CN1759229B - 通过岩层速率分析技术进行泵送质量控制的方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种用于确定岩层流体试样的质量的方法和装置，包括监测渗透率和迁移率相对于时间的关系以确定滤液污染程度、岩层流体如其存在于岩层中那样为元气体和固体的单相状态以及确定来自岩层的层流。本发明还能够确定最佳泵送速率以与地下岩层在最短时间内产出单相岩层流体试样的能力相匹配。该方法和装置还检测泵送问题例如渗沙和井孔失去密封性。

Description

通过岩层速率分析技术进行泵送质量控制的方法和装置

技术领域

本发明一般涉及对岩层液样的质量控制领域，尤其涉及确定渗透率和迁移率相对于时间的关系以提供与岩层试样是否为单相态、经历层流和低滤液污染有关的指示，以通过在从岩层泵送试样的过程中进行岩层速率分析来确保获得最佳纯度的单相试样。该方法和装置还提供用于检测泵送问题(压力相对于岩层流率的相关系数)以及使最佳泵送率与岩层产出能力(迁移率、压缩率)相匹配。

背景技术

为获取例如石油和天然气一类的碳氢化合物，通过转动一种安装在钻杆端部的钻头来钻井。当前大部分钻井工作涉及定向钻井，即，钻出偏斜井孔和水平井孔以增大来自地球岩层的碳氢化合物产量和/或自地球岩层中抽取额外的碳氢化合物。现代定向钻井系统一般采用一种具有底部钻具组合(BHA)的钻杆以及位于该钻杆一端的钻头，利用一种钻井马达(泥浆马达)和/或通过转动该转杆来转动该钻头。设置在极接近钻头处的大量井下设备测量与钻杆相关的特定井下操作参数。这种设备通常包括用于测量井下温度和压力的探测器、方位和斜度测量设备以及用于确定是否存在碳氢化合物和水的电阻率测量设备。已知为随钻测井(LWD)工具的其它井下仪器通常与钻杆连接，以确定在钻井操作过程中的岩层地质和岩层流体状况。

碳氢化合物油田的商业开发需要相当大量的资金。在油田开发之前，操作者希望获取尽可能多的数据，以评估储集层的商业可行性。尽管在使用MWD系统钻井的过程中预先进行数据采集，但往往有必要对油气层作进一步的测试以获取额外数据。因此，在钻出井之后，常常利用其它测试设备对油气层进行测试。

一种钻井后测试涉及自储集层产出流体、关井、用探头或双管封隔件采集试样、降低测试体积的压力、以及允许该压力增大至某静态水平。可在单个储集层内的若干不同深度或不同点处和/或在给定井孔内的若干不同储集层处重复上述顺序若干次。此测试过程中所采集数据的一个重要方面是在使降压之后所采集的增压信息。自这些数据，可推导出有关渗透率以及储集层尺寸的信息。此外，必须获取储层流体的实际试样，且必须对这些试样进行测试以采集压力-体积-温度数据以及流体性质例如密度、粘度和成分。

为实施这些重要测试，某些系统需要自井孔中取回钻杆。随后，使一种设计用于进行测试的不同工具进入井孔内。通常使用测井电缆(wireline)把测试工具降入井孔内。有时，该测试工具利用封隔件来与储集层隔离。大量通信设备已经设计用以操纵测试组件，或者选择性地用以自测试组件传输数据。这些设计中的一些包括给或自一种位于测试组件内或与该测试组件连接的井下微处理器发送数据的泥浆脉冲遥测计。选择性的，金属线可自地面降入一种位于测试组件内的降落接收器中，建立地面与该测试组件之间的电信号通信。不考虑当前使用的测试设备的类型，也不考虑所使用通信系统的类型，取回钻杆以及使第二测试装置进入孔内所需要的时间量与金钱量都是相当大的。此外，若该孔高度偏斜，则不能采用金属线来执行测试，因为测试工具无法进入深到足以到达预期岩层的孔。

Robert Desbrandes提交的美国专利No.5,233,866中描述了一种用于测量岩层压力和渗透率的装置和方法，以下称该专利为′866专利。图1是′866专利的一幅图的复件，该图表示了一种用于确定岩层压力和渗透率的井下测试方法。参照图1，该方法包括降低与井壁流连通的流送管线内的压力。在步骤2，利用活塞增大流送管线容积，从而降低该流送管线的压力。压力降低率是这样的，进入流送管线的岩层流体与离开该流送管线的流体相结合以产生一种基本线性的压力降低。“最佳直线拟合”用以限定一种用以确定预定可接收偏差的直线基准。所示的可接受偏差是距直线2σ。一旦确定了直线基准，容积膨胀就被维持在稳定速率。在时间t₁，压力越过2σ的界限，假定处于岩层压力以下的流送管线压力导致偏差。在t₁，压力停止下降且允许该压力在步骤3稳定。在t₂，开始另一降压周期，其可包括采用一条新的直线基准。重复降压周期，直至流送管线再次稳定在一压力下。步骤5开始于t₄且表示了用于确定岩层渗透率的最终降压周期。步骤5终止于t₅，这时流送管线压力增大至井孔压力Pm。由于流送管线压力等于井孔压力，工具被卡着的可能性就减少。于是，该工具能被移动至新测试位置或者移离井孔。

′866专利的缺点是“小幅增大周期”过程中的稳定化时间导致测试所需要的时间太长。在岩层渗透率低的情况中，在实现稳定之前，上述稳定化过程要花费从几十分钟到甚至几十天的时间。在第一周期之后的一个或多个周期加重了时间问题。

无论采用测井电缆还是MWD，已知的岩层压力及渗透率测量系统都是通过在一个步骤中从低于预期岩层压力的一点降低一部分井孔的压力至远低于预期岩层压力的预定点或者通过以既定速率持续降低压力直至进入工具的岩层流体使工具压力稳定来测量压力。然后，通过停止降低压力来允许该压力上升并稳定。可重复该降压周期以确保测量有效岩层压力，在某些情况中，丢失数据或混浊数据需要重复测试。这是一项耗时的测量过程。

本发明的母申请美国专利No.6,609,569B2提供了这样一种岩层速率分析(FRA)装置及方法，其通过采用闭环装置及方法以与上述装置及方法相比更迅速地执行岩层压力和渗透率的测试来克服上述某些缺点。岩层测试越迅速，就可进行更多次的提供实际压力和渗透率的测试，以提高钻井操作效率和安全性。Krueger申请提供了这样一种装置及方法，其可在井孔内生成测试体积，并以可变速度增量式地降低该测试体积的压力以允许定期测量该测试体积压力降低时的压力。可在压力稳定之前调节降低率，从而避免需要多个周期。这种增量式降压装置及方法将显著减小总测量时间，从而提高钻井效率和安全性。

需要在泵送时确定流体的迁移率，以在抽样过程中提供质量控制和置信度。需要确定岩层流体的质量和组成。还需要在泵送过程中检测与采油封隔器损失、砂石和试样流体成为两相有关的问题。

发明内容

本发明提供一种用于在抽样操作的每个泵送冲程的最后进行岩层速率分析(FRA)以确信从岩层获取最佳纯度的单相试样的方法及装置。本发明测量压力和泵活塞位置，并计算岩层流体的压缩率、迁移率和指示泵送率与岩层产出岩层流体的能力即岩层迁移率相匹配的相关系数。

本发明用图示意泵送过程中岩层流体的压缩率相对于时间的关系，以提供试样采集前岩层流体基本没有被滤液污染的置信测度.确定渗透率相对于时间的关系还提供与岩层试样是否为单相态且经历层流有关的指示.滤液的压缩率远远小于含有溶解气体的岩层流体的压缩率.本发明还用图示意压力相对于流率的关系，以确定用于检测泵送问题的相关系数，该泵送问题例如指示由于泵送过快而导致储集层坍塌的砂石.本发明还使泵送率与岩层迁移率相匹配以确保在最少时间内获取单相试样.泵送过快会导致泵上游的岩层流体分成两相(气体和液体)，而泵送过慢要消耗过多的泵送时间，这会不必要地额外损耗几千美元.

