CN1283989C - 用于井底流体分析的方法和装置 - Google Patents

Abstract

一种确定GOR的方法，包括在对气体敏感的第一波长和对油敏感的第二波长处使流体经历光谱分析，确定针对气体在第一和第二波长处的影响和油在第一和第二波长处的影响的响应矩阵，确定信号响应矢量和两个波长，由响应矩阵和信号响应矢量计算质量分率矢量，并利用质量分率矢量确定GOR。

Description

用于井底流体分析的方法和装置

技术领域

本发明涉及可应用于在诸如油井或天然气井的碳氢化合物开采井的勘探和开发过程中进行地层评估和测试的井底流体分析领域。尤其是，本发明提供了适于利用光学技术对这种矿井生产的流体进行井底分析的方法和装置。

背景技术

为了评估围绕钻孔的地下地层的特性，经常要从钻孔中多个特定位置处获取地层流体的样本。已经开发了各种工具，使得能够在单独一次测井操作中从地层中获取多个样本。这种工具的示例可以在US3780575和US3859851中找到。

Schlumberger的RFT和MDT工具代表两个特定类型的采样工具。尤其是，MDT工具包括流体分析模块，可以分析由该工具采样的流体。图1示出这种工具的示意图，并包括钻孔工具10，用于测试地球构造并分析来自该地层的流体的成份。工具10从测井电缆15的下端悬挂于钻孔12中，该电缆15以传统形式连接到包含有适宜的用于控制该工具的电子仪器和处理系统的地面系统18上。工具10包括细长的主体19，该主体19封闭工具控制系统16的井底部分。该主体19也带有一个可选择地延伸的流体导入组件20(例如，如上面参照的专利’575和’851中所示，并如US4860581所描述的，它们合并于此作为参考)以及一个可选择性延伸的锚定元件21，二者相应地布置在主体19的相对侧上。配备该流体导入组件20，以用来选择性密封或隔离钻孔12侧壁的各部分，以便与相邻地层建立压力或流体连通。流体分析模块25也包含在该工具主体19内，所获取的流体可以通过其流动。然后，流体可以通过一个开口(未示出)排出而回到钻孔中，或者，可以传送到一个或多个采样室22、23内，以用于在地面回收。流体导入组件、流体分析部分以及通向采样室的流体路径的控制由电子控制系统16、18来维持。

如上述MDT中所发现的，作为流体分析模块25的OFA确定MDT流束中流体的同一性(identity)并量化油和水的含量。尤其是，US4994671(合并于此作为参考)描述了一种钻孔装置，其包括检测室、用于将流体样本引入检测室的装置、优选地发出近红外线和可见光的光源、光谱探测器、数据库装置以及处理装置。从地层吸入检测室的流体通过将光线照射到流体上，探测透射光和/或反向散射光的光谱，并相应地处理信息(优选地基于与不同光谱相关的数据库中的信息)来分析，以便量化流体中水和油的量。从而，地层中的油可以正确地得以分析并按类型量化。

US5167149和US5201220(都合并于此作为参考)描述了用于估计流束中存在的气体量的装置。将棱镜附着到流束中的窗口上，并将光线通过棱镜引导向窗口，并探测自窗口/流体交界面以特定角度反射的光线，以表示流体中气体的存在。

如US5266800(合并于此作为参考)中所描述的，通过监视经一段时间获得的流体样本的光学吸收光谱，可以相对于泥浆滤液作出关于何时获得地层中的油的判定。此外，如授予Hines的US5331156中所述，通过以预定的能量进行流束的光密度(OD)测量，可以量化两相流束中的油和水的比率(fraction)。

在US5167149和US5201220(二者都合并于此作为参考)中描述了现场气体量化，在此情况下，可以通过提供气体探测模块来获得对流束中存在的气体量的粗略估计，该气体探测模块具有探测器阵列，探测具有特定入射角的反射光线。

油气比(GOR)是从碳氢化合物矿井中获取的流体的重要特性，且一般仅在地面测量。US5939717(合并于此作为参考)描述了一种用来确定GOR的方法，该方法包括提供OFA模块，该模块使得地层流体经历NIR照射，并提供在大约6000cm^-1和5800cm^-1处的峰值光谱测量。这个方法包括计算吸收峰值振幅的比率，以确定GOR。另外，计算比率的方法包括参照地层流体中发现的碳氢化合物光谱的数据库，并调节甲烷和油峰值的振幅，以解决(account for)其他碳氢化合物对地层流体光谱的影响。

