本公開的實施方案涉及中紅外感測，并且更具體地為但不限于用于監(jiān)測流體中的二氧化碳(co2)的中紅外傳感器。

背景技術(shù)：

分析來自烴井的流體樣品的化學(xué)組成以確定相特性和化學(xué)組成是在烴井的監(jiān)測和管理以及烴儲層的可生產(chǎn)性和經(jīng)濟價值的評估中的一個重要步驟。類似地，在生產(chǎn)或其它操作期間對流體組成的監(jiān)測可對儲層管理決策具有重大影響。類似地，相特性和化學(xué)組成的確定在用于從井口傳輸/運輸烴的管道等(包括海底管道)中是重要的。

若干公開已描述了在井下環(huán)境中使用近紅外(例如λ＝1–2.5μm)光譜測量對鉆孔流體中的特定氣體的分析。舉例來說，美國專利號5,859,430描述了使用近紅外光譜法來定量確定氣相中甲烷、乙烷以及其他簡單烴類的存在。使用在光譜區(qū)1.64-1.75μm內(nèi)分子的泛頻/組合振動模式對近紅外輻射的吸收對氣體進行檢測。

最近，美國專利號6,995,360描述了在井下環(huán)境中使用波長λ＝3-5μm的中紅外輻射來監(jiān)測氣體，并且美國專利公布號2012/0290208提出使用中紅外輻射來監(jiān)測溶解到咸水層的液體溶液中的封存的二氧化碳。

然而，在烴工業(yè)中使用中紅外傳感器以及處理來自此類傳感器的信息存在許多技術(shù)問題。另外，利用中紅外光譜法來進行co2監(jiān)測在很大程度上先前尚未被認可。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

因此，在第一方面，根據(jù)本公開的一個實施方案，提供一種用于監(jiān)測流體中的co2的傳感器，其中所述傳感器包括：

內(nèi)反射窗，其用于與流體接觸；

中紅外輻射源，其用于將中紅外輻射的光束引導(dǎo)至所述窗中，其中光束在窗與流體之間的界面處經(jīng)歷衰減內(nèi)反射；

三個第一窄帶通濾波器的集合，其中窄帶通濾波器各自被配置成優(yōu)先透射對應(yīng)于水、油以及co2的相應(yīng)吸收峰的波長帶內(nèi)的中紅外輻射以過濾從窗接收的內(nèi)反射的中紅外輻射；

一個或多個紅外檢測器，其用于檢測透射通過濾波器集合的經(jīng)過濾的中紅外輻射；以及

處理器，其被配置成處理/測量所檢測到透射通過濾波器集合的中紅外輻射的強度，并且由其確定流體中的co2的量(例如濃度)。

通過使用第一方面的三個濾波器的集合，傳感器可測量co2，無論接觸窗的流體是基于液體水的相、基于液體油的相、基于液體水和液體油的相的混合物還是氣相。

此類傳感器是高度靈活的，因為對于co2濃度的確定來說不必使窗與液體接觸，即它可與液體或氣體接觸。一般來說，衰減全反射中紅外感測僅可用于感測凝聚相，但根據(jù)本公開的一個實施方案的傳感器可測量非凝聚相中的co2，因為co2在約4.3μm的波長下在中紅外線中強烈吸收。

如下文所論述，傳感器可為例如具有另一類似傳感器以獲得參考強度的傳感器布置的一部分。

在第二方面，根據(jù)本公開的一個實施方案，提供使用第一方面的傳感器或傳感器布置來確定流體中的co2的量(例如濃度)。因此，監(jiān)測流體中的co2的方法可包括：提供第一方面的傳感器，使得內(nèi)反射窗與流體直接接觸；以及操作傳感器以確定流體中的co2的量(例如濃度)。

在第三方面，根據(jù)本公開的一個實施方案，提供一種包括第一方面的傳感器或傳感器布置的井工具(諸如鉆井、生產(chǎn)井或鋼纜式取樣工具)。

現(xiàn)將陳述本公開的實施方案的任選特征。這些特征單獨或與本公開的實施方案任何方面組合為適用的。

根據(jù)本公開的一個實施方案，第一濾波器的透射帶可位于約3330cm^-1(水)、2900cm^-1(油)以及2340cm^-1(co2)處。

根據(jù)本公開的一個實施方案，流體可為生產(chǎn)流體、鉆井流體、完井流體或工作流體(servicingfluid)。在一些實施方案中，流體可包括液體/氣體混合物。

如本文所用的“中紅外輻射”意指輻射具有在從約2至20μm范圍中的波長。在一些實施方案中，中紅外輻射在約3至12μm或3至10μm范圍內(nèi)。

在本公開的一些實施方案中，每個第一窄帶通濾波器可以被配置以使得其波長透射帶在從約25至150℃范圍中的溫度下是基本上溫度不變的。井下環(huán)境中的溫度可能會變化很大，例如從室溫直到約150℃或200℃。通過使用此類溫度不變型濾波器，傳感器對于其周邊環(huán)境的溫度變化的靈敏度可以大大降低，從而提供對井下環(huán)境中的co2的檢測和/或co2的量的準確測量。

