DE112015000449T5

DE112015000449T5 - Mikrowellenmessung von Wasseranteil

Info

Publication number: DE112015000449T5
Application number: DE112015000449.1T
Authority: DE
Inventors: Martin D. Hurlimann; Joseph P. TOMANIC
Original assignee: Schlumberger Technology BV
Current assignee: Schlumberger Technology BV
Priority date: 2014-01-22
Filing date: 2015-01-22
Publication date: 2017-01-05
Also published as: US10684236B2; WO2015112688A1; US20160334343A1

Abstract

Es werden Vorrichtungen und Verfahren zum Herausfinden von Angaben von mindestens einem von einem Wasseranteil, einem Kohlenwasserstoffanteil, Wasserleitfähigkeit und Wassersalzgehalt eines Fluids bereitgestellt. Das Fluid ist in einer Flusslinie, die sich durch einen Resonator erstreckt. Die Flusslinie wird Mikrowellen bei mehreren Mikrowellenfrequenzen, die in den Resonator injiziert werden, ausgesetzt, wobei elektrische Feldlinien parallel zur Fluidflusslinie sind. Ein Leistungsdetektor wird an einem Ausgang des Resonators verwendet und eine Spitzenleistung und assoziierte Resonanzfrequenz werden verwendet, um die Angabe(n) herauszufinden, die dargestellt und angezeigt werden können. In einer Ausführungsform ist der Resonator ein dualer Loop-Gap-Resonator und die Mikrowellenfrequenzen werden von einer Mikrowellen-Sweeper-Quelle bei ungefähr 1 GHz erzeugt.

Description

QUERVERWEIS ZU VERWANDTEN ANMELDUNGEN
Diese Anmeldung beansprucht die Priorität der vorläufigen US-Anmeldung Nr. 61/930,237, eingereicht am 22. Januar 2014, deren gesamte Offenbarung hiermit ausdrücklich durch Verweis hierin einbezogen ist.
TECHNISCHES GEBIET
Die Gegenstandsoffenbarung betrifft die Messung einer Eigenschaft eines Fluids in einer Kammer. Insbesondere betrifft die Gegenstandsoffenbarung die Messung einer Angabe von Wasseranteil eines Fluids in einer Kammer.
HINTERGRUND
Es sind elektromagnetische Techniken eingesetzt worden, um Kohlenwasserstoffe und Wasser voneinander zu unterscheiden. Die Verfahren basieren im Allgemeinen auf dem Kontrast zwischen dem echten Teil des Impedanzsignals von Wasser und Kohlenwasserstoff, da Wasser eine finite Leitfähigkeit aufweist, während Kohlenwasserstoff eine Leitfähigkeit nahe Null aufweist. Bei Verwendung des echten Teils des Impedanzsignals ist es jedoch nicht möglich, die Wassersättigung (Anteil) eines Kohlenwasserstoff-Wasser-Gemischs durch eine einzelne Leitfähigkeitsmessung zu bestimmen, da die Leitfähigkeit der Wasserphase unabhängig bekannt sein muss. Insbesondere hängt die Leitfähigkeit der Wasserphase vom Salzgehalt ab und kann um mehr als einen Faktor von zehn variieren.
KURZDARSTELLUNG
Es werden Verfahren und Vorrichtungen zum Messen des Wasseranteils eines Fluidstroms, der Kohlenwasserstoffe und Wasser mit unbekanntem Salzgehalt enthält, unter Anwendung von Mikrowellenmessungen bereitgestellt. In einer Ausführungsform werden Mikrowellen von ausgewählten Frequenzen in einen Mikrowellenresonator injiziert, durch den sich eine Flusslinie, die das Fluid von Interesse enthält, erstreckt, und Spitzenleistung, die mit einer entsprechenden (resonanten) Frequenz assoziiert wird, die den Resonator verlässt, wird erfasst. Die Spitzenleistung und entsprechende Frequenz werden dann verwendet, um die Wasserkonzentration (Anteil) und die Wasserleitfähigkeit herauszufinden.
In einer Ausführungsform wird ein Loop-Gap-Resonator (auch als Split-Ring bekannt) verwendet. In einer Ausführungsform ist der Loop-Gap-Resonator ein doppelter Loop-Gap-Resonator. In einer Ausführungsform ist die Fluidstromlinie, die sich durch den (doppelten) Loop-Gap-Resonator erstreckt, im Wesentlichen transparent für Mikrowellenstrahlung („nicht leitend”).
In einer Ausführungsform werden Mikrowellen von ungefähr 1 GHz in den Loop-Gap-Resonator injiziert. Für Zwecke der Beschreibung und Ansprüche soll der Begriff „ungefähr” als ±20% entsprechend verstanden werden, sodass „ungefähr 1 GHz” eine Spanne von 800 MHz bis 1,2 GHz beinhaltet. In einer Ausführungsform weisen die in den Loop-Gap-Resonator injizierten Mikrowellen eine Spanne von ungefähr 10 MHz auf.
In einer Ausführungsform wird ein Cross Plot verwendet, das die erfasste Spitzenleistung und ihre entsprechende Frequenz direkt in Wasserkonzentration und Leitfähigkeit umwandelt, um die Wasserkonzentration und/oder Leitfähigkeit herauszufinden. In einer anderen Ausführungsform können die Spitzenleistung und entsprechende Frequenz zuerst verwendet werden, um die Leitfähigkeit des Wassers zu bestimmen und dann kann die Leitfähigkeit des Wassers mit der Spitzenleistung und/oder entsprechenden (resonanten) Frequenz verwendet werden, um die Wasserkonzentration herauszufinden.
Weitere Aspekte, Ausführungsformen, Gegenstände und Vorteile der offenbarten Verfahren können mit Bezug auf die folgende detaillierte Beschreibung in Verbindung mit den bereitgestellten Zeichnungen verstanden werden.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist ein horizontaler Querschnitt eines grundlegenden Loop-Gap-Resonators.
2 ist ein horizontaler Querschnitt eines Loop-Gap-Resonators mit mehreren Lücken.
3a ist ein horizontaler Querschnitt eines doppelten Loop-Gap-Resonators.
3b ist ein horizontaler Querschnitt des doppelten Loop-Gap-Resonators aus 3a mit einer Flusslinie, die sich darin befindendes Fluid enthält.
3c ist ein vertikaler Querschnitt des doppelten Loop-Gap-Resonators aus 3a mit einer Flusslinie, die sich darin befindendes Fluid enthält.
3d ist eine partielle auseinandergezogene perspektivische Ansicht des doppelten Loop-Gap-Resonators aus 3a.
4 ist ein horizontaler Querschnitt eines multiplen Loop-Gap-Resonators.
5 ist eine schematische Zeichnung einer Vorrichtung, die Mikrowellen und einen Loop-Gap-Resonator verwendet.
6 ist ein Ersatzschaltbild für die schematische Zeichnung aus 5.
7 ist ein Diagramm, das normalisierte übertragene Leistung im Vergleich zu Frequenz für reines Wasser einer ersten Leitfähigkeit, 50% Dodekan und 50% Wasser der ersten Leitfähigkeit, und 100% Dodekan darstellt.
8 ist ein Diagramm, das übertragene Leistung im Vergleich zu Linienbreite für Wasserproben von verschiedenen Leitfähigkeiten darstellt.
9a ist eine Darstellung der Resonanzfrequenz im Vergleich zu Wasseranteil für Wasser einer bestimmten Leitfähigkeit.
9b ist eine Darstellung der übertragenen Leistung im Vergleich zu Wasseranteil für Wasser einer bestimmten Leitfähigkeit.
10 ist ein Cross Plot der übertragenen Leistung im Vergleich zur Resonanzfrequenz für Proben, die verschiedene Kohlenwasserstoff-Wasser-Verhältnisse bei zwei verschiedenen Wasserleitfähigkeiten enthalten.
11 ist ein Cross Plot der übertragenen Leistung im Vergleich zur Resonanzfrequenz, von dem Wasserkonzentration und Leitfähigkeit direkt erhalten werden können.
12a ist eine schematische Darstellung eines Systems, das Loop-Gap-Resonatoren in Reihen verwendet.
12b ist eine schematische Darstellung eines Systems, das Loop-Gap-Resonatoren parallel verwendet.
