CN1761868A - 利用近红外光谱术井下量化甲烷的方法和设备 - Google Patents

Abstract

本发明描述应用近红外光谱术估算原油中甲烷重量百分比的唯一方法和设备，然后，我们能够在收集流体样本的同时实时判断井下原油的油气比(GOR)。本发明提供的相关公式使用两个波长，一个中心波长是1670nm，而另一个中心波长是1682nm。这两个波长主要是对甲烷峰值吸收率灵敏。为了大大地提高匹配性，诸如温度和压力的非光谱参数可以包含在相关公式中。此外，当流体是从大部分不含气滤液到大部分含气原油的岩层过渡区中泵出时，通过监测与样本净化相联系的GOR增大，本发明可用于监测样本的净化。

Description

利用近红外光谱术井下量化甲烷的方法和设备

技术领域

本发明一般涉及利用两个特定选取光通道上的样本吸收率井下量化原油样本的甲烷重量百分比或油气比的方法和设备。利用复杂的模拟选取这些通道的中心波长和带宽。

背景技术

在钻井勘探中，通常利用诸如石油基泥浆和合成基泥浆的钻探泥浆。这些泥浆的滤液一般通过钻井壁侵入承载碳氢化合物的岩层。因此，从岩层中取出的样本包含钻探泥浆滤液的污染。因此，必须从岩层中泵出足够数量流体以减小样本中滤液污染到可接受的水平。裸眼抽样是获取代表性岩层流体样本的有效方法。岩层流体样本的采集和分析可以确定评估石油贮量经济价值的重要信息。此外，可以设计优化生产策略以处理这些复杂的流体。在裸眼抽样中，最初，来自岩层的流动物包含相当数量的滤液，但是随着从岩层中排出滤液，岩层流体中的流动物变得很丰富，而流动物中出现较少的滤液。就是说，当泵浦操作继续进行时，从岩层中流出的流体成分发展成较高百分比的天然岩层流体和较低百分比的滤液，因此耗尽侵入岩层的滤液。

因此，从井内泵出的流体经受了净化过程，其中样本的纯度随着时间增大，而滤液逐渐地从岩层中去除，使样本中出现较少的滤液。当抽样岩层流体的成分变化时，抽样流体的光学和物理性质也发生变化，例如，光吸收率，荧光，折射率，密度，和粘滞度。若干不同的测量结果用于实时确定井下流体的各种光学和物理性质。所以，测量该流体的这些性质可以洞察样本的纯度。

在从岩层中提取流体时，需要实时量化净化的进展，即，岩层流体样本中滤液的污染程度。若我们知道样本中有太多的滤液污染(例如，约超过10％滤液)，就没有理由去收集样本库中的岩层流体样本。我们应当等待污染程度下降到可接受的水平。另一方面，若通过相当长时间的泵浦操作，仅仅能够获得少量的滤液污染，则操作员可以终止浪费非常宝贵的钻孔时间以及承担非常昂贵的风险，存在钻具被卡住在井内的可能性。

在泵浦操作刚开始时，泵出的流体包含大量泥浆滤液污染，但流体滤液百分比以最快的速率下降。这种流体滤液污染减小的过程称之为样本的净化。在此之后，泵出的流体包含较少的污染，而流体滤液百分比以较慢的速率下降。一种监测净化过程的方法是监测泵浦操作继续时油气比(GOR)的增大，而岩层中的流动物是从大部分不含气石油基泥浆净化到大部分含气原油。

