專利名稱：用于井底流體分析的方法和裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及可應(yīng)用于在諸如油井或天然氣井的碳?xì)浠衔镩_采井的勘探和開發(fā)過程中進(jìn)行地層評(píng)估和測(cè)試的井底流體分析領(lǐng)域。尤其是，本發(fā)明提供了適于利用光學(xué)技術(shù)對(duì)這種礦井生產(chǎn)的流體進(jìn)行井底分析的方法和裝置。
背景技術(shù)：
為了評(píng)估圍繞鉆孔的地下地層的特性，經(jīng)常要從鉆孔中多個(gè)特定位置處獲取地層流體的樣本。已經(jīng)開發(fā)了各種工具，使得能夠在單獨(dú)一次測(cè)井操作中從地層中獲取多個(gè)樣本。這種工具的示例可以在US3780575和US3859851中找到。
Schlumberger的RFT和MDT工具代表兩個(gè)特定類型的采樣工具。尤其是，MDT工具包括流體分析模塊，可以分析由該工具采樣的流體。圖1示出這種工具的示意圖，并包括鉆孔工具10，用于測(cè)試地球構(gòu)造并分析來自該地層的流體的成份。工具10從測(cè)井電纜15的下端懸掛于鉆孔12中，該電纜15以傳統(tǒng)形式連接到包含有適宜的用于控制該工具的電子儀器和處理系統(tǒng)的地面系統(tǒng)18上。工具10包括細(xì)長(zhǎng)的主體19，該主體19封閉工具控制系統(tǒng)16的井底部分。該主體19也帶有一個(gè)可選擇地延伸的流體導(dǎo)入組件20(例如，如上面參照的專利’575和’851中所示，并如US4860581所描述的，它們合并于此作為參考)以及一個(gè)可選擇性延伸的錨定元件21，二者相應(yīng)地布置在主體19的相對(duì)側(cè)上。配備該流體導(dǎo)入組件20，以用來選擇性密封或隔離鉆孔12側(cè)壁的各部分，以便與相鄰地層建立壓力或流體連通。流體分析模塊25也包含在該工具主體19內(nèi)，所獲取的流體可以通過其流動(dòng)。然后，流體可以通過一個(gè)開口(未示出)排出而回到鉆孔中，或者，可以傳送到一個(gè)或多個(gè)采樣室22、23內(nèi)，以用于在地面回收。流體導(dǎo)入組件、流體分析部分以及通向采樣室的流體路徑的控制由電子控制系統(tǒng)16、18來維持。
如上述MDT中所發(fā)現(xiàn)的，作為流體分析模塊25的OFA確定MDT流束中流體的同一性(identity)并量化油和水的含量。尤其是，US4994671(合并于此作為參考)描述了一種鉆孔裝置，其包括檢測(cè)室、用于將流體樣本引入檢測(cè)室的裝置、優(yōu)選地發(fā)出近紅外線和可見光的光源、光譜探測(cè)器、數(shù)據(jù)庫裝置以及處理裝置。從地層吸入檢測(cè)室的流體通過將光線照射到流體上，探測(cè)透射光和/或反向散射光的光譜，并相應(yīng)地處理信息(優(yōu)選地基于與不同光譜相關(guān)的數(shù)據(jù)庫中的信息)來分析，以便量化流體中水和油的量。從而，地層中的油可以正確地得以分析并按類型量化。
US5167149和US5201220(都合并于此作為參考)描述了用于估計(jì)流束中存在的氣體量的裝置。將棱鏡附著到流束中的窗口上，并將光線通過棱鏡引導(dǎo)向窗口，并探測(cè)自窗口/流體交界面以特定角度反射的光線，以表示流體中氣體的存在。
如US5266800(合并于此作為參考)中所描述的，通過監(jiān)視經(jīng)一段時(shí)間獲得的流體樣本的光學(xué)吸收光譜，可以相對(duì)于泥漿濾液作出關(guān)于何時(shí)獲得地層中的油的判定。此外，如授予Hines的US5331156中所述，通過以預(yù)定的能量進(jìn)行流束的光密度(OD)測(cè)量，可以量化兩相流束中的油和水的比率(fraction)。
在US5167149和US5201220(二者都合并于此作為參考)中描述了現(xiàn)場(chǎng)氣體量化，在此情況下，可以通過提供氣體探測(cè)模塊來獲得對(duì)流束中存在的氣體量的粗略估計(jì)，該氣體探測(cè)模塊具有探測(cè)器陣列，探測(cè)具有特定入射角的反射光線。
油氣比(GOR)是從碳?xì)浠衔锏V井中獲取的流體的重要特性，且一般僅在地面測(cè)量。US5939717(合并于此作為參考)描述了一種用來確定GOR的方法，該方法包括提供OFA模塊，該模塊使得地層流體經(jīng)歷NIR照射，并提供在大約6000cm-1和5800cm-1處的峰值光譜測(cè)量。這個(gè)方法包括計(jì)算吸收峰值振幅的比率，以確定GOR。另外，計(jì)算比率的方法包括參照地層流體中發(fā)現(xiàn)的碳?xì)浠衔锕庾V的數(shù)據(jù)庫，并調(diào)節(jié)甲烷和油峰值的振幅，以解決(account for)其他碳?xì)浠衔飳?duì)地層流體光譜的影響。
雖然GOR本身為有用的測(cè)量結(jié)果，但是隨著流體從地層流入OFA流動(dòng)管線經(jīng)過一段時(shí)間后測(cè)得的GOR的演變可以用來確定地層流體被基于油的泥漿濾液等的污染程度。這種方法的示例在USSN09/255999和USSN09/300190中看到(二者都合并于此作為參考)。