13 ist ein schematisches Diagramm, das ein Bohrlochwerkzeug zum Analysieren eines Formationsfluids zeigt.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Illustrative Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung richten sich an Verfahren und Vorrichtungen zum Messen einer Angabe des Wasseranteils eines Fluids in einer Flusslinie. Insbesondere betrifft die Gegenstandsoffenbarung die Verwendung von Mikrowellenmessungen zum Bestimmen einer Angabe des Wasseranteils eines Fluids, das aus einem Kohlenwasserstoffanteil und einem Wasseranteil mit unbekanntem Salzgehalt besteht. Die Gegenstandsoffenbarung findet insbesondere Anwendung in der Kohlenwasserstoffindustrie und der Bohrlochanalyse von Fluid, das durch eine Flusslinie fließt, obwohl sie nicht darauf beschränkt ist.
Bevor die Zeichnungen beschrieben werden, ist es nützlich, einige theoretische Inhalte zu verstehen, die die Ausführungsformen anzeigen. Wie zuvor erwähnt, ist es nicht möglich, die Wassersättigung eines Wasser-Öl-Gemischs aus einer einzelnen Leitfähigkeitsmessung alleine zu bestimmen, da die Leitfähigkeit des Wassers, die vom Salzgehalt abhängt, unabhängig bekannt sein muss. Im Gegensatz dazu hängt der imaginäre Teil der Impedanz nur gering vom Salzgehalt und anderen Umweltfaktoren wie der Temperatur ab. Jedoch weisen die dielektrischen Konstanten von Kohlenwasserstoffen (ε ≈ 2) und Wasser (ε ≈ 78) einen hohen Kontrast auf. Als Ergebnis ist der Wert der effektiven dielektrischen Konstante eines Kohlenwasserstoff-Wasser-Gemischs hauptsächlich eine Funktion des Wasseranteils.
In einem Aspekt wird angemerkt, dass der Kontrast in dielektrischen Konstanten und die Leitfähigkeit zwischen Öl und Gas verglichen mit dem Kontrast zwischen Öl und Wasser gering ist (ε_gas ≈ 1, σ_gas = 0; ε_oil ≈ 2, σ_oil = 0; ε_H2O ≈ 78, σ_H2O ≈ 0,1–10 S/m). Somit unterscheidet die/das nachfolgend beschriebene Vorrichtung und Verfahren, das auf dem Kontrast in dielektrischen Konstanten basiert, nicht einfach zwischen Öl und Gas, und es ist der Gesamtvolumenanteil von Kohlenwasserstoffen (und Wasser), der allgemein bestimmt wird. Sobald jedoch die Volumenanteile der Kohlenwasserstoffe und von Wasser (und der Wassersalzgehalt) bekannt sind, kann eine Dichtemessung angewandt werden, um zwischen Öl und Gas zu unterscheiden.
In einem Aspekt sollten mehrere Überlegungen berücksichtigt werden, wenn ein Frequenzbereich zur Untersuchung einer Öl-Wasser-Flusslinie gewählt wird. Zuerst ist anzumerken, dass es wünschenswert sein kann, die Verlusttangente des Systems so klein wie möglich zu halten, wodurch die Empfänglichkeit für das dielektrische Signal erhöht wird, die Menge an Wärmeabsorption der Flusslinieninhalte reduziert wird und ein größeres Signal für die Analyse bereitgestellt wird. Die Verlusttangente ist definiert gemäß
wobei σ_eff die effektive Leitfähigkeit des Fluidgemisches ist, ε₀ die Vakuumdielektrizitätskonstante ist, ε_eff die effektive dielektrische Konstante des Fluidgemisches ist und ω die Winkelfrequenz ist. Bei Frequenzen f = ω/2π unter 1 GHz wird die effektive Leitfähigkeit σ_eff durch Ionenleitung dominiert und ist in hohem Ausmaß nicht frequenzabhängig. Bei höheren Frequenzen (z. B. im hohen GHz-Bereich) werden dipolare Verluste wichtig, sodass tanθ die Frequenz erhöht. Die Verlusttangente hat daher ein Minimum im GHz-Frequenzbereich über 1 GHz. Bei 1 GHz ist die Verlusttangente für 100% Wasser mit einer Leitfähigkeit von 10 S/m tanθ = 2,3. Die Verlusttangenten sind entsprechend kleiner für weniger salzhaltiges Wasser und für Öl-Wasser-Gemische.
Es ist ebenfalls anzumerken, dass die effektive Leitfähigkeit σ_eff und die effektive dielektrische Konstante ε_eff eines Gemisches nicht nur vom Volumenanteil jedes Bestandteils abhängen, sondern auch von ihrer räumlichen Verteilung. Es sind genaue Grenzen an σ_eff und ε_eff für eine gegebene Wassersättigung abgeleitet worden. Siehe Milton, G. W., J Appl. Phys. 52(8), 5286 (1981). Analysen dieser Ergebnisse zeigen, dass die Grenzen bei höheren Frequenzen viel enger sind.
Weiter und in Übereinstimmung mit einem Aspekt kann die Eindringtiefe δ (d. h. die Strecke, über die sich die Leitung in die Probe erstreckt) in der Ordnung von der oder sogar groß in Bezug auf die Probengröße sein, damit die Messung das gesamte Volumen darstellt. Für salziges Wasser (Saline) mit einer Leitfähigkeit von 10 S/m ist die Eindringtiefe δ = 5 mm bei 1 GHz. Weniger salziges Wasser und Öl-Wasser-Gemische haben eine größere Eindringtiefe. Somit sollte die Probe, um eine große Eindringtiefe in Bezug auf die Probengröße zu haben, verglichen mit der Wellenlänge λ (λ ≥ 30 cm für ein Signal von 1 GHz) klein sein (d. h. mindestens eine Größenordnung kleiner). Es wird angemerkt, dass diese Überlegung sich von optischen Messungen unterscheidet, bei denen die Probengröße typischerweise groß im Vergleich zur Wellenlänge ist.
Zusammenfassend sind die Berücksichtigung der Verlusttangente und die Berücksichtigung der engen Grenzen zum Vorteil der Verwendung von Frequenzen über 1 GHz, während die Berücksichtigung der Eindringtiefe zum Vorteil der Verwendung einer Frequenz unter 1 GHz ist. Als Ergebnis können in einer Ausführungsform Frequenzen von ungefähr 1 GHz als besonders nützlich für die Mikrowellenanalyse eines Wasser-Kohlenwasserstoff-Gemisches angesehen werden. In anderen Ausführungsformen können Frequenzen zwischen ungefähr 500 MHz und 2 GHz als besonders nützlich für die Mikrowellenanalyse eines Wasser-Kohlenwasserstoff-Gemisches angesehen werden.
Gemäß einem Aspekt können bei der Auswahl eines Mikrowellenresonators, der verwendet wird, um die effektive dielektrische Konstante und die effektive Leitfähigkeit eines Fluids zu messen, verschiedene Kriterien berücksichtigt werden. Wenn Fluid durch einen Mikrowellenhohlraum gegeben und die Verschiebung der Resonanzfrequenz und Linienbreite beobachtet wird (Hohlraumperturbation), kann die Änderung der Resonanzfrequenz f₀ und der Linienbreite Δf bei halber Höchstleistung aufgrund des Öl-Wasser-Gemisches auf die effektive dielektrische Konstante ε_eff und effektive Leitfähigkeit σ_eff zu erster Ordnung bezogen werden, gemäß
wobei j die Quadratwurzel von –1 ist, dV das Volumenelement der Integration ist, E₀, D₀, B₀ und H₀ die Felder des ungestörten Resonators sind und E das gestörte elektrische Feld im Fluidgemisch ist. In der Gleichung (1) wird angenommen, dass die magnetische Suszeptibilität μ = 1. Es ist anzumerken, dass, wenn die elektrische und magnetische Feldverteilung im Resonator und die geometrischen Formen bekannt sind, dann die Gleichung (1) verwendet werden kann, um die effektive dielektrische Konstante ε_eff und die effektive Leitfähigkeit σ_eff aus gemessenen Werten der Änderung der Resonanzfrequenz (δf₀) und der Änderung der Linienbreite (δΔf) zu folgern. Alternativ können die gleichen Informationen erhalten werden, indem das System mit Fluidgemischen von bekannter ε_eff und σ_eff kalibriert wird.