附图说明

自附图和以下说明，将最好地理解本发明的新颖特征及本发明自身，相同参考字符指示相同部件，其中：

图1是一幅图表，定性表示采用特定现有技术方法的岩层压力测试；

图2是依照本发明一个实施例的一种海上钻井系统的正视图；

图3表示采用本发明的钻杆的一部分；

图4是本发明的系统示意性；

图5是依照本发明的测井电缆实施例的正视图；

图6是压力相对于时间和泵量的示意图，利用用于计算的特定参数表示预计降压行为；

图7是压力相对于时间的示意图，表示一种用于适度低渗透率岩层的增压曲线的初期部分；

图8是一种利用迭代估量来确定岩层压力的方法的示意图；

图9是一种利用不完全增压数据来测定岩层压力的方法的示意图；

图10是压力相对于抽吸率的示意图，表示一种在依据本发明的用以确定岩层压力的方法中使用的计算方法；

图11是说明一种依据本发明方法的图形表示；

图12是一种在井孔内使用的测井电缆岩层抽样工具的示图；

图13是一种用于在泵送过程中把岩层流体泵送到井孔内以释放试样滤液以及用于在试样净化之后把岩层流体泵送到储样罐内的双向岩层流体泵的示图；

图14是供岩层流体泵的三个冲程使用的岩层速率分析数据值；

图15是在岩层流体的无问题泵送的第一例子中供抽样泵的三个冲程使用的岩层流体泵压、封隔器压、泵活塞的线性容积排量以及泵量的图表；

图16是用于图14和图15所示三个冲程的泵压相对于岩层流率的曲线。注意到图16和图14中的相关系数(R²)高于.99，表明泵送速度与岩层流率良好匹配；

图17是泵送历史的第二例，表示在问题明显的岩层流体泵送第二例子中供抽样泵的三个冲程使用的岩层流体泵压、封隔器压、泵活塞的线性容积排量以及泵量的曲线；

图18是用于图17所示例子的所有泵送冲程的压力相对于岩层流率的曲线，所示相关系数(R²)仅为0.052，表明有问题；

图19是用于图17所示例子的前两个泵送冲程的压力相对于岩层流率的曲线，所示相关系数(R²)为0.9323，表明相当于那点的质量试样；以及

图20是抽样工具的示意图，利用其从岩层泵送质量试样，同时测量迁移率/渗透率相对于时间的关系以确保单相试样具有低滤液污染，该试样具有同其存在于岩层中时相同的物理特性.

具体实施方式

图2是依照本发明一个实施例的一种钻井装置。如本领域普通技术人员都能准确理解的，表示了一种典型钻井装置202以及自该钻井装置202起延伸的井孔204。钻井装置202具有工作杆206，在所示实施例中，该工作杆206是钻杆。钻杆206具有与之连接且用于钻出井孔204的钻头208。本发明也可用于其它类型工作杆，其可用于测井电缆(如图12所示)、带接缝油管、盘旋式油管或其它小直径工作杆例如承压条件下通过弹性密封装置下入或起出的管子(snubbingpipe)。所示钻井装置202设在一种钻井船222上，该钻井船222具有从其起延伸至海底220的立管224。但是，任何钻井装置构造例如陆上钻井装置都适于实施本发明。

若可适用，钻杆206具有一种井下钻机210。一种典型测试单元包括在钻杆206内且位于钻头208之上，该测试单元具有至少一个用于探测井孔、钻头以及储集层的特性的探测器214，这种探测器在现有技术中是公知的。探测器214的用途是采用加速度计或类似探测器来确定钻杆206的方向、方位及取向。BHA还包括随后将要更详细说明的本发明岩层测试装置216。遥测系统212位于工作杆206上的适当位置例如测试装置216的上方。遥测系统212用于地面与测试装置216之间的指令和数据的通信。

图3是采用本发明的钻杆206的一部分。工具部优选位于靠近钻头(未表示)的BHA内。工具包括一种用于与地面进行双向通信且给井下部件供应能量的通信单元及电源320。在该优选实施例中，该工具需要一种来自地面且仅用于启动测试的信号。一种井下控制器及处理器(未表示)执行随后的所有控制。电源可以是由泥浆马达(未表示)驱动的发电机，或者其可以是任何其它适当电源。还包括用于稳定钻杆206的工具部的多个稳定器308和310以及用于密封天线部分的封隔件304和306。一种优选设在上封隔件304之上的环流阀用于允许在钻头停止转动时该封隔件304和306上方的钻井泥浆持续流通。单独的排放阀或均衡阀(未表示)用于把封隔件304和306之间的测试体积排放至上环带。这种排放降低了测试体积的压力，这是降压测试所需要的。还设想通过把流体抽入系统内或者排放该流体至下环带来降低封隔件304和306之间的压力，但无论如何都将需要某种增大中间环带的容积来降低压力的方法。

在本发明的一个实施例中，一种用于与井壁4(图1)接合且可伸展的垫密封件302设在封隔件304和306之间的测试装置216上。可仅采用垫密封件302而无封隔件304和306，因为仅用该垫302就能维持与井壁的足够密封。若不采用封隔件304和306，就需要一反力使垫302能够维持与井孔壁204的密封接合。这种密封产生了位于垫密封处且在工具内延伸至泵的测试体积，而不是也采用封隔件之间的体积。

一种用以确保密封被维持的方法是确保钻杆206的较大稳定性.可选择性伸展的夹持件312和314包括在钻杆206内，以在测试过程中固定该钻杆206.在此实施例中，所示夹持件312和314包括在稳定器308和310内.该夹持器312和314可具有一种用于与井壁接合的粗糙端面，以防止软性部件例如垫密封件302及封隔件304和306由于工具移动而受到损坏.夹持器312特别理想的是用在如图2所示的海上系统中，因为由波动导致的移动会过早地磨损密封部件.

图4示意性地表示图3所示工具以及内部井孔和地面部件。可选择性伸展的夹持件312与井孔壁204接合以固定钻杆206。现有技术中公知的封隔件304和306延伸以接合井孔壁204。该经延伸的封隔件把环形井空间分隔为三个部分，即，上环带402、中间环带404和下环带406。密封环带部(或简称为密封部404)邻近岩层218。可选择性伸展的垫密封件302安装在钻杆206上且可伸入密封部404内。所示一种提供原始岩层流体408与工具探测器例如压力探测器424之间流连通的流体管线穿过垫密封件302以在密封环带404内提供一孔口420。用以确保原始流体被测试或抽样的优选构造是封隔件304和306被密封压向壁204以及该壁与可伸展件302之间具有密封关系。在垫302与壁204接合之前降低密封部404内的压力将促使流体自岩层流入该密封部404。由于可伸展件302与壁接合时的岩层排流(formation flowing)，穿过垫302的孔口420将暴露在原始流体408中。当钻偏斜或水平井时，控制可伸展件302的取向是相当合乎需要的。优选取向是朝向井孔壁的上部。一种探测器214如加速度计用于探测可伸展件302的取向。于是，利用现有技术中公知的方法和未表示部件如用弯管接头定向钻井，该可伸展件可朝向预期方向。例如，钻井装置可包括一种利用地面旋转驱动器(未表示)转动的钻杆206。一种井下泥浆马达(参见图2的210)可用于独立地转动钻头。于是，转动该钻杆，直至可伸展件朝向由探测器214所指示的理想方向。然后，停止地面旋转驱动器以在测试过程中停止转动钻杆206，同时利用预期的泥浆马达继续转动钻头。

优选的，一井下控制器418控制测试。该控制器418与至少一个系统容积控制装置(泵)426连接。该泵426优选是一种由滚珠丝杠及步进马达或其它可变控制马达驱动的小活塞，因为可以反复地改变系统容积。泵426还可以是螺杆泵。当采用其它类型泵时，应具有流量计。一用于控制至泵426的流体流动的阀430设在压力探测器424与泵426之间的流体管线422内。测试体积405是位于泵426的回缩活塞以下的体积且包括流体管线422。压力探测器用于探测测试体积405内的压力。应该注意到这里如果是在垫密封件302处于回缩位置的情况下执行，则测试可以是等值的。在这种情况下，测试体积包括中间环带404的体积。这允许“快速”测试，意味着不需要用于垫伸展和回缩的时间。探测器424与控制器418连接以提供闭环控制系统所需要的反馈数据。该反馈用于调节参数设置例如后续体积变化的压力限制。井下控制器应包括处理器(未单独示出)以进一步缩短测试时间，还包括可供选择的数据库及储存系统以保存数据作进一步分析以及提供缺省设置。

