阅读说明：本技术 具有光纤布拉格光栅的光谱仪 (Spectrometer with fiber Bragg grating ) 是由 托马斯·克鲁斯佩 塞巴斯蒂安·郑 于 2019-02-20 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种具有倾斜的或钎焊的光学光栅的光学光谱仪,该光学光谱仪可用于识别材料组成,估计物理特性并且测量物理状况。来自样品或空间的光反射到该光栅；并且来自该光栅的杂散光被引导到光学传感器(其可以是单个传感器)上并且被转换成电信号,以获得关于该样品或空间的信息。扫描的示例包括：通过向该光学光栅施加应变来改变该光偏离该光学光栅的角度；移动该光学传感器；以及在该杂散光的该路径中安装反射镜,该反射镜在角度范围内往复枢转。在一个示例中,该光学光栅形成在安装到压电元件的光传输介质上,该压电元件在通电时膨胀以向该光栅施加应变。在一个示例中,该衍射光栅为光纤布拉格光栅。(An optical spectrometer with tilted or brazed optical gratings is disclosed that can be used to identify material composition, estimate physical properties and measure physical conditions. Light from the sample or space is reflected to the grating; and stray light from the grating is directed onto an optical sensor (which may be a single sensor) and converted into an electrical signal to obtain information about the sample or space. Examples of scanning include: changing an angle at which the light deviates from the optical grating by applying a strain to the optical grating; moving the optical sensor; and mounting a mirror in the path of the stray light, the mirror being reciprocally pivoted over a range of angles. In one example, the optical grating is formed on an optical transmission medium mounted to a piezoelectric element that expands when energized to apply strain to the grating. In one example, the diffraction grating is a fiber bragg grating.)

具有光纤布拉格光栅的光谱仪

背景技术

1.技术领域

本公开整体涉及一种用于监测井筒中的状况的系统。更具体地，本公开涉及一种具有光谱仪的系统，该光谱仪分析来自振荡的光纤布拉格光栅的反射。

2.现有技术描述

光谱仪用于测量样品物质的各种物理属性以及它们的化学组成。光谱仪还用于测量空间或样品的物理状况，诸如温度、应变、压力、倾斜度和加速度。光谱分析仪是一种光谱仪，其测量作为波长的函数的光学功率。光谱分析仪通常将光分散通过棱镜或衍射光栅，并且在分散的光的路径中采用光敏传感器来检测光。光敏传感器通常为电荷耦合二极管或光电二极管的阵列，该阵列将检测到的光转换成电流。

光纤布拉格光栅是一种衍射光栅，该衍射光栅用于将光分散到光敏传感器。光纤布拉格光栅是具有中心芯的光纤构件，已修改了中心芯，使得其折射率在离散距离处改变以限定光栅。通常，这些改变遵循以指定距离重复的周期性图案，使得在每次折射变化时都会反射光。一般来讲，形成周期性图案(其通常称为光栅周期)以反射特定波长的光。大多数反射的光的波长为光栅周期的波长的约两倍。因此，大多数光在光纤布拉格光栅中被反射的波长通常被识别为布拉格波长。布拉格波长之外的波长的光会通过光纤布拉格光栅并且不会被反射。当前已知的与光学光谱仪一起使用的光学传感器在暴露于高温时易于损坏，由此限制了光学光谱仪的应用。

发明内容

本文公开了一种光学光谱仪的示例，该光学光谱仪包括：传输介质，该传输介质具有与电磁能源连通的端部；钎焊光栅，该钎焊光栅形成在传输介质中，钎焊光栅在策略上形成为使得来自源并且正传输穿过传输介质的电磁能沿着钎焊光栅从传输介质沿方位角被引导以限定杂散光；以及光学接收器。该光学接收器包括：传感器，该传感器响应于杂散光的接触；和出口，该出口与分析仪连通并且从该出口传输由与传感器接触的杂散光生成的电信号。该光学光谱仪的该实施方案还包括扫描组件，该扫描组件选择性地改变来自钎焊光栅的杂散光的路径或光学接收器的位置中的一者，使得当杂散光从传输介质被引导时，传感器定位在杂散光的路径中并且暴露于杂散光的至少一部分。在一个示例中，扫描组件包括电响应构件，该电响应构件在通电时经历尺寸的变化，其中该电响应构件与传输介质耦接，并且使得当电响应构件通电时，传输介质和光栅经历长度的变化，该长度的变化改变了从传输介质引导的杂散光的路径的方向。在一个替代方案中，电响应构件具有一定量的压电材料。任选地，扫描组件是平移系统，该平移系统使传感器沿着与杂散光相交的路径横向往复运动。在另一个替代方案中，扫描组件为反射表面，该反射表面在一定范围内往复地倾斜并且在策略上定位成使得与反射表面接触的杂散光被反射到传感器。在一个示例中，电磁能从样品反射并且其中电磁能的带宽代表样品的化学组成。存在其中电磁能具有离散带宽的光的实施方案。另选地，光栅为第一光栅，并且其中电磁能从设置在空间内的第二光栅反射，并且其中电磁能的带宽代表空间内的温度。任选地，传感器和电磁能源设置在井筒中。存在其中传感器为单个传感器或两个或更多个光敏元件(诸如光电二极管)的实施方案，该两个或更多个光敏元件紧密靠近以充当单个传感器。

