DE102011086206A1 - Arrangement for determining spectral characteristics of boring fluid under influence of high temperature and mechanical loads at place of occurrence of fluid, has source for polychromatic electromagnetic radiation source and optical unit - Google Patents

Abstract

The arrangement has a source for polychromatic electromagnetic radiation source and an optical unit for directing the electromagnetic radiation to the fluid (9). A grating spectrometer has an original-grating with a grating period aligned on a radiation wavelength in a range from 200 nanometers to 4000 nanometers. The grating is formed as a reflection grating. The grating is placed in a surface of a substrate of an iron-nickel alloy and is placed in a polyetheretherketone material. The grating spectrometer is equipped with a detector, which has one or multiple indium-gallium-arsenic sensors. An independent claim is included for a spectrometer with a boring connecting rod.

Description

Translated fromGerman

Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung zum Bestimmen spektraler Eigenschaften von Bohrlochfluiden bei der Erdölförderung unter dem Einfluss hoher Temperatur- und mechanischer Belastungen am Ort ihres Vorkommens im Bohrloch.The invention relates to an arrangement for determining the spectral properties of borehole fluids in oil production under the influence of high temperature and mechanical stresses at the point of their occurrence in the borehole.

Erdöl wird heute aus Erdschichten gefördert, die vor wenigen Jahren aus technischen Gründen noch unerreichbar waren. Es sind verschiedene Vorgehensweisen bekannt, um bereits während der Erkundung Informationen über das durchbohrte Gestein und die zu erwartende Qualität des Erdöls zu gewinnen, insbesondere anhand spektrometrischer Untersuchungen. Konventionell wird das Bohrloch abschnittsweise oder auch vollständig gebohrt, ohne diesbezüglich schon während des Bohrens detaillierte Messungen vorzunehmen.Today crude oil is extracted from layers of earth that were unavailable for technical reasons just a few years ago. There are several known ways of obtaining information about the drilled rock and the expected quality of the oil during exploration, especially from spectrometric investigations. Conventionally, the borehole is drilled in sections or even completely, without taking detailed measurements during drilling.

Um die zu erwartende Qualität des Erdöls dennoch bewerten zu können, werden Bohrkerne und auch Rohölproben an die Oberfläche gebracht. Dazu muss zeit- und kostenaufwändig das Bohrgestänge aus dem Bohrloch herausgezogen werden. Die spektrometrischen Untersuchungen des aus dem Bohrloch geförderten Materials, insbesondere die Auswertung der Absorptionsbanden verschiedener Kohlenwasserstoffe im infraroten Spektralbereich, ermöglichen die Bewertung der verschiedenen Rohölqualitäten. Nachteilig ist auch, dass jede Rohölprobe in einem Probebehälter unter dem Druck vorgehalten werden muss, unter dem sie in der Tiefe entnommen wurde, und so zu einem Analyseort transportiert werden muss.Nevertheless, in order to be able to evaluate the expected quality of the oil, drilling cores and also crude oil samples are brought to the surface. For this purpose, the drill string has to be pulled out of the borehole in a time- and cost-consuming manner. The spectrometric investigations of the material extracted from the borehole, in particular the evaluation of the absorption bands of various hydrocarbons in the infrared spectral range, make it possible to evaluate the different crude oil qualities. Another disadvantage is that each crude oil sample must be kept in a sample container under the pressure under which it was taken in depth, and thus has to be transported to a place of analysis.

Bei einer Weiterentwicklung der vorgenannten Verfahrensweise wird eine Messsonde in das Bohrloch hinabgelassen, die vorzugsweise über ein Kabel mit Auswerteeinrichtungen an der Erdoberfläche verbunden ist. Diese Vorgehensweise bietet zwar die Möglichkeit, die Sonde in der Tiefe mit Energie zu versorgen und gewährleistet eine schnelle Datenübertragung nach oben einschließlich schneller Datenauswertung, jedoch muss hier ebenfalls zunächst der Bohrer aus dem Bohrloch herausgezogen werden. Außerdem besteht die Gefahr der Beschädigung der Messsonde, da sie den hohen Temperaturen im Bohrloch ausgesetzt ist.In a further development of the aforementioned procedure, a measuring probe is lowered into the borehole, which is preferably connected via a cable with evaluation devices on the earth's surface. Although this approach provides the ability to power the depth of the probe and ensures fast data transfer, including fast data analysis, it is also important to first pull the drill out of the hole. In addition, there is a risk of damage to the probe, as it is exposed to the high temperatures in the borehole.