Beim Wählen eines Resonators für die Hohlraumperturbation werden optional verschiedene Überlegungen berücksichtigt. Erstens kann in bestimmten Fällen die Größe des Resonators wichtig sein. Somit ist der Resonatorhohlraum, wenn der Resonator unter Tage in einer Formation zu verwenden ist, wünschenswerterweise kompakt und mechanisch robust. Zweitens kann es wünschenswert sein, dass der Resonator keine großen Verengungen des Flussweges aufweist. Drittens kann es wünschenswert sein, dass die elektrischen Felder eine Stärke und Verteilung aufweisen, sodass die Werte für δf₀ und δΔf wie aus Gleichung (1) geschätzt in einem angemessenen Bereich liegen. Viertens kann es wünschenswert sein, dass die elektrischen Feldlinien nicht die Oberfläche der Flusslinien schneiden. Diese vierte Überlegung kann beim Reduzieren oder Beseitigen eines Problems, das auftritt, wenn die Flusslinie von einer Ölschicht überzogen ist, wichtig sein. In dieser Situation kann die Ölschicht als eine hohe Impedanz in Reihen mit dem restlichen Fluidgemisch agieren und kann die Gesamtimpedanz einfach dominieren, wenn die elektrischen Feldlinien senkrecht zur Ölschicht sind (diese schneiden). Wenn im Gegensatz dazu die elektrischen Feldlinien parallel zum Ölfilm sind, kann das Öl als eine hohe Impedanz parallel zum Rest des Fluidgemisches agieren und kann nur eine kleine Auswirkung auf die Gesamtimpedanz haben. Wenn die elektrischen Feldlinien parallel zum Ölfilm sind, neigt die elektrische Ladung nicht dazu, von den Elektroden in das Fluid und zurück zu fließen. Messungen, die auf einer solchen Konfiguration basieren, werden manchmal als elektrodenlose Messungen oder Induktionsmessungen bezeichnet. In einem solchen System müssen die Fluide nicht in Kontakt mit den metallischen Teilen des Mikrowellenresonators sein. Die Fluide können in einem nicht leitenden Rohr eingegrenzt sein und die Benetzbarkeit des Rohres kann unabhängig gesteuert werden. Außerdem können Probleme in Zusammenhang mit Korrosion vermieden werden.
In einer Ausführungsform ist ein Mikrowellenresonator, der für die Messung von Wasser-Kohlenwasserstoff-Gemischen nützlich ist, ein Grundmodusresonator mit dem Feldmuster TE₀₁₁. Es wird angemerkt, dass der Grundmodusresonator TE₀₁₁ elektrische Feldlinien parallel zu einer Fluidflusslinie aufweisen kann. Jedoch liegt die Größe des Grundmodusresonators in der Ordnung der Wellenlänge, die im Falle eines Signals von 1 GHZ dazu führt, dass der Resonator einen Durchmesser von ungefähr 36,6 cm aufweist. Während dieser für die Analyse über Tage geeignet sein kann, ist er für die Analyse unter Tage im Allgemeinen nicht geeignet.
In einer anderen Ausführungsform ist ein Mikrowellenresonator, der für die Messung von Wasser-Kohlenwasserstoff-Gemischen nützlich ist, ein Loop-Gap- oder Split-Ring-Resonator (nachfolgend „Loop-Gap-Resonator”). Ein Querschnitt durch eine erste Ausführungsform eines Loop-Gap-Resonators 100 wird in 1 gezeigt. Der Loop-Gap-Resonator 100 beinhaltet eine Leitung 110, die entlang ihrer Länge geschnitten ist, um eine Lücke 120 zu definieren, und die Leitung 110 befindet sich in einem Gefäß 130. Die Anordnung der geschnittenen Leitung 110 kann als das Mikrowellenäquivalent eines Solenoids angesehen werden, in Serie abgestimmt mit einem Kondensator. Das Solenoid besteht aus einem einzelnen Turn Loop und die Lücke 120 agiert als Kondensator. Die magnetischen Feldlinien befinden sich hauptsächlich entlang der Achse des Loops und schließen symmetrisch an der Außenseite. Die elektrischen Felder sind in der Lücke, die den Kondensator bildet, konzentriert. Der gesamte Resonator ist von einem Metallgefäß 130 umgeben, um Strahlungsverluste zu reduzieren. Die Resonanzfrequenz des Resonators 100 wird durch die Loop-Induktanz und die Kapazität über die Lücke bestimmt und ist erster Ordnung unabhängig von der Länge des Resonators. Um Endeffekte minimal zu halten, kann die Länge des Resonators länger als der Loop-Durchmesser sein. Außerdem kann die Länge viel kürzer als die Wellenlänge sein. In einem Aspekt kann die Lückendicke als wichtige Abmessung angesehen werden, die konstant gehalten werden sollte. Somit kann die Lückendicke in einer Ausführungsform stabilisiert werden, indem ein harter dielektrischer Füller mit geringem Verlust darin eingesetzt wird, wie zum Beispiel Quarz oder Saphir.
Mit dem Resonator 100 aus 1 kann das elektrische Randfeld der Lücke 120 die zylindrische Symmetrie des Resonators stören. 2 zeigt einen horizontalen Querschnitt eines anderen Loop-Gap-Resonators 200 mit einer besseren zylindrischen Symmetrie. Insbesondere beinhaltet der Resonator 200 eine Leitung 210 sowie ein metallisches Gefäß 230, wobei die Leitung 210 entlang ihrer Länge in vier Stellen geschnitten ist, um mehrere symmetrische Lücken 220a–220d bereitzustellen.
Eine andere Ausführungsform eines Loop-Gap-Resonators wird in den 3a–3d gezeigt. 3a ist ein horizontaler Querschnitt eines doppelten Loop-Gap-Resonators 300, während 3d eine partielle auseinandergezogene perspektivische Ansicht des doppelten Loop-Gap-Resonators 300 ist. 3b ist ein horizontaler Querschnitt des doppelten Loop-Gap-Resonators aus 3a mit einer Flusslinie 305, die das sich darin befindende Fluid 308 enthält, während 3c ein vertikaler Querschnitt des doppelten Loop-Gap-Resonators 300 mit der Flusslinie 305 ist. Wie in den 3a–3d gezeigt, beinhaltet der doppelte Loop-Gap-Resonator 300 ein im Wesentlichen festes zylindrisches Metallresonatorelement 315, das erste und zweite hohle Leitungen 318a, 318b verbunden durch eine Lücke 320 zeigt sowie obere und untere Hohlbereiche 324a, 324b begrenzt von Rändern oder Ringen 327a, 327b definiert. Jedes Ende des im Wesentlichen festen zylindrischen Resonatorelements 315 ist mit einer Metallkappenplatte 330a, 330b abgedeckt. Die Kappenplatten können den gleichen Durchmesser wie das zylindrische Resonatorelement 315 aufweisen und sollen auf dem zylindrischen Resonatorelement 315 aufsitzen und dieses abdichten. Jede Kappenplatte definiert auch jeweilige Löcher 334a, 334b, 338a, 338b zum Aufnehmen von metallischen Koaxialkabeln 340a, 340b und Mikrowellenführungsbeendigungen 350a, 350b. Die Mikrowellenführungsbeendigungen erstrecken sich von ihren jeweiligen Lücken weg vom zylindrischen Resonatorelement 315 und sollen eine Mikrowellenleckage verhindern. Die Koaxialkabeln 340a, 340b erstrecken sich von außerhalb des Resonatorelements 315 in das Innere der oberen und unteren Hohlbereiche 324a, 324b des Resonatorelements 315 und enden in Schlaufen 342a, 342b, die sich in Hohlbereichen 324a, 324b befinden. Ein Koaxialkabel wird verwendet, um Mikrowellenenergie in den Resonator zu injizieren, und das andere Koaxialkabel wird verwendet, um Mikrowellenenergie aus dem Resonator zu übertragen. Die Schlaufen 342a, 342b sind so ausgerichtet, dass sie zumindest teilweise orthogonal zu den magnetischen Feldlinien sind.
Beispielhalber und nicht einschränkend kann in einer Ausführungsform das im Wesentlichen feste zylindrische Element 315 des Resonators 300 eine Länge von ungefähr 10 cm aufweisen und können die Kappenplatten 330a, 330b eine Dicke von ungefähr 1 bis 2 cm aufweisen. Die Längen der Mikrowellenbeendigungsführungen 350a und 350b können länger als der oder gleich dem Durchmesser der Hohlleitung 318a sein (z. B. ungefähr 3 cm). Der Durchmesser der Hohlleitung 318a kann ungefähr im Bereich von 0,5 bis 4 cm liegen, der Durchmesser der Hohlleitung 318b kann in einem Bereich von 0,3 bis 5 cm liegen und die Lückenbreite kann in einem Bereich von 0,1 bis 2 mm liegen.
Wie in den 3b und 3d gezeigt, erstreckt sich eine nichtmetallische Flusslinie 305 durch die Wellenführungen über Beendigungen 350a, 350b, Löcher 338a, 338b in Kappenplatten 330a, 330b, Hohlbereiche 324a, 324b und der Hohlleitung 318b hinaus. In einer Ausführungsform weist die Flusslinie 305 eine stark wassernasse Beschichtung im Inneren auf, um zu verhindern, dass Öl auf dem Umfang der Flusslinie 305 haftet.