石油公司对于知道原油的GOR也是非常感兴趣，他们发现向下钻进与利用GOR作为净化监测无关。因此，我们需要一种用于实时确定井下GOR的方法和设备。

发明内容

本发明的方法和设备利用光谱术估算甲烷-原油混合物中甲烷饿重量百分比和对应的油气比(GOR)。提供一种根据光谱学方法确定的甲烷重量百分比用于确定油气比的方法和设备。本发明提供一种利用近红外(NIR)照明光光学分析岩层流体的方法和设备，该照明光提供1670nm和1682nm波长下的光吸收率测量结果。本发明的方法相关这两个波长下的吸收率与重量百分比甲烷和GOR。用于测量岩层流体光谱吸收率的钻孔设备包括：测试区，引导岩层流体进入测试区的导管，至少发射近红外光线进入测试区的光源，光耦合到测试区的光谱检测器，和耦合到光谱检测器的处理器。测试区是光透明单元或光透明室，它位于光源与光谱检测器之间，因此，从光源引导到光谱检测器的光传输通过岩层流体。光谱检测器是滤波器摄谱仪的一个例子，它测量光传输通过测试区中岩层流体的光谱。

本发明提供一种利用复杂模拟和回归选择过程量化井下甲烷和GOR的方法和设备，它可以得到有具体选取中心波长和带通(11nm半极大全宽FWHM)的特定选取光滤波器，用于实时量化井下原油样本中的甲烷重量百分比或GOR。具体地说，本发明是一种用于确定岩层流体样本中重量百分比甲烷和GOR的方法，该样本是利用钢绳工具或钻孔-监测岩层测试仪从围绕钻孔直径的岩层中泵出的，可以得到岩层流体样本的重量百分比甲烷并估算GOR。

与Mullins US 6,476,384(Mullins‘384)的方法不同，它描述一种基于两个波长确定GOR的方法，第一个波长是在甲烷气体的光谱峰值附近，而第二个波长是在液态碳氢化合物的光谱峰值(代表原油)附近，本发明利用的两个波长都是在甲烷的单个光谱峰值附近(即，两个相同的甲烷峰值区)。此外，与Mullins‘384的方法不同，它的光谱GOR确定公式基于正庚烷(代表原油)与甲烷的训练组二元混合物，而本发明的光谱GOR公式基于甲烷与脱气原油的合成混合物。脱气原油是原油中很少或没有残留气体的原油，因为它不是贮存在压力下，从而释放掉原油中的气体。与视觉清澈的庚烷不同，真正的原油有相当数量暗色的沥青烯。沥青烯的光吸收峰值尾端往往产生基线偏移的等同物，和在包含甲烷和液态碳氢化合物峰值的长波长区(1620nm-1780nm)有一些基线倾斜。此外，液态碳氢化合物峰值在几百种碳氢化合物混合的情况下比单个纯溶剂(饱和正庚烷)的情况更复杂(它有与饱和芳香剂相关的特征)。与Mullins‘384对比的两个理由，在GOR或重量百分比甲烷的模型中，本发明利用库存原油而不是利用正庚烷代表井下原油。

附图说明

在阅读以下的详细描述并参照附图之后，本发明的其他目的和优点是显而易见的，其中：

图1是在井下环境下钢绳上部署的本发明典型实施例示意图；

图2是在钻孔-监测环境下钻杆柱上部署的本发明典型实施例示意图；

图3是在井下环境下挠性管路上部署的本发明典型实施例示意图；

图4是在钢绳井下环境下部署的本发明典型实施例示意图，它展示钢绳岩层测试工具的截面图；

图5是流体特征模块的示意图。

图6表示在两个波长和温度下回归分析重量百分比甲烷和GOR；

图7表示在各种温度和压力下甲烷的三个光谱和一个代表性原油光谱；和

图8表示本发明完成的功能流程图。

具体实施方式

图1是在井下环境下钢绳上部署的本发明典型实施例示意图。如图1所示，在钻孔14中部署包含本发明光谱分析仪410的井下工具10。钻孔形成在岩层16中。工具10是通过钢绳12部署的。来自工具10的数据传输到地面上，它提供给智能完成系统30内部有存储器的计算机处理器20。图2是在钻孔-监测环境下钻杆柱15上部署的本发明典型实施例示意图。图3是在井下环境下挠性管路13上部署的本发明典型实施例示意图。

