光音響分光法を使用した油層キャラクタリゼーションのための方法及び装置
油層における種々の部分において、炭素（１３Ｃ／１２Ｃ）又は酸素（１７Ｏ／１８Ｏ）の同位体比が同じか又は相違するか、組成が相違するか否かを決定することにより、油層区分を判定する方法及び装置が提供される。石英強化光音響分光器が提供され、油層における種々の場所から採取された油層サンプルを分析し、地球化学組成を比較し、油層区分を判定する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、地層流体をサンプリングし、分析する分野に関し、特に、光音響分光法を使用した油層キャラクタリゼーションの分野に関する。
【背景技術】
【０００２】
石油やガスのような炭化水素を得るために、ドリルストリングの端部に取り付けられたドリルビットを回転させることによって、地面に採掘孔（ボアホール）を採掘する。近年の傾斜掘りシステムは、通常、坑底アセンブリ（ＢＨＡ）と、ドリルモータ（マッド・モータ）によって回転される及び／又はドリルストリングを回転させることによって回転される、アセンブリの先端に取り付けられたドリルビットとを有するドリルストリングを採用している。ドリルビットに密着して設置される坑内（ダウンホール）装置の多くは、ドリルストリングに関連した、ある坑内の運転パラメータを側定する。このような装置は、大抵、坑内温度及び坑内圧力を測定するためのセンサと、方位及び傾斜を測定する装置と、炭化水素及び水が存在するかどうかを決定するための比抵抗測定装置とを有する。さらに、掘削同時検層（ＬＷＤ）機器及び掘削情報検層（ＭＷＤ）機器として知られている坑内機器は、ドリルストリングに装着され、掘削作業の間の地層の地質及び地層流体における特性及び状態が測定される。ワイヤライン掘削機器は、通常、坑井を掘削した後に、構成の地質特性及び地層流体特性を測定するために、使用される。
【０００３】
炭化水素産出地帯の商用開発は多額の資本を必要とする。産出地帯の開発を始める前に、操業者は、油層の商業的可能性を評価するために、炭化水素層の性質に関して、できるだけ多くのデータを得ようとする。掘削をしている間にＭＷＤ機器を使用してデータを取得することができ、坑井（ウェル）を掘削した後にワイヤライン機器により分析がなされるにもかかわらず、油層に関して、別の地域の別の坑井における地層流体を分析することが、必要となることがある。これらのサンプルは、油層における油層区分を判定するために比較される。
【０００４】
石油産出者が、油層をどのように開発（坑井地域、生産設備のタイプなど）するかを決定するのに役立つので、油層区分の程度は、重要である。石油産出者は、油層における異なる場所が、別の区分（両区分を流体が流れない）であるか又はそれらが結合しているのかどうかを知りたい。別の区分は、別々に排油され、その流体のために異なるタイプの処理が必要とされる。このように、油層が区分けされているか否かを判断するための方法及び装置が必要である。
【発明の開示】
【０００５】
発明の概要
本発明は、一態様として、油層が区分けされているか否かを判定するために、光音響分光法（ＰＡＳ）を使用して、油層サンプルを分析する方法及び装置を提供する。本発明における一態様では、油層が区分けされているか否かを判定するために、石英強化光音響分光法（ＱＥＰＡＳ）を使用して、地層サンプルを分析する方法及び装置を提供する。本発明においては、油層区分を判定するために、光音響分光法（ＰＡＳ）を使用して油層における最初の場所から採取した最初のサンプルを分析し、ＰＡＳを使用して油層における２番目の場所から採取した２番目のサンプルを分析し、最初のサンプルの分析と２番目のサンプルの分析とを比較する方法及び装置を提供する。
【０００６】
本発明における他の態様では、ＰＡＳには、石英強化ＰＡＳ（ＱＥＰＡＳ）がさらに含まれる。本発明における他の態様では、分析には、サンプルにおける同位体比の判定がさらに含まれ、その同位体比には、炭素（１３Ｃ／１２Ｃ）又は酸素（１７Ｏ／１８Ｏ）に関する同位体比を含む同位体比のうちの少なくとも１つが、さらに含まれる。この方法及び装置は、あるタイプの分子のスペクトルと別のタイプの分子のスペクトルとを識別することができ（例えば、ＣＯとＣＯ２）、また、同じ分子で異なる同位体（例えば、１２ＣＯ２と１３ＣＯ２）におけるスペクトルを識別することができる。本発明における他の態様では、ＱＥＰＡＳ／ＰＡＳ分析は、坑内で行われる。本発明における他の態様では、ＱＥＰＡＳ／ＰＡＳ分析は、地表で行われる。
【０００７】
後述する詳細な説明が理解できるように、そして、この技術に対する貢献が正しく評価されるように、本発明に対する特徴的な例を、ここでは大雑把に概説する。もちろん、以下に記述され、そしてここに添付されている請求項の目的を形成する、本発明の付加的な特徴もある。
【０００８】
本発明を詳細に理解するために、以下の実施例についての詳細な記述に、符号が付けられるべきであり、この符号は添付された図面と対応関係がとられるべきであり、ここでは類似の要素については類似の数字が付けられている。
【０００９】
発明の詳細な説明
本発明の一態様においては、油層における別の部分又は場所における流体地球化学が同じであるか否かを決定することにより、油層区分を判定及び査定するための方法及び装置又はシステムを提供する。“油層区分”又は区分では、流体を採取した２つの地点の境界で流体の流れが存在することを参照する。同時に、“油層連続性”では、１つの坑井内（垂直に連続）における、流体を採取した２つの地点の境界で流体の流れがないことを参照し、及び／又は、別々の坑井内（水平に連続）における、流体を採取した２つの地点の境界に横連続がないことを参照する。例えば、油層における別の部分から２以上のサンプルを採取して、炭素（１３Ｃ／１２Ｃ）又は（１７Ｏ／１８Ｏ）における同位体比が等しいか又は異なるかどうかを査定するために、このシステム及び方法が、使用される。本発明における一態様によると、油層サンプルを分析するために、音響共鳴装置と共に、可変ダイオードレーザである可変レーザが使用される。本発明における一態様によると、光音響光学法（ＰＡＳ）技術が使用される。このＰＡＳでは、圧電マイクロフォンのような音響センサと共に、可変ダイオードレーザが使用され、レーザビームが照射されることによって、ガス又は蒸気が振動したときに発生する音波を検出する。光ダイオードのような光センサに高温が悪影響を及ぼすので、ＰＡＳは坑内温度の高さに敏感である一方、坑内温度の高さは、ＰＡＳ圧電マイクロフォンにはほとんど影響はない。レーザの繰り返しパルスにおける、その光の波長は、特性ガスの吸収波長に一致し、地層流体から取り出されたガス及び／又は蒸気混合物を通過するように発振される。目的とされるガスがこの混合物の中に存在すると、目的とされるガスはすべてのパルスを増大させ、そして、それによってパルスレーザ周波数の２倍の周波数を有する音波を発生するパルスを減少させる。パルスによってガス及び／又は蒸気に発生した音波に対応する電気信号を、この検出器は与える。プロセッサによりこの信号が分析され、このガスの特性を決定する。広帯域音響検出器が、典型的に使用される。
【００１０】
本発明の他の態様においては、“石英強化ＰＡＳ（ＱＥＰＡＳ）”が使用される。一態様として、ＱＥＰＡＳに対して、レーザ光は、（石英音さのような）高Ｑ共鳴マイクロフォンの半分の周波数で振動する。このシステムは、油層区分を示す、油層サンプル間における同位体の違いのような、とても微妙な差異を識別することができる。
【００１１】
地層流体のような液体サンプルに対しては、ガス及び／又は蒸気と液体とを分離する膜が備えられ、分離されたガス及び蒸気における同位体比分析が実行される。液体原油におけるフィタン／プリスチン比の分析を使用すること、又は、その他の顕著な特徴、例えば可変光学フィルタを使用することにより解決可能な流体スペクトルにおける予測できないほど微妙な違いを使用することにより、区分が判定される。
【００１２】
区分のないときでも、深さが違うと、重力偏析により流体における予測されるスペクトルの相違を生じることがある。例えば、原油における柱状図の上部は、原油における前記柱状図の底部よりガスが多いことが予測される。しかし、逆のことが観察され、メタン及びエタンのような低分子炭化水素が、炭化水素柱状図の底部において、柱状図の上部よりも高割合で含まれる場合には、本発明のシステムは、柱状図における上部と底部との場所はシールされず、油層は区分されることを決定する。メタンにおける１３Ｃ／１２Ｃの同位体比が、炭化水素柱状図における１つの場所と別の場所とで異なる場合に、同様の方法が使用される。同様に、水柱状図で、水における１８Ｏ／１７Ｏの同位体比が異なる場合は、水柱状図は区分される。本発明のシステムは、各種吸収波長に対する情報を得るために使用される。２ｍｍ路長を調査することに関して、主要な液体炭化水素の（Ｃ６＋）光学的吸収ピークは、約１７２５ｎｍと約１７４０ｎｍである。メタン、エタン、プロパン、ブタンのような炭化水素ガスの吸収ピークは、１６７７ｎｍと１７２５ｎｍとの間にある。
