專利名稱：采樣時聲學(xué)地確定流體性質(zhì)的裝置及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及聲學(xué)地分析流體樣品的裝置及方法。更特別地，本發(fā)明涉及在現(xiàn)場條件下聲學(xué)地確定流體樣品的各種特性的裝置及方法。
背景技術(shù)：
密度是可單獨(dú)或與其他性質(zhì)一起用來表征許多工業(yè)處理中如石油、化學(xué)以及食品工業(yè)中的流體的基本物理性質(zhì)。如果在流體樣品的輸運(yùn)和分析過程中足夠小心，那么密度的實驗室測量值可達(dá)到0.01％或更高的精確度。
已提出了多種測量流體密度的方法，但不是非常適合于現(xiàn)場使用。例如，如果將聲換能器直接貼附到流體樣品室上，那么許多常規(guī)密度計受它們的物理架構(gòu)所限制。當(dāng)室受到極端的現(xiàn)場壓力時，室尺寸可能受影響，因而需要隨流體樣品壓力的每個改變重新校準(zhǔn)設(shè)備。在所進(jìn)行的密度測量中，凈效應(yīng)具有更大程度的不確定性。如在關(guān)于超聲波、鐵電和頻率控制的IEEE學(xué)報的2002年9月刊的Vol.49，No.9中Ricardo Tokio Higuti和Julio Cezar Adamowsk所發(fā)表的名稱為“使用多次反射技術(shù)的超聲波密度計”中所討論的，已研發(fā)了多種其他密度測量設(shè)備使精確度達(dá)到最大同時減小材料復(fù)雜度。但是，這些設(shè)備的精確度也受可能改變設(shè)備尺寸的流體樣品的溫度和壓力條件所限制。結(jié)果在極端的壓力下，這些設(shè)備可能需要關(guān)于每個流體樣品的額外重新校準(zhǔn)和/或可能出現(xiàn)不可接受的結(jié)果。
如在美國專利號5,708,191和5,886,250中更充分描述的，用來測量流體密度的另一種一般超聲波方法基于參考物質(zhì)和流體樣品之間界面處的反射系數(shù)的測量?！?91和‘250專利每個都描述依靠放置在流體中的材料楔體確定流體樣品的密度的方法。楔體的材料性質(zhì)限于材料具有不大于流體樣品的十一(11)倍的聲阻抗。因此，這些方法受可能受完全不適合于某些流體和現(xiàn)場條件的它們的材料要求所限制。
在石油工業(yè)中，儲油層通常離地面幾千英尺，并且典型地處于達(dá)到每平方英寸好幾萬磅的極端壓力下。這些深度處的地?zé)釡囟忍幱?50或更高量級。因此，大部分常規(guī)工具及相關(guān)方法不適合于或無法應(yīng)用于在現(xiàn)場溫度和壓力下進(jìn)行地球中地層流體樣品的密度測量。因此，通常將用常規(guī)裝置如有線設(shè)備獲取的地層流體樣品運(yùn)送到實驗室，在那里在模擬現(xiàn)場壓力和溫度的可控條件下可以確定密度和其他性質(zhì)。流體性質(zhì)會充分影響關(guān)于是否能經(jīng)濟(jì)地實現(xiàn)生產(chǎn)的判定，以及這種生產(chǎn)的為期、費(fèi)用和單位價格的判定。
但是，地層流體樣品到地面環(huán)境的轉(zhuǎn)移可能導(dǎo)致流體樣品中的幾種不可逆的改變。例如，在流體樣品上升到地面的過程中，壓力和溫度均充分地降低。壓力和溫度改變會引起流體樣品的某些成分從溶液和/或膠狀懸浮體中不可逆地沉淀，導(dǎo)致地面測試低估流體樣品。通過將地層流體樣品保留在現(xiàn)場條件下也可以避免生產(chǎn)事件例如石蠟或瀝青沉積。由于這些原因，在測試期間保留流體樣品的現(xiàn)場狀態(tài)優(yōu)于模擬現(xiàn)場條件。
在2003年4月10日出版的在此引用作為參考的美國專利申請系列號10/242,112中說明解決該問題的常規(guī)有線采樣設(shè)備的一個例子?！?12申請描述用于維持遷移到地面供測試的深地層井樣品的單相完整的設(shè)備或工具。參考‘112申請的圖1，通過從纏繞著纜繩12的吊機(jī)19卷繞或解繞纜繩12將采樣和測量器械(工具)13安放在鉆孔10中。當(dāng)將器械13放置到所關(guān)注的地層附近時，將深度指示器20的深度信息連接到信號處理器21和記錄器22。將控制電路23的電控制信號通過包含在纜繩12中的導(dǎo)電體傳輸?shù)狡餍?3。采樣機(jī)械或工具13包括液壓動力系統(tǒng)14、流體樣品儲存部分15，以及采樣機(jī)械部分16。