InDE 60 2004 012 554 T2 sind ein optisches Verfahren und ein Analysator mit Bezug auf einen Probenbehälter beschrieben. Probenbehälter einschließlich Analysator werden nach dem Entfernen des Bohrgestänges in das Bohrloch abgeseilt. Die Probenentnahme erfolgt in der Tiefe der Bohrung, die Analyse kann sowohl vor Ort in der Bohrung als auch nach dem Herausziehen von Probenbehälter und Analysator an einem speziell dafür vorgesehenen Analyseort vorgenommen werden. Dabei wird mittels des Analysators eine nicht invasive Analyse der Probe vorgenommen, ohne den Behälter öffnen zu müssen oder die Probe auf andere Weise zu stören. Der Probenbehälter weist ein Fenster auf, durch das hindurch Licht auf die Probe gerichtet wird.In DE 60 2004 012 554 T2 For example, an optical method and an analyzer with respect to a sample container are described. Sample containers including analyzer are lowered into the well after removal of the drill string. Sampling takes place in the depth of the well, and analysis can be done both in-situ in the well and after withdrawing the sample well and analyzer at a dedicated analytical site. In this case, a non-invasive analysis of the sample is carried out by means of the analyzer, without having to open the container or disturb the sample in any other way. The sample container has a window through which light is directed to the sample.

AusUS 2007/0171414 A1 ist ein spektrales Analysemodul für ein Bohrlochfluid bekannt, das als Gitterspektrometer ausgeführt ist mit einem Replik-Gitter, bei dem die Gitterteilung auf einem Material aus der Gruppe Glas, Quarz, Saphir, Siliziumkarbid oder Keramik aufgebracht ist. Die Probenentnahme und die Probenanalyse werden vor Ort in der Bohrung vorgenommen, nachdem das Bohrgestänge aus dem Bohrloch entfernt und das Analysemodul hinabgelassen wurde.Out US 2007/0171414 A1 a spectral analysis module for a well fluid is known, which is designed as a grating spectrometer with a replica grating, in which the grating pitch is applied to a material from the group of glass, quartz, sapphire, silicon carbide or ceramic. Sampling and sample analysis are done on-site in the well after the drill string has been removed from the wellbore and the analysis module has been lowered.

In neueren Verfahren wird versucht, eine Analyseeinrichtung in die ersten Meter des Bohrgestänges zu integrieren. Dies hat im Vergleich zu der vorgenannten Verfahrensweise nicht nur den Vorteil, dass die Eigenschaften der durchbohrten Gesteinsschichten und des Rohöls bereits während des Bohrvorgangs ermittelt werden können und das Herausziehen des Bohrgestänges entfällt, sondern auch den Vorzug, dass die zur Kühlung des Bohrkopfes genutzte Bohrflüssigkeit zugleich auch die Analyseeinrichtung kühlt.More recent methods attempt to integrate an analysis device into the first meters of the drill string. This has in comparison to the above procedure not only the advantage that the properties of the drilled rock layers and crude oil can be determined during the drilling process and eliminating the extraction of the drill string deleted, but also the advantage that the used for cooling the drill bit drilling fluid at the same time also the analysis device cools.

Weiterhin verringern sich hierdurch auch die Kosten für die Entnahme und Analyse der Probe, da die Messung bei den hohen Drücken vor Ort erfolgt und es nicht mehr erforderlich ist, Probenbehälter, in denen die Probe unter Druck vorgehalten wird, aus dem Bohrloch heraus und zu einem Analyseort zu transportieren. Außerdem ist es auf diese Weise möglich, Proben weitestgehend ohne Verschmutzung durch Bohrflüssigkeit zu analysieren und damit zu genaueren Aussagen bezüglich der Qualität zu kommen.Furthermore, this also reduces the cost of taking and analyzing the sample, since the measurement takes place at the high pressures in the field and it is no longer necessary, sample container in which the sample is held under pressure, out of the well and to a Transport analysis site. In addition, it is possible in this way to analyze samples as far as possible without contamination by drilling fluid and thus come to more accurate statements about the quality.

Allerdings sind die hierzu erforderlichen Analyseeinrichtungen neben den hohen Temperaturen und Drücken in der Tiefe zusätzlich hohen mechanischen Belastungen aufgrund der während des Bohrens unvermeidlich auftretenden Beschleunigungen, Schwingungen und Stößen ausgesetzt.However, in addition to the high temperatures and pressures at depth, the analytical devices required for this purpose are additionally exposed to high mechanical loads due to the accelerations, vibrations and impacts that inevitably occur during drilling.

