СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ФЛУОРЕСЦЕНТНОЙ СПЕКТРОМЕТРИИ В СКВАЖИНЕ Российский патент 2008 года по МПК G01V8/02 

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к способу и устройству для простой в осуществлении флуоресцентной спектрометрии с использованием светодиодного источника УФ-излучения в условиях скважины для оценки чистоты проб флюида и плотности флюида в градусах Американского института нефти (API) на основании спектральной характеристики пробы с течением времени. Для более достоверной регистрации присутствия бурового раствора на углеводородной или водной основе предусмотрено введение в буровой раствор веществ-индикаторов.

Уровень техники

Флуоресцентный анализ проводится на буровом шламе и кернах, получаемых во время бурения скважин, для определения наличия углеводородов в поровых флюидах - жидких средах пористой породы скважины. Пример такого способа раскрыт в патенте US 4690821. Подобные способы предусматривают очистку бурового шлама и кернов для удаления из них любых используемых при бурении технологических жидкостей, присутствие которых может помешать проведению анализа. Образцы породы размельчаются и подвергаются жидкостной экстракции с последующим анализом растворителя-экстрагента. В других случаях образец облучают непосредственно (без промежуточной обработки) и анализируют его флуоресценцию. Хотя эта методика может обеспечить достаточную точность анализа поровых флюидов, ей присущи определенные недостатки. Получение кернов представляет собой относительно дорогостоящий процесс и для анализа керн необходимо поднять на поверхность. Кроме того, поскольку керны берутся только из определенных мест, не исключена вероятность пропуска продуктивного пласта. Получение бурового шлама при бурении идет непрерывно, но недостаток использования шлама состоит в том, что на поверхности невозможно определить точное происхождение тех или иных частиц породы по разрезу скважины, что затрудняет выявление продуктивных пластов. Кроме того, анализ бурового шлама не позволяет точно судить о размерах возможно выявленных продуктивных пластов. Поэтому в последнее время инновационная деятельность была сосредоточена на изучении возможностей проведения флуоресцентных исследований в условиях скважин.

В патенте US 5912459 (Mullins и др.) на изобретение "Способ и устройство для люминесцентного каротажа" раскрыт способ, предусматривающий облучение ствола скважины размещенным в скважинном приборе источником света, детектирование любого возбужденного флуоресцентного излучения посредством расположенного в приборе детектора и анализ флуоресцентного излучения для определения присутствия в породе углеводородов. В предпочтительном варианте облучают стенку скважины, а флуоресцентное излучение регистрируют через окошко в приборе, прижимаемое к стенке скважины. Обычно окошко прижимают к стенке скважины с усилием, достаточным для вытеснения возможных фильтрационных корок бурового раствора на значительной период времени, при перемещении прибора по стволу скважины. Прижим окошка к стенке скважины сводит к минимуму влияние ее шероховатости при допущении, что степень шероховатости стенки скважины является низкой.

В международной публикации WO 01/20322 А1 описан способ флуоресцентной спектрометрии для расчета давления в породе, при котором начинается образование отложений асфальтенов. Этот известный способ предусматривает облучение отобранной пробы и измерение флуоресценции при нескольких значениях давления. Осаждающиеся асфальтены вызывают значительное оптическое рассеивание. Образование отложений асфальтенов выявляется по резкому уменьшению интенсивности проходящего света и значительному повышению рассеивания света в пробе. В публикации WO 01/20322 А1 флуоресценция используется только для определения загрязняющих примесей. Таким образом, существует необходимость создания способа и устройства для определения свойств нефти, а также чистоты проб нефти с использованием флуоресценции.

В условиях буровой скважины управление работой датчиков является сложной задачей. Измерительные приборы, используемые в буровой скважине, должны работать в условиях ограниченного пространства герметичного корпуса скважинного прибора, при повышенных температурах, и должны выдерживать ударные и вибрационные нагрузки. Таким образом, существует необходимость в простом и надежном устройстве для флуоресцентной спектрометрии, подходящем для работы в условиях буровой скважины.

Раскрытие изобретения

В соответствии с настоящим изобретением предлагается для источника ультрафиолетового (УФ) излучения использовать УФ-светодиод или матрицу из малых светодиодов. Матрица малых светодиодов имеет более высокий электрический к.п.д., чем один светодиод большего размера. Изобретение позволяет контролировать чистоту проб жидкости (по изменению флуоресценции), так как фильтрат синтетических растворов на углеводородной основе (РУО) не содержит ароматических углеводородов и поэтому не флуоресцирует, тогда как нефть содержит ароматические углеводороды, которые флуоресцируют. Типовой УФ-светодиод имеет активный слой из нитрида галлия (GaN), буферный слой (также называемый оболочкой) из нитрида алюминия (AlN) и сапфировую подложку. УФ-светодиод с более низкими рабочими характеристиками имеет активный слой из нитрида галлия (GaN), буферный слой из нитридов алюминия и индия (AlInN) и подложку из карбида кремния.

