CN1930573A - 用于根据机械谐振器数据进行流体的密度、粘度、介电常数和电阻率的化学计量估计的方法和设备 - Google Patents

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Abstract

本发明为使用化学计量公式估计地层(414)中的流体试样的密度、粘度、介电常数和电阻率而提供了一种方法和设备。所述化学计量估计可以直接用于井下地层试样(416)，所述估计还可以输入Levenberg－Marquardt(LM)非线性最小二乘方拟合作为初始参数估计值。本发明提供使LM算法以高的几率收敛于全局最小值的参数的初始值。

Description

用于根据机械谐振器数据 进行流体的密度、粘度、介电常数 和电阻率的化学计量估计的方法和设备
技术领域
本发明涉及在生产碳氢化合物的井中的井下流体分析的领域。更具体地说，本发明涉及在钻孔的同时进行监视的期间或者在钢绳操作期间，根据在矿井的井下获得的弯曲的机械谐振器数据，利用化学计量公式来估计流体的密度、粘度、介电常数和电阻率的方法和设备。
背景技术
测量地层流体的密度、粘度、介电常数、电阻率以及其它参数具有很大的意义。在地层采样、生产或钻探操作期间，在高温和高压的储藏条件下进行这些井下测量是尤其有用的。为了测量流体参数例如井下粘度已经采用过大量的技术。美国专利6182499披露了一种利用机械振荡器来表征材料和组合库的系统和方法。美国专利5734098(‘098专利)披露了一种利用在线的石英晶体微量天平传感器监视和控制石油、石化产品的化学处理和过程的方法。’098专利利用厚度应变模式(TSM)谐振器，其同时测量质量沉积和流体特性例如流体的粘度和/或密度。美国专利6176323(‘323专利)披露了一种具有用于确定井下钻探流体的特性的传感器的钻探系统。’323专利披露了多个位于不同深度的用于确定流体梯度的压力传感器。美国专利5741962(‘962专利)披露了一种使用超声测量分析地层流体的方法和设备。
‘962专利用声学方法从声阻抗和声速确定密度和可压缩性。美国专利5622223(‘223专利)披露了一种利用不同的压力测量表征地层流体试样的方法和设备。‘223专利披露了一种设备，其在不同的深度提供两个压力计，以便根据流体的压力梯度确定密度。美国专利5006845描述了一个发明，其使用在两个深度下的流体压力之差来确定流体密度。美国专利5361632披露了一种方法和设备，其中使用重力梯度计和密度计提供压力梯度以确定流体密度，从而确定多相支持部分。美国专利5204529披露了一种用于测量矿井流体密度、地层密度和/或矿井直径的方法和设备，其使用后散射伽玛辐射确定流体密度。
在实验室中一直使用弯曲的机械谐振器快速地表征大量流体试样。见L.F.Matsiev，Application of Flexural Mechanical Resonator toHigh Throughput Liquid Characterization，2000 IEEE InternationalUltrasonics Symposium，Oct.22-25，2000 San Juan，Pueto Rico，通过引用将其全部内容包括在此；L.F.Matsiev，Application of FlexuralMechanical Resonator to High Throughput Liquid Characterization，1999 IEEE International Ultrasonics Symposium，Oct.17-20，LakeTahoe，Nevada，通过引用将其全部内容包括在此；L.F.Matsiev，Application of Flexural Mechanical Resonator to High ThroughputLiquid Characterization，1998 IEEE International UltrasonicsSymposium，Oct.5-8，Sendai，Miyagi，Japan，通过引用将其全部内容包括在此。