当给密封部404降压时，流体就经由均衡阀419排放到上环带402。一种使泵426与均衡阀419连接的导管427具有可选择的内阀432。若希望进行流体抽样，就可利用内阀432，433a以及433b把该流体引至可供选择的储样罐428，而不是经由均衡阀419排出。对于典型流体抽样来说，容纳在储样罐428内的流体将自井内取出以供分析。

一种用于测量低流度(致密)岩层的优选实施例包括至少一个除所示泵426之外的泵(未单独表示)。第二泵的内容积应远远小于第一泵426的内容积。第二泵的建议容积是第一泵容积的1/100。一种具有受井下控制器418控制的选择阀的典型“T”连接器可用于连接两泵与流体管线422。

在致密岩层中，第一泵用于启动降压。控制器切换到第二泵以在岩层压力以下进行操作。具有小内容积的第二泵的优点是升压时间快于具有较大容积的泵。

经井下处理的数据结果可发送到地面，以为钻井操作者提供井下条件或者确认测试结果。控制器把数据发送给设在井下的双向数据通信系统416。井下系统416给地面通信系统412发送数据信号。现有技术中已知多种适于发送数据的方法和装置。任何适当系统都足以实现本发明目的。一旦地面接收到信号，地面控制器及处理器410就转换并传输数据至一种适当的输出或存储设备414。如前所述，地面控制器410和地面通信系统412也用于发送测试启动指令。

图5是一种依照本发明的测井电缆实施例。所示井502横穿过岩层504，该岩层504包含一种具有气506、油508和水510层的储集层。一种由铠装电缆514支承的测井电缆工具512设在邻近岩层504的井502内。用于稳定工具512的选择性夹持器312自该工具512起延伸。两个可伸展封隔件304和306设在工具上且可把环形井孔502分隔为上环带402、密封中间环带404以及下环带406。一种可选择性伸展的垫元件302设在工具512上。夹持器312、封隔件304和306以及可伸展垫元件302与在图3和4中所描述的基本相同，因此这里不再详细描述。

用于测井电缆实施例的遥测装置是一种经由铠装电缆514内的一个或多个导体520与地面双向通信单元518连接的井下双向通信单元516。地面通信单元518容纳在一种具有处理器412和输出设备414的地面控制器内，如图4中所描述的。一种典型的电缆绞轮522用于把铠装电缆514导入井孔502内。工具512包括一种用于依照随后将要详细描述的方法控制岩层测试的井下处理器418。

图5所示实施例希望用于确定气506与油508以及油508与水510之间的接触点538和540。为说明这种应用，一种压力对深度的曲线542附加表示在岩层504上。如上针对图4所示实施例描述的，井下工具512包括泵426、多个探测器424以及选择性储样罐428。这些部件用于测量在井孔502内的变化深度处的岩层压力。如所示，所绘压力表现出明显地由一种流体至下一流体而变化的液体或气体密度。因此，多个压力测量结果M₁-M_n提供用以确定接触点538和540所需要的数据。

以下说明依据本发明的用于确定储集层内的有效迁移率(k/μ)的测量策略和计算过程。测量时间相当短，且此计算对于广范围的迁移率值都是适用的。与当前通常采用的速率相比，初始降压采用一种相当低的泵采出速率，0.1至0.2cm³/s。采用低速率减少了由于细粒运移导致岩层损害的可能性、减小了与流体膨胀相关的温度变化、降低了基本在探头的渗透率测量范围内的惯性流阻且允许该探头内迅速达到稳态流，而迁移率相当低。

稳态流不要求迁移率值低(小于大约2md/cp)。对于这些测量，当探头内的压力大于岩层压力时，由初始降压部分确定流体压缩率。利用这里提出的方法由早期增压部分确定有效迁移率和远距离岩层压力p^＊，从而避免需要漫长的最终增大部分，在该部分中，压力逐渐到达恒定值。

对于在降压过程中相当迅速地到达稳态流的较快迁移率，泵被停止以开始迅速增压。对于10md/cp的迁移率和随后在此所述的供试样计算用的条件(包括0.2cm³/s的泵送速率)，稳态流发生在比岩层压力下降大约54psi处。随后的增压(至岩层压力的0.01psi内)仅需要约6秒。迁移率越快，压力下降越小且增压时间越短(两者成反比)。可由稳态流率以及岩层压力与下降压力之间的差异来计算迁移率。不同泵送速率可用于检查惯性流阻。需要工具变形以适应较低泵送速率和较小压力差。

参照图4，在封隔器304和306被安置且泵活塞处在其维持完全退回行程的初始位置之后，优选采用一种恒定速率(q_pump)启动泵426。探头以及至压力计和泵的连接管路具有“系统容积”V_sys，假定该系统容积充满均匀流体例如钻探泥浆。只要探头内的压力大于岩层压力且井孔周围的岩层面被泥饼密封，就没有流体流入该探头。假定经过封隔器无泄漏且与工作无关的膨胀温度降低，利用与泵排量相等的流体膨胀来控制压力计数据的“系统”内压力。这里，A_p是泵活塞的横截面积，x是该活塞的行进距离，C是流体压缩率且p是系统压力，降压速率取决于体积膨胀，如方程1所示：

$q_{\mathrm{pump}}=A_P\left(\frac{\mathrm{dx}}{\mathrm{dt}}\right)=\frac{{\mathrm{dV}}_p}{\mathrm{dt}}=-{\mathrm{CV}}_{\mathrm{sys}}\left(\frac{\mathrm{dp}}{\mathrm{dt}}\right)---\left(1\right)$

方程2表示系统容积随着泵活塞退回而增大：

V_sys[t]＝V₀+(x[t]-x₀)A_p＝V₀+V_p[t]    (2)

方程2的微分表示了：

$\frac{{\mathrm{dV}}_{\mathrm{sys}}}{\mathrm{dt}}=\frac{{\mathrm{dV}}_p}{\mathrm{dt}}---\left(3\right)$

由此，把方程3的结果代入方程1并重排：

$\frac{{-\mathrm{dV}}_{\mathrm{sys}}}{{\mathrm{CV}}_{\mathrm{sys}}}=\frac{-{d\ln V}_{\mathrm{sys}}}{C}=\mathrm{dp}---\left(4\right)$

对于恒定压缩率，对方程4求积分以得到作为系统容积的函数的探头内压力：

$P_n=P_{n-1}+\frac{1}{C}\ln \left[\frac{V_{{\mathrm{sys}}_{n-1}}}{V_{{\mathrm{sys}}_n}}\right]---\left(5\right)$

通过由方程2计算作为时间函数的系统容积，探头内压力可与时间相关。相反，若压缩率不是恒定的，其位于任意两个系数容积之间的平均值是：

$C_{\mathrm{avg}.}=\frac{\ln \left[\frac{V_{{\mathrm{sys}}_{n-1}}}{V_{{\mathrm{sys}}_n}}\right]}{P_2-P_1}---\left(6\right)$

这里，下标1和2不限于相继读取的两个压力。注意到如果在降压过程中温度降低，表观压缩率将过低。压缩率的突然增大表示存在泵送问题，例如，掺沙使气体析出或者经由探头面与井孔壁之间密封部上的封隔器泄漏。只要在流体流入探头时该探头内的压力小于岩层压力，这表现为压缩率显著增大，则在任何情况下压缩率的计算结果都是无效的。然而应注意的是，实际流体的压缩率几乎总是随着压力减小而略微增大。

图6表示一种从5000psia的初始井孔流体静压力下降到4626.168psia的储集层压力(p^＊)608(和其下)的例子，该储集层压力(p)608是利用以下条件作为例子算出的：