Insofern besteht im einschlägigen technischen Gebiet das Bedürfnis nach Analyseeinrichtungen, die unter der Bedingung von Temperaturen im Bereich von 150°C bis 200°C sowie unter den genannten mechanischen Belastungen eine spektrometrisch wellenlängenkorrekte Analyse des Rohöls während des Bohrens ermöglichen.In this respect, there is a need in the pertinent technical field for analysis devices which permit a spectrometrically wavelength-correct analysis of the crude oil during drilling under the condition of temperatures in the range of 150 ° C. to 200 ° C. and under said mechanical loads.

Ein Spektrometer, das diesen extremen Anforderungen genügt, ist aus dem derzeitigen Stand der Technik nicht bekannt.A spectrometer that meets these extreme requirements is not known in the current state of the art.

Davon ausgehend besteht die Aufgabe der Erfindung darin, eine Messanordnung der eingangs beschriebenen Art so weiterzubilden, dass auch bei Arbeitstemperaturen von 150°C bis 200°C und mechanischen Belastungen aufgrund extremer Drücke, Beschleunigungen, Schwingungen und Stöße eine spektrometrisch wellenlängenkorrekte Materialanalyse, insbesondere von Rohöl während des Bohrens, möglich ist. On this basis, the object of the invention is to develop a measuring arrangement of the type described above so that even at working temperatures of 150 ° C to 200 ° C and mechanical stresses due to extreme pressures, accelerations, vibrations and shocks spectrometrically wavelength-correct material analysis, especially of crude oil while drilling is possible.

Diese Aufgabe wird gelöst mit einer Anordnung zum Bestimmen spektraler Eigenschaften eines Bohrlochfluids, umfassend

• – eine Quelle für polychromatische elektromagnetische Strahlung,
• – eine Probenkammer mit dem Fluid,
• – optische Mittel zur Ausrichtung der elektromagnetischen Strahlung auf das Fluid, und
• – eine Spektralanalyse-Einrichtung in Form eines Gitterspektrometers, ausgebildet zum Detektieren des Spektrums der vom Fluid transmittierten oder gestreuten elektromagnetischen Strahlung, wobei
• − das Gitterspektrometer ein Original-Gitter mit einer auf Strahlungswellenlängen λ im Bereich von 200 nm bis 4000 nm abgestimmten Gitterperiode aufweist.

This object is achieved with an arrangement for determining spectral properties of a borehole fluid comprising

• - a source of polychromatic electromagnetic radiation,
• A sample chamber with the fluid,
• - Optical means for aligning the electromagnetic radiation to the fluid, and
• A spectral analysis device in the form of a grating spectrometer, designed to detect the spectrum of the electromagnetic radiation transmitted or scattered by the fluid, wherein
• - The grating spectrometer has an original grating with a tuned to radiation wavelengths λ in the range of 200 nm to 4000 nm grating period.

Die Ausführung des Gitters als Original-Gitter hat im Vergleich zum Einsatz von Replica den Vorteil der höheren Stabilität des Gitters unter den hohen Arbeitstemperaturen, denen das Spektrometer ausgesetzt ist, während bei den Gitterkopien die Gitterstrukturen aus Lack, Harz oder ähnlichen Materialien bereits bei wesentlich niedrigeren Temperaturen verbrennen oder das für höchste Beugungseffizienz optimierte Gitterprofil sich in einer für die vorgesehene Anwendung unvorteilhaften Art verändert.The design of the lattice as an original lattice has the advantage of higher stability of the lattice under the high operating temperatures to which the spectrometer is exposed compared to the use of replica, while in the lattice copies the lattice structures of lacquer, resin or similar materials already at much lower Burn temperatures or optimized for maximum diffraction efficiency grating profile changed in a disadvantageous for the intended application type.

In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Gitterstruktur in die Oberfläche eines Trägers aus Quarzglas eingebracht. Unter Quarzglas (engl.: fused silica) im Sinne der Erfindung ist Siliziumdioxid (SiO2) in amorphem Gefüge zu verstehen – im Unterschied zu dem kristallinen Quarz (engl.: quartz).In a preferred embodiment of the invention, the grid structure is introduced into the surface of a carrier made of quartz glass. For the purposes of the invention, fused silica means silicon dioxide (SiO 2) in an amorphous structure, in contrast to crystalline quartz (quartz).

In alternativen Ausführungsformen dient Metall als Substrat für die Gitterstruktur. Bevorzugt kommt erfindungsgemäß eine Eisen-Nickel-Legierung in Betracht, da diese einen besonders günstigen Wärmeausdehnungskoeffizienten (Coefficient of Thermal Expansion, CTE) hat. Optional kann die Gitterstruktur auch in Nickel oder in eine Nickelschicht eingebracht sein.In alternative embodiments, metal serves as a substrate for the lattice structure. According to the invention, preference is given to an iron-nickel alloy, since this has a particularly favorable coefficient of thermal expansion (CTE). Optionally, the grid structure may also be incorporated in nickel or in a nickel layer.

