4:6(y＝8)濾波器。

根據(jù)本公開的一個(gè)實(shí)施方案，可使用圖3所示的方法來制作在整個(gè)中紅外光譜范圍內(nèi)的基本上溫度不變型濾波器。在本公開的一些實(shí)施方案中，襯底可由si、sio2、al2o3、ge或znse形成。在本公開的一些實(shí)施方案中，高折射率層可由pbte、pbse或pbs形成，不過ge也是一種選擇。在本公開的一些實(shí)施方案中，低折射率層可由zns或znse形成。

圖4示出了以下以下濾波器在25至200℃的溫度范圍內(nèi)透射率相對(duì)于波長(zhǎng)的曲線：(a)基于pbte的濾波器，其具有中心位于4.26μm處的通帶，與襯底最佳光學(xué)匹配，并且具有3個(gè)全波長(zhǎng)厚度空腔(4:4:4)，以及(b)基于pbte的簡(jiǎn)并濾波器，其具有中心位于12.1μm處的通帶，具有3個(gè)半波長(zhǎng)空腔(2:2:2)。可制備通帶中心位于其他中紅外波長(zhǎng)處的類似濾波器。λm＝4.26μm(4:4:4)濾波器的dλm/dt值從20℃下的-0.04nm/k變化至200℃下的+0.03nm/k，并且在80-160℃的溫度范圍內(nèi)大體上為零。λm＝12.1μm(2:2:2)濾波器的dλm/dt值為-0.21nm/k，這是在20-200℃的溫度范圍內(nèi)。這允許此類濾波器在井下布置，在井下溫度可從約25變化至200℃，而濾波器的通帶不會(huì)偏移到它不再對(duì)應(yīng)于相應(yīng)物質(zhì)的吸收峰的程度。

光譜法

應(yīng)用到圖1的傳感器的比爾-朗伯定律(beer-lambertlaw)規(guī)定：

a＝-log10(i/i0)

其中a為流體中在對(duì)應(yīng)于濾波器5的通帶的波長(zhǎng)處具有吸收峰的物質(zhì)的吸收光譜，i為檢測(cè)器6檢測(cè)到的紅外輻射的強(qiáng)度光譜，而i0為參考強(qiáng)度光譜。舉例來說，圖5示出了(a)由不含給定物質(zhì)的流體獲得的參考強(qiáng)度光譜i0，(b)由含有所述物質(zhì)的流體獲得的強(qiáng)度光譜i，以及(c)所述物質(zhì)的吸收光譜。

圖6示出了由溶解于氘代氯仿中以增加十二烷的濃度的十二烷所獲得的強(qiáng)度光譜。隨著烴含量增加，在3000至2800cm^-1的第一波數(shù)范圍內(nèi)存在增加的吸收。相反，烴含量增加對(duì)2000至1800cm^-1的第二波數(shù)范圍內(nèi)的吸收基本上沒有影響。因此，可使用第二范圍作為第一范圍的參考。圖6上疊加的是具有3000至2800cm^-1的通帶的第一濾波器和具有2000至1800cm^-1的通帶的第二濾波器的透射率曲線。因此，實(shí)際上由濾波器檢測(cè)到兩個(gè)光譜，第一光譜為未過濾的光譜乘以第一濾波器的透射率，而第二子光譜為未過濾的光譜乘以第二濾波器的透射率。光譜的通帶區(qū)域(如通過由光電二極管檢測(cè)器接收的信號(hào)的強(qiáng)度所確定)對(duì)應(yīng)于相應(yīng)強(qiáng)度測(cè)量ba和ba0。因此，使用這些來計(jì)算溶解于氘代氯仿中的十二烷的改進(jìn)的吸光度a’，其為ln(ba/ba0)。

圖7示出了改進(jìn)的吸光度a’相對(duì)于溶解于氘代氯仿中的十二烷的烴含量的圖。該圖展現(xiàn)出a’與烴含量之間的近似線性關(guān)系。

以此方式可監(jiān)測(cè)其他物質(zhì)。舉例來說，圖8示出了在油田鉆井條件典型的高分壓和高溫下吸光度相對(duì)于溶解于水或烴中的co2濃度的圖。