有效探头半径，r_i为1.27cm；

无量纲几何因数，G₀为4.30；

初始系统容积，V₀为267.0cm³

恒定的泵体积采出速率，q_pump为0.2cm³/s，以及

恒定压缩率，C为1×10^-5psi^-1。

该计算假定没有温度变化且没有漏入探头.降压分别在图6的底部和顶部被表示为时间的函数或者泵采出量的函数.利用由方程2算得的V_sys自方程5计算初始降压部分610(p^＊上方)。压力持续下降到储集层压力以下而没有流入探头被表示为“零”迁移率曲线612。注意到由于逐渐增大的系统容积，整个“不流入探头”的降压曲线略微弯曲。

通常，当压力下降到p^＊以下且渗透率大于零时，来自岩层的流体开始流入探头。当p＝p^＊时，流率为零但其随着p的减小而逐渐增大。实践中，在泥饼开始脱离位于探头封隔器的内半径下方的井孔面部分之前，需要有限压力差。在这种情况中，时间压力曲线中将观察到不连续，而不是如图6所示从“不流入探头”的曲线平滑过渡离开。只要系统容积增大速率(来自泵采出速率)超过流体流入探头的速率，该探头内的压力将持续下降。容纳在V_sys内的流体膨胀以填补流率的不足。只要来自岩层的流体服从达西定律，其将与(p^＊-p)成比例地持续增大。最终，来自岩层的流体变得等于泵送速率，且探头内的压力随后保持恒定。这被公认为是“稳态”流。

控制稳态流的方程为：

$\frac{k}{\mathrm{\μ}}=\frac{\mathrm{14,696}{q}_{\mathrm{pump}}}{G_0{r}_i(p^{*}-p_{\mathrm{ss}})}---\left(7\right)$

对于为图6给出的条件，k/μ＝1000md/cp时稳态下降压力差p^＊-p_ss为0.5384psi，100md/cp时为5.384psi，10md/cp时为53.84psi，等等。对于0.1cm³/s的泵送速率，这些压力差将减半，对于0.4cm³/s的泵送速率，它们将翻倍，等等。

如随后将表示的，在泵活塞停止退回之后，这些高迁移率下降具有非常快的增压。p^＊的值可由几秒后的稳定化增大压力获得。在高迁移率(k/μ＞50md/cp)的情况中，泵送速率必须在随后的降压过程中增大以获得足够的下降压力差(p^＊-p)。对于较低迁移率，其应减小以确定惯性流阻(非Darcy流)不显著。在这些情况中总共三个不同泵送速率是理想的。

稳态计算对于较高迁移率非常理想，因为压缩率下降到计算结果以外，迁移率计算是直接的。然而，工具需求高：1)泵送速率应恒定且容易改变，以及2)压力差(p^＊-p_ss)小。理想的是具有由螺珠丝杠和步进马达驱动的小活塞以控制在到达小迁移率稳态流过程中的降压。

图6表示在所示时间段内，迁移率较小的1.0md/cp曲线614的降压未到达稳定态。此外，几乎不能观察到0.1md/cp及其下的曲线616与零迁移率曲线的偏差。例如，在总时间10秒处，对于0.01md/cp的下降压力差仅为1.286psi，小于不流入探头时的下降压力差。由于非等温条件或者流体压缩率的微小变化，预计会有比这更大的压力扰动。不推荐下降大于p^＊以下200-400psi；显著的惯性流阻(非Darcy流)几乎得到保证，岩层可能由于细粒运移而损伤，热扰动更为显著地不可避免，气体可能析出，且泵动力需求提高。

在p＜p^＊期间以及达到稳态流之前，三个速率起作用：1)泵送速率，其随着时间增大系统容积，2)来自岩层的流体流入探头的流率，以及3)系统容积内的流体膨胀率，其等于前两个速率的差。假定在等温条件、岩层内的达西液流、探头面附近无渗透率损失且恒定粘度下，自一种基于上述三个速率的关系的方程计算图6所示用于10，1和0.1md/cp迁移率的下降曲线618，614和616：

$p_n=p_{n-1}+\frac{q_{f_n}(t_n-t_{n-1})-(V_{{\mathrm{pump}}_n}-V_{{\mathrm{pump}}_{n-1}})}{C[V_0+\frac{1}{2}(V_{{\mathrm{pump}}_n}+V_{{\mathrm{pump}}_{n-1}})]}---\left(8\right)$

这里，在时间节距n处从岩层流入探头的流率由下式计算：

$q_{f_n}=\frac{k{G}_0{r}_i[p^{*}-\frac{1}{2}(p_{n-1}+p_n)]}{\mathrm{14,696}\mathrm{\μ}}---\left(9\right)$

由于为了计算方程9中的q_fn，需要p_n即需要方程8的解，因此采用迭代过程。对于较小迁移率，在采用p_n-1作为p的初估值时收敛迅速。然而，对于10md/cp曲线，每个时间节距需要更多次迭代，此过程对于100md/cp和更高迁移率的情况而言变得不可靠。需要较小的时间节距和/或更大的减幅(或者解算方法而不是迭代过程)。

泵活塞停止(或者减慢)以开始增压。当活塞停止时，系统容积保持恒定，且从岩层进入探头的液流导致系统容积内容纳的流体被压缩，结果增压。对于仅执行稳态计算的高迁移率测量，不需要确定流体压缩率。增压仅用于确定p^＊，这样泵就完全停止以增大压力。在图6给出的条件下，对于10，100和1000md/cp迁移率的曲线618，620和622，用以到达p^＊的0.01psi内的增大时间分别为约6，0.6和0.06秒。

对于在降压过程中未到达稳定态的小迁移率测量，增压用于确定p^＊和k/μ。然而，不需要测量整个增压过程。这要花费不合理的冗长时间，因为在增压曲线的末尾，用以到达p^＊的驱动力近似零。一种用于避免此冗长测量部分的方法将在下段中给出。

假定温度、渗透率、粘度和压缩率恒定，控制增压的方程为：

$\frac{k{G}_0{r}_i(p^{*}-p)}{\mathrm{14,696}\mathrm{\μ}}=-{\mathrm{CV}}_{\mathrm{sys}}\left(\frac{\mathrm{dp}}{\mathrm{dt}}\right)---\left(10\right)$

重排并求积分得到：

$t-t_0=\frac{\mathrm{14,696}\mathrm{\μ}{\mathrm{CV}}_{\mathrm{sys}}}{{\mathrm{kG}}_0{r}_i}\ln \left(\frac{p^{*}-p_0}{p^{*}-p}\right)---\left(11\right)$

这里，t₀和p₀分别是时间和在压力开始增大处或者增压曲线的任意点处的探头内压力。

图7是1md/cp迁移率的增压曲线630的初期部分的曲线，该曲线630起始于4200psia处，且如果从运行到完成，其将终止于4600psia的p^＊处。这从方程11算得。除了该图中表示的其它参数外，p₀＝4200psia。

以示例的方法说明由不完全的增压曲线确定p^＊。表2代表假想的实验数据。急待解决的问题是准确地确定p^＊的值，否则其将无法获得。为实验获得p^＊将至少花费60秒，而不是所示的15秒。假想中知道的唯一信息是用于图6的系统值和269.0cm³的V_sys。压缩率C利用方程6由在假想井孔压处开始的初始降压数据确定。

表2

由适度低渗透率储集层获得的假想增压数据

t-t<sub>0</sub>，s	p，psia	t-t<sub>0</sub>，s	p，psia
				0.0000	4200	7.1002	4450
0.9666	4250	8.4201	4475
				2.0825	4300	10.0354	4500
3.4024	4350	12.1179	4525
				5.0177	4400	15.0531	4550
5.9843	4425

方程11右侧上的第一群和前述对数群可被认为是用于增压的时间常数τ。由此，利用这种限定，重排方程11得到：

$\ln \left(\frac{p^{*}-p_0}{p^{*}-p}\right)=\left(\frac{1}{\mathrm{\τ}}\right)(t-t_0)---\left(12\right)$

方程12的左侧相对于(t-t₀)的曲线是直线，且斜率等于(1/τ)，截距等于零。图8是利用方程12和p^＊值的各个估值获得的表2数据的曲线。我们可见仅4600psia的正确值获得所需直线640。此外，对于低于正确p^＊的估值，曲线646的初期部分的斜率小于后期斜率。相反，对于太大的估值，曲线642和644的初期斜率大于后期斜率。