為涵蓋更大的井下溫度范圍，每個第一窄帶通濾波器的波長透射帶在從約25至200℃范圍中的所有溫度下可為基本上溫度不變的。為涵蓋井下和海底兩種條件(其中環(huán)境溫度可能在從約-25至25℃范圍中)，每個第一窄帶通濾波器的波長透射帶在從約-25至150或200℃范圍中的所有溫度下可為基本上溫度不變的。

如本文所用的“基本上溫度不變”意指變化至多為約0.1nm/℃。在本公開的一些實施方案中，溫度不變性可為至多約0.05、0.03、0.02或0.01nm/℃。

在本公開的實施方案中，每個濾波器可包括干涉濾波器。僅僅舉例來說，在本公開的一些實施方案中，每個濾波器可包括由si、sio2、al2o3、ge或znse等形成的襯底，并且在襯底的每一相對側(cè)上可以形成交替的高折射率層和低折射率層。在本公開的一些實施方案中，高折射率層可由pbte、pbse或pbs形成，而低折射率層可由zns、znse等形成。

在本公開的實施方案中，每個濾波器可具有三個或更多個半波長空腔。許多常規(guī)濾波器顯示隨溫度升高不能接受的高帶偏移。舉例來說，0.2至0.6nm/℃范圍內(nèi)的偏移為典型的。透射率也趨于隨溫度升高而降低。這些特性阻止/限制了中紅外傳感器的開發(fā)。然而，根據(jù)本公開的實施方案，通過使用pbte基、pbse基、pbs基的干涉濾波器等，有可能基本上減少帶偏移和透射率降低。舉例來說，根據(jù)本公開的一個實施方案，pbte基干涉濾波器可具有僅約0.03nm/℃或更小的帶偏移。作為pbte、pbse、pbs等的替代物，在本公開的一些實施方案中，高折射率層可由ge等形成。

在本公開的一些實施方案中，在確定流體中的co2的量時可使用參考強度。因此，根據(jù)本公開的一個實施方案，傳感器布置可包括第一方面的傳感器和可用于獲得此參考強度的另一類似傳感器。另一傳感器可具有與第一傳感器類似的特征，除了其窄帶通濾波器透射對應(yīng)于流體的吸收光譜的參考部分的波長帶內(nèi)的中紅外輻射。在此類情況下，處理器布置可為兩種傳感器共同擁有的處理器布置。

然而，另一種選擇是使用第一傳感器獲得參考強度。舉例來說，根據(jù)本公開的一個實施方案，傳感器可進一步包括第二窄帶通濾波器，所述第二窄帶通濾波器被配置成透射對應(yīng)于流體的吸收光譜的參考部分的波長帶內(nèi)的中紅外輻射。在此類實施方案中，可使用所述或另一紅外檢測器來檢測透射穿過第二濾波器的經(jīng)過濾的中紅外輻射，并且處理器布置可測量所檢測到的透射穿過第二濾波器的中紅外輻射的參考強度并且在流體中的co2的量的確定中使用所測得的參考強度。

在本公開的一些實施方案中，第一和第二濾波器可以是可選擇地可安置于單個檢測器與窗之間的，或者第一和第二濾波器中的每一者可具有相應(yīng)的檢測器?？蓪⒌诙瓗V波器配置成使得其波長透射帶在從約25至150℃范圍內(nèi)的所有溫度下為基本上溫度不變的。第一窄帶通濾波器的其他任選特征對第二窄帶通濾波器也適合。第二濾波器的透射帶可位于約2500cm^-1處。

在本公開的一些實施方案中，可將中紅外輻射的光束脈沖。在本公開的一些實施方案中，這可例如通過在源與窗之間提供機械斬波器或者通過將源脈沖來實現(xiàn)。

在本公開的一些實施方案中，源可為寬帶熱源或較窄帶源，諸如發(fā)光二極管或激光器。

在本公開的一些實施方案中，檢測器可為熱電堆、熱電(特別是在低環(huán)境溫度可提供冷卻的海底應(yīng)用中)或光電二極管檢測器。

在本公開的一些實施方案中，窗可包括金剛石窗或藍寶石窗。在本公開的一些實施方案中，可通過化學(xué)氣相沉積來形成金剛石窗。藍寶石對波長為約5至6微米的中紅外輻射具有截止能力，但藍寶石窗的形成通?？杀冉饎偸案阋?。因此，對于低于截止值的吸收峰(諸如約4.3微米處的co2吸收峰)，藍寶石可為金剛石的適用替代物。具體地說，對于給定成本，可形成更大的窗。