In einer Ausführungsform kann der Durchmesser d der Flusslinie 305 geringer sein als
bei einer Frequenz f₀ = 1 GHz und einer dielektrischen Konstante ε = 78 (reinem Wasser entsprechend), um zu verhindern, dass die Mikrowellenstrahlung durch die Flusslinien ausläuft. In einer Ausführungsform kann dadurch eine Obergrenze des Höchstdurchmessers der Flusslinie festgelegt werden. Diese Grenze ist mit einer zuvor erwähnten Überlegung, dass der Durchmesser der Flusslinie so gewählt werden kann, dass er in der Ordnung der Eindringtiefe δ liegt, vergleichbar. Für reines Wasser mit einer Leitfähigkeit von 10 S/m, δ = 5 mm bei 1 GHz. Für größere Flusslinien kann die Frequenz verringert werden, um Mikrowellenstrahlungsleckage aus der Flusslinie zu vermeiden.
In einer Ausführungsform können die resonante Frequenz und Linienbreite des Resonators entweder in Reflexion oder Übertragung gesampelt werden. Es wird angemerkt, dass Übertragungsmessungen im Allgemeinen viel weniger sensibel auf kleine Unterbrechungen der Impedanzen des gesamten Mikrowellenschaltkreises reagieren.
4 ist ein horizontaler Querschnitt eines multiplen Loop-Gap-Resonators 400. Der Resonator 400 ist dem Resonator 300 ähnlich, außer, dass er symmetrischer ist und mehr als eine Schlaufe für den Flussrücklauf aufweist. Somit beinhaltet der Resonator 400 ein im Wesentlichen festes zylindrisches Metallresonatorelement 415, das sieben Hohlleitungen 418a–418g definiert, wobei eine zentrale Hohlleitung 418a durch die Lücke 420a–420f mit den anderen Hohlleitungen verbunden ist. Eine oder mehrere der Leitungen können Flusslinien tragen. Die Mikrowellenenergie kann überall injiziert werden, zum Beispiel in der Nähe zu einer der Leitungen, die nicht von einer Flusslinie belegt ist.
Sich jetzt 5 zuwendend, wird eine schematische Zeichnung einer Vorrichtung 500 bereitgestellt, die für die Analyse des Gehalts eines Fluids, das in einer Flusslinie fließt, nützlich ist. Die Vorrichtung 500 beinhaltet einen Resonator 500A (z. B. einen Loop-Gap-Resonator), eine Flusslinie 505, die sich durch den Resonator 500A erstreckt, eine(n) Mikrowellen-Sweeper-(Quelle) 575, die Eingangsmikrowellen von gewünschten Frequenzen und gewünschter Leistung (p_i) erzeugt und sie durch das Mikrowellenkoaxialkabel in den Resonator 500A injiziert, einen Detektor 585, der die Leistung von durch den Resonator 500A übertragenen Mikrowellen erfasst, und einen Prozessor 590, der vom Detektor 585 bereitgestellte Informationen verarbeitet. In einer Ausführungsform ist der Detektor eine Schottky-Diode. In einer anderen Ausführungsform ist der Detektor ein Tunneldiodendetektor. In einer anderen Ausführungsform ist der Detektor ein Netzwerkanalysator, der kohärente Erfassung beinhaltet. Ein Leistungsübertragungskoeffizient P_trans/P_i wird über einen relativ kleinen Frequenzbereich gemessen, sodass er Frequenzverschiebungen durch das Gemisch in der Flusslinie abdeckt. Gemäß einem Aspekt werden keine Phasenverschiebungsmessungen benötigt. Dies vereinfacht die benötigte Mikrowellenausstattung und die damit verbundenen Kosten. Außerdem ist die Messung gemäß einem anderen Aspekt viel weniger sensibel gegenüber leichten Änderungen der elektrischen Längen der Koaxialkabel, die zum Resonator und davon weg führen, die zum Beispiel durch Temperaturschwankungen bewirkt werden können.
Im Prinzip ist es auch möglich, die Messung unter Verwendung des Reflexionskoeffizienten P_ref/P_i vorzunehmen. Jedoch ist diese Messung sensibel gegenüber kleinen stehenden Wellen, die durch leichte Impedanzdiskrepanzen bewirkt werden. Obwohl eine Kalibrierung eingesetzt werden könnte, um die Impedanzdiskrepanzen zu korrigieren, können sie von der Temperatur und anderen Umwelteinflüssen abhängen. Der Übertragungskoeffizient ist gegenüber diesen Problemen viel weniger sensibel.
Es wird erwartet, dass die Linienform von P_trans/P_i im Vergleich zur Frequenz lorentzisch ist:
Es sind drei Parameter erforderlich, um die Linienform zu beschreiben: f₀, die Resonanzfrequenz, bei der die übertragene Leistung maximal ist; P₀, die maximal übertragene Leistung; und Δf, die Linienbreite. Bei f = f₀ ± Δf/2 entspricht die übertragene Leistung P₀/2. Wie nachfolgend beschrieben, ist es jedoch nicht notwendig, eine Drei-Parameter-Anpassung durchzuführen, um f₀ und Δf zu erhalten. Stattdessen besteht für einen gegebenen Resonator eine Eins-zu-Eins-Beziehung zwischen P₀ und Δf. Es ist ausreichend, die Frequenz und den Leistungspegel zu messen, bei der/dem eine maximale Leistungsübertragung auftritt, was als sehr einfache Messung angesehen werden kann.
Die Beziehung zwischen P₀ und Δf kann mit dem in 6 gezeigten äquivalenten Schaltkreis abgeleitet werden. Es wird angenommen, dass die Mikrowellenquelle und der Detektor eine charakteristische Impedanz Z₀ aufweisen und dass die Magnetkupplung durch den Transformator mit dem Übersetzungsverhältnis n_i und n_o dargestellt werden kann. Die Kupplung ist so angepasst, dass sie innerhalb der Begrenzung einer schwachen Kupplung liegt: Z₀ << 2πn_i ²LΔf und Z₀ << 2πn₀ ²LΔf. Das Fluidgemisch ändert den Wirkwiderstand R und die Kapazität C des Resonators. In Bezug auf die pauschalen Schaltkreiselemente sind die Resonanzfrequenz und die Linienbreite gegeben durch:
In der Begrenzung der schwachen Kupplung kann der Leistungsübertragungskoeffizient abgeleitet werden gemäß:
Ein Vergleich zwischen den Gleichungen (2) und (4) zeigt, dass die maximale übertragene Leistung P₀ umgekehrt proportional zu (Δf)² ist:
Die Gleichung (5) impliziert, dass die Resonanzfrequenz f₀ und die Linienbreite Δf einfach durch einen Spitzendetektor bestimmt werden können. Die Frequenz der Spitze ist f₀ und aus der Spitzenleistung P₀ kann Δf durch die Gleichung (5) bestimmt werden.
Unter Verwendung des Loop-Gap-Resonators aus den 3a–3d wurden Messungen an Gemischen aus Dodekan und Wasser mit verschiedenen Salzgehalten vorgenommen. Die Wassersättigung wurde zwischen 0 und 100% geändert und die Wasserleitfähigkeit zwischen 1 S/m und 10 S/m variiert. Die Abmessungen des Resonators wurden so gewählt, dass die Resonanzfrequenzen über einen Bereich von ungefähr 986 MHz bis 994 MHz variierten, einer Spanne von weniger als 1%.
7 zeigt repräsentative Beispiele der normalisierten übertragenen Leistung P_trans/P_i im Vergleich zur Frequenz zwischen 982 MHz und 996 MHz für drei verschiedene Fluidgemische (reines Wasser einer ersten Leitfähigkeit, 50% Dodekan und 50% Wasser der ersten Leitfähigkeit, und 100% Dodekan) in der Flusslinie zusammen mit einer Anpassung an eine lorentzische Linienform. Die Anpassungen sind hervorragend. 8 zeigt die gemessene Beziehung zwischen der übertragenen Leistung beim Maximum, Po, und die Linienbreite Δf für viele verschiedene Gemische. Wie durch die Gleichung (5) vorhergesagt, ist P₀ über die gesamte Spanne proportional zu Δf², die ungefähr drei Leistungsdekaden umspannt.
Für den beim Erstellen der 7 und 8 verwendeten doppelten Loop-Gap-Resonator wurde die Verteilung von elektrischen und magnetischen Feldern nicht exakt berechnet. Aus diesem Grund ist es nützlich, den Resonator experimentell zu kalibrieren. In den 9a und 9b werden Kalibrierkurven gezeigt, die mit Wasser erhalten werden, das eine Leitfähigkeit von 1 S/m aufweist. In 9a wird die Resonanzfrequenz f₀ im Vergleich zur Wasserkonzentration dargestellt. In 9b wird P₀ im Vergleich zur Wasserkonzentration dargestellt. Die Kalibrierung kann für die gesamte Spanne an Wassersalzgehalten, deren Auftreten erwartet wird, wiederholt werden. Dies ist insbesondere nützlich, wenn die Eindringtiefe bei der höchsten Leitfähigkeit kleiner als der Durchmesser der Flusslinie ist.