本文公开了光学光谱仪的另选的示例，并且该光学光谱仪包括钎焊光学光栅，该钎焊光学光栅与电磁能连通，该电磁能在代表关于所感测对象的信息的带宽内，该电磁能从钎焊光学光栅沿来自钎焊光学光栅的方位角方向折射，并且该钎焊光学光栅限定杂散光。该示例还包括用于接收杂散光并且将杂散光转换成电的光学传感器和用于将杂散光与光学传感器对准的扫描系统。

本文还公开了一种光谱学方法，并且该方法包括：接收电磁能；将电磁能从钎焊光学光栅折射以形成杂散光；以及将杂散光与光学传感器对准，使得光学传感器的输出表示关于电磁能的光谱信息。在一个实施方案中，电磁能的光谱包含关于样品的组成信息。任选地，电磁能的频谱包含关于空间温度的信息。另选地，该对准步骤包括通过用一定量的电使压电构件通电来向钎焊光学光栅施加轴向力，使得杂散光被引导到光学传感器。在一个示例中，电的电压与利用电磁能所感测的空间的温度相关。在一个实施方案中，该对准步骤包括使光学传感器沿着与传输介质倾斜的路径往复运动，该路径携带电磁能并且与杂散光的路径基本上正交。任选地，该对准步骤涉及使反射表面在杂散光的路径中倾斜，使得杂散光跨光学传感器扫描。在一个替代方案中，光学传感器和电磁能源设置在井筒中。存在其中光学传感器为单个光学传感器或两个或更多个光敏元件(诸如光电二极管)的实施方案，该光敏元件在组合时充当单个光学传感器。

附图说明

已经陈述了本发明的一些特征和有益效果，当结合附图进行描述时，其他特征和有益效果将变得显而易见，附图中：

图1为井筒中的井下工具的局部侧面剖视图，并且该井下工具包括光学光谱仪的示例。

图2为与图1的井下工具一起使用的光学光谱仪的示意性示例。

图3为与图2的光学光谱仪一起使用的温度传感器的实施方案的示意性示例。

图4为图2的光学光谱仪的一部分的另选的实施方案的示意性示例。

图5为图2的光学光谱仪的另选的实施方案的示意性示例。

虽然将结合优选的实施方案描述本发明，但应当理解，其并非旨在将本发明限制于该实施方案。相反，本发明旨在涵盖所有可能包括在由所附权利要求书限定的本发明的精神和范围内的替代形式、修改形式和等同形式。

具体实施方式

现在在下文中参考示出了实施方案的附图来更全面地描述本公开的方法和系统。本公开的方法和系统可以呈许多不同的形式，并且不应被理解为限于本文阐述的所示实施方案；相反，提供这些实施方案是为了使本公开彻底和完整，并且向本领域技术人员全面地传达其范围。整个说明书中相同的数字表示相同的元件。在实施方案中，术语“约”的使用包括所引用量级的+/-5％。在实施方案中，术语“基本上”的使用包括所引用量级的+/-5％。

应进一步理解的是，本公开的范围不限于所示的以及所描述的架构、操作、确切材料或实施方案的确切细节，因为修改例和等同物对于本领域技术人员而言将是显而易见的。在附图和说明书中，已经公开了说明性实施方案，并且尽管采用了特定术语，但是它们仅以一般性和描述性意义，而不是以限制的目的进行使用。

