專利名稱：利用太赫茲輻射的油-水-氣分析設備和方法
技術領域：
本發明總體涉及材料成分分析。更具體地講，本發明涉及利用輻射檢 測的油-水-氣分析以及在電磁譜的太赫茲域中操作的分析系統。
背景技術：
精確并實時地識別儲層流體成分對于油-水-氣儲層的成功評價和開發 是重要的。儲層流體成分影響儲層開發的所有方面，包括井設計、提高采 收率的方法以及生產策略。實時或者至少接近實時地評價儲層流體成分是 重要的。實時分析優選包括在井筒中的(也被稱為"井下")評價。雖然這
樣不是很及時，但是通常可以在地面儀器車(surface laboratory)中評價 提取的樣本。為了獲得井下樣本，將特定工具降到井中并且設定感興趣的 交叉點。轉讓給Schlumberger科技公司的第5,166,747號美國專利中描述了 這種工具的示例，該專利的全部內容通過引用結合于此。通過建立與儲層 的連通，儲層流體被從儲層提取或抽取到所述工具。所提取的流體被引導 到流體存儲模塊和流體成分分析模塊。
存在用于確定流體成分的方法。這些方法通常包括能夠執行氣液色譜 法的檢測裝置。這種裝置可以對可分析的混合物做出定性和/或定量反應， 所述混合物包括在油田應用中遇到的碳氫化合物混合物。 一些最常使用的 檢測器包括熱導檢測器、火焰離子化檢測器、光度檢測器和光電離檢測器。
存在用于確定流體成分的技術，該技術使紅外光射入到流動的樣本中 并測量被輸入的光的一部分以確定被樣本吸收的量。這些技術使用光學或 者紅外線(IR)吸收檢測器，以在所述光穿過包含將被分析的樣本混合物 的樣本單元之前和之后檢測光束強度的不同。當在被稱為電子激發的過程 中所述光穿過樣本單元時，樣本中的原子和/或分子俘獲一些光子，所述 電子激發是樣本的原子或分子中的電子運動到更高的能級。這種技術通常確定樣本中分子的電子激發。可惜的是，由于在這個范圍內出現吸收峰值 和發射峰值的重疊，所以經常很難并且有時不能從將提供物質識別的光帶 中選擇波長。

發明內容
本發明的目的在于提供一種用于確定流體樣本的成分而不遭受在光
學和IR頻譜范圍內出現的吸收峰值重疊的方案。
幸運地，可以通過利用從電磁譜的太赫茲(THz)域選擇的電磁輻射 來基本去除在吸收或者發射頻譜中與重疊峰值相關的問題。這通常包括具 有在大約3cm和大約3iam (即，0.01THz到100THz)之間的波長電磁輻射。 作為附加利益，可以利用太赫茲輻射來分析已經被充分加熱以激發分子的 一個或者多個振動級和旋轉級的樣本混合物。至少部分是因為lTHz等于 0.004eV光子能量，所以在這種高溫下這種分析是可能的。因此，太赫茲 輻射的使用對于包括井下樣本分析的油田應用可以提供額外的靈活性。
本發明的各種實施例提供了一種利用在太赫茲頻譜中操作的電磁輻 射源來確定流體樣本的成分的設備和方法，所述流體樣本包括水、油和氣 體中一種或者多種的混合物。
一方面，本發明涉及一種用于分析氣體樣本、液體樣本或者氣體和液 體化合物的樣本分析儀。該裝置包括具有被構造成接收樣本的流體連通端 口的樣本腔室。該裝置還包括與流體連通端口流體連通的過濾器，從而由 樣本腔室接收的樣本通過過濾器被過濾。太赫茲輻射檢測器被設置成與樣 本電磁連通。太赫茲檢測器提供被檢測的輸出信號，該輸出信號表示從樣 本檢測的太赫茲電磁輻射。在一些實施例中，該裝置還包括照射樣本的太 赫茲源，太赫茲檢測器檢測被樣本改變的太赫茲源照射的一部分。可以對 太赫茲輻射的頻譜的所檢測的部分進行處理，以分析樣本的成分。
另一方面，本發明涉及一種用于分析從地層獲得的流體樣本的成分的 鉆井設備，流體樣本包括水、油和氣體中的至少一種。鉆井設備包括用于 容納鉆井中流體樣本的至少一個樣本腔室。所述至少一個樣本腔室包括基 本透射太赫茲輻射的第一窗口部分。該設備還包括與流體樣本電磁連通的 太赫茲檢測器，太赫茲檢測器產生輸出信號，該輸出信號表示從流體樣本
7檢測的太赫茲電磁輻射。在一些實施例中，該裝置還包括照射流體樣本的 太赫茲源，太赫茲檢測器檢測被流體樣本改變的太赫茲源照射的一部分。 可以對太赫茲輻射的頻譜的所檢測的部分進行處理，以分析樣本的成分。 在另一方面，本發明涉及一種用于分析從地層獲得的流體樣本的成分 的過程，該流體包括水、油和氣體中的至少一種。首先獲得鉆井中流體樣 本，并將流體樣本引導到至少一個樣本腔室中。太赫茲輻射的頻譜的至少 一部分從流體樣本被引導到至少一個樣本腔室中。對太赫茲輻射的頻譜的 所檢測的部分進行處理，以分析流體樣本的成分。


通過以下對本發明的優選實施例的更詳細地描述，本發明的上述和其 它目的、特點和優點將變得清楚，如圖所示，相同的標號在不同的附圖中 表示相同的部分。附圖不是必須符合比例，在顯示本發明的原理時可以夸大。
圖l示出了示例性的鉆井的剖視圖，該剖視圖中包括用于鉆井應用而 構造的本發明實施例的主視圖。
圖2示出了太赫茲混合物分析儀的一個實施例的原理框圖。 圖3示出了在圖2的太赫茲混合物分析儀中所示的樣本腔室的一個實 施例的截面圖。
圖4示出了包括用于執行流體或者氣體色譜法的多路樣本腔室的太赫 茲混合物分析儀的另一個實施例的原理框圖。
圖5示出了根據本發明的原理的用于分析混合物的過程的功能框圖。 圖6示出了包括吸收氣體樣本的太赫茲頻譜的樣本腔室的太赫茲混合