Изобретение также позволяет проводить в скважине оценку дополнительных свойств нефти, поскольку повышенная яркость измеряемой флуоресценции и/или повышенная интенсивность флуоресценции, измеряемой в голубой области спектра, указывает на более высокую плотность флюида в градусах API. При понижении давления, действующего на газированную нефть (т.е. нефть, содержащую газообразные пластовые флюиды), изменение соотношения интенсивности флуоресценции в голубой и зеленой областях спектра наступает после снижения давления ниже точки начала образования отложений асфальтенов.

В соответствии с настоящим изобретением также предлагается использовать флуоресцентные вещества-индикаторы, добавление которых в буровой раствор или технологическую жидкость повышает точность измерений, разделяющих нефть и фильтрат РУО, что помогает количественно оценивать степень загрязнения нефти фильтратом РУО на основании присутствия или отсутствия веществ-индикаторов.

Для получения дополнительных количественных результатов предлагается вносить в измеренную характеристику флуоресценции коррекции, используя на каждый канал формулу, состоящую из трех коэффициентов.

Изобретением также предусматривается коррелятивное преобразование необработанных результатов измерений следующим образом:

Мультипликативный_поправочный_коэффициент_для_канала_Х_при_температуре_Т=(поправочный коэффициент, учитывающий уменьшение силы света светодиодного источника УФ-излучения, работающего при постоянной силе тока, при повышении температуры)×(поправочный коэффициент, учитывающий уменьшение уровня сигналов фотодиодов при повышении температуры для той же интенсивности облучения)×(поправочный коэффициент, учитывающий различие коэффициентов усиления каналов, различие в чувствительности фотодиодов и изменения чувствительности по температуре).

Объектами настоящего изобретения являются устройство и способ для проведения простой в осуществлении флуоресцентной спектрометрии в условиях скважины. Предлагаемое устройство может быть присоединено к уже используемому модулю определения характеристик скважинных флюидов. Устройство содержит источник УФ-излучения, имеющий две лампы УФ-излучения, УФ-светодиод или матрицу из УФ-светодиодов меньшего размера, оптически прозрачный УФ-соединитель или оптический волновод, а также вместилище для анализируемой пробы. Оптически прозрачный УФ-соединитель и вместилище для пробы флюида выполнены из сапфира. Такое вместилище уже существует как составная часть прибора RCI (Reservoir Characterization Instrument - прибор для определения характеристик пласта-коллектора) SampleView^SM фирмы "Бейкер Атлас". Предлагаемое устройство монтируется таким образом, чтобы путь света от источника излучения, расположенного на дальней от вместилища стороне устройства, проходил через плиту, которая удерживает источник УФ-излучения. Флюид облучается УФ-излучением и, в свою очередь, флуоресцирует. Идущее от пробы флуоресцентное излучение направляется обратно в сторону держателя УФ-лампы и через оптический волновод проходит к оптическому спектрометру (анализатору оптического спектра) для анализа.

В одном варианте изобретения позволяет оператору контролировать чистоту пробы нефти с течением времени путем визуального наблюдения за происходящими во времени ростом и стабилизацией уровня флуоресценции проб. В другом варианте изобретение позволяет оператору оценивать свойства нефти на основании моделей, построенных на соотношениях уровней флуоресценции и нечувствительных к степени разбавления нефти нефлюоресцирующими жидкостями, такими как фильтрат синтетического бурового раствора. Изобретением предусмотрен процессор, решающий хемометрическое уравнение или поддерживающий нейронную сеть для прогнозирования того или иного свойства флюида на основании измеренного спектра флуоресценции. В другом варианте изобретение предусматривает оценку плотности флюида в градусах API на основании соотношения измеренной яркости флуоресценции и доли голубого свечения. В еще одном варианте изобретение позволяет оценивать степени загрязнения пластового флюида фильтратом РУО путем добавления в РУО вещества-индикатора, флуоресцирующего определенным цветом (например, красным), который отсутствует в спектре флуоресценции нефти, что позволяет разделять нефть и фильтрат путем детектирования красной флуоресценции.

Краткое описание фигур чертежей

На фиг.1 показана схема предлагаемого устройства в типовом варианте его выполнения.

На фиг.2А-2В показаны элементы конструкции устройства, используемые для установки источника УФ-излучения на блок спектрального анализа.

На фиг.3 показано взаимное расположение элементов конструкции, изображенных на фиг.2А-2В.