图1示出了井下工具10的示例的局部侧剖视图，该井下工具包括伸长壳体12，该伸长壳体具有基本上弯曲的外圆周。工具10同轴地设置在油管柱14内，并且该油管柱设定在与地下地层18相交的井筒16中。井筒16衬有套管20，并且该套管外接油管14。存在其他实施方案，其中工具10设置在未衬有套管的裸眼井筒或无油管的井筒内。井下分析仪22在壳体内，如将在下文更详细地描述的，该井下分析仪用于分析井下的状况和属性。例如，传感器22用于获得井筒12内的温度，并且在其他实施方案中，分析在井筒16内取样的固体或流体的化学化合物或组分。工具10在传输部件24上悬挂在井筒16中，该传输部件提供用于将工具10部署在井筒16中的部件，并且还提供用于地面和工具10之间的数据信号和控制信号的介质。传输部件24的示例包括钢丝绳、滑线、线缆、连续油管和任何其他目前已知或以后开发的用于在井下部署和控制工具的部件。在另选的示例中，将工具10作为随钻测井/随钻测量操作的一部分包括在内。井口组件26将井筒16封盖，该井口组件为井筒16提供压力控制和选择性进入。任选的线缆头连接器28被示出为安装在壳体12的上端上并且提供用于将传输部件24连接到工具10的连接点。任选的控制器30示意性地示出在地面上和井筒16之外，并且该控制器包括存储器和通信部件，该存储器和通信部件用于控制工具10和/或经由通信部件32与工具进行通信。通信部件32的示例包括硬线、光纤和无线信号。

在图2中示意性地示出了光谱仪34的示例的局部侧剖视图。光谱仪34的示例性应用包括估计井筒16(图1)中的温度、识别井下物质以及识别井下物质的化学组成。在一个实施方案中，这些物质在井筒16中时由工具10收集，并且在工具10保留在井筒16中时用光谱仪34进行分析。该光谱仪34的该实施方案包括传输介质36，该传输介质被示出为具有与取样装置38连通的端部。在一个示例中，传输介质36包括光纤芯40，该光纤芯是基本上透明的构件并且提供用于传输电磁能(诸如光)的介质。电磁能经由传输介质36从取样装置38传输到光谱仪34。电磁能被接收在取样装置38内，然后被引导到空间中或物质上。当询问空间或物质时，改变电磁能的一个或多个属性以限定经调节的电磁能EM_C。在图2的示例中，经调节的电磁能EM_C是具有带宽λ_SB的光的信号，该信号的最大强度I_MAX出现在带宽λ_SB内的波长处。分析经调节的电磁能EM_C(诸如利用光谱仪34)，产生关于空间(即，空间中的温度)或经取样的物质的信息。关于经取样的物质的信息包括物质本身的标识，以及物质内的组分的标识。

包层42外接芯40并且提供保护，同时提供随着电磁能沿着传输介质36传输而从其内部反射的表面。在图2的示例中，在芯40内包括光纤布拉格光栅44。在该示例中，光纤布拉格光栅44是钎焊的或倾斜的，并且由表示芯40内的折射率变化的多个光栅45形成。接收器46与光纤布拉格光栅44倾斜地间隔开，并且该接收器在面向光纤布拉格光栅44的一侧上包括传感器47。在一个非限制性示例中，接收器46是光电二极管，该光电二极管接收光形式的电磁能并且将光转换成电，并且传感器47表示发生转换的光电二极管内的半导体材料。接收器46耦接到另一传输介质48并且与其进行通信。出口49安装在接收器46的与传感器47相对的端部上，并且该出口提供接收器和传输介质48之间的连接。传输介质48的远离接收器46的端部连接到分析仪50，并且该分析仪包含用于分析来自接收器46的通过传输介质48传输的信号的硬件和软件。

仍然参考图2的示例，传输介质36安装到支撑构件52并且支撑在该支撑构件上，该支撑构件被示出为具有一对间隔开的框架元件54、56。框架元件54、56接触传输介质36的在光纤布拉格光栅44的相对侧上的部分。压电构件58跨越在框架元件54、56之间，该压电构件在通电时经历长度变化。压电构件58由电源60选择性地通电，该电源被示出为具有与其连接的引线62、64，并且其中引线62、64的远离电源60的端部与压电构件58电接触。示出了附接点66、68，其中传输介质36被支撑在框架元件54、56上并且在这些位置处将传输介质36附接到框架元件54、56。光纤布拉格光栅44的倾斜的或钎焊的光栅45在传输介质36中产生折射变化，该传输介质在特定带宽内并且从传输介质36沿方位角衍射电磁能。在一个示例中并且出于本文讨论的目的，短语“从传输介质36沿方位角”意指将衍射的光沿着具有不同投影的一个或多个光学路径引导到垂直于光栅45的轴线进行取向的平面上。在图2的示例中，由光纤布拉格光栅44衍射的经调节的电磁磁能EM_C是杂散光70，该杂散光以相对于芯40倾斜的角度θ₀从光纤布拉格光栅44衍射，并且其中角度θ₀取决于经调节的电磁磁能EM_C的波长。路径P₀示出了离开光纤布拉格光栅44的杂散光70的示例性路线。