采樣機(jī)械16包括可選擇地伸縮的井壁接合盤元件17、可選擇地伸縮的流體接納采樣探針元件18，以及雙向泵浦元件19。在樣品儲存部分15中是一個或多個樣品聚集室30。圖2示意地說明聚集室30的基本配置。雖然改進(jìn)了流體樣品現(xiàn)場條件的保存，但該工具不能解決與在實驗室中分析地層流體樣品相關(guān)的其他問題，例如使用常規(guī)有線設(shè)備可獲得的流體樣品數(shù)量的局限性；傳輸延遲；不適當(dāng)?shù)奶幚砗驼{(diào)節(jié)引起的流體樣品的退化；延誤測試結(jié)果用于野外評價(油氣遠(yuǎn)景)和井計劃；實驗室條件和儀器的局限性；以及出口限制。
但是，如2004年1月27日提交的在此引用作為參考的美國專利6,683,681B2號中所說明的，可以在現(xiàn)場分析某些流體性質(zhì)。‘681專利描述裝置及方法，其用于沿著連續(xù)體測量流體的折射率、用于測量削弱的反射譜，以及用于解釋用裝置進(jìn)行的測量以確定多個地層流體參數(shù)。但是，該設(shè)備可能要求比必要的或期望的更復(fù)雜和精密的裝置，以確定地層流體樣品的某些物理參數(shù)尤其是聲波速度。
其他常規(guī)技術(shù)可以基于現(xiàn)場流體樣品的壓力梯度和地球化學(xué)參數(shù)而提出估計的或模擬的流體樣品的壓力、體積和溫度(PVT)。但是，按常規(guī)提出的指數(shù)和/或評估技術(shù)會受必須分析的流體樣品的物理性質(zhì)和它們的精確度所限制，它們可能跟實驗室值偏離10-15％。
因此，需要能夠通過在現(xiàn)場條件下的名義校準(zhǔn)精確地確定流體性質(zhì)如速度、體積、密度、可壓縮性和粘性的設(shè)備。另外，需要簡單、有效并且容易包含于常規(guī)有線流體采樣工具或任何井下采樣設(shè)備中的設(shè)備。最后，這種設(shè)備還應(yīng)當(dāng)能夠在其他行業(yè)中分析類似流體性質(zhì)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供聲學(xué)地分析流體的裝置，包括保持流體的室；
放置在室中用于發(fā)送聲波信號穿過流體的發(fā)送器；可移動地放置在流體中用于反射聲波信號的反射器；以及放置在室中用于探測聲波信號的反射的接收器。
因此，本發(fā)明提供聲學(xué)地分析流體樣品的裝置，包括室、放置在室中用于發(fā)送聲波信號穿過流體的發(fā)送器、可移動地放置在流體中用于反射聲波信號的反射器，以及放置在室中用于探測聲波信號的反射的接收器。
在另一種實施方案中，本發(fā)明提供使用發(fā)送器、放置在流體中基本固定的反射器，以及接收器而聲學(xué)分析室中的流體樣品的方法。該方法包括從發(fā)送器發(fā)送聲波信號穿過流體，以及在接收器探測來自反射器的聲波信號反射的步驟。在另一種實施方案中，本發(fā)明提供使用發(fā)送器、可移動地放置在流體中的反射器，以及接收器而聲學(xué)分析室中的流體樣品的方法。該方法包括從發(fā)送器發(fā)生聲波信號穿過流體，以及當(dāng)反射器移動時在接收器探測來自反射器的聲波信號反射的步驟。


參考附圖描述本發(fā)明，其中相似參考數(shù)字指示相同或功能上類似的元件。
圖1是‘112申請的圖1中所說明的地層流體采樣器和協(xié)作設(shè)備的示意說明。
圖2是參考‘112申請的圖2描述的地層采樣工具的一種實施方案的示意截面圖。
圖3是說明本發(fā)明的一種實施方案及其相關(guān)部件的部分前視圖。
圖4A是圖3中所說明的反射器的沿著線4A-4A的橫截面?zhèn)纫晥D。
圖4B是圖4A中所示的反射器的另一種實施方案的橫截面?zhèn)纫晥D。
圖5是說明本發(fā)明的一種方法的流程圖。
具體實施例方式
在石油和天然氣行業(yè)中，為了找到油氣沉積和確定已知儲油層的油氣生產(chǎn)潛力花費(fèi)了大量金錢。在找出油氣和評估它們的潛力的尋求中，使用探井。這些井也可以用來確定所存在的油氣的其他性質(zhì)。用來構(gòu)造這些井的設(shè)計規(guī)范和材料成本通常依賴于油氣的性質(zhì)如油氣比、粘性、可壓縮性、氣泡點(diǎn)壓力、體積、速度和密度。