这些观测值用于构造一种寻求正确p^＊的快速方法。首先，由表2所示数据的任意初期部分计算平均斜率。这种斜率计算起始于t₁和p₁且终止于t₂和p₂。接着，由该表的随后部分计算平均后期部分。此计算的开始和结束下标分别为3和4。随后，把早期斜率除以后期斜率以求比值R：

$R=\frac{\ln \left(\frac{p^{*}-p_1}{p^{*}-p_2}\right)(t_4-t_3)}{\ln \left(\frac{p_{*}-p_3}{p^{*}-p_4}\right)(t_2-t_1)}---\left(13\right)$

假设我们选择表2的第二组数据点：2.0825s和4300psia为初期斜率的起点。还假设我们选择第5，9和11组数据作为初期斜率的终点以及后期斜率的起点和终点，它们分别具有相应的下标2，3和4。若我们现在估计p^＊为4700psia并把这些数插入方程13，R的计算值为1.5270。因为其大于1，所以估值过高。在采用以上相同数据时，p^＊的该估值和其它估值的结果表示为图9中的曲线650。p^＊的正确值4600psia出现在R＝1处。这些计算可容易地合并到一种解算程序中，该解算程序迅速收敛至正确p^＊值而不需要曲线图。利用自初始流体静压力下降获得的压缩率由重排的方程11计算所找到正确p^＊值的迁移率。

一般，对于实际数据，应避免增压数据的最早期部分用于计算p^＊以及k/μ.此具有高压力差的增压最快部分由于压缩热而具有最大热变形，且非达西流的可能性最高.在如上所述已确定p^＊之后，应按照图7描绘全部数据组。只要曲线的初期部分显示斜率随着时间增大而增大并跟随着越来越线性的曲线，这就强烈表明是处于较高压力差的非Darcy流。

参照图10描述依据本发明的另一种方法。图10表示工具压602与岩层流率q_fn 604之间的关系，以及流率在特定限值以下和以上的作用。达西定律教导压力与岩层内的流体流率成正比。因此，当工具内的压力恒定且活塞以给定速率移动时，压力相对于降压活塞抽吸率的曲线将形成直线。类似的，流率相对于稳定化压力的曲线将形成直线，该直线通常具有位于流率下限与流率上限之间的负斜率(m)606。该斜率用于确定岩层内流体的迁移率(k/μ)。方程8可被重排以得到岩层流率：

$q_{f_n}=\frac{(V_{{\mathrm{pump}}_n}-V_{{\mathrm{pump}}_{n-1}})-C[V_0+\frac{1}{2}(V_{{\mathrm{pump}}_n}+V_{{\mathrm{pump}}_{n-1}})](p_{n-1}-p_n)}{(t_n-t_{n-1})}---\left(14\right)$

方程14对于非稳定态条件以及稳定态条件都有效。当C适度精确地已知以确定沿着图10所示曲线的点时，通过用于非稳定态条件的方程14计算岩层流率q_fn。

稳定态条件将简化方程14，因为(p_n-1-p_n)＝0。在稳定态条件下，已知的工具参数和测量值可用于确定沿着图10所示直线区域的点。在此区域内，泵送速率q_pump可被代换，然后利用方程9的q_pump得到：

$\frac{k}{\mathrm{\μ}}=\frac{-14696}{m{G}_0{r}_i}---\left(15\right)$

在方程15中，m＝(-p_ss)/q_pump。k/μ的单位为md/cp，和p^＊为psia，r_i为cm，q_fn为cm³/s，V_pump和V₀为cm³，C为psi^-1，以及t为s。直线上的每个压力都是在给定流率(或抽吸率)下的稳定态压力。

实际上，在零岩层流率(滤液)附近处距直线的偏差是钻探泥浆漏入工具(流率近似为零)的指示。在高流率处的偏差通常是非达西效应。然而，通过把该直线延长至具有零抽吸率的截距，可确定岩层压力。所算得的岩层压力p^＊应等于在可忽略的误差容限内所测得的岩层压力。

压力测试的目的是确定储集层内的压力并确定该储集层内流体的迁移率。一种调节活塞抽吸率直至所读取的压力恒定(零斜率)的过程提供用以确定压力和迁移率的信息，而与采用恒定容积的“稳定”增压无关。

此过程的一些优点是经由观察到稳定增压时的测试自确认来确保质量，以及经由降压迁移率与增压迁移率的比较来确保质量。同时，当测量的增压部分无法获得时(在探头失去密封或者过多增压时间的情况中)，p^＊提供岩层压力。

图11是采用依据本发明另一种方法的工具压相对于时间的示意图。该图表示了这样一种方法，该方法涉及基于压力-时间曲线的斜率改变降压活塞抽吸率。在任一点获得的探测器数据可用于方程14以绘制如图10所示曲线或者用在受计算机控制的自动解算程序中。限定各种流率下的稳定态压力的数据点可用于确认测试。

通过采用如图4所示的MWD工具或者如图5所示的测井电缆工具，启动该程序。工具探头420初始相对于井孔密封，测试体积405基本仅包含处在环带流体静压力下的钻井泥浆。经由从地面发送的指令启动测试阶段I 702.井下控制器418优选控制随后的操作.利用该控制器控制一种包括降压活塞的降压泵426，通过把该降压活塞的抽吸率设定为一预定速率而以恒定速率减小测试体积内的压力.探测器424用于以预定时间间隔测量至少工具内流体的压力.调节该预定时间间隔以确保在该程序的每个阶段过程中可得到至少两个测量结果.通过用适当探测器测量系统容积、温度和/或系统容积变化率，可获得其它优点.在阶段I过程中利用上述计算过程确定工具内流体的压缩率.

当工具压力下降到岩层压力p^＊以下时，测试阶段II704开始。由于岩层流体开始进入测试体积，压力曲线的斜率改变。通过采用一种井下处理器由在该阶段内的两个时段处抽取的测量结果计算斜率来确定斜率变化。若抽吸率保持恒定，工具压趋向于在一种低于p^＊的压力处稳定。

抽吸率在预定时间706处增大以开始测试阶段III。增大抽吸率就降低了工具内压力。由于压力减小，岩层流体流入工具内的流率加快。工具压趋向于在一种比阶段II过程中所经历压力低的工具压处稳定，因为抽吸率在阶段III大于阶段II。当区间测量表明工具内压力接近稳定时，抽吸率在时间708处再次减小，开始测试阶段IV。

然后，抽吸率减慢或者停止，使工具内压力开始增大。当压力开始增大时，曲线斜率改变符号，此变化启动阶段V710，然后抽吸率开始增大以稳定压力。当压力测量结果得到零斜率时，表明压力稳定。接着，对于阶段VI712减小降压活塞速率，以允许压力增压直至压力再次稳定。当压力稳定时，降压活塞在阶段VII714停止并允许工具内压力增大，直至该工具压稳定在岩层压力p_f处。然后，测试完成，控制器使测试体积716与环带的流体静压力均衡。接着，该工具可被取出并移至一新位置或者移出井孔。

井下处理器利用在阶段V710和阶段VI712过程中确定的稳定化压力以及相应的活塞速率来确定如图10所示的曲线。该处理器由所测得的数据点计算岩层压力p^＊。然后，比较算处值p^＊与在测试阶段VII714过程中利用工具获得的测得岩层压力p_f。该比较用于确认所测得的岩层压力p_f，从而避免需要执行单独的确认试验。

采用上述一个或多个方法要素的其它实施例也被认为在本发明范围内。仍然参照图11，另一实施例包括阶段I至阶段IV，然后阶段VII。在需要测量岩层压力时，此方法对于可适度渗透的岩层是理想的。通常，在此实施例中，阶段IV的分布曲线将略微变化。当测量结果显示压力曲线709上基本为零的斜率时，启动阶段VII。在移动工具之前，仍然需要均压过程716。