本發(fā)明尋求提供一種用來估計(jì)GOR以及相關(guān)的測(cè)量值的方法，用來解釋這種測(cè)量值的方法以及適于進(jìn)行這種測(cè)量的裝置。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的第一方面提供了一種用于確定GOR的方法，包括使流體在對(duì)氣體敏感的第一波長(zhǎng)和對(duì)油敏感的第二波長(zhǎng)處經(jīng)歷光譜分析；針對(duì)氣體在第一和第二波長(zhǎng)處的影響和油在第一和第二波長(zhǎng)處的影響確定響應(yīng)矩陣；確定信號(hào)響應(yīng)矢量和兩個(gè)波長(zhǎng)；從響應(yīng)矩陣和信號(hào)響應(yīng)矢量中計(jì)算質(zhì)量分率矢量，并利用質(zhì)量分率矢量確定GOR。
本發(fā)明的第二方面提供了一種用于確定GOR的裝置，其包括至少在對(duì)氣體敏感的第一波長(zhǎng)和對(duì)油敏感的第二波長(zhǎng)處工作的光譜模塊；設(shè)置成從響應(yīng)矩陣和信號(hào)響應(yīng)矢量導(dǎo)出的重量分率矢量確定GOR。
本發(fā)明的第三方面提供了一種補(bǔ)償對(duì)地層流體的光譜測(cè)量中的溫度影響的方法，包括為數(shù)據(jù)源和測(cè)量數(shù)據(jù)確定溫度相關(guān)曲線，并基于測(cè)量的響應(yīng)和溫度相關(guān)曲線分析流體。
本發(fā)明的第四方面提供了一種用于探測(cè)流動(dòng)管線中氣體的方法，包括流體在流動(dòng)管線中至少在對(duì)甲烷的存在敏感的波長(zhǎng)處經(jīng)歷光譜測(cè)量，并利用測(cè)量響應(yīng)來標(biāo)示氣體的存在。
本發(fā)明第五方面提供了一種探測(cè)流動(dòng)管線中流體內(nèi)的污染物的方法，包括使流動(dòng)管線中的流體至少在對(duì)甲烷存在敏感的波長(zhǎng)處經(jīng)歷光譜測(cè)量，并利用測(cè)量響應(yīng)來指示污染物的存在。
本發(fā)明第六方面提供了一種用于分析井底流體的裝置，包括串聯(lián)到流動(dòng)管線上的兩個(gè)光譜分析模塊，各模塊輸出的相關(guān)性用來計(jì)算流體管線中流體的流量。


圖1示出包括流體分析模塊的現(xiàn)有技術(shù)工具；圖2示出用在根據(jù)本發(fā)明中的工具中的氣體探測(cè)隔室(cell)；圖3示出用于根據(jù)本發(fā)明中的工具中的光譜隔室；圖4示出用于本發(fā)明實(shí)施例中的氣體和光譜隔室的俯視圖；
圖5示出用于本發(fā)明實(shí)施例中的氣體和光譜隔室的側(cè)視圖；圖6示出氣體隔室窗口和棱鏡的細(xì)節(jié)；圖7示出氣體和光譜隔室的側(cè)視圖，為了清晰而省略了一些部分；圖8示出圖7中線BB上的氣體隔室的橫截面圖；圖9示出圖7中線AA上的光譜隔室的橫截面圖；圖10示出光譜儀模塊的示意圖；圖11示出溫度補(bǔ)償數(shù)據(jù)的曲線；圖12示出根據(jù)本發(fā)明一個(gè)方面的帶有兩個(gè)光譜模塊的工具的實(shí)施例；圖13示出包括氣體的樣本的記錄相對(duì)時(shí)間的片段；圖14示出用于確定GOR的實(shí)驗(yàn)配置；圖15示出對(duì)于各種光譜窗口的、作為甲烷質(zhì)量密度函數(shù)的積分平均光譜儀OD值的曲線；圖16示出對(duì)于各種光譜窗口的、作為n-庚烷質(zhì)量密度函數(shù)的積分平均光譜儀OD值的曲線；圖17示出根據(jù)本發(fā)明一個(gè)方面預(yù)測(cè)的GOR值相對(duì)于為二元混合物測(cè)量的實(shí)際值；圖18示出含氣原油樣本和由一常數(shù)調(diào)整的理論二元混合物圖形的相應(yīng)曲線；以及圖19和20示出各種光譜儀通道相對(duì)于用于散射校正的時(shí)間的曲線。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明可以應(yīng)用于上面參照?qǐng)D1且在US4860581中描述的諸如MDT的工具中。并不認(rèn)為MDT工具的各方面與本發(fā)明相關(guān)，并且它對(duì)本發(fā)明也沒有貢獻(xiàn)，因此下面將不再描述它的功能。
尤其是，本發(fā)明在如上面和US4994671中所描述的MDT工具的OFA模塊中找到用武之處。對(duì)于先前的實(shí)施例，合并有本發(fā)明的流體分析模塊包括氣體探測(cè)器隔室，它一般如US5167149和US5201220中所描述的那樣工作，并包括光譜模塊，它一般如上面引用的專利’671中所描述的那樣工作。下面將詳細(xì)描述根據(jù)本發(fā)明的氣體探測(cè)器隔室和光譜模塊的構(gòu)成和工作方式。