在本公開的一些實施方案中，傳感器可進一步包括加熱器，所述加熱器可操作以局部加熱窗，從而清潔與流體接觸的窗表面。舉例來說，在本公開的一些實施方案中，如果窗包括傳導(dǎo)或半傳導(dǎo)性材料(例如一定區(qū)域的半傳導(dǎo)性硼摻雜金剛石)，那么加熱器可包括電力供應(yīng)器，所述電力供應(yīng)器通過窗傳送電流以誘導(dǎo)其電阻加熱。舉例來說，在本公開的一些實施方案中，金剛石窗可具有中心中紅外透射(例如未摻雜)區(qū)域和半傳導(dǎo)性硼摻雜金剛石的環(huán)繞區(qū)域。加熱器可誘導(dǎo)環(huán)繞區(qū)域的電阻加熱，并且然后可通過環(huán)繞區(qū)域的熱傳導(dǎo)來加熱中心區(qū)域。在本公開的一些實施方案中，加熱器可將窗加熱至至少400℃的峰值溫度。在本公開的一些實施方案中，加熱器可將峰值溫度維持不到一微秒。

或者或另外，在本公開的一些實施方案中，傳感器可進一步包括超聲波清潔器，所述超聲波清潔器可操作以通過超聲清潔與流體接觸的窗表面。作為另一種選擇，傳感器設(shè)置有壓力脈沖布置，所述壓力脈沖布置可操作以在窗處在流體中產(chǎn)生壓力脈沖，從而清潔與流體接觸的窗表面。在本公開的一些實施方案中，所述布置可在流體中產(chǎn)生至少約1000psi(6.9mpa)的壓力脈沖。

在本公開的一些實施方案中，可將傳感器定位于井下。

為確定流體中的co2的量，在本公開的一些實施方案中，處理器布置可由所測得的透射穿過水和油第一濾波器的中紅外輻射的強度計算流體的相位，并且然后可由流體的相位和所測得的透射穿過co2第一濾波器的中紅外輻射的強度計算流體中的co2的量。更具體地說，在本公開的一些實施方案中，處理器布置可在流體中的co2的量的計算中使用從流體相位得到的流體折射率。

實際上更一般地，在第四方面，根據(jù)本公開的一個實施方案，提供一種確定流體中的co2的量的方法，所述方法包括：

接收相應(yīng)的所測得強度的由三個窄帶通濾波器過濾的中紅外輻射，所述三個窄帶通濾波器被配置成優(yōu)先透射對應(yīng)于水、油以及co2的相應(yīng)吸收峰的波長帶內(nèi)的中紅外輻射，其中中紅外輻射是在過濾之前通過將中紅外輻射的光束引導(dǎo)至內(nèi)反射窗中以便在窗與同窗直接接觸的流體之間的界面處進行衰減內(nèi)反射而產(chǎn)生；

由所測得的由所述水和油濾波器過濾的所述中紅外輻射的強度計算所述流體的所述相位，以及

由所述流體的所述相位和所測得的由所述co2濾波器過濾的所述中紅外線的強度計算所述流體中的co2的量。

所述方法可進一步包括：從所計算的流體相位得到流體折射率。然后可在流體中的co2的量的計算中使用所述折射率。

本公開的實施方案的其他方面提供：計算機程序，所述計算機程序包含代碼，所述代碼當在計算機上運行時使計算機執(zhí)行第四方面的方法；計算機可讀介質(zhì)，所述計算機可讀介質(zhì)存儲包含代碼的計算機程序，所述代碼當在計算機上運行時使計算機執(zhí)行第四方面的方法；以及計算機系統(tǒng)，所述計算機系統(tǒng)被編程以執(zhí)行第四方面的方法。

附圖說明

現(xiàn)將參考附圖以舉例方式描述本發(fā)明的實施方案，在附圖中：

圖1根據(jù)本公開的實施方案示意性示出了：(a)中紅外傳感器，以及(b)作為模塊以工具串(toolstring)形式實現(xiàn)的傳感器；

圖2示意性示出了根據(jù)本公開的一個實施方案基于法布里-珀羅干涉法(fabry-perotinterferometry)的窄帶通濾波器；

圖3示出了根據(jù)本公開的一個實施方案用znse作為低折射率材料和pbte作為高折射率材料制作的一系列濾波器的dλm/λmdt變化；

圖4示出了根據(jù)本公開的實施方案以下濾波器在從25至200℃的溫度范圍中透射率相對于波長的曲線：(a)基于pbte的濾波器，其具有中心位于4.26μm處的通帶，以及(b)基于pbte的濾波器，其具有中心位于12.1μm處的通帶；

圖5示出了(a)由不含給定物質(zhì)的流體獲得的參考強度光譜i0，(b)由含有所述物質(zhì)的流體獲得的強度光譜i，以及(c)所述物質(zhì)的吸收光譜；

圖6示出了溶解于氘代氯仿中以增加十二烷的濃度的十二烷所獲得的強度光譜，所述光譜與通帶為3000至2800cm^-1的第一濾波器和通帶為2000至1800cm^-1的第二濾波器的透射率曲線疊加；

圖7示出了改進的吸光度a’相對于溶解于氘代氯仿中的十二烷的烴含量的圖；

圖8示出了吸光度相對于溶解于水或烴中的co2濃度的圖；

圖9示出了(a)水相和co2的中紅外吸收光譜，以及(b)h2o中的co2的吸光度相對于co2濃度的對應(yīng)曲線；

圖10示出了(a)油相和co2的中紅外吸收光譜，以及(b)油中的co2的吸光度相對于co2濃度的對應(yīng)曲線；

圖11示出了水相、油相以及co2的中紅外吸收光譜；并且

圖12示出了氣相中的co2的吸光度相對于co2濃度的曲線。

在附圖中，類似組件和/或特征可具有相同的參考標記。另外，相同類型的各種組件可通過以下方式進行區(qū)分：參考標記后加短橫線和對類似組件進行區(qū)分的第二標記。如果說明書中僅使用第一參考標記，那么不考慮第二參考標記，描述適用于具有相同第一參考標記的類似組件中的任何一個。