机械谐振器的使用在以下文献中描述了，这些文献通过引用将其全部内容包括在此：美国专利6455316 B1、6393895 B1、6336353 B2、美国专利公开2003/0041653 A1、美国专利公开2003/0000291 A1、美国专利6401591 B2、66528026 B2。
利用弯曲的机械谐振器确定地下流体的特征的方法和设备的例子在2002年5月14日申请的、美国专利申请No.10/144965、名称为：“Method and Apparatus for Downhole Fluid Characterization UsingFlexural Mechanical Resonators.”(‘965专利申请)中有描述。‘965专利申请描述了一种方法或设备，其利用弯曲的机械谐振器确定在井下环境中的密度、粘度或其它流体特性。和’965专利申请披露的方法和设备相关地使用的合适的算法的例子是Levenberg-Marquardt(LM)非线性最小二乘方拟合。LM拟合使用初始估计以确定流体参数。如果初始参数估计离开实际的参数值太远，则LM算法要花费很长的时间才能收敛或者根本不能收敛。因而，需要提供一种方法和设备，用于精确地估计在确定流体参数时用于LM算法的初始参数输入。
发明内容
本发明提供化学计量公式，用于根据浸在流体中的机械谐振器的阻抗相对于频率的数据来实时地估计井下的地层流体试样的流体特性例如密度、粘度、介电常数和电阻率。这些化学计量估计可直接地用作井下地层流体试样的流体密度、粘度、介电常数和电阻率的估计。该化学计量估计还可用作在对测量数据进行理论模型的Levenberg-Marquardt(LM)迭代非线性最小二乘方拟合中的这些参数的初始估计。对于LM拟合，好的初始估计是重要的，这是因为，如果初始参数估计离开实际参数值太远，则LM算法可能需要很长的时间才能收敛或者根本不收敛。本发明提供对于LM算法的参数的初始估计，其使得LM算法以高的几率收敛于正确的全局极小值。
附图说明
图1是配置在井下环境中的钢丝上的本发明的示例实施例的示意图；
图2是配置在钻绳上的在钻探环境中进行监视的本发明的示例实施例的示意图；
图3是配置在井下环境中的柔性管道系统13上的本发明的示例实施例的示意图；
图4是配置在钢丝环境井下环境中的本发明的示例实施例的示意图，表示钢丝地层测试仪工具的横截面；
图5表示本发明的一个例子，表示液流管线和一个相关的谐振器；
图6是在本发明的一个例子中执行的功能的流程图；
图7列出了对于合成的流体参数数据的一些化学计量相关性；
图8列出了对于合成流体参数数据的一些附加的化学计量相关性；
图9是LM非线性最小二乘方拟合方法和化学计量方法的概念的比较。两种方法可以单独使用或者组合使用，其中化学计量提供用于LM拟合的初始猜测；
图10表示流体特性对浸在流体中的音叉的阻抗曲线的各个特征的主要影响；
图11表示用于本发明的典型的合成阻抗曲线，具有每隔12.5Hz绘出的数据；
图12表示图11的曲线的数字的一阶导数，是对于每5个连续点xm-2到xm+2，由Savitzky-Golay公式(xm-2-8xm-1+8xm+1-xm+2)/12计算的，xm的系数是0；以及
图13表示图11的曲线的数字的二阶导数，是对于每5个连续点xm-2到xm+2，由Savitzky-Golay公式(2xm-2-xm-1-2xm-xm+1+2xm+2)/7计算的。
具体实施方式
