[发明专利]中红外二氧化碳传感器

说明书

技术领域

本公开的实施方案涉及中红外感测，并且更具体地为但不限于用于监测流体中的二氧化碳(CO₂)的中红外传感器。

背景技术

分析来自烃井的流体样品的化学组成以确定相特性和化学组成是在烃井的监测和管理以及烃储层的可生产性和经济价值的评估中的一个重要步骤。类似地，在生产或其它操作期间对流体组成的监测可对储层管理决策具有重大影响。类似地，相特性和化学组成的确定在用于从井口传输/运输烃的管道等(包括海底管道)中是重要的。

若干公开已描述了在井下环境中使用近红外(例如λ＝1–2.5μm)光谱测量对钻孔流体中的特定气体的分析。举例来说，美国专利号5,859,430描述了使用近红外光谱法来定量确定气相中甲烷、乙烷以及其他简单烃类的存在。使用在光谱区1.64-1.75μm内分子的泛频/组合振动模式对近红外辐射的吸收对气体进行检测。

最近，美国专利号6,995,360描述了在井下环境中使用波长λ＝3-5μm的中红外辐射来监测气体，并且美国专利公布号2012/0290208提出使用中红外辐射来监测溶解到咸水层的液体溶液中的封存的二氧化碳。

然而，在烃工业中使用中红外传感器以及处理来自此类传感器的信息存在许多技术问题。另外，利用中红外光谱法来进行CO₂监测在很大程度上先前尚未被认可。

发明内容

因此，在第一方面，根据本公开的一个实施方案，提供一种用于监测流体中的CO₂的传感器，其中所述传感器包括：

内反射窗，其用于与流体接触；

中红外辐射源，其用于将中红外辐射的光束引导至所述窗中，其中光束在窗与流体之间的界面处经历衰减内反射；

三个第一窄带通滤波器的集合，其中窄带通滤波器各自被配置成优先透射对应于水、油以及CO₂的相应吸收峰的波长带内的中红外辐射以过滤从窗接收的内反射的中红外辐射；

一个或多个红外检测器，其用于检测透射通过滤波器集合的经过滤的中红外辐射；以及

处理器，其被配置成处理/测量所检测到透射通过滤波器集合的中红外辐射的强度，并且由其确定流体中的CO₂的量(例如浓度)。

通过使用第一方面的三个滤波器的集合，传感器可测量CO₂，无论接触窗的流体是基于液体水的相、基于液体油的相、基于液体水和液体油的相的混合物还是气相。

此类传感器是高度灵活的，因为对于CO₂浓度的确定来说不必使窗与液体接触，即它可与液体或气体接触。一般来说，衰减全反射中红外感测仅可用于感测凝聚相，但根据本公开的一个实施方案的传感器可测量非凝聚相中的CO₂，因为CO₂在约4.3μm的波长下在中红外线中强烈吸收。

如下文所论述，传感器可为例如具有另一类似传感器以获得参考强度的传感器布置的一部分。

在第二方面，根据本公开的一个实施方案，提供使用第一方面的传感器或传感器布置来确定流体中的CO₂的量(例如浓度)。因此，监测流体中的CO₂的方法可包括：提供第一方面的传感器，使得内反射窗与流体直接接触；以及操作传感器以确定流体中的CO₂的量(例如浓度)。

在第三方面，根据本公开的一个实施方案，提供一种包括第一方面的传感器或传感器布置的井工具(诸如钻井、生产井或钢缆式取样工具)。

现将陈述本公开的实施方案的任选特征。这些特征单独或与本公开的实施方案任何方面组合为适用的。

根据本公开的一个实施方案，第一滤波器的透射带可位于约3330cm^-1(水)、2900cm^-1(油)以及2340cm^-1(CO₂)处。

根据本公开的一个实施方案，流体可为生产流体、钻井流体、完井流体或工作流体(servicing fluid)。在一些实施方案中，流体可包括液体/气体混合物。

如本文所用的“中红外辐射”意指辐射具有在从约2至20μm范围中的波长。在一些实施方案中，中红外辐射在约3至12μm或3至10μm范围内。