專利名稱：利用分子印跡聚合物進(jìn)行井下流體分析的方法和裝置的制作方法
相關(guān)申請的交叉參考本專利申請要求2003年11月21日提交的美國臨時專利申請序列號60/524,431的優(yōu)先權(quán)。
背景技術(shù)：
1.發(fā)明領(lǐng)域本發(fā)明涉及產(chǎn)烴井中的井下地層流體樣品分析的領(lǐng)域。更具體地，本發(fā)明涉及一種用于分析井下流體樣品的方法和裝置，其利用分子印跡聚合物傳感器(MIPS)分析地層流體樣品和確定井下流體樣品的組成，包括確定地層流體樣品中的濾液污染物的百分比。
2.相關(guān)領(lǐng)域背景鉆井勘探中采用諸如油基泥漿和合成基泥漿類型的鉆井泥漿。源自這些泥漿類型的濾液通常在一定程度上穿過井壁，侵入地層中，這意味著必須除去這種濾液，而且能夠通過用泵抽取將這種濾液從地層中除去，從而在泵出濾液之后使用地層流體。開孔取樣是獲取典型儲層流體的一種有效方法。獲取樣品使得能夠確定用于評價儲量的經(jīng)濟(jì)價值的關(guān)鍵性信息。此外能夠設(shè)計最佳生產(chǎn)策略以處理這些復(fù)雜流體。在開孔取樣中，最初來自地層的物流含有相當(dāng)大量的濾液，但是隨著這種濾液從地層中被排出，物流越來越富含地層流體。也就是說，當(dāng)繼續(xù)用泵抽取時，取自地層的樣品物流含有更高百分比含量的地層流體。
眾所周知，抽取自鉆井的流體要經(jīng)過凈化工藝，其中隨著逐漸地從地層中除去濾液和樣品中存在的濾液減少，樣品的純度隨著時間而增加。當(dāng)從地層中提取流體時，理想的是定量地表示凈化工藝，也就是說，實時地表示來自濾液的污染程度。如果已知樣品中包括大量(例如，超過約10％)的濾液污染物，那么在污染物含量降到可以接受的程度之前，就沒有理由將地層流體樣品收集到樣品罐中。因此，就需要一種用于直接分析流體樣品和確定樣品中的濾液污染物百分比的方法和裝置。
分子印跡聚合物傳感器(MIPS)目前用于在實驗室設(shè)備中在1個大氣壓和室溫下分析氣體。2003年7月10日公開的Murray的美國專利申請公開No.2003 0129092(以下稱為“Murray”)描述了一種用于測量和檢測各種分析物的分子印跡聚合物溶液陰離子傳感器，該專利的全文援引在此作為參考。
如Murray所述，用來高效并精確地檢測和定量表示分析物(包括多原子陰離子分析物)的方法和裝置對在各種用途中的應(yīng)用具有特別的價值。例如，這種方法和裝置適用于檢測、監(jiān)控和管理包括有機(jī)磷基殺蟲劑在內(nèi)的環(huán)境污染物。包括對氧磷、對硫磷和二嗪農(nóng)的有機(jī)磷基殺蟲劑在農(nóng)業(yè)中廣泛應(yīng)用。由于這些物質(zhì)對很多形式的植物和動物顯示出相對高的毒性而且在水中具有相對高的溶解度，所以對水生生物和我們的飲用水而言，有機(jī)磷基殺蟲劑造成了明顯的威脅。因此，必須能夠精確地監(jiān)控工業(yè)廢水、農(nóng)業(yè)徑流和其它環(huán)境中的殺蟲劑含量，以符合聯(lián)邦和州的法規(guī)和其它安全指標(biāo)。
MIPS的其它應(yīng)用描述在“Molecularly Imprinted PolymerSensors and Sequestering Agents”(Johns Hopkins University，Applied Physics Laboratory)中，其中論述了塑料是我們?nèi)粘Ｉ畹娜找嫫毡榈牟糠?。在我們認(rèn)為是塑料的物質(zhì)中，大多數(shù)是有機(jī)聚合物，其由連接在一起以形成長鏈重質(zhì)分子或大分子的低碳化合物的長鏈或網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成。