通常，有線地層測試工具如圖1中說明的Baker Atlas儲油層特征儀器可用來采樣通過探井從地層中提取的地層流體。最初，提取的流體可能受到鉆井過程中所使用的流體液濾(“泥漿”)高度污染。為了獲得足夠干凈的樣品(通常小于10％的污染物)，使得樣品將提供關(guān)于地層的有意義的實驗室數(shù)據(jù)，通常在實時監(jiān)測清洗時，從井筒中泵浦出地層流體。然后，可以將這些提取的流體井下收集到桶罐中供隨后在地面上的實驗室分析。因此，在井筒環(huán)境中的測量儀器必須在有限空間內(nèi)和在包括升高壓力、溫度、振動和沖擊的極端條件下工作。
本發(fā)明提出用于確定流體樣品的一個或多個性質(zhì)的這種儀器，它可用于實驗室環(huán)境和/或包含于供現(xiàn)場使用的常規(guī)有線流體采樣工具中。
現(xiàn)在參考圖3，說明用于流體樣品的聲學(xué)分析的裝置的一種實施方案。該裝置包括樣品流體的室300。室300包括密封的第一端302、可滑動地布置在室300的第二端306中的活塞304，以及用于將流體引入室300中的導(dǎo)管308。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)認(rèn)識到導(dǎo)管308只是可用來向室300充注流體樣品至預(yù)先確定壓力的許多部件的一種。相同的導(dǎo)管308，或另外的導(dǎo)管(沒有顯示)可用來安全和可控地從室300中放出流體樣品。
伺服電機(jī)310可通過一個或多個機(jī)器螺釘連接到活塞304，并通過電源/數(shù)據(jù)電纜330由計算機(jī)控制，以便驅(qū)動活塞304和改變室300中的流體的壓力和溫度的至少一個?；钊?04和室300可以隔熱以基本上維持室300中的流體的壓力和/或溫度。
將發(fā)送器和接收器放置在室300中，以分別用于發(fā)送聲波信號穿過流體以及探測聲波信號的反射?？梢詫l(fā)送器和接收器分別固定地安裝到室300中靠近第一端302和活塞304上，反之亦然。在一種實施方案中，在單個壓電換能器312中實現(xiàn)發(fā)送器和接收器，用固定地安裝在室300中靠近第一端302的靜止活塞314將它支撐在室300的流體中。0.5”直徑1MHz的Valpey Fisher壓縮波聲換能器是優(yōu)選的，但是可以使用發(fā)出大約0.5MHz至大約10MHz范圍內(nèi)聲波信號的任何換能器。因為換能器312自由地懸掛在室300中的流體樣品中，在換能器312和流體樣品之間不需要界面修正?？蛇x地，可以將換能器放置在活塞304上，這允許對應(yīng)于從儲油層壓力以下開始直到室300的壓力限制的壓力變化的聲波反射的連續(xù)監(jiān)測。其他優(yōu)點(diǎn)可以包括沙子進(jìn)入的早期指示和監(jiān)測泵浦效率。
將反射器316可移動地放置在室300內(nèi)的流體中以便反射聲波信號和混合流體。因此，將反射器316放置在換能器312對面并與活塞304相對。反射器可以是圖3和圖4A中所示的環(huán)形，可選地也可形成圖4B中所示的圓盤。在任一種實施方案中，反射器316包括第一反射面318和第二反射面320。反射器316還包括穿過反射器316的縱向開口322。反射器316形狀上基本是圓柱形的，但是根據(jù)材料要求和室300的設(shè)計可以包括可選的形狀。穿過反射器316的縱向通道322形成臺階而在反射器316中形成第二反射面320。因此，基于反射器316的構(gòu)造知道距離(D)?？梢杂镁哂凶銐虻偷臒崤蛎浵禂?shù)和高的體積模量的任何材料，包括例如當(dāng)材料在室300中受到極端溫度和壓力時減小距離(D)的任何變化的任何非腐蝕性金屬或金屬合金來制造反射器316。
因為反射器316自由地懸掛在室300內(nèi)并浸入到流體樣品中，它僅經(jīng)歷流體的均衡壓縮。不像其余部件，它不經(jīng)歷差應(yīng)力。因此，通過本領(lǐng)域中眾所周知的技術(shù)容易從其已知的材料性質(zhì)校準(zhǔn)作為溫度和壓力的函數(shù)的反射器體應(yīng)變。因此，當(dāng)材料在室300中受到極端溫度和壓力時，反射器316的材料性質(zhì)減輕距離(D)的任何變化。
在圖4B中說明反射器的可選實施方案。類似于反射器316，反射器416基本上是圓柱形，但是形成沒有圖4A中所示的縱向通道322的圓盤。反射器416還包括第一反射面418和第二反射面420。也可以用具有足夠低的熱膨脹系數(shù)和高的體積模量的任何材料制造反射器416。