Der Einfluss verschiedener räumlicher Anordnungen von Öl und Wasser wurde ebenfalls untersucht. Die Varietät der Anordnungen führt zu einer Erweiterung der Kalibrierkurven (wie die 9a und 9b). Insbesondere hatte die Flusslinie in der experimentellen Anordnung keine spezielle Beschichtung, sodass sowohl Wasser- als auch Ölblasen daran haften konnten. Dies führt zu einer anderen Fluidverteilung innerhalb der Linie, abhängig von der Geschichte des Flusses. Außerdem hängt die Fluidverteilung von der Flussgeschwindigkeit ab. In einigen Ausführungsformen wird die Messung vorgenommen, während das Fluid nicht fließt. In anderen Ausführungsformen wird die Messung vorgenommen, während das Fluid in der Flusslinie fließt. In einem Experiment wurde die Fluidverteilung in der Flusslinie geändert, indem das Öl-zu-Wasser-Verhältnis und die Flussgeschwindigkeit kontinuierlich geändert wurden. Das Experiment wurde mit Wasser von anderer Leitfähigkeit wiederholt (d. h. 1 S/m und 10 S/m). Alle 0,25 Sekunden wurde ein Spektrum ähnlich dem in 7 gezeigten aufgezeichnet und die Spitzenleistung P₀ und entsprechende Frequenz f₀ wurden herausgefunden. Eine Darstellung der Ergebnisse wird in 10 gezeigt, in der für beide Experimente die Spitzenleistung P₀ gegenüber der Frequenz f₀ dargestellt wird. Es wird gezeigt, dass die Daten in zwei Bändern mit finiter Breite liegen. Es wird angemerkt, dass die zwei Bänder nicht überlappen, außer an der oberen rechten Ecke, was 100% Öl entspricht. Es wird ebenfalls angemerkt, dass die Wiederholung der Experimente mit Wasser von anderer Leitfähigkeit zu einer Erzeugung anderer Bänder führen würde. Diese Darstellung zeigt daher, dass aus einer einfachen Messung der Spitzenleistung P₀ und der entsprechenden Frequenz f₀ die Leitfähigkeit des Wassers geschätzt werden kann. Dann kann unter Verwendung einer Kalibrierkurve für die Leitfähigkeit (z. B. 9a oder 9b) die Wasserkonzentration (Anteil) bestimmt werden. Alternativ kann eine Karte erstellt werden, die P₀ und f₀ direkt in Wasserkonzentration und Leitfähigkeit umwandelt.
11 ist ein Cross Plot der Resonanzfrequenz im Vergleich zur übertragenen Spitzenleistung, aus dem direkt die Wasserkonzentration (Anteil) und Leitfähigkeit erhalten werden können. Während fünf gestrichelte Linien, die fünf verschiedenen Leitfähigkeiten (1, 3, 6, 8 und 10 S/m) entsprechen, und fünf durchgehende Linien, die fünf verschiedenen Wassersättigungen (100%, 80%, 60%, 40%, 20%) entsprechen, gezeigt werden, wobei sich alle gestrichelten Linien an einem Punkt treffen, der einer Wassersättigung von 0% (vollständig Öl) entspricht, ist anzumerken, dass alle Punkte auf der Darstellung Spitzenleistung – resonante Frequenz einer bestimmten Wassersättigung mit einer bestimmten Leitfähigkeit entsprechen. Es ist anzumerken, dass, unabhängig davon, ob ein Punkt auf die gezeigten gestrichelten und/oder festen Linien fällt oder nicht, die sich ergebende Schätzung eine Schätzung sein wird, die einen ungefähren Wert für die Wassersättigung und Leitfähigkeit ergibt.
Gemäß einer Ausführungsform können die Informationen, mit denen 11 erstellt wurde, in einem Speicher als Nachschlagetabelle von gewünschter Granularität gespeichert werden. Somit ergeben der nächste Spitzenleistungswert und Frequenzwert, die in der Nachschlagetabelle gespeichert sind, beim Herausfinden eines übertragenen Spitzenleistungswertes und einer entsprechenden Resonanzfrequenz eine Schätzung der Wassersättigung und Leitfähigkeit. Ebenso können eine Nachschlagetabelle mit übertragenem Spitzenleistungswert und entsprechender Resonanzfrequenz, auf der Leitfähigkeit abgebildet (wie in 10), und eine Reihe von Nachschlagetabellen für verschiedene Leitfähigkeiten, bei denen sich der Wasseranteil auf die Resonanzfrequenz bezieht (9a) und//oder sich der Wasseranteil auf die übertragene Spitzenleistung bezieht (9b), bereitgestellt werden. In diesem Fall kann unter Verwendung der übertragenen Spitzenleistung und entsprechenden Resonanzfrequenz eine Schätzung der Leitfähigkeit unter Verwendung einer ersten Nachschlagetabelle herausgefunden werden und dann kann unter Verwendung der entsprechenden zweiten Nachschlagetabelle für diese Leitfähigkeit der Wasseranteil herausgefunden werden.
Es ist anzumerken, dass, immer wenn ein Wasseranteil geschätzt wird, ein Ergebnis ist, dass ein Kohlenwasserstoffanteil (1 – Wasseranteil) ähnlich impliziert wird. Somit ist anzumerken, dass ein Kohlenwasserstoffanteil als eine „Angabe” des Wasseranteils und umgekehrt anzusehen ist. Ebenso wird, immer wenn die Leitfähigkeit herausgefunden wird, ähnlich der Salzgehalt impliziert. Somit ist anzumerken, dass die Leitfähigkeit eine „Angabe” des Salzgehaltes und umgekehrt ist. Außerdem ist anzumerken, dass die Nachschlagetabellen angeordnet werden können, um den Spitzenleistungswert und die entsprechende Resonanzfrequenz zu nehmen und eines oder mehrere von einem Wasseranteil, einem Kohlenwasserstoffanteil, Wasserleitfähigkeit und Wassersalzgehalt zu erzeugen. Falls eine unabhängige Fluiddichtemessung verfügbar ist, kann der Kohlenwasserstoffanteil auf eine im Fach hinreichend bekannte Weise in einen Ölanteil und einen Gasanteil geteilt werden.
In einer Ausführungsform befindet sich eine Vorrichtung mit einer Mikrowellenquelle, die mehrere Mikrowellenfrequenzen erzeugt, einem Loop-Gap-Resonator mit einer sich dort hindurch erstreckenden Flusslinie, und einem Leistungsdetektor unter Tage in einer Formation (z. B. in einem Bohrloch). Zu den Zwecken hierin ist der Begriff „Bohrloch” breit zu verstehen und umfasst unverrohrte Bohrlöcher, verrohrte Bohrlöcher, produzierende Bohrungen usw. Die Vorrichtung kann fest (permanent) im Bohrloch sein oder kann im Bohrloch bewegbar sein. Falls sie im Bohrloch bewegbar ist, kann die Vorrichtung ein Teil eines Werkzeugs sein, das in Fluidkommunikation mit der Formation steht. Die Vorrichtung ist an eine Leistungsquelle gekoppelt, die sich unter Tage und/oder über Tage befinden kann. Während die Mikrowellenquelle verschiedene Wellenlängen ausgibt, erfasst der Leistungsdetektor die Ausgangsleistung, sodass die resonante Frequenz bekannt ist, wenn die Spitzenleistung vom Detektor herausgefunden wird. Insbesondere kann die Injektionsfrequenz zum Zeitpunkt des Spitzenleistungsausgangs durch den Leistungsdetektor als die resonante Frequenz genommen werden. In einer anderen Ausführungsform kann ein Spitzenleistungsdetektor verwendet und mit der Mikrowellenquelle synchronisiert werden, sodass die Mikrowellenfrequenz zum Zeitpunkt der Spitzenleistungsangabe bekannt ist. In einer Ausführungsform kann der Prozessor eine oder mehrere Nachschlagetabellen verwenden, wie zum Beispiel vorstehend mit Verweis auf die 11 oder die 9a, 9b und 10 beschrieben, aus denen eine Schätzung von zumindest einem von dem Wasseranteil, dem Kohlenstoffanteil, Wassersalzgehalt und Wasserleitfähigkeit basierend auf der Spitzenleistung und der resonanten Frequenz erstellt werden kann. Gemäß einem Aspekt können die Nachschlagetabellen auf jede gewünschte Weise im Speicher umgesetzt werden. Die erstellten Schätzungen können auf einem Bildschirm oder auf Papier als Zeitfunktion dargestellt werden. In einer anderen Ausführungsform können die Spitzenleistung und die resonante Frequenz, anstatt Nachschlagetabellen zu verwenden, auf einem Cross Plot wie in 11 (oder 10) gezeigt dargestellt werden, aus dem eine Schätzung von zumindest einem von dem Wasseranteil, Kohlenwasserstoffanteil, Wassersalzgehalt und Wasserleitfähigkeit erstellt werden kann. Falls ein Cross Plot wie zum Beispiel 10 verwendet wird, um die Wasserleitfähigkeit zu erhalten, können dann unter Verwendung der sich ergebenden Wasserleitfähigkeit der Wasseranteil und/oder Kohlenstoffanteil erstellt werden, um ein geeignetes Cross Plot wie zum Beispiel 9a oder 9b zu erstellen und dieses Cross Plot zu verwenden, um eine Schätzung des Wasser- und/oder Kohlenwasserstoffanteils zu erstellen.