In einer weiteren alternativen Ausführungsform ist ein Polyetheretherketon-Werkstoff (PEEK) als Substrat für die Gitterstruktur vorgesehen. Polyetheretherketone besitzen neben einer sehr guten Temperaturfestigkeit auch mechanische Eigenschaften wie hohe Festigkeit und hohe Steifigkeit, die im Zusammenhang mit den Einsatzbedingungen der erfindungsgemäßen Anordnung von Vorteil sind.In a further alternative embodiment, a polyetheretherketone material (PEEK) is provided as a substrate for the lattice structure. Polyetheretherketones not only have very good temperature resistance but also mechanical properties such as high strength and high rigidity, which are advantageous in connection with the conditions of use of the arrangement according to the invention.

Das Gitter ist bevorzugt als abbildendes, konkaves Reflexionsgitter mit geblaztem Oberflächenprofil ausgeführt. Die Herstellung erfolgt bevorzugt durch holographische Belichtung und anschließende Übertragung des Profils mittels Ätzen in die Quarzglasoberfläche.The grating is preferably designed as an imaging, concave reflection grating with a blazed surface profile. The preparation is preferably carried out by holographic exposure and subsequent transfer of the profile by means of etching in the quartz glass surface.

Mit dem geblazten Gitterprofil werden besonders hohe Effizienzen erzielt. Das abbildende Gitter ermöglicht vorteilhaft eine besonders kompakte Bauweise bei großer numerischer Apertur und damit hohem Lichtleitwert, also großer Empfindlichkeit und gleichzeitig geringen Abbildungsfehlern – respektive einer hohen Auflösung.The blazed grid profile achieves particularly high efficiencies. The imaging grating advantageously allows a particularly compact design with a large numerical aperture and thus high light conductance, ie high sensitivity and simultaneously low aberrations - respectively a high resolution.

Eine Ausführung als mechanisch geteiltes planares Gitter liegt jedoch ebenfalls im Rahmen der Erfindung.However, an embodiment as a mechanically divided planar grid is also within the scope of the invention.

Der Grundkörper des Spektrometers ist bevorzugt monolithisch ausgeführt, so dass CTE-Unterschiede zwischen verschiedenen Komponenten vermieden und eine optimale Temperaturstabilität des Spektrometers erzielt wird. Ein monolithischer Aufbau bietet zudem höchste mechanische Stabilität bei extremen Beschleunigungen, Vibrationen und Stößen. Des weiteren erlaubt ein monolithischer Aufbau, höchste Performance in minimalem Bauraum zu realisieren.The basic body of the spectrometer is preferably monolithic, so that CTE differences between different components are avoided and optimum temperature stability of the spectrometer is achieved. A monolithic structure also offers maximum mechanical stability under extreme accelerations, vibrations and shocks. Furthermore, a monolithic structure allows to realize maximum performance in a minimum space.

Die erfindungsgemäße Anordnung ist bevorzugt mit einem Detektor auf Basis von InGaAs-Sensoren ausgestattet. Vorteilhaft werden dabei eine Zeile bzw. ein Array aus InGaAs-Sensoren mit exakt ausgemessenem Abstand zwischen Sensor-Chip und dem Chip-Träger verwendet und dieses Abstandsmaß bei der Abmessung des Grundkörpers so berücksichtigt, dass eine optimale Auflösung des Gitterspektrometers erzielt wird.The arrangement according to the invention is preferably equipped with a detector based on InGaAs sensors. Advantageously, a row or an array of InGaAs sensors with exactly measured distance between the sensor chip and the chip carrier is used and this distance dimension in the dimension of the base body is taken into account so that an optimum resolution of the grating spectrometer is achieved.

In den Erfindungsgedanken eingeschlossen ist es weiterhin, die Verbindung zwischen dem Detektor und dem Grundkörper des Spektrometers, namentlich der Verbindung des Chip-Trägers mit dem Grundkörper, formschlüssig auszuführen. Im Vergleich zu Klebe- oder sonstigen mittelbaren Verbindungen, wie sie im Stand der Technik üblich sind, wird damit vorteilhaft erreicht, dass bei den extremen Beschleunigungen, Vibrationen und Stößen, denen das Spektrometer im Einsatz unterliegt, keine Dejustage auftreten kann und so die Messgenauigkeit auch unter diesen Bedingungen erhalten bleibt.Included in the concept of the invention, it is also the case, the connection between the detector and the main body of the spectrometer, namely the connection of the chip carrier with the main body, perform positively. In comparison to adhesive or other indirect connections, as are common in the prior art, it is thus advantageously achieved that at the extreme accelerations, vibrations and shocks, which is subject to the spectrometer in use, no misalignment can occur and so the measurement accuracy also maintained under these conditions.