方波脈沖器/接收器324通過電纜330跟換能器312電連接，以便驅(qū)動換能器312以及處理聲波信號的反射。Panametrics Model5077PR方波脈沖器/接收器是優(yōu)選的，但是也可使用其他商用脈沖器/接收器。脈沖器/接收器324可以通過從得克薩斯州休斯頓的Kemlon產(chǎn)品和研發(fā)公司獲得的高壓電饋通連接器跟換能器312電連接。脈沖器/接收器324優(yōu)選地以脈沖/回波模式驅(qū)動換能器312。脈沖器/接收器324提供射頻(RF)輸出，并且可以通過電纜330連接到將聲波信號的反射成像的示波器326?？墒褂萌魏紊逃檬静ㄆ魅鏏gilent Technologies 54657A 500MHz示波器。
計算機(jī)328可以用來操作伺服電機(jī)310、脈沖器/接收器324，以及示波器326。計算機(jī)328可以包括部件，包含處理單元、操作員界面，以及工具接口。計算機(jī)328還可以包括存儲器，其包含速度計算模塊、體積計算模塊、密度計算模塊，以及反射器校準(zhǔn)模塊。計算機(jī)328還可包含將包括存儲器的多個系統(tǒng)部件連接到處理單元的總線。計算機(jī)328是合適的計算環(huán)境的一個例子，并不打算暗示關(guān)于本發(fā)明用途和功能范圍的任何限制。此外，當(dāng)裝置在井筒中使用并且通過電纜330連接到地面時，可以將計算機(jī)328和示波器326放置在地層的表面。可選地，計算機(jī)328可以具有示波器，從而取消需要分立的示波器326?？梢杂萌魏我阎愋偷碾娎|構(gòu)建電纜330，用于在計算機(jī)328、脈沖器/接收器324和/或伺服電機(jī)310之間傳輸信號和/或功率。可選地，可將計算機(jī)328放置在地面之下，包含在裝置中，放置在遠(yuǎn)程位置，或放置在任何其他方便的地方。
存儲器優(yōu)選地存儲可描述為包含由計算機(jī)328執(zhí)行的計算機(jī)可執(zhí)行指令的程序模塊的各種模塊。反射器校準(zhǔn)模塊包含校準(zhǔn)反射器距離(D)所需的計算機(jī)可執(zhí)行指令。速度計算模塊包括計算在現(xiàn)場壓力下流體樣品的聲波速度所需的計算機(jī)可執(zhí)行指令。體積計算模塊包括計算室300中流體的體積所需的計算機(jī)可執(zhí)行指令。并且密度計算模塊包括計算流體的密度所需的計算機(jī)可執(zhí)行指令。在下面結(jié)合使用裝置的方法進(jìn)一步描述這些程序模塊。
一般地，程序模塊包括執(zhí)行特定任務(wù)或?qū)嵤┨囟ǔ橄髷?shù)據(jù)類型的例程、程序、對象、部件、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)等。此外，本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)認(rèn)識到可以用其他計算機(jī)系統(tǒng)配置，包括手持設(shè)備、多處理器系統(tǒng)、基于微處理器或可編程消費(fèi)電子、小型機(jī)、大型計算機(jī)等實施本發(fā)明。也可以在分布式計算環(huán)境中實施本發(fā)明，其中用通過通信網(wǎng)絡(luò)連接的遠(yuǎn)程處理設(shè)備執(zhí)行任務(wù)。在分布式計算環(huán)境中，可將程序模塊布置在包括存儲器設(shè)備的本地和遠(yuǎn)程計算機(jī)存儲媒介中。
雖然計算機(jī)328顯示為具有通用存儲器，但它可以包括許多計算機(jī)可讀媒介。作為例子而不是限制，計算機(jī)可讀媒介可以包括計算機(jī)存儲媒介和通信媒介。存儲器可以包括易失性和/或非易失性存儲器形式的計算機(jī)存儲媒介，例如只讀存儲器(ROM)和隨機(jī)存取存儲器(RAM)。包含例如在啟動期間幫助在計算機(jī)328中的元件之間傳輸信息的基本例程的基本輸入/輸出系統(tǒng)(BIOS)典型地存儲在ROM中。RAM典型地包含可立即訪問的和/或當(dāng)前正由處理單元運(yùn)行的數(shù)據(jù)和/或程序模塊。作為例子而不是限制，計算機(jī)328還包括操作系統(tǒng)、應(yīng)用程序、其他程序模塊，以及程序數(shù)據(jù)。