物分析儀的實施例的原理框圖。
圖7示出了包括適于發射氣體樣本的太赫茲頻譜的樣本腔室的太赫茲
混合物分析儀的另一實施例的原理框圖。
圖8示出了適于利用吸收太赫茲頻譜執行液體色普法的太赫茲檢測器 的一個實施例的原理框圖。
圖9示出了用于利用發射太赫茲頻譜執行液體色普法的太赫茲檢測器 的可選實施例的原理框圖。
8優選實施方式
為了對流體/氣體識別分析提供額外的靈活性，從而提供更高質量的 儲層評價，太赫茲輻射被應用到油田應用中。這種應用的一個示例包括利 用氣體/流體色譜法和其它成分分析系統的井下流體/氣體成分分析。
通過避免由光學和近紅外線方法導致的吸收峰值重疊，利用太赫茲輻 射源和檢測器執行的成分分析提供了額外的靈活性。當被轉換成其它單位
時，太赫茲頻譜在電磁譜中覆蓋了從至少0.01到大約100太赫茲(從0.3至lJ 300cm—"的頻域，l太赫茲對應于300pm的自由空間波長，還等于在300K 自由度的平均熱能的大約1/6、 0.004 eV光子能或者33.33cm"(波數)。太 赫茲頻率適于探測低能量光物質相互作用，例如分子中的旋轉躍遷、固體 中的聲子、等離子體動力、原子中的電子精細結構、冷源中的熱成像以及 在弱粘合簇(weakly bonded clusters)中的振動旋轉隧穿行為。
太赫茲輻射可以被應用到頻譜分析中以獲得在太赫茲頻帶中的樣品 材料的頻譜特征(spectral signature)。作為樣本的頻率的函數，頻譜特征 包括吸收、發射和反射中的一個或者多個。不同的樣本，在該頻帶中產生 不同的頻譜響應，稱為各個樣本的太赫茲特征。
由分子旋轉和振動導致的太赫茲特征是允許在混合物中分子和分子 集合體的指示層自由識別、安全和選擇的特定化合物/元素。有利地，太 赫茲特征可以被用作用于包括氣體-液體混合物的液體色譜法、氣體色譜 法和利用太赫茲發射輻射的其它成分分析系統的檢測器。在一些實施例 中，太赫茲分析系統使用一個或者多個太赫茲激發和吸收過程。可選擇地 或者另外地，因為太赫茲輻射可被水吸收，所以太赫茲輻射可以被用于區 分具有不同水含量的樣本。
多種不同的技術可以被用于執行太赫茲分析。 一些更重要的技術可以 被分成兩個寬的類別(i)頻域分析和(ii)時域分析。這些分析中的一 個或者多個可以包括利用多種標準變換中的任意一種從時域或者延遲域 變換到頻域。這種變換包括傅立葉變換、快速傅立葉變換(FFT)以及小 波變換。
傅立葉變換技術可以被用于分析置于光學干涉儀系統中的樣本。光學千涉儀系統將來自多個源的光合并到光學儀器中，以實現各種精確的測 量。這種技術是本領域技術人員所公知的。邁克遜-莫利干涉儀就是這種 光學干涉儀的一個例子。干涉儀具有從同一光源延伸的至少兩條不同的光 路或者光學臂。樣本被寬頻帶的熱源例如弧光燈照射。干涉儀臂中一個的 路徑長度變化或者被掃描，表示可變的光學延遲線。直接檢測器例如輻射 熱測量儀可以被用于檢測由于來自于同一源的兩個不同的光路(一個穿過 樣本，另一個穿過可變長度的延遲線)之間的相互作用而導致的干涉信號。
檢測信號的傅立葉變換可以利用標準處理技術被實時計算(例如，FFT或
者在后處理期間)，以產生樣本的功率譜密度。由此得到的頻譜在太赫茲 范圍內提供了關于樣本混合物成分的信息。
可以利用帶有可調的太赫茲裝置的窄頻帶系統進行具有高溶解性的 測量。可調裝置包括至少一個太赫茲源和太赫茲檢測器。在一些實施例中， 可調裝置包括太赫茲源和太赫茲檢測器，太赫茲源和太赫茲檢測器中的至 少一個是可調的。在這些系統中，源和/或檢測器的波長被調到橫跨允許 樣本的響應(例如，吸收率、發射率和反射率)被直接測量的希望的帶寬 (例如，太赫茲帶)。傅立葉變換分析和窄頻帶分析都可以被用于監控分 子熱發射線的無源系統中。在這種情況下，由于樣本本身在太赫茲頻譜中 產生發射，所以不需要太赫茲發生器，僅需要檢測器。
利用短脈沖帶寬的太赫茲輻射的太赫茲時域分析是時域方法的一個 例子。利用當前可用的超快激光脈沖可以產生短脈沖。當前可用的脈沖寬
度為大約100飛秒或者更少。能夠提供這種短脈沖的至少一個示例性裝置 是鈦-藍寶石激光器。
優選地，發射的太赫茲電場被結合地測量，以提供具有更高靈敏度的 時間分辨的相信息(time-resolved phase information)。利用光電導檢測器 可以實現這種檢測。穿過樣本腔室的太赫茲光束與設置在腔室中的可被分 析的樣本通過光子激發和去激發相互作用。入射輻射與樣本的相互作用導 致到達檢測器的響應脈沖相應時間的延遲。通過改變接收樣本脈沖的時間 以及通過在檢測器處比較響應脈沖與延遲樣本脈沖，可以獲得時域內的脈 沖輪廓(pulse profile)。時域頻譜結果可以被記錄并通過傅立葉分析或者 小波分析進行處理，以獲得對應的頻域頻譜。圖l示出了利用井下分析儀執行流體/氣體成分分析的示例性構造。設
置用于測試地球地層并分析來自地層14的流體的成分的鉆井測井工具10。
在一些實施例中，測井工具io用包括在鉆井的同時具有用于測井信息的測