【００１３】
メタン、エタン、プロパン等の比較的多くの予想外のバリエーション（重量偏析から予測できないバリエーション）により区分が示される。また、炭化水素以外のガスにおける相違と関連するスペクトルの微妙な相違も又、油層区分の証拠となり得る。例えば、Ｈ２Ｓガスは、１９５２ｎｍあたりに吸収ピーク群があり、１５７８ｎｍあたりに別の弱いピーク群がある。同様に、ＣＯ２ガスは、２００７ｎｍあたりに吸収ピーク群があり、１５７２ｎｍあたりに別の弱いピーク群がある。炭化水素柱状図における１つの場所が、炭化水素柱状図における別の場所よりも、Ｈ２Ｓ又はＣＯ２ガスを相当有していて、これらの相違を重力偏析で説明できないときは、本発明のシステムでは、この異例をシールが２つの場所を分離しており、油層は区分されている証拠とする。
【００１４】
本発明のシステムは、異なる化合物における一連の多様な比率（通常５〜１０の比率）をプロットすることができ、“星型”パターン（極座標）にプロットすることができる。これらの比率は、エタンのメタンに対する割合、又はフィタンのプリスチンに対する割合などである。比率は、石油タイプのより信頼できる指標となるので、割合の比率は、割合
の代わりに使用される。このような組成比それぞれに対して、我々は、極座標図に異なる見方を与える。このとき、図の中心から一点までの距離が、その点に対する比率の値を表す。プロットされた点を結び、多角形を作るように線が引かれる。このような図で、それぞれの石油のタイプが、固有の多角形で表される。あるタイプの石油に対応する多角形は、別のタイプの石油に対応する多角形と重ね合わせられない。このように、油層における異なる部分から採取した流体が、異なる組成比を示す多角形を有するとき、この油層が区分されている証拠があることを、このシステムは判断し又は決定する。本発明のシステムは、階層的クラスタ分析を使用し、地層炭化水素の間での相違を実証する。
【００１５】
他の態様によると、本発明のシステムは、さまざまな地質学的環境（幅広いフィールドサイズ、構造的環境、油層岩石学、石油タイプを含む）で、油層の連続性を評価するために石油地球化学（石油指紋法）又は地球化学分析を適用する。石油地球化学は、縦方向及び横方向に石油とガス領域内の境界を流れる流体を識別するための有効な手段を与えることができる。
【００１６】
他の態様によると、本発明のシステムは、石油地球化学を使用して、不明瞭な地学及び／又は工学技術情報を明確にする。このやり方は、別々の油層の石油は、ほとんどいつも組成が異なるということに基づいている。この技術は、２つの石油が相互の石油における相対的な組成を比較することによって流体が流通されているか否かを判断する。しかし、本発明は、ＰＡＳ又はＱＥＰＡＳを使用して、サンプルにおける地球化学組成又は成分を決定する。サンプルにおける地球化学分析を比較して、油層区分を判定するために、本発明ではプロセッサが備えられている。
【００１７】
油層区分を評価するために、サンプル分析は、有効で関連性のある他の地学及び／又は工学技術情報（例えば、断層分布、断層落差、断層頁岩／砂粘土比、油層岩石学における横方向の変化、地層流体圧力に対する深さのデータ、圧力下降曲線、石油−水接触深さなど）と統合される。
【００１８】
図１は、本発明の一実施例による、油層サンプルを採取して分析するために使用された坑内サンプリング機器５０の図である。ＱＥＰＡＳ又はＰＡＳ室、レーザ室、プロセッサ又はコンピュータ、温度制御装置、及び他の関連する設備を含むガス分析モジュール３００が、坑井機器５０内に収容されている。モジュール３００は、ガス、蒸気、又は液体を分析するために使用される。この分析の機能及び操作については、図４〜７を参照しつつ、さらに詳細に説明する。モジュール３００は、他の態様では地表５１にも設置可能であり、制御装置１０００によって制御される。モジュール３００は、坑内に自給させることができ、又はその操作及び制御の一部分は、地表制御装置１０００によって実行されても良い。どちらの場合でも、ここに記載したシステムは、さまざまな油層から採取したサンプルを分析し、そして、地層流体に関連している、１つ以上のパラメータ又は特性を判定し、そして、油層区分の判定をするための方法及び装置を提供する。図１の機器構成では、機器５０は、油層における異なる場所から、及び／又は掘削井（ウェルボア）に沿って、流体サンプルを回収するために使用される。異なる場所から回収した２以上の流体の分析結果を比較すると、油層区分の状態を判定することができる。
【００１９】
図２は、図１と図３とが油層の連続性又は反対に区分を判断するために、地球化学組成と指紋法をどのように利用するのかを簡単に示している。ほんの一例として、図２は、層２５３，２５５に位置している３つの坑井２４１，２４２，２４３における５つのサンプリング点の場所２４５，２４７，２４９，２５０，２５１を示している。この図の目的として、層２５３と２５５とは、断層線２５７によって２つの部分に分離されていることが示されている。図２の例では、坑井２４２と２４３との間における層２５３の連続性は、サンプル２５０と２４９との間の地球化学組成又は指紋が同じであることによって示唆されるだろう。断層線２４７の左側に位置する層２５３と断層線２５７の右側に位置する層２５３との間が区分されていること（すなわち流体が流通していない）は、サンプル２４５と２４９と２５０との間の地球化学組成又は指紋が異なることによって示唆されるであろう。同様に、サンプル２４７と２５１との間の地球化学組成を比較することによって、層２５５の区分が示唆されるであろう。さらに、同じ坑井２４３から採取されたサンプル２４９と２５１とを比較すると、組成が異なることが示される。地球化学組成データは、油層に利用できる地学及び工学技術データと付加的に統合される。付加的な地学工学技術データは、特に限定されないが、圧力勾配、圧力下降曲線、石油−水接触深さ、ガス石油比、透過性、粘性、流動性などを含む。
【００２０】
次に図１を見ると、機器５０は、ワイヤライン１０２に接続され、地層１００に開けられた採掘孔１０４に配置されている。掘削井１０４の内壁に設置されている伸縮性プローブ１０１は、地層１００から流体を採取する。採取された地層流体は、流路１０５内を流通し、そこでガス分析モジュール３００が、ＰＡＳ又はＱＥＰＡＳを使用して、地層流体サンプルの組成又は指紋を、判定又は決定する。この流体サンプルはガス、蒸気、又は液体とすることができる。このシステムは、典型的には、採取された流体のガス又は蒸気を分析する。ガス及び／又は蒸気は、図４に示されるように、分析するために坑内で液体から分離される。安定化装置１０３は、地層流体サンプルを採取している間、所定位置に機器５０と伸縮性プローブ１０１とを保持している。モジュール３００は、坑内で分析をすることができ、又はこれに代えて、その結果を処理及び提供するために、地表にあるプロセッサ１０００に信号を送っても良い。
【００２１】
図３は、ドリルストリング２０１によって掘削井を掘っている間に使用するための、坑井１０４における分析モジュール３００の配置を示す。両側固定装置２０３又は適切な固着装置は、本発明のＱＥＰＡＳ／ＰＡＳを有しているガス分析チャンバー３００に、流路１０５を通して流体を採取している間、所定位置に機器５０を保持する。機器５０と掘削井１０４との間の環帯２１９から、又は地層１００から、流体が採取される。採取された流体は、サンプルタンク１１１に送られるか又は掘削井の環帯２１９に戻される。ＱＥＰＡＳ／ＰＡＳ分析の結果は、坑内プロセッサによって出されるか、又はサンプルが地表５１に送られ、地表分析モジュール及び制御装置１０００によって出される。
【００２２】