本发明提供一个化学计量公式，用于根据机械谐振器的阻抗相对于频率的数据，估计井下的地层流体试样的流体密度、粘度、介电常数和电阻率。这些化学计量估计可直接地用在在对测量数据进行的理论模型的Levenberg-Marquardt(LM)非线性最小二乘方拟合中，或者用作所述拟合的初始估计。对于LM拟合，好的初始估计是重要的，这是因为，如果初始参数估计离开实际参数值太远，则LM算法可能需要很长的时间才能收敛或者根本不收敛。
‘965专利申请描述了一种井下的方法和设备，其使用机械谐振器例如音叉提供在生产碳氢化合物的井中的地层流体或滤出液的粘度、密度和介电常数的实时直接测量和估计。
本发明改进了在井下用于估计流体密度、粘度、介电常数和电阻率的谐振音叉的实现。机械谐振器响应于其被浸入的流体的密度和粘度的乘积。Symyx技术公司(Santa Clara，California)研发了用于小型音叉谐振器的模型，其和非线性最小平方拟合相组合，能够单独地确定流体的密度和粘度，而不仅仅确定这两个特性的乘积。先有的谐振器只能确定密度和粘度的乘积，因而不能独立地确定粘度或密度。本发明提供了一种音叉谐振器或弯曲的谐振器，其被激励、被监视，并使用化学计量公式或化学计量公式和LM非线性最小平方拟合的组合来处理其响应。这种处理不仅确定流体的密度和粘度，而且确定井下流体的介电常数、电阻率以及其它参数。
本发明的当前的例子使用井下的谐振音叉来实现，用于估计流体的密度、粘度、介电常数和电阻率。本发明测量弯曲的机械谐振器在其谐振频率附近的相对于该谐振器的频率的阻抗(阻抗频谱)。为了把这个直接测量转换成密度、粘度、介电常数和电阻率，本发明使用Levenberg-Marquardt(LM)非线性最小平方拟合算法，对于谐振器例如音叉确定在理论的频谱和测量的阻抗频谱之间的最佳拟合。拟合参数提供密度、粘度、介电常数和电阻率的值。如果拟合参数的初始参数值离开实际参数值太远，则LM拟合算法可能要用很长的时间才能收敛或者根本不收敛。即使LM算法不收敛，其也可以收敛于一个局部最小值而不是全局最小值。当实时地记录一个井时，操作者不想等待长时间以得到答案，也不希望算法在一个局部最小值而不是全局最小值收敛于错误的答案。
本发明快速地计算出结果，使用较少的计算资源，因而提供更有用的更精确的用于LM拟合参数的初始估计。由本发明提供的初始估计是鲁棒的，它们不需要迭代，并且被快速地计算。本发明使用化学计量来获得拟合参数的初始估计。这些化学计量估计然后可被直接地用作流体参数值的估计或被提供给LM算法。提供给LM算法的化学计量估计提供允许LM算法快速地收敛于用于流体参数值估计的正确的全局最小值的高几率。
传统的化学计量可被定义为多线性回归(MLR)、主成分回归(PCR)或局部最小二乘方(PLS)。化学计量可应用于原始数据组或原始数据的预处理版本，例如Savitzky-Golay(SG)平滑的曲线或其导数。当使用这些传统的化学计量技术时，性能预测公式通常仅是补偿常数加上加权矢量和测量的谐振器阻抗频谱的点积。这是一种直接的计算，由于这种计算是非迭代的所以其需要相对少量的计算时间。不过，化学计量公式也可以基于最小值、最大值或过零值或数据的其它类似地导出的特性。在一些情况下，对于合成数据的化学计量预测或拟合是足够精确的，以便直接使用而不需经过应用LM拟合算法的第二步。
图1是配置在井下环境中的钢丝上的本发明的示例实施例的示意图。如图1所示，在矿井14内，配置含有机械谐振器组件410的井下工具10。矿井在地层16中形成。工具10通过钢丝12被配置。来自工具10的数据被传递到地面上的计算机处理器20，其具有在智能完成系统30内部的存储器。图2是配置在钻绳15上的在钻探环境中进行监视的本发明的示例实施例的示意图。图3是配置在井下环境中的柔性管道系统13上的本发明的示例实施例的示意图。