На фиг.4 представлены диаграммы определяемых по флуоресценции свойств нефти, показывающие, что чем выше плотность нефти в градусах API, тем меньше длина волны максимума флуоресценции, и чем выше плотность нефти в градусах API, тем ярче флуоресценция и тем ниже отношение Q интенсивности свечения в красной области к интенсивности свечения в зеленой области.

На фиг.5 представлен пример осуществления изобретения в условиях скважины.

Подробное описание предпочтительного варианта изобретения

Фиг.1 иллюстрирует существующую компоновку элементов модуля определения характеристик флюида в скважине, такого как прибор для определения характеристик пластов-коллекторов SampleView^SM фирмы "Бейкер Атлас". Источник 101 белого света (например, лампа накаливания с вольфрамовой нитью) излучает свет в направлении пробы флюида, а линзовый коллиматор 103, расположенный между источником 101 белого света и пробой флюида, собирает свет в пучок параллельных лучей. Коллимированный пучок света практически перпендикулярно падает на первое сапфировое окошко 301. Сапфировые окошки 301 и 303 расположены в основном перпендикулярно коллимированному пучку 306 света и разделены зазором или каналом 304, по котором может проходить заключенный между окошками поток пробы 305 флюида. Для определения свойств пробы можно использовать отраженный свет и свет флуоресценции. Существующие скважинные приборы (см. фиг.1) снабжаются источником 102 УФ-излучения, который может включаться, когда источник 101 с вольфрамовой нитью выключен. Такой источник УФ-излучения может представлять собой одну или несколько УФ-ламп, УФ-светодиод или матрицу из малых УФ-светодиодов. Спектрометр 104, содержащий расположенные перед фотодиодами фильтры фиксированных длин волн, обеспечивает измерение характеристик флуоресценции нефти и сбор результатов таких измерений. Выходные сигналы с фотодиодов собираются и обрабатываются электронным оборудованием/процессором 308. Глубина исследования проба составляет лишь 1-2 мкм от поверхности сапфирового окошка, поэтому пузырьки газа или механические частицы, находящиеся на расстоянии более 3 мкм от поверхности окошка, не оказывают влияния на результаты оптических измерений пробы. Изучение материала на малой глубине называется методом исследований в граничном слое, поскольку исследования пробы ведутся лишь на малой глубине (1-2 мкм). Таким образом, предлагаемый в изобретении метод исследования в граничном слое практически исключает кратковременные повышения яркости, вызываемые пузырьками газа, а также кратковременные потемнения, вызываемые механическими частицами, так как большинство пузырьков и частиц не подходят к поверхности сапфирового окошка на расстояние в пределах 1-2 мкм. Если запереть пробу пластового флюида в канале 304 и изменять объем образовавшейся камеры, закрыв клапан 340 и перемещая поршень 341 вверх или вниз, тем самым уменьшая или увеличивая объем пробы в канале 304, то давление в канале 304 будет возрастать или снижаться, соответственно.

На фиг.2А-2В показаны элементы конструкции устройства, используемые для установки источника УФ-излучения на блок спектрального анализа, например, показанного на фиг.1. Средством крепления вышеупомянутого источника к блоку спектрального анализа (например, SampleView^SM) служит плита 200 основания и винты. Предусмотрено несколько держателей 211 для ламп или УФ-светодиодов, выполненных из электроизоляционного материала с винтами для их фиксации. Эти же винты используются для крепления плиты 200 основания к блоку спектрального анализа. На схеме также показан оптически прозрачный УФ-соединитель 202 и его положение относительно двух ультрафиолетовых ламп или светодиодов 204 после сборки устройства. Соединитель 202 перекрывает зоны излучения ламп 204, тем самым ограничивая распространение УФ-излучения объемом оптического соединителя 202.

Настоящее изобретение позволяет проводить в скважине оценку дополнительных свойств нефти, поскольку известно, что чем флуоресценция ярче и/или чем больше в ней доля голубого света, тем выше плотность флюида в градусах API. Известно также, что при понижении давления газированной нефти отношение интенсивности флуоресценции в голубой области спектра к интенсивности флуоресценции в зеленой области изменяется после прохождения давления образования отложений асфальтенов. Таким образом, в соответствии с изобретением предлагается понижать давление пробы флюида, одновременно контролируя соотношение интенсивности флуоресценции в голубой и зеленой областях спектра, и за давление образования отложений асфальтенов принимать давление, при котором вышеупомянутое соотношение изменяется с большего единицы на меньшее единицы. На фиг.4 представлены диаграммы определяемых по флуоресценции свойств нефти, показывающие, что чем выше плотность нефти в градусах API, тем короче длина волны максимума флуоресценции, и чем выше плотность нефти в градусах API, тем ярче флуоресценция и тем ниже отношение Q интенсивности свечения в красной области к интенсивности свечения в зеленой области (по данным геологической службы Канады, г.Калгари).