二氧化碳濃度

分析來自烴井的流體樣品以確定相位特性和化學(xué)組成在烴儲(chǔ)層的可生產(chǎn)性和經(jīng)濟(jì)價(jià)值的評(píng)估中是一個(gè)重要步驟。在確定氣體和液體烴儲(chǔ)層的經(jīng)濟(jì)價(jià)值時(shí)一個(gè)重要因素為其化學(xué)組成，特別是諸如二氧化碳等氣態(tài)組分的濃度。類似地，在生產(chǎn)操作期間監(jiān)測(cè)流體組成可能對(duì)儲(chǔ)層管理決策(諸如停止某些區(qū)的生產(chǎn)或?qū)ιa(chǎn)井應(yīng)用化學(xué)處理)產(chǎn)生重要影響。

根據(jù)本公開的一個(gè)實(shí)施方案，可使用上文所論述類型的中紅外傳感器來監(jiān)測(cè)井下co2濃度。具體地說，在本公開的一些實(shí)施方案中，傳感器可包括對(duì)應(yīng)于水、油以及co2的相應(yīng)吸收峰的三個(gè)窄帶通濾波器5以及針對(duì)吸收光譜的參考部分的窄帶通濾波器5’。此類布置允許當(dāng)窗4被液體水相、液體油相、液體水相與液體油相的混合物潤(rùn)濕時(shí)或當(dāng)窗干燥時(shí)測(cè)定co2濃度。

舉例來說，圖9(a)示出了窗4被水相潤(rùn)濕的情況下的吸收光譜。光譜的特征為水在3.00μm處高吸收，油在3.45μm處幾乎無吸收。co2濃度與凈co2吸收成比例，這是4.27μm下的co2通道與4.00μm下的參考通道之間的差異?？蓮闹T如圖9(b)中所示的co2吸光度相對(duì)于水中溶解的co2濃度的實(shí)驗(yàn)曲線獲得比例常數(shù)，所述比例常數(shù)允許由co2吸收確定水相中的co2濃度。

類似地，圖10(a)示出了窗4被油相潤(rùn)濕的情況下的吸收光譜。光譜的特征為油在3.45umμm處高吸收，水在3.00μm處幾乎無吸收。再次，co2濃度與凈co2吸收成比例，這是4.27μm下的co2通道與4.00μm下的參考通道之間的差異。可從諸如圖10(b)中所示的co2吸光度相對(duì)于油中溶解的co2濃度的實(shí)驗(yàn)曲線獲得比例常數(shù)，所述比例常數(shù)允許由co2吸收確定油相中的co2濃度。

接下來，圖11示出了窗4被水相和油相的混合物潤(rùn)濕的情況下的吸收光譜。光譜的特征為水在3.00μm處并且油在3.45μm處吸收。再次，co2濃度與凈co2吸收成比例，這是4.27μm下的co2通道與4.00μm下的參考通道之間的差異。然而，對(duì)于水和油來說比例常數(shù)因其折射率而略有不同，并且因此其探測(cè)深度不同。具體來說，油具有比水高的折射率，因此其探測(cè)深度更深，并且可能傳感器在油中比在水中感測(cè)到更多的co2。因此，當(dāng)窗被水相與油相的混合物潤(rùn)濕時(shí)，混合物比例常數(shù)在水與油之間，但可由其計(jì)算。舉例來說，在本公開的一些實(shí)施方案中，可使用“杠桿規(guī)則(leverrule)”，由此如果水峰高度為其全高度的x％，而油峰高度為其全高度的(100-x)％，那么混合物比例常數(shù)為水比例常數(shù)的x％與油比例常數(shù)的(100-x)％的總和。在其他實(shí)施方案中，可使用更復(fù)雜的方案，但簡(jiǎn)單的“杠桿規(guī)則”方法工作得相當(dāng)好，因?yàn)樗陀偷谋壤?shù)之間的差異在任何情況下都不大。