井能力的鉆具代替。測井工具10或者鉆具都可以包含用于存儲所述裝置在 井下時獲得的信息的存儲模式或者存儲能力。鉆井工具10從以通常方式巻 繞在地層表面上的適合的絞車(未顯示)上的線纜15的下端懸在鉆井12 中。更具體地講，線纜15可以包括任意其它類型的臍帶和鉆桿，或者其它 類型的運輸方法。在地面上，線纜15連接到電氣控制系統18。工具10包括 圍繞工具控制系統16的井下部分的細長體19。如圖所示，細長體19還攜帶 可選擇性地延伸的流體導入組件20以及分別布置在細長體19的相對側的 可選擇性地延伸的工具錨固構件21。裝備流體導入組件20用于選擇性地封 閉鉆井12的壁的選擇部分或者隔離鉆井12的壁的選擇部分，從而與相鄰地
球地層建立壓力或者流體連通。
工具10還包括流體分析模塊25 ，獲得的流體流過該流體分析模塊25 。 隨后流體可以通過端口 (未顯示)排出或者可以被輸送到一個或者多個流 體收集室22和23。可以通過電子控制系統16和18保持對流體導入組件、流 體分析部分和到收集室的流動路徑的控制。通過參照授權給Schroder等人 并在此轉讓給受讓人的第5，166,747號美國專利可以了解用于獲得地層流 體樣本的方法和設備的其它詳細資料。
為了提供流體、氣體以及流體和氣體化合物的成分分析，來自地層的 樣本被收回到工具10中，并且經過成分分析模塊25被暴露于太赫茲輻射， 在成分分析模塊25，至少一個單元具有典型的混合物。示例性的THz樣本 分析模塊的原理圖在圖2中示出。分析模塊100包括THz輻射源，該THz輻 射源包括短脈沖激光器102和太赫茲發射器107。快速激光泵102包括在裝 置中的太赫茲發射部分，例如Auston開關107。利用第一分束器104分離快 速脈沖的一部分，并且通過單獨的路徑被引導到樣本腔室lll。樣本腔室 111可選地包括與輸入口流體連通的過濾器126，以在樣本進入樣本腔室 lll之前對樣本進行過濾。分析模塊100還包括光學傳播系統，該光學傳播 系統具有從由鏡子112a和112b、透鏡、棱鏡、過濾器和光學延遲線114構 成的組中選擇的部件。在一些實施例中，分析模塊包括一個以上樣本腔室。這種多腔室裝置可以用于對通過不同等級過濾而獲得的不同樣本執行分 析。可選擇地或者另外地，多腔室裝置可以利用在此描述的一種或者多種 技術的結合來執行不同的測量和分析。在一些實施例中，在此描述的技術 可以與先前可用于油田應用的其它測量和分析技術相結合。
在示例性實施例中，太赫茲輻射源102發射太赫茲輻射103的定向光 束，該利用分束器104將該定向光束分成至少兩個單獨的光束I06a和106b。 第一分光束106a經過包括第一鏡子112a、光學延遲線114、第二鏡子112b 的傳播系統以直接方式傳到檢測器108，而不經過樣本腔室lll。設置直接 光束106a通過其傳送的光學延遲系統，以對第二光束106b在經過樣本單元 傳播期間遇到的延遲進行補償。光學延遲系統還用于評價最初的太赫茲光 束。
第二分光束106b直接經過測試樣本腔室111。測試樣本腔室111限定了 包括將被分析的材料的測試樣本的空腔。經過樣本腔室lll的第二光束 106b與樣本混合物122 (圖3)相互作用。在樣本混合物中每單位路徑長度 吸收的太赫茲輻射的部分取決于樣本的化學成分(即，構成化合物的元素 和濃度或者量)和太赫茲輻射的波長。因此，在太赫茲波長域中存在用于 成分分析的選擇性吸收部分。光學延遲系統用于掃描檢測源與樣本激光脈 沖之間的延遲。以這種方式，可以測量電場波形以增加延遲，從而可以重 建時間波形。時間到頻率轉換的應用產生頻譜響應。這種技術通常可以被 稱為時域頻譜法。
太赫茲輻射源107可以包括量子級聯激光器(在這種情況下，TE代替 元件102)。這種裝置因為它們的高光學輸出功率、物質可調諧性以及室溫 操作而眾所周知，各種功能一起使其適于頻譜應用，像遙感周圍氣體一樣。
通常，太赫茲分析系統的主要部件可以分成至少五大類。這些種類包 括(i)發射太赫茲輻射的源；(ii)將太赫茲信號傳遞到需要評估的樣本 的傳播部件；(iii)檢測太赫茲信號的檢測器；(iv)信號分析儀；(v)用 于計算檢測器信號并控制系統和用戶之間通信的軟件。
窄頻帶THz輻射的連續波源通常用作具有非常高頻率的分辨率的頻譜 法。幾毫瓦的功率級對很多頻譜法和成像應用是足夠的。在THz電磁譜的 一部分中連續波(CW)源已經實現了這種功率級。 一類窄頻帶CW太赫茲源使用由倍頻跟隨的微波發生器。這些商業上是可用的，并且是小型的和 全固體狀態的裝置。調諧帶寬通常是最大功率裝置的5-10%，多達40%的
犧牲功率。功率范圍從接近0.2THz的30毫瓦到接近1.6THz的大約l微瓦。 示例性裝置是1.26-1.31THz的固態源，在商業上可從弗吉尼亞的夏洛茨維 爾的弗吉尼亞二極管有限公司得到。
另一類窄頻帶CW源包括回波振蕩器。輸出功率級從接近0.1THz的大 約100毫瓦改變到接近1.2THz的大約l毫瓦。當前設計輸出多模式光束。基 于光電流的光電混頻器還可以在單個裝置中用在從大約0.1THz到大約3 THz的調諧范圍內。在頻率大約lTHz以上時，功率級通常低于l微瓦。其 它裝置還使用基于非線性光學晶體的光電混頻器。這些裝置利用高功率脈 沖泵激光器提供毫瓦級的窄頻帶THz功率。轉換效率最終受到THz與可見 光子能量的比率限制。