Прямоугольный проем 205 в центре плиты 200 основания обеспечивает прохождение через плиту основания отраженного ультрафиолетового флуоресцентного свечения. Этот проем позволяет анализировать и другие световые сигналы (например, обусловленные работой источника света с вольфрамовой нитью), когда УФ-лампы или УФ-светодиоды 204 выключены. Высоковольтный источник питания 207 подает энергию на включение УФ-ламп 204 при температуре 175°С. Используемые в устройстве УФ-отражатели 209 поделены на участки таким образом, чтобы направлять отражаемое излучение под углом, при котором оно будет эффективно собираться в оптически прозрачном УФ-соединителе 202.

На фиг.3 показано взаимное расположение элементов конструкции, изображенных на фиг.2А-2В. Оптически прозрачный УФ-соединитель 202, УФ-лампы или УФ-светодиоды 204, плита 200 основания, отражающий канал 205 для прохода УФ-излучения собраны, как показано на фиг.2А-2В. С одной стороны от оптически прозрачного УФ-соединителя 202 расположены УФ-лампы 204, а с противоположной стороны, опираясь на него, расположено вместилище флюида, содержащее две оптически прозрачные пластины 301 и 303, способные выдерживать высокое давление проходящего между ними пластового флюида 305. В типовом варианте исполнения эти пластины выполнены из сапфира. УФ-соединитель 202 и пластины вместилища выполнены из материалов с практически одинаковым показателем преломления, например, из сапфира, чтобы свет мог проходить из одного материала в другой, не отклоняясь.

От высоковольтного источника питания, показанного на фиг.2А, на лампы или УФ-светодиоды 204 подается напряжение. Как прямой свет от ламп УФ-ламп или УФ-светодиодов 204, так и отраженный от УФ-отражателей 209 свет довольно эффективно передается на ближнюю к источнику часть пластового флюида 305. Для концентрации достаточной плотности УФ-излучения на границе между сапфировым окошком и нефтью изобретение предусматривает использование фацетного зеркального отражателя 209, размещенного по стенкам выемок каждой миниатюрной УФ-лампы или УФ-светодиода и оптического волновода (оптически прозрачного УФ-соединителя) и выполненного из материала с высоким показателем преломления (сапфир), который улавливает свет, испускаемый источником УФ-излучения под большим телесным углом, и проецирует его вперед. Такой зеркальный отражатель (рефлектор) повышает интенсивность излучения на 25%, а оптический волновод повышает интенсивность изобретения на 235%. Указанный оптический волновод также собирает слабое флуоресцентное излучение, испускаемое под большим телесном углом, и направляет его к фотоприемникам (детекторам).

Под действием ультрафиолетового излучения от источника проба 305 пластового флюида флуоресцирует. Результирующее флуоресцентное излучение пробы флюида направляется в обратном направлении через прямоугольный проем 205 в плите основания в блок 308 спектрального анализа. Отраженное флуоресцентное излучение дает полезную информацию при анализе пластового флюида в скважине. Блок 308 спектрального анализа также реализует хемометрические уравнения и поддерживает нейронную сеть для оценки чистоты пластового флюида по результатам измерений флуоресцентных спектров.

Как вариант, в фильтрат добавляют флуоресцентное вещество-индикатор, которое флуоресцирует определенным светом или на определенной длине волны, например, в красной или инфракрасной областях, в которых нефть не флуоресцирует. Таким образом, по отношению красной флуоресценции от введенного в РУО индикатора к флуоресценции нефти можно судить о присутствии в нефти загрязняющих примесей.

В предпочтительном варианте осуществления изобретение предусматривает возможность контроля чистоты проб нефти с течением времени путем анализа происходящих со временем роста и стабилизации уровня флуоресценции. В случае скважин, бурение которых ведется с использованием синтетических буровых растворов на углеводородной основе, изобретение позволяет, отслеживая флуоресценцию, контролировать изменение чистоты проб со временем. Дело в том, что жидкие основы для синтетических буровых растворов разрабатывались с учетом требований к экологической безвредности. Поэтому, в отличие от нефтей, они не содержат таких наиболее распространенных флуоресцирующих углеводородных составляющих, как ароматические соединения или ароматические соединения с конденсированными ядрами. У синтетического фильтрата флуоресценция низка или вообще отсутствует. Поэтому по мере повышения чистоты проб нефти (меньше фильтрата, больше нефти) интенсивность флуоресценции повышается.