Bei einer diesbezüglichen Ausgestaltung ist vorgesehen, dass der Detektor relativ zum Grundkörper schwimmend gelagert ist, so dass sich unterschiedliche Längenausdehnungen, die aus CTE-Unterschieden der sich gegenüber stehenden Materialien resultieren, ausgleichen können. Dabei können zur Halterung des Detektors beispielsweise Festkörpergelenke dienen und so angeordnet sein, dass sich der Chip-Träger einerseits und der Grundkörper andererseits in einer Richtung oder in zwei entgegengesetzten Richtungen gegeneinander verschieben können. Besonders vorteilhaft sind die Berührungsflächen der sich gegenüber stehenden Materialien mit höchstmöglicher Ebenheit plan ausgeführt.In a related embodiment, it is provided that the detector is mounted floating relative to the base body, so that itself different length expansions, which may result from CTE differences of the opposing materials, can compensate. In this case, for example, solid-state hinges can be used to hold the detector and arranged so that the chip carrier on the one hand and the base body on the other hand can move in one direction or in two opposite directions against each other. Particularly advantageous are the contact surfaces of the opposing materials with the highest possible planarity run flat.

In ebenfalls vorteilhaften und deshalb bevorzugten Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Anordnung ist vorgesehen, die elektromagnetische Strahlung über gefaltete Strahlengänge zu leiten. In diesem Zusammenhang sind zur Strahlumlenkung Spiegel vorgesehen, und zwar in unterschiedlichen Ausgestaltungen der Erfindung Metallspiegel ohne abbildende Eigenschaft, um damit den erforderlichen Bauraum zu minimieren, oder Metallspiegel mit abbildender Eigenschaft, so dass darüber hinaus eine weitere Erhöhung der numerischen Apertur und damit wiederum ein höherer Lichtleitwert, größere Empfindlichkeit und geringere Abbildungsfehler, entsprechend einer höheren Auflösung erzielt werden. In den Erfindungsgedanken eingeschlossen sind jedoch Ausführungsformen mit Kombinationen von abbildenden und nicht abbildenden Spiegeln.In likewise advantageous and therefore preferred embodiments of the arrangement according to the invention, it is provided to guide the electromagnetic radiation via folded beam paths. In this context, mirrors are provided for beam deflection, in different embodiments of the invention, metal mirrors without imaging property in order to minimize the space required, or metal mirror with imaging property, so that in addition a further increase in the numerical aperture and thus in turn a higher Conductance, greater sensitivity and lower aberrations, can be achieved according to a higher resolution. Included within the spirit of the invention, however, are embodiments having combinations of imaging and non-imaging mirrors.

Der Aufbau der erfindungsgemäßen Anordnung erlaubt sowohl die Analyse eines Fluids, das in der Probenkammer ruht, als auch eines Fluids, das die Probenkammer durchfließt.The structure of the inventive arrangement allows both the analysis of a fluid that rests in the sample chamber, as well as a fluid flowing through the sample chamber.

Bevorzugt sind die Lichtquelle und die Gitterperiode des erfindungsgemäß vorgesehenen Gitterspektrometers für elektromagnetische Strahlung im Wellenlängenbereich des nahen Infrarot (NIR) bzw. für die typischen Banden von Kohlenwasserstoff ausgelegt.The light source and the grating period of the grating spectrometer provided according to the invention are preferably designed for electromagnetic radiation in the near-infrared wavelength range (NIR) or for the typical bands of hydrocarbon.

Der Ausgang des Detektors ist vor Ort in der Bohrung mit einer Auswerteeinrichtung verbunden, von welcher die Informationen über die Qualität des Rohöls an die Erdoberfläche übermittelt werden. Alternativ kann vorgesehen sein, die Detektorausgangssignale drahtlos an eine Auswerteeinrichtung zu übermitteln, die sich an der Erdoberfläche befindet.The output of the detector is connected on site in the bore with an evaluation device, from which the information about the quality of the crude oil is transmitted to the earth's surface. Alternatively it can be provided to transmit the detector output signals wirelessly to an evaluation device, which is located on the earth's surface.

Die erfindungsgemäße Anordnung arbeitet nach dem an sich bekannten Prinzip der Absorptionsspektroskopie.The arrangement according to the invention works according to the known principle of absorption spectroscopy.