图4是配置在钢丝井下环境中的本发明的示例实施例的示意图，示出钢丝地层测试仪工具的横截面。如图4所示，工具416被配置在充满矿井流体的矿井420内。工具416借助于支持臂446被定位在矿井中。具有通气管418的填塞器和井壁接触，用于从地层414提取地层流体。工具416含有设置在液流管线426中的机械谐振器组件410。机械谐振器或振荡器411，在图5中被示为音叉，由提供给其电极(未示出)的电流激励。该谐振器的响应被监视，用于确定地层流体的密度、粘度、介电常数和电阻率。泵412从地层414把地层流体泵入液流管线426中。地层流体通过液流管线424进入阀门420，该阀门把地层流体导入管线422，以在试样箱中保存流体，或者导入管线417，在那里地层流体离开矿井。本发明使用响应音叉，以便在流体被泵412泵入时，或者在流体静止即当泵412停止时，确定流体的密度、粘度和介电常数。
图5表示本发明的机械谐振器组件410的例子，示出流动管线426和相关的谐振器411。谐振器411在这种情况下是机械谐振音叉，其借助于导线451和致动器及监视电路450相连。致动器及监视器电路450和处理器452相关。处理器452包括存储器、数据输入输出能力和中央处理单元。致动器及监视器电路450以及相关的处理器452致动与流体相关的谐振器，并测量与流体相关的谐振器的阻抗相对于频率的频谱。
如果探针418被推离矿井壁，则进入工具的流体是井孔流体而不是地层流体。因而流体可以来自地层或井孔。处理器执行这样的功能，其对于谐振器的测量的与流体相关的阻抗相对于频率的频谱应用导出的化学计量公式，以确定流体的粘度、密度、介电常数、电阻率以及为其导出化学计量公式的其它的流体参数。用化学计量方法确定的流体参数值被直接用于估计流体的密度、粘度、介电常数和电阻率以及其它的流体参数。用化学计量方法确定的流体参数值还被用作LM算法的输入，作为流体的粘度、密度、介电常数、电阻率和其它流体参数的初始估计。
现在回到图6，其中示出了部分地作为由本发明中的处理器452执行的计算机编程的功能组而被执行的示例功能。在块610中，对于当谐振器被浸入不同流体中时的谐振响应，本发明执行用于产生合成数据训练组的功能。这对于每种流体特性(密度、粘度、介电常数和电阻率)使用几个值(例如高、中和低值)按照实验设计的原理进行。在块620，本发明执行用于产生使流体特性与相对于频率的阻抗相关联的化学计量公式的功能，用于合成数据的这个训练组。化学计量相关性的例子示于图7A-7F(和密度以及粘度的相关性702，704，706，708，710和712)和图8A-8E(和介电常数以及电导率的相关性803，809，806，808以及变量定义810)。在块630，本发明把这些化学计量公式应用于测量的谐振器响应，以便估计流体特性例如粘度、密度、介电常数、电阻率以及其它特性。由在块630中的化学计量公式确定的这些流体参数值被直接用作最终的流体特性值。在块640，本发明使用这些化学计量公式作为Levenberg-Marquardt非线性最小二乘方拟合的初始值，随后这又产生最终的流体特性值。LM算法的功能在处理器452上运行，并输出流体参数值。
图7A-7F和8A-8E表示和合成数据组的相关性，其是使用3级实验设计以及作为流体的密度、粘度、介电常数和电阻率的函数的谐振器的阻抗频谱的理论模型来准备的。这个合成数据组包括4种流体特性的3级所有81个组合，流体特性为密度(0.5，1.0，1.5g/cc)，粘度(0.5，2.0，3.5cPs)，介电常数(1.5，16，30)以及电阻率(104，105，106欧姆-米)。选择这些级是为了提供在井下流体中可能不会遇到的这些特性的极端值，借以确保所得的模型当应用于井下流体时是内插的而不是外插的。合适的谐振器的一个例子是小型音叉，大约2mm×5mm。这种音叉谐振器成本低，没有宏观移动的部件。这种音叉可以在升高的温度和压力下工作，并使得能够实现一种比其它已知方法更精确的用于确定井下流体的特性的方法。