在某些情況下，傳感器窗5可為干燥的。光譜的特征為水在3.00μm處或油在3.45μm處幾乎無吸收。co2濃度與凈co2吸收成比例，這是4.27μm下的co2通道與4.00μm下的參考通道之間的差異。根據(jù)本公開的一個(gè)實(shí)施方案，可從諸如圖12中所示的co2吸光度相對(duì)于氣相中的co2濃度的實(shí)驗(yàn)曲線獲得比例常數(shù)，所述比例常數(shù)允許由co2吸收確定氣相中的co2濃度。

co2濃度的監(jiān)測(cè)在與礦物酸濃度的監(jiān)測(cè)結(jié)合進(jìn)行時(shí)可特別適用。具體地說，礦物酸傳感器可提供多少酸被部署用于刺激碳酸鹽形成的量度，而co2傳感器通過測(cè)量所產(chǎn)生的co2的量可提供所述酸部署的有效性的量度。

加熱器

如上文所提到，在本公開的一些實(shí)施方案中，圖1的傳感器可包括加熱器8，所述加熱器可操作以局部加熱窗4，從而清潔與流體接觸的窗表面。

與其他技術(shù)(諸如超聲波清潔或機(jī)械擦拭物清潔)相比，以此方式清潔窗可特別有效。

在本公開的一些實(shí)施方案中，窗4可由例如金剛石形成(例如通過化學(xué)氣相沉積)。窗的中心(通常未摻雜)區(qū)域可透射中紅外線，而窗的環(huán)形環(huán)繞區(qū)域可被制成半傳導(dǎo)性的，例如通過對(duì)窗的所述部分進(jìn)行硼摻雜。然后，加熱器8可為簡(jiǎn)單的電源，其通過窗傳送電流以誘導(dǎo)環(huán)繞區(qū)域的電阻加熱。然后通過環(huán)繞區(qū)域的熱傳導(dǎo)來加熱窗的中心區(qū)域。美國(guó)專利號(hào)7,407,566中論述了金剛石組分的硼摻雜。

在本公開的一些實(shí)施方案中，加熱器8能夠?qū)⒋凹訜嶂林辽?00℃。這高于水的374℃超臨界點(diǎn)，其中超臨界水包含良好的清潔劑和氧化劑。在本公開的一些實(shí)施方案中，沒有必要將窗長(zhǎng)時(shí)間保持在高溫下。具體地說，對(duì)于清潔的目的，在峰值溫度下不到一微秒可為足夠的，更長(zhǎng)的時(shí)間需要更大的功率并且傳感器的其他部分過熱的危險(xiǎn)增加。

壓力脈沖清潔器

除了上述加熱器或作為其替代方案，在本公開的一些實(shí)施方案中，可通過為傳感器提供壓力脈沖布置來對(duì)窗4進(jìn)行清潔。舉例來說，可將傳感器定位于流體的泵與流線的出口孔之間的流體流線上。在出口孔處于關(guān)閉位置的情況下，可通過泵使窗前面的流體壓力增加至超過流體靜壓。隨后打開出口孔形成突然的壓力差異，從而使流線流體例如涌向鉆孔。窗前稠流體的突然移動(dòng)將窗污染趕走或帶走。在大多數(shù)情況下，1000psi(6.9mpa)壓力脈沖通常就足夠。

上文提到的所有參考文獻(xiàn)在此以引用的方式并入。

前文概括了若干實(shí)施方案的特征，以使得本領(lǐng)域技術(shù)人員可更好地理解本公開的方面。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)了解，他們可容易地使用本公開作為設(shè)計(jì)或修改其他過程和結(jié)構(gòu)的依據(jù)，以便實(shí)現(xiàn)本文所提出的實(shí)施方案的相同的目的和/或?qū)崿F(xiàn)相同的優(yōu)點(diǎn)。本領(lǐng)域技術(shù)人員還應(yīng)認(rèn)識(shí)到，此類等效構(gòu)造并不脫離本公開的范圍，且其可以在不脫離本文所述范圍的情況下做出各種更改、替換和改變。