Gegenstand der Erfindung ist weiterhin die Verwendung mindestens einer Ausführungsform des vorbeschriebenen Spektrometers zur Integration in ein Bohrgestänge für Erdölbohrungen.The invention further provides the use of at least one embodiment of the above-described spectrometer for integration into a drill pipe for oil wells.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert. Die zugehörigen Zeichnungen zeigen inThe invention will be explained in more detail with reference to an embodiment. The accompanying drawings show in

1 die Positionierung eines als Baueinheit ausgeführten Spektrometermoduls innerhalb eines Gestänges für Erdölbohrungen, 1 the positioning of a unitary spectrometer module within a drill pipe for oil wells,

2 die wesentlichen Funktionsbaugruppen des Spektrometermoduls nach1. 2 the essential functional modules of the spectrometer module 1 ,

Aus1 ist prinzipiell die Positionierung eines Spektrometermoduls1, das die Merkmale der Erfindung aufweist, innerhalb eines Bohrgestänges2, das zum Einbringen einer Erdölbohrung in eine Gesteinsschicht3 vorgesehen ist, ersichtlich. Die Vorschubrichtung V beim Bohren und die Rotationsrichtungen R des Bohrgestänges2 sind durch Pfeile angedeutet.Out 1 is in principle the positioning of a spectrometer module 1 having the features of the invention within adrill pipe 2 for introducing an oil well into arock layer 3 is provided, can be seen. The feed direction V during drilling and the directions of rotation R of thedrill string 2 are indicated by arrows.

Von dem Bohrgestänge2 ist der Übersichtlichkeit halber lediglich ein Teilabschnitt gezeigt, der sich möglichst nahe am Bohrkopf (nicht dargestellt) befinden soll. Das Spektrometermodul1 befindet sich – beispielsweise ebenso wie weitere Mess- oder Prüfbaugruppen5,6,7, die im Zusammenhang mit der Bohrung bzw. dem Bohrprozess relevant sind, etwa Temperatur- oder Druckmesseinrichtungen – in einer Aussparung4, die in die Gestängewandung eingebracht ist. Die Aussparung4 ist mit einer Abdeckung8 hermetisch verschlossen. Aussparung4 und Abdeckung8 erstrecken sich über einen Umfangsbereich des Bohrgestänges2, der in1 mittels unterbrochener Linien angedeutet ist.From thedrill pipe 2 For the sake of clarity, only a partial section is shown which should be located as close as possible to the drill head (not shown). The spectrometer module 1 is located - for example, as well as other measuring ortest modules 5 . 6 . 7 that are relevant in connection with the drilling or the drilling process, such as temperature or pressure measuring devices - in arecess 4 , which is introduced into the Gestänwandung. Therecess 4 is with a cover 8th hermetically sealed.recess 4 and cover 8th extend over a peripheral region of thedrill pipe 2 who in 1 indicated by broken lines.

Wie aus1 weiter ersichtlich, wird bei Stillstand des Bohrers Fluid9 aus der Gesteinsschicht3 abgesaugt und zwecks Spektralanalyse durch das Spektrometermodul1 geleitet. Dabei durchfließt das Fluid9 Kanäle, die beispielsweise in die Abdeckung8, das Spektrometermodul1 und die Wandung des Bohrgestänges2 eingebracht sind. Die Spektralanalyse erfolgt, während das Fluid9 transparente Saphirfenster10 und11 passiert.How out 1 further seen, fluid is at standstill of thedrill 9 from therock layer 3 aspirated and for spectral analysis by the spectrometer module 1 directed. The fluid flows through it 9 Channels, for example, in the cover 8th , the spectrometer module 1 and the wall of thedrill string 2 are introduced. The spectral analysis is done while thefluid 9transparent sapphire windows 10 and 11 happens.

Das Absaugen des Rohöls aus der Gesteinsschicht3 erfolgt beispielsweise mittels einer Pumpe, die in die Abdeckung8 oder in die massive Gestängewandung integriert ist.The extraction of crude oil from therock layer 3 For example, by means of a pump, in the cover 8th or integrated into the massive barricade.

2 zeigt in einer Übersichtsdarstellung die wesentlichen Funktionsgruppen des gemäß1 in die Wandung des Bohrgestänges2 integrierten Spektrometermoduls1. Ersichtlich sind hier eine Lichtquelle12, von der polychromatische Strahlung13 ausgehend durch die Saphirfenster10,11 und das zwischen den Saphirfenstern10,11 fließende Fluid9 hindurch zu einer Spektrometerbaugruppe14 gelangt, welche die vom Fluid9 transmittierte und gestreute Strahlung17 spektroskopisch analysiert und dazu im Wesentlichen eine fokussierende Optik, eine Spaltblende, das erfindungsgemäß genutzte Gitter, einen Detektor mit InGaAs-Sensoren sowie optische Mittel zur Faltung des Strahlengangs, nämlich vorzugsweise Metallspiegel mit abbildender Eigenschaft, umfasst (nicht im Detail dargestellt). 2 shows an overview of the main functional groups of the according to 1 into the wall of thedrill string 2 integrated spectrometer module 1 , Obviously here are alight source 12 , from thepolychromatic radiation 13 starting through thesapphire window 10 . 11 and that between thesapphire windows 10 . 11 flowingfluid 9 through to aspectrometer assembly 14 which comes from thefluid 9 transmitted and scatteredradiation 17 analyzed spectroscopically and essentially a focusing optics, a slit diaphragm, the grid used according to the invention, a detector with InGaAs sensors, and optical means for folding the beam path, namely preferably metal mirrors with imaging properties (not shown in detail).