图4是在钢绳井下环境下部署的本发明典型实施例示意图，它展示钢绳岩层测试工具的横截面。如图4所示，工具416部署在充满钻孔流体的钻孔420中。工具416借助于支撑臂416放置在钻孔中。有通气管418的灌浆机接触钻孔壁，用于从岩层414中提取岩层流体。可以从钻孔直径抽出井内流体，不是延伸通气管到钻孔壁并从井内而不是从岩层中泵出流体。工具416包含图5所示的光谱分析仪410，它设置在出油管线426上。监测光谱分析仪的响应以确定岩层流体中的重量百分比甲烷和GOR。泵浦412从岩层414中泵出岩层流体进入出油管线426。岩层流体传输通过出油管线424进入阀门420，它引导岩层流体到管线422以保存该流体在样本库中，或引导到输出岩层流体到钻孔直径的管线418。

图5表示井下流体的特征模块示意图，例如，Baker Atlas SampleView^SM工具。光源101(例如，钨丝灯泡)发射光到岩层或井内样本110。来自光源101的光被放置在光源与样本110之间的准直透镜装置103准直。准直光111沿大致垂直的方向入射到样本110邻近的第一蓝宝石窗口301。蓝宝石窗口301和303大致垂直于准直光束并互相隔开一个间隙或通道304，能使流体样本110在它们之间流动。流动通道304可以是流动管线426。可以在光谱仪105和处理器/电子装置/存储器106中随时监测反射的荧光，它包含用于确定样本性质的中央处理单元，控制电路和存储器(未画出)，例如，重量百分比甲烷和GOR。图5所示的典型工具与紫外，近红外，中红外(UV/NIR/MIR)波长的光源112配合，在关断钨丝光源101时接通光源112。相同的光谱仪包含光谱仪光电二极管上的单波长滤波器，它能收集与流动通道304中样本相联系的UV，NIR，MIR波段中光透射，反射或发荧光的原油光谱。

在这个例子中，本发明提供一个多通道光谱仪，包括：24通道可见光，近红外光(NIR)和中红外光(MIR)，它传输通过样本110并滤出到分开的波段。

仔细选取两个滤波器中心波长为1670nm和1682nm并有11nm半极大全宽度(FWHM)的带通。这两个波长的选取是基于复杂的模拟，其中各种压力和温度下的甲烷光谱以随机数量叠加到从世界各地500个各种原油样本光谱数据库中随机选取的原油光谱。把实验室光谱降级到11nm分辨率，用于模拟适合于井下使用的商品化长波长高温光滤波器的最佳分辨率。在1500nm-1900nm波长区的模拟混合中完成有置换的各种正向和反向回归，从而可以确定最佳相关中心波长为1670nm和1682nm，以及它们对应的相关公式。作为非光学参数的温度和压力也可以与选取的波长一起用于回归运算中以得到甲烷重量百分比的公式。

按照本发明，用于测量甲烷区光谱峰值的钻孔设备包括：测试区，用于引导岩层流体进入测试区的导管，至少发射近红外光线进入测试区的光源，光耦合到测试区的光谱检测器，和耦合到光谱检测器的处理器。测试区是位于光源与光谱检测器之间的透明单元或透明室，使得从光源引导到光谱检测器的光被岩层流体阻挡。光谱检测器最好是用于测量光频谱的光谱仪，其中光传输通过测试区中的岩层流体。

如图6所示，最佳中心波长1670nm和1682nm是从1500nm-1900nm的很宽波长区上回归分析中导出的。图6表示根据选取的通道测量结果用于计算甲烷重量百分比和GOR的公式。图6还表示本发明例子的甲烷与原油混合物中用于甲烷重量百分比的经验公式。相关公式给出甲烷重量百分比在两个波长(1670nm和1682nm)和温度下作为混合物吸收率的函数。图6还表示与本发明相联系的经验相关公式，其中甲烷密度作为压力和温度函数以及每毫米甲烷的光吸收率作为甲烷密度和波数(波数表示成10,000,000/波长)的函数，它与压力和温度无关。