虽然GOR本身为有用的测量结果，但是随着流体从地层流入OFA流动管线经过一段时间后测得的GOR的演变可以用来确定地层流体被基于油的泥浆滤液等的污染程度。这种方法的示例在USSN09/255999和USSN09/300190中看到(二者都合并于此作为参考)。

本发明寻求提供一种用来估计GOR以及相关的测量值的方法，用来解释这种测量值的方法以及适于进行这种测量的装置。

发明内容

本发明的第一方面提供了一种用于确定GOR的方法，包括：使流体在对气体敏感的第一波长和对油敏感的第二波长处经历光谱分析；针对气体在第一和第二波长处的影响和油在第一和第二波长处的影响确定响应矩阵；确定信号响应矢量和两个波长；从响应矩阵和信号响应矢量中计算质量分率矢量，并利用质量分率矢量确定GOR。

本发明的第二方面提供了一种用于确定GOR的装置，其包括至少在对气体敏感的第一波长和对油敏感的第二波长处工作的光谱模块；设置成从响应矩阵和信号响应矢量导出的重量分率矢量确定GOR。

本发明的第三方面提供了一种补偿对地层流体的光谱测量中的温度影响的方法，包括：为数据源和测量数据确定温度相关曲线，并基于测量的响应和温度相关曲线分析流体。

本发明的第四方面提供了一种用于探测流动管线中气体的方法，包括流体在流动管线中至少在对甲烷的存在敏感的波长处经历光谱测量，并利用测量响应来标示气体的存在。

本发明第五方面提供了一种探测流动管线中流体内的污染物的方法，包括使流动管线中的流体至少在对甲烷存在敏感的波长处经历光谱测量，并利用测量响应来指示污染物的存在。

本发明第六方面提供了一种用于分析井底流体的装置，包括串联到流动管线上的两个光谱分析模块，各模块输出的相关性用来计算流体管线中流体的流量。

为此，根据本发明，提供了一种确定地层流体的油气比的方法，包括：

a)至少在两个波长处使流体经历光谱分析，以产生响应数据，其中一个波长对气体的存在敏感，而另一个波长对油的存在敏感；

b)从气体在两个波长处的响应以及油在两个波长处的响应中确定响应矩阵

c)确定在两个波长处的信号响应矢量

d)根据关系 $\stackrel{\→}{S}=\hat{B}\stackrel{\→}{m}$ 计算油气混合物的质量分率矢量

以及

e)由质量分率矢量确定油气比。

优选地，响应矩阵

包括第一列和第二列，其中第一列包括气体在两个波长每个处的光谱响应，而第二列包括油在两个波长每个处的光谱响应。

优选地，还包括解方程 $\stackrel{\→}{S}=\hat{B}\stackrel{\→}{m},$ 以根据m1＝D₁/D和m2＝D₂/D推导出气体的质量分率m1和油的质量分率m2，其中，D是

的行列式，D₁是从响应矩阵中通过第一列由

取代而得到的行列式，而D₂是第二列由

取代的响应矩阵的行列式。

优选地，油气比根据关系式GOR＝c1(m1/(m2-c2m1))确定，其中c1和c2是常数，m1是气体的质量分率，而m2是油的质量分率。

优选地，响应矩阵是从在气体和碳氢化合物的合成混合物上的一系列测量上推导出的。

优选地，当应用到来自实际地层流体的测量值上时校正因子施加到如此导出的响应矩阵上。

优选地，波长之一大约为1671nm，而另一个大约为1725nm。

优选地，光谱分析是在预定光谱装置中进行的，该方法包括对于预定的光谱装置确定响应矩阵

优选地，矩阵的元素包括在用于气体和油的特定波长窗口上获得的积分和平均光谱仪OD数值的斜率。

优选地，流体的光谱分析在位于钻孔内的工具内进行，且该工具与获得流体的地层连通。

另外，根据本发明，提供了一种用于确定自围绕钻孔的地层中获取的流体的油气比的装置，包括：

a)可以定位在钻孔中，并与地层建立流体连通以便从地层吸取流体样本的工具主体；

b)位于工具主体内的光谱模块，用于使流体样本在至少两个波长处经历光谱分析，并产生响应数据，其中一个波长对气体的存在敏感，而另一个波长对油的存在敏感；

c)用于确定样本的油气比的装置，该装置根据关系式 $\stackrel{\→}{S}=\hat{B}\stackrel{\→}{m}$ 计算油气混合物的质量分率矢量