次に図４を見ると、ガス分析モジュール３００についての、より詳細な図が、本発明の一実施例にしたがって示される。モジュール３００は、流体チャンバー、又は流体収容チャンバー３０７及び半透膜アセンブリ３１０（図５）によって分離されているガス分析チャンバー３１１を有する流体サンプル室３２０を備える。モジュール３００は、レーザ２０２、これに接続された電子回路３１７、及びプロセッサ又はコンピュータ３１５もまた備える。一態様では、モジュール３００は、イオンポンプのようなポンプを備え、ガス分析チャンバー内３１１の圧力を、大気圧又は大気圧以下になるように減少させる。別の態様では、チャンバー３１１は、より詳細には後で説明するが、チャンバー３１１内に広がっている地層流体ガス及び蒸気を選択的に取除くために適切な吸着剤を流体内においている。収着冷却ユニット２４０は、その操作及び／又は生存温度範囲内に、レーザ２０２及び制御電子機器３１５を維持するために備えられている。図４に示されるように、地層流体収容チャンバー３０７は、低圧ガス分析チャンバー３１１から半透過膜部材３１０によって分離されており、この半透過膜アセンブリ３１０は、半透過膜３０９と金属フィルタ３１３と１つ以上の小さな孔３１６をさらに有してなる金属板とを備えている。この金属板は、比較的高圧チャンバー３０７と低圧チャンバー３１１との間に機械的強度を与え、そして孔３１６は、チャンバー３１１に広がるガスと蒸気とに通気孔を与える。このように、地層流体収容チャンバー３０７は、半透過膜３０９の一方に設けられ、半透過膜３０９の他方に（任意に排気される）ガス分析チャンバー３１１が設けられている。半透過膜３０９は、チャンバー３０７内にある地層流体サンプルに補足されているガスと蒸気とを半透過膜３０９を通して、分析をするためのガス分析チャンバー３１１に拡散することができる。この開示の目的に関して、ガスと蒸気という文言は、入れ替えて用いられても良い。
【００２３】
地層流体は、地層１００から採取され、流路１０５と弁３０１を経由して、流体収容チャンバー３０７に収容される。地層流体は、ポンプ（図示せず。）でプローブ１０１を通して採取される。採取された流体１０７は、チャンバー３０７に流れ込む。流路３３６を通じてチャンバー３０７に結合された弁３３２により、地層流体はチャンバー３０７を流通して、別の貯留チャンバー又は掘削井に排出される。分離されたガスと液体蒸気とは、半透過膜の流体側にある地層流体から、半透過膜を通してチャンバー３１１内に拡散される。チャンバー３１１内に拡散されたガスと蒸気とを分析するために、レーザ２０２によって、パルスエネルギー（ビーム）２０６２が窓２０８を通してチャンバー３１１内のガスに発振される。レーザが有する光の波長を吸収するガスがそこに存在するときはいつでも、パルスエネルギービームは、光音響波を生成する。チャンバー３１１に設置された音さを備えて成る音響微小共振器２１２は、光音響波を検出する。光音響波による音さの励振は、電流を発生させ、電子回路３１７によって電圧に変換され、コンピュータ３１５によって処理される。微小共振器に関する信号は、坑内で分析されるか、及び／又は、処理するために地表にあるプロセッサ１０００（図１、３）に送られる。制御装置３１５は、レーザ２０２の操作を制御する。一態様として、レーザビーム２０６は、第２窓２１４を通過する。窓２１４を通過するレーザビームの一部は、光検出器２１６に導入され、その出力は、音さにおけるティンの間を通過するように、レーザ２０２を調整するのに使用される。あるいは、以下に記述するように、レーザ２０２から発振されるレーザビームは、分割され、図６に図示されるように、ファイバーブラッググレーティング（ＦＢＧ）を利用するような、基準室に導入される。膨張ガラスの熱係数の低いＦＢＧは、レーザの波長を調整するための波長基準として使用される。
【００２４】
流体収容チャンバー３０７は、高い地層流体圧力のために、比較的高圧である。しかし、上述したように、分子スペクトルの衝突による広がりを減少させるために、大気圧又は大気圧以下の、比較的低圧でガスチャンバー３１１を維持することが望ましい。一態様として、チャンバー３１１内の圧力は、大気圧の６〜１０％の範囲に保持される。この他の圧力もまた使用される。衝突の広がりは、別のガス分子の光吸収帯を広げ、あるときは、これらの光吸収帯を一部重複させ、そのことにより、同じ原子で異なる同位体により形成される分子を検出するような微妙なスペクトルの違いを識別する能力が限定される。チャンバー３１１内を所望の低圧で圧力を保持するために、適切なポンプ３２０が流路３５２を経由してチャンバー３１１に結合される。チャンバー３１１から採取されたガスと蒸気とは、チャンバー３５０に排出される。チャンバー３１１に設けられた圧力センサ３５５は、圧力測定値をプロセッサ３１５に提供する。同じ坑井における別の場所でのような異なるサンプルを試験するために、機器５０はそのような場所に動かされ、流体を採取する。２番目の場所から採取された流体は、既にチャンバー３０７内に存在する流体を、弁３３２を経由して掘削井に移動させ、新しい流体でチャンバー３０７を再び満たす。ポンプ３２０は、チャンバー３１１内に広がったガス又は蒸気を前の場所から再び移動させるのに役立つ。異なる坑井から採取したサンプルを分析するために、チャンバー３０７と３１１とは、地表で洗い流される。別の態様によると、チャンバー３１１は、掘削井の中に配置される前に所望の低圧まで脱圧される。また、地層流体は、その流体がきれいになるまでポンプ装置（図示せず。）によって、坑井内に汲み上げられ、きれいな流体がチャンバー３０７内に入れられる。
【００２５】
上記方法においては、測定と分析は、各流体サンプルに対して別々に行われる。他の態様によると、本発明は、連続して測定をすることができる。低圧チャンバー３１１は、アルゴンのような化学的に不活性なガスで所望のレベルまで満たされる。それから、サンプルチャンバー３１１は、チャンバー３１１内に広がっている地層流体由来の炭化水素及び水蒸気のような化学的に活性のガス及び蒸気を取除くための吸着剤を使用することで、連続的に再生させることができる。任意の適切な吸着剤が本発明の装置のために使用される。例えば、分子ふるい３Ａのような合成ゼオライトは、水吸着剤として使用される。重い炭化水素に対しては、活性炭が使用される。通常、炭では結合の弱い、メタン、エタン、及びプロパンのような軽い炭化水素に対しては、等網状構造を有する有機金属（ＩＲＭＯＦｓ）として知られている吸着剤のような、メタン吸着剤が使用される。ＩＲＭＯＦｓは、その基本的な構造単位としてＯＺｎ４を有し、それは、亜鉛原子により形成された四面体の中心に酸素原子が有り、そして亜鉛原子は種々の有機組成物で結合されている。アルゴン中に残っている軽い炭化水素ガスと吸着剤に吸着されている軽い炭化水素ガスとの分配係数は、炭化水素の収着を助ける。アルゴン雰囲気における残りの軽い炭化水素ガスを減少又は最小にするために、吸着体は冷却される。
【００２６】
別の態様によると、本システムは、累積的センサとして使用される。この態様によると、低圧チャンバー３１１内における炭化水素と水蒸気との濃度は、吸着されずに連続的に上昇しても良い。そのとき、その解釈は、微小音響センサにより測定された応答そのものに直接基づくのではなく、応答の変化が時間とともにどのように変化しているかに基づく。
レーザ２０２とこれに結合された電子機器とは、温度制御筐体３２１に収容されている。一態様として、レーザの筐体は、層転移物質を含むデュワーフラスコであり、そして、その入口で熱を除去する、熱電気冷却器又は熱トンネリング冷却器のようなヒートポンプを有する。別の態様としては、筐体３２１は、選択された温度で又は選択された範囲内で温度を保持することのできるヒートジャケットであっても良い。プロセッサ３１５は、ワイヤライン又は別の坑内通信手段により、分析結果を地表に報告する。
【００２７】
図６は、本発明の一態様による、ＱＥＰＡＳシステム及び方法の機能的ブロック図を示す。図６に示されるように、分布帰還型（ＤＦＢ）ダイオード又はバンド間カスケードレーザ２０２である、適切な可変レーザが適切に配置され、コリメーションレンズ２０４を通過してレーザビーム２０６が照射される。レーザビーム２０６は、チャンバー３１１として図４に示されたような形で、窓２０８からガス室２１０の中に入射される。ここに示された寸法及び構造は、単なる例示であり、本発明の範囲を限定するものとして解釈されるべきではない。ガス室２１０は、調査中のガス混合物２１１、例えば、水蒸気及びメタンを含む。室２１０内のガス及び蒸気に光音響波を発生させるために、レーザ２０２は、選択された周波数に調整される。一態様として、レーザは、音さ２１２の共振周波数の半分に調節される。一態様として、音さの共振周波数は、約３２ＫＨｚであり、レーザ周波数は、約１６ＫＨｚである。市販されている音さは、３２７６８Ｈｚで動作し、約１６，０００のＱ値を有する。適切な電流が電流源２６０からレーザに供給される。音さ２１２からの応答は、増幅器２６２によって増幅され、ロックイン増幅器２１８を通過させる。関数発生器２２０は、ロックイン増幅器２１８とレーザ２０２との両方に基準周波数を供給し、その基準周波数は、特例として上述したように、音さ２１２における共振周波数（ｆ）の半分である。ロックイン増幅器からの信号は、プロセッサ又はコンピュータ２７０によって処理される。
【００２８】