常見的“塑料”典型地是在無溶劑的情況下，通過稱為本體聚合的方法形成的聚合物。本體聚合產(chǎn)生了大量的纏結(jié)或網(wǎng)絡(luò)化的條束，從而形成固體物質(zhì)。固體的剛度能夠通過已知為“交聯(lián)”的方法控制。當(dāng)聚合物(單體)的結(jié)構(gòu)單元之一具有將兩個或更多個條束連接在一起的能力時，就實現(xiàn)了交聯(lián)。交聯(lián)單體的加入形成了三維網(wǎng)絡(luò)的聚合物，其比未交聯(lián)的聚合物更加剛性，而且不溶于有機(jī)溶劑。交聯(lián)單體的比例越高，得到的塑料越硬，或者剛性越大。
聚合物在自然界中很常見并提供了生物機(jī)體中的很多結(jié)構(gòu)型分子。很多天然聚合物如纖維素、殼多糖和橡膠，已經(jīng)被人們用來制造織物或用作結(jié)構(gòu)材料。某些天然聚合物如橡膠，已經(jīng)被廣泛的各種合成聚合物替代。理解了聚合物的結(jié)構(gòu)和組成，就使得化學(xué)家能夠制造出具有特定所需物理性能的聚合物。這就是為什么合成聚合物在很多情況下已經(jīng)取代其它材料和天然聚合物的原因。合成聚合物可以制得更加耐用和更加持久。它們的特定性能能夠適應(yīng)某一目的，因此就如天然橡膠的情況那樣，能夠生產(chǎn)出較之天然聚合物得到巨大改進(jìn)的合成聚合物。
在合成聚合物的發(fā)展中，比較新的發(fā)展方向是引入了分子印跡聚合物(MIP)。這些材料的根源可追溯到與Stuart Mudd在三十年代和Linus Pauling在四十年代提出的對人類免疫系統(tǒng)的操作有關(guān)的假設(shè)。Mudd的貢獻(xiàn)在于提出了互補(bǔ)結(jié)構(gòu)的概念。也就是說，特異性抗體攻擊特定靶或“抗原”的原因是因為抗體的形狀為抗原的形狀提供了優(yōu)異的匹配空穴。這一描述非常類似于“鎖-鑰匙”的類比，該類比用來解釋負(fù)責(zé)促進(jìn)和導(dǎo)向生物化學(xué)反應(yīng)的分子--酶的作用。在該情況下，酶形成鎖，供特定化學(xué)鑰匙匹配，而且，當(dāng)這個“鑰匙”轉(zhuǎn)動時，酶導(dǎo)向和促進(jìn)了從化學(xué)靶到所需產(chǎn)品的生產(chǎn)。
Pauling對MIP發(fā)展的貢獻(xiàn)在于解釋了抗體所顯示的互補(bǔ)形狀的根源。他假設(shè)了其它的非特異性抗體分子如何能夠再組裝形成特異性結(jié)合分子。他推理認(rèn)為形狀專一性的獲得是通過用靶抗原排列出抗體的互補(bǔ)形狀。因此，非特異性的分子使其自身的形狀與特異性靶的外形相適合，而且在除去靶時，該形狀仍得以保持，從而賦予抗體再次結(jié)合抗原的傾向。這一方法現(xiàn)在已知為分子印跡或“模板”。
通過首先構(gòu)建靶分子和相關(guān)附加結(jié)合分子的絡(luò)合物來制備分子印跡聚合物，該相關(guān)附加結(jié)合分子具有結(jié)合到聚合物中的能力。該絡(luò)合物通常溶解在較大量的其它可聚合分子中。用于聚合物的其它分子的本體(bulk)由稱作交聯(lián)單體的特定分子制成。這些分子具有兩個位置用來結(jié)合到聚合物鏈上，從而形成剛性的三維結(jié)構(gòu)。為了在除去靶分子或“模板”之后使絡(luò)合分子保持在原位，必須采用交聯(lián)劑。通常還在混合物中加入溶劑。溶劑分子被捕獲在增長的聚合物中，并在聚合物形成之后在該結(jié)構(gòu)中留下間隙和孔隙以使得靶絡(luò)合物更易于接近。典型地，聚合后得到大塊的塑料。將大塊研磨成粉末，并用合適的溶劑洗滌以洗去靶分子。粉末中留下對靶分子具有記憶并易于在該特異性分子再次出現(xiàn)的時候再次將其捕捉的特定空穴。