如图6所示，它说明在原油与甲烷混合物中用于相关重量百分比甲烷与光吸收率和温度的公式。

本发明中甲烷重量百分比的公式形式是，偏置常数B0+第一常数B1×第一变量Var1+第二常数B2×第二变量Var2+...+第N常数B1×第N变量VarN。

METHWTF＝Methane Weight Fraction(甲烷重量百分比)＝B0+B1*Var1+B2*Var2+B3*Var3+B4*Var4+...+BN*VarN

以下是第一个例子中应变量的回归总结：METHWTF

R＝.98093203R²＝.96222765Adjusted R²＝.96151158

F(4,211)＝1343.8p＜0.0000估计标准误差：.04992

                     B

                   0.065139686＝B0＝截距

Var1＝SQ70_82      11.17561047＝B1

Var2＝TEMP_C       0.000869088＝B2

Var3＝SRSA1682     -2.661667658＝B3

Var4＝SRSA1670     2.63244987＝B4

其中：

SQ70_82＝SQUARE(Absorbance_at_1670_nm-Absorbance_at1682_nm)

SRSA1670＝SQRT(Absorbance_at_1670_nm)

SRSA1682＝SQRT(Absorbance_at_1682_nm)

TEMP_C＝摄氏温度

TEMP_SQR＝温度C的平方

以下是第二个例子中应变量的回归总结：METHWTF

R＝.98190316R²＝.96413381 Adjusted R²＝.96327986

F(5,210)＝1129.0p＜0.0000估计标准误差：.04876

                     B

                   0.031427753＝B0＝截距

Var1＝SRSA1670     2.531111433＝B1

Var2＝SRSA1682     -2.557658783＝B2

Var3＝SQ70_82      11.91350402＝B3

Var4＝TEMP_C       0.0019＝B4

Var5＝TEMP_SQR     -6.2E-06＝B5

基线偏置是指被监测的任何光通道中吸收率的同时和相同增大。在这个例子中，它是指在1670nm和1682nm下的吸收率增大相同的量。检查第一和第二个例子表明这三个公式对基线偏置不灵敏。这个事实是基于含沥青烯原油模型而不是清洁溶剂的一个优点。这样做说明沥青烯存在的不灵敏性，在一级近似下仅仅是1670nm至1682nm狭窄波长区上的基线偏置。这个基线偏置的程度取决于沥青烯的类型及其浓度。

第一个公式中的主要项是1670nm与1682nm之间(斜率)差的平方。斜率对于基线偏置是完全不变的。此外，第三项和第四项大致等于吸收率平方根与波长关系曲线图上1670nm与1682nm之间的斜率，因此，它们对于基线偏置有低的灵敏度。类似地，第二个公式对于基线偏置是非常不灵敏，因此，它对于沥青烯的存在也不灵敏，不可避免地能够在任何实际的原油中发现它。

我们得到以下的经验公式(Adjusted R²＝.99911359)，它是甲烷密度[g/cc]作为压力是在100-30,000psia和温度是在75-200℃范围内的函数。

        B

        2.771E-03＝截距

P       2.480E-05

P²     -1.120E-09

P³     1.808E-14     压力单位是psi

T²     -1.308E-07    温度单位是C

(P/T)   1.455E-03

(P/T)² -4.922E-06

(P/T)³ 5.934E-09

我们还得到以下的经验公式(Adjusted R²＝.94145159)，它是每毫米甲烷的光吸收率作为密度和波长1668-1684nm，压力100-30,000psia，和温度75-200℃的函数，其中假设11nm FWHM的带通。

                 B

                 -19.9061＝截距

甲烷密度         0.7747密度单位是g/cc

波数/1000        3.3326

其中波数＝10,000,000/λ[nm]