ＱＥＰＡＳ技術に関しては、ガス分子における１つ以上の狭い光吸収波長にレーザを調整することが望まれる。一態様として、光検出器がレーザ２０２を調整するのに使用され、レーザビーム２０６は、窓２０８に相対向して配置されている窓２１４を通過して室２１０から出る。光検出器２１６は、出てきたレーザビーム２０６を検出する。光検出器２１６から出された信号は、ロックイン増幅器２１７によって処理され、処理するためのコンピュータ２７０に送られる。コンピュータ２７０は、光検出器２１６から得た結果を使用し、フィードバック２７２によってレーザを調整する。関数発生器２２０は、基準周波数をロックイン増幅器２１７にも提供する。別の態様として、ファイバーブラッググレーティング（ＦＢＧ）システムが、レーザ２０２を調整するために使用される。このようなシステムにおいては、レーザビームは分割され、その一部２８２は、適切なＦＢＧシステム２８０に送られる。例えば、超低膨張ガラスで作られた１つ以上のＦＢＧは、１つ以上の坑内波長標準又は波長基準としての役目を有し、レーザ２０２の波長を調整し、所望の分子吸収波長に適合させるために使用される。市販の可変ダイオードレーザにおいてなされているように、電流源２６０により電流を変えることによって、又は、レーザの周辺温度を変えることによって、又は、レーザのファブリペロー光学フィルタの間隔を変えることによって、レーザの波長は調整される。ＦＢＧシステム２８０からの出力は、コンピュータ２７０によって処理され、フィードバック２７２によりレーザ２０２の波長を制御又は修正する。
【００２９】
次に図７を見ると、本発明によってなされるいくつかの機能を図示するフローチャート７００が示されている。ブロック７１０で、本発明は、油層における最初の場所から採取された最初のサンプルを分析する。ブロック７２０で、本発明は、油層における２番目の場所から採取された２番目のサンプルを分析する。ブロック７３０で、本発明は、油層における種々の場所から採取されたサンプルの分析を比較した結果に基づいて、区分の程度を判定する。
【００３０】
流体と脱圧したチャンバーとの間に配置された半透過膜により、半透過膜を通過して脱圧されたガス分析チャンバーに、流体からガスを拡散することができる。本発明のシステムは、ガスを検出し、特定し、定量化し、それらを識別するためにガスを観測する。真空を維持するために、吸着剤又はイオンポンプにより、脱圧された側のチャンバーから、拡散したガスが任意に取り除かれる。イオンポンプは、不活性ガスよりも化学的に活性なガスを選択的に排気する。低圧チャンバーに満たされている不活性ガスから地層ガス又は蒸気を選択的に取除くように、不活性ガス排気が特にゆっくりと行われるイオンポンプを選定することができる。市販されている半透過膜、残留ガス分析器、及び真空ポンプが本発明のシステムに適切に使用される。さらに、ほとんどのシリコーン膜がするように多くのガスを透過するのではなく、１つのガスを選択的に透過させるように、特別に膜が設計される。
【００３１】
この分析は、限定されるものではないが、同位体比、フィタン／プリスチン比、又は任意の分析の比較を判定することができ、これらは、複数の坑井又は同じ坑井における複数の深さから採取したサンプル間における差異をもたらし、これは区分の指標となる。
【００３２】
前述の開示は、本発明の典型的な実施例であり、当業者にとって種々の修正のできることは明らかであろう。添付された請求項の範囲内にあるすべてのバリエーションが、前述の開示によって包含されることが、意図されている。本発明における、より重要な特徴の例は、その後に記述する詳細な説明がより理解できるように、そしてこの技術の貢献が正しく理解されるように、どちらかというと大雑把に概要されている。もちろん、この後に記述され、そして、ここに添付された請求項の要旨を形成する、本発明の付加的な特徴がある。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】図１は、油層内の地層から得られた地層流体を採取及び分析するのに使用される坑内機器がワイヤラインにより坑井に配置されている図である。
【図２】図２は、油層区分を判定するために設けられた複数の坑井とサンプルとを示す図である。
【図３】図３は、油層内の地層からサンプルを得るために使用されるドリルストリングにより坑内機器が配置されている図である。
【図４】図４は、本発明の一実施例である、光音響分光法（ＰＡＳ）又は石英強化光音響分光法（ＱＥＰＡＳ）を実行するためのガス分析モジュールを示す図である。
【図５】図５は、本発明の一実施例において備えられている図４の分析モジュールで使用するための半透過膜の例を示す図である。
【図６】図６は、本発明で使用される石英強化光音響分光法（ＱＥＰＡＳ）に基づく分光器を示す図である。
【図７】図７は、本発明の一態様にしたがって実行される方法を示す図である。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、地層流体をサンプリングし、分析する分野に関し、特に、光音響分光法を使用した油層キャラクタリゼーションの分野に関する。
【背景技術】
【０００２】
石油やガスのような炭化水素を得るために、ドリルストリングの端部に取り付けられたドリルビットを回転させることによって、地面に採掘孔（ボアホール）を採掘する。近年の傾斜掘りシステムは、通常、坑底アセンブリ（ＢＨＡ）と、ドリルモータ（マッド・モータ）によって回転される及び／又はドリルストリングを回転させることによって回転される、アセンブリの先端に取り付けられたドリルビットとを有するドリルストリングを採用している。ドリルビットに密着して設置される坑内（ダウンホール）装置の多くは、ドリルストリングに関連した、ある坑内の運転パラメータを側定する。このような装置は、大抵、坑内温度及び坑内圧力を測定するためのセンサと、方位及び傾斜を測定する装置と、炭化水素及び水が存在するかどうかを決定するための比抵抗測定装置とを有する。さらに、掘削同時検層（ＬＷＤ）機器及び掘削情報検層（ＭＷＤ）機器として知られている坑内機器は、ドリルストリングに装着され、掘削作業の間の地層の地質及び地層流体における特性及び状態が測定される。ワイヤライン掘削機器は、通常、坑井を掘削した後に、構成の地質特性及び地層流体特性を測定するために、使用される。
【０００３】
炭化水素産出地帯の商用開発は多額の資本を必要とする。産出地帯の開発を始める前に、操業者は、油層の商業的可能性を評価するために、炭化水素層の性質に関して、できるだけ多くのデータを得ようとする。掘削をしている間にＭＷＤ機器を使用してデータを取得することができ、坑井（ウェル）を掘削した後にワイヤライン機器により分析がなされるにもかかわらず、油層に関して、別の地域の別の坑井における地層流体を分析することが、必要となることがある。これらのサンプルは、油層における油層区分を判定するために比較される。
【０００４】
石油産出者が、油層をどのように開発（坑井地域、生産設備のタイプなど）するかを決定するのに役立つので、油層区分の程度は、重要である。石油産出者は、油層における異なる場所が、別の区分（両区分を流体が流れない）であるか又はそれらが結合しているのかどうかを知りたい。別の区分は、別々に排油され、その流体のために異なるタイプの処理が必要とされる。このように、油層が区分けされているか否かを判断するための方法及び装置が必要である。
【発明の開示】
【０００５】
発明の概要
本発明は、一態様として、油層が区分けされているか否かを判定するために、光音響分光法（ＰＡＳ）を使用して、油層サンプルを分析する方法及び装置を提供する。本発明における一態様では、油層が区分けされているか否かを判定するために、石英強化光音響分光法（ＱＥＰＡＳ）を使用して、地層サンプルを分析する方法及び装置を提供する。本発明においては、油層区分を判定するために、光音響分光法（ＰＡＳ）を使用して油層における最初の場所から採取した最初のサンプルを分析し、ＰＡＳを使用して油層における２番目の場所から採取した２番目のサンプルを分析し、最初のサンプルの分析と２番目のサンプルの分析とを比較する方法及び装置を提供する。
【０００６】
本発明における他の態様では、ＰＡＳには、石英強化ＰＡＳ（ＱＥＰＡＳ）がさらに含まれる。本発明における他の態様では、分析には、サンプルにおける同位体比の判定がさらに含まれ、その同位体比には、炭素（１３Ｃ／１２Ｃ）又は酸素（１７Ｏ／１８Ｏ）に関する同位体比を含む同位体比のうちの少なくとも１つが、さらに含まれる。この方法及び装置は、あるタイプの分子のスペクトルと別のタイプの分子のスペクトルとを識別することができ（例えば、ＣＯとＣＯ２）、また、同じ分子で異なる同位体（例えば、１２ＣＯ２と１３ＣＯ２）におけるスペクトルを識別することができる。本発明における他の態様では、ＱＥＰＡＳ／ＰＡＳ分析は、坑内で行われる。本発明における他の態様では、ＱＥＰＡＳ／ＰＡＳ分析は、地表で行われる。
【０００７】
後述する詳細な説明が理解できるように、そして、この技術に対する貢献が正しく評価されるように、本発明に対する特徴的な例を、ここでは大雑把に概説する。もちろん、以下に記述され、そしてここに添付されている請求項の目的を形成する、本発明の付加的な特徴もある。