存儲器中所示的部件還可以包含在其他可移動/不可移動、易失性/非易失性計算機(jī)存儲媒介中。僅作為例子，硬盤驅(qū)動器可以對不可移動的、非易失性磁介質(zhì)進(jìn)行讀寫，磁盤驅(qū)動器可以對可移動的、非易失性磁盤進(jìn)行讀寫，并且光盤驅(qū)動器可以對可移動的、非易失性光盤，例如CD ROM或其他光媒介進(jìn)行讀寫?？梢栽诎ǖ幌抻诖艓Ш?、閃存卡、數(shù)字通用盤、數(shù)字視頻帶、固態(tài)RAM、固態(tài)ROM等的示例操作環(huán)境中使用其他可移動/不可移動、易失性/非易失性計算機(jī)存儲媒介。上面討論的和在圖3中說明的驅(qū)動器和它們的相關(guān)計算機(jī)存儲媒介提供計算機(jī)可讀指令、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、程序模塊，以及計算機(jī)328的其他數(shù)據(jù)的存儲。
在操作中，這樣描述的裝置可用來以具有優(yōu)于常規(guī)工具的改進(jìn)精確度確定室300中高達(dá)大約400和25,000psi的各種流體的聲波速度和其他物理性質(zhì)。各種流體包括但不限于儲油層油氣和其他類型的易混合流體和多相不易混合流體。如果單相易混合流體是優(yōu)選的，那么當(dāng)需要維持均勻溶液時，反射器316或416的任一個可以用來混合或攪動流體樣品。這可以使用兩個獨(dú)立驅(qū)動的電磁線圈來實現(xiàn)。例如，在圖3所示的實施方案中使用第一線圈340和第二線圈342。每個線圈340和342分別圍繞室300以形成至少一個完整環(huán)。每個線圈340和342可以使用電纜330跟電源連接，它可以是跟用來驅(qū)動換能器312的相同的電源。通過交替供電給每個線圈340和342，由于反射器的材料性質(zhì)，可以在室300內(nèi)操縱反射器316或416。從而反復(fù)操縱反射器的過程用來混合流體樣品。如參考圖5進(jìn)一步描述的，反射器的操縱也可用于確定流體樣品的體積、速度和氣泡點(diǎn)壓力。
圖5中的流程圖說明用于操作參考圖3描述的裝置的方法的一種實施方案。在步驟500中，可以基于構(gòu)成反射器316的材料的已知熱膨脹系數(shù)和室300中流體樣品的壓力校準(zhǔn)在第一反射面318和第二反射面320之間的距離(D)。但是，根據(jù)構(gòu)成反射器316或416的材料，可能不需要校準(zhǔn)該距離(D)。
在步驟502中，換能器312發(fā)送聲波信號。當(dāng)信號離開換能器312時，在它穿過室300中的流體時它在多個方向上輻射。路徑332定義聲波信號當(dāng)它離開換能器312、從第一反射面318反射，并返回到換能器312時的運(yùn)動。路徑334定義聲波信號當(dāng)它離開換能器312、從第二反射面320反射，并返回到換能器312時的運(yùn)動。路徑336定義聲波信號當(dāng)它通過開口322、從活塞304反射，并返回到換能器312時的運(yùn)動。在每種情況中，反射器316基本上固定，但是如下面說明的也可從路徑336移開。
當(dāng)聲波信號沿著路徑332、334和336行進(jìn)時，在步驟504中由換能器探測聲波信號的反射?；诼暡ㄐ盘柋闅v每個路徑332、334和336所花費(fèi)的飛行時間，可以在步驟506中確定室300中的流體樣品的聲波速度、體積和密度。
可以確定在預(yù)先確定的溫度和壓力(Vel.T，P)下室300中的流體樣品的聲波速度Vel.T，P＝DT，P÷0.5×(T2-T1)其中DT，P是在流體樣品溫度和壓力下的校準(zhǔn)距離(D)；T2是聲波信號沿著路徑334行進(jìn)的飛行時間；并且T1是聲波信號沿著路徑332行進(jìn)的飛行時間。對于更精確的結(jié)果，可以使用導(dǎo)致重復(fù)聲波的多信號重復(fù)該計算。示波器326顯示探測反射的圖像，使得使用示波器326和/或計算機(jī)328可容易確定T2和T1。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)使用該方法的水的聲波速度測量符合物理常量的AGU參考中引用的聲波速度的+/-0.5％內(nèi)。
一旦知道聲波速度(Vel.T，P)，可以確定預(yù)先確定的溫度和壓力下的樣品體積(Vol.T，P)Vol.T，P＝(0.5×T3×Vel.T，P)×(π×R2)其中T3是聲波信號遍歷路徑336的飛行時間，而R是活塞半徑。為了減小測量T3時誤差的可能性，應(yīng)當(dāng)將反射器316或416放置成遠(yuǎn)離路徑336。例如，妨礙路徑336的反射器316或416的任何表面可能產(chǎn)生T3的錯誤結(jié)果?？梢酝ㄟ^移動室300和/或給第一線圈340加電以吸引反射器316或416遠(yuǎn)離路徑336來實施這點(diǎn)。