其中 是在两个波长处的信号响应矢量，

是由气体在两个波长处的响应和油在两个波长处的响应形成的响应矩阵；并从质量分率矢量

确定油气比。

优选地，光谱模块包括用于照亮流体样本的宽带光源和探测器，该探测器包括带通滤波器，其通过包括两个波长中的一个或另一个的带宽。

优选地，包括对气体作出响应的波长的通过带宽包括1671nm，而包括对油作出响应的波长的通过带宽包括1725nm。

优选地，包括1671nm的通过带宽由具有大约1660nm到大约1675nm的通过带宽的滤波器限定。

优选地，包括1671nm的通过带宽由具有大约1640nm到大约1675nm的通过带宽的滤波器限定。

优选地，包括1671nm的通过带宽也包括1650nm。

优选地，包括1725nm的通过带宽由具有大约1715nm到大约1730nm的通过带宽的滤波器限定。

另外，根据本发明，提供了一种利用光谱仪分析来自地下地层的流体的方法，该光谱仪包括光源、测量室和探测器，而该方法包括：

a)确定对于由测量得到的源数据的温度相关曲线，该测量是由直接从光源穿过的光探测器进行的；

b)确定对于由测量得到的测量数据的温度相关曲线，该测量是由穿过测量室的光的探测器进行的；

c)当测量室充满流体时，测量探测器对穿过测量室的光的响应；以及

d)基于所测得的响应和所确定的温度相关曲线分析流体。

优选地，分析流体的步骤包括根据如下关系确定流体的光学密度(OD)：

OD＝-log(M(T).S(T_o).g(T))/(M(T_o).S(T).f(T))

其中，M表示测量数据，S表示源数据，T表示进行测量的温度，T_O表示基准温度，f(T)是测量数据的温度相关函数，而g(T)是源数据的温度相关函数。

另外，根据本发明提供了一种用于分析来自围绕钻孔的地层的流体的装置，包括：

a)用于在钻孔中定位的工具主体；

b)用于与地层建立流体连通的装置；

c)工具主体内的流动管线，用于流动来自地层的流体样本；以及

d)工具主体内的第一和第二光学分析模块，它们由流动管线相连，每个模块能够对流动管线内的流体进行光学测量。

优选地，光学分析模块为光谱分析模块，其能够进行对地层流体内存在气体敏感的测量。

另外，根据本发明，提供了一种利用光谱仪分析来自地下地层中的流体的方法，该光谱仪包括光源，包含测量室和探测器的流动管线，该方法包括：

在对烷烃的存在作出响应的波长下在测量室内进行流体的光谱测量；以及

利用测量值来表明流动管线中存在气体。

优选地，对烷烃的存在作出响应的波长包括大约1725nm。

附图说明

图1示出包括流体分析模块的现有技术工具；

图2示出用在根据本发明中的工具中的气体探测隔室(cell)；

图3示出用于根据本发明中的工具中的光谱隔室；

图4示出用于本发明实施例中的气体和光谱隔室的俯视图；

图5示出用于本发明实施例中的气体和光谱隔室的侧视图；

图6示出气体隔室窗口和棱镜的细节；

图7示出气体和光谱隔室的侧视图，为了清晰而省略了一些部分；

图8示出图7中线BB上的气体隔室的横截面图；

图9示出图7中线AA上的光谱隔室的横截面图；

图10示出光谱仪模块的示意图；

图11示出温度补偿数据的曲线；

图12示出根据本发明一个方面的带有两个光谱模块的工具的实施例；

图13示出包括气体的样本的记录相对时间的片段；

图14示出用于确定GOR的实验配置；

图15示出对于各种光谱窗口的、作为甲烷质量密度函数的积分平均光谱仪OD值的曲线；

图16示出对于各种光谱窗口的、作为n-庚烷质量密度函数的积分平均光谱仪OD值的曲线；

图17示出根据本发明一个方面预测的GOR值相对于为二元混合物测量的实际值；

图18示出含气原油样本和由一常数调整的理论二元混合物图形的相应曲线；以及

图19和20示出各种光谱仪通道相对于用于散射校正的时间的曲线。

具体实施方式

本发明可以应用于上面参照图1且在US4860581中描述的诸如MDT的工具中。并不认为MDT工具的各方面与本发明相关，并且它对本发明也没有贡献，因此下面将不再描述它的功能。