In einer Ausführungsform befindet sich die Vorrichtung unter Tage oder ist eine andere im Wesentlichen identische Vorrichtung kalibriert, um die Informationen für die eine oder die mehreren Nachschlagetabellen zu erstellen, bevor sich die Vorrichtung unter Tage befindet.
In einer Ausführungsform kann der Loop-Gap-Resonator der Vorrichtung, die sich im Bohrloch befindet, ein doppelter oder multipler Loop-Gap-Resonator sein. In einer Ausführungsform wird der Loop-Gap-Resonator der Vorrichtung bei ungefähr 1 GHz betrieben. In einer Ausführungsform ist der Durchmesser der Flusslinie, die sich durch den Resonator erstreckt, klein verglichen mit der Wellenlänge des Mikrowelleneingangssignals. In einer Ausführungsform beträgt der Durchmesser der Flusslinie für ein Signal von ungefähr 1 GHz ungefähr 2,0 cm oder weniger. In einer Ausführungsform ist die Flusslinie, durch die das Fluid fließt, ölnass.
In einer Ausführungsform ist die Mikrowellenquelle ein Mikrowellen-Sweeper, der sequentiell Mikrowellen von verschiedenen Frequenzen erzeugen kann. In einer Ausführungsform beträgt der Frequenz-Sweep des Eingangsmikrowellensignals ungefähr 10 MHz oder weniger. In einer anderen Ausführungsform beinhaltet die Mikrowellenquelle mehrere Quellen an verschiedenen Mikrowellenfrequenzen, die dem Resonator sequentiell zugeführt werden können.
In einer Ausführungsform, die schematisch in 12a dargestellt wird, sind zwei im Wesentlichen identische Resonatoren 600a, 600b, getrennt durch einen Abstand D, in Reihe platziert, und eine einzelne Flusslinie 605 wird durch beide Resonatoren geleitet. Es kann eine einzelne Mikrowellenquelle 675 verwendet werden, um beiden Resonatoren identische Eingangssignale bereitzustellen, und Messungen werden in Bezug auf jeden Resonator von den Detektoren 685a, 685b vorgenommen und einem Prozessor 690 bereitgestellt, um Schätzungen im Zeitablauf an jedem Resonator von zumindest einem von dem Wasseranteil, Kohlenwasserstoffanteil, Wassersalzgehalt und Wasserleitfähigkeit des Fluids zu bestimmen. Falls es eine erhebliche temporale Fluktuation gibt, können die zwei Messungen korreliert werden, typischerweise unter Verwendung des Prozessors 690. Aus der Zeitverschiebung Δτ wird eine durchschnittliche Geschwindigkeit v = D/Δτ des Fluidgemisches erhalten. Dabei wird angenommen, dass es keine bedeutenden Abweichungen zwischen den zwei Fluiden gibt.
In einer Ausführungsform, die schematisch in 12b dargestellt wird, kann eine Vielzahl von Loop-Gap-Resonatoren (zwei gezeigt) 700a, 700b parallel verwendet werden, um den Flussweg zu erhöhen (d. h. es werden mehrere Flusswege 705a, 705b bereitgestellt). Es kann eine einzelne Mikrowellenquelle 775 für die Vielzahl von Resonatoren verwendet werden. Jeder Resonator beinhaltet seinen eigenen Detektor 785a, 785b.
In einem Aspekt kann die Schätzung von zumindest einem von dem Wasseranteil, Kohlenwasserstoffanteil, Wassersalzgehalt und Wasserleitfähigkeit in Echtzeit erstellt werden, was für die Zwecke hierin in der Ordnung von Sekunden bedeuten soll (im Gegensatz zum Aufzeichnen von Messungen zur Bearbeitung Stunden oder Tage später).
In einer anderen Ausführungsform beinhaltet eine Vorrichtung eine Mikrowellenquelle, die mehrere Mikrowellenfrequenzen erzeugt, einen Resonator mit einer Flusslinie, die sich dort hindurch erstreckt und elektrische Feldlinien parallel zu einer Fluidflusslinie aufweist, und einen (Spitzen)-Leistungsdetektor, wobei die resonante Frequenz die injizierte Quellenfrequenz zum Zeitpunkt des Spitzenleistungsausgangs ist. Die Vorrichtung ist an eine Leistungsquelle gekoppelt und kann an einen Prozessor gekoppelt sein. In einer Ausführungsform kann der Prozessor eine oder mehrere Nachschlagetabellen verwenden, wie zuvor mit Verweis auf 11 oder die 9a, 9b und 10 beschrieben, aus denen eine Schätzung von zumindest einem von dem Wasseranteil, Kohlenwasserstoffanteil, Wassersalzgehalt und Wasserleitfähigkeit basierend auf der Spitzenleistung und der resonanten Frequenz erstellt werden kann. Gemäß einem Aspekt können die Nachschlagetabellen auf jede gewünschte Weise im Speicher ausgeführt werden. Die erstellten Schätzungen können auf einem Bildschirm oder auf Papier als Zeitfunktion dargestellt werden.
Sich 13 zuwendend, zeigt ein schematisches Diagramm ein Bohrlochwerkzeug 1300 zum Analysieren eines Formationsfluids. Insbesondere bestimmt das Bohrlochwerkzeug 1300 eine Eigenschaft des Formationsfluids in einer Flusslinie, wie zum Beispiel den Wasseranteil, die dann verwendet werden kann, um zum Beispiel die Anwesenheit von Frakturen oder andere Streifen mit hoher Permeabilität in der Formation zu bestimmen.
In diesem Beispiel ist das Bohrlochwerkzeug 1300 ein Wireline-Werkzeug. Das Wireline-Werkzeug 1300 ist in einem Bohrloch 1302 angeordnet, das eine Formation 1304 durchläuft. Das Wireline-Werkzeug beinhaltet 1300 ein Formationsfluidtestmodul wie zum Beispiel das Modul Modular Formation Dynamics Tester^TM (MDT) von Schlumberger. Das Formationsfluidtestmodul beinhaltet eine selektiv erweiterbare fluidaufnehmende Anordnung (z. B. Sonde) 1306. Diese Anordnung 1306 erstreckt sich in Kontakt mit der Formation 1304 und entzieht der Formation 1304 Formationsfluid (z. B. Proben der Formation). Das Fluid fließt durch die Anordnung 1306 und in eine Flusslinie 1308 in einem Gehäuse 1309 des Werkzeugs 1300. Ein Pumpenmodul (nicht gezeigt) wird verwendet, um der Formation 1304 das Formationsfluid zu entziehen und das Fluid durch die Flusslinie 1308 zu leiten.
Das Wireline-Werkzeug 100 beinhaltet auch eine Vorrichtung 1312 zum Analysieren des Formationsfluids in der Flusslinie 1308. Die Vorrichtung 1312 beinhaltet eine Mikrowellenquelle, einen oder mehrere Resonatoren, und einen oder mehrere Leistungsdetektoren. Wie in der vorstehenden Offenbarung beschrieben, kann die Vorrichtung 1312 verwendet werden, um zum Beispiel einen Wasseranteil, einen Kohlenwasserstoffanteil, eine Wasserleitfähigkeit und/oder einen Wassersalzgehalt des Formationsfluids in der Flusslinie zu bestimmen.