一旦知道流體樣品體積(Vol.T，P)，可以確定預(yù)先確定的溫度和壓力下流體樣品的密度(Den.T，P)Den.T，P＝M÷Vol.T，P其中M是室300中的流體樣品的已知質(zhì)量。另外的反射面可用來測量聲波信號在不易混合流體樣品的每個相中的飛行時間(TN)和/或用來測試均勻性。
也可以使用第一線圈340和第二線圈342確定粘性、流體流動阻力。例如在步驟506中，可以通過在第一線圈340和第二線圈342之間交替供電，在室300中預(yù)先確定的第一位置和預(yù)先確定的第二位置之間操縱反射器316或416。當(dāng)由于第一線圈340和第二線圈342所施加的磁力，反射器316或416在室300中移動時，第一預(yù)先確定位置和第二預(yù)先確定位置之間的距離對于使用示波器的本領(lǐng)域技術(shù)人員變得顯然。用聲波信號從第一位置和第二位置處的反射器316或416反射，并返回到換能器312的飛行時間之間的差(ΔT)來確定反射器316或416在第一位置和第二位置之間移動所花費(fèi)的時間。因此，反射器316或416當(dāng)它移過流體時的速度是反射器316或416的第一位置和第二位置之間的距離除以ΔT。可以使用眾所周知的技術(shù)從反射器316或416的速度及其已知的物理性質(zhì)確定流體的粘性。該技術(shù)提供改進(jìn)的粘性曲線而不需要復(fù)雜和昂貴的時序電路。此外，可以在現(xiàn)場位置執(zhí)行該技術(shù)，從而可以取消使用復(fù)雜的實驗室設(shè)備。
在實驗上測試用于確定室300中的流體樣品的各種物理性質(zhì)的前述裝置和方法，這在下面的例子中進(jìn)一步描述。
實施例1在該例子中，參考圖3描述的裝置在實驗室架構(gòu)中用來分析在242溫度下的具有49.8710克的質(zhì)量的原油流體樣品。包含原油樣品的室受到下面表格1中所示的各種壓力，每個壓力(列1)表示為磅每平方英寸。在每個壓力下，發(fā)送聲波信號穿過原油樣品，并且聲波信號從反射器(環(huán)形)和活塞的反射被探測、記錄并用來編譯表格1。每個壓力下原油樣品中聲波信號的速度(Vel.TP)表示為英尺每秒(列2)；每個壓力下的原油樣品的密度(Den.TP)表示為克每立方厘米(列3)；并且每個壓力下的原油樣品的體積(Vol.TP)表示為立方厘米(列10)。距離(D)為1.503英寸，表示第一反射面和第二反射面之間的距離。T1和T2分別根據(jù)環(huán)頂(列6)和環(huán)底(列7)以微秒表示。T3根據(jù)活塞也以微秒表示(列8)。圓柱位置(列9)基于列1和列2中相應(yīng)的壓力和速度數(shù)值以英寸來表示活塞304和換能器312之間的距離。圓柱位置用來確定原油樣品體積，在每個壓力下使用體積校正因子9.4136c.c.來調(diào)節(jié)它。
基于預(yù)先確定的溫度和壓力下原油樣品的速度、體積和/或密度，還可以確定它的可壓縮性和絕熱可壓縮性。原油樣品的可壓縮性是確定儲油層品質(zhì)的基本部分。施加壓力到原油樣品會減小其體積。相反地，施加壓力到原油樣品將增加其密度，這在表格1中反映。
表1

可壓縮性(列4)由下式確定Com.＝(Vol.T，P1-Vol.T，P2)÷(P1-P2×1/Vol.T，P1)其中Vol.T.P1是在預(yù)先確定溫度(T)和壓力(P1)下的原油樣品的初始體積；Vol.T，P2是在相同的溫度(T)但不同的壓力(P2)下的原油樣品的體積。絕熱可壓縮性(列5)對于儲油層管理也可能有用，通過下式確定Com.＝√Vel.T，P÷Den.T，P其中先前已計算了Vel.T，P和Den.T，P。將冪律調(diào)整應(yīng)用到表格1中說明的數(shù)據(jù)上，以便提供數(shù)據(jù)的線性圖。通過本例子和其他例子說明的結(jié)果顯示出這里用來確定密度(Den.T，P)的裝置和技術(shù)比使用比重瓶的密度測量更精確，比重瓶被確定包含大約-0.39％的誤差幅度。
表示開始在包含溶解氣體的原油樣品上面形成氣泡的壓力的氣泡點(diǎn)壓力在儲油層管理中扮演重要角色。例如，在低于氣泡點(diǎn)壓力的壓力下獲取的原油樣品通常產(chǎn)生比原油更大的其他體積。可以通過將原油樣品壓縮到高于其氣泡點(diǎn)的壓力，然后緩慢地減小其壓力并觀察(視覺上或使用可壓縮性結(jié)果)何時和何處開始形成氣泡，從而測量氣泡點(diǎn)壓力。因為可以僅通過攪動或混合原油樣品確定精確的氣泡點(diǎn)壓力，參考圖3描述的裝置及其現(xiàn)場應(yīng)用很好地適合于氣泡壓力測量。