本发明的另一实施例包括阶段I702、阶段II704、阶段VI712、阶段VII714和均压过程716。此方法用在渗透率相当低的岩层中或者用在工具失去密封时。阶段II将不像所示那样显著偏转，这样阶段I的直线部703将看来似乎延伸到岩层压力p_f以下。

图12是一种在井孔中使用且无封隔器的测井电缆岩层抽样工具的示图.现在转到图12，其表示设在岩层测试工具内的本发明另一实施例.图12是一种自Michaels等的美国专利N0.5,303,775得到的岩层测试工具的示图，在此整体引入该专利以供参考.Michaels的′755专利教导一种用以与井下岩层测试工具连接以获取原生流体的相完整试样的方法和装置，该相完整试样经由含有压力的储样罐送至试验室.容纳在工具内的一个或多个储液罐相对于岩层平面处的井孔压力均衡，且其按照这样一种方式注满原生流体试样，使得在该储样罐的注充过程中，该原生流体的压力被维持在处于流体试样的起泡点以上的预定范围内.储样罐采用一种可在内部自由浮动的活塞，该活塞把该储样罐分隔为容纳试样的储样罐和与井孔压力连通的压力均衡室.储样罐提供有一种能够在岩层测试工具已从井孔中取出以送至实验室之后维持流体试样的压力的断流阀.为弥补在储样罐及其内容纳物冷却时的压力下降，该工具的活塞泵机构具有把试样压力充分增大到该试样的起泡点以上的能力，这样，在冷却时发生的任何压力减小将不会使流体试样压力减小到其起泡点以下.

图12是具有方框图解的示图，其表示一种依据本发明构造的岩层测试工具，该工具设置在井孔内的岩层平面处且其抽样探头与岩层连接以进行测试并获取一个或多个原生试样。如图12所示，在垂直剖视图中表示的井孔10的一部分穿过地下岩层11。一种抽样和测量工具13经由电缆或测井电缆12设在井孔10内。该抽样和测量工具包括液压传动系统14、流体试样储存部15和抽样机构部16。抽样机构部16包括可选择性延伸的井啮接垫件17、可选择性延伸的流体导入抽样探头件18以及双向泵件19。如果需要，泵件19也可以位于抽样探头件18的上方。

在工作时，通过从卷绕着电缆12的绞车20上卷绕或卷出该电缆12，把抽样和测量工具13设置在井孔10内。当工具13设在所关心的地下岩层附近时，来自深度指示器21的深度信息与信号处理器22和记录器23连接。来自控制电路24的电控制信号经由容纳在电缆12内的导电体传递给工具13，该控制电路24包括处理器(未示出)。

这些电控制信号启动所示液压传动系统14内的操作液压泵，该液压传动系统14提供工具操作所需的液压动力并提供使井啮接垫件17和流体导入件18从工具13横向移动至与地下岩层11和双向泵件19啮接的液压动力。然后，利用来自控制电路24的电控制信号使流体导入件或抽样探头18与地下岩层11流连通，该电控制信号选择性地启动工具13内的电磁阀以获取容纳在目标地下岩层内的任何可采出原生流体的试样。

图13是一种用于在泵送过程中把岩层流体泵送到井孔内以释放试样滤液以及用于在试样净化之后把岩层流体泵送到储样罐内的双向岩层流体泵的示图。图13表示依据本发明构造的井下岩层万用表工具的一部分，示意性表示了该工具内的活塞泵和一对储样罐。图12和13取自Michaels的′755专利并在此对它们进行详细说明。

如图13的局部剖视示意图所示的，图12所示岩层测试工具13包括通常在图13中示意性表示为24的双向活塞泵机构。在工具主体13内还提供有至少一个且优选一对储样罐，该储样罐通常表示为26和28且如果希望可具有相同构造。活塞泵机构24限定了一对相对泵室62和64，该泵室62和64被设置成经由供给管34和36与各自储样罐流连通。利用电激发三向阀27和29或者其它任何能够选择性地填充储样罐的适当控制阀装置控制从各自泵室到选定储样罐26或28的供给管的排放。所示各自泵室还具有经由泵室供给通路38和40与所关心的地下岩层流连通的能力，该泵室供给通路38和40由图12的抽样探头18限定且受适当阀门控制。如果需要，供给通路38和40可提供有允许从室62和64泵送的流体过压的止回阀39和41。LMP47跟踪活塞58和60的位置和速度，由此能够确定对于已知活塞式汽缸尺寸而言经过一定时间的泵量。

图14是供岩层流体泵的三个冲程使用的岩层速率分析数据值。图15是在岩层流体的无问题泵送的第一例子中供抽样泵的三个冲程使用的岩层流体泵压、封隔器压、泵活塞的线性容积排量以及泵量的图表。

图16是用于图14和图15所示三个冲程的泵压相对于岩层流率的曲线.注意到图16和图14中的相关系数(R²)高于.99，表明泵送速度与岩层流率良好匹配。图17是泵送历史的第二例，表示在问题明显的岩层流体泵送第二例子中供抽样泵的三个冲程使用的岩层流体泵压、封隔器压、泵活塞的线性容积排量以及泵量的曲线。

图18是用于图17所示例子的所有泵送冲程的压力相对于岩层流率的曲线，所示相关系数(R²)仅为0.052，表明有问题。图19是用于图17所示例子的前两个泵送冲程的压力相对于岩层流率的曲线，所示相关系数(R²)为0.9323，表明相当于那点的质量试样。

本发明在岩层增压的同时在泵抽吸侧上的每个泵送活塞冲程的最后进行FRA以确定迁移率、压缩率和相关系数。本发明提供迁移率相对于时间的曲线，并作为试样综合性的可信度指示而交付给抽样委托人。FRA用图表示压力相对于岩层流率的关系，如图16所示。该图越接近直线，相关系数就越高。相关系数高于0.8表明泵送速率与岩层采出岩层流体的能力良好匹配。

通过解方程P(t)＝P^＊-[迁移率的倒数]×[岩层流率]，作为时间函数的压力曲线得到岩层压力P^＊。此曲线的斜率是负的，且y轴截距是P^＊，P在垂直轴上。此曲线的倒数是迁移率。该曲线与直线的匹配程度是相关系数。当相关系数小于0.8时，表明有问题。当岩层能够以更快的泵送速率输送单相岩层流体时，本发明将给操作员提供向上箭头指示以增大泵送速率，以及当泵送速率超过岩层以现有泵送速率输送单相岩层流体的能力时，提供向下箭头以减慢泵送速率。

室62和64的泵量是已知的，且活塞58和60的移动位置和移动速率可由LMP47得知，于是在每个泵送冲程的最后对双向泵执行FRA。由于降压率和泵量可由活塞位置和室62和64的位置及尺寸变化率得知，所以也可知或者能够算出降压量。

P_saturation-p^＊＝-(1/迁移率)(岩层流率)。P_saturation-p^＊代表在成为两相之前的试样容许窗(window of tolerance)。利用FRA确定岩层流体迁移率，这样就可计算岩层流率，并计算方程16中的适当泵送速率q_dd以如下所述与岩层流率相匹配。工具内的控制器通过发送反馈信号给泵处的液压控制器阀来自动调节泵送速率，或者发送信号给控制员来调节该泵送速率以实现该泵送速率与岩层迁移率的最佳匹配。

在泵送过程中当双向泵活塞58，60到达泵送冲程的最后时，对该泵的抽吸侧进行FRA。在泵活塞58，60移动之前，FRA利用每个泵送冲程最后的岩层增压来确定所要泵送的岩层流体的压缩率、迁移率和相关系数。因此，本发明提供的泵送过程中的FRA利用LMP数据和泵尺寸能够获得单相抽样过程中的准确降压量和降压率。用于迁移率、压缩率和FRA曲线压力梯度的FRA数据确认试样数据和压力测试数据。由此，泵送时的FRA确保正确降压率用于执行准确压力测试并获得代表岩层特征的单相试样。

依据图12-19所示的本发明当前实施例，本发明提供这样一种装置和方法，该装置和方法通过在每个泵送冲程之后采用上述FRA技术来监测来自含碳氢化合物岩层的泵送岩层流体并提供对泵送的质量控制。依据本发明，FRA用在泵的抽吸侧，同时利用FRA监测岩层增压以计算迁移率、压缩率、相关系数和p^＊相对于时间的关系.本实施例是这样一种方法，该方法通过在图13所示双向泵的每个泵送冲程的最后采用上述FRA技术来分析用于岩层压力和岩层流体迁移率的测井电缆岩层测试工具测量数据.岩层测试工具通常把来自岩层的岩层流体泵出或者抽出到井孔内，以在抽取岩层流体试样之前净化泥浆滤液.泵送可持续几小时，以极力获取无滤液(经净化)的岩层流体.此外，以不会遇到诸如工具堵塞、封隔器泄漏、掺沙或岩层破坏一类问题的最有效方式来维持泵送速率是关键点.利用双向泵室62或64的已知泵量，本发明把FRA应用于泵送数据.