氣體探測(cè)器隔室的結(jié)構(gòu)在圖2中詳細(xì)示出。該隔室形成在從地層接納流體的MDT的流動(dòng)管線100中。在流動(dòng)管線100中設(shè)置了開口102，以容放窗口、棱鏡和凸緣結(jié)構(gòu)。流動(dòng)通道104設(shè)置在流動(dòng)管線100內(nèi)，而藍(lán)寶石窗口106安裝到通道104上的開口102內(nèi)。藍(lán)寶石棱鏡108固定成與流動(dòng)通道104相對(duì)側(cè)上的窗口106的表面光學(xué)接觸。窗口106和棱鏡108借助于不銹鋼凸緣109固定在開口102內(nèi)，該不銹鋼凸緣109螺紋連接到流動(dòng)管線100上，并克服流動(dòng)管線100流體的壓力而將窗口106固定到位。有效的密封是通過在窗口106和流動(dòng)通道104之間利用特氟龍的窗口支撐件110并利用開口102中圍繞窗口106的O形圈113而得以確保的。凸緣還設(shè)置有光學(xué)接頭(圖2中未示出)，其光學(xué)上連接到棱鏡108的上表面上。窗口106和棱鏡108的上和下表面拋光到光學(xué)特性，而窗口106的側(cè)表面拋光以利于密封。
光譜隔室在圖3中詳細(xì)示出。該隔室與上述氣體探測(cè)器隔室位于相同的流動(dòng)管線100內(nèi)。在這種情況下，在流動(dòng)管線100內(nèi)設(shè)置相對(duì)的開口120、122，開口中每一個(gè)分別容納輸入和輸出窗口以及凸緣結(jié)構(gòu)。在結(jié)構(gòu)上，隔室的輸入和輸出側(cè)是相同的，因而僅詳細(xì)描述輸入側(cè)。蒙乃爾合金的流動(dòng)通道124位于流動(dòng)管線100內(nèi)、開口120和122之間，并限定了窗口定位支座。藍(lán)寶石窗口126彼此面對(duì)地位于該支座內(nèi)，跨過流動(dòng)通道124。窗口126通過不銹鋼凸緣128固定到位，而不銹鋼凸緣128設(shè)置有光學(xué)接頭，以將窗口126的外表面與光纖束130連接。該凸緣彼此螺紋固定，從而將窗口密封到支座上。利用墊圈和O形圈132輔助密封。窗口126的內(nèi)表面和外表面拋光到光學(xué)特性，側(cè)表面拋光以利于密封。
氣體探測(cè)器隔室140和光譜隔室145便利地設(shè)置于流動(dòng)管線中的單獨(dú)結(jié)構(gòu)中，該結(jié)構(gòu)在圖4到圖9中詳細(xì)示出，且為了清晰起見省略了一些部分。
上述光譜隔室形成光譜儀模塊的一部分，其主要結(jié)構(gòu)在圖10中示出。光譜儀包括鹵素?zé)?，即廣譜光源150，該光源150將光線通過調(diào)整盤152(由斷路電動(dòng)機(jī)(chopper motor)154驅(qū)動(dòng))傳播到光纖束156中。從光纖束156獲取輸出，以向電機(jī)同步光電二極管158提供輸入，向光分布器160(形成下面詳細(xì)描述的探測(cè)器的一部分)以及向測(cè)量路徑162提供光源光輸入159，該測(cè)量路徑向光譜儀隔室145提供輸入。由旋轉(zhuǎn)電磁開關(guān)166驅(qū)動(dòng)的標(biāo)定輪164選擇光是否傳播到光源光輸入路徑159、測(cè)量路徑162或二者中。輸入光纖束168連接到隔室的輸入凸緣170上，并光學(xué)連接到藍(lán)寶石窗口172上。光從窗口172透過，通過另一個(gè)藍(lán)寶石窗口172而跨越流動(dòng)路徑174，并傳播到輸出凸緣178上連接的輸出光纖束176中。輸出光纖束也連接到光分布器160上。光分布器160將從光源光輸入159和輸出光纖束176接收的光分布到多個(gè)不同通道中。為了舉例的目的，僅僅示出了四個(gè)通道，但是實(shí)際上可以采用其他數(shù)量。一個(gè)特別優(yōu)選的示例具有十一個(gè)通道。每個(gè)通道包括透鏡180和帶通濾波器182結(jié)構(gòu)，其饋送到光電二極管184。濾波器選擇成在從可見光到近紅外光范圍內(nèi)為各通道選擇預(yù)定的光波長(zhǎng)。每個(gè)通道相對(duì)于所考慮的波長(zhǎng)提供輸出信號(hào)。
光譜模塊具有四種模式睡眠、黑暗、光源和測(cè)量。當(dāng)模塊在睡眠模式時(shí)，電源接通，但是燈150和斷路電動(dòng)機(jī)154都斷開。模塊不探測(cè)任何東西。當(dāng)在黑暗模式時(shí)，燈150和電動(dòng)機(jī)154都接通，但電磁開關(guān)166阻擋光源和測(cè)量路徑159和162。探測(cè)不到任何光，而模塊測(cè)量背景電平。在光源模式中，電磁開關(guān)166打開光源路徑159，但是測(cè)量路徑162仍阻塞。來自燈159的光可以穿過光源路徑159，而作為基準(zhǔn)光譜得以測(cè)量。當(dāng)模塊在測(cè)量模式下時(shí)，電磁開關(guān)166打開測(cè)量路徑162，而電源路徑159被阻擋。來自鹵素?zé)?59的光進(jìn)入輸入光纖束168，并經(jīng)由藍(lán)寶石窗口172穿過流動(dòng)管線174內(nèi)的流體，而進(jìn)入輸出光纖束176中，由此到達(dá)分布器160，并作為流體光譜數(shù)據(jù)被探測(cè)。