因此，本發(fā)明提供用于流體表征和定量解釋的流體性質(zhì)的精確有效確定而不需要?dú)w因于動態(tài)室尺寸的校準(zhǔn)。石油和天然氣勘探領(lǐng)域的技術(shù)人員將認(rèn)識到本發(fā)明的現(xiàn)場應(yīng)用可用于地震活動的定量解釋，例如幅度校準(zhǔn)和油氣遠(yuǎn)景的評估。其他好處將是顯然的，包括與流體樣品提取同時的分析；不依賴于處理、傳輸和輸出；由于以更近間隔的流體表征，成分梯度的更精確確定；作為在地層流體樣品測量時對泥漿液濾入侵的更精確校正的結(jié)果，更干凈的樣品；Gassmann流體置換方程的輸入；確定何時流體樣品足夠干凈供測試；監(jiān)測流體樣品對溫度和壓力的依賴性，這可能包含4D校準(zhǔn)的重要信息；
作為漸減壓力的函數(shù)的儲油層溫度下聲波性質(zhì)的測量，其提供原油的氣泡點(diǎn)壓力的很好評估。
重組分(瀝青)漏失的立即探測，從而防止對更改樣品的昂貴分析；協(xié)同來自光、聲、嗅覺、毛細(xì)管壓力和NMR設(shè)備的其他結(jié)果；可能的粘性和滲透性測量；以及如果需要的話，將流體樣品回復(fù)到其現(xiàn)場狀態(tài)，以及將現(xiàn)場條件跟它的回復(fù)性質(zhì)比較。
參考圖3描述的本發(fā)明可以容易地包含于圖1和圖2中說明的流體采樣設(shè)備的設(shè)計中。參考圖2，聚集室30包括圓柱形壁42，其封套在相對的圓柱形塞子47和49之間的圓柱形體積50。在圓柱形體積50中是兩個自由活塞54和56。自由活塞54和56將圓柱形體積50分成三個可變的體積室60，62和64。
例如，地層樣品室64可以跟來自通過塞子47中圓柱體連接的地層泵19的閥門控制地層流體傳輸導(dǎo)管70相通。在最終組裝時將攪動球55放置在樣品室64中。井筒室60可以容納導(dǎo)管76，它具有跟井筒環(huán)面的不可控的可逆流體連通。可以通過導(dǎo)管86和活塞54給在活塞54和56之間的中間室62充注合適的氣體。導(dǎo)管86包括跟設(shè)置在活塞銷孔座58中的閥門或塞子89串聯(lián)的止回閥88。
圓柱形端部塞47和49形成關(guān)于定位器套子68和69的密封界面。將端部塞49從圓柱體端部移走，以便連接到活塞導(dǎo)管86。當(dāng)中間體積62充注上氣體時，氣體壓力驅(qū)動活塞54和56對抗相對限制套子68和69。當(dāng)氣體充注完成時，從活塞導(dǎo)管86移走充注導(dǎo)管。止回閥88防止來自體積62的廢氣流，直到導(dǎo)管86被閥門89密閉。通過裝配端部塞49最后密閉圓柱形樣品室64。井筒流體導(dǎo)管76穿透端部塞。
可以用圖3中的反射器316代替圖2中的混合球55。可以將換能器312放置在圖2中的活塞56上或者圖2中的塞子47中?？蛇x地，可以將分立的發(fā)送器和接收器分別放置在活塞56或塞子47上，反之亦然。對塞子47和/或活塞56的名義修改可能是必要的并且對于本領(lǐng)域技術(shù)人員是顯然的?？梢酝ㄟ^連接圖1中的脈沖器/接收器324跟纜繩12來修改圖2中所示的采樣工具的其余部分，以便將來自換能器12的聲波數(shù)據(jù)沿著井筒向上發(fā)送到地面供復(fù)查和分析。因此，圖2中說明的設(shè)備已提供用于將室64中的流體樣品維持在現(xiàn)場條件的裝置，從而僅需要輕微修改，以包括用于確定室64中的流體樣品的各種聲波性質(zhì)的必要部件。另外，可取消伺服電機(jī)310，并且活塞304和室300不一定需要絕緣。
概括地說，本發(fā)明允許在現(xiàn)場條件下的多種應(yīng)用的流體性質(zhì)的實時表征。因此，已關(guān)于具體實施方案描述了本發(fā)明，其打算在所有方面是說明性的而不是限制性的?？蛇x實施方案對本發(fā)明適用領(lǐng)域的技術(shù)人員是顯然的，而不背離其范圍。