В другом варианте осуществления изобретение позволяет оценивать свойства нефти по моделям, построенным на соотношениях флуоресценции и нечувствительных к разбавлению нефти практически не флуоресцирующей жидкостью, такой как фильтрат синтетического бурового раствора. В случае синтетического бурового раствора, чьи фильтраты имеет малую флуоресценцию, если флуоресцируют вообще, добавление фильтрата к нефти оказывает на флуоресценцию нефти "разжижающее" действие. В соответствии с изобретением предлагаются модели, в которых которые различные свойства нефти (например, плотность в градусах API, периоды Т1 и Т2 ядерного магнитного резонанса и т.п.) соотносятся с отношениями уровней флуоресценции нефти на двух или более длинах волн. Эти модели, построенные на вышеупомянутых отношениях, независимы от степени разбавления нефти нефлуоресцирующими фильтратами синтетических буровых растворов, при условии, что собственное поглощение на длинах волн возбуждения и излучения сохраняется относительно низким.

Для реализации выведенных хемометрических уравнений и обученных нейронных сетей с целью оценки свойств проб флюидов по результатам измерений ультрафиолетовых спектров используется процессор 308.

Настоящее изобретение обеспечивает измерение спектров флуоресценции, результаты которых можно соотнести с процентным содержанием метана (природного газа), ароматических углеводородов и другими свойствами нефти, используя хемометрию или нейронные сети. Эти уравнения корреляции независимы от исследуемой нефти или используемого фильтрата.

В типовом варианте осуществления изобретение предусматривает использование выведенных уравнений или нейронных сетей для определения в анализируемой пробе количества ароматических углеводородов. В известных методах опробования пластов прямые измерения процентного содержания примесей или уровней загрязнения пробы не используются. Настоящее изобретение предусматривает использование обучающей последовательности (эталонного набора) известных проб, а применение хемометрии позволяет с помощью компьютера на основании измеренного спектра пробы определять математическое выражение для процентного содержания ароматических углеводородов. Благодаря использованию хемометрии из процесса определения процентного содержания ароматических углеводородов исключается одна стадия. Хемометрия также позволяет обойтись без сведений о том, что представляет каждый пик спектра и насколько определенный пик перекрывает другой пик. Например, настоящее изобретение было использовано для определения процентного содержания примесей загрязнений по хемометрической формуле, выведенной на основе известных проб с известными значениями содержания ароматических углеводородов, например, проб, содержащих 20, 30 или 50% ароматических углеводородов. Обычно фильтрат не содержит ароматических углеводородов, поэтому изобретение позволяет проводить прямое определение процентного содержания примесей или фильтрата в пробе, когда содержание ароматических углеводородов в чистой нефти известно или поддается оценке. Обучающая последовательность также может использоваться для обучения нейронных сетей для прогнозирования или определения процентного содержания присутствующих в пробе ароматических углеводородов. В типовом варианте изобретения результаты хемометрических вычислений и расчетов при помощи нейронных сетей сравнивают и результатам присваивают показатель качества. При совпадении результатов, полученных из хемометрического уравнения и нейронных сетей, устанавливают высокий показатель качества, равный 1,0. Если результаты расходятся, их осредняют, и показатель качества устанавливают как частное разности полученных значений и суммы этих величин, вычтенное из 1,0.

В типовом варианте конструкции устройства для флуоресцентной спектрометрии для возбуждения используется УФ-светодиод, излучающий в интервале длин волн со средней длиной волны примерно 400 нм, а спектрометр измеряет интенсивность флуоресцентного свечения нефти в голубой, зеленой, желтой, оранжево-красной и темно-красной областях видимой части спектра. Значения интенсивности в канале 1 (фиолетовая область, λ=425 нм) не приводятся, так как этот канал слишком сильно перекрывает полосу излучения возбуждения, генерируемого нашим светодиодным источником УФ-излучения. (Это ведь светодиод, а не лазер.) Поэтому значительная часть света с длиной волны 425 нм, создающая сигнал в канале 1, отражается от сапфирового окошка, даже если в камере вместилища имеется только воздух.

Настоящее изобретение предусматривает возможность измерения флуоресценции анализируемой пробы по показаниям спектрометра независимо от любых изменений характеристик используемого измерительного прибора по температуре или длине волны. С этой целью предусматривается возможность калибровки следующим образом:

Каждую используемую при калибровке поправочную формулу можно представить состоящей из трех коэффициентов:

Мультипликативный_поправочный_коэффициент_для_канала_Х_при_температуре-_Т=(поправочный коэффициент, учитывающий уменьшение силы света светодиодного источника УФ-излучения, работающего при постоянной силе тока, при повышении температуры)×(поправочный коэффициент, учитывающий уменьшение уровня сигналов фотодиодов при повышении температуры для той же интенсивности облучения)×(поправочный коэффициент, учитывающий различия коэффициентов усиления каналов, чувствительности фотодиодов и изменения чувствительности по температуре).