【０００８】
本発明を詳細に理解するために、以下の実施例についての詳細な記述に、符号が付けられるべきであり、この符号は添付された図面と対応関係がとられるべきであり、ここでは類似の要素については類似の数字が付けられている。
【０００９】
発明の詳細な説明
本発明の一態様においては、油層における別の部分又は場所における流体地球化学が同じであるか否かを決定することにより、油層区分を判定及び査定するための方法及び装置又はシステムを提供する。“油層区分”又は区分では、流体を採取した２つの地点の境界で流体の流れが存在することを参照する。同時に、“油層連続性”では、１つの坑井内（垂直に連続）における、流体を採取した２つの地点の境界で流体の流れがないことを参照し、及び／又は、別々の坑井内（水平に連続）における、流体を採取した２つの地点の境界に横連続がないことを参照する。例えば、油層における別の部分から２以上のサンプルを採取して、炭素（１３Ｃ／１２Ｃ）又は（１７Ｏ／１８Ｏ）における同位体比が等しいか又は異なるかどうかを査定するために、このシステム及び方法が、使用される。本発明における一態様によると、油層サンプルを分析するために、音響共鳴装置と共に、可変ダイオードレーザである可変レーザが使用される。本発明における一態様によると、光音響光学法（ＰＡＳ）技術が使用される。このＰＡＳでは、圧電マイクロフォンのような音響センサと共に、可変ダイオードレーザが使用され、レーザビームが照射されることによって、ガス又は蒸気が振動したときに発生する音波を検出する。光ダイオードのような光センサに高温が悪影響を及ぼすので、ＰＡＳは坑内温度の高さに敏感である一方、坑内温度の高さは、ＰＡＳ圧電マイクロフォンにはほとんど影響はない。レーザの繰り返しパルスにおける、その光の波長は、特性ガスの吸収波長に一致し、地層流体から取り出されたガス及び／又は蒸気混合物を通過するように発振される。目的とされるガスがこの混合物の中に存在すると、目的とされるガスはすべてのパルスを増大させ、そして、それによってパルスレーザ周波数の２倍の周波数を有する音波を発生するパルスを減少させる。パルスによってガス及び／又は蒸気に発生した音波に対応する電気信号を、この検出器は与える。プロセッサによりこの信号が分析され、このガスの特性を決定する。広帯域音響検出器が、典型的に使用される。
【００１０】
本発明の他の態様においては、“石英強化ＰＡＳ（ＱＥＰＡＳ）”が使用される。一態様として、ＱＥＰＡＳに対して、レーザ光は、（石英音さのような）高Ｑ共鳴マイクロフォンの半分の周波数で振動する。このシステムは、油層区分を示す、油層サンプル間における同位体の違いのような、とても微妙な差異を識別することができる。
【００１１】
地層流体のような液体サンプルに対しては、ガス及び／又は蒸気と液体とを分離する膜が備えられ、分離されたガス及び蒸気における同位体比分析が実行される。液体原油におけるフィタン／プリスチン比の分析を使用すること、又は、その他の顕著な特徴、例えば可変光学フィルタを使用することにより解決可能な流体スペクトルにおける予測できないほど微妙な違いを使用することにより、区分が判定される。
【００１２】
区分のないときでも、深さが違うと、重力偏析により流体における予測されるスペクトルの相違を生じることがある。例えば、原油における柱状図の上部は、原油における前記柱状図の底部よりガスが多いことが予測される。しかし、逆のことが観察され、メタン及びエタンのような低分子炭化水素が、炭化水素柱状図の底部において、柱状図の上部よりも高割合で含まれる場合には、本発明のシステムは、柱状図における上部と底部との場所はシールされず、油層は区分されることを決定する。メタンにおける１３Ｃ／１２Ｃの同位体比が、炭化水素柱状図における１つの場所と別の場所とで異なる場合に、同様の方法が使用される。同様に、水柱状図で、水における１８Ｏ／１７Ｏの同位体比が異なる場合は、水柱状図は区分される。本発明のシステムは、各種吸収波長に対する情報を得るために使用される。２ｍｍ路長を調査することに関して、主要な液体炭化水素の（Ｃ６＋）光学的吸収ピークは、約１７２５ｎｍと約１７４０ｎｍである。メタン、エタン、プロパン、ブタンのような炭化水素ガスの吸収ピークは、１６７７ｎｍと１７２５ｎｍとの間にある。
【００１３】
メタン、エタン、プロパン等の比較的多くの予想外のバリエーション（重量偏析から予測できないバリエーション）により区分が示される。また、炭化水素以外のガスにおける相違と関連するスペクトルの微妙な相違も又、油層区分の証拠となり得る。例えば、Ｈ２Ｓガスは、１９５２ｎｍあたりに吸収ピーク群があり、１５７８ｎｍあたりに別の弱いピーク群がある。同様に、ＣＯ２ガスは、２００７ｎｍあたりに吸収ピーク群があり、１５７２ｎｍあたりに別の弱いピーク群がある。炭化水素柱状図における１つの場所が、炭化水素柱状図における別の場所よりも、Ｈ２Ｓ又はＣＯ２ガスを相当有していて、これらの相違を重力偏析で説明できないときは、本発明のシステムでは、この異例をシールが２つの場所を分離しており、油層は区分されている証拠とする。
【００１４】
本発明のシステムは、異なる化合物における一連の多様な比率（通常５〜１０の比率）をプロットすることができ、“星型”パターン（極座標）にプロットすることができる。これらの比率は、エタンのメタンに対する割合、又はフィタンのプリスチンに対する割合などである。比率は、石油タイプのより信頼できる指標となるので、割合の比率は、割合
の代わりに使用される。このような組成比それぞれに対して、我々は、極座標図に異なる見方を与える。このとき、図の中心から一点までの距離が、その点に対する比率の値を表す。プロットされた点を結び、多角形を作るように線が引かれる。このような図で、それぞれの石油のタイプが、固有の多角形で表される。あるタイプの石油に対応する多角形は、別のタイプの石油に対応する多角形と重ね合わせられない。このように、油層における異なる部分から採取した流体が、異なる組成比を示す多角形を有するとき、この油層が区分されている証拠があることを、このシステムは判断し又は決定する。本発明のシステムは、階層的クラスタ分析を使用し、地層炭化水素の間での相違を実証する。
【００１５】
他の態様によると、本発明のシステムは、さまざまな地質学的環境（幅広いフィールドサイズ、構造的環境、油層岩石学、石油タイプを含む）で、油層の連続性を評価するために石油地球化学（石油指紋法）又は地球化学分析を適用する。石油地球化学は、縦方向及び横方向に石油とガス領域内の境界を流れる流体を識別するための有効な手段を与えることができる。
【００１６】
他の態様によると、本発明のシステムは、石油地球化学を使用して、不明瞭な地学及び／又は工学技術情報を明確にする。このやり方は、別々の油層の石油は、ほとんどいつも組成が異なるということに基づいている。この技術は、２つの石油が相互の石油における相対的な組成を比較することによって流体が流通されているか否かを判断する。しかし、本発明は、ＰＡＳ又はＱＥＰＡＳを使用して、サンプルにおける地球化学組成又は成分を決定する。サンプルにおける地球化学分析を比較して、油層区分を判定するために、本発明ではプロセッサが備えられている。
【００１７】
油層区分を評価するために、サンプル分析は、有効で関連性のある他の地学及び／又は工学技術情報（例えば、断層分布、断層落差、断層頁岩／砂粘土比、油層岩石学における横方向の変化、地層流体圧力に対する深さのデータ、圧力下降曲線、石油−水接触深さなど）と統合される。
【００１８】
図１は、本発明の一実施例による、油層サンプルを採取して分析するために使用された坑内サンプリング機器５０の図である。ＱＥＰＡＳ又はＰＡＳ室、レーザ室、プロセッサ又はコンピュータ、温度制御装置、及び他の関連する設備を含むガス分析モジュール３００が、坑井機器５０内に収容されている。モジュール３００は、ガス、蒸気、又は液体を分析するために使用される。この分析の機能及び操作については、図４〜７を参照しつつ、さらに詳細に説明する。モジュール３００は、他の態様では地表５１にも設置可能であり、制御装置１０００によって制御される。モジュール３００は、坑内に自給させることができ、又はその操作及び制御の一部分は、地表制御装置１０００によって実行されても良い。どちらの場合でも、ここに記載したシステムは、さまざまな油層から採取したサンプルを分析し、そして、地層流体に関連している、１つ以上のパラメータ又は特性を判定し、そして、油層区分の判定をするための方法及び装置を提供する。図１の機器構成では、機器５０は、油層における異なる場所から、及び／又は掘削井（ウェルボア）に沿って、流体サンプルを回収するために使用される。異なる場所から回収した２以上の流体の分析結果を比較すると、油層区分の状態を判定することができる。