Die Spektrometerbaugruppe14, namentlich der Ausgang des sich darin befindenden Detektors, ist über einen Signalweg15 mit einer nachgeordneten Auswerteeinrichtung16 verbunden, die zur qualitativen und/oder quantitativen Bewertung der Analyseergebnisse ausgestaltet ist und ihrerseits über eine Drahtlosverbindung mit einer oder mehreren Informations-Ausgabeeinrichtungen an der Erdoberfläche in Verbindung steht (nicht dargestellt).Thespectrometer assembly 14 , namely the output of the detector located therein, is via asignal path 15 with adownstream evaluation device 16 connected to the qualitative and / or quantitative evaluation of the analysis results and in turn is connected via a wireless connection with one or more information output devices on the earth's surface (not shown).

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

11

Spektrometermodulspectrometer module

22

Gestängelinkage

33

Gesteinsschichtrock formation

44

Aussparungrecess

55

Mess- oder PrüfbaugruppeMeasuring or test module

66

Mess- oder PrüfbaugruppeMeasuring or test module

77

Mess- oder PrüfbaugruppeMeasuring or test module

88th

Abdeckungcover

99

Fluidfluid

1010

Saphirfenstersapphire window

1111

Saphirfenstersapphire window

1212

Lichtquellelight source

1313

Strahlungradiation

1414

Spektrometerbaugruppespectrometer assembly

1515

Signalwegpathway

1616

Auswerteeinrichtungevaluation

1717

vom Fluid transmittierte und gestreute Strahlungradiation transmitted and scattered by the fluid

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

• DE 602004012554 T2[0005]DE 602004012554 T2[0005]
• US 2007/0171414 A1[0006]US 2007/0171414 A1[0006]

Claims (14)