如双头箭头A_FB(其基本上平行于传输介质36延伸)所示，通过经由引线62、64利用来自电源60的电为压电构件58通电，使压电构件58伸长。压电构件58的伸长促使框架元件54、56彼此远离。随着传输介质36在附接点66、68处附接到框架元件54、56，框架元件54、56进一步远离彼此移动会拉伸传输介质36的在附接点66、68之间的一部分并且在传输介质36的该部分内产生内部应变。如图所示，传输介质36的应变因此向光纤布拉格光栅44施加对应的应变，从而改变从光纤布拉格光栅44内的光栅折射的光70的路径。如图所示，向传输介质36和光纤布拉格光栅44施加应变，从而沿着一系列不同的路径P_1-4选择性地引导从光纤布拉格光栅44折射的杂散光70，这些路径被示出为与芯40成倾斜角θ_1-4取向。沿着不同的路径P_1-4引导杂散光70会沿着弧形长度A_RC扫描杂散光70，以确保接收器46被一定量的杂散光70照射，使得由传感器47生成信号或信号系列，并且该信号或信号系列被引导到传输介质48中以供分析仪50分析。本文所述的扫描技术用于将接收器46与杂散光70对准，使得照射传感器67的杂散光70的量足以从所接收的来自取样装置38的经调节的电磁能E_MC中提取信息。

此外，在图2的示例中，压电构件58、电源60、引线62、64和框架元件54、56的组合限定了扫描组件71的示例。如上面所指出的，扫描组件71的优点在于具有其传感器47的接收器46被照射了足够量的杂散光70，使得获得有意义的分析结果。与当前已知的感测设备阵列的使用相比，示例性扫描组件71的采用提供了显著的优点，这些感测设备阵列不能在高温情况下操作，诸如在井筒内经常遇到的情况。在一个实施方案中，高温情况是温度为至少约250℉并且持续超过1小时的时间段的那些情况。本文所述的方法和系统的另一个优点是，杂散光70被引导到精确的位置，使得存在接收器46是单个接收器和/或传感器47是单个传感器的实施方案。存在另外的替代方案，其中接收器46或传感器47包括两个或更多个接收器46或传感器47，它们彼此靠近设置并且充当单个接收器46或传感器47。

图3是取样装置38A的一个实施方案的示意性示例，并且该取样装置被示出为具有电磁能源72A。在一个示例中，源72A生成光，并且任选地为超辐射发光二极管。描绘了端部耦接到源72A的传输介质74A的示例，该传输介质将源72A生成的电磁能传输到分路器76A。在分路器76A的远离传输介质74A的端部上，一对附加的传输介质78A、80A被示出为在与传输介质74A相对的端部上从分路器76A延伸。传输介质78A的远离分路器76A的端部突出到空间82A中，在该空间中，正在利用取样装置38A感测温度。在一个示例中，空间82A在井筒16内(图1)，并且另选地，该空间在工具10内或工具10外。衍射光栅84A形成在传输介质78A内并且形成在空间82A内的一部分中，其中在一个实施方案中，衍射光栅84A为光纤布拉格光栅。传输介质78A中的光栅85A定义传输介质78A的折射率的变化。

在取样装置38A的操作的非限制性示例中，来自源72A的电磁能经由传输介质74A、78A和分路器76A传播到衍射光栅84A。在示出的示例中，光栅85A具有光栅周期，使得来自源72A的具有指定波长或波长范围的电磁能从衍射光栅84A反射回分路器76A。传输介质78A中的在指定波长或波长范围之外的电磁能的部分被传输经过衍射光栅84A。此外，由衍射光栅84A反射的波长或波长范围取决于空间82A中的温度。在该示例中，从衍射光栅84A反射并且因此从光栅85A反射的电磁能在带宽λ_SB内。经反射的电磁能通过传输介质78A被引导回到分路器76A中并且离开进入传输介质36A中，然后在该传输介质中被引导到光谱仪34A。

此外，在图3的示例中，向压电材料58(图2)施加特定电压，这继而使光纤布拉格光栅44应变指定量，使得离开传输介质36的杂散光70沿着指定路径被引导。出于本文讨论的目的，杂散光70的指定路径(诸如路径P_1-4中的一条路径)是利用杂散光70并且以足够的照度照射接收器46的路径，使得接收器46生成电信号，在利用分析仪50分析时，这些电信号得出空间82A中的温度的估计值。如上面所指出的，电磁能从光纤布拉格光栅44反射的角度至少部分地取决于杂散光70的波长。而且，由于杂散光70的波长与从衍射光栅84A反射的电磁能相同，因此空间82A(图3)的温度变化改变了经由传输介质36被引导到光纤布拉格光栅44的电磁能的波长。因此，空间82A中的温度变化必然会改变杂散光70离开光纤布拉格光栅44的角度。因此，当杂散光70沿着充分照射接收器46以获得有意义的结果的路径P_1-4中的一者反射时，通过观察正施加到压电材料58的电压，可使该电压与空间82A内的温度相关。这种相关可在理论上或经验上完成。