【００１９】
図２は、図１と図３とが油層の連続性又は反対に区分を判断するために、地球化学組成と指紋法をどのように利用するのかを簡単に示している。ほんの一例として、図２は、層２５３，２５５に位置している３つの坑井２４１，２４２，２４３における５つのサンプリング点の場所２４５，２４７，２４９，２５０，２５１を示している。この図の目的として、層２５３と２５５とは、断層線２５７によって２つの部分に分離されていることが示されている。図２の例では、坑井２４２と２４３との間における層２５３の連続性は、サンプル２５０と２４９との間の地球化学組成又は指紋が同じであることによって示唆されるだろう。断層線２４７の左側に位置する層２５３と断層線２５７の右側に位置する層２５３との間が区分されていること（すなわち流体が流通していない）は、サンプル２４５と２４９と２５０との間の地球化学組成又は指紋が異なることによって示唆されるであろう。同様に、サンプル２４７と２５１との間の地球化学組成を比較することによって、層２５５の区分が示唆されるであろう。さらに、同じ坑井２４３から採取されたサンプル２４９と２５１とを比較すると、組成が異なることが示される。地球化学組成データは、油層に利用できる地学及び工学技術データと付加的に統合される。付加的な地学工学技術データは、特に限定されないが、圧力勾配、圧力下降曲線、石油−水接触深さ、ガス石油比、透過性、粘性、流動性などを含む。
【００２０】
次に図１を見ると、機器５０は、ワイヤライン１０２に接続され、地層１００に開けられた採掘孔１０４に配置されている。掘削井１０４の内壁に設置されている伸縮性プローブ１０１は、地層１００から流体を採取する。採取された地層流体は、流路１０５内を流通し、そこでガス分析モジュール３００が、ＰＡＳ又はＱＥＰＡＳを使用して、地層流体サンプルの組成又は指紋を、判定又は決定する。この流体サンプルはガス、蒸気、又は液体とすることができる。このシステムは、典型的には、採取された流体のガス又は蒸気を分析する。ガス及び／又は蒸気は、図４に示されるように、分析するために坑内で液体から分離される。安定化装置１０３は、地層流体サンプルを採取している間、所定位置に機器５０と伸縮性プローブ１０１とを保持している。モジュール３００は、坑内で分析をすることができ、又はこれに代えて、その結果を処理及び提供するために、地表にあるプロセッサ１０００に信号を送っても良い。
【００２１】
図３は、ドリルストリング２０１によって掘削井を掘っている間に使用するための、坑井１０４における分析モジュール３００の配置を示す。両側固定装置２０３又は適切な固着装置は、本発明のＱＥＰＡＳ／ＰＡＳを有しているガス分析チャンバー３００に、流路１０５を通して流体を採取している間、所定位置に機器５０を保持する。機器５０と掘削井１０４との間の環帯２１９から、又は地層１００から、流体が採取される。採取された流体は、サンプルタンク１１１に送られるか又は掘削井の環帯２１９に戻される。ＱＥＰＡＳ／ＰＡＳ分析の結果は、坑内プロセッサによって出されるか、又はサンプルが地表５１に送られ、地表分析モジュール及び制御装置１０００によって出される。
【００２２】
次に図４を見ると、ガス分析モジュール３００についての、より詳細な図が、本発明の一実施例にしたがって示される。モジュール３００は、流体チャンバー、又は流体収容チャンバー３０７及び半透膜アセンブリ３１０（図５）によって分離されているガス分析チャンバー３１１を有する流体サンプル室３２０を備える。モジュール３００は、レーザ２０２、これに接続された電子回路３１７、及びプロセッサ又はコンピュータ３１５もまた備える。一態様では、モジュール３００は、イオンポンプのようなポンプを備え、ガス分析チャンバー内３１１の圧力を、大気圧又は大気圧以下になるように減少させる。別の態様では、チャンバー３１１は、より詳細には後で説明するが、チャンバー３１１内に広がっている地層流体ガス及び蒸気を選択的に取除くために適切な吸着剤を流体内においている。収着冷却ユニット２４０は、その操作及び／又は生存温度範囲内に、レーザ２０２及び制御電子機器３１５を維持するために備えられている。図４に示されるように、地層流体収容チャンバー３０７は、低圧ガス分析チャンバー３１１から半透過膜部材３１０によって分離されており、この半透過膜アセンブリ３１０は、半透過膜３０９と金属フィルタ３１３と１つ以上の小さな孔３１６をさらに有してなる金属板とを備えている。この金属板は、比較的高圧チャンバー３０７と低圧チャンバー３１１との間に機械的強度を与え、そして孔３１６は、チャンバー３１１に広がるガスと蒸気とに通気孔を与える。このように、地層流体収容チャンバー３０７は、半透過膜３０９の一方に設けられ、半透過膜３０９の他方に（任意に排気される）ガス分析チャンバー３１１が設けられている。半透過膜３０９は、チャンバー３０７内にある地層流体サンプルに補足されているガスと蒸気とを半透過膜３０９を通して、分析をするためのガス分析チャンバー３１１に拡散することができる。この開示の目的に関して、ガスと蒸気という文言は、入れ替えて用いられても良い。
【００２３】
地層流体は、地層１００から採取され、流路１０５と弁３０１を経由して、流体収容チャンバー３０７に収容される。地層流体は、ポンプ（図示せず。）でプローブ１０１を通して採取される。採取された流体１０７は、チャンバー３０７に流れ込む。流路３３６を通じてチャンバー３０７に結合された弁３３２により、地層流体はチャンバー３０７を流通して、別の貯留チャンバー又は掘削井に排出される。分離されたガスと液体蒸気とは、半透過膜の流体側にある地層流体から、半透過膜を通してチャンバー３１１内に拡散される。チャンバー３１１内に拡散されたガスと蒸気とを分析するために、レーザ２０２によって、パルスエネルギー（ビーム）２０６２が窓２０８を通してチャンバー３１１内のガスに発振される。レーザが有する光の波長を吸収するガスがそこに存在するときはいつでも、パルスエネルギービームは、光音響波を生成する。チャンバー３１１に設置された音さを備えて成る音響微小共振器２１２は、光音響波を検出する。光音響波による音さの励振は、電流を発生させ、電子回路３１７によって電圧に変換され、コンピュータ３１５によって処理される。微小共振器に関する信号は、坑内で分析されるか、及び／又は、処理するために地表にあるプロセッサ１０００（図１、３）に送られる。制御装置３１５は、レーザ２０２の操作を制御する。一態様として、レーザビーム２０６は、第２窓２１４を通過する。窓２１４を通過するレーザビームの一部は、光検出器２１６に導入され、その出力は、音さにおけるティンの間を通過するように、レーザ２０２を調整するのに使用される。あるいは、以下に記述するように、レーザ２０２から発振されるレーザビームは、分割され、図６に図示されるように、ファイバーブラッググレーティング（ＦＢＧ）を利用するような、基準室に導入される。膨張ガラスの熱係数の低いＦＢＧは、レーザの波長を調整するための波長基準として使用される。
【００２４】
流体収容チャンバー３０７は、高い地層流体圧力のために、比較的高圧である。しかし、上述したように、分子スペクトルの衝突による広がりを減少させるために、大気圧又は大気圧以下の、比較的低圧でガスチャンバー３１１を維持することが望ましい。一態様として、チャンバー３１１内の圧力は、大気圧の６〜１０％の範囲に保持される。この他の圧力もまた使用される。衝突の広がりは、別のガス分子の光吸収帯を広げ、あるときは、これらの光吸収帯を一部重複させ、そのことにより、同じ原子で異なる同位体により形成される分子を検出するような微妙なスペクトルの違いを識別する能力が限定される。チャンバー３１１内を所望の低圧で圧力を保持するために、適切なポンプ３２０が流路３５２を経由してチャンバー３１１に結合される。チャンバー３１１から採取されたガスと蒸気とは、チャンバー３５０に排出される。チャンバー３１１に設けられた圧力センサ３５５は、圧力測定値をプロセッサ３１５に提供する。同じ坑井における別の場所でのような異なるサンプルを試験するために、機器５０はそのような場所に動かされ、流体を採取する。２番目の場所から採取された流体は、既にチャンバー３０７内に存在する流体を、弁３３２を経由して掘削井に移動させ、新しい流体でチャンバー３０７を再び満たす。ポンプ３２０は、チャンバー３１１内に広がったガス又は蒸気を前の場所から再び移動させるのに役立つ。異なる坑井から採取したサンプルを分析するために、チャンバー３０７と３１１とは、地表で洗い流される。別の態様によると、チャンバー３１１は、掘削井の中に配置される前に所望の低圧まで脱圧される。また、地層流体は、その流体がきれいになるまでポンプ装置（図示せず。）によって、坑井内に汲み上げられ、きれいな流体がチャンバー３０７内に入れられる。