具體實施方式

隨后的描述僅提供優(yōu)選示例性實施方案，并且并非意在限制本發(fā)明的范圍、適用性或配置。相反，隨后的優(yōu)選示例性實施方案的描述將向本領(lǐng)域技術(shù)人員提供用于實現(xiàn)本發(fā)明的優(yōu)選示例性實施方案的詳細描述，應(yīng)理解，可以在不脫離本發(fā)明的范圍的情況下對元件的功能和布置作出各種更改。

具體細節(jié)在以下描述中給出，以提供對實施方案的透徹理解。然而，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員將理解，可以在沒有這些具體細節(jié)的情況下實踐實施方案。例如，可以示出熟知的電路、工藝、算法、結(jié)構(gòu)和技術(shù)，而無需不必要的細節(jié)，以避免使實施方案模糊。

而且，應(yīng)注意，實施方案可以被描述成過程，所述過程被描繪成流程表、流程圖、數(shù)據(jù)流圖、結(jié)構(gòu)圖或框圖。雖然流程圖可將操作描述成順序過程，但操作中的許多可并行或同時執(zhí)行。除此之外，操作的次序可以重新排列。過程當其操作完成時結(jié)束，但是可能具有附圖中不包括的額外步驟。過程可能對應(yīng)于方法、函數(shù)、規(guī)程、子例程、子程序等。當過程對應(yīng)于函數(shù)時，其結(jié)束對應(yīng)于該函數(shù)返回至調(diào)用函數(shù)或主函數(shù)。

此外，如本文所公開，術(shù)語“存儲介質(zhì)”可代表用于存儲數(shù)據(jù)的一種或多種裝置，包括只讀存儲器(rom)、隨機存取存儲器(ram)、磁性ram、磁芯存儲器、磁盤存儲介質(zhì)、光學(xué)存儲介質(zhì)、閃存存儲器裝置和/或用于存儲信息的其它機器可讀介質(zhì)。術(shù)語“計算機可讀介質(zhì)”包括但不限于便攜式或固定存儲裝置、光學(xué)存儲裝置、無線信道以及能夠存儲、包含或攜帶指令和/或數(shù)據(jù)的各種其它介質(zhì)。

此外，實施方案可通過硬件、軟件、固件、中間件、微代碼、硬件描述語言或其任何組合來實現(xiàn)。當以軟件、固件、中間件或微代碼中實現(xiàn)時，用以執(zhí)行必要的任務(wù)的程序代碼或代碼段可以存儲在諸如存儲介質(zhì)等機器可讀介質(zhì)中。處理器可執(zhí)行必要的任務(wù)。代碼段可代表規(guī)程、函數(shù)、子程序、程序、例程、子例程、模塊、軟件包、類別或指令、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)或程序語句的任何組合。代碼段可通過傳遞和/或接收信息、數(shù)據(jù)、論據(jù)、參數(shù)或存儲器內(nèi)容耦合至另一代碼段或硬件電路。信息、論據(jù)、參數(shù)、數(shù)據(jù)等可以經(jīng)由任何合適的手段進行傳遞、轉(zhuǎn)發(fā)或傳輸，所述任何合適的手段包括存儲器共享、消息傳遞、權(quán)標傳遞、網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)取?/p>

應(yīng)理解，以下公開提供許多不同的實施方案或?qū)嵗杂糜趯崿F(xiàn)各種實施方案的不同特征。下面描述了組件和布置的特定實例以簡化本公開。當然，這些僅為實例且并非意在進行限制。除此以外，本公開可能會在各種實例中重復(fù)參考編號和/或參考字母。該重復(fù)是出于簡單和清楚的目的，且本身并不指示所討論的各種實施方案和/或構(gòu)造之間的關(guān)系。此外，在以下描述中在第二特征件上方或上面形成第一特征件可包括以直接接觸形成第一和第二特征件的實施方案，并且還可包括可形成插入第一和第二特征件中使得第一和第二特征件不會直接接觸的額外特征件的實施方案。

圖1(a)示意性地示出了根據(jù)本公開的一個實施方案的中紅外傳感器，其具有熱寬帶中紅外光源1、將從源發(fā)出的中紅外輻射的光束3脈沖的機械斬波器2、金剛石窗4、可選擇性去除的第一窄帶通濾波器的集合5和第二窄帶通濾波器5’、濾波器的相應(yīng)中紅外檢測器6以及處理器布置7。在一些實施方案中，可將傳感器包裹在保護外殼中，從而允許在井下配置傳感器，窗4被安置成與所要監(jiān)測的流體接觸。中紅外波導(dǎo)(未示出)將源、窗以及檢測器光學(xué)連接。合適的波導(dǎo)可由光纖(例如中空纖維或硫族化物纖維)、固體光管(例如藍寶石管)或具有反射(例如金)涂層的中空光管(例如空氣或真空填充的)形成。