尤其是，本发明在如上面和US4994671中所描述的MDT工具的OFA模块中找到用武之处。对于先前的实施例，合并有本发明的流体分析模块包括气体探测器隔室，它一般如US5167149和US5201220中所描述的那样工作，并包括光谱模块，它一般如上面引用的专利’671中所描述的那样工作。下面将详细描述根据本发明的气体探测器隔室和光谱模块的构成和工作方式。

气体探测器隔室的结构在图2中详细示出。该隔室形成在从地层接纳流体的MDT的流动管线100中。在流动管线100中设置了开口102，以容放窗口、棱镜和凸缘结构。流动通道104设置在流动管线100内，而蓝宝石窗口106安装到通道104上的开口102内。蓝宝石棱镜108固定成与流动通道104相对侧上的窗口106的表面光学接触。窗口106和棱镜108借助于不锈钢凸缘109固定在开口102内，该不锈钢凸缘109螺纹连接到流动管线100上，并克服流动管线100流体的压力而将窗口106固定到位。有效的密封是通过在窗口106和流动通道104之间利用特氟龙的窗口支撑件110并利用开口102中围绕窗口106的O形圈113而得以确保的。凸缘还设置有光学接头(图2中未示出)，其光学上连接到棱镜108的上表面上。窗口106和棱镜108的上和下表面抛光到光学特性，而窗口106的侧表面抛光以利于密封。

光谱隔室在图3中详细示出。该隔室与上述气体探测器隔室位于相同的流动管线100内。在这种情况下，在流动管线100内设置相对的开口120、122，开口中每一个分别容纳输入和输出窗口以及凸缘结构。在结构上，隔室的输入和输出侧是相同的，因而仅详细描述输入侧。蒙乃尔合金的流动通道124位于流动管线100内、开口120和122之间，并限定了窗口定位支座。蓝宝石窗口126彼此面对地位于该支座内，跨过流动通道124。窗口126通过不锈钢凸缘128固定到位，而不锈钢凸缘128设置有光学接头，以将窗口126的外表面与光纤束130连接。该凸缘彼此螺纹固定，从而将窗口密封到支座上。利用垫圈和O形圈132辅助密封。窗口126的内表面和外表面抛光到光学特性，侧表面抛光以利于密封。

气体探测器隔室140和光谱隔室145便利地设置于流动管线中的单独结构中，该结构在图4到图9中详细示出，且为了清晰起见省略了一些部分。

上述光谱隔室形成光谱仪模块的一部分，其主要结构在图10中示出。光谱仪包括卤素灯，即广谱光源150，该光源150将光线通过调整盘152(由断路电动机(chopper motor)154驱动)传播到光纤束156中。从光纤束156获取输出，以向电机同步光电二极管158提供输入，向光分布器160(形成下面详细描述的探测器的一部分)以及向测量路径162提供光源光输入159，该测量路径向光谱仪隔室145提供输入。由旋转电磁开关166驱动的标定轮164选择光是否传播到光源光输入路径159、测量路径162或二者中。输入光纤束168连接到隔室的输入凸缘170上，并光学连接到蓝宝石窗口172上。光从窗口172透过，通过另一个蓝宝石窗口172而跨越流动路径174，并传播到输出凸缘178上连接的输出光纤束176中。输出光纤束也连接到光分布器160上。光分布器160将从光源光输入159和输出光纤束176接收的光分布到多个不同通道中。为了举例的目的，仅仅示出了四个通道，但是实际上可以采用其他数量。一个特别优选的示例具有十一个通道。每个通道包括透镜180和带通滤波器182结构，其馈送到光电二极管184。滤波器选择成在从可见光到近红外光范围内为各通道选择预定的光波长。每个通道相对于所考虑的波长提供输出信号。

光谱模块具有四种模式：睡眠、黑暗、光源和测量。当模块在睡眠模式时，电源接通，但是灯150和断路电动机154都断开。模块不探测任何东西。当在黑暗模式时，灯150和电动机154都接通，但电磁开关166阻挡光源和测量路径159和162。探测不到任何光，而模块测量背景电平。在光源模式中，电磁开关166打开光源路径159，但是测量路径162仍阻塞。来自灯159的光可以穿过光源路径159，而作为基准光谱得以测量。当模块在测量模式下时，电磁开关166打开测量路径162，而电源路径159被阻挡。来自卤素灯159的光进入输入光纤束168，并经由蓝宝石窗口172穿过流动管线174内的流体，而进入输出光纤束176中，由此到达分布器160，并作为流体光谱数据被探测。