Das Wireline-Werkzeug 1300 kann einen Prozessor oder Prozessoren zum Verarbeiten von Messungen und Erstellen von Werten für den Wasseranteil, den Kohlenwasserstoffanteil, die Wasserleitfähigkeit und/oder den Wassersalzgehalt des Formationsfluids in der Flusslinie enthalten. Alternativ oder zusätzlich können sich ein Prozessor oder Prozessoren 1314 über Tage befinden und Signale können über Tage von dem Wireline-Werkzeug 1300 zur Verarbeitung gesendet werden.
Nach dem Durchlaufen durch die Vorrichtung 1312 kann das Formationsfluid (z. B. die Kohlenwasserstoffprobe) aus der Flusslinie 1308 heraus und in das Bohrloch 1302 durch einen Anschluss 1318 gepumpt werden. Ein Teil des Formationsfluids kann auch an ein Fluidsammelmodul 1316 gegeben werden, das Kammern zum Sammeln von Fluidproben enthält und Proben des Formationsfluids für den anschließenden Transport und das Testen an der Oberfläche (z. B. in einer Testeinrichtung oder einem Labor) zurückbehält.
Die hierin beschriebenen Verfahren und Vorrichtungen können durch verschiedene andere Bohrlochwerkzeuge und Bohrlochwerkzeugkonfigurationen umgesetzt werden. Zum Beispiel können die hierin beschriebenen Verfahren und Vorrichtungen durch ein Bohrlochwerkzeug umgesetzt werden, das mit anderen Mitteln wie zum Beispiel Rohrwendeln transportiert wird. Außerdem können die hierin beschriebenen Verfahren und Vorrichtungen bei Logging-while-Drilling-(LWD)-Vorgängen, Sampling-while-Drilling-Vorgängen, Measuring-while-Drilling-Vorgängen oder anderen Vorgängen, bei denen eine Beobachtung oder Aufzeichnung von Formationsfluid durchgeführt wird, eingesetzt werden. Die hierin beschriebenen Verfahren und Vorrichtungen können auch von einem Bohrlochwerkzeug umgesetzt werden, das als Teil einer Fertigstellung ausgeführt ist. Das Bohrlochwerkzeug kann als Teil einer Fertigstellung in einem Bohrloch angeordnet werden und kann verwendet werden, um Formationsfluide zu beobachten, während diese durch das Bohrloch fließen (z. B. an die Oberfläche). Zum Beispiel kann in jeder Stufe einer Fertigstellung eine Mikrowellenvorrichtung gemäß der vorliegenden Offenbarung installiert werden. In jeder Stufe beobachtet die Mikrowellenvorrichtung den lokalen Zustrom von Wasser. Falls der Wasseranteil zu hoch ist, würden diese Informationen von der Mikrowellenvorrichtung dann verwendet, um eine bestimmte Stufe der Fertigstellung unter Verwendung eines Ventils abzuschalten, während Ventile in anderen Stufen der Fertigstellung offen bleiben.
Außerdem werden in einigen Ausführungsformen die hierin beschriebenen Verfahren in einem Bohrloch ausgeführt. In anderen Ausführungsformen werden die hierin beschriebenen Verfahren und Vorrichtungen an der Oberfläche in einer Flusslinie durchgeführt. Zum Beispiel können die hierin beschriebenen Verfahren und Vorrichtungen in einer Flusslinie wie zum Beispiel einer Pipeline, die Fluide (z. B. Kohlenwasserstoffe und/oder Wasser) von einer Bohrlochstelle oder an eine Raffinerie transportiert, durchgeführt werden. Auch finden die hierin beschriebenen Verfahren und Vorrichtungen außerhalb des Ölfeldes Anwendung. Zum Beispiel können die hierin beschriebenen Verfahren und Vorrichtungen in der chemischen Produktion, Lebensmittelproduktion, Materialinspektion oder anderen Bereichen, in denen die Beobachtung von Fluiden in Flusslinien durchgeführt wird, verwendet werden.
Auch sind die hierin beschriebenen Verfahren und Vorrichtungen nicht auf eine Umsetzung begrenzt, die eine Flusslinie verwendet. Es kann eine Kammer mit einer beliebigen Konfiguration oder Geometrie verwendet werden. Die Kammer kann ein(e) hohle(r) Behälter oder Flusslinie (z. B. Rohr) sein, der/die das Fluid zumindest teilweise enthält. Einige der hierin beschriebenen Ausführungsformen können mehrere Kammern der gleichen oder unterschiedlicher Art beinhalten.
In einem Aspekt werden einige der vorstehend beschriebenen Verfahren und Prozesse von einem Prozessor durchgeführt. Der Begriff „Prozessor” sollte nicht so ausgelegt werden, dass er die hierin offenbarten Ausführungsformen auf ein(e) bestimmte(s) Geräteart oder System beschränkt. Der Prozessor kann ein Computersystem beinhalten. Das Computersystem kann auch einen Computerprozessor beinhalten (z. B. einen Mikroprozessor, eine Mikrosteuerung, einen Digitalsignalprozessor oder einen Universalcomputer), um die hierin beschriebenen Verfahren und Prozesse auszuführen. Das Computersystem kann weiter einen Speicher wie zum Beispiel ein Halbleiterspeichergerät (z. B. ein RAM, ROM, PROM, EEPROM oder Flash-programmierbares RAM), ein Magnetspeichergerät (z. B. eine Diskette oder Festplatte), ein optisches Speichergerät (z. B. eine CD-ROM), eine PC-Karte (z. B. PCMCIA-Karte) oder ein anderes Speichergerät beinhalten.
Einige der hierin beschriebenen Verfahren und Prozesse können als Computerprogrammlogik zur Verwendung mit dem Computerprozessor ausgeführt werden. Die Computerprogrammlogik kann in verschiedenen Formen ausgeführt sein, darunter eine Quellcodeform oder eine computerausführbare Form. Der Quellcode kann eine Reihe von Computerprogrammanweisungen in einer Vielzahl von Programmiersprachen (z. B. einem Objektcode, einer Assemblersprache oder einer höheren Programmiersprache wie C, C++ oder JAVA) beinhalten. Solche Computeranweisungen können in einem nicht flüchtigen computerlesbaren Medium (z. B. Speicher) gespeichert und vom Computerprozessor ausgeführt werden. Die Computeranweisungen können in beliebiger Form als entfernbares Speichermedium mit begleitender gedruckter oder elektronischer Dokumentation (z. B. eingeschweißte Software) verteilt werden, mit einem Computersystem vorgeladen (z. B. auf System-ROM oder Festplatte), oder von einem Server oder einer elektronischen Anschlagtafel über ein Kommunikationssystem (z. B. das Internet oder World Wide Web) verteilt werden.
Alternativ oder zusätzlich kann der Prozessor einzelne elektronische Komponenten, die an eine Leiterplatte, einen integrierten Schaltkreis (z. B. anwendungsspezifische integrierte Schaltkreise (ASIC)) und/oder programmierbare logische Geräte (z. B. feldprogrammierbare Gate-Arrays (FPGA)) gekoppelt sind, beinhalten. Alle vorstehend beschriebenen Verfahren und Prozesse können unter Verwendung solcher Logikgeräte ausgeführt werden.
Obwohl vorstehend nur einige Beispiele detailliert beschrieben worden sind, erkennt ein Fachmann ohne Weiteres, dass in den Beispielen viele Modifikationen möglich sind, ohne wesentlich von dieser Gegenstandsoffenbarung abzuweichen. Während somit lediglich beispielhalber und nicht einschränkend verschiedene Ausführungsformen Loop-Gap-Resonatoren mit bestimmten Mikrowelleneingangs- und -ausgangselementen und von bestimmten Maßen und Materialien beschreiben, ist anzumerken, dass andere Resonatoren verwendet werden könnten und die Eingangs- und -ausgangselemente, Maße und Materialien variiert werden können. Auch kann es lediglich beispielhalber und nicht einschränkend möglich sein, die Spitzenleistung und resonante Frequenz durch Analyse einer Resonanzkurvenausgabe durch einen Leistungsdetektor herauszufinden, anstatt einen Spitzenleistungsdetektor zu verwenden. Entsprechend sollen all solche Modifikationen im Umfang dieser Offenbarung wie in den folgenden Ansprüchen definiert enthalten sein. In den Ansprüchen sollen Mittel-plus-Funktion-Klauseln die hierin beschriebenen Strukturen als die genannte Funktion durchführend und nicht nur strukturelle Äquivalente, sondern auch äquivalente Strukturen abdecken. Somit können, obwohl ein Nagel und eine Schraube keine strukturellen Äquivalente sind, da ein Nagel eine zylindrische Oberfläche einsetzt, um hölzerne Teile miteinander zu verbinden, wohingegen eine Schraube eine spiralförmige Oberfläche einsetzt, in der Umgebung der Befestigung von hölzernen Teilen ein Nagel und eine Schraube äquivalente Strukturen sein. Es ist die ausdrückliche Absicht des Anmelders, sich nicht auf 35 U. S. C. § 112, Absatz 6 in Bezug auf Einschränkungen der Ansprüche hierin zu berufen, außer denjenigen, in denen der Anspruch ausdrücklich die Wörter „Mittel für” zusammen mit einer assoziierten Funktion verwendet.