制造MIP的關(guān)鍵步驟是形成絡(luò)合物，該絡(luò)合物在聚合工藝后留存，而且在除去靶時，留下合適的一組結(jié)合位點。如果沒有發(fā)生這一點，最終的產(chǎn)品將沒有任何記憶，它的記憶將混亂而且不準(zhǔn)確，從而聚合物還將結(jié)合錯誤的分子。Wulff教授在他的早期實驗中制定了很多這類的步驟。目前出現(xiàn)了關(guān)于這一步驟的很多變型，它們旨在形成沒有多孔性卻具有表面活性的聚合物。這是為了制造快速響應(yīng)的傳感器的目的，為了實現(xiàn)結(jié)合速度的增加，但同時伴隨著結(jié)合容量的損失。
目前，尚不知有直接的工藝方法能夠精確地分析井下流體樣品，或者定量表示分析物的存在(例如，在采用電纜式地層測試器收集的樣品中的原油的油基泥漿濾液污染物的存在)，或者定量表示分析物的比例如植烷-姥鮫烷的比例。因此，需要一種方法和裝置，其用于直接分析樣品，或者確定在井下環(huán)境中的樣品中，原油的油基泥漿濾液污染物的百分比。
發(fā)明概述本發(fā)明提供了一種井下方法和裝置，其利用分子印跡聚合物(MIP)傳感器評價流體樣品的性能，或者定量表示地層流體樣品中油基泥漿濾液的存在。本發(fā)明提供了一種沖洗用流體源以除去被吸附的分析物并將分子印跡聚合物的響應(yīng)重置為零。例如，對油基泥漿濾液分析而言，本發(fā)明用輕質(zhì)烴如己烷或癸烷沖洗MIP傳感器。對井下鹽水中的分析物而言，本發(fā)明用淡水沖洗MIP傳感器?？蛇x擇地，本發(fā)明加熱MIPS以使被吸附的分析物解吸。
附圖概述

圖1是本發(fā)明的配置在井下環(huán)境中的電纜上的一個實施方案的示意圖；圖2是本發(fā)明的配置在監(jiān)控同時鉆探環(huán)境中的鉆柱上的一個實施方案的示意圖；圖3是本發(fā)明的配置在井下環(huán)境中的撓性管上的一個實施方案的示意圖；圖4是本發(fā)明的如配置在電纜井下環(huán)境中的一個實施方案的示意圖，其示出電纜式地層測試器工具的截面；圖5是示出一個實施方案中MIPS在流體物流中的附圖；圖6是用分子印跡聚合物傳感器分析流體樣品的流程圖；圖7是示出MIP傳感器在經(jīng)由膜而與液體隔開的氣體環(huán)境中的附圖；圖8是示出用于本發(fā)明的膜的附圖；和圖9是用分子印跡聚合物傳感器分析氣體樣品的流程圖。
發(fā)明詳述目前，沒有直接的方法能分析流體樣品，或者當(dāng)樣品在井下被收集在配置了電纜或鉆柱的地層測試設(shè)備中，能定量表示樣品中原油的油基泥漿濾液污染物的存在。本發(fā)明采用選擇性地對泥漿濾液產(chǎn)生響應(yīng)、而對原油無響應(yīng)的分子印跡聚合物傳感器(MIPS)對油基泥漿濾液污染物提供半定量性的評價。本發(fā)明還提供了MIPS除此之外用于痕量分析或示蹤劑檢測的其它用途。地球化學(xué)家能夠確定特殊生物標(biāo)記物的量，例如原油中植烷與姥鮫烷的比例。
可以得到大量的MIP傳感器用于本發(fā)明。一個方面，本發(fā)明提供了一種利用僅對一種特異性分子通過溶脹和改變其電阻率而作出響應(yīng)的高溫(200℃+)載碳導(dǎo)電性聚合物傳感器(MIP傳感器的一個實例)的方法和裝置。其實現(xiàn)是通過混合單體和分析物，聚合單體，然后提取分析物以留下只有分析物分子能夠“匹配”到其中的空穴。此方法實現(xiàn)了傳感器對分析物的超乎尋常的選擇性，該選擇性與免疫測定技術(shù)的選擇性具有可比性。本發(fā)明采用適于適應(yīng)井下應(yīng)用的各種MIP傳感器。適于在本發(fā)明中井下應(yīng)用的合適的MIP傳感器的實例是MIP電阻率傳感器(例如，由麻省理工學(xué)院Draper實驗室開發(fā)的傳感器)，或者如美國專利申請公開No.2003/0129092A1所示的光學(xué)傳感器。