由于檢測器6隨其溫度而改變其輸出，即使小的溫度變化也可導(dǎo)致信號輸出的大的漂移。然而，根據(jù)本公開的一個實施方案，將光束3脈沖允許檢測器的輸出信號為頻率調(diào)制的，從而能夠從信號中去除環(huán)境溫度影響。更具體地說，可通過高通濾波器在電學(xué)上在很大程度上去除環(huán)境影響，因為環(huán)境影響的時間常數(shù)傾向于比信號頻率長得多。在本公開的一些實施方案中，檢測器輸出為耦合至放大器的ac。然后可例如在電學(xué)上通過鎖定放大或以計算的方式通過傅立葉變換(fouriertransformation)來提取所需信號。

替代熱源1和機械斬波器2，在本公開的一些實施方案中，可例如由可脈沖的熱源、發(fā)光二極管或激光光源來產(chǎn)生脈沖光束3。以此方式將所述源脈沖可給出同樣的頻率調(diào)制測量益處，再加上它可降低電阻加熱效應(yīng)。

光束3在窗4的一個邊緣處進入，并且經(jīng)歷許多次全內(nèi)反射，然后從相對邊緣出現(xiàn)。在窗的流體側(cè)紅外輻射的全內(nèi)反射伴隨著消逝波傳播進入流體。由于流體視其化學(xué)組成而定優(yōu)先吸收某些波長，這使得出現(xiàn)的光束的強度隨波長具有特征變化。

在本公開的一些實施方案中，窗4機械上能夠承受在井下通常遇到的高壓和高溫。它對井下遇到的流體為化學(xué)穩(wěn)定的，并且在中ir波長區(qū)為透明的。在本公開的一些實施方案中，窗可包含金剛石、藍寶石等。

根據(jù)本公開的一個實施方案，第一窄帶通濾波器5各自透射對應(yīng)于流體中的相應(yīng)物質(zhì)的吸收峰的波長帶內(nèi)的中紅外輻射，而第二窄帶通濾波器5’透射對應(yīng)于流體的吸收光譜的參考部分的波長帶內(nèi)的中紅外輻射。然后，光束3穿過一個選定的窄帶通濾波器并且在相應(yīng)檢測器6處被檢測。替代具有多個檢測器，每個檢測器可與其對應(yīng)濾波器一起移動(如由雙頭箭頭所指示)，在本公開的一些實施方案中，提供單個檢測器，在所述單個檢測器前面濾波器可選擇性移動。

在本公開的一些實施方案中，檢測器6可包括半導(dǎo)體光電二極管(特別是在海底應(yīng)用中)、熱電堆或熱電檢測器。

處理器布置7從相應(yīng)檢測器6接收信號，它處理所述信號以測量所檢測到的透射通過每個濾波器5、5’的中紅外輻射的強度，并且如下文更詳細論述，由其確定流體中的相應(yīng)物質(zhì)的量。

下文還詳細論述傳感器可具有加熱器8，所述加熱器可操作以局部加熱窗4，從而清潔與流體接觸的窗表面。然而，其他選擇為以超聲波方式(如例如美國專利號7,804,598中所描述)或使用機械擦拭物清潔窗。

圖1(b)示意性示出了根據(jù)本公開的一個實施方案如何可作為模塊以工具串形式實現(xiàn)傳感器。在本公開的一些實施方案中，可將源1和斬波器2含于源單元9和濾波器5、5’中，并且將檢測器6含于檢測器單元10中?？煽拷?定位這些組件，所述窗與工具流線11接觸。可將傳感器包裝在防護性金屬底盤12中，以承受流線中的流體的高壓?？蓪⒋懊芊庵恋妆P，還是為承受高壓，并且其包裝確保無直接源光線雜散到檢測器中。

窄帶通濾波器

在本公開的實施方案中，窄帶通濾波器5、5’可以是基于法布里-珀羅干涉法。如圖2中所示，每個濾波器可具有襯底s，所述襯底具有低折射率和厚度d。在襯底的相對表面上堆疊使用諸如離子束濺射或自由基輔助濺射等技術(shù)沉積至襯底上的具有高h和低l折射率的交替高反射率介電層。在本公開的一些實施方案中，高h和低l折射率交替層的堆疊中的每個層具有四分之一波長的光學(xué)厚度。

襯底s的光學(xué)厚度ndcosθ(其中n為襯底的折射率)等于整數(shù)個半波長λm，其中λm為峰值透射波長，大致對應(yīng)于濾波器的通帶的中心波長。因此，波長λm的輻射透射穿過濾波器的條件為mλm/2＝ndcosθ，其中m為整數(shù)。

被設(shè)計成在中紅外光譜區(qū)中操作的常規(guī)窄帶通介電濾波器的光譜區(qū)隨著溫度升高系統(tǒng)地偏移至較長波長。λm隨溫度的變化的起源為組成濾波器層的介電材料的材料特性隨溫度的變化。