以下的定义和公式可以使我们把GOR与甲烷重量百分比f_M和库存石油密度ρ_O相关。

1bbl＝0.159m³＝5.615cu ft＝42U.S.gal

在14.7psia和60°F标准状态下的1标准立方英尺(SCF)甲烷气体是0.04235lbs＝19.21327g。

因此，在60°F和14.7psia下的甲烷密度是0.0006787gr/cc＝0.042358lbm/ft³。

油气比的定义是

GOR＝V_Methane[SCF]/V_Oil[bbls]，

因此，GOR＝{W_M/(19.21g/SCF)}/{(W_O/ρ_O)(1bbl/158983cc)}

令f_M＝甲烷重量百分比，以及令下标V＝体积，W＝重量，ρ＝密度，M＝甲烷，和O＝石油，则

GOR＝8274.62ρ_O/(1/f_M-1)

f_M＝W_M/(W_M+W_O)＝ρ_MV_M/(ρ_MV_M+ρ_OV_O)或W_O＝W_M/(1/f_M-1)

重新安排GOR的公式，我们得到：

f_M＝1/(1+8274.62*ρ_O/GOR)

其中W_G和W_O的单位是克，ρ_O的单位是g/cc，和f_M＝甲烷重量百分比。

图7表示甲烷在各种压力和温度下的三个光谱和1670nm和1682nm通道相对于甲烷峰值的位置。若甲烷的质量密度[g/cc]越高，则甲烷的峰值就越高。请注意，1670nm通道几乎是在甲烷峰值的尖峰，而1682nm通道是在甲烷峰值右肩上尖峰的略微右侧。

该图还画出代表性原油的光谱。这个光谱的上升左边缘是原油的沥青烯峰值。原油的液态碳氢化合物峰值是在1740nm附近。在甲烷与原油的混合物中，甲烷峰值出现在沥青烯峰值的右侧尾端的顶部。这是为什么重量百分比甲烷模型对于基线偏置不灵敏是重要的。

现在参照图8，它表示本发明例子中工具和相关处理器功能完成的一些功能图。在本发明例子的方框810，制备甲烷与脱气原油合成混合物的高分辨率吸收谱训练组。在本发明例子的方框812，这些高分辨率光谱降级到对应于最佳高温滤波器的11nm FWHM分辨率。在本发明例子的方框814，确定原油中甲烷重量百分比的最佳相关中心波长(1670nm和1682nm)。在本发明例子的方框816，确定利用这些最佳相关波长和/或温度和/或压力的相关公式。在本发明例子的方框818，得到与甲烷峰值相联系的第一波长区(1670nm)井下流体的第一吸收率。在本发明例子的方框820，得到与甲烷峰值相联系的第二波长区(1682nm)井下流体的第二吸收率。在本发明例子的方框822，利用以前导出的相关公式，确定井下流体的甲烷重量百分比和对应的GOR，并基于重量百分比甲烷或GOR的变化，还可以监测样本的净化。

在本发明的优选实施例中描述井下环境下的操作方法和设备，然而，本发明也可以体现为计算机可读媒体上的一组指令，包括：ROM，RAM，CD，ROM，Flash或任何其他已知或未知的计算机可读媒体，在执行这些指令时，它使计算机实施本发明的方法。虽然本发明的优选实施例是利用以上本发明例子进行说明，但是它们仅仅作为举例而不是试图限制本发明的范围，本发明的范围是由以下的权利要求书限定。

Claims (30)