合適的MIP傳感器的另一個實例是提供由固有導(dǎo)電性聚合物(聚吡咯)制成的MIP傳感器，該固有導(dǎo)電性聚合物能用作脈沖電流測定檢測的電極，如Ramanaviciene等人(ISSN 1392-1320 Materials Science，Vol.10，No.1，2004)所述。Murry等人(Johns Hopkins APL Technical Digest，Vol.18，No.4，1997)描述了基于聚合物膜電極的MIP傳感器，用來檢測金屬離子如鉛、銅、鎘和鋅。
目前，Draper實驗室已經(jīng)開發(fā)了如下的MIP傳感器當(dāng)置于基礎(chǔ)油和原油混合物的液面上方空間的空氣中時，該傳感器在實驗室的環(huán)境下選擇性地對合成泥漿的基礎(chǔ)油的蒸汽產(chǎn)生響應(yīng)，但是對原油無響應(yīng)。這些Draper實驗室的MIP傳感器能夠適于用在本發(fā)明中，當(dāng)通過由電纜或鉆柱配置的地層測試器在井下收集原油樣品時，它們用于在井下評價原油樣品中油基泥漿污染物的量。在本發(fā)明的一個實施例中，MIP傳感器浸入液體中，并用諸如己烷、癸烷的給定溶劑流體，或者其它與基礎(chǔ)油不同的流體沖洗干凈。
分子印跡是制造化學(xué)選擇性結(jié)合位點的一種有用技術(shù)。該方法包括構(gòu)建含有靶分子的分子互補(bǔ)體的合成聚合物的骨架，然后除去靶分子以留下對靶分子的結(jié)構(gòu)具有“記憶”的空穴。分子印跡聚合物可以用作特定分子或分子官能團(tuán)的選擇性吸附劑。印跡聚合物可以制成膜，所述膜能夠用于形成用于印跡分子離子的離子選擇性電極。通過將具有適用的光學(xué)性能的分子或金屬離子結(jié)合到印跡聚合物的結(jié)合位點上，可以制得用于印跡分子的分光傳感器。利用通過印跡位點上殘留的發(fā)色團(tuán)進(jìn)行的光學(xué)轉(zhuǎn)導(dǎo)，可以制得用于特定生物分子的傳感器。將分子印跡和光譜選擇性聯(lián)用，產(chǎn)生了高度敏感并對干擾免疫的傳感器。參見例如第29屆美國光生物學(xué)學(xué)會(29thAm.Soc.Photobiology)，D.Lawrence。
這里采用的術(shù)語“分子印跡聚合物”或“MIP”通常是指聚合物的模型狀結(jié)構(gòu)，其具有一個或多個預(yù)組織的識別位點，該識別位點補(bǔ)足至少一部分靶或印跡分子的形狀并含有相互作用的結(jié)構(gòu)部分，該結(jié)構(gòu)部分補(bǔ)足靶或印跡分子上至少一部分結(jié)合位點的空間，并對靶或印跡分子上至少一部分結(jié)合位點顯示親合性。如本領(lǐng)域技術(shù)人員所認(rèn)識到的，MIP傳感器的形成典型地是通過將印跡分子和一種或多種功能性單體配位以形成印跡分子/單體絡(luò)合物(其中，印跡分子通過共價、離子、疏水、氫鍵或其它相互作用與功能性單體的互補(bǔ)結(jié)構(gòu)部分相互作用或鍵合)。然后，單體/印跡分子絡(luò)合物聚合成高度交聯(lián)的聚合物基體，隨后將印跡分子與功能性單體解離并從聚合物基體中除去，從而留下空穴或識別位點，該空穴或識別位點具有針對印跡分子的相對特定形狀并含有具備再次化學(xué)結(jié)合印跡分子能力的互補(bǔ)結(jié)構(gòu)部分。Murray的圖2示出一種分子印跡方法的示意圖，其示出印跡分子自組裝成印跡絡(luò)合物；印跡絡(luò)合物結(jié)合到聚合物基體中；除去印跡分子；和形成印跡空穴。