然而，根據(jù)本公開的一個實施方案，以下描述的方法提供在較寬溫度范圍內(nèi)具有基本上溫度不變型光學(xué)特性的中紅外窄帶通濾波器的配置和制造。

所述方法可通過濾波器的設(shè)計來考慮：

(lh)^x1(ll)^y1(hl)^x2(ll)^y2……(ll)^yn(hl)^xn+1

由在n個循環(huán)周期內(nèi)的低折射率材料的總計y個半波長間隔(空腔)ll(y＝∑yi)組成，lh是在n個循環(huán)周期內(nèi)的交替的高折射率材料和低折射率材料的xi個四分之一波長層的堆疊。不考慮xi和n的值，對于一階反射(m＝0)，四分之一波長反射器堆疊的反射波長(其為僅有的經(jīng)歷相長干涉的反射)可表示為：

λm＝2(nldl+nhdh)

反射器堆疊中的波長的溫度變化dλm/dt|s可表示成：

其中cl和ch分別是低折射率材料和高折射率材料的線性膨脹的系數(shù)。根據(jù)方程式[1]，對于一階反射和垂直入射(即m＝1且θ＝0°)，低折射率材料的空腔層的對應(yīng)溫度依賴性dλm/dt|c由以下給出：

注意，y是半波長空腔層的總數(shù)。波長隨溫度的總變化dλm/dt|t由dλm/dt|c和dλm/dt|s的和給出：

或

注意，在濾波器被設(shè)計供使用的溫度下nldl＝nhdh。顯然如果所述材料中的一種的dn/dt的值為負值，那么dλm/dt|t可僅為零。此條件可由諸如pbte、pbse或pbs等高折射率材料來實現(xiàn)。為了使dλm/dt|t的值非常接近于零，可將ni溫度的波長依賴性和dni/dt的波長依賴性納入考慮。

條件dλm/dt|t＝0近似地由以下給出：

注意，對于中紅外濾波器中所用的大多數(shù)材料來說，ci比dni/nidt小得多。可根據(jù)低折射率材料的選擇來選擇項(1+y)以滿足上述表達式。例如，在低折射率材料和高折射率材料分別為znse和pbte的情況下，并且對于λm＝3.4μm，使用材料體相值nl＝2.43、nh＝6.10、dnl/dt＝6.3x10^-5k^-1和dnh/dt＝-2.1x10^-3k^-1，y＝13.3滿足表達式，即需要約13個半波長空腔層來實現(xiàn)條件dλm/dt|t＝0。

在多層結(jié)構(gòu)的薄膜中出現(xiàn)的材料特性(nh、dnh/dt、ch等)的值存在相當大的變化，并且因此dλm/λmdt的預(yù)測值或?qū)崿F(xiàn)條件dλm/λmdt＝0所需要的y值存在相當大的變化。對于pbte，鑒于其量值和對y值的影響，dnh/dt值的不確定性尤為嚴重。例如，對于pbte，據(jù)報道當λm＝5μm時的dn/dt值為-1.5x10^-3k^-1(zemel,j.n.,jensen,j.d.以及schoolar,r.b.,“electricalandopticalpropertiesofepitaxialfilmsofpbs,pbse,pbteandsnte”,phys.rev.140,a330-a343(1965))、-2.7x10^-3k^-1(piccioli,n.,besson,j.m.以及balkanski,m.,“opticalconstantsandbandgapofpbtefromthinfilmstudiesbetween25and300^ok”,j.phys.chem.solids,35,971-977(1974))以及-2.8x10^-3k^-1(weiting,f.和yixun,y.,“temperatureeffectsontherefractiveindexofleadtellurideandzincselenide”,infraredphys.,30,371-373(1990))。根據(jù)上述表達式，對應(yīng)的y值(取最近似整數(shù))分別為9、17以及18。

對于pbte，鑒于dn/dt值的不確定性，且因此實現(xiàn)dλm/dt＝0所需要的低折射率半波長間隔的數(shù)量的不確定性，更適用的方法是確定隨通過相同方法制作的一系列濾波器的低折射率空腔的光學(xué)厚度變化的dλm/dt的實驗值。圖3示出使用znse作為低折射率材料以及pbte作為高折射率材料制作的一系列濾波器的dλm/λmdt的變化。該圖顯示，可以通過控制濾波器中的低折射率材料和高折射率材料的比率(即類似于上述表達式中的y的參數(shù))來實現(xiàn)dλm/λmdt的特定值。圖3顯示對于λm<5μm，條件dλm/λmdt＝0由4:4:4(即3個全波長或6個半波長空腔(y＝6))濾波器來滿足，而對于λm>5μm，則需要6:4:6(y＝8)濾波器。

根據(jù)本公開的一個實施方案，可使用圖3所示的方法來制作在整個中紅外光譜范圍內(nèi)的基本上溫度不變型濾波器。在本公開的一些實施方案中，襯底可由si、sio2、al2o3、ge或znse形成。在本公開的一些實施方案中，高折射率層可由pbte、pbse或pbs形成，不過ge也是一種選擇。在本公開的一些實施方案中，低折射率層可由zns或znse形成。