图9是对实验数据应用化学计量模型，与对相同数据进行迭代的LM非线性最小二乘方拟合以确定最好的拟合参数的概念性比较。在这个例子中，假定实验数据用具有抛物线Y＝P1*(X-P2)2+P3形式的理论模型来描述。LM方法从猜测3个参数开始，即，抛物线的窄度(P1)，X轴上的高度(P2)，以及抛物线的对称轴与Y轴的距离(P3)。然后，LM迭代直到其相应的抛物线曲线802最接近地重合实验数据点804为止。
当可以利用化学计量公式时，和迭代逼近相比，应用化学计量公式既快又简单。在这个例子中，最低的实验数据点的X和Y值分别是P2和P3，P1简单地等于这些数据点的二阶导数的一半。因为这些数据点沿X轴均匀分布，利用标准的Savitzky-Golay方法(A.Savitzky andM.Golay，“Smoothing and Differentiation of Data by Simplified LeastSquares Procedures”Anal.Chem.vol.36，No.8，July，1964，pp.1627-1639)可以获得5个连续点的数值二阶导数。则，P1＝(2xm-2-xm-1-2xm-xm+1+2xm+2)/14，其中xm-2到2xm+2是5个连续的实验数据点，最好它们在抛物线的最小值附近，此时实验误差对P1的计算的值影响最小。
一般地说，对于浸在流体中的音叉的阻抗曲线的特定特征的影响而言，一种流体特性的影响与其它的特性的影响相比是主要的。因此，可以根据这种曲线的特征的简单的视觉检查来粗略地进行流体特性的定性估计。
图10表示这些主要的影响。流体的密度越高，音叉的谐振频率越低，因此谐振峰值1004在更左处出现。流体的粘度越高，从谐振峰值到抗谐振谷值摆动的互易阻抗的幅值1006越小。流体的介电常数或导电率越高，平均的互易阻抗1002在相同的频率范围内增加越多。
不幸的是，这些仅仅是主要的影响。流体的每种特性对阻抗曲线的每个特征特性都具有影响。因此，为了获得流体特性的定量值，本发明的例子对阻抗数据应用化学计量和/或非线性最小二乘方拟合，如在本发明中所解释的那样。
为了帮助读者可视化在本发明中描述的合成数据，图11示出了被浸在流体中的音叉的典型的合成阻抗曲线1102。图12示出了图11的曲线的一阶导数1202。图13示出了图11的曲线的二阶导数1302。
利用本发明提供关于井下流体的密度、粘度、介电常数、电阻率以及其它测量的、计算的或导出的流体参数信息。本发明的工具对在地面的处理器或智能完成系统(ICS)提供这些流体参数信息。ICS是一种用于井下完成设备的远程的、较少干涉的启动的系统，其被研发用于支持操作者工作的需要，以降低成本和增加或保持储层的价值。这种系统在The Oil and Gas Journal，Oct.14，1996中描述了。在被称为“智能井”的时代，这些完成系统使得石油和天然气公司能够研究和控制各个地区而不需井干预(well intervention)。通过减少停工期，这可以大大降低操作费用。此外，其使得能够通过改进的储层管理增强碳氢化合物的恢复。ICS使得操作者能够通过远程操作的完成系统来生产碳氢化合物并监视和控制碳氢化合物的生产。这些系统利用这样一些技术被研发，这些技术使得井的结构按照意愿被重新配置，并使得无需任何的井干预便能够获取实时数据。
位于地面的可以对处理器/ICE 30进行优先控制的操作者可以根据由本发明提供的测量自己作出决定并发送关于井完成的指令。本发明还可以在生产记录期间提供数据，以便确定通过在井孔中的穿孔而进入的流体的性质，例如水和油的比例。
在示例实施例中已经以作为在石油钻探环境中操作的方法和设备说明了本发明，不过，本发明也可以作为在计算机可读介质上的一组指令来实现，所述计算机可读介质包括ROM，RAM，CD，ROM，闪存或任何其它的计算机可读介质，现在已知的或者未知的，当执行所述指令时，使计算机实现本发明的方法。本发明的实施例的例子已经借助于上面的例子示出。不过，这个例子仅仅是例子，而不用于限制本发明的范围，本发明的范围由下面的权利要求限定。