【００２５】
上記方法においては、測定と分析は、各流体サンプルに対して別々に行われる。他の態様によると、本発明は、連続して測定をすることができる。低圧チャンバー３１１は、アルゴンのような化学的に不活性なガスで所望のレベルまで満たされる。それから、サンプルチャンバー３１１は、チャンバー３１１内に広がっている地層流体由来の炭化水素及び水蒸気のような化学的に活性のガス及び蒸気を取除くための吸着剤を使用することで、連続的に再生させることができる。任意の適切な吸着剤が本発明の装置のために使用される。例えば、分子ふるい３Ａのような合成ゼオライトは、水吸着剤として使用される。重い炭化水素に対しては、活性炭が使用される。通常、炭では結合の弱い、メタン、エタン、及びプロパンのような軽い炭化水素に対しては、等網状構造を有する有機金属（ＩＲＭＯＦｓ）として知られている吸着剤のような、メタン吸着剤が使用される。ＩＲＭＯＦｓは、その基本的な構造単位としてＯＺｎ４を有し、それは、亜鉛原子により形成された四面体の中心に酸素原子が有り、そして亜鉛原子は種々の有機組成物で結合されている。アルゴン中に残っている軽い炭化水素ガスと吸着剤に吸着されている軽い炭化水素ガスとの分配係数は、炭化水素の収着を助ける。アルゴン雰囲気における残りの軽い炭化水素ガスを減少又は最小にするために、吸着体は冷却される。
【００２６】
別の態様によると、本システムは、累積的センサとして使用される。この態様によると、低圧チャンバー３１１内における炭化水素と水蒸気との濃度は、吸着されずに連続的に上昇しても良い。そのとき、その解釈は、微小音響センサにより測定された応答そのものに直接基づくのではなく、応答の変化が時間とともにどのように変化しているかに基づく。
レーザ２０２とこれに結合された電子機器とは、温度制御筐体３２１に収容されている。一態様として、レーザの筐体は、層転移物質を含むデュワーフラスコであり、そして、その入口で熱を除去する、熱電気冷却器又は熱トンネリング冷却器のようなヒートポンプを有する。別の態様としては、筐体３２１は、選択された温度で又は選択された範囲内で温度を保持することのできるヒートジャケットであっても良い。プロセッサ３１５は、ワイヤライン又は別の坑内通信手段により、分析結果を地表に報告する。
【００２７】
図６は、本発明の一態様による、ＱＥＰＡＳシステム及び方法の機能的ブロック図を示す。図６に示されるように、分布帰還型（ＤＦＢ）ダイオード又はバンド間カスケードレーザ２０２である、適切な可変レーザが適切に配置され、コリメーションレンズ２０４を通過してレーザビーム２０６が照射される。レーザビーム２０６は、チャンバー３１１として図４に示されたような形で、窓２０８からガス室２１０の中に入射される。ここに示された寸法及び構造は、単なる例示であり、本発明の範囲を限定するものとして解釈されるべきではない。ガス室２１０は、調査中のガス混合物２１１、例えば、水蒸気及びメタンを含む。室２１０内のガス及び蒸気に光音響波を発生させるために、レーザ２０２は、選択された周波数に調整される。一態様として、レーザは、音さ２１２の共振周波数の半分に調節される。一態様として、音さの共振周波数は、約３２ＫＨｚであり、レーザ周波数は、約１６ＫＨｚである。市販されている音さは、３２７６８Ｈｚで動作し、約１６，０００のＱ値を有する。適切な電流が電流源２６０からレーザに供給される。音さ２１２からの応答は、増幅器２６２によって増幅され、ロックイン増幅器２１８を通過させる。関数発生器２２０は、ロックイン増幅器２１８とレーザ２０２との両方に基準周波数を供給し、その基準周波数は、特例として上述したように、音さ２１２における共振周波数（ｆ）の半分である。ロックイン増幅器からの信号は、プロセッサ又はコンピュータ２７０によって処理される。
【００２８】
ＱＥＰＡＳ技術に関しては、ガス分子における１つ以上の狭い光吸収波長にレーザを調整することが望まれる。一態様として、光検出器がレーザ２０２を調整するのに使用され、レーザビーム２０６は、窓２０８に相対向して配置されている窓２１４を通過して室２１０から出る。光検出器２１６は、出てきたレーザビーム２０６を検出する。光検出器２１６から出された信号は、ロックイン増幅器２１７によって処理され、処理するためのコンピュータ２７０に送られる。コンピュータ２７０は、光検出器２１６から得た結果を使用し、フィードバック２７２によってレーザを調整する。関数発生器２２０は、基準周波数をロックイン増幅器２１７にも提供する。別の態様として、ファイバーブラッググレーティング（ＦＢＧ）システムが、レーザ２０２を調整するために使用される。このようなシステムにおいては、レーザビームは分割され、その一部２８２は、適切なＦＢＧシステム２８０に送られる。例えば、超低膨張ガラスで作られた１つ以上のＦＢＧは、１つ以上の坑内波長標準又は波長基準としての役目を有し、レーザ２０２の波長を調整し、所望の分子吸収波長に適合させるために使用される。市販の可変ダイオードレーザにおいてなされているように、電流源２６０により電流を変えることによって、又は、レーザの周辺温度を変えることによって、又は、レーザのファブリペロー光学フィルタの間隔を変えることによって、レーザの波長は調整される。ＦＢＧシステム２８０からの出力は、コンピュータ２７０によって処理され、フィードバック２７２によりレーザ２０２の波長を制御又は修正する。
【００２９】
次に図７を見ると、本発明によってなされるいくつかの機能を図示するフローチャート７００が示されている。ブロック７１０で、本発明は、油層における最初の場所から採取された最初のサンプルを分析する。ブロック７２０で、本発明は、油層における２番目の場所から採取された２番目のサンプルを分析する。ブロック７３０で、本発明は、油層における種々の場所から採取されたサンプルの分析を比較した結果に基づいて、区分の程度を判定する。
【００３０】
流体と脱圧したチャンバーとの間に配置された半透過膜により、半透過膜を通過して脱圧されたガス分析チャンバーに、流体からガスを拡散することができる。本発明のシステムは、ガスを検出し、特定し、定量化し、それらを識別するためにガスを観測する。真空を維持するために、吸着剤又はイオンポンプにより、脱圧された側のチャンバーから、拡散したガスが任意に取り除かれる。イオンポンプは、不活性ガスよりも化学的に活性なガスを選択的に排気する。低圧チャンバーに満たされている不活性ガスから地層ガス又は蒸気を選択的に取除くように、不活性ガス排気が特にゆっくりと行われるイオンポンプを選定することができる。市販されている半透過膜、残留ガス分析器、及び真空ポンプが本発明のシステムに適切に使用される。さらに、ほとんどのシリコーン膜がするように多くのガスを透過するのではなく、１つのガスを選択的に透過させるように、特別に膜が設計される。
【００３１】
この分析は、限定されるものではないが、同位体比、フィタン／プリスチン比、又は任意の分析の比較を判定することができ、これらは、複数の坑井又は同じ坑井における複数の深さから採取したサンプル間における差異をもたらし、これは区分の指標となる。
【００３２】
前述の開示は、本発明の典型的な実施例であり、当業者にとって種々の修正のできることは明らかであろう。添付された請求項の範囲内にあるすべてのバリエーションが、前述の開示によって包含されることが、意図されている。本発明における、より重要な特徴の例は、その後に記述する詳細な説明がより理解できるように、そしてこの技術の貢献が正しく理解されるように、どちらかというと大雑把に概要されている。もちろん、この後に記述され、そして、ここに添付された請求項の要旨を形成する、本発明の付加的な特徴がある。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】図１は、油層内の地層から得られた地層流体を採取及び分析するのに使用される坑内機器がワイヤラインにより坑井に配置されている図である。
【図２】図２は、油層区分を判定するために設けられた複数の坑井とサンプルとを示す図である。
【図３】図３は、油層内の地層からサンプルを得るために使用されるドリルストリングにより坑内機器が配置されている図である。
【図４】図４は、本発明の一実施例である、光音響分光法（ＰＡＳ）又は石英強化光音響分光法（ＱＥＰＡＳ）を実行するためのガス分析モジュールを示す図である。
【図５】図５は、本発明の一実施例において備えられている図４の分析モジュールで使用するための半透過膜の例を示す図である。
【図６】図６は、本発明で使用される石英強化光音響分光法（ＱＥＰＡＳ）に基づく分光器を示す図である。
【図７】図７は、本発明の一態様にしたがって実行される方法を示す図である。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