当用于确定GOR时，需要模块具有对测得的光谱中的甲烷峰值敏感的通道。这个峰值发生在1671nm处，同时侧翼在1650nm处。提出了两个用于探测这个峰值的方法。在第一个方法中，使用窄带滤波器来只探测1671nm峰值。适宜的滤波器应具有1671nm的中心波长(CW)以及15nm的半最大值全波(FWHM)。在第二个方法中，通道探测峰值和侧翼二者。在这种情况下，可以使用1657.5nmCW和35nmFWHM的滤波器。不同的滤波器对信号电平和背景电平作出不同的响应，并因此最适当的选择应基于不同的情况作出。如果需要的话，可以提供宽带和窄带甲烷通道，尽管这将有损于其他波长测量可用的通道数量。

由于GOR测量是绝对测量，光谱的测量精度非常重要。为了在25到175℃的温度范围内保持测量精度，引入了温度补偿系统。在从25℃到175℃的若干温度处获取第一测量模式数据(M_cal(T_i)/M_cal(T_o)，在图11中为·)和光源模式数据(S_cal(T_i)/S_cal(T_o)，在图11中为▲)。所有数据相对于室温(25℃)数据规格化(normalize)。

针对这些数据利用最小二乘法创建对于作为温度函数的测量数据(f(T))和源数据(g(T))的拟合曲线。

在使用中，来自光谱仪模块的实际测量数据以如下方式由这些拟合曲线补偿。

$M\left(T\right)/M\left(T_o\right)\→\frac{M\left(T\right)/M\left(T_o\right)}{f\left(T\right)}$

$S\left(T\right)/S\left(T_o\right)\→\frac{S\left(T\right)/S\left(T_o\right)}{g\left(T\right)}$

$\⇓$

$\mathrm{OD}=-\log \frac{M\left(T\right)\·S\left(T_o\right)\·g\left(T\right)}{M\left(T_o\right)\·S\left(T\right)\·f\left(T\right)}$

与提供关于流体成份的信息一起，光谱模块可以用来给出关于工具内流体流量的信息。图12示出一种工具构造，其具有两个与公共流动管线串联的光谱模块。通过随时间的消逝而对照两个模块的输出，可以确定流动管线中流体的流量，并导出适当的采样时间。图12所示构造的工具包括工具主体200，该主体200在其下端具有封装模块202，并具有沿其长度延伸到位于其上端附近的排空模块206的流动管线204。在排空模块202之上为探针模块208，该模块208使得地层和流动管线204之间流体连通。两个光谱模块210、212位于探针模块208之上，串联到流动管线204上。每个光谱模块基本上如上面参照图10所描述的。在光谱模块210、212之上，为一系列连接到流动管线204上的采样室214，用于容纳地层流体的样本。在图12的工具中，这个时刻可以是流体导入这个或其他采样室的时刻，并可以选择成确保被钻探泥浆或滤液的污染最小。

上述装置的各个实施例可以用于进行多种测量，它可以用来提供关于地层流体的信息。例如，可以用这个装置进行在原油和滤液确定之间作出区别的基于OD的测量(如US5266800所述，合并于此作为参考)或者油/水相分析(如US5331156所述，合并于此作为参考)。

可以以US5201220(合并于此作为参考)中所描述的方式进行气体探测。然而，利用甲烷探测通道输出的另外方法也是有可能的。由于这个通道测量甲烷吸收光谱，GOR的测量(见下面的详细描述)可以用气体探测器。图13示出气体存在于基于油的泥浆(OBM)中的记录示例。记录显示出油/水比率轨迹A，该轨迹A表明在区域x和y存在气体，这油气体探测器轨迹Z加以确认，气体探测器轨迹Z是基于上面引用的专利’220中描述的方法。GOR值被示作轨迹a和b(对应于用于上述甲烷通道的窄带和宽度滤波器)，在点c和d处GOR增大对应于油/水比率轨迹在点x和y处白色区域变化。GOR值显示出与油/水比率轨迹的白色部分以及与气体探测器轨迹e符合很好。由于气体探测器探测靠近探测器窗口的气体，因此，不会探测到流动管线内侧的较小气泡，并且在窗口表面被覆盖泥浆或深色油料时，气体探测器通常不能工作。在这两种情况下，可以进行GOR测量，并因而探测到气体。