Первый поправочный коэффициент учитывает уменьшение силы света УФ-светодиода при изменении температуры и неизменной силе тока возбуждения. Опытным путем было установлено, что при постоянной силе тока возбуждения с ростом температуры выше 25°С на каждый градус теряется около 0,47% исходной (при 25°С) интенсивности излучения светодиода. Поэтому в каждом канале выходной сигнал умножается на величину, обратную той доле исходной интенсивности излучения УФ-светодиода, которая остается при повышенной температуре.

Второй поправочный коэффициент вносит коррекцию, учитывающую потерю светодиодами чувствительности при повышенной температуре. Прибор испытывается в лабораторной печи, причем камера вместилища для флюида заполнена воздухом, а лампа накаливания с вольфрамовой нитью светит с постоянной яркостью. По результатам испытания составляется таблица, в которой для каждого канала собраны фактические (измеренные) значения сигнала в зависимости от температуры. Рядом с фотодиодами расположен датчик температуры, так что когда прибор работает в скважине, вышеупомянутая таблица используется для определения значения отклонения от номинального значения, исходя из температуры и номера канала.

Самый простой способ коррекции, учитывающей влияние третьего из упомянутых выше факторов исходит из того, что характеристика излучения абсолютно черного тела для применяемой лампы накаливания с вольфрамовой нитью (которая используется в абсорбционном спектрометре) в видимой части спектра от 400 до 700 нм имеет вид почти линейной зависимости интенсивности от длины волны, причем наибольшая яркость характерна для красной области (700 нм). Лампы были помещены в фотометрический шар и включены под ток стандартной (номинальной) силы, с измерением их относительной интенсивности излучения (относительной поверхностной плотности потока излучения) в зависимости от длины волны в видимом и ближнем инфракрасном диапазонах. В эксперименте использовалось несколько ламп, а также значения силы тока, чуть большие и чуть меньшие стандартной силы тока, что позволило получить наилучшее эмпирическое соответствие результатов.

Опытным путем было установлено, что относительная интенсивность излучения черного тела (ИИ_ЧТ) в условных единицах в зависимости от длины волны характеризуется прямой линией, описываемой выражением:

ИИ_ЧТ=3,1364×(длина волны_в_нм/1000)-1,1766.

Поскольку темно-красная область (694 нм) соответствует наиболее яркому спектральному каналу лампы накаливания с вольфрамовой нитью в видимой части спектра, численные значения были переведены в другой масштаб, где ИИ_ЧТ в темно-красной области взята за единицу, как это показано ниже в таблице.

В приведенном выше выражении нам нужен только показатель крутизны наклона прямой, так как задача состоит в измерении не данных абсолютной интенсивности (плотности потока) излучения, а только данных относительной интенсивности излучения, обладающих непротиворечивостью по температуре. Вольфрамовая нить работает при температурах, близких к 3000К, так что повышение температуры стеклянной колбы лампы всего до 200°С приводит к пренебрежимо малому изменению относительной интенсивности излучения.

Таблица
Коэффициенты относительной интенсивности излучения черного телаГолубой(Канал_2=475 нм)0,31319Зеленый(Канал_3=525 нм)0,47001Желтый(Канал_4=575 нм)0,62683Оранжево-красный(Канал_5=632 нм)0,80560Темно-красный(Канал_6=694 нм)1,00000

Таким образом, производится вычисление поправочного коэффициента для сигнала каждого канала, в результате чего во время работы лампы накаливания с вольфрамовой нитью при заполнении камеры вместилища воздухом умножение соответствующего поправочного коэффициента на исходный сигнал (сигнал без поправок) дает скорректированные сигналы, относительные величины которых для каналов 6, 5, 4, 3 и 2 составляют 1, 0,8, 0,62, 0,47, 0,31 соответственно.

Следует отметить, что для данных измерений спектральной поглощательной способности, которая имеет относительный характер, все эти дополнительные операции излишни, так как различия коэффициентов усиления, выходных сигналов и т.п. сходят на нет при установлении соотношения между полученными в одном и том же канале результатами измерений при заполнении камеры вместилища в одном случае воздухом, а в другом - нефтью.

Для пояснения в сравнении следует отметить, что формула, выражающая поправочный коэффициент для канала 6, записана в том же формате, что показан для остальных каналов. Однако в случае канала 6 из трех коэффициентов не равен единице только первый.

Каждую формулу можно представить как состоящую из трех коэффициентов:

Мультипликативный_поправочный_коэффициент_для_канала_2_при_температуре_Т=[1/(1-0,0047×(Т-25))]×(фактический_сигнал_при_калибровке_лампы_накаливания_в_канале_2_при_25°С / фактический_сигнал_при_калибровке_лампы_накаливания_в_канале_2_при_Т)×(0,31319×фактический_сигнал_при_калибровке_лампы_накаливания_в_канале_6_при_Т) / фактический_сигнал_при_калибровке_лампы_накаливания_в_канале_2_при_Т.