當(dāng)用于確定GOR時(shí)，需要模塊具有對(duì)測(cè)得的光譜中的甲烷峰值敏感的通道。這個(gè)峰值發(fā)生在1671nm處，同時(shí)例翼在1650nm處。提出了兩個(gè)用于探測(cè)這個(gè)峰值的方法。在第一個(gè)方法中，使用窄帶濾波器來只探測(cè)1671nm峰值。適宜的濾波器應(yīng)具有1671nm的中心波長(zhǎng)(CW)以及15nm的半最大值全波(FWHM)。在第二個(gè)方法中，通道探測(cè)峰值和側(cè)翼二者。在這種情況下，可以使用1657.5nmCW和35nmFWHM的濾波器。不同的濾波器對(duì)信號(hào)電平和背景電平作出不同的響應(yīng)，并因此最適當(dāng)?shù)倪x擇應(yīng)基于不同的情況作出。如果需要的話，可以提供寬帶和窄帶甲烷通道，盡管這將有損于其他波長(zhǎng)測(cè)量可用的通道數(shù)量。
由于GOR測(cè)量是絕對(duì)測(cè)量，光譜的測(cè)量精度非常重要。為了在25到175℃的溫度范圍內(nèi)保持測(cè)量精度，引入了溫度補(bǔ)償系統(tǒng)。在從25℃到175℃的若干溫度處獲取第一測(cè)量模式數(shù)據(jù)(Mcal(Ti)/Mcal(To)，在圖11中為)和光源模式數(shù)據(jù)(Scal(Ti)/Scal(To)，在圖11中為▲)。所有數(shù)據(jù)相對(duì)于室溫(25℃)數(shù)據(jù)規(guī)格化(normalize)。
針對(duì)這些數(shù)據(jù)利用最小二乘法創(chuàng)建對(duì)于作為溫度函數(shù)的測(cè)量數(shù)據(jù)(f(T))和源數(shù)據(jù)(g(T))的擬合曲線。
在使用中，來自光譜儀模塊的實(shí)際測(cè)量數(shù)據(jù)以如下方式由這些擬合曲線補(bǔ)償。
M(T)/M(To)→M(T)/M(To)f(T)]]>S(T)/S(To)→S(T)/S(To)g(T)]]>⇓]]>OD=-logM(T)·S(To)·g(T)M(To)·S(T)·f(T)]]>與提供關(guān)于流體成份的信息一起，光譜模塊可以用來給出關(guān)于工具內(nèi)流體流量的信息。圖12示出一種工具構(gòu)造，其具有兩個(gè)與公共流動(dòng)管線串聯(lián)的光譜模塊。通過隨時(shí)間的消逝而對(duì)照兩個(gè)模塊的輸出，可以確定流動(dòng)管線中流體的流量，并導(dǎo)出適當(dāng)?shù)牟蓸訒r(shí)間。圖12所示構(gòu)造的工具包括工具主體200，該主體200在其下端具有封裝模塊202，并具有沿其長(zhǎng)度延伸到位于其上端附近的排空模塊206的流動(dòng)管線204。在排空模塊202之上為探針模塊208，該模塊208使得地層和流動(dòng)管線204之間流體連通。兩個(gè)光譜模塊210、212位于探針模塊208之上，串聯(lián)到流動(dòng)管線204上。每個(gè)光譜模塊基本上如上面參照?qǐng)D10所描述的。在光譜模塊210、212之上，為一系列連接到流動(dòng)管線204上的采樣室214，用于容納地層流體的樣本。在圖12的工具中，這個(gè)時(shí)刻可以是流體導(dǎo)入這個(gè)或其他采樣室的時(shí)刻，并可以選擇成確保被鉆探泥漿或?yàn)V液的污染最小。
上述裝置的各個(gè)實(shí)施例可以用于進(jìn)行多種測(cè)量，它可以用來提供關(guān)于地層流體的信息。例如，可以用這個(gè)裝置進(jìn)行在原油和濾液確定之間作出區(qū)別的基于OD的測(cè)量(如US5266800所述，合并于此作為參考)或者油/水相分析(如US5331156所述，合并于此作為參考)。
可以以US5201220(合并于此作為參考)中所描述的方式進(jìn)行氣體探測(cè)。然而，利用甲烷探測(cè)通道輸出的另外方法也是有可能的。由于這個(gè)通道測(cè)量甲烷吸收光譜，GOR的測(cè)量(見下面的詳細(xì)描述)可以用氣體探測(cè)器。圖13示出氣體存在于基于油的泥漿(OBM)中的記錄示例。記錄顯示出油/水比率軌跡A，該軌跡A表明在區(qū)域x和y存在氣體，這油氣體探測(cè)器軌跡Z加以確認(rèn)，氣體探測(cè)器軌跡Z是基于上面引用的專利’220中描述的方法。GOR值被示作軌跡a和b(對(duì)應(yīng)于用于上述甲烷通道的窄帶和寬度濾波器)，在點(diǎn)c和d處GOR增大對(duì)應(yīng)于油/水比率軌跡在點(diǎn)x和y處白色區(qū)域變化。GOR值顯示出與油/水比率軌跡的白色部分以及與氣體探測(cè)器軌跡e符合很好。由于氣體探測(cè)器探測(cè)靠近探測(cè)器窗口的氣體，因此，不會(huì)探測(cè)到流動(dòng)管線內(nèi)側(cè)的較小氣泡，并且在窗口表面被覆蓋泥漿或深色油料時(shí)，氣體探測(cè)器通常不能工作。在這兩種情況下，可以進(jìn)行GOR測(cè)量，并因而探測(cè)到氣體。
由于被探測(cè)的氣體是甲烷，且該裝置具有至少一個(gè)響應(yīng)于甲烷吸收峰值的通道，因此可以利用這個(gè)通道的輸出直接作為氣體探測(cè)標(biāo)志，不需要首先確定GOR。