C02激光泵分子氣體激光器是點可調的(g卩，頻率不能連續改變)，但 是在2.5THz基本提供高達l瓦特的功率級。這種級別的源通常被稱為光學 泵太赫茲激光器(OPTL)。 一個示例是No.SIFIR-50泵激光太赫茲源模型， 在商業上可以從加利福尼亞的圣克拉拉的Coherent公司得到。另一級別的 激光源包括THz量子級聯激光器。這些是很新的，并且在其研發上實現了 非常快的進步。在量子級聯激光器中，在分層的半導體異質結構中相互子 帶或者相互小帶躍遷被用于產生頻譜的THz域中的光。目前，THz量子級 聯激光器優選被冷卻到利用熱-電冷卻器可以得到的溫度之下的溫度。輸 出功率通常是幾毫瓦。寬帶、脈沖太赫茲源的至少一個示例是Auston開關。
Auston開關涉及在太赫茲頻帶中的電磁輻射的寬頻帶、短脈沖源。該 裝置實質上由在半導體基底上制造的分割電極構成，以形成開關。電極可 以是簡單的偶極天線的形式。合適的半導體基底包括低溫砷化鎵 (LT-GaAs)、半絕緣砷化鎵(SI-GaAs)和包括InP和ZnTe的其它半導體。 直流(DC)偏壓(例如，40伏)被施加到天線，超短泵激光脈沖聚焦在 分裂天線(split antenna)的間隙中。優選地，脈沖寬度小于大約100飛秒。 與DC偏壓結合的激光脈沖允許電子有效地"跳"過間隙，使得產生太赫茲電 磁波的天線內產生電流。
結合有在頻譜范圍內的較高等級的熱背景輻射的THz源的低輸出功率通常具有必要的高敏感檢測方法。對于寬頻帶檢測，通常使用基于熱吸收 的直接檢測器。這些檢測器中的大多數通常需要冷卻，以降低熱背景。多
數普通系統是氦冷卻的硅、鍺和InSb輻射熱測量儀。熱電物質紅外線檢測 器也可以用在THz頻率。超導體研究基于超導體(例如鈮)的狀態改變已 經生產了的非常敏感的輻射熱測量儀。利用直接檢測器，干涉技術也可以 用于提取頻譜信息。
太赫茲輻射檢測器108包括輻射熱測量儀、熱檢測器、光聲單元和 Auston開關，而沒有偏壓(即偶極天線)。檢測器108檢測穿過測試樣本腔 室lll的第一部分的太赫茲輻射和穿過延遲線的來自同一源的第二部分的 太赫茲輻射。檢測器108提供響應于被檢測的太赫茲輻射的檢測器信號輸 出信號。
在需要非常高的頻譜分辨率的傳感器的應用中，優選外差傳感器。在 這些系統中，本機振蕩器源與接收到的信號在THz頻率混合。然后，向下 移位信號(downshifted signal)被放大并測量。在室溫下，可以使用半導 體結構。
在THz-TDS系統中對于脈沖的THz檢測，需要相干檢測器。基于光電 導取樣(例如，稍后做更詳細描述的基于Auston開關原理的THz檢測器) 和自由空間光電取樣是兩種最普通的方法，這兩種方法都依賴超快激光 源。本領域的技術人員將理解，在本發明的使用中，存在眾多可選擇的源 和檢測器。基于Auston開關的以下對本發明的描述只是用于示例性的目的 和使發明清楚，本領域的技術人員應該理解，在實施本發明中可以應用各 種檢測器，例如輻射熱測量儀、熱檢測器、光聲單元和光電檢測器，但不 限于此。另外，本領域技術人員應該理解，在本發明的實施中可以應用各 種可選擇的源，包括量子級聯激光器、回波振蕩器和OPTL，但不限于此。
基于上述描述，檢測器輸出信號被發送到信號檢測系統116，在信號 檢測系統116中，可以執行檢測樣本的進一步處理。例如，信號檢測系統 116可以用于計算不同波長的吸收系數。樣本的吸收系數可以與來自于現 有數據庫中的吸收系數進行比較，并且可以識別可分析混合物的不同成 分。
更具體地講，圖3的截面圖示出了測試腔室111的實施例。腔室lll包括入口124，樣本122通過該入口124進入腔室111。過濾器126可選地與入 口124流體連通地設置，從而以預定方式過濾樣本。測試腔室lll還包括基 本透射太赫茲輻射的第一窗口130a。窗口130a沿著源102 (圖l)和腔室lll 之間的光路設置。太赫茲輻射通過第一窗口130a進入腔室lll的內部，照 射分布在腔室1H中的樣本122。
腔室lll包括也基本透射太赫茲輻射的第二窗口130b，太赫茲輻射的 一部分通過該第二窗口130b離開腔室111。在一些實施例中，窗口130a和 130b可以由透射太赫茲輻射的塑料制成。在一些實施例中，第一窗口130a 和第二窗口 130b對齊，從而進入第一窗口 130a的入射太赫茲輻射穿過在腔 室111中的樣本122，然后從第二窗口130b離開。窗口130a和130b與腔室111 防水連通，以將流體樣本保持在腔室lll中。檢測器108可以與一對窗口 130a和130b光學對齊，以捕捉從腔室lll發出的太赫茲輻射。在一些實施 例中，腔室還包括出口128，樣本122可以通過該出口128離開腔室111。在 這種方式下，測試樣本122可以包括流體。
可選級別的太赫茲分光計400還對圖4的原理圖中所示的井下流體/氣 體的成分分析有所幫助。分裂立方體(dividing cube) 402將來自于飛秒激 光器404 (例如，鈦藍寶石)的激光脈沖(激光脈沖可以通過電磁導管 如光導纖維電纜從在地表的測井單元被輸送)分成兩部分。 一部分穿過分 裂立方體402，然后被引導到太赫茲發射臂406。激光脈沖的第二部分在分 裂立方體402中被反射，然后引導到太赫茲檢測器臂408。截光器410被專 門引導到TE臂406中，以在該臂中周期性地中斷太赫茲光束。這種規律性 的中斷可用于同步檢測太赫茲檢測信號。例如，截光器410在特定期限中 僅允許輻射穿過。中斷信號可以用于將放大器鎖定到特定頻率。
第一光學延遲線(0DL1)包括第一角鏡412a，并用于獲得太赫茲脈 沖的時間輪廓。第二光學延遲線(0DL2)包括第二角鏡412b，并用于補 償與傳播穿過樣本單元414有關的延遲以及用于獲得時間輪廓。第一格蘭 棱鏡系統416和第二格蘭棱鏡系統418中的每個都包括兩個或者更多個格 蘭棱鏡(GP1和GP2)，所述兩個或者更多個格蘭棱鏡(GP1和GP2) —起 在TE臂406和TD臂408的每個中提供各自的功率衰減器。在格蘭棱鏡系統 416和418中使用的對應的棱鏡GPl和GP2的每個可以包括格蘭-泰勒棱鏡、格蘭-激光棱鏡或者這兩種棱鏡的組合。通常，格蘭-激光棱鏡由于它們在 處理激光發射時的高功率容量而眾所周知。使用這些功率衰減器416和
418，在不改變其偏振平面的情況下可以改變激光輻射的振幅。
設置兩個透鏡420和422，第一透鏡420將激光輻射聚焦到太赫茲發射 器(例如，Auston開關)上；第二透鏡422將激光轄射聚焦到太赫茲檢測 器424 (例如，Auston開關，光電檢測器)上。
太赫茲發射器426被放置在第一拋物面鏡428的焦點上，朝著拋物面鏡 428引導所發射的太赫茲輻射。這樣建立了從鏡子428反射的平行的太赫茲 光束，該鏡子428可以沿著光路指向樣本單元414的第一側。第二拋物面鏡 430沿著樣本單元414的相對側對齊，并且與來自于第一拋物面鏡428的平 行光束對齊。第二拋物面鏡430將從樣本單元414接收的太赫茲能量聚焦到 置于其焦點的太赫茲檢測器424上。
還設置兩個分束器432和434。第一分束器434放置在檢測器臂中，在 第一光學延遲線408上位于角鏡412a之后，第二分束器432放置在第二光學 延遲線406之前。來自于兩個分束器434和432的光束通過第三透鏡440被聚 焦到非線性晶體442上。這種晶體442的一個示例是磷酸二気鉀晶體
(KDP)，以其非線性光學特性而著名，使用在光學調制器中，并且在非 線性光學鏡中，例如二次諧波產生器中。來自于非線性晶體442的輸出被 檢測，作為激光脈沖的自相關函數的結果被記錄在相關器444中。
首先，第一光學延遲線408優選地被定位以從相關器444產生最大的信 號。第二光學延遲線406隨后被調整，從而引導穿過樣本單元414的太赫茲 脈沖與通過第二臂引導到太赫茲檢測器424的光學脈沖及時匹配。 一旦建 立，太赫茲脈沖的第一光學延遲線406時間輪廓在放大器448中被放大之后 就被記錄在信號檢測系統446中。
為了執行氣體混合物的井下色譜成分分析，樣本首先從地層被取回到 工具10中，如上參照圖l所述。被取回的樣本經過成分分析模塊25，該成 分分析模塊25包括在此描述的氣體色譜系統或者液體色譜系統中的至少 一種，在所述系統中，發生樣本的色譜分離。
為了提供這種色譜系統額外的靈活性，與一個或者多個普通的色譜檢 測器(例如，熱導檢測器(TCD)、火焰離子化檢測器和光電離檢測器)相組合(例如，串聯、并聯)地安裝利用太赫茲輻射的額外的檢測器。TCD 是非破壞性的，從而其可以與其它檢測器一起串聯地操作。其它檢測器可 以是在此描述的任何太赫茲檢測器或者其它氣體色譜檢測器。如果使用破
壞性檢測器，太赫茲檢測器應位于破壞性檢測器之前。例如，TCD可以被
連接在太赫茲檢測器之前，以提供對相同洗提液的補充檢測。為了避免過 分的峰加寬，這些檢測器之間的連接可以用毛細管進行。這種毛細管的出 口可以連接到太赫茲檢測器樣本單元。
圖5示出了用于對從地層獲得的流體樣本的成分進行分析的示例性過 程。首先從鉆井中獲得流體樣本(505)，然后將該流體樣本引導到至少一 個樣本腔室中(510)。太赫茲輻射的頻譜的至少一部分從流體樣本被引導 到至少一個樣本腔室中(515)，在一些情況下，太赫茲輻射的頻譜的至少 一部分從流體樣本通過過濾系統被引導到至少一個樣本腔室中，所述過濾 系統允許從儲層混合物中選擇性地去除油、水和氣體成分中的至少一種。 對太赫茲輻射的頻譜的被檢測部分進行處理，以分析流體樣本的成分 (520)。在一些實施例中，檢測器是無源的，在太赫茲波段中檢測來自產 生的樣本的電磁發射。在一些實施例中，流體樣本被電磁輻射的源(例如 太赫茲光束)照射(512)。這種照射對從流體樣本引導的太赫茲輻射的頻 譜的至少一部分是起作用的。
圖6示出了用于色譜和其它成分分析應用的另一實施例的檢測器。色 譜裝置600包括用于提供太赫茲輻射源的太赫茲發射器602。在一些實施例 中，太赫茲發射器602包括量子級聯激光器和偶極天線(例如，Asuton開 關)。太赫茲輻射通過傳播系統606從發射器602傳送到樣本腔室604。與光 學系統類似，傳播系統606可包括透鏡、過濾器、樣本單元和分束器中的 一個或者多個。
在成分分析過程中，有益的是，使由于其缺陷或者僅僅因為其存在而 由樣本腔室引入的實驗誤差最小化。通過空樣本腔室的頻譜分布的單獨特 性，可以實現這種修正。在一些實施例中，在單獨特性處理中，"空"腔室 可包括化合物(例如，惰性氣體)。 一旦獲得，就可以有效地從頻譜結果 中去除腔室的影響，所述頻譜結果從在樣本腔室內的樣本中獲得。
在用于去除樣本腔室的影響的示例性處理中，單獨記錄空樣本腔室的頻譜，作為第一頻譜。這可以在測量測試樣本之前作為初始步驟完成，或 者在隨后處理過程中接著完成。獲得儲層混合物和樣本腔室的頻譜，作為 第二頻譜。利用在此描述的任意技術可完成這個步驟。可以從第二頻譜中 減去第一頻譜以獲得未受樣本腔室影響或者劣化的儲層混合物的頻譜。
具體地講，第一分束器608被放置在太赫茲源602與樣本腔室604之間 的光路上。從太赫茲源入射的光束被分成兩個不同的光束。所述光束中的 第一個被直接引導通過窗口610，該窗口610被設置在樣本腔室604的與分 束器608相鄰的一側上。可以利用透射太赫茲輻射的材料(例如，塑料) 制成窗口610。優選地，窗口材料基本不受樣本環境的影響，從而當在預
期的環境中操作時不會降低窗口材料的特性。 一種這類材料包括聚醚醚酮 (PEEK)，該PEEK也被稱為聚酮。PEEK是工程熱塑性塑料，由于在很多
環境中(包括在芳香烴和石油中)表現出良好的耐化學性以及其特別的機 械特性而被了解。
被分開的光束的另一部分可以被用于分析初始的太赫茲光束，以校正 在發射器、檢測器設備和電路中環境改變產生的影響。第二光束(未顯示) 可以被引導到用于監視這種特性因子的監視檢測器。
在一些實施例中，窗口610限定的孔小于樣本腔室604相鄰的側部613。 當入射光束沿著光路以某個入射角進入窗口610時(如圖所示)，作為在腔 室604中多次內部頻譜反射的結果，入射光束經過樣本腔室604的長度變為 兩倍以上。最后，多次反射的太赫茲輻射光束沿著與入射光束不同的光路 或者軌跡離開同一窗口610。離開的光束被發送到適于檢測太赫茲輻射的 檢測器612。如圖所示，與樣本混合物相互作用的光束最后通過窗口610 離開樣本腔室604，并通過第二分束器614被引導到檢測器612。優選地， 當分束時，光束大部分(例如，大于50%)被引導到太赫茲檢測器612， 同時少量的剩余部分可以用于太赫茲發射器602的反饋監視。
在可分析的混合物中吸收的太赫茲輻射的部分與光束路徑的長度成 比例。因此，可以通過增加樣本腔室604中的太赫茲光束的路徑長度來提 高裝置600的靈敏度。較長的路徑長度對應于更多的太赫茲輻射吸收。將 提供的一種方案是細長的測試腔室。但是，優選的方案表現為，示例性的 裝置600使相同的入射光束通過多次內反射穿過樣本兩次以上。這種變短的裝置604更適于鉆井測試中遇到的尺寸的限制。在一些實施例中，實際 反射表面(例如，光譜鏡)策略上位于樣本腔室的內部。示例性系統600 包括反射光束的三個鏡子(Ml、 M2和M3)，如圖所示。在一些實施例中， 樣本腔室包括共振腔。
在一些實施例中，加熱器614被加到樣本腔室。加熱器614可以是電加 熱器，并且適于為樣本腔室604提供溫度控制，使溫度在特定范圍內(例 如，士0.05度-C范圍)。提供加熱器614主要避免成分的冷凝。加熱器614還
可以用于建立并保持基本均勻的溫度場。可以利用一個或者多個普通的電 燈絲以及其它適合的薄膜結構形成加熱器614。
在樣本混合物中每單位路徑長度上吸收的太赫茲輻射部分取決于樣 本的化學成分(即，化合物成分的元素和濃度或者量)以及太赫茲輻射的 波長。因此，太赫茲波長的吸收可用于成分分析。
太赫茲檢測器612檢測發射的太赫茲輻射，并將被檢測的信號發送到 信號檢測系統(未顯示)。在信號檢測系統中可以計算不同波長的吸收系 數。樣本的吸收系數可以與來自于現有數據庫的數據進行比較，并且可分 析的混合物的不同成分可以被識別。可以利用處理器自動地完成這種比 較，從而讀取分析結果并將它們與存儲的己知結果的數據進行比較。可以 用作太赫茲檢測器的一些示例性的裝置包括輻射熱測量儀、熱檢測器和 光聲單元。
另一種方法使用太赫茲發射頻譜，而不需要單獨的太赫茲源。這種裝 置700在圖7中示出，并且可以被有效地用于可分析混合物呈高濃度的情 況。在這種情況下，在氣體色譜分析之后，被加熱的混合物穿過毛細管柱 705，進入樣本腔室704。在一些實施例中，樣本在進入室704之前流入過 濾器707。與先前實施例類似，樣本腔室704包括透射太赫茲輻射的窗口 710。通過該窗口710，從被加熱的樣本發射而產生的部分太赫茲輻射從樣 本腔室704的內部發射穿過窗口710。聚焦透鏡711可設置到樣本腔室704 的外部，并且沿著窗口710與樣本分析儀712之間的光路設置。透鏡711將 發射出的輻射聚焦到樣本分析儀712上。在一些實施例中，樣本分析儀712 是太赫茲檢測器和信號檢測系統的組合。在一些實施例中，加熱器714被 添加到檢測器以避免可分析的混合物在樣本腔室中濃縮。優選地，電子加
19熱器714被添加到樣本腔室的外表面，并且被構造成提供對樣本腔室的溫
度進行控制，使樣本腔室的溫度在期望的容差內，例如土0.05度C范圍內。
對于液體色譜系統，可以使用另一種類型的吸收檢測器，在液體色譜 系統中，可分析混合物的濃度高于氣體色譜系統的濃度。對于高濃度的可
分析混合物，可以通過毛細管柱執行分析。示例性的液體色譜系統800在 圖8中被示出。該系統包括支持樣本液體流動的柱體802。在一些實施例中， 包括過濾器807以選擇性地過濾流動。裝置800包括基本透射太赫茲輻射的 窗口805。在一些實施例中，窗口805由柱體802的一部分形成，該柱體802 由適合的窗口材料(例如，PEEK)制成。
太赫茲源806通過傳播系統提供能夠從在此描述的任何太赫茲發射器 發出的太赫茲輻射，該傳播系統可以包括透鏡、樣本單元、過濾器和分束 器(未顯示)中的一種或者多種。被分裂的太赫茲源光束的第一部分通過 直接通道被發送到太赫茲檢測器808，而不穿過樣本單元804。該直接通道 (未顯示)包括光學延遲系統，以補償與通過樣本腔室804傳播的被分裂 的太赫茲光束的第二部分有關的延遲。來自太赫茲源806的被延遲的樣本 可以用于評估初始的太赫茲光束。
光束的另一部分與樣本腔室804相互作用，在這種情況下，樣本腔室 804是柱體802的一部分。光束穿過樣本腔室804，在該樣本腔室804中，光 束與可分析樣本相互作用。通過光子-分子相互作用的過程，光束的一部 分(依靠化學成分和濃度)在樣本腔室804中被樣本混合物吸收。
因此，在樣本腔室804中的樣本混合物使光束在達到太赫茲檢測器808 之前衰減。太赫茲檢測器808檢測通過樣本腔室傳送的太赫茲輻射(所傳 送的太赫茲輻射接近入射輻射，小于反射輻射，小于吸收輻射)，并且將 信號發送到信號檢測系統(未顯示)，在信號檢測系統中，可以計算不同 波長的吸收系數。
為了增加太赫茲光束穿過樣本腔室804的光路長度，并且為了實現與 上述增加的光路相關的利益，光束以角度ot被引導到樣本腔室804。對于非 垂直指向的光束，可實現更長的路徑長度。有效路徑長度(/w)與入射角(a) 之間的關系是
20其中，De。,u^是柱體直徑。
參照圖9，所示的另一個實施例包括構造為發射高濃度可分析混合物
的頻譜的檢測器。系統900包括用于支持樣本流體的流動的柱體902。在一 些實施例中，包括過濾器(未顯示)以選擇性地過濾流動。裝置900包括 基本透射太赫茲輻射的窗口904。在一些實施例中，窗口904由柱體卯2的 一部分形成，該柱體902由合適的窗口材料(例如，PEEK)制成。檢測器 信號分析儀組合被形成為環形方式、與柱體902同軸對齊并且以窗口904 為中心。這種構造允許來自被加熱的混合物的太赫茲輻射到達樣本分析儀 906。樣本分析儀906包括檢測器和信號檢測系統。這種構造允許大多數被 發射出的輻射到達樣本分析儀，以便于低濃度的可分析混合物的檢測。
在一些實施例中，當使用對應的窗口時， 一個或者多個太赫茲源可以 相對于光路和窗口表面的法線以優選的角度對齊。在一些例子中，入射的 優選角度對應于布魯斯特角，使得優選偏振的太赫茲輻射沒有從所述表面 反射。公知的是，布魯斯特角是在窗口邊緣的任一側(例如，玻璃-空氣) 上相應介質的折射指數的函數。在其它情況下，入射的優選角度對應于臨 界角，從而入射到窗口一側上的太赫茲輻射易于全內反射。利用在窗口邊 緣的任一側(例如，玻璃-空氣)上對應的介質的折射指數的公知函數來 實現臨界角的確定。
可以清洗在此描述的任何樣本分析腔室。在一些實施例中，利用合適 的氣體例如，氮、氦或者任何其它惰性氣體來清洗所有樣本分析腔室。可 選擇地，僅利用類似氣體來清洗有太赫茲光束穿過的這些區域。
再次參照圖l，分析模塊25包括在此描述的至少一個測試系統，以執 行在此描述的對應的一個分析。在一些實施例中，在測井工具10中提供了 用于執行測量和分析的基本所有的設備。可以利用線纜在測井工具10與地 表電子控制系統18之間來進行控制和/或結果的通信。可選擇地或者另外， 控制和/或結果可以被記錄在工具存儲器中或者通過其它通信裝置發送到 地表獲取系統。在這種情況下，線纜可以包括金屬導體，例如，屏蔽雙扭 線和同軸線纜以及光纖光纜中的一種或者多種。在一些實施例中，太赫茲輻射的源被放置在地表上，并且利用電磁通 信裝置例如低損耗同軸線纜或者光纖傳到測井工具10中的樣本分析儀。可 選擇地或者另外，超短激光脈沖源被放置在地表上并且利用電磁通信例如
光纖傳到測井工具10中的樣本分析儀。
雖然已經參照本發明的優選實施例顯示并描述了本發明，但是本領域 技術人員應該理解，在不脫離由權利要求所概括的本發明的范圍的情況 下，可以對這些實施例進行各種形式和細節上的修改。
權利要求
1.一種用于分析樣本的樣本分析儀，其包括樣本腔室，所述樣本腔室具有被構造成接收樣本的流體連通端口；與所述流體連通端口流體連通的過濾器，通過所述過濾器過濾由所述樣本腔室接收的樣本；以及太赫茲輻射檢測器，所述太赫茲輻射檢測器與樣本電磁連通并提供所檢測的輸出信號，該輸出信號表示來自樣本的被檢測到的太赫茲電磁輻射。
2. 根據權利要求l所述的樣本分析儀，其中，所述過濾器包括至少一 個分子隔膜，所述分子隔膜被構造成對于包括水、油和氣體中一種以上 的流體樣本，選擇性地去除水、油和氣體中的至少一種。
3. 根據權利要求l所述的樣本分析儀，進一步包括與樣本電磁連通的 太赫茲源，所述太赫茲源發射的輻射具有第一波長。
4. 根據權利要求3所述的樣本分析儀，其中，所述太赫茲源可改變所 發射的輻射，改變太赫茲輻射的頻率、幅度和相位中的一種或者多種。
5. 根據權利要求3所述的樣本分析儀，其中，所述太赫茲源以多于一 種波長發射輻射，所述太赫茲輻射檢測器提供所檢測的輸出信號，該輸出 信號表示來自樣本的被檢測到的太赫茲電磁輻射。
6. 根據權利要求3所述的樣本分析儀，其中，所述太赫茲源發射短暫 脈沖的太赫茲輻射或者連續輻射。