將形成于MIP中的空穴的形狀專一性和與MIP空穴相關(guān)的結(jié)構(gòu)部分對靶分子的親合性結(jié)合，產(chǎn)生了對于印跡物質(zhì)顯示出選擇性結(jié)合特征的聚合物。術(shù)語“選擇性結(jié)合特征”和“選擇性結(jié)合相互作用”旨在表示較之對于其它非印跡分子，印跡聚合物對其印跡分子顯示出的優(yōu)先而且可逆的結(jié)合。選擇性結(jié)合包括印跡聚合物對其模板分子的親合性和專一性。
根據(jù)某些實施方案，本發(fā)明的MIP傳感器包括含鑭系元素的聚合物結(jié)構(gòu)，其對于待由本發(fā)明的傳感器設(shè)備檢測的分析物(“靶分析物”)顯示出選擇性結(jié)合特征。本發(fā)明提供了能有利地用作分析設(shè)備(例如，光學(xué)傳感器設(shè)備)的一部分的MIP傳感器，通過將靶分析物分子與MIP鑭系元素結(jié)合位點締合而從分析物的溶液中選擇性地捕獲靶分析物分子，從而通過傳感器檢測靶分析物。本發(fā)明提供的MIP傳感器不僅能用來提供選擇性地再次結(jié)合靶分析物的位點，而且能充當(dāng)發(fā)光源，能夠通過分析該發(fā)光源來確定靶分析物在分析物溶液中的含量。本發(fā)明的螯合的鑭系元素能夠被敏化以從包括低成本LED的各種光源中吸收光能(包括電磁光譜的藍(lán)區(qū)的光)，并發(fā)出強(qiáng)度增強(qiáng)且可檢測的光。當(dāng)靶分析物與本發(fā)明MIP傳感器的本實施例中的鑭系元素締合時，某些光譜線(luminescence line)的強(qiáng)度將隨著結(jié)合到聚合物中的陰離子的量(其中結(jié)合到MIP中的量與溶液中的量相平衡)而變化。根據(jù)本發(fā)明，可以檢測并分析這種特征性發(fā)光以確定靶分析物在溶液中的量。
MIP可以通過眾多已知方法中的任一種方法制備，包括美國專利Nos.5,110,883；5,321,102；5,372,719；5,310,648；5,208,155；5,015,576；4,935,365；4,960,762；4,532,232；4,415,655和4,406,792中所描述的，這些文獻(xiàn)的全文援引在此作為參考。
現(xiàn)在參照圖1，圖1是本發(fā)明的配置在井下環(huán)境中的電纜上的一個優(yōu)選實施方案的示意圖。如圖1所示，包括處理器411和MIPS監(jiān)控設(shè)備410的井下工具10配置在鉆孔14中。鉆孔形成在地層16中。工具10經(jīng)由電纜12配置。來自工具10的數(shù)據(jù)輸送到地面上的地面計算機(jī)處理器20，該處理器的內(nèi)部有智能完井系統(tǒng)30的存儲器。圖2是本發(fā)明的配置在監(jiān)控同時鉆探環(huán)境中的鉆柱15上的一個優(yōu)選實施方案的示意圖。圖3是本發(fā)明的配置在井下環(huán)境中的撓性管13上的一個優(yōu)選實施方案的示意圖。
圖4是本發(fā)明的如配置在電纜井下環(huán)境中的一個例示性實施方案的示意圖，其示出電纜式地層測試器工具的截面。如圖4所示，工具10配置在充滿了井內(nèi)流體的鉆孔420中。工具10通過推靠支撐臂416設(shè)置在鉆孔中。具有通管418的封隔器接觸井壁以從地層414中提取地層流體。工具416包括設(shè)置在出油管線426中的MIPS 410。經(jīng)調(diào)節(jié)能在井下壓力和溫度下適于設(shè)置在本發(fā)明的井下工具中的MIP傳感器適于用在本發(fā)明中。泵412將地層流體從地層414抽取到出油管線426中。地層流體通過出油管線424進(jìn)入閥420中，該閥將地層流體引入管線422，從而將地層流體存儲在樣品罐中；或者該閥將地層流體引入管線418中，從而使地層流體離開鉆孔。
