专利名称：井眼流体特征光学传感器的制作方法
技术领域：
本发明总体上涉及井下测井装置和方法，尤其涉及用于实地测量井眼 流体特征的光纤传感器。
背景技术：
在井眼操作中，通常需要确定井眼中的可确定位置处的井眼流体的特 征，例如组成。例如，在一些情况下，可能需要确定水、气或油在何处从 周围地层进入到井眼中。可能还需要确定硫化氢或二氧化碳的存在性。本发明的目的是提供用于确定井眼中的井眼流体的组成和/或特征的 方法和装置。另一目的是提供用于确定井眼流体特征的光纤传感器。又一 目的是提供用于在不需要工具内的流体取样的情况下确定井眼中的井眼流 体的化学组成的光学传感器和方法。发明内容鉴于前述和其他方面考虑，本发明涉及一种通过使用光学传感器确定 井眼流体的组成。在本发明的用于探查井眼流体的光学装置的实例中，光学装置包括光学传感器，所述光学传感器具有形成在基板的表面上的波导器件；所述波导器件的一部分向着周围环境敞开，以在此处发射消逝检测场(evanescentsensing field)。基板具有足以承受井眼中所遭受到的压力的厚度。 一个以上的波导器件或智能(discreet)传感器可形成在基板上。光学系统包括由井眼工具承载的一个或多个光学传感器。所述工具可以是测井工具或钻井工具。所述工具可承载一个或多个光学传感器。多个传感器可形成在单个基板上。希望地，本发明的光学传感器系统提供一种经济、耐用的光学传感器系统，该光学传感器系统能在不需要对流体进行 工具内取样的情况下确定井眼流体的组成及其他特征。
下面，当结合附图阅读对本发明的特殊实施例所作的详细描述时，本 发明的上述和其他特征和方面将被最好地理解，附图包括图1是井眼示意图，其中部署有本发明的光学传感器系统； 图2是本发明的反射系数光学传感器的实例的侧视图；以及 图3是本发明的折射率光学传感器的平面图。
具体实施方式
下面参看附图，在附图中，所示的元件不必按比例示出，且在多个视图中相同或相似的元件以相同的附图标记表示。如在此所使用的，表示相对于指定点或元件的位置的术语"向上"、"向 下"；"上"和"下"；以及其他类似术语用于更清楚地描述本发明的多个实施例的一些元件。通常，这些术语涉及参考点，钻井作业开始的平面作为 顶点，井的总深度作为最低点。现参看图1，示出了总体上以附图标记IO表示的本发明的光学钻孔复 合传感器系统。工具12通过传送部件16悬置在井14或钻孔中。在示出的 实例中，工具12是生产测井工具，传送部件16是缆。缆16可包括传导元 件(未示出)，其用于与数据处理装置18通信，所述传导元件可以是电传 导元件和/或光传导元件。工具12可应用于或结合到随钻测井或测量工具 中，且可由管件或钻管传送。工具12包括一个或多个光学传感器20，用于探测井眼内的物质的各种 特征，这些特征例如但不限于井眼流体26的含水率、气体占有率、油组分、 二氧化碳含量、硫化氢探测值、温度和压力。光源23和探测装置25与一 个或多个光学传感器20可操作连接。光源23和探测装置25可位于不同位 置，例如井面23或在工具12的电子装置外壳24中。工具12包括一个或多个消逝波导传感器20，所述消逝波导传感器20 可以在井眼的恶劣环境中工作。消逝传感器20包括反射系数、透射传感器 20a (图2)和折射率传感器(图3) 20b。注意，传感器20是光纤传感器， 从而相对于工具12来说非常小。如参看图1所述的， 一个或多个传感器20可由工具12承载。如果工具12包括多个传感器20，传感器20可彼此接近 定位，或沿着工具12分散布置。还应当理解，传感器20可以以各种不同 的方式定位在井眼14中，包括在此描述的测井工具实例。传感器20包括制作在基板28 (图2、 3)的表面上的波导器件。波导 器件可通过使用内扩散或离子注入方法制作，且这两个过程可基于可重复 的标准光刻/平面技术。这些方法便于波导路径、和窗口 32 (图2、 3)的 尺寸的准确限定，以指定传感器的性能。各种材料例如蓝宝石、硅、硅石和金刚石可用于基板。蓝宝石提供了 在井眼中使用时所需的益处。蓝宝石晶体的一些益处包括低成本、和较大 尺寸的可获得性。由于各种原因，基板的尺寸很重要。例如，基板28的厚 度必须足以承受在井眼中所遭受到的压力，特别是基板28两侧的压差。可 易于获得厚度为6mm的蓝宝石基板，这可为许多井眼应用提供合适的强 度。尽管基板28被以平面结构的形式示出和描述，但圆柱形或半球形蓝宝 石基板28也可特别地用于高压和/或高温井中。此外，可获得具有大的表 面积(例如，直径为25mm)的蓝宝石基板28，从而可使得在每个基板上 放置多个预估传感器。现参看图2，图中示出了反射系数传感器20a的侧视图。蓝宝石基板 28与光纤30相连地设置。窗口 32透过覆盖物或包覆物34形成，从而使基 板28的表面36上的形成有波导器件(40，图3)的一部分显露。窗口32 使流体26直接暴露给消逝场，并形成检测场38。传感器20a测量波导透射的光谱含量(spectral content)。与波导器件的 消逝场接触的流体26具有与分子吸收带(molecular absorption band)对应 的特征吸收指纹(characteristic absorption fingerprint),该特征吸收指纹可 用于确定流体26的组分。