Мультипликативный_поправочный_коэффициент_для_канала_3_при_температуре_Т=[1/(1-0,0047×(Т-25))]×(фактический_сигнал_при_калибровке_лампы_накаливания_в_канале_3_при_25°С / фактический_сигнал_при_калибровке_лампы_накаливания_в_канале_3_при_Т)×(0,47001×фактический_сигнал_при_калибровке_лампы_накаливания_в_канале_6_при_Т) / фактический_сигнал_при_калибровке_лампы_накаливания_в_канале_3_при_Т.

Мультипликативный_поправочный_коэффициент_для_канала_4_при_температуре_Т=[1/(1-0,0047×(Т-25))]×(фактический_сигнал_при_калибровке_лампы_накаливания_в_канале_4_при_25°С / фактический_сигнал_при_калибровке_лампы_накаливания_в_канале_4_при_Т)×(0,62683×фактический_сигнал_при_калибровке_лампы_накаливания_в_канале_6_при_Т) / фактический_сигнал_при_калибровке_лампы_накаливания_в_канале_4_при_Т.

Мультипликативный_поправочный_коэффициент_для_канала_5_при_температуре_Т=[1/(1-0,0047×(Т-25))]×(фактический_сигнал_при_калибровке_лампы_накаливания_в_канале_5_при_25°С / фактический_сигнал_при_калибровке_лампы_накаливания_в_канале_5_при_Т)×(0,8056048×фактический_сигнал_при_калибровке_лампы_накаливания_в_канале_6_при_Т) / фактический_сигнал_при_калибровке_лампы_накаливания_в_канале_5_при_Т. Мультипликативный_поправочный_коэффициент_для_канала_6_при_температуре_Т=[1/(1-0,0047×(Т-25))]×(фактический_сигнал_при_калибровке_лампы_накаливания_в_канале_6_при_25°С / фактический_сигнал_при_калибровке_лампы_накаливания_в_канале_6_при_Т)×(1,0000×фактический_сигнал_при_калибровке_лампы_накаливания_в_канале_6_при_Т) / фактический_сигнал_при_калибровке_лампы_накаливания_в_канале_6_при_Т.

В одном варианте изобретения было обнаружено, что одни УФ-светодиоды имеют лучшие рабочие характеристики, чем другие. У карбида кремния SiC теплоотдача (теплопроводность) примерно в 4 раза выше, чем у сапфира. У нитрида алюминия AlN теплопроводность примерно в 10 раз выше, чем у сапфира и примерно в 2 раза выше, чем у нитрида галлия GaN.

Различие между AlN и GaN по тепловому расширению в интервале температур от 1000°С до комнатной температуры практически ничтожно.

На фиг.5 иллюстрируется типичный вариант применения настоящего изобретения при использовании в скважине. Изобретение осуществимо при использовании каротажного кабеля, приборов, спускаемых в скважину на тросе, или в процессе для измерений в процессе бурения. На фиг.5 представлен типовой вариант осуществления изобретения для случая проведения измерений в процессе бурения. На этой фигуре показана обычная буровая вышка 201, от которой понятным специалисту образом проходит скважина 203. Буровая вышка 201 имеет спусковую колонну 206, которая в данном варианте представляет собой бурильную колонну. На конце бурильной колонны 206 закреплено буровое долото (или буровая колонка) 208 для бурения скважины 203. Изобретение может найти применение и при использовании спусковых колонн других типов и осуществимо при использовании кабелей и канатов, сборных колонн насосно-компрессорных труб (НКТ), гибких НКТ и прочих труб малого диаметра, таких как трубы для спуска в скважину под давлением. Буровая вышка 201 установлена на буровом судне 222, снабженном трубопроводом 224, связывающим буровое судно 222 с морским дном 220. Вместе с тем, для реализации настоящего изобретения может быть приспособлена буровая установка любой конфигурации, например наземная установка.

Рассмотренный выше пример выполнения изобретения приведен только для иллюстрации и не ограничивает объема изобретения, определенного в прилагаемой формуле изобретения.

Источник УФ-излучения облучает флюид, который, в свою очередь, флуоресцирует. Излучение флуоресценции передается фотоприемнику с несколькими каналами и затем - на оптический спектрометр. Путем соотнесения длины волны максимума флуоресценции и яркости флуоресцентного свечения анализируемой пробы определяют плотность флюида в градусах Американского института нефти (API). Путем отслеживания изменения соотношения интенсивности флуоресценции пробы флюида в голубой и зеленой областях спектра во время понижения действующего на флюид давления определяют давление образования отложений асфальтенов. Изобретение обеспечивает простые и надежные средства для флуоресцентной спектрометрии в условиях буровой скважины. 2 н. и 20 з.п. ф-лы, 1 табл., 5 ил.