圖5是示出MIP傳感器410設(shè)置在地層流體出油管線422中的附圖。MIP傳感器410經(jīng)由數(shù)據(jù)通路502與處理器411相連，以檢測污染物含量或分析流體樣品。必要時，為了在井下操作期間冷卻MIP傳感器，可以提供如DiFoggio和本申請人共同所有的美國專利No.6,341,498中所述的吸著冷卻設(shè)備504。適用于本發(fā)明的MIP傳感器可選自目前或?qū)砟苤圃旎蛸徺I的各種各樣的MIP傳感器。合適的MIP傳感器的兩個實例是如Murray所述的光學(xué)傳感器和可從MIT的Draper實驗室獲得的電阻率MIP傳感器。適用于井下壓力和溫度的各種各樣的MIP傳感器都適用于本發(fā)明。MIP傳感器還可由位于瑞典Lund的MIP Technologies AB in Research Park Ideon開發(fā)和獲取。關(guān)于MIPS應(yīng)用和技術(shù)的進(jìn)一步討論提供在“Molecular ImprintingFrom Fundamentals to Applications”(Komiyama等人，ISBN3-527-30569-6)，該文獻(xiàn)的全文包括在此作為參考。
圖6是描述用于制備MIPS和分析地層流體樣品的方法流程圖。如600所示，制備選擇性地對分析物產(chǎn)生響應(yīng)的MIPS。在610中，獲得地層流體樣品。在620中，將流體樣品暴露給含有選擇性地對該分析物產(chǎn)生響應(yīng)的MIP的MIP傳感器。在630中，處理器讀取MIP傳感器以確定樣品中分析物的存在和數(shù)量。
通過用泵經(jīng)由出油管線從地層中抽取流體并進(jìn)入樣品池而對地層進(jìn)行取樣。來自鉆孔的濾液通常侵入地層中，和因此當(dāng)從地層抽取樣品時，濾液典型地存在于地層流體中。當(dāng)從地層抽取地層流體時，從地層抽取的流體中的濾液量隨著時間而減少，直到樣品達(dá)到其最低的污染物含量。這一除去樣品污染物的抽取工藝稱作樣品凈化。在一個實施方案中，當(dāng)在20分鐘～1小時內(nèi)檢測到的濾液量在工具測量分辨率內(nèi)已穩(wěn)定或者變得漸近(asymptotic)時，本發(fā)明給出地層流體樣品凈化已完成(污染物已達(dá)到最小值)的指示。
通過檢測濾液的基礎(chǔ)油中所采用的主要化學(xué)物質(zhì)，或者通過檢測加入基礎(chǔ)油中的任何化學(xué)物質(zhì)如乳化劑、表面活性劑或防濾失材料，可以用MIP傳感器評價濾液污染物。可以對鉆井(well bore)流體取樣已確定鉆井流體的識別性特征。
該MIP傳感器還可以定量地表示原油或地層鹽水中的痕量氣體如H2S，或痕量金屬如汞、鎳或釩。此外，從鉆井的不同深度或區(qū)域中獲取的兩種原油樣品的化學(xué)組成之間的精細(xì)差異可以用作將那些區(qū)域彼此區(qū)分的指標(biāo)。
關(guān)于如何開發(fā)油藏(鉆井位置、生產(chǎn)設(shè)備的類型等)這一事關(guān)數(shù)十億美元的決定是基于該油藏能否被區(qū)室化(compartmentalized)。如其名稱所給出的暗示那樣，油藏的“區(qū)室化”簡單地是指油藏的不同區(qū)域是單獨的區(qū)室，這些區(qū)室之間沒有流體流動。單獨的區(qū)室必須單獨地開采，和可能需要對其流體采取不同的加工類型。類似地，當(dāng)計劃采用廢水注入井時，重要的是估計含水區(qū)的油藏區(qū)室化。
可以作為區(qū)室化的指標(biāo)的精細(xì)化學(xué)差異的一個實例是痕量烴的比例，如植烷/姥鮫烷比例的改變。其它的任何預(yù)料之外的組成差異也可以指示區(qū)室化。甚至在沒有區(qū)室化的情況下，重力分異也將導(dǎo)致來自不同深度的流體中產(chǎn)生某些預(yù)期的光譜差異。例如，我們預(yù)料原油柱的頂部比柱底部具有更高的溶解在其中的天然氣濃度。