1.一种在井内环境下用于实时量化重量百分比甲烷的方法，包括：

得到井下流体；

测量该流体在与甲烷峰值相联系第一波长区的第一光密度；

测量该流体在与甲烷峰值相联系第二波长区的第二光密度；和

根据测量的第一和第二光密度，确定流体样本的重量百分比甲烷。

2.按照权利要求1的方法，其中第一波长区的中心波长是1670nm；和

第二波长区的中心波长是1682nm。

3.按照权利要求1的方法，还包括：

相关重量百分比甲烷与第一和第二波长下的光吸收率。

4.按照权利要求3的方法，还包括：

相关压力。

5.按照权利要求3的方法，还包括：

相关温度。

6.按照权利要求1的方法，还包括：

基于重量百分比甲烷，确定样本的油气比。

7.按照权利要求1的方法，还包括：

基于重量百分比甲烷的变化，监测样本的净化。

8.按照权利要求3的方法，还包括：

基于甲烷与脱气原油合成混合物，进行相关操作。

9.按照权利要求1的方法，还包括：

利用11nm半极大全宽度滤波器滤波光密度测量结果。

10.按照权利要求1的方法，其中第一波长区的中心波长是1670nm和第二波长区的中心波长是1682nm；

相关重量百分比甲烷，压力和温度与第一和第二波长区的光吸收率；和

基于重量百分比甲烷，确定油气比。

11.一种在井内环境下用于实时量化重量百分比甲烷的设备，包括：

一种工具，得到井下流体；

光谱仪，用于测量流体在与甲烷峰值相联系第一波长区的第一光密度和测量流体在与甲烷峰值相联系第二波长区的第二光密度；和

处理器功能，根据测量的第一和第二光密度，确定流体样本的重量百分比甲烷。

12.按照权利要求11的设备，其中第一波长区的中心波长是1670nm；和

第二波长区的中心波长是1682nm。

13.按照权利要求11的设备，还包括：

处理器功能，用于相关重量百分比甲烷与第一和第二波长下的光吸收率。

14.按照权利要求13的设备，其中处理器功能还包括：用于相关压力的功能。

15.按照权利要求3的方法，其中处理器功能还包括：用于相关温度的功能。

16.按照权利要求11的设备，还包括：

处理器功能，基于重量百分比甲烷，确定样本的油气比。

17.按照权利要求11的设备，还包括：

处理器功能，基于重量百分比甲烷的变化，监测样本的净化。

18.按照权利要求13的设备，其中处理器功能还包括：基于甲烷与脱气原油的合成混合物，用于相关操作的功能。

19.按照权利要求11的设备，还包括：

滤波器，利用11nm半极大全宽度滤波器滤波光密度测量结果。

20.按照权利要求11的设备，其中第一波长区的中心波长是1670nm和第二波长区的中心波长是1682nm，处理器功能还包括：相关功能，用于相关重量百分比甲烷，压力和温度与第一和第二波长区的光吸收率；和确定功能，基于重量百分比甲烷，确定油气比。

21.一种包含可执行指令的计算机可读媒体，在计算机执行该指令时，在井内环境下实时完成量化重量百分比甲烷的方法，包括：

得到井下流体；

在与甲烷峰值相联系的第一波长区，测量流体的第一光密度；

在与甲烷峰值相联系的第二波长区，测量流体的第二光密度；和

根据测量的第一和第二光密度，确定流体样本的重量百分比甲烷。

22.按照权利要求21的媒体，其中第一波长区的中心波长是1670nm；和

第二波长区的中心波长是1682nm。

23.按照权利要求21的媒体，还包括：

相关重量百分比甲烷与第一和第二波长下的光吸收率。

24.按照权利要求23的媒体，还包括：

相关压力。

25.按照权利要求23的媒体，还包括：

相关温度。

26.按照权利要求21的媒体，还包括：

基于重量百分比甲烷，确定样本的油气比。

27.按照权利要求21的媒体，还包括：

基于重量百分比甲烷的变化，监测样本的净化。

28.按照权利要求23的媒体，还包括：

基于甲烷与脱气原油的合成混合物，进行相关操作。

29.按照权利要求21的媒体，还包括：

利用11nm半极大全宽度滤波器滤波光密度测量结果。

30.按照权利要求21的媒体，其中第一波长区的中心波长是1670nm和第二波长区的中心波长是1682nm；

相关重量百分比甲烷，压力和温度与第一和第二波长区的光吸收率；和

基于重量百分比甲烷，确定油气比。

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