油層における最初の場所から採取した最初のサンプルにおける光音響応答の分析と、
油層における２番目の場所から採取した２番目のサンプルにおける音響応答の分析と、
油層区分を判定するための、最初のサンプルの分析と２番目のサンプルの分析との比較とを有する油層区分を判定する方法。
【請求項２】
前記音響応答は、光音響分光器からの信号をさらに有する請求項１に記載の方法。
【請求項３】
音響応答は、石英強化光音響分光器からの信号をさらに有する請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記分析は、同位体比の判定をさらに有する請求項３に記載の方法。
【請求項５】
前記分析は、サンプル組成の判定をさらに有する請求項１に記載の方法。
【請求項６】
前記分析は、坑内で行われる請求項１に記載の方法。
【請求項７】
前記分析は、フィタンとプリスチンとの比を比較することをさらに有する請求項１に記載の方法。
【請求項８】
前記分析は、際立った特徴の判定を比較することをさらに有する請求項１に記載の方法。
【請求項９】
ＰＡＳを使用して、油層における最初の場所から採取した最初のサンプルと油層における２番目の場所から採取した２番目のサンプルとを分析する光音響分光器（ＰＡＳ）と、
油層区分を判定するために、最初のサンプルの分析と２番目のサンプルの分析とを比較するプロセッサとを有する油層区分を判定する装置。
【請求項１０】
前記ＰＡＳは、石英強化ＰＡＳを含む請求項８に記載の装置。
【請求項１１】
前記処理は、サンプルにおける区分同位体比を判定する請求項８に記載の装置。
【請求項１２】
前記同位体比は、炭素（１３Ｃ／１２Ｃ）及び酸素（１７Ｏ／１８Ｏ）の同位体比を含む同位体比のうちの少なくとも１つを含む請求項１１に記載の装置。
【請求項１３】
前記処理は、サンプル組成を判定する請求項８に記載の装置。
【請求項１４】
前記分析は、坑内で行われる請求項８に記載の装置。
【請求項１５】
前記分析は、フィタンとプリスチンとの比を比較することを、さらに有する請求項８に記載の装置。
【請求項１６】
前記分析は、任意の際立った特徴を比較することを、さらに有する請求項８に記載の装置。
【請求項１７】
油層からサンプルを得る坑内機器と、
ＰＡＳを使用して、油層における最初の場所から採取した最初のサンプルを分析し、かつ、油層における２番目の場所から採取した２番目のサンプルを分析する光音響分光器（ＰＡＳ）と、
油層区分を判定するために、最初のサンプルの分析と２番目のサンプルの分析とを比較するプロセッサとを有する油層区分を判定するシステム。
【請求項１８】
前記ＰＡＳは、石英強化ＰＡＳを含む請求項１７に記載の装置。
【請求項１９】
前記プロセッサは、最初と２番目に採取したサンプルにおけるサンプル間の同位体比を比較することにより区分を判定する請求項１７に記載の装置。
【請求項２０】
前記分析は、サンプル間における任意の際立った特徴を比較することをさらに有する請求項１７に記載の装置。
【請求項２１】
坑内で流体サンプルを採取することと、
前記流体からガスを分離することと、
光音響波を発生させるために、前記ガスにパルスレーザエネルギーを供給することと、
前記光音響波を検出することと、
前記検出された光音響波を利用して、前記流体特性を判定することとを有する流体特性の判定方法。
【請求項２２】
坑内で追加的流体サンプルを採取することと、
前記追加的流体サンプルの特性を判定することと、
前記流体サンプルと前記追加的流体サンプルとの特性から油層の特徴を判定することとを、さらに有する請求項２１に記載の方法。
【請求項１】
油層における最初の場所から採取した最初のサンプルにおける光音響応答の分析と、
油層における２番目の場所から採取した２番目のサンプルにおける音響応答の分析と、
油層区分を判定するための、最初のサンプルの分析と２番目のサンプルの分析との比較とを有する油層区分を判定する方法。
【請求項２】
前記音響応答は、光音響分光器からの信号をさらに有する請求項１に記載の方法。
【請求項３】
音響応答は、石英強化光音響分光器からの信号をさらに有する請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記分析は、同位体比の判定をさらに有する請求項３に記載の方法。
【請求項５】
前記分析は、サンプル組成の判定をさらに有する請求項１に記載の方法。
【請求項６】
前記分析は、坑内で行われる請求項１に記載の方法。
【請求項７】
前記分析は、フィタンとプリスチンとの比を比較することをさらに有する請求項１に記載の方法。
【請求項８】
前記分析は、際立った特徴の判定を比較することをさらに有する請求項１に記載の方法。
【請求項９】
ＰＡＳを使用して、油層における最初の場所から採取した最初のサンプルと油層における２番目の場所から採取した２番目のサンプルとを分析する光音響分光器（ＰＡＳ）と、
油層区分を判定するために、最初のサンプルの分析と２番目のサンプルの分析とを比較するプロセッサとを有する油層区分を判定する装置。
【請求項１０】
前記ＰＡＳは、石英強化ＰＡＳを含む請求項８に記載の装置。
【請求項１１】
前記処理は、サンプルにおける区分同位体比を判定する請求項８に記載の装置。
【請求項１２】
前記同位体比は、炭素（１３Ｃ／１２Ｃ）及び酸素（１７Ｏ／１８Ｏ）の同位体比を含む同位体比のうちの少なくとも１つを含む請求項１１に記載の装置。
【請求項１３】
前記処理は、サンプル組成を判定する請求項８に記載の装置。
【請求項１４】
前記分析は、坑内で行われる請求項８に記載の装置。
【請求項１５】
前記分析は、フィタンとプリスチンとの比を比較することを、さらに有する請求項８に記載の装置。
【請求項１６】
前記分析は、任意の際立った特徴を比較することを、さらに有する請求項８に記載の装置。
【請求項１７】
油層からサンプルを得る坑内機器と、
ＰＡＳを使用して、油層における最初の場所から採取した最初のサンプルを分析し、かつ、油層における２番目の場所から採取した２番目のサンプルを分析する光音響分光器（ＰＡＳ）と、
油層区分を判定するために、最初のサンプルの分析と２番目のサンプルの分析とを比較するプロセッサとを有する油層区分を判定するシステム。
【請求項１８】
前記ＰＡＳは、石英強化ＰＡＳを含む請求項１７に記載の装置。
【請求項１９】
前記プロセッサは、最初と２番目に採取したサンプルにおけるサンプル間の同位体比を比較することにより区分を判定する請求項１７に記載の装置。
【請求項２０】
前記分析は、サンプル間における任意の際立った特徴を比較することをさらに有する請求項１７に記載の装置。
【請求項２１】
坑内で流体サンプルを採取することと、
前記流体からガスを分離することと、
光音響波を発生させるために、前記ガスにパルスレーザエネルギーを供給することと、
前記光音響波を検出することと、
前記検出された光音響波を利用して、前記流体特性を判定することとを有する流体特性の判定方法。
【請求項２２】
坑内で追加的流体サンプルを採取することと、
前記追加的流体サンプルの特性を判定することと、
前記流体サンプルと前記追加的流体サンプルとの特性から油層の特徴を判定することとを、さらに有する請求項２１に記載の方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【公表番号】特表２００８−５４２７２２（Ｐ２００８−５４２７２２Ａ）
【公表日】平成２０年１１月２７日（２００８．１１．２７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−５１３６８１（Ｐ２００８−５１３６８１）
【出願日】平成１８年５月２４日（２００６．５．２４）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＵＳ２００６／０２０１１９
【国際公開番号】ＷＯ２００６／１２７８３３
【国際公開日】平成１８年１１月３０日（２００６．１１．３０）
【出願人】（３０１００８５３４）ベイカー ヒューズ インコーポレイテッド (21)
【Ｆターム（参考）】
【公表日】平成２０年１１月２７日（２００８．１１．２７）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年５月２４日（２００６．５．２４）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＵＳ２００６／０２０１１９
【国際公開番号】ＷＯ２００６／１２７８３３
【国際公開日】平成１８年１１月３０日（２００６．１１．３０）
【出願人】（３０１００８５３４）ベイカー ヒューズ インコーポレイテッド (21)
【Ｆターム（参考）】
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