如圖7所示，對某些分析物如H2S而言，理想的是在位于氣體滲透膜704后的真空室702中操作MIPS，該膜封鎖了液體并被板706適當(dāng)?shù)刂我猿惺芫聣毫?，如由DiFoggio和本申請人共同所有的No.60/553,921待審申請所述，該申請于2004年3月17日提交，名稱為“Downhole Mass Spectrometer System For Compositional FluidAnalysis”。在圖7所示系統(tǒng)的真空下分析氣體的流程圖示于圖8中。
本發(fā)明將井下高溫并高壓的地層流體暴露給半滲透膜，該膜封鎖了液體但允許某些氣體和蒸汽通過。該膜由剛性但多孔且可滲透的結(jié)構(gòu)如燒結(jié)金屬過濾器給予機(jī)械支撐，再由能夠承受真空和井下壓力之間壓差的金屬板(其上有一些孔)支撐。半透膜由諸如硅橡膠的材料制成，其允許來自地層流體樣品的氣體和某些蒸汽擴(kuò)散通過膜并進(jìn)入與半透膜相鄰的真空室中。
現(xiàn)在參見圖7，它示出了本發(fā)明的一個更加詳細(xì)的示意圖。MIP傳感器410、離子泵319、半透膜300、流體容納室307和處理器411以圖3中的示意形式顯示。設(shè)置吸著冷卻單元321，以保持處理器和MIP傳感器處于它們的操作和/或可耐受溫度范圍內(nèi)。地層流體容納室307通過半透膜309與抽空的氣體分析室311分隔開。這樣就把地層流體容納室307設(shè)置在半透膜309的一側(cè)，和把抽空的氣體分析室311設(shè)置在半透膜309的另一側(cè)。在得到的地層流體樣品中捕集的氣體擴(kuò)散通過半透膜，進(jìn)入抽空的氣體分析室，進(jìn)行分析。
地層流體從地層提取出來，經(jīng)由出油管線426和閥301進(jìn)入流體容納室307。來自半透膜流體側(cè)的地層流體的氣體擴(kuò)散通過半透膜，并進(jìn)入抽空室311。MIP傳感器410和處理器/控制電子元件411位于抽空室311中。將氣體暴露給MIP傳感器410和處理器。處理器411監(jiān)控MIP傳感器進(jìn)行分析。通過井下通訊其它裝置的電纜，處理器411將分析結(jié)果報告給地面。在不給地面報告結(jié)果的情況下，處理器411能夠作用于分析結(jié)果。圖8示出半透膜309、燒結(jié)金屬過濾器313和金屬板314，該金屬板具有小孔和小孔之間的板面上具有劃線。處理器還采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(neural network)或其它軟件建模技術(shù)來評價流體或氣體的性能。
現(xiàn)在參考圖9，它示出了一個實施例，該實施例示出了根據(jù)本發(fā)明實施的某些功能。如模塊401實施，本發(fā)明從地層中獲取地層流體樣品。該地層流體通過與地層流體連通的出油管線進(jìn)入工具中。在模塊403中，抽空氣體室。氣體室的抽空使得地層流體中捕集的氣體能擴(kuò)散通過半透膜，進(jìn)入抽空室中。在模塊405中，在流體和抽空室之間的半透膜允許來自流體的氣體擴(kuò)散通過半透膜，進(jìn)入抽空的氣體分析室中。在模塊407中，本發(fā)明的MIP傳感器410和處理器411監(jiān)控氣體，以檢測、鑒別和定量表示各種氣體并在它們之間進(jìn)行區(qū)分。在模塊409中，離子泵從該室的抽空側(cè)除去擴(kuò)散的氣體以保持真空。在分析流體或氣體的任一種情況下，MIP傳感器都能根據(jù)MIP傳感器對流體或氣體的響應(yīng)來估計流體性能。流體壓力可足夠使得氣體擴(kuò)散通過膜，而無需對該室進(jìn)行抽空。