Claims

Vorrichtung zum Analysieren eines Fluids, umfassend: eine Mikrowellenquelle, die mehrere Mikrowellenfrequenzen ausstrahlt; eine erste Kammer, um das Fluid zu beinhalten; einen ersten Resonator, durch den sich die erste Kammer erstreckt, wobei der erste Resonator einen Mikrowelleneingang und einen Mikrowellenausgang gekoppelt an die Mikrowellenquelle aufweist; einen ersten Leistungsdetektor, der an einen Ausgang des ersten Resonators gekoppelt ist und ein erstes Ausgangsleistungssignal bereitstellt; und einen Prozessor, der an den Leistungsdetektor gekoppelt ist, der eine Angabe zu mindestens einem von einem Wasseranteil, einem Kohlenwasserstoffanteil, Wasserleitfähigkeit und Wassersalzgehalt des Fluids unter Verwendung eines von dem ersten Ausgangsleistungssignal bestimmten Spitzenleistungswertes und einer der Spitzenleistung entsprechenden Resonanzfrequenz generiert.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei: die erste Kammer eine erste Flusslinie ist und die erste Flusslinie, der erste Resonator und die Mikrowellenquelle so angeordnet sind, dass von der Mikrowellenquelle erzeugte elektrische Feldlinien parallel zur ersten Flusslinie sind.
Vorrichtung nach Anspruch 2, wobei: der erste Resonator ein Loop-Gap-Resonator ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei: die mehreren Mikrowellenfrequenzen Frequenzen von mehr als ungefähr 500 MHz und weniger als ungefähr 2 GHz sind.
Vorrichtung nach Anspruch 2, wobei: der Durchmesser der ersten Flusslinie geringer als ungefähr 2 cm ist.
Vorrichtung nach Anspruch 3, wobei: der Loop-Gap-Resonator ein doppelter Loop-Gap-Resonator ist, der erste und zweite Zylinder und eine Lücke, die den ersten und zweiten Zylinder koppelt, definiert, wobei sich die erste Kammer durch den ersten Zylinder erstreckt und mehrere Mikrowellenfrequenzen in den zweiten Zylinder injiziert werden.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei: die Angabe von mindestens einem von einem Wasseranteil, einem Kohlenwasserstoffanteil, Wasserleitfähigkeit und Wassersalzgehalt eine Angabe der Wasserleitfähigkeit und eine Angabe des Wasseranteils umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 1, weiter umfassend: eine mit dem Prozessor assoziierte Nachschlagetabelle, wobei die Nachschlagetabelle Spitzenleistung und Resonanzfrequenz mit der Angabe von mindestens einem von einem Wasseranteil, einem Kohlenwasserstoffanteil, Wasserleitfähigkeit und Wassersalzgehalt assoziiert.
Vorrichtung nach Anspruch 8, wobei: die Nachschlagetabelle Spitzenleistung und Resonanzfrequenz mit der Angabe von Wasseranteil und Wasserleitfähigkeit assoziiert.
Vorrichtung nach Anspruch 1, weiter umfassend: eine Anzeige, die die Angabe von mindestens einem von einem Wasseranteil, einem Kohlenwasserstoffanteil, Wasserleitfähigkeit und Wassersalzgehalt des Fluids als Zeitfunktion anzeigt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei: die erste Kammer im Wesentlichen für die mehreren Mikrowellenfrequenzen transparent ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei: die Mikrowellenquelle eine Mikrowellen-Sweeper-Quelle ist und der Leistungsdetektor ein Spitzenleistungsdetektor ist.
Vorrichtung nach Anspruch 2, weiter umfassend: eine zweite Flusslinie; einen zweiten Resonator, durch den sich die zweite Flusslinie erstreckt, wobei der zweite Resonator einen Mikrowelleneingang und einen Mikrowellenausgang gekoppelt an die Mikrowellenquelle aufweist, wobei die zweite Flusslinie, der zweite Resonator und die Mikrowellenquelle so angeordnet sind, dass von der Mikrowellenquelle erzeugte elektrische Feldlinien parallel zur zweiten Kammer sind; und einen zweiten Leistungsdetektor, der an einen Ausgang des zweiten Resonators gekoppelt ist und ein zweites Ausgangsleistungssignal erzeugt, wobei der Prozessor an den zweiten Leistungsdetektor gekoppelt ist und die zweite Flusslinie und der zweite Resonator parallel zur ersten Flusslinie und zum ersten Resonator sind.
Vorrichtung nach Anspruch 2, weiter umfassend: einen zweiten Resonator in Reihe mit dem und getrennt durch einen Abstand vom ersten Resonator, wobei sich die erste Flusslinie durch den zweiten Resonator erstreckt; einen zweiten Leistungsdetektor, der an einen Ausgang des zweiten Resonators gekoppelt ist und ein zweites Ausgangsleistungssignal erzeugt, wobei der Prozessor (i) an den zweiten Leistungsdetektor gekoppelt ist, (ii) unter Verwendung eines Signals von dem zweiten Ausgangsleistungssignals eine Schätzung über mindestens eines von dem Wasseranteil, Kohlenwasserstoffanteil, Wassersalzgehalt und Wasserleitfähigkeit bestimmt, (iii) die Bestimmungen von dem ersten und zweiten Ausgangsleistungssignal korreliert, und (iv) eine Geschwindigkeit des Fluids basierend auf dem Abstand und der Korrelation findet.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei: die Vorrichtung ein Bohrlochwerkzeug ist.
Bohrlochwerkzeug zum Analysieren eines Fluids, umfassend: eine Sweeper-Mikrowellenquelle, die mehrere Mikrowellenfrequenzen in einem Bereich von höchstens ungefähr 10 MHz bei einer Frequenz von ungefähr 1 GHz ausstrahlt; eine Flusslinie, um das Fluid zu beinhalten; einen Dual-Gap-Resonator, der erste und zweite Zylinder und eine Lücke, die den ersten und zweiten Zylinder verbindet, definiert, wobei sich durch einen ersten der Zylinder die Flusslinie erstreckt und ein zweiter der Zylinder die mehreren Mikrowellenfrequenzen empfängt; einen Leistungsdetektor, der an den zweiten Zylinder des Dual-Gap-Resonators gekoppelt ist; und einen Prozessor, der an den Leistungsdetektor gekoppelt ist, der eine Angabe zu mindestens einem von einem Wasseranteil, einem Kohlenwasserstoffanteil, Wasserleitfähigkeit und Wassersalzgehalt des Fluids aus einem Spitzenleistungswert des Leistungsdetektors und einer der Spitzenleistung entsprechenden Resonanzfrequenz generiert.
Bohrlochwerkzeug nach Anspruch 16, weiter umfassend: eine mit dem Prozessor assoziierte Nachschlagetabelle, wobei die Nachschlagetabelle Spitzenleistung und Resonanzfrequenz mit der Angabe von mindestens einem von einem Wasseranteil, einem Kohlenwasserstoffanteil, Wasserleitfähigkeit und Wassersalzgehalt assoziiert.
Bohrlochwerkzeug nach Anspruch 17, wobei: die Nachschlagetabelle Spitzenleistung und Resonanzfrequenz mit der Angabe von Wasseranteil und Wasserleitfähigkeit assoziiert.
Bohrlochwerkzeug nach Anspruch 16, wobei: das Bohrlochwerkzeug eines von einem Wireline-Werkzeug, einem Logging-while-Drilling-Werkzeug und einem Fertigstellungswerkzeug ist.
Verfahren zum Analysieren eines Fluids, umfassend: Fließen des Fluids durch eine Kammer in einem Resonator; Bestrahlen der Kammer im Resonator mit Mikrowellen von einem Mikrowellengenerator mit mehreren Mikrowellenfrequenzen, sodass vom Mikrowellengenerator erzeugte elektrische Feldlinien parallel zum Fluidfluss in der Kammer sind; Erfassen einer Spitzenleistung des Resonators und Herausfinden einer resonanten Frequenz, die der Spitzenleistung entspricht; und Verwenden der Spitzenleistung und resonanten Frequenz zum Erstellen einer Angabe von mindestens einem von einem Wasseranteil, einem Kohlenwasserstoffanteil, Wasserleitfähigkeit und Wassersalzgehalt des fließenden Fