CN100570335C - 用于井下折射计和衰减反射光谱计的方法和设备 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种基于气体的低得多的折射率区分气体和流体的方法和设备。它还可用于监视流体样品随时间变清。钻井流体的折射率是从折射率已知的透明窗和该流体之间的界面反射的光的部分R确定的。最好在流体不高度衰减但最佳衰减的某波长下测量折射率。可以利用相邻的透射光谱计修正其监视的那些波长衰减的折射率测量。该基于反射的折射计设计可充当高衰减波长下的衰减反射光谱计。

Description

用于井下折射计和衰减反射光谱计的方法和设备
技术领域
本发明涉及钻井环境中的量测折射术和光谱测定术。本发明尤其涉及一种稳健设备和方法，用来沿着连续体(而不是逐步地)测量流体的折射率和测量衰减的反射光谱，并且用来解释利用该设备得到的测量以确定岩层流体的各种参数。本文公开的折射仪和衰减反射光谱仪采用简化设计，从而非常适应井下环境。
背景技术
石油和天然气公司在试图发现碳氢化合物沉积上花费大量的金钱。它们在最有希望的矿区中开钻探井，并且不仅利用这些探井确定是否存在碳氢化合物，并且还确定存在的碳氢化合物的性质。
对于深的海上油田，在可以生产任何碳氢化合物之前，必须首先花费几年的时间建造带有适当碳氢化合物管理设施的非常昂贵的平台。这些设施中使用的材料的设计技术要求以及成本极大地取决于碳氢化合物的性质，例如气油比、粘性、泡点压力、沥青沉淀压力等等。探井本身钻好后不久通常堵住并且废弃。但是，探井提供的信息通常在油田或气田的整个生命中一直使用。
为了确定碳氢化合物性质，碳氢化合物公司常常从探井中取出一些碳氢化合物。为此目的可以把例如Baker Atlas ReservoirCharacterization Instrument(RCI)的电缆岩层测试器下降到井中。
最初，取出的流体可能被钻井期间使用的流体的滤液(“泥浆”)高度污染。为了得到足够干净(通常小于10％的污染)的样品从而样品可提供和岩层有关的有意义的试验室数据，通常要从钻井抽吸30-90分钟的岩层流体，并实时监视其变干净。接着可以把从井下取到的流体收集到罐中，以供随后在地面上实验室中进行分析。
替代地，对于某些性质，可以在井下实时分析样品。本发明涉及监视样品变干净并且涉及在储层的温度和压力下在井下进行样品的分析。
井下环境是难以操作传感器的环境。井下环境中的测量仪器必须在工具的压力机架内的有限空间以及极端条件(包括高温、振动和冲击)下操作。
Mullins等的美国5,167,149号和5,201,220号专利标题都为“用于检测井下流体流中的天然气压力的设备和方法(Apparatusand Method for Detecting the Presence of Gas in a Borehole FlowStream)”。Mullins的该发明的设备包括井下8通道临界角(以及布鲁斯特角)折射计以区分油和气并且估计流体中气的百分比。
测量黑流体(例如原油)的折射率的传统方法是临界角折射计。发散光束穿过透明固体(例如玻璃)并且射到该透明固体和与该透明固体接触的一些要测量的流体之间的界面上。在接近该界面的法线的角度下反射的发散光束较暗。在这些角度，一些光透射(折射)到流体中。
在掠散角下反射的发散光束亮得多。从布鲁斯特角开始，任何入射P偏振光不遭受反射损失。从临界角开始，所有光，不论是否偏振，都不遭受反射损失而是从该界面100％地反射，从而没有光透射入流体。
对于从介质n0进入介质n1时的折射光，可以从斯涅耳折射定律n0sinθ0＝n1sinθ1计算临界角。最大可能的折射角(从界面的法向测量)是90°，从而通过在斯涅耳定律中代入θ1＝90°，可以算出临界角θc＝arcsin(n1/n0)。
在临界角可以看到反射强度的大改变(亮/暗分界线)，可以利用单个可移动检测器或者利用静止的光测器阵列定位。对于井下设计单个可移动检测器明显增加机械复杂性。
实验室仪器通常利用1024或更多的静止光测器阵列检测临界角。但是，井下模仿实验室设计会是困难的，因为光测器阵列中建立的多路复用器通常不能95℃以上工作。即使利用分立的高温多路复用器，在井下遇到的高温下多路复用这么多的微弱信号是成问题的，因为为了降低噪声它们可能必须是堆叠的。从而，在井下，可能对于临界角折射计只使用几个固定的光测器器件(例如，8个)。当然，如前面提到的美国5,167,149号和5,201,220号专利中说明那样，利用8通道折射计只能按8步地而不是连续地测量折射率。
由于这种器件只在八个粗步程中测量折射率，该器件的操作者难以监视样品变清。样品变清指的是当从钻井的选定深度抽取流体时从滤液污染流体转变为几乎纯净的岩层流体。
粗略折射率读数的处理不能对样品变清提供准确监视。因此，需要一种可以沿着连续体测量折射率的方法和设备，从而操作员可以准确监视岩层样品的折射率。
发明内容
本发明提供连续折射率测量。利用连续折射率测量监视变清的好处是，对于可以在井下透射光谱计的整个光谱上的光密度造成突然乱真增加(“跳跃”)的沙粒或其它颗粒的通过，折射率远远不那么敏感。样品的勘测深度仅为从蓝宝石窗口表面深入到样品中1-2微米，从而对样品的光测量不受离该窗口表面3微米之外的气泡或颗粒的影响。这种窄的勘测深度称为界面技术，因为在样品中只勘测非常浅的深度(1-2微米)。因此，由于大部分气泡和颗粒不在蓝宝石窗口表面的1-2微米内通过，本发明提供的界面技术基本上消除气泡造成的亮度的暂时增加以及颗粒造成的暗度的暂时增加。有趣的是，美国5,166,747号专利在第5栏第17-23行特地指出：“蓝宝石壁和流体样品的界面造成的反射不提供有用信息”，这种讲授背离本发明。
本发明的折射计对颗粒的敏感较小，因为它只在通过窗口的光的几个波长的深度上探测流体，从而它看不到所有通过2mm路径长度单元(304)的颗粒。很少的颗粒进入窗口几个光波长之内，这部分地是由于颗粒的周围以及窗口的周围涂覆着至少几个光波长的流体。
本发明不要求测量临界角。此外，它还可以充当衰减反射光谱计。
本发明提供连续折射率测量，并且包括一种用于井下环境中的持续、准确操作的简化折射计设计的设备和方法。在本发明的一个方面，本发明提供对利用本发明的折射计得到的测量的新颖解释。在本发明的另一个方面，本发明提供一种基于气体的低得多的折射率区分气体和流体的方法和设备。在本发明的另一个方面，本发明提供一种从透明窗口和钻井或岩层流体之间的界面反射的光的部分R确定钻井或岩层流体的折射率的方法。在本发明的又一个方面，可以利用本发明观察减压期间岩层流体的泡点和露点，或者准确确定若干其它岩层特性。在本发明的又一个方面，可以利用本发明得到高衰减区中流体的吸收光谱。
高衰减区包括可见和近红外光中的沥青烯质尖峰(由于电子跃迁)或中红外(其吸收可以比近红外中的对应吸收尖峰大100倍以上)或近红外中的强分子振动尖峰。这些光谱通常太衰减因而不能利用2mm径长以上的透射光谱仪测量。
中红外常常称为红外光谱的“指纹”区，因为在其上常常可以特别明显地出现微妙的化学差异。烷烃(在原油中找到)的红外光谱不同于烯烃(只在某些钻井流体中找到)的光谱，也不同于各种芳香烃(大都在原油中找到，但是通过设计不存在于任何环境友好的合成钻井流体中)的光谱。
红外光谱差异可以构成一种改进方法的基础，以便根据从分子振动谱频术推导出的而不是从颜色推导出的化学成分的微妙差异来估计样品中钻井流体的污染量。从下面的在本文的详细说明书中公开的一优选实施例的例子本发明的这些和其它目的和优点会变得清楚。
附图说明
图1示出流体/蓝宝石界面处光反射百分率对向该界面法向入射(垂直)的折射率的曲线，其中该流体是正在被测量的折射介质；
图2是本发明的折射计的一个优选实施例的图；
图3是图2的折射计的放大图；
图4是比较本发明的光谱计的读数和一种已知光谱计的读数的曲线。
图5是示出污染原油的测得折射率n随基于油的泥浆滤液污染的百分率的变化的图；
图6是示出十种纯碳氢化合物(己烷，辛烷，癸烷，十二烷，廿二烷，苯，甲苯，邻二甲苯，间二甲苯以及对二甲苯)的多种集的克劳修斯-莫索蒂比(n2-1)/(n2+2)对密度(g/cc)的曲线。这些数据是从公开文献(化学和物理CRC手册，第50版，1969)中得到的；
图7是示出这十种纯碳氢化合物的随机合成混合物的每种成分的克劳修斯-莫索蒂比的体积加权和对该混合物的密度(g/cc)的曲线。注意这些混合物的最佳拟合斜率和截矩基本上与对各种纯成分的最佳拟合斜率和截矩相同；并且
图8是示出范围从19°到41°API的十种原油集的克劳修斯-莫索蒂比对密度(g/cc)的曲线。注意，这些高复合混合物(原油)的最佳拟合斜率和截矩非常接近为纯碳氢化合物和它们的混合物得到的值，这指示克劳修斯-莫索蒂比和密度之间的几乎通用的关系。去掉其中之一(Oklahoma原油)外，这些数据是从公开发布的文献(Buckley等的表I，Paper 61f of 2nd International Symposium onThermodynamics of Heavy Oils and Asphaltenes，Houston，March9-13，1997)取得的；
图9示意示出当形成流体片或形成液滴时光强下降时为确定露点执行的操作；
图10示意示出为确定折射率为最小的压力下的泡点执行的操作；
图11示意示为对样品估计溶解参数、表面张力和成分执行的功能；
图12示出杂光对计算的折射率的误差的影响；以及
图13是井下环境中本发明的一个例子。
具体实施方式
本发明提供一种从折射计测量确定若干岩层流体特性的方法和设备。本发明还提供一种根据气体的低得多的折射率更准确地区分气体和流体的方法和设备。可以从具有已知折射率的优选透明窗口和被分析的岩层流体之间的界面反射的光的部分R确定钻井或岩层流体的折射率。
图1示出从流体/蓝宝石界面反射的光的百分比曲线101，其中光垂直入射到该透明窗口和界面的表面平面上。在该图中，窗口具有1.75的固定折射率但流体的折射率是变化的。当流体的折射率等于窗口的折射率(对于蓝宝石为1.75)时出现最小反射。
图2示出装在井下流体特性鉴定工具内的已有空间中的折射计的本发明的优选设计，其可以进行岩层和钻井流体的现场分析(例如Baker Atlas公司的Sample ViewSM工具)。
在一优选实施例中，光源201(例如钨丝灯泡)向岩层或钻井流体样品发射光。通过该光源和流体样品之间的准直透镜器件203准直该发射的光。如果不受阻碍，准直后的光束通常垂直地入射到第一蓝宝石窗303的外表面上。通常垂直于准直后的光束的蓝宝石窗303和302由间隙或通道304隔开，以便能使被分析的流体在它们之间流过。在一优选实施例中，折射计组件205使来自光源310的入射准直光束中的一部分转向并把这部分光聚焦到第一蓝宝石窗303和通道304中的流体之间的界面307上。反射的光束在折射计(316，318和320)和衰减反射光谱计321之间的317处分裂。没有为在该折射计或该衰减反射光谱计中使用而转向的那一部分准直光束继续前进以供其它试验例如透射吸收光谱计209中使用。
图3是折射计组件205的放大图，图中示出二个称为左棒300和右棒301的光传输棒300、301(它们可以是中继透镜或者可以简单地是玻璃或蓝宝石棒)，其中光传输棒300也被称为左棒300，并且光传输棒301也被称为右棒301。这二个光传输棒的纵轴位于垂直于二个承压板303、302的平面的平面中，这二个板包括第一蓝宝石窗303、第二蓝宝石窗302以及通道304。另外，这二个光传输棒300、301最好是并排的(并且在它们相遇处303彼此接触)，并且还可以和第一蓝宝石板303接触。为了使光信号最大，施加高温折射率匹配凝胶以桥接光传输棒300、301和第一蓝宝石板303之间的间隙。除了空气之外使该间隙不被填充不会改变折射率测量，因为它按相同的因子减弱未知样品以及基准样品二者的光强测量。用来计算折射率的式16只取决于比值Ir_air/Ir_unk，从而分子分母中的相同因子彼此抵消。光传输棒300和301最好对法线是等角的(大约4°)，并且跨在垂直中心线306上。这样的优选角是机械设计限制下能达到的最小实际工作角。理想角应为零度，因为在从反射光强计算折射率的公式中该角假定为零度。但是，理论计算显示只在0°到4°可忽略反射光强改变(对于空气为-0.0062％而对于石油为-0.0079％)。当通过我们的公式传播这些反射光强误差时，发现4°角度使得参照空气的对石油测量折射率的误差只比应该值低可忽略的百万分之2到3。从蓝宝石窗表面到样品中的样品勘测深度仅为1-2微米，从而对样品的光测量不受离窗表面的距离超过3微米的气泡或颗粒的影响。这种窄深度勘测称为界面技术，因为只在样品中勘测非常浅的深度(1-2微米)。由此，本发明提供的界面技术实质上消除了气泡造成的亮度的暂时增加以及颗粒造成的暗度的暂时增加，因为大部分气泡和颗粒不在蓝宝石窗表面的1-2微米内通过。
通过在通道304内放置折射率已知的物质(例如空气或水)校准该优选折射计。记录经左棒300传输到第一蓝宝石板303并且通过右棒301反射回到该蓝宝石/空气(或蓝宝石/水)界面上的反射光的强度，并且将其用作校准基准值以供从其它流体的相对反射强度计算它们的折射率。利用通道304中的折射率已知的流体(最好是空气)调准光源310，光进入左棒300，在流体蓝宝石界面上反射并且通过右棒301返回。反射的光经光纤链路314到达滤光器316，接着到达光电转换器318并且最后到达电子分析/显示系统320。
当利用透明的已知基准流体时，在黑色测试目标312驻留在通道304中第二蓝宝石窗302的内表面上。它吸收任何通过第一蓝宝石窗的并且撞击第二蓝宝石窗的光，从而消除从第二窗302的背反射。该测试目标312能校正读数，因为移动目标312潜在地允许从第二蓝宝石窗302背反射，该背反射可显著增加并且从而改变校准读数。但是，这些二次反射通常只在校准中是问题。一个原因是，岩层流体通常具有比校准中使用的流体(空气)高的吸收，从而二次反射通常由流体自身消除。另一个原因是，第一窗流体界面处反射的光的部分只取决于在该界面的大约一个表皮深度内的流体的折射率，而间隙304远远大于该表皮深度。
在一优选实施例中，岩层流体或气体通过蓝宝石窗302和303之间的通道304，并且测量反射光强度。该反射强度主要取决于通道304中的与上板界面303接触的薄岩层流体层的折射率。
光纤链路314能使光电转换器318以及关联的固定装置位于中央光束的之外，该中央光束供透射吸收光谱计209使用。这种组件布局防止阴影投到蓝宝石窗中用于其它测量例如透射吸收光谱术209的部分上。
基本反射公式是周知的并且例如可以在Handbook of Optics，Volume I，Second Edition，Michael Bass.ed中找到。对于不吸收窗和不吸收流体，垂直于界面的光束的反射系数为：
R＝Ir/Io＝(n0-n1)2/(n0+n1)2                (1)
其中n0是窗口的折射率而n1是流体的折射率。为了求解n1可以反演式1。
对于n1＜n0，n1＝n0(1-Sqrt(R))/(1+Sqrt(R))    (2)
对于n1＞n0，n1＝n0(1+Sqrt(R))/(1-Sqrt(R))    (3)
本发明最好把蓝宝石(n0＝1.746)用作为透明窗口材料。大部分原油的折射率约在1.43到1.55之间。高压下天然气的折射率明显要低。从而，本发明的实施采用和n1＜n0情况关联的公式(式2)。对于透过蓝宝石窗口并且射到流体/窗界面上的光，该界面的反射越亮，流体的折射率越低。真空的流体折射率最低(n0＝1.0)，它接近0℃时一个大气压下的空气的折射率(n0＝1.0002926)。
本发明还包括考虑出现在流体-窗界面的大约一个表皮深度内的流体的任何光吸收(衰减反射效应)而修正折射率公式(式1)的估算。只有当在折射计使用的光波长下流体是高衰减的，流体才会在一个表皮深度的短距离下吸收足够的光，用式11代替较简单的式11以修正吸收是必要的。
本发明的折射计基于蓝宝石/流体界面处反射的光强。
为了成功操作这种类型的折射计，消除杂光是关键性的。为此，本发明在该工具内部的不同位置，例如其中安放该折射计组件的管，上提供阴暗(不亮的)黑涂层，例如无光抛光黑铬。在施加黑色无光涂层之前，在该管的内部形成螺线，利用螺线达到斜脊(而不是平台)以进一步减小管内反射造成的任何杂光。
本发明还基本上消除来自第二蓝宝石窗的反射。为此，在二个窗之间设置由黑铬包围的黑特氟隆目标。这对井下流体暴露一些黑铬，并且黑铬看来比较好地被保持。但是，对于钻井流体中的最关键位置，使用粗砂磨加碳黑特氟隆，因为不同于涂层，流体中的颗粒不会磨掉它的黑度。任何磨蚀仅仅只是暴露更多的黑特氟隆。在该工具的内部不对钻井流体暴露的区域中使用黑铬以减小这些区域中的杂光。
为了消除第二蓝宝石窗外面的部件所反射的杂光，最好采用对水和油稍微(但不过度)吸收的波长(1740nm)，即“最佳吸收”。对于折射计，不希望采用在其上原油是高吸收的波长(400-1100nm沥青烯尖峰)，因为接着会存在明显的衰减反射，这种衰减反射会在折射率读数中造成不容易修正的系统误差。
对于不吸收窗口和吸收流体，可以用实部(n1撇)和虚部(k1)定义流体的复数折射率。
n1′+ik1                 (4)
其中
k1＝(αλ)/(4π)         (5)
这里，k1是流体的复数折射率的虚部，其代表波长λ下的吸收率，而α是在其上光强下降到其初始值的1/e的距离(通常称为“表皮深度”或“渗透深度”)的倒数。按吸收率的定义，A＝log10[I0/I1]。对该式二侧乘以α并且用(I0/e)代替I，产生波长λ下流体中每单位长度上的相应吸收率，即
Aα＝αlog10[I0/(I0/e)]＝αlog10(e)              (6)
通过该仪器的另一个过程得到流体在固定路径长度L上的吸收率A。该长度L最好选成为2mm。类似于质量密度，单位长度上的吸收率是一个集中性质(和形状或体积无关)。这样，可以把测到的单位长度的吸收率(A/L)看成是式(6)的右侧并求解α以得到下式：
α＝A/[L log10(e)]                   (7)
现在可以把式7的α带到式5中以按波长λ下测到的单位长度上的吸收率计算k1，即
k1＝(Aλ)/(4πL log10(e))            (8)
数值上，对于L＝2mm并且λ以nm为单位，
k1＝A2mmλ[nm]/(10915011)            (9)
从而，对于1300nm，k1＝A2mm/8396；而对于1600nm，k1＝A2mm/6821，其中A2mm是通过现有井下透射光谱计(本折射计靠着该光谱计安装)测量的吸收率。
对于不吸收窗口但吸收流体，垂直于或接近垂直于界面的光束的反射系数为：
R＝[(n0-n1)2+k1 2]/[(n0+n1)2+k1 2]         (10)
求解n1得到
n1＝(n0/a{1±Sqrt[1-a2(1+(k1/n0)2)]}     (11)
其中a＝(1-R)/(1+R)。为了使吸收率修正的需要为最小，可以在流体吸收最小的波长，例如1300nm和1600nm下进行反射系数的测量。这二个波长位于分子吸收带之中。最好在1740nm下进行测量，因为该波长对于油和水是适度(和最优)吸收的，并且减小从远蓝宝石窗反射的杂光。
当然，原油还具有由于沥青烯而随波长增加下降的电子吸收带。对于轻原油，沥青烯尖峰通常在1300nm前下降到最小吸收率。对于中比重原油，在较大波长1600nm之前沥青烯尖峰可能不下降到最小吸收率。对于重原油，尽管采用较长的最小吸收波长例如1600nm，为了计算n1可能需要修正公式(式9和式11)。沥青烯吸收的乱真影响在1740nm下更小。
对于流体不强烈吸收的波长下的法向入射，可以利用下面的公式计算未知流体的折射率nunk。该式根据1)蓝宝石的折射率、2)空气的折射率以及3)蓝宝石/空气界面的反射光强对蓝宝石/未知流体界面反射的光强的比率计算nunk。
nunk＝nsap(a-b)/(a+b)            (14)
其中
a＝(nsap+nair)/(nsap-nair)       (15)
b＝Sqrt(Ir-unk/Ir-air)           (16)
Ir_air＝当空气在单元中时的反射信号强度
Ir_unk＝未知流体在单元中时的反射信号强度
nunk＝未知流体的折射率
nair＝空气的折射率(约为1.0029)
nsap＝蓝宝石的折射率(约为1.746)
可以从式1这样得到式14：先取未知流体/蓝宝石界面的反射率对空气/蓝宝石界面的反射率之比的平方根，接着应用a和b的定义，并且最后求解nunk。
图4的曲线401比较本发明的折射计对折射率的测量(1600nm下利用式14)和利用常规折射计在可见光下对水、戊烷和三色乙烷(tricloroethane)(分别为低、中、高折射率)测量的折射率。可以做出进一步的改进以修正空气和蓝宝石的折射率随温度的轻微改变或者对照常规折射率(可见光下测量，通常在589nm)修正(本发明在1600nm下测量的)折射率。
本发明在可见光和近红外短波下得到高衰减沥青烯尖峰上的原油光谱。当把空气充填到第一蓝宝石窗303下的间隙304中时，在400-110nm的范围下，通过使Ocean Optics S2000便携式光纤光谱计直接和光纤链路314连接收集反射光强对波长的基准光谱。接着间隙304充填原油，本发明收集另一个反射光强对波长的光谱。这二个光谱的比以10为底取对数产生沥青烯区域上的原油的吸收光谱。该测量显示出沥青烯较短波长下的特征性的升高吸收。
为了使本发明充当折射计和衰减反射光谱计二者，对光纤链路314添加一个分光器317。该分光器317把部分准直光束发送到原有的滤光器316和折射计的光电转换器318。该分光器把其余的光束转向到衰减反射光谱计321，后者包括一个或更多的滤光器、光栅或其它波长分离器件以及光检测器。
本发明提供连续折射率读数(而不是疏步(coarse-step)的)，这样，还可以利用这些连续的折射读数监视折射率上例如和样品变清关联的更细微的变化。样品变清指的是当从钻井的选定深度抽取流体时滤液污染岩层流体转变几乎纯净的岩层流体。图5的曲线501示出如何把污染原油的折射率和以油为基的泥浆滤液污染百分率关联起来。
克劳修斯-莫索蒂比公式(式17)把克劳修斯-莫索蒂比r＝(n2-1)/(n2+2)和质量密度ρ、容模极化率P以及克分子量M关联起来。
(n2-1)/(n2+2)＝ρPm/M            (17)
对于理想混合物，每一成分的克劳修斯-莫索蒂比的体积加权和等于混合物的克劳修斯-莫索蒂比。以此方式，可以把混合物的折射率和它的组成成分的折射率相关联。即，如果混合物的折射率为n并且体积份额为fi的第i个混合物成分的折射率为ni，则
(n2-1)/(n2+2)＝∑ifi(ni 2-1)/(ni 2+2)      (18)
本发明还能确定通道中的流体的露点压力，如果该流体是纯岩层流体它代表周围岩层的流体。通过在通道304中捕获岩层流体样品，并且通过关上阀340以及上、下移动活塞341以分别减小或增加通道304中的样品的体积以及提高或减小通道304中的压力来改变体积，本发明能使用户确定流体样品340的露点或泡点。本发明在通过界面的样品的短距离内从通道/样品界面在小的光波长范围内测量流体的折射率。在露点，气体优先在充当成核点的固体表面上凝结成液体。即，在露点下，在窗口上形成一层液体，并且通过本发明利用当从气体变成液体时检测到的折射率改变检测出这层液体。
流体从气相转变到液相期间测到的折射率增大，因为液相和窗口接触，从而反射光的强度下降。但是在薄液层是完美平坦的和平行的而不是略微楔形的可能性不大的情况下，来自液体/气体界面的部分反射可以回到检测器，造成越过露点时反射光中的变化不那么显著。
图6的曲线601示出十种纯碳氢化合物(己烷，辛烷，癸烷，十二烷，廿二烷，苯，甲苯，邻二甲苯，间二甲苯以及对二甲苯)的多种集的克劳修斯-莫索蒂比(n2-1)/(n2+2)对密度(g/cc)的曲线。这些数据是从公开文献(化学和物理CRC手册，第50版，1969)中得到的。
图7的曲线701示出这十种纯碳氢化合物的随机合成混合物的每种成分的克劳修斯-莫索蒂比的体积加权和对该混合物的密度(g/cc)的曲线。注意，这些混合物的最佳拟合斜率和截矩基本上和各种纯成分的最佳拟合斜率和截矩相同。
本发明使得能在井下连续测量折射率。该测量可以和从区域的历史值数据库中得到的、从特定地理区和深度的经验中推出的、从折射率推出的或者通过完全独立的手段测到的估计摩尔质量、比重或沸点相组合。例如，可以从井中不同深度上的一系列RCI压力测量的梯度(压力对深度斜率)得到井下比重。替代地，如图8中的曲线801所示，可以从折射率自身估计比重。
已知井下折射计八步测量，从而它们只告诉用户折射率属于这八步中的哪一步。即，八步部件只能报告流体的折射率的范围(这八步中的一步的上、下限而不是折射率自身)。
本发明的优选井下折射计连续地而不是分步地测量折射率。从而，测到的折射率能估计其它有用的井下性质，例如泡点压力、表面张力和溶性参数。
折射率对流体压力曲线在流体的泡点压力上具有最小值。例如，可以从1.47(当流体在泡点之上或之下)变化到1.43的最小值(泡点下)。为此，本发明提供一个由通道304、阀340和活塞341组成的可延伸的样品腔，以在测量折射率时减小井下压力，从而利用本发明的折射计确定泡点压力。(Buckley等，Paper 61f of 2nd InternationalSymposium on Thermodynamics of Heavy Oils and Asphaltenes，Houston，March 9-13，1997)。减小压力以低于泡点的可延伸样品腔在技术上是周知的，如在美国6,218,662号专利中公开那样。
参数Rm(n2-1)/[(n2+2)ρ]表示总体积中分子占据的份额并且是一个预测许多物理和热力学性质的非常有用的参数(Riazi M.R.，Daubert T.E.，“Characterization Parameters for PetroleumFractions，Industrial and Engineering Chemistry Research，U.S.A，Vol.26，Pages 755-759，1987”)。在此式中，(n2-1)/(n2+2)是每摩尔分子占据的体积，而ρ是每单位体积的摩尔数(不是克数)。参数Rm以及其他参数可被用于估算表面张力、泡点，以及用于闪速计算(flash calculation)(Escobedo，J和Mansoori，G.A.，Surface TensionPrediction for Liquid Mixtures，AIChE Journal，Vol.44，No.10，pp.2324-2332，1998)。
表达式(n2-1)/(n2+2)3/4与溶性参数成比例，并可用于估算混合物的极化性和芳香族化合物对脂肪族化合物的相对分数(Buckley等，“Asphaltene Precipitation and Solvent Properties of Grude Oils，Pet.Sci.Tech.，Vol.16，No.3-4，p.251，1998”)。
在正确设计和操作石油生产、处理和运输中的设备上石油馏分以及产品的热力学和物理性质是重要的。如下面的摘录中所示那样，在Mohammad R.Riazi＊和Yousef A.Roomi的论文的文摘中概括地讨论岩层流体性质的估计，该论文标题是“Minimum Lab.Data ToMeasure Fluid Properties”，其讨论从摩尔质量、比重和折射率估计绝大多数的岩层流体性质，并发表于2000年10月15-18日于加拿大蒙特利尔召开的第50届加拿大化学工程会议(CSChE 2000)。(另参见Industrial and Engineering Chemistry Research(Issue 8，2001)。Riazi，M.R.和Y.Roomi在Industrial and Engineering ChemistryResearch，American Chemical Society，January 2001上发表的“Use ofRefractive Index in Estimating Thermophysical Properties ofHydrocarbon Mixtures”)。
设计和操作提炼中使用的热交换器单元中需要石油馏分的比热、导热率、粘性和密度。在确定诸如汽油或柴油等石油燃料的品质上对石油产品的苯、芳香族以及硫的含量的了解是重要的。试验确定不同条件下各种石油混合物的所有这些性质是费钱的和耗时的。通过只测量三种基本性质，可以以良好的精确度估计几乎所有其它性质。这三种基本性质是20℃下的摩尔质量、比重和折射率。在得不到摩尔质量的情况下，可以利用沸点(蒸馏数据)以及比重和折射率来估计各种热力学和物理性质。石油馏分和石油产品是来自不同族的许多碳氢化合物成分的混合物。这些成分是无极性的并且主要分子间力是从用极化性定义的极化强度确定的伦敦分散力。折射率是一种容易在实验室测量的性质。通过了解折射率、密度和摩尔质量，可以准确确定石油馏分中的石蜡、环烷、单芳香族、多芳香族和硫的含量。通过这些参数，可以从经验数据在1-2％的精确度下确定许多物理性质，例如临界性质、状态参数方程、粘度、导热率、扩散率、比热和汽化热。可以从非常少的几个可测量的参数确定复杂石油混合物的许多物理以及热力学性质。
这样，利用本发明确定岩层样品的折射率并提供摩尔质量和比重，可以准确确定石油馏分中石蜡、环烷、单芳香族、多芳香族和硫的含量。通过这些参数可以确定许多物理性质，例如临界性质、状态参数方程、粘度、导热率、扩散率、比热和汽化热。
图9示意示出当由于形成一层液体或形成液滴时光强下降时确定露点所执行的功能。本发明的一个例子中执行的功能是：得到岩层流体901；改变流体体积以降低和/或加大流体上的压力902；改变流体体积以降低和/或加大流体上的压力903；在压力改变期间监视流体的折射率904；确定在降压期间反射光的强度的下降905；确定降压期间反射光的强度的下降906；以及，当形成液体层或形成液滴时光强下降时确定流体的露点907。
图10示意说明为确定折射率为最小时压力下的泡点而执行的功能。本发明的一个例子中执行的功能是：得到岩层流体1001；对流体减压1003；监视减压期间的折射率1005；确定折射率为最小时压力下的流体泡点1007。
图11示意说明为确定样品的溶性参数、表面张力和成分执行的功能。本发明的一个例子中执行的功能是：得到岩层流体并减压1101；连续监视流体折射率1103；以及估计流体的溶性参数、表面张力和成分105。
图12示出1％(1201)、2％(1202)和5％(1203)的杂光对计算的折射率的误差的影响。图13说明部署在钻井中的本发明的示范实施例。本发明适于部署在钢丝绳、滑绳中或适于钻井同时进行监视的环境。图13出钻井操作同时进行监视时部署的本发明的一示范实施例。现转到图13，图13是依据本发明的一实施例的钻井设备。如业内人士周知那样示出典型的钻机202，钻井204从其延伸。钻机202具有工作绳206，在示出的实施例中该绳是钻绳。钻绳206附着有用来钻开钻井204的钻头208。本发明也可用于其它类型的工作绳，并且本发明可以和钢丝绳、接合管、螺旋管或者诸如缓冲减振动管的其它小直径工作绳一起使用。钻机202示出定位在带有提升器224的钻井船222上，该提升器从钻井船222延伸到海底220。但是，任何钻机配置例如以陆地为基的钻机都适于实现本发明。
优选实施例的上述例子用于解释的目的而不是用来限制本发明的范围，本发明的范围是由下述权利要求书限定的。

Claims (14)

1.一种确定井下流体的折射率的设备，包括：
第一光学传输器件，用于将来自光源的光以对窗口大致垂直的入射角引导到所述窗口与所述流体之间的基本上平的界面，其中，基本上全部入射光都进入所述流体；
第二光学传输器件，该第二光学传输器件相对于所述第一光学传输器件倾斜，用于收集从所述流体以大致等于所述大致垂直入射角的角度反射的光；以及
分析系统，用于测量从所述流体收集的光的强度，以确定所述流体的折射率。
2.权利要求1的设备，还包括：
与所述界面处的流体相关联的勘测区。
3.权利要求1的设备，还包括：
杂光减少器件，用于减少进入所述分析系统的杂光。
4.权利要求2的设备，还包括杂光减少器件，该杂光减少器件包括不反射材料，该不反射材料吸收经过所述流体的光以防止背反射从所述勘测区之外进入该岩层流体。
5.权利要求3的设备，其中该杂光减少器件包括黑色无光涂层。
6.权利要求3的设备，其中该杂光减少器件还包括在管的内部的螺线，所述第一和第二光学传输器件位于该管中。
7.权利要求1的设备，还包括：
滤光器，用于选择最佳吸收光波长，其中所述最佳吸收光波长是1740nm。
8.一种确定井下流体的折射率的方法，包括：
将光通过第一光学传输器件以对窗口大致垂直的入射角引导到所述窗口与所述流体之间的基本上平的界面，其中，基本上全部入射光都进入所述流体；
在相对于所述第一光学传输器件倾斜的第二光学传输器件中，收集从所述流体以等于所述大致垂直入射角的角度反射的光；以及
在分析系统中测量从所述流体收集的光的强度，以确定所述流体的折射率。
9.权利要求8的方法，其中对光进行测量包括测量来自如下勘测区的光，该勘测区与所述界面处的流体相关联。
10.权利要求8的方法，还包括：
减少进入所述分析系统的杂光。
11.权利要求9的方法，还包括：
通过吸收经过所述流体的光以防止背反射从所述勘测区之外进入所述流体，来减少杂光。
12.权利要求11的方法，其中减少杂光还包括：
利用内部形成有螺线的管来围绕所述第一和第二光学传输器件。
13.权利要求12的方法，其中还包括：
对所述管涂覆黑色无光涂层。
14.权利要求8的方法，还包括：
滤掉除最佳吸收光波长之外的所有波长的光，其中所述最佳吸收光波长是1740nm。
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