由于被探测的气体是甲烷，且该装置具有至少一个响应于甲烷吸收峰值的通道，因此可以利用这个通道的输出直接作为气体探测标志，不需要首先确定GOR。

确定GOR的方法是基于在所制备的甲烷和庚烷的二元混合物以及野外获得的含气原油上进行的实验NIR测量而开发的。NIR谱用Cary 5紫外-可见-近红外光谱仪获得。光谱仪的光束与基本如上面所描述的配有蓝宝石窗口的高温高压(HPHT)光谱隔室交界。隔室内的内壁路径长度为2mm。利用光学器件和隔室的交界面引起的衰减大约为1.5OD单位。在Cary中在OD≈1.2到可测量的OD极限的程度上采用后光束衰减器(rear beamattenuaor)。

图14示出用于获取该数据的装置的简图。测量室300的流动管线经由高压传递管线302连接到传统的取样瓶(CSB)上。可以在受控条件下保持20000psi的CSB具有内部样本容积304，该内部样本容积304通过浮动活塞308与液压流体容积306分隔开。该CSB具有内部搅动环(未示出)，使得在取样瓶摇动时，可以进行有效的样本混合。取样流动管线310的远端配装有阀门312，以使得流体以高压条件下抽放形式传送，从而清除由于腔室死角(dead volumn)而在传送过程中溢流(flash)的样本。CSB液压侧连接到高压泵315和压力计316，以控制压力。采样室300位于烘箱318内侧，用于控制温度。

甲烷和庚烷的混合物传送到CSB。通过伴随搅拌而加压到始沸点以上约2000psi，样本再次结合成单相，样本在高压上被传送到测量室。排放死角大约十次，以防止溢流的样本偏差。可以进行多次被证实具有一致性的操作。估计样本的气液比以检查样本成份。

获得含气原油并传送到CSB。然后该样本在井底温度和压力下传送到HPHT室。在加热和加压样本之后，搅拌15到30分钟的时段，直到进一步搅拌时压力不变化为止。加热防止石蜡相间分离，同时需要压力以避免任何分离的气相。如果CSB中的样本在传送过程中变成两相，那么样本传送造成不具代表性的样本，而要从取样瓶中去除，作废掉去除的和剩余的样本。这些含气原油的GOR通过以传统方式用来确认的商业服务加以确定。

对于大部分原油，在一个大气压下气体中的主要气态成份是甲烷。在较高压力下，气相(两个液相的较低密度)可以包含比一个大气压下气体中更大部分的较重的碳氢化合物。除了包含非常高浓度的H₂S(或CO₂)的传统气相，在溶解的甲烷和GOR之间存在单调性关系。在所列出的较低GOR处，该关系为线性的。本方法视图从甲烷(或从链烷)中提供GOR，但不是从H₂S或CO₂。通过测量原油中溶解甲烷的质量分率，可以确定GOR的碳氢化合物成份。由于这个成份一般支配GOR，则为普通环境确定了GOR。

GOR的基本分析是基于将制备的n-庚烷(代表油)和甲烷的二元混合物与NIR光谱相关的方程的。由于原油可以与这些二元混合物相关，所得出的方程也可以用来原油的GOR确定。