扫描组件71B的另一示例在图4中以示意图的形式表示。此处，从光纤布拉格光栅44B折射的杂散光70B被示出为沿着一对非平行路径P_1B、P_2B投射，并且其中这两个路径P_1B、P_2B被重定向，使得沿着路径P_1B、P_2B中的任一路径传播的杂散光70B照射接收器46B。光纤布拉格光栅44B的构造决定了从光纤布拉格光栅44B折射的杂散光70B的路径的方向，并且基于传输介质36B中的电磁能的波长。枢转反射器86B被示出为位置和尺寸在策略上设定成适应杂散光70B离开光纤布拉格光栅44B的角度范围。反射器86B设定杂散光70B的潜在路径，并且包括面向光纤布拉格光栅44B的方向的反射表面88B。旋转部件(未示出)使反射器86B围绕横向于路径P_1B、P_2B的轴线枢转，使得从反射表面88B反射的杂散光70B沿着弧形范围A_RC1跨接收器46B扫描，使得足够量的杂散光70B照射接收器46B以获得关于杂散光70B的波长和强度信息。在图4的示例中，光纤布拉格光栅44B和接收器46B的相对位置保持基本上恒定，并且光纤布拉格光栅44B的特性也保持基本上恒定。

在图5中以示意图的形式示出了光谱仪34C的另一示例，该光谱仪具有扫描组件71C，使得接收器46C被从光纤布拉格光栅44C折射的足够量的杂散光70B照射，使得从接收器46C的输出获得关于杂散光70B的强度和波长信息。此处，传输介质36C内的电磁能由取样装置38C提供并且在芯40C内传输。在与光纤布拉格光栅44C内的光栅45C接触时，光70C在多个不同的路径P_1C-4C上折射，这取决于正从光栅45C折射的电磁能的波长。在一个实施方案中，扫描组件71C使接收器46C横向地并且沿着箭头A_T所示的路径平移，该箭头大体与路径P_1C-4C正交。在一个示例中，扫描组件71C使接收器46C朝向和远离路径P_1C-4C并且在路径P_1C-4C中的每个路径的横向侧上往复移动。在示出的实施方案中，接收器46C安装到平移系统90C的示例，该平移系统使接收器46C在运动中往复运动，如上文所示和所述。平移系统90C包括基座92C，在该基座上安装有往复式带具94C。接收器46C耦接到带具94C，使得接收器46C随着带具94C的移动而移动，并且由此提供扫描功能，使得接收器46C被足够量的杂散光70C照射以获得关于正从取样装置38C接收的电磁能的信息。

因此，本文所描述的本发明非常适于实现这些目的并实现所提及的目的和优点，以及其中固有的其他目的和优点。虽然出于公开的目的仅给出了本发明的当前优选实施方案，但用于实现期望结果的工序的细节中存在许多改变。例如，该设备可永久性地或暂时性地设置在井下。在其他实施方案中，本文所公开的设备和方法用于测量加速度、磁场、倾斜度、速度、位移、力或者其他物理属性或化学属性中的一者或多者。在测量加速度的示例中，使用检验质量块(m)来将加速度(a)转换成力(F):F＝(m)(a)；其中通过作用在光纤布拉格光栅上的应变来测量力。在测量倾斜度的示例中，使用检验质量块(m)来将重力(g)转换成力(F):F＝(m)(g)，在一个示例中，通过三个或六个光纤布拉格光栅测量作用在六根光纤上的力以推导重力方向，该重力方向指示倾斜度。在替代方案中，通过观察由所施加的磁场引起的磁致伸缩材料中的应变来测量磁场，该应变被传递到光纤并且通过光纤布拉格光栅进行测量。在一个示例中，通过将位移传递到光纤中的应变来测量位移，并且通过光纤布拉格光栅来测量位移。在测量力的示例中，将力传递到光纤中的应变，并且通过光纤布拉格光栅来测量力。这些和其他类似的修改例对于本领域的技术人员而言将是显而易见的，并且旨在涵盖在本文所公开的本发明的精神和所附权利要求书的范围内。