Translated fromGerman

Anordnung zum Bestimmen spektraler Eigenschaften eines Bohrlochfluids unter dem Einfluss hoher Temperatur- und mechanischer Belastungen am Ort des Vorkommens des Fluids, umfassend – eine Quelle für polychromatische elektromagnetische Strahlung (13), – optische Mittel zur Ausrichtung der elektromagnetischen Strahlung (13) auf das Fluid (9), und – eine Spektralanalyse-Einrichtung in Form eines Gitterspektrometers, ausgebildet zum Detektieren des Spektrums der vom Fluid (9) transmittierten oder gestreuten elektromagnetischen Strahlung (17),dadurch gekennzeichnet, dass – das Gitterspektrometer ein Original-Gitter mit einer auf Strahlungswellenlängen λ im Bereich von 200 nm bis 4000 nm abgestimmten Gitterperiode aufweist.Arrangement for determining spectral properties of a borehole fluid under the influence of high temperature and mechanical stresses at the location of occurrence of the fluid, comprising - a source of polychromatic electromagnetic radiation ( 13 ), - optical means for aligning the electromagnetic radiation ( 13 ) on the fluid ( 9 ), and - a spectral analysis device in the form of a grating spectrometer, designed to detect the spectrum of the fluid ( 9 ) transmitted or scattered electromagnetic radiation ( 17 ),characterized in that - the grating spectrometer has an original grating with a grating period tuned to radiation wavelengths λ in the range from 200 nm to 4000 nm.Anordnung nach Anspruch 1, wobei das Gitter als Reflexionsgitter ausgeführt ist.Arrangement according to claim 1, wherein the grid is designed as a reflection grating.Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Gitter in die Oberfläche eines Substrats aus Quarzglas eingebracht und vorzugsweise mit einer reflektierenden Beschichtung versehen ist.Arrangement according to claim 1 or 2, wherein the grid is introduced into the surface of a substrate made of quartz glass and is preferably provided with a reflective coating.Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Gitter in die Oberfläche eines Substrats aus einer Eisen-Nickel-Legierung eingebracht und vorzugsweise mit einer reflektierenden Beschichtung versehen ist.Arrangement according to claim 1 or 2, wherein the grid is introduced into the surface of a substrate made of an iron-nickel alloy and is preferably provided with a reflective coating.Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Gitterstruktur in Nickel oder in eine Nickelschicht eingebracht und vorzugsweise mit einer reflektierenden Beschichtung versehen ist.Arrangement according to claim 1 or 2, wherein the grid structure is introduced into nickel or into a nickel layer and is preferably provided with a reflective coating.Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Gitterstruktur in einen Polyetheretherketon-Werkstoff (PEEK) eingebracht und vorzugsweise mit einer reflektierenden Beschichtung versehen ist.Arrangement according to claim 1 or 2, wherein the grid structure is introduced into a polyetheretherketone material (PEEK) and is preferably provided with a reflective coating.Anordnung nach einem der vorgenannten Ansprüche, wobei das Gitter als mechanisch geteiltes planares Gitter, bevorzugt jedoch als abbildendes, konkaves Reflexionsgitter mit geblaztem Oberflächenprofil ausgeführt ist.Arrangement according to one of the preceding claims, wherein the grid is designed as a mechanically split planar lattice, but preferably as imaging, concave reflection grille with blazed surface profile.Anordnung nach einem der vorgenannten Ansprüche, bei der das Gitterspektrometer mit einem Detektor auf Basis von einem oder mehreren InGaAs-Sensoren ausgestattet ist, insbesondere mit einer Zeile oder einem Array aus InGaAs-Sensoren mit exakt ausgemessenem Abstand zwischen Sensor-Chip und dem Chip-Träger und einem maßlich an diesen Abstand angepassten Spektrometergrundkörper.Arrangement according to one of the preceding claims, wherein the grating spectrometer is equipped with a detector based on one or more InGaAs sensors, in particular with a row or an array of InGaAs sensors with exactly measured distance between the sensor chip and the chip carrier and a dimensionally adapted to this distance Spektrometergrundkörper.Anordnung nach Anspruch 8, bei der die Verbindung zwischen dem Chip-Träger und dem Grundkörper des Spektrometers formschlüssig ausgeführt ist, wobei vorzugsweise der Chip-Träger relativ zum Grundkörper schwimmend gelagert ist.Arrangement according to claim 8, wherein the connection between the chip carrier and the main body of the spectrometer is designed to be positive, wherein preferably the chip carrier is mounted floating relative to the base body.Anordnung nach einem der vorgenannten Ansprüche, bei der die elektromagnetische Strahlung über gefaltete Strahlengänge geleitet wird, wobei zur Strahlumlenkung Spiegel, bevorzugt Metallspiegel ohne abbildende Eigenschaft, besonders bevorzugt Metallspiegel mit abbildender Eigenschaft vorgesehen sind.Arrangement according to one of the preceding claims, wherein the electromagnetic radiation is conducted via folded beam paths, wherein for beam deflection mirror, preferably metal mirror without imaging property, particularly preferably metal mirror are provided with imaging property.Anordnung nach einem der vorgenannten Ansprüche, wobei die Lichtquelle und die Gitterperiode des Gitterspektrometers für elektromagnetische Strahlung im Wellenlängenbereich des nahen Infrarot (NIR) bzw. für die typischen Banden von Kohlenwasserstoff ausgelegt sind.Arrangement according to one of the preceding claims, wherein the light source and the grating period of the grating spectrometer for electromagnetic radiation in the wavelength range of the near infrared (NIR) or for the typical bands of hydrocarbon are designed.Anordnung nach einem der vorgenannten Ansprüche, bei welcher die Durchleitung des Fluids (9) durch den Strahlengang zwischen transparenten Fenstern, die vorzugsweise aus Saphir bestehen, vorgesehen ist.Arrangement according to one of the preceding claims, in which the passage of the fluid ( 9 ) is provided through the beam path between transparent windows, which are preferably made of sapphire.Anordnung nach einem der vorgenannten Ansprüche, bei welcher der Ausgang des Detektors mit einer Auswerteeinrichtung (16) verbunden ist, von welcher die Information über die Qualität des Fluids (9) an die Erdoberfläche übermittelt wird.Arrangement according to one of the preceding claims, wherein the output of the detector with an evaluation device ( 16 ) from which the information about the quality of the fluid ( 9 ) is transmitted to the earth's surface.Verwendung eines Spektrometers mit den Merkmalen nach den Ansprüchen 1 bis 11 innerhalb eines Bohrgestänges (2) für Erdölbohrungen nahe dem Bohrkopf zum Zweck der Bestimmung der spektralen Eigenschaften von Bohrlochfluiden während des Bohrens.Use of a spectrometer with the features according to claims 1 to 11 within a drill string ( 2 ) for oil wells near the drill head for the purpose of determining the spectral properties of well fluids during drilling.

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