有很多種檢測被吸附的分析物的量的方法。例如，可以在MIP傳感器中裝載導(dǎo)電性石墨，并可以監(jiān)控該石墨與暴露給分析物導(dǎo)致的溶脹相關(guān)的電阻變化?？蛇x擇地，可以在光纖的端部施加MIPS層，或者將MIPS層作為部分光纖上的包覆層替代物。分析物的吸附將改變MIPS層的折射率，從而改變從光纖端部的光反射，或者改變光纖芯部的光泄漏。對發(fā)熒光的分析物而言，可以在光纖中裝入紫外或其它激發(fā)光源，并檢測熒光量。還可以用導(dǎo)電性聚合物如聚吡咯制成MIPS，用于脈沖電流測量檢測中。
如由Langmuir或Freundlich方程(Guo等人，Biomaterials，25(2004)，5905-5912)所預(yù)計的，被吸附的分析物的平衡濃度將取決于溶液中剩余的分析物的濃度和溫度。通過用最初不含分析物，但是對分析物具備高度親合性的流體沖洗MIPS，可以使MIPS再生。對分析物的平衡濃度的接近通常跟隨著對漸近線水平的指數(shù)級增長(或降低)，如Ramanaviciene等人于2004年在一篇論文中所述，該論文也給出了用于校準(zhǔn)MIP傳感器的方程。
在另一個實施方案中，本發(fā)明的方法作為一組計算機(jī)可執(zhí)行的指令在計算機(jī)可讀取介質(zhì)上實施，該介質(zhì)包括ROM、RAM、CD ROM、閃存、或任何目前已知或未知的其它計算機(jī)可讀取介質(zhì)，這些介質(zhì)當(dāng)執(zhí)行時將導(dǎo)致計算機(jī)實施本發(fā)明的方法。
雖然前述公開內(nèi)容旨在描述本發(fā)明的優(yōu)選實施方案，但是各種各樣的變型方案對本領(lǐng)域技術(shù)人員而言將是顯而易見的。應(yīng)當(dāng)指出，在所附權(quán)利要求書范圍內(nèi)的所有變型方案都包括在前述公開內(nèi)容中。已經(jīng)對本發(fā)明的更重要特征的實施例進(jìn)行了稍微概括的總結(jié)，這是為了更好地理解對它的詳細(xì)說明，并了解其對現(xiàn)有技術(shù)作出的貢獻(xiàn)。當(dāng)然，這里還有下面描述的本發(fā)明除此之外的特征，它們將形成所附權(quán)利要求書的主題的一部分。
權(quán)利要求
1.一種用于評價井下流體性能的井下工具，其包括與井下流體相關(guān)的分子印跡聚合物(MIP)傳感器；和處理器，該處理器接收來自分子印跡聚合物的響應(yīng)，并根據(jù)來自MIP傳感器的響應(yīng)評價井下流體的性能。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的井下工具，其中該處理器利用化學(xué)計量方程評價井下流體的性能。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的井下工具，其中該處理器利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)評價井下流體的性能。
4.一種用于評價井下流體性能的方法，其包括將分子印跡聚合物(MIP)傳感器暴露給井下流體；和根據(jù)來自MIP傳感器的響應(yīng)評價井下流體的性能。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種利用分子印跡聚合物(MIP)來分析井下流體樣品或者確定油基泥漿濾液污染物在地層流體樣品中的百分比的井下方法和裝置。
文檔編號E21B47/10GK1882761SQ200480034223
公開日2006年12月20日 申請日期2004年11月22日 優(yōu)先權(quán)日2003年11月21日
發(fā)明者R·迪弗吉奧 申請人:貝克休斯公司