Claims (30)

1.一种用于确定井下流体的特性的设备，包括：
和所述井下流体相关联的谐振器；
用于致动所述谐振器的控制器；
用于接收来自所述谐振器的对所述谐振器的致动的响应的监视器，使得所述响应和所述流体相关联；以及
用于估计所述井下流体的特性的处理器。
2.如权利要求1所述的设备，其中所述处理器使用化学计量公式估计所述特性。
3.如权利要求2所述的设备，其中所述处理器把谐振器响应应用于化学计量公式以确定所述特性。
4.如权利要求1所述的设备，其中所述处理器使用这样一种功能，该功能用于根据和已知的流体特性值相关联的测量的谐振器响应导出化学计量公式。
5.如权利要求1所述的设备，其中所述特性是粘度。
6.如权利要求1所述的设备，其中所述特性是密度。
7.如权利要求1所述的设备，其中所述特性是介电常数。
8.如权利要求1所述的设备，其中所述特性是电阻率。
9.如权利要求2所述的设备，其中所述处理器把化学计量估计的特性应用于Levenberg-Marquardt(LM)算法，以确定所述流体的流体参数值。
10.如权利要求9所述的设备，其中所述流体参数值包括用于LM算法的全局最小值。
11.一种用于确定井下流体的特性的方法，包括：
使井下流体和谐振器相互作用；
致动所述谐振器；
接收来自谐振器的对所述谐振器的致动的响应；以及
根据所述谐振器响应估计井下流体的特性的值。
12.如权利要求11所述的方法，还包括：
使用化学计量公式估计流体的特性。
13.如权利要求11所述的方法，还包括：
把谐振器响应应用于化学计量公式以确定所述特性。
14.如权利要求11所述的方法，还包括：
根据和已知的流体特性值相关联的测量的谐振器响应，导出化学计量公式。
15.如权利要求11所述的方法，其中所述特性是粘度。
16.如权利要求11所述的方法，其中所述特性是密度。
17.如权利要求11所述的方法，其中所述特性是介电常数。
18.如权利要求11所述的方法，其中所述特性是电阻率。
19.如权利要求12所述的方法，还包括：
把化学计量估计的参数值应用于Levenberg-arquardt(LM)算法，以确定所述流体的流体参数值。
20.如权利要求19所述的方法，其中所述流体参数值包括用于LM算法的全局最小值。
21.一种用于确定流体的特性的系统，包括：
地面控制器，用于降下配置在形成于相邻的地层中的井孔中的井下工具，所述工具和井下流体相互作用；
和井下流体相关联的谐振器；
用于致动所述谐振器的控制器；
用于接收来自所述谐振器的对所述谐振器的致动的响应的监视器，使得所述响应和所述流体相关联；以及
用于估计所述井下流体的特性的值的处理器。
22.如权利要求21所述的系统，其中所述处理器使用化学计量公式估计所述特性。
23.如权利要求22所述的系统，其中所述处理器把谐振器响应应用于化学计量公式以确定所述特性。
24.如权利要求21所述的系统，其中所述处理器使用这样一种功能，该功能用于根据和已知的流体特性值相关联的测量的谐振器响应导出化学计量公式。
25.如权利要求21所述的系统，其中所述特性是粘度。
26.如权利要求21所述的系统，其中所述特性是密度。
27.如权利要求21所述的系统，其中所述特性是介电常数。
28.如权利要求21所述的系统，其中所述特性是电阻率。
29.如权利要求22所述的系统，其中所述处理器把化学计量估计的特性应用于Levenberg-Marquardt(LM)算法，以确定所述流体的流体参数值。
30.如权利要求29所述的系统，其中所述流体参数值包括用于LM算法的全局最小值。
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