确定GOR的方法采用将NIR通道放置到约1670nm处的甲烷峰值，并将第二NIR通道放置在约1725nm处(-CH₂-和-CH₃)。响应矩阵

以这两个通道中甲烷响应的第一列和这两个通道中油响应的第二列。

在两个NIR通道( 矢量)中的信号响应和以

为信号矢量的二元甲烷-庚烷混合物的质量分率矢量(

矢量)根据方程1与 相关：

$\stackrel{\→}{S}=\hat{B}\stackrel{\→}{m}---1$

利用克拉麦(Cramer)法则解方程1：

$m1=\frac{D_1}{D}---2$

且

$m2=\frac{D_2}{D}---3$

其中，D是

的行列式，D₁是以

替换 的第一列而获得的行列式，而D₂是通过以通常方式(仅仅)替换

的第二列而获得。

对于二元甲烷-n-庚烷混合物，质量分率 可以用来获得响应的GOR。假设气相包含所有的甲烷(m1)加上在其平衡蒸汽压力下的庚烷蒸汽。

混合物的GOR由下式给出：

$\mathrm{GOR}=5945\frac{m1}{m2-0.257m1}(\mathrm{scf}/\mathrm{bbl})---4$

当庚烷的质量分率下降到它正好能够提供其平衡蒸汽压力的数值，但未产生液体时，GOR是无穷大。方程4不采用比此更小的庚烷质量分率。

利用上述实验装置获得的光谱仪数据，

矩阵的元素通过在对于甲烷和庚烷的特定波长窗口上获得积分和平均光谱仪OD数值(<OD>)曲线的斜率来产生。图15和16示出用于产生与甲烷和庚烷的光谱仪数据相对应的

矩阵的结果数据。这个

矩阵如此取决于光学系统的特性，以至于必须针对每个新的光学光谱仪加以确定。

对于积分<1640-1675>， 矩阵自图15和16列出的数据获得。

$\hat{B}=\left(\begin{array}{cc}1.657& 0.099\\ 0.882& 1.614\end{array}\right)$

对于积分<1660-1675>， 矩阵自图15和16列出的数据获得。

$\hat{B}=\left(\begin{array}{cc}1.838& 0.123\\ 0.882& 1.614\end{array}\right)$

利用方程4，可以计算NIR信号对GOR的理论相关性。图17中与对于二元混合物测得的数值一起绘出了积分<1640-1675>，二者在GOR的大范围上非常一致，尽管没有可调节的参数。在上述 矩阵中示出的数值取决于所使用的特定光学系统，并在需要时可以单独调节，以适应对油气混合物的提高认识(understanding)。

图18示出对于一系列含气原油和四个二元混合物的峰值面积的比。对于二元混合物的OD比由因数O.85减小(如下所述)。图18中的线对应于方程4的预测(也在坐标上由因数0.85减小)。对于这种含气原油的多样采集，可以在GOR的较大范围上看到单调特征。类似地，二元混合物也呈现出相同的单调特征，也是在GOR非常大的范围上。两组含气原油和二元混合物的样本的趋势由方程4预测，但是对于含气原油，必须包括因数0.85的修订。从而，通过最小的修订，方程4可以用于分析单向含气原油的光谱，以预测其GOR。

到目前为止，非同式(nonunity)项的最大来源是二元混合物和含气原油之间气体成份中的差异。这个因数0.85说明了含气原油的气相通常在80摩尔％附近，而对于二元混合物，气相大约在96摩尔％。含气原油的气体部分自80摩尔％偏离的程度是预测GOR中出现的误差。尤其是，如果含气原油的气相包含明显大量的H₂S或CO₂，则方程4不能提供原油的GOR，而是将提供由碳氢化合物造成的GOR。其他技术可以用来探测H₂S或CO₂。

对于不同的重油，在1725nm处的峰值大小也不相同。包含来自-CH₂-和-CH₃族的影响的这个峰值可以根据诸如石蜡或芳香族化合物的成份而改变。然而，通过分析这个峰值而进行的原油探测和量化表明这个变化不很大，大约为10％，并转化成相应GOR测量值上的误差直方图(error bar)，对于重原油的特性公知的用途，可以减小误差直方图。

上述装置可以用来确定在流动管线内地层流体样本中的污染物程度，并因此可以确定采样的适当时间，以避免被污染物干扰。这种确定方法的示例可以在USSN09/255999和USSN09/300190(合并于此作为参考)中找到。

应用于确定污染物所用的色度测量的方法可以用于通过光谱仪甲烷通道进行的测量。当基于颜色进行污染物确定时，通过减去基准通道的输出，而针对与波长无关的散射校正所选择的颜色通道的输出。图19示出自成对通道的输出的曲线，并示出拟合曲线和适当的拟合曲线方程，图20示出图19中用于GOR相关曲线的部分的放大图。在图19和20中，示出了用于颜色(通道4-通道7)以及基准(油)(通道8-通道7)的曲线。颜色输出包括颜色和散射造成的影响，而基准只示出了散射。从而，用基准校正颜色输出仅与一些波长相关散射一起给出了颜色，波长无关散射被相减去除。由于颜色和基准测量值不是相同补偿，通过这种方法不能去除波长相关散射。

对于色度测量，需要利用基准通道，该通道远离数百nm，以便按上述方式去除散射。例如，在图19所示的情况中，Ch4和Ch7间隔530nm(1070nm和1600nm)。对于甲烷通道(图19和20中的Ch0)可以使用相同的普通方法。然而，在这种情况下，基准通道(再次是Ch7)靠近测量通道(Ch0)，在本示例(1670nm-1600nm)情况下波长差仅为70nm。于是，这个方法也将去除波长相关的散射。同样，由于波长相关的散射的横截面随着波长增大而减小，利用较长波长的NIR甲烷通道(1670nm)而不是较短波长的颜色通道(1070nm)可以减少波长相关的散射。通过采用这个方法，避免了在图19中X处看到的颜色通道内的波长相关的散射，并且可以更可靠地估计在流动管线中污染物的程度，导致更好的采样时间确定。