確定GOR的方法是基于在所制備的甲烷和庚烷的二元混合物以及野外獲得的含氣原油上進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)NIR測(cè)量而開發(fā)的。NIR譜用Cary5紫外-可見-近紅外光譜儀獲得。光譜儀的光束與基本如上面所描述的配有藍(lán)寶石窗口的高溫高壓(HPHT)光譜隔室交界。隔室內(nèi)的內(nèi)壁路徑長(zhǎng)度為2mm。利用光學(xué)器件和隔室的交界面引起的衰減大約為1.5OD單位。在Cary中在OD≈1.2到可測(cè)量的OD極限的程度上采用后光束衰減器(rear beamattenuaor)。
圖14示出用于獲取該數(shù)據(jù)的裝置的簡(jiǎn)圖。測(cè)量室300的流動(dòng)管線經(jīng)由高壓傳遞管線302連接到傳統(tǒng)的取樣瓶(CSB)上。可以在受控條件下保持20000psi的CSB具有內(nèi)部樣本容積304，該內(nèi)部樣本容積304通過浮動(dòng)活塞308與液壓流體容積306分隔開。該CSB具有內(nèi)部攪動(dòng)環(huán)(未示出)，使得在取樣瓶搖動(dòng)時(shí)，可以進(jìn)行有效的樣本混合。取樣流動(dòng)管線310的遠(yuǎn)端配裝有閥門312，以使得流體以高壓條件下抽放形式傳送，從而清除由于腔室死角(dead volumn)而在傳送過程中溢流(flash)的樣本。CSB液壓側(cè)連接到高壓泵315和壓力計(jì)316，以控制壓力。采樣室300位于烘箱318內(nèi)側(cè)，用于控制溫度。
甲烷和庚烷的混合物傳送到CSB。通過伴隨攪拌而加壓到始沸點(diǎn)以上約2000psi，樣本再次結(jié)合成單相，樣本在高壓上被傳送到測(cè)量室。排放死角大約十次，以防止溢流的樣本偏差?？梢赃M(jìn)行多次被證實(shí)具有一致性的操作。估計(jì)樣本的氣液比以檢查樣本成份。
獲得含氣原油并傳送到CSB。然后該樣本在井底溫度和壓力下傳送到HPHT室。在加熱和加壓樣本之后，攪拌15到30分鐘的時(shí)段，直到進(jìn)一步攪拌時(shí)壓力不變化為止。加熱防止石蠟相間分離，同時(shí)需要壓力以避免任何分離的氣相。如果CSB中的樣本在傳送過程中變成兩相，那么樣本傳送造成不具代表性的樣本，而要從取樣瓶中去除，作廢掉去除的和剩余的樣本。這些含氣原油的GOR通過以傳統(tǒng)方式用來確認(rèn)的商業(yè)服務(wù)加以確定。
對(duì)于大部分原油，在一個(gè)大氣壓下氣體中的主要?dú)鈶B(tài)成份是甲烷。在較高壓力下，氣相(兩個(gè)液相的較低密度)可以包含比一個(gè)大氣壓下氣體中更大部分的較重的碳?xì)浠衔?。除了包含非常高濃度的H2S(或CO2)的傳統(tǒng)氣相，在溶解的甲烷和GOR之間存在單調(diào)性關(guān)系。在所列出的較低GOR處，該關(guān)系為線性的。本方法視圖從甲烷(或從鏈烷)中提供GOR，但不是從H2S或CO2。通過測(cè)量原油中溶解甲烷的質(zhì)量分率，可以確定GOR的碳?xì)浠衔锍煞荨Ｓ捎谶@個(gè)成份一般支配GOR，則為普通環(huán)境確定了GOR。
GOR的基本分析是基于將制備的n-庚烷(代表油)和甲烷的二元混合物與NIR光譜相關(guān)的方程的。由于原油可以與這些二元混合物相關(guān)，所得出的方程也可以用來原油的GOR確定。
確定GOR的方法采用將NIR通道放置到約1670nm處的甲烷峰值，并將第二NIR通道放置在約1725nm處(-CH2-和-CH3)。響應(yīng)矩陣 以這兩個(gè)通道中甲烷響應(yīng)的第一列和這兩個(gè)通道中油響應(yīng)的第二列。
在兩個(gè)NIR通道( 矢量)中的信號(hào)響應(yīng)和以 為信號(hào)矢量的二元甲烷-庚烷混合物的質(zhì)量分率矢量( 矢量)根據(jù)方程1與 相關(guān)S→=B^m→---1]]>利用克拉麥(Cramer)法則解方程1
m1=D1D---2]]>且m2=D2D---3]]>其中，D是 的行列式，D1是以 替換 的第一列而獲得的行列式，而D2是通過以通常方式(僅僅)替換 的第二列而獲得。
對(duì)于二元甲烷-n-庚烷混合物，質(zhì)量分率 可以用來獲得響應(yīng)的GOR。假設(shè)氣相包含所有的甲烷(m1)加上在其平衡蒸汽壓力下的庚烷蒸汽。
混合物的GOR由下式給出GOR=5945m1m2-0.257m1(scf/bbl)---4]]>當(dāng)庚烷的質(zhì)量分率下降到它正好能夠提供其平衡蒸汽壓力的數(shù)值，但未產(chǎn)生液體時(shí)，GOR是無窮大。方程4不采用比此更小的庚烷質(zhì)量分率。
利用上述實(shí)驗(yàn)裝置獲得的光譜儀數(shù)據(jù)， 矩陣的元素通過在對(duì)于甲烷和庚烷的特定波長(zhǎng)窗口上獲得積分和平均光譜儀OD數(shù)值(<OD>)曲線的斜率來產(chǎn)生。圖15和16示出用于產(chǎn)生與甲烷和庚烷的光譜儀數(shù)據(jù)相對(duì)應(yīng)的 矩陣的結(jié)果數(shù)據(jù)。這個(gè) 矩陣如此取決于光學(xué)系統(tǒng)的特性，以至于必須針對(duì)每個(gè)新的光學(xué)光譜儀加以確定。