现在转到图13，FRA应用于每个泵送冲程或者若干组合冲程。FRA应用于双向泵室62和64的泵送冲程和活塞58和60，以确定岩层迁移率、流体压缩率和相关系数。FRA确定的迁移率指示岩层产出碳氢化合物的能力。有效的油回收操作是绝不可少的，以与具有适当泵送速率的岩层产出能力相匹配。已知通过为低迁移率减小泵送速率或者为高迁移率增大泵送速率，可使岩层产出碳氢化合物的能力与适当泵送速率匹配。使泵送速率与岩层产出能力匹配有助于实现高效泵送。利用在泵送同时采用FRA所确定的迁移率值，计算使流动岩层的流压处于饱合压力或起泡点压力以上的最大泵送速率。在泵送计算的同时采用由FRA确定的适当泵送速率增大了采集到不闪光(un-flashed)单相试样的可能性，这是岩层的真实表现。

FRA相关系数的确定提供泵送质量和问题的指示。泵送过程会遇到无数问题。提前检测到这种问题的迹象为避免工具的致命故障、否则需要花费大量金钱而提供重要机会，并使得操作员可以改变泵送速率或者甚至延迟或终止泵送过程。在一种示范实施例中，设在井下工具内的处理器通过向地面和停留处的操作员显示向上或向下箭头把与应增大还是减小泵送速度相关的预期泵送速度的信息通知给操作员，或者自动调节泵送速度，或者停止泵送，以解决泵送过程中察觉到的问题。

当泵送行为无问题时，用于一系列连接泵送冲程的FRA相关系数将较高，即高于0.8-0.9，然而当泵送过程中遇到问题时，FRA相关系数将降低并再次变小。FRA压缩率用作泵送过程中流体类型变化的指示器。通过连续监测岩层流体压缩率，可迅速检测到自岩层泵送的流体类型的变化。因此，当泥浆滤液压缩率与岩层流体压缩率之间存在显著差异时，因为压缩率从表现为泥浆滤液的值变化成表现为岩层流体的值，所以较易于监测岩层净化。监测近红外光谱光密度测量结果与FRA压缩率相结合以确定岩层试样净化。

如图12-19所示，本发明的当前实施例提供了一种经由对一定时间上的每个泵送冲程进行岩层速率分析或者FRA来控制泵送质量的装置和方法。泵送能持续几小时，且以没有诸如工具堵塞、封隔器泄漏或岩层破坏一类问题的最有效方式来维持泵送过程是相当关键点。在泵量已知时，本发明对泵送数据进行FRA。对每个泵送冲程或者若干组合冲程进行FRA。对泵送冲程的FRA得到岩层迁移率、流体压缩率以及相关系数。本发明利用由FRA确定的迁移率来指示岩层产出能力。本发明的当前实施例通过确定岩层产出能力来选择适当泵送速率，从而通过减小泵送速率使低产出能力(FRA确定的低迁移率)与较慢泵送速率匹配，或者在岩层具有较强产出能力(如果迁移率高)时增大泵送速率能够通过施加补充泵送速率以与岩层迁移率相匹配来提高效率。利用对岩层迁移率的FRA泵送确定，本发明计算并采用最大补充泵送速率，这将保持流过该泵和工具的试样压力在饱合压力或者起泡点压力以上，且不再花费比利用过慢泵送来获取试样所需更长的时间。通过在双向泵的每个泵送冲程的最后采用本发明利用FRA算出的最大补充泵送速率，采集到不闪光典型试样的可能性增大。

依据岩层迁移率控制岩层泵送速率将通过使该泵送速率与岩层产出率相匹配来令泵送过程最优化.通过不以比岩层能够产出的速率更快的速率进行泵送，泵送速率与岩层产出能力相匹配将确保被泵入储样罐内的岩层试样自始至终停留在单相状态，从而不会把岩层试样的压力降低到起泡点以下.本发明还能够实时质量监测以在出现任何问题时指示并检测该问题，或者自动地改变泵送参数以尽可能减小负面影响.经由FRA压缩率的变化来监测岩层净化.因此，本发明通过在泵送过程中进行综合FRA能够使泵送过程最优化.由此，本发明提供了获取典型岩层试样的优点.

对泵送数据的FRA技术易于作为一种可被接入和断开的供选择事物集成到井下抽样工具内。一旦启动泵送优化过程，就持续不断地实时监测FRA迁移率、压缩率和相关系数。本发明的当前实施例优选执行以下步骤。

本发明对双向泵室62和64或单向泵室的已知泵量应用FRA。FRA技术可应用于单个泵送冲程或者总共若干泵送冲程，并将对该单个或多个冲程计算迁移率、压缩率和相关系数。利用FRA确定的岩层迁移率，本发明计算用以维持流压在饱合压之上的最佳泵送速率，并在需要改变泵送参数时通知工具技师以达到最佳压力或者自动调节泵送速率以达到使泵送压力与岩层产出能力相匹配的最佳压力。本发明在泵送过程中连续监测FRA迁移率、压缩率和相关系数以观察FRA迁移率、压缩率和相关系数的显著变化，从而确定岩层产出能力或者检测泵送过程中的问题。

FRA技术能计算用作分析的岩层速率。以下方程(16)是用作分析的基础：

p(t)＝p^*-(μ/(kG₀r_i))(C_sysV_sys(dp(t))/dt)+q_dd)   (16)

在方程右侧上的第二圆括号内的整个数项C_sysV_sys(dp(t)/dt)+q_dd是通过修正用作工具储能效应的活塞速率(q_dd)算得的岩层速率。C_sys是工具流路内流体的压缩率，V_sys是流路容积。G₀是几何因子，r_i是探头半径。

以下专用术语用在图15-29中：APQK-用于泵测量仪器的压力曲线(psi)；APQL-用于封隔器测量仪器的压力曲线(psi)；LMP-泵活塞或者样品室活塞的线性排量的曲线以确定泵量。LMP泵活塞位置指示器电位计47表示在图13中。LMP用于跟踪活塞位置和活塞移动速率。利用泵活塞横截面积(cm²)由此曲线计算降压量(DDV)和泵量(PTV)；泵(PTV-BB)量曲线的单位为cm³。当泵量记录到泵量(PTV)曲线中时，FRA可应用于小容积(56cc)泵的泵送。

图14给出了一种应用于小容积泵的泵送数据的FRA例子。该数据包括p^＊1410、迁移率1412、压缩率1414和相关系数1416。一个冲程接一个冲程地考虑并分析泵送数据。然后，三个泵送冲程1402、1404，1406数据相结合1408。图15表示所用泵送数据的历史图。如所示，采用小容积泵的三个冲程。分析结果汇总在图14中。注意到采用泵量(PTV)曲线，而不是用于进行降压速率计算的降压量(DDV)。

图15表示泵压1506、封隔器压1504、活塞位置1502和泵量1508。在图15中，采用BB56cc抽样泵的三个冲程的泵送数据历史。在图16中，结合图15所示用于三个冲程的FRA图表。图16是表示用于图15所示三个冲程的相关系数为0.9921的泵送历史。