如上面参照图12所描述的，光谱工具的实施例也可以进行流量测量。MDT工具的先前版本由泵排量和泵冲程数计算流动管线中的流量，以给出泵出体积，而后者通过与时间相关而转化为流量。然而，这个计算并不总是正确的，而有时需要更加精确的流量测量。在如图12所示的提供两个光谱模块情况下，流量可以通过将每个模块内相同光谱通道输出的特征与时间相对照而计算。从流动管线容积和相关函数中峰值时间的知识，可以确定流量。当从流动管线取样本时，由于采样点与测量点不同而需要计算，因此就需要精确的流量。

Claims (17)

1.一种确定地层流体的油气比的方法，包括：

a)至少在两个波长处使流体经历光谱分析，以产生响应数据，其中一个波长对气体的存在敏感，而另一个波长对油的存在敏感；

b)从气体在两个波长处的响应以及油在两个波长处的响应中确定响应矩阵

c)确定在两个波长处的信号响应矢量

d)根据关系 $\stackrel{\&RightArrow;}{S}=\hat{B}\stackrel{\&RightArrow;}{m}$ 计算油气混合物的质量分率矢量

以及

e)由质量分率矢量确定油气比。

2.如权利要求1所述的方法，其中，响应矩阵

包括第一列和第二列，其中第一列包括气体在两个波长每个处的光谱响应，而第二列包括油在两个波长每个处的光谱响应。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，还包括解方程 $\stackrel{\&RightArrow;}{S}=\hat{B}\stackrel{\&RightArrow;}{m},$ 以根据m1＝D₁/D和m2＝D₂/D推导出气体的质量分率m1和油的质量分率m2，其中，D是

的行列式，D₁是从响应矩阵中通过第一列由 取代而得到的行列式，而D₂是第二列由 取代的响应矩阵的行列式。

4.如权利要求1所述的方法，其中，油气比根据关系式GOR＝c1(m1/(m2-c2m1))确定，其中c1和c2是常数，m1是气体的质量分率，而m2是油的质量分率。

5.如权利要求2所述的方法，其中，响应矩阵是从在气体和碳氢化合物的合成混合物上的一系列测量上推导出的。

6.如权利要求5所述的方法，其中，当应用到来自实际地层流体的测量值上时校正因子施加到如此导出的响应矩阵上。

7.如权利要求1所述的方法，其中，波长之一大约为1671nm，而另一个大约为1725nm。

8.如权利要求1所述的方法，其中，光谱分析是在预定光谱装置中进行的，该方法包括对于预定的光谱装置确定响应矩阵

9.如权利要求2所述的方法，其中，矩阵的元素包括在用于气体和油的特定波长窗口上获得的积分和平均光谱仪OD数值的斜率。

10.如权利要求1所述的方法，其中，流体的光谱分析在位于钻孔内的工具内进行，且该工具与获得流体的地层连通。

11.一种用于确定自围绕钻孔的地层中获取的流体的油气比的装置，包括：

a)可以定位在钻孔中，并与地层建立流体连通以便从地层吸取流体样本的工具主体；

b)位于工具主体内的光谱模块，用于使流体样本在至少两个波长处经历光谱分析，并产生响应数据，其中一个波长对气体的存在敏感，而另一个波长对油的存在敏感；

c)用于确定样本的油气比的装置，该装置根据关系式 $\stackrel{\&RightArrow;}{S}=\hat{B}\stackrel{\&RightArrow;}{m}$ 计算油气混合物的质量分率矢量

其中

是在两个波长处的信号响应矢量， 是由气体在两个波长处的响应和油在两个波长处的响应形成的响应矩阵；并从质量分率矢量

确定油气比。

12.如权利要求11所述的装置，其中，光谱模块包括用于照亮流体样本的宽带光源和探测器，该探测器包括带通滤波器，其通过包括两个波长中的一个或另一个的带宽。

13.如权利要求12所述的装置，其中，包括对气体作出响应的波长的通过带宽包括1671nm，而包括对油作出响应的波长的通过带宽包括1725nm。

14.如权利要求13所述的装置，其中，包括1671nm的通过带宽由具有大约1660nm到大约1675nm的通过带宽的滤波器限定。

15.如权利要求13所述的装置，其中，包括1671nm的通过带宽由具有大约1640nm到大约1675nm的通过带宽的滤波器限定。

16.如权利要求13所述的装置，其中，包括1671nm的通过带宽也包括1650nm。

17.如权利要求13所述的装置，其中，包括1725nm的通过带宽由具有大约1715nm到大约1730nm的通过带宽的滤波器限定。

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