從前述，將看到本發(fā)明是非常適合于獲得前述所有目的和目標(biāo)以及裝置和方法所明顯的和固有的其他優(yōu)點(diǎn)的一個發(fā)明。應(yīng)當(dāng)明白某些特征和子組合是有用的，并且可以利用而不需要參考其他特征和子組合。這被認(rèn)為包含在權(quán)利要求的范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種聲學(xué)地分析流體的裝置，包括保持流體的室；放置在室中用于發(fā)送聲波信號穿過流體的發(fā)送器；可移動地放置在流體中用于反射聲波信號的反射器；以及放置在室中用于探測聲波信號的反射的接收器。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的裝置，其中室包括密封的第一端、可滑動地布置在室的第二端中的活塞，以及用于將流體引入室中的導(dǎo)管。
3.根據(jù)權(quán)利要求2的裝置，還包括用于驅(qū)動活塞和改變室中的流體的壓力和溫度的至少一個的伺服電機(jī)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1的裝置，其中室隔熱以基本上維持室中的流體的壓力和/或溫度的至少一個。
5.根據(jù)權(quán)利要求1的裝置，其中發(fā)送器和接收器在單個壓電換能器中實現(xiàn)。
6.根據(jù)權(quán)利要求5的裝置，還包括連接到換能器的方波脈沖器/接收器，用于驅(qū)動換能器并處理聲波信號的反射。
7.根據(jù)權(quán)利要求6的裝置，還包括連接到方波脈沖器/接收器的示波器，用于成像聲波信號的反射。
8.根據(jù)權(quán)利要求6的裝置，其中反射器是相對于活塞與換能器相對放置的環(huán)。
9.根據(jù)權(quán)利要求1的裝置，還包括第一電磁線圈和第二電磁線圈，第一電磁線圈和第二電磁線圈被獨(dú)立地驅(qū)動以操作反射器。
10.根據(jù)權(quán)利要求1的裝置，其中反射器包括第一反射表面和第二反射表面的至少一個，用于分析包括速度、體積、密度、可壓縮性和粘性中至少一個的流體性質(zhì)。
11.根據(jù)權(quán)利要求1-10中的裝置，其中流體分析器被包含在下降到地層里的井筒中的工具中，從而現(xiàn)場分析所述流體。
12.一種使用發(fā)送器、可移動地放置在室內(nèi)流體中基本固定的反射器、以及接收器而聲學(xué)地分析室中的流體的方法，該方法包括步驟從發(fā)送器發(fā)送聲波信號穿過流體；以及在接收器探測來自反射器的聲波信號反射。
13.根據(jù)權(quán)利要求11的方法，其中發(fā)送器和接收器在單個壓電換能器中實現(xiàn)。
14.根據(jù)權(quán)利要求11的方法，其中反射器是相對于室的另一端與換能器相對放置的環(huán)。
15.根據(jù)權(quán)利要求11的方法，還包括確定流體性質(zhì)包括速度、體積、密度、可壓縮性和粘性中至少一個的步驟。
16.根據(jù)權(quán)利要求11的方法，其中在預(yù)先確定的溫度和壓力下通過流體的聲波信號的速度(Vel.T，P)由下式確定Vel.T，P＝DT，P÷.5×(T2-T1)。
17.根據(jù)權(quán)利要求15的方法，其中在預(yù)先確定的溫度和壓力下的流體的體積(Vol.T，P)由下式確定Vol.T，P＝(.5×T3×Vel.T，P)×(π×R2)。
18.根據(jù)權(quán)利要求16的方法，其中在預(yù)先確定的溫度和壓力下流體的密度(Den.T，P)由下式確定Den.T，P＝M÷Vol.T，P。
19.根據(jù)權(quán)利要求11的方法，還包括確定流體性質(zhì)包括速度、體積、密度、可壓縮性和粘性中至少一個的步驟。
20.根據(jù)權(quán)利要求12-19的方法，還包括將流體分析器結(jié)合于工具并且將該工具下降到地層中的井筒中以現(xiàn)場執(zhí)行流體分析的步驟。
全文摘要
本發(fā)明公開一種聲學(xué)地分析流體樣品并確定樣品的一個或多個性質(zhì)的裝置和方法。該裝置包括室、放置在室中用于發(fā)送聲波信號穿過流體的發(fā)送器、可移動地放置在室內(nèi)流體中用于反射聲波信號的反射器，以及放置在室內(nèi)用于探測聲波信號的反射的接收器。該方法利用發(fā)送器、可移動地放置在室內(nèi)流體中的反射器，以及接收器，以基于其一個或多個聲學(xué)性質(zhì)表征流體樣品。
文檔編號E21B47/00GK1947005SQ200580012264
公開日2007年4月11日 申請日期2005年4月6日 優(yōu)先權(quán)日2004年4月9日
發(fā)明者穆罕默德·N·哈希姆, 邁克爾·T·梅耶斯 申請人:國際殼牌研究有限公司