如图14所示，迁移率和压缩率对于每个泵送冲程不同，但非常接近。迁移率仅略微增大。作为组合用于三个泵送冲程的FRA对三个泵送冲程上的压缩率和迁移率产生性质的实际平均(a de facto averageof sorts)。现在转到图16，如图16所示用于组合三个泵送冲程的FRA图表1604表示了对直线1602的较好相关性0.9921。上例表明在采用特性保留工具(RCI)56cc(BB)泵且使用泵量(PTV)曲线时，FRA能够成功地应用于泵量数据。FRA可应用于每个冲程或者可应用于总共若干冲程以节省计算时间。

FRA应用于如图17所示设定的用于泵送冲程数据的问题方案(problem scenario)。如图17和18所示，前几个冲程无问题，但随后压力显示问题迹象(例如，致密岩层、高粘度或者工具堵塞)。图18中给出用于全部冲程集的压力相对于岩层流率的FRA图表，在图18中几乎没有或者完全没有相关迹象(相关系数相当低，仅0.03)。然而，如图19所示在前几个冲程上的FRA相当好，具有0.93的相关系数、1040md/cp的迁移率以及4.1E-4(1/psi)的压缩率。此例表示在泵送同时采用FRA将作为泵送的质量指示器。本发明对若干泵送冲程进行FRA分析，并计算或检测FRA图表或者相关系数的变化，以检测任何泵送问题的迹象。本发明的当前实施例确定任何显著变化，然后要求或通知操作员或者由于察觉到泵送停止的必要条件而自动地改变泵送速率、检查可能问题或停止泵送。

可经由井下膨胀试验或者相关值的已知数据基本资料来估计岩层流体或者岩层流体与滤液的混合物的饱合压。一旦由FRA获得岩层迁移率，就利用FRA计算仍然使流压维持在饱合压以上的最大泵送速率。同时，任何显著变化例如FRA压缩率值的一半或者一个数级暗示着流入工具的流体类型发生变化，这将是岩层净化的指示器。

本发明选择全部降压泵冲程的一部分，并基于算出的降压率建立FRA数据。利用泵送数据，基于泵送冲程的数量而不是降压率选择分析间隔。本发明在泵送期间采用不定数量的冲程，在开始时选择小泵送冲程例如二或三个泵送冲程，并逐渐增大泵送冲程数量，直至可选择的固定最大冲程例如10个冲程或者在本例中近似500cc的泵送流体。

现在转到图20，给出抽样工具的示意图。本发明能够在自岩层泵送试样的过程中进行FRA。FRA能够计算压缩率、渗透率和迁移率相对于时间的关系。监测渗透率相对于时间的关系能够估计或者确定试样中的滤液污染程度。由于岩层流体的压缩率大于滤液的压缩率，所以在自岩层泵送岩层流体试样的过程中对岩层试样进行净化并清除滤液时，压缩率将稳定地降低并渐近地达到一稳定状态值。

如图20所示，泵2018自岩层2010抽岩层流体。来自岩层2010的岩层流体在试样净化过程中引导至井孔出口2012，或者一旦确定岩层试样已净化后引导至单相样品罐2020并作为试样2021被收集。本发明能够实时监测压缩率、渗透率和迁移率相对于时间的关系以能够控制试样的质量，使试样在离开岩层时维持相同状态。

泵2018的抽吸侧2014下降到岩层压力以下以使岩层流体能够自岩层流入该泵2018。利用本发明设定在泵的抽吸侧上压力下降至岩层压力以下的量。压力下降量被设定为使试样压力不会在起泡点压力以下。抽吸侧上的压力下降量还被设定为使压力不会下降到这样一种压力以下，在该压力下，沥青质不会从试样中沉淀析出，从而确保该试样停留在其存在于岩层中的流体形式。由此，第一压力下降被设定为使泵送过程中的压力下降不会到起泡点压力以下并形成气泡。第二压力下降被设定为使泵送过程中的压力下降不会到固体例如沥青质从岩层流体中析出的压力以下。因此，提供第一和第二压力下降确保输送岩层流体试样，而不存在额外气体或固体的状态变化。利用经由对岩层进行建模或者事先数据分析提供的起泡点压力和固体析出压力来确定第一和第二压力下降值。对试样滤液净化进行监督确保岩层流体试样不包含滤液或者包含极少量滤液，使得该岩层流体试样的成分代表了岩层流体存在于岩层中时的成分。

在本发明的另一实施例中，本发明方法作为计算机可读介质上的一组计算机可执行指令被实施，该计算机可读介质包括ROM、RAM、CDROM，闪存或者任何其它现在已知或者未知的在执行时使计算机实施本发明方法的计算机可读介质.

尽管前述公开内容旨在本发明的示范性实施例，但各种变形对本领域技术人员而言将是显而易见的。所有变形都试图包括在由前述公开内容所包含的所附权利要求书的范围内。本发明的更重要特征的例子已经被相当广泛地概述，以更好地理解其后的详细说明以及以理解对现有技术的贡献。毫无疑问的，本发明的额外特征将在以下描述并将形成这里所附权利要求书的主题。

Claims (24)

1.一种用于通过估计来自岩层的流体的流率来获取单相的流体的方法，包括：

泵送以将所述流体移离所述岩层；

在泵送过程中测量所泵送的流体压力和体积；

其特征在于，由所测量的所述压力和体积估计所述流体的流率；以及

基于一小于或等于岩层产出流体的能力的流率来泵送所述流体，以获取单相的流体。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，由所述流率估计所述流体的渗透率、迁移率和压缩率中的至少一个。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于：

基于所述流率使所述泵送速率最大以大约等于岩层产出流体的能力，以获取单相的流体。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，泵送所述流体包括自所述岩层把所述流体泵送到流送管和样品室内。

5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，测量流体压力包括测量所述流送管内的压力。

6.如权利要求1所述的方法，其特征在于：

若所述流率在一预定限值以外，检测泵送问题。

7.如权利要求1所述的方法，其特征在于：

估计随时间的流率。

8.如权利要求1所述的方法，其特征在于：

确定用于估计所述流率的相关系数；以及

基于所述相关系数检测泵送问题。

9.如权利要求1所述的方法，其特征在于：

监测所述流率相对于时间的关系以确定岩层净化。

10.如权利要求1所述的方法，其特征在于：

监测所述流率相对于时间的关系以确定岩层流体试样是否处于单相状态。

11.如权利要求1所述的方法，其特征在于：

估计所述流率与压力之间的相关性；以及

由所述相关性估计流体的泵送。

12.如权利要求11所述的方法，其特征在于，所述流体的泵送包括所述流体中的有限压力下降。

13.如权利要求1所述的方法，其特征在于：

绘出流率(604)相对于压力(602)的曲线；以及

由流率相对于压力的曲线的斜率(606)估计岩层的净化。

14.一种回收流体的装置，包括：

泵，所述泵的直接容积可被监测，所述泵泵送来自岩层的流体；

压力探测器(424)，用于测量流体的流体压力；以及

其特征在于，处理器(418)被编程序以由所述容积和所述压力估计所述流体的特性，其中，该处理器(418)被编程序以提供一小于或等于岩层产出流体的能力的泵送速率，从而确保获取单相的流体。

15.如权利要求14所述的装置，其特征在于，所述特性包括所述流体中的有限压力下降。

16.如权利要求14所述的装置，其特征在于，所述处理器(418)改变所述泵的速率。

17.如权利要求14所述的装置，其特征在于：

罐(26)，用于容纳所述流体。

18.如权利要求14所述的装置，其特征在于，所述特性自包括渗透率、迁移率和压缩率的组中选出。

19.如权利要求14所述的装置，其特征在于，所述处理器绘出所述特性相对于时间的曲线。

20.如权利要求14所述的装置，其特征在于：

在确保获取单相的流体的同时，所述处理器(418)基于所述特性提供一用于所述泵送速率的指示器。

21.如权利要求14所述的装置，其特征在于，所述处理器(418)基于所述特性检测泵送问题。

22.如权利要求14所述的装置，其特征在于，所述处理器确定相关系数或曲线，并基于所述相关系数检测泵送问题。

23.如权利要求14所述的装置，其特征在于，所述处理器(418)监测所述特性相对于时间的关系以确定岩层的净化。

24.如权利要求14所述的装置，其特征在于，所述处理器(418)监测所述特性相对于时间的关系以确定岩层流体试样是否处于单相状态。

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