1. Скважинный флуоресцентный спектрометр для измерения в скважине флуоресценции флюида, содержащий камеру для флюида с окошком, пропускающим направляемый на флюид свет, источник ультрафиолетового (УФ) излучения для освещения флюида и фотоприемник, имеющий несколько каналов, оптически связанных с флюидом для измерения флуоресценции флюида, причем спектрометр выполнен с возможностью коррекции сигналов указанных каналов фотоприемника с использованием приблизительно прямолинейной части кривой излучения абсолютно черного тела.2. Флуоресцентный спектрометр по п.1, в котором для определения плотности флюида в градусах Американского института нефти (АНИ) измеряется длина волны максимума флуоресценции.3. Флуоресцентный спектрометр по п.1, в котором источником УФ-излучения является источник УФ-излучения на светоизлучающих диодах (СИД).4. Флуоресцентный спектрометр по п.3, в котором источник УФ-излучения на СИД содержит матрицу ультрафиолетовых СИД.5. Флуоресцентный спектрометр по п.1, выполненный с возможностью определения чистоты нефти в отношении содержания фильтрата путем выявления степени присутствия в скважинном флюиде добавленного в фильтрат вещества-индикатора.6. Флуоресцентный спектрометр по п.5, в котором вещество-индикатор флуоресцирует в красной или инфракрасной области спектра.7. Флуоресцентный спектрометр по п.1, дополнительно содержащий устройство для понижения действующего на флюид давления и процессор, позволяющий определять давление выпадения асфальтенов на основании изменения соотношения интенсивности флуоресценции в голубой и зеленой областях спектра по характеристике понижения давления.8. Флуоресцентный спектрометр по п.1, в котором для каналов фотоприемника предусмотрена поправочная формула с поправочным коэффициентом, учитывающим зависимость измеренной флуоресценции от температуры.9. Флуоресцентный спектрометр по п.3, в котором используется поправочный коэффициент для коррекции по уменьшению силы света источника УФ-излучения на СИД с повышением температуры.10. Флуоресцентный спектрометр по п.1, выполненный с возможностью выполнения коррекции по меньшей мере по одному из следующих факторов: различиям коэффициентов усиления каналов, уменьшению силы света источника излучения на СИД с изменением температуры, различиям чувствительности фотоприемников и изменениям чувствительности фотоприемника с изменением температуры.11. Флуоресцентный спектрометр по п.1, содержащий также процессор, выполненный с возможностью контроля чистоты флюида на основании спектров флуоресценции.12. Способ измерения в скважине спектров флуоресценции флюида, заключающийся в том, что флюид в скважине освещают ультрафиолетовым (УФ) излучением, измеряют флуоресценцию флюида фотоприемником, имеющим несколько каналов, для определения интересующего параметра флюида и корректируют сигналы указанных каналов фотоприемника, используя приблизительно прямолинейную часть кривой излучения абсолютно черного тела в определенном диапазоне длин волн.13. Способ по п.12, в котором флуоресценцию в каждом канале измеряют в области отдельной длины волны.14. Способ по п.12, в котором УФ-излучение создают при помощи источника УФ-излучения на светоизлучающих диодах (СИД).15. Способ по п.12, в котором диапазон длин волн излучения абсолютно черного тела находится в видимой части спектра примерно от 400 до 700 нм.16. Способ по п.12, в котором используют вещество-индикатор, добавляемое в фильтрат для определения чистоты нефти в отношении содержания фильтрата путем выявления степени присутствия в скважинном флюиде добавленного в фильтрат вещества-индикатора.17. Способ по п.16, в котором вещество-индикатор флуоресцирует в красной или инфракрасной области спектра.18. Способ по п.12, в котором понижают давление, действующее на флюид, и на основании изменения соотношения интенсивности флуоресценции в голубой и зеленой областях спектра по характеристике понижения давления определяют давление выпадения асфальтенов.19. Способ по п.12, в котором для каждого канала фотоприемника применяют поправочную формулу с поправочным коэффициентом, учитывающим зависимость измеренной флуоресценции от температуры.20. Способ по п.12, в котором используют поправочный коэффициент для коррекции по уменьшению силы света источника УФ-излучения на СИД с повышением температуры.21. Способ по п.12, в котором сигналы корректируют по меньшей мере по одному из следующих факторов: различиям коэффициентов усиления каналов фотоприемника, различиям чувствительности фотоприемников и изменениям чувствительности фотоприемника с изменением температуры.22. Способ по п.12, в котором на основании спектра флуоресценции контролируют чистоту флюида.