對(duì)于積分<1640-1675>， 矩陣自圖15和16列出的數(shù)據(jù)獲得。
B^=1.6570.0990.8821.614]]>對(duì)于積分<1660-1675>， 矩陣自圖15和16列出的數(shù)據(jù)獲得。
B^=1.8380.1230.8821.614]]>利用方程4，可以計(jì)算NIR信號(hào)對(duì)GOR的理論相關(guān)性。圖17中與對(duì)于二元混合物測(cè)得的數(shù)值一起繪出了積分<1640-1675>，二者在GOR的大范圍上非常一致，盡管沒有可調(diào)節(jié)的參數(shù)。在上述 矩陣中示出的數(shù)值取決于所使用的特定光學(xué)系統(tǒng)，并在需要時(shí)可以單獨(dú)調(diào)節(jié)，以適應(yīng)對(duì)油氣混合物的提高認(rèn)識(shí)(understanding)。
圖18示出對(duì)于一系列含氣原油和四個(gè)二元混合物的峰值面積的比。對(duì)于二元混合物的OD比由因數(shù)0.85減小(如下所述)。圖18中的線對(duì)應(yīng)于方程4的預(yù)測(cè)(也在坐標(biāo)上由因數(shù)0.85減小)。對(duì)于這種含氣原油的多樣采集，可以在GOR的較大范圍上看到單調(diào)特征。類似地，二元混合物也呈現(xiàn)出相同的單調(diào)特征，也是在GOR非常大的范圍上。兩組含氣原油和二元混合物的樣本的趨勢(shì)由方程4預(yù)測(cè)，但是對(duì)于含氣原油，必須包括因數(shù)0.85的修訂。從而，通過最小的修訂，方程4可以用于分析單向含氣原油的光譜，以預(yù)測(cè)其GOR。
到目前為止，非同式(nonunity)項(xiàng)的最大來源是二元混合物和含氣原油之間氣體成份中的差異。這個(gè)因數(shù)0.85說明了含氣原油的氣相通常在80摩爾％附近，而對(duì)于二元混合物，氣相大約在96摩爾％。含氣原油的氣體部分自80摩爾％偏離的程度是預(yù)測(cè)GOR中出現(xiàn)的誤差。尤其是，如果含氣原油的氣相包含明顯大量的H2S或CO2，則方程4不能提供原油的GOR，而是將提供由碳?xì)浠衔镌斐傻腉OR。其他技術(shù)可以用來探測(cè)H2S或CO2。
對(duì)于不同的重油，在1725nm處的峰值大小也不相同。包含來自-CH2-和-CH3族的影響的這個(gè)峰值可以根據(jù)諸如石蠟或芳香族化合物的成份而改變。然而，通過分析這個(gè)峰值而進(jìn)行的原油探測(cè)和量化表明這個(gè)變化不很大，大約為10％，并轉(zhuǎn)化成相應(yīng)GOR測(cè)量值上的誤差直方圖(error bar)，對(duì)于重原油的特性公知的用途，可以減小誤差直方圖。
上述裝置可以用來確定在流動(dòng)管線內(nèi)地層流體樣本中的污染物程度，并因此可以確定采樣的適當(dāng)時(shí)間，以避免被污染物干擾。這種確定方法的示例可以在USSN09/255999和USSN09/300190(合并于此作為參考)中找到。
應(yīng)用于確定污染物所用的色度測(cè)量的方法可以用于通過光譜儀甲烷通道進(jìn)行的測(cè)量。當(dāng)基于顏色進(jìn)行污染物確定時(shí)，通過減去基準(zhǔn)通道的輸出，而針對(duì)與波長(zhǎng)無關(guān)的散射校正所選擇的顏色通道的輸出。圖19示出自成對(duì)通道的輸出的曲線，并示出擬合曲線和適當(dāng)?shù)臄M合曲線方程，圖20示出圖19中用于GOR相關(guān)曲線的部分的放大圖。在圖19和20中，示出了用于顏色(通道4-通道7)以及基準(zhǔn)(油)(通道8-通道7)的曲線。顏色輸出包括顏色和散射造成的影響，而基準(zhǔn)只示出了散射。從而，用基準(zhǔn)校正顏色輸出僅與一些波長(zhǎng)相關(guān)散射一起給出了顏色，波長(zhǎng)無關(guān)散射被相減去除。由于顏色和基準(zhǔn)測(cè)量值不是相同補(bǔ)償，通過這種方法不能去除波長(zhǎng)相關(guān)散射。
對(duì)于色度測(cè)量，需要利用基準(zhǔn)通道，該通道遠(yuǎn)離數(shù)百nm，以便按上述方式去除散射。例如，在圖19所示的情況中，Ch4和Ch7間隔530nm(1070nm和1600nm)。對(duì)于甲烷通道(圖19和20中的Ch0)可以使用相同的普通方法。然而，在這種情況下，基準(zhǔn)通道(再次是Ch7)靠近測(cè)量通道(Ch0)，在本示例(1670nm-1600nm)情況下波長(zhǎng)差僅為70nm。于是，這個(gè)方法也將去除波長(zhǎng)相關(guān)的散射。同樣，由于波長(zhǎng)相關(guān)的散射的橫截面隨著波長(zhǎng)增大而減小，利用較長(zhǎng)波長(zhǎng)的NIR甲烷通道(1670nm)而不是較短波長(zhǎng)的顏色通道(1070nm)可以減少波長(zhǎng)相關(guān)的散射。通過采用這個(gè)方法，避免了在圖19中X處看到的顏色通道內(nèi)的波長(zhǎng)相關(guān)的散射，并且可以更可靠地估計(jì)在流動(dòng)管線中污染物的程度，導(dǎo)致更好的采樣時(shí)間確定。