分子吸收带和/或流体的组分经由显示装置等提 供给操作人员。注意，应例如通过扫描照明光源的波长和测量探测器25上的强度(图 1)在相关的谱带上探测透射。工具12可包括这样的传感器20a，所述传感 器20a具有从微米到毫米的不同长度的窗口 32,以覆盖期望范围的透射损 失和灵敏度。现参看图3，图中示出了折射率传感器20b的实例。传感器20b被示为麻克-真德(Mach-Zehnder)干涉仪。波导器件40包括蚀刻在基板28的表 面上的第一分支42和第二分支44。光线沿着波导器件40以箭头所示的方 向传播。如图2所示，波导器件40的绝大部分覆盖有包覆物36，以使消逝 场不进入井眼流体。波导器件40的第二分支44在包覆物或覆盖物中包括 窗口32，以如图2所示地使波导器件44露出。传感器20b的干涉仪器件测量两个或多个波导器件或波导分支之间的 光程长度的差异。波导器件42的表面不会受流体的作用，因为它覆盖有光 保护层。第二波导器件44具有特定的所选长度的窗口 32，以使与波导器件 44接触的流体26的折射率改变光程长度，这利用干涉仪器件探测到。光程 长度的变化幅度可用于评价与波导器件44接触的井眼流体26的特性和组 成。参看图1至3描述工作过程实例。从LED源23发射光线，该光线沿 着光纤30传播，其中光纤30由包覆物34保护而不受井下环境影响。当光 线达到窗口32时， 一些光线与井眼流体26相互作用，其余光线被反射并 沿着光纤返回。反射的光线传播通过Y形耦合器至接收光敏二极管25，并 转换为电信号。反射量依赖于流体26的折射率。通过以上对本发明的特殊实施例所作的详细描述，应当显见，已公开 了一种用于井下测试和确定井眼流体的组成和特征的新颖的、非显而易见 的系统和方法。尽管已较详细地公开了本发明的特殊实施例，但这仅用于 描述本发明的各种特征和各个方面，而不是用于限制本发明的范围。可以 想像，在不脱离权利要求书限定的本发明的精神和范围的情况下，可以对 公开的实施例进行各种替换、改变、和/或修改，包括但不限于在此建议的 那些实施方式的变型。
权利要求
1.一种用于探查井眼流体的光学装置，所述光学装置包括光学传感器，所述光学传感器具有形成在基板的表面上的波导器件，所述波导器件的一部分向着周围环境敞开，以在此处发射消逝探测场。
2. 如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述基板是蓝宝石。
3. 如权利要求l所述的装置，其特征在于，所述光波导器件还包括第 二波导器件部分，所述第二波导器件部分涂覆有保护层，使得消逝场未进 入周围环境中。
4. 如权利要求3所述的装置，其特征在于，所述基板是蓝宝石。
5. —种探查井眼中的流体的光学系统，所述光学系统包括-悬置在井眼中、且被井眼中的流体环绕着的工具；以及 定位在所述工具上的光学传感器，所述光学传感器测量井眼流体的至少一种特征。
6. 如权利要求5所述的系统，其特征在于，所述光学传感器包括形成 在基板上的波导器件，所述波导器件具有向着周围井眼流体敞开的部分。
7. 如权利要求5所述的系统，其特征在于，所述光学传感器是反射系 数、透射型传感器。
8. 如权利要求5所述的系统，其特征在于，所述光学传感器是折射率 型传感器。
9. 如权利要求5所述的系统，其特征在于，所述光学传感器是透射型 传感器。
10. 如权利要求6所述的系统，其特征在于，所述基板是金刚石。
11. 如权利要求6所述的系统，其特征在于，所述基板是蓝宝石。
12. 如权利要求6所述的系统，其特征在于，所述光学传感器是反射系 数型传感器。
13. 如权利要求6所述的系统，其特征在于，所述光学传感器是折射率 型传感器。
14. 如权利要求7所述的系统，其特征在于，它还包括由所述工具承载 着的第二光学传感器，所述第二光学传感器是折射率型传感器。
15. 如权利要求14所述的系统，其特征在于，所述反射系数型传感器 和折射率型传感器形成在单个基板上。
16. 如权利要求15所述的系统，其特征在于，所述基板是蓝宝石。
17. —种测量井眼中的流体的组成的方法，所述方法包括以下步骤 在工具上设置第一光学传感器，所述光学传感器包括形成在基板上的波导器件、在所述波导器件上的光学保护覆盖物、和透过所述保护覆盖物 形成的使所述波导器件的一部分显露的窗口 ；将所述工具部署到井眼和井眼流体中；以及测量井眼流体的至少一种特征。
18. 如权利要求17所述的方法，其特征在于，所述基板是蓝宝石。
19. 如权利要求17所述的方法，其特征在于，所述第一光学传感器是 反射系数型光学传感器，且所述工具还包括第二折射率型光学传感器。
20.如权利要求19所述的方法，其特征在于，第二光学传感器包括波导器件，所述波导器件与第一光学传感器形成在同一基板上。
全文摘要
设有用于实地测量和确定井眼流体的组成的消逝波导传感器。波导器件设置在基板上，所述基板具有足以承受井眼压力的厚度和强度、以及允许井眼特征的宽范围测量的足够的表面积。光学传感器便于在不需对井眼流体进行工具内取样的情况下确定井眼流体组成。
文档编号E21B49/08GK101328806SQ20081012542
公开日2008年12月24日 申请日期2008年6月13日 优先权日2007年6月23日
发明者D·布雷迪 申请人:普拉德研究及开发股份有限公司