7. 根據權利要求3所述的樣本分析儀，其中，所述太赫茲輻射的波長 是可選擇的。
8. 根據權利要求3所述的樣本分析儀，其中，所述太赫茲源包括Auston開關。
9. 根據權利要求l所述的樣本分析儀，進一步包括處理器，所述處理 器從所述太赫茲輻射檢測器接收所檢測的輸出信號并利用所檢測的輸出 信號分析測試樣本。
10. 根據權利要求9所述的樣本分析儀，其中，在時域太赫茲頻譜混合物分析的情況下，所述處理器利用傅立葉變換或者小波分析來分析測試 樣本。
11. 根據權利要求l所述的樣本分析儀，包括第二樣本腔室，所述第 二樣本腔室具有被構造成接收第二樣本的流體連通端口 ，太赫茲輻射檢測 器與第二樣本電磁連通并提供所檢測的輸出信號，該輸出信號表示來自樣 本的被檢測到的太赫茲電磁輻射。
12. 根據權利要求l所述的樣本分析儀，其中，所述樣本腔室包括部 分透射太赫茲輻射的至少一個窗口，所述至少一個窗口的法線與入射的太 赫茲輻射所成的角度為布魯斯特角。
13. 根據權利要求l所述的樣本分析儀，其中，所述樣本腔室包括部分透射太赫茲輻射的至少一個窗口，所述至少一個窗口的法線與入射的太 赫茲輻射所成的角度超過臨界角，使得入射的太赫茲輻射受到全內反射。
14. 根據權利要求l所述的樣本分析儀，其中，所述太赫茲輻射檢測 器包括Auston開關。
15. —種用于分析從地層獲得的流體樣本的成分的鉆井設備，所述流體樣本包括水、油和氣體中的至少一種，所述設備包括用于容納鉆井內的流體樣本的至少一個樣本腔室，所述至少一個樣本腔室包括基本透射太赫茲輻射的第一窗口部分；以及與流體樣本電磁連通的太赫茲檢測器，所述太赫茲檢測器響應來自流 體樣本的太赫茲輻射的頻譜的至少一部分產生輸出信號。
16. 根據權利要求15所述的鉆井設備，進一步包括用于發射太赫茲輻 射的與流體電磁連通的太赫茲輻射源，所述太赫茲檢測器除了檢測從至少 一個儲層中的流體樣本接收的太赫茲輻射的頻譜之外，還檢測所發射的太 赫茲輻射的至少一部分。
17. 根據權利要求15所述的鉆井設備，其中，所述至少一個樣本腔室 進一步包括也基本透射太赫茲輻射的第二窗口部分，由太赫茲輻射源發射 的太赫茲輻射通過所述第二窗口部分與流體樣本電磁連通。
18. 根據權利要求15所述的鉆井設備，其中，所述至少一個樣本腔室 進一步包括至少一個鏡子系統，所述至少一個鏡子系統在樣本腔室內提供 太赫茲輻射的多次反射，從而增加太赫茲輻射與流體樣本之間的光子-分子相互作用的長度。
19. 根據權利要求15所述的鉆井設備，進一步包括與所述至少一個樣 本腔室流體連通的過濾器，流體樣本通過所述過濾器進入所述至少一個樣 本腔室。
20. 根據權利要求19所述的鉆井設備，其中，所述過濾器包括至少一個分子隔膜，所述分子隔膜被構造成對于包括水、油和氣體中一種以上的流體樣本，選擇性地去除水、油和氣體中的至少一種。
21. 根據權利要求15所述的鉆井設備，進一步包括太赫茲輻射源，所 述太赫茲輻射源放置在地表上并且通過電磁管道被傳遞到樣本腔室。
22. 根據權利要求21所述的鉆井設備，其中，所述太赫茲輻射源包括 Auston開關。
23. 根據權利要求15所述的鉆井設備，進一步包括超短激光脈沖源， 所述超短激光脈沖源放置在地表上并且通過電磁管道傳遞到樣本腔室。
24. 根據權利要求15所述的鉆井設備，其中，所述太赫茲檢測器包括 Auston開關。
25. —種用于分析從地層獲得的流體樣本的成分的方法，所述流體樣 本包括水、油和氣體中的至少一種，所述方法包括步驟獲得鉆井內的流體樣本；將流體樣本引導到至少一個樣本腔室中；以及檢測來自被引導到所述至少一個樣本腔室中的流體樣本的太赫茲輻 射的頻譜的至少一部分；以及對太赫茲輻射的頻譜的所檢測的部分進行處理，以分析流體樣本的成分。
26. 根據權利要求25所述的方法，其中，檢測步驟包括通過基本透 射太赫茲輻射的至少一個儲層的第一窗口部分，檢測來自位于至少一個儲 層中的流體樣本的太赫茲輻射的頻譜的至少一部分。
27.根據權利要求25所述的方法，進一步包括步驟利用太赫茲輻射照射在至少一個儲層中的流體樣本。
28.根據權利要求27所述的方法，其中，照射太赫茲輻射的波長在大 約3cm到大約3nm之間。
29.根據權利要求27所述的方法，其中，照射流體樣本的步驟包括在照射期間改變太赫茲輻射的波長。
全文摘要
本發明公開了一種利用太赫茲輻射分析油田中的氣-液-水化合物的設備和方法以及其它應用。樣本分析儀包括具有被構造成接收樣本的流體連通端口的樣本腔室。分析儀還包括用于過濾樣本并從由樣本腔室接收的儲層混合物選擇性地去除油、水或者氣體的過濾器。太赫茲(THz)輻射檢測器被設置成與樣本電磁連通。太赫茲檢測器提供所檢測的輸出信號，該輸出信號表示從樣本檢測的太赫茲電磁輻射。在一些實施例中，該裝置還包括照射樣本的太赫茲源，太赫茲檢測器檢測被樣本改變的太赫茲源照射的一部分。可以對太赫茲輻射的頻譜的所檢測的部分進行處理，以分析樣本的成分。
文檔編號E21B49/08GK101539017SQ20081008298
公開日2009年9月23日 申請日期2008年3月17日 優先權日2008年3月17日
發明者奧列格·日丹涅夫 申請人:普拉德研究及開發股份有限公司