如上面參照?qǐng)D12所描述的，光譜工具的實(shí)施例也可以進(jìn)行流量測(cè)量。MDT工具的先前版本由泵排量和泵沖程數(shù)計(jì)算流動(dòng)管線中的流量，以給出泵出體積，而后者通過與時(shí)間相關(guān)而轉(zhuǎn)化為流量。然而，這個(gè)計(jì)算并不總是正確的，而有時(shí)需要更加精確的流量測(cè)量。在如圖12所示的提供兩個(gè)光譜模塊情況下，流量可以通過將每個(gè)模塊內(nèi)相同光譜通道輸出的特征與時(shí)間相對(duì)照而計(jì)算。從流動(dòng)管線容積和相關(guān)函數(shù)中峰值時(shí)間的知識(shí)，可以確定流量。當(dāng)從流動(dòng)管線取樣本時(shí)，由于采樣點(diǎn)與測(cè)量點(diǎn)不同而需要計(jì)算，因此就需要精確的流量。
權(quán)利要求
1.一種確定地層流體的油氣比的方法，包括a)至少在兩個(gè)波長(zhǎng)處使流體經(jīng)歷光譜分析，以產(chǎn)生響應(yīng)數(shù)據(jù)，其中一個(gè)波長(zhǎng)對(duì)氣體的存在敏感，而另一個(gè)波長(zhǎng)對(duì)油的存在敏感；b)從氣體在兩個(gè)波長(zhǎng)處的響應(yīng)以及油在兩個(gè)波長(zhǎng)處的響應(yīng)中確定響應(yīng)矩陣 c)確定在兩個(gè)波長(zhǎng)處的信號(hào)響應(yīng)矢量 d)根據(jù)關(guān)系S→=B^m→]]>計(jì)算油氣混合物的質(zhì)量分率矢量 以及e)由質(zhì)量分率矢量確定油氣比。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，響應(yīng)矩陣 包括第一列和第二列，其中第一列包括氣體在兩個(gè)波長(zhǎng)每個(gè)處的光譜響應(yīng)，而第二列包括油在兩個(gè)波長(zhǎng)每個(gè)處的光譜響應(yīng)。
3.如權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，還包括解方程S→=B^m→,]]>以根據(jù)m1＝D1/D和m2＝D2/D推導(dǎo)出氣體的質(zhì)量分率m1和油的質(zhì)量分率m2，其中，D是 的行列式，D1是從響應(yīng)矩陣中通過第一列由 取代而得到的行列式，而D2是第二列由 取代的響應(yīng)矩陣的行列式。
4.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，油氣比根據(jù)關(guān)系式GOR＝c1(m1/(m2-c2m1))確定，其中c1和c2是常數(shù)，m1是氣體的質(zhì)量分率，而m2是油的質(zhì)量分率。
5.如權(quán)利要求2所述的方法，其中，響應(yīng)矩陣是從在氣體和碳?xì)浠衔锏暮铣苫旌衔锷系囊幌盗袦y(cè)量上推導(dǎo)出的。
6.如權(quán)利要求5所述的方法，其中，當(dāng)應(yīng)用到來自實(shí)際地層流體的測(cè)量值上時(shí)校正因子施加到如此導(dǎo)出的響應(yīng)矩陣上。
7.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，波長(zhǎng)之一大約為1671nm，而另一個(gè)大約為1725nm。
8.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，光譜分析是在預(yù)定光譜裝置中進(jìn)行的，該方法包括對(duì)于預(yù)定的光譜裝置確定響應(yīng)矩陣
9.如權(quán)利要求2所述的方法，其中，矩陣的元素包括在用于氣體和油的特定波長(zhǎng)窗口上獲得的積分和平均光譜儀OD數(shù)值的斜率。
10.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，流體的光譜分析在位于鉆孔內(nèi)的工具內(nèi)進(jìn)行，且該工具與獲得流體的地層連通。
11.一種用于確定自圍繞鉆孔的地層中獲取的流體的油氣比的裝置，包括a)可以定位在鉆孔中，并與地層建立流體連通以便從地層吸取流體樣本的工具主體；b)位于工具主體內(nèi)的光譜模塊，用于使流體樣本在至少兩個(gè)波長(zhǎng)處經(jīng)歷光譜分析，并產(chǎn)生響應(yīng)數(shù)據(jù)，其中一個(gè)波長(zhǎng)對(duì)氣體的存在敏感，而另一個(gè)波長(zhǎng)對(duì)油的存在敏感；c)用于確定樣本的油氣比的裝置，該裝置根據(jù)關(guān)系式S→=B^m→]]>計(jì)算油氣混合物的質(zhì)量分率矢量 其中 是在兩個(gè)波長(zhǎng)處的信號(hào)響應(yīng)矢量， 是由氣體在兩個(gè)波長(zhǎng)處的響應(yīng)和由在兩個(gè)波長(zhǎng)處的響應(yīng)形成的響應(yīng)矩陣；并從質(zhì)量分率矢量 確定油氣比。