圖4示出了以下以下濾波器在25至200℃的溫度范圍內(nèi)透射率相對于波長的曲線：(a)基于pbte的濾波器，其具有中心位于4.26μm處的通帶，與襯底最佳光學(xué)匹配，并且具有3個全波長厚度空腔(4:4:4)，以及(b)基于pbte的簡并濾波器，其具有中心位于12.1μm處的通帶，具有3個半波長空腔(2:2:2)?？芍苽渫◣е行奈挥谄渌屑t外波長處的類似濾波器。λm＝4.26μm(4:4:4)濾波器的dλm/dt值從20℃下的-0.04nm/k變化至200℃下的+0.03nm/k，并且在80-160℃的溫度范圍內(nèi)大體上為零。λm＝12.1μm(2:2:2)濾波器的dλm/dt值為-0.21nm/k，這是在20-200℃的溫度范圍內(nèi)。這允許此類濾波器在井下布置，在井下溫度可從約25變化至200℃，而濾波器的通帶不會偏移到它不再對應(yīng)于相應(yīng)物質(zhì)的吸收峰的程度。

光譜法

應(yīng)用到圖1的傳感器的比爾-朗伯定律(beer-lambertlaw)規(guī)定：

a＝-log10(i/i0)

其中a為流體中在對應(yīng)于濾波器5的通帶的波長處具有吸收峰的物質(zhì)的吸收光譜，i為檢測器6檢測到的紅外輻射的強度光譜，而i0為參考強度光譜。舉例來說，圖5示出了(a)由不含給定物質(zhì)的流體獲得的參考強度光譜i0，(b)由含有所述物質(zhì)的流體獲得的強度光譜i，以及(c)所述物質(zhì)的吸收光譜。

圖6示出了由溶解于氘代氯仿中以增加十二烷的濃度的十二烷所獲得的強度光譜。隨著烴含量增加，在3000至2800cm^-1的第一波數(shù)范圍內(nèi)存在增加的吸收。相反，烴含量增加對2000至1800cm^-1的第二波數(shù)范圍內(nèi)的吸收基本上沒有影響。因此，可使用第二范圍作為第一范圍的參考。圖6上疊加的是具有3000至2800cm^-1的通帶的第一濾波器和具有2000至1800cm^-1的通帶的第二濾波器的透射率曲線。因此，實際上由濾波器檢測到兩個光譜，第一光譜為未過濾的光譜乘以第一濾波器的透射率，而第二子光譜為未過濾的光譜乘以第二濾波器的透射率。光譜的通帶區(qū)域(如通過由光電二極管檢測器接收的信號的強度所確定)對應(yīng)于相應(yīng)強度測量ba和ba0。因此，使用這些來計算溶解于氘代氯仿中的十二烷的改進的吸光度a’，其為ln(ba/ba0)。

圖7示出了改進的吸光度a’相對于溶解于氘代氯仿中的十二烷的烴含量的圖。該圖展現(xiàn)出a’與烴含量之間的近似線性關(guān)系。

以此方式可監(jiān)測其他物質(zhì)。舉例來說，圖8示出了在油田鉆井條件典型的高分壓和高溫下吸光度相對于溶解于水或烴中的co2濃度的圖。

二氧化碳濃度

分析來自烴井的流體樣品以確定相位特性和化學(xué)組成在烴儲層的可生產(chǎn)性和經(jīng)濟價值的評估中是一個重要步驟。在確定氣體和液體烴儲層的經(jīng)濟價值時一個重要因素為其化學(xué)組成，特別是諸如二氧化碳等氣態(tài)組分的濃度。類似地，在生產(chǎn)操作期間監(jiān)測流體組成可能對儲層管理決策(諸如停止某些區(qū)的生產(chǎn)或?qū)ιa(chǎn)井應(yīng)用化學(xué)處理)產(chǎn)生重要影響。

根據(jù)本公開的一個實施方案，可使用上文所論述類型的中紅外傳感器來監(jiān)測井下co2濃度。具體地說，在本公開的一些實施方案中，傳感器可包括對應(yīng)于水、油以及co2的相應(yīng)吸收峰的三個窄帶通濾波器5以及針對吸收光譜的參考部分的窄帶通濾波器5’。此類布置允許當窗4被液體水相、液體油相、液體水相與液體油相的混合物潤濕時或當窗干燥時測定co2濃度。

舉例來說，圖9(a)示出了窗4被水相潤濕的情況下的吸收光譜。光譜的特征為水在3.00μm處高吸收，油在3.45μm處幾乎無吸收。co2濃度與凈co2吸收成比例，這是4.27μm下的co2通道與4.00μm下的參考通道之間的差異?？蓮闹T如圖9(b)中所示的co2吸光度相對于水中溶解的co2濃度的實驗曲線獲得比例常數(shù)，所述比例常數(shù)允許由co2吸收確定水相中的co2濃度。

類似地，圖10(a)示出了窗4被油相潤濕的情況下的吸收光譜。光譜的特征為油在3.45umμm處高吸收，水在3.00μm處幾乎無吸收。再次，co2濃度與凈co2吸收成比例，這是4.27μm下的co2通道與4.00μm下的參考通道之間的差異?？蓮闹T如圖10(b)中所示的co2吸光度相對于油中溶解的co2濃度的實驗曲線獲得比例常數(shù)，所述比例常數(shù)允許由co2吸收確定油相中的co2濃度。

接下來，圖11示出了窗4被水相和油相的混合物潤濕的情況下的吸收光譜。光譜的特征為水在3.00μm處并且油在3.45μm處吸收。再次，co2濃度與凈co2吸收成比例，這是4.27μm下的co2通道與4.00μm下的參考通道之間的差異。然而，對于水和油來說比例常數(shù)因其折射率而略有不同，并且因此其探測深度不同。具體來說，油具有比水高的折射率，因此其探測深度更深，并且可能傳感器在油中比在水中感測到更多的co2。因此，當窗被水相與油相的混合物潤濕時，混合物比例常數(shù)在水與油之間，但可由其計算。舉例來說，在本公開的一些實施方案中，可使用“杠桿規(guī)則(leverrule)”，由此如果水峰高度為其全高度的x％，而油峰高度為其全高度的(100-x)％，那么混合物比例常數(shù)為水比例常數(shù)的x％與油比例常數(shù)的(100-x)％的總和。在其他實施方案中，可使用更復(fù)雜的方案，但簡單的“杠桿規(guī)則”方法工作得相當好，因為水和油的比例常數(shù)之間的差異在任何情況下都不大。

在某些情況下，傳感器窗5可為干燥的。光譜的特征為水在3.00μm處或油在3.45μm處幾乎無吸收。co2濃度與凈co2吸收成比例，這是4.27μm下的co2通道與4.00μm下的參考通道之間的差異。根據(jù)本公開的一個實施方案，可從諸如圖12中所示的co2吸光度相對于氣相中的co2濃度的實驗曲線獲得比例常數(shù)，所述比例常數(shù)允許由co2吸收確定氣相中的co2濃度。

co2濃度的監(jiān)測在與礦物酸濃度的監(jiān)測結(jié)合進行時可特別適用。具體地說，礦物酸傳感器可提供多少酸被部署用于刺激碳酸鹽形成的量度，而co2傳感器通過測量所產(chǎn)生的co2的量可提供所述酸部署的有效性的量度。

加熱器

如上文所提到，在本公開的一些實施方案中，圖1的傳感器可包括加熱器8，所述加熱器可操作以局部加熱窗4，從而清潔與流體接觸的窗表面。

與其他技術(shù)(諸如超聲波清潔或機械擦拭物清潔)相比，以此方式清潔窗可特別有效。

在本公開的一些實施方案中，窗4可由例如金剛石形成(例如通過化學(xué)氣相沉積)。窗的中心(通常未摻雜)區(qū)域可透射中紅外線，而窗的環(huán)形環(huán)繞區(qū)域可被制成半傳導(dǎo)性的，例如通過對窗的所述部分進行硼摻雜。然后，加熱器8可為簡單的電源，其通過窗傳送電流以誘導(dǎo)環(huán)繞區(qū)域的電阻加熱。然后通過環(huán)繞區(qū)域的熱傳導(dǎo)來加熱窗的中心區(qū)域。美國專利號7,407,566中論述了金剛石組分的硼摻雜。

在本公開的一些實施方案中，加熱器8能夠?qū)⒋凹訜嶂林辽?00℃。這高于水的374℃超臨界點，其中超臨界水包含良好的清潔劑和氧化劑。在本公開的一些實施方案中，沒有必要將窗長時間保持在高溫下。具體地說，對于清潔的目的，在峰值溫度下不到一微秒可為足夠的，更長的時間需要更大的功率并且傳感器的其他部分過熱的危險增加。

壓力脈沖清潔器

除了上述加熱器或作為其替代方案，在本公開的一些實施方案中，可通過為傳感器提供壓力脈沖布置來對窗4進行清潔。舉例來說，可將傳感器定位于流體的泵與流線的出口孔之間的流體流線上。在出口孔處于關(guān)閉位置的情況下，可通過泵使窗前面的流體壓力增加至超過流體靜壓。隨后打開出口孔形成突然的壓力差異，從而使流線流體例如涌向鉆孔。窗前稠流體的突然移動將窗污染趕走或帶走。在大多數(shù)情況下，1000psi(6.9mpa)壓力脈沖通常就足夠。

上文提到的所有參考文獻在此以引用的方式并入。

前文概括了若干實施方案的特征，以使得本領(lǐng)域技術(shù)人員可更好地理解本公開的方面。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)了解，他們可容易地使用本公開作為設(shè)計或修改其他過程和結(jié)構(gòu)的依據(jù)，以便實現(xiàn)本文所提出的實施方案的相同的目的和/或?qū)崿F(xiàn)相同的優(yōu)點。本領(lǐng)域技術(shù)人員還應(yīng)認識到，此類等效構(gòu)造并不脫離本公開的范圍，且其可以在不脫離本文所述范圍的情況下做出各種更改、替換和改變。