12.如權(quán)利要求11所述的裝置，其中，光譜模塊包括用于照亮流體樣本的寬帶光源和探測(cè)器，該探測(cè)器包括帶通濾波器，其通過包括兩個(gè)波長(zhǎng)中的一個(gè)或另一個(gè)的帶寬。
13.如權(quán)利要求12所述的裝置，其中，包括對(duì)氣體作出響應(yīng)的波長(zhǎng)的通過帶寬包括1671nm，而包括對(duì)油作出響應(yīng)的波長(zhǎng)的通過帶寬包括1725nm。
14.如權(quán)利要求13所述的裝置，其中，包括1671nm的通過帶寬由具有大約1660nm到大約1675nm的通過帶寬的濾波器限定。
15.如權(quán)利要求13所述的裝置，其中，包括1671nm的通過帶寬由具有大約1640nm到大約1675nm的通過帶寬的濾波器限定。
16.如權(quán)利要求13所述的裝置，其中，包括1671nm的通過帶寬也包括1650nm。
17.如權(quán)利要求13所述的裝置，其中，包括1725nm的通過帶寬由具有大約1715nm到大約1730nm的通過帶寬的濾波器限定。
18.一種利用光譜儀分析來自地下地層的流體的方法，該光譜儀包括光源、測(cè)量室和探測(cè)器，而該方法包括a)確定對(duì)于由測(cè)量得到的源數(shù)據(jù)的溫度相關(guān)曲線，該測(cè)量是由直接從光源穿過的光探測(cè)器進(jìn)行的；b)確定對(duì)于由測(cè)量得到的測(cè)量數(shù)據(jù)的溫度相關(guān)曲線，該測(cè)量是由穿過測(cè)量室的光的探測(cè)器進(jìn)行的；c)當(dāng)測(cè)量室充滿流體時(shí)，測(cè)量探測(cè)器對(duì)穿過測(cè)量室的光的響應(yīng)；以及d)基于所測(cè)得的響應(yīng)和所確定的溫度相關(guān)曲線分析流體。
19.如權(quán)利要求18所述的方法，其中，分析流體的步驟包括根據(jù)如下關(guān)系確定流體的光學(xué)密度(OD)OD＝-log(M(T).S(To).g(T))/(M(To).S(T).f(T))其中，M表示測(cè)量數(shù)據(jù)，S表示源數(shù)據(jù)，T表示進(jìn)行測(cè)量的溫度，To表示基準(zhǔn)溫度，f(T)是測(cè)量數(shù)據(jù)的溫度相關(guān)函數(shù)，而g(T)是源數(shù)據(jù)的溫度相關(guān)函數(shù)。
20.一種利用光譜儀分析來自地下地層中的流體的方法，該光譜儀包括光源，包含測(cè)量室和探測(cè)器的流動(dòng)管線，該方法包括a)在對(duì)甲烷的存在作出響應(yīng)的波長(zhǎng)下在測(cè)量室內(nèi)進(jìn)行流體的光譜測(cè)量；以及b)利用測(cè)量值來表明流動(dòng)管線中存在氣體。
21.一種利用光譜儀分析來自地下地層中的流體的方法，該光譜儀包括光源，包含測(cè)量室和探測(cè)器的流動(dòng)管線，該方法包括a)在對(duì)甲烷的存在作出響應(yīng)的波長(zhǎng)下在測(cè)量室內(nèi)進(jìn)行流體的光譜測(cè)量；以及b)利用測(cè)量值來指示流動(dòng)管線內(nèi)的流體中存在污染物。
22.如權(quán)利要求21所述的方法，其特征在于，還包括利用對(duì)流動(dòng)管線中存在污染物的指示來確定從流動(dòng)管線中采取樣本的時(shí)間，以用于進(jìn)一步分析。
23.一種用于分析來自圍繞鉆孔的地層的流體的裝置，包括a)用于在鉆孔中定位的工具主體；b)用于與地層建立流體連通的裝置；c)工具主體內(nèi)的流動(dòng)管線，用于流動(dòng)來自地層的流體樣本；以及d)工具主體內(nèi)的第一和第二光學(xué)分析模塊，它們由流動(dòng)管線相連，每個(gè)模塊能夠?qū)α鲃?dòng)管線內(nèi)的流體進(jìn)行光學(xué)測(cè)量。
24.如權(quán)利要求23所述的裝置，其中，光學(xué)分析模塊為光譜分析模塊，其能夠進(jìn)行對(duì)地層流體內(nèi)存在氣體敏感的測(cè)量。
全文摘要
一種確定GOR的方法，包括在對(duì)氣體敏感的第一波長(zhǎng)和對(duì)油敏感的第二波長(zhǎng)處使流體經(jīng)歷光譜分析，確定針對(duì)氣體在第一和第二波長(zhǎng)處的影響和油在第一和第二波長(zhǎng)處的影響的響應(yīng)矩陣，確定信號(hào)響應(yīng)矢量和兩個(gè)波長(zhǎng)，由響應(yīng)矩陣和信號(hào)響應(yīng)矢量計(jì)算質(zhì)量分率矢量，并利用質(zhì)量分率矢量確定GOR。
文檔編號(hào)G01N33/28GK1549920SQ01817019
公開日2004年11月24日 申請(qǐng)日期2001年9月12日 優(yōu)先權(quán)日2000年10月10日
發(fā)明者奧利弗·C·馬林斯, 寺林徹, 氣賀澤和義, 奧田一行, 和義, 奧利弗 C 馬林斯, 行 申請(qǐng)人:施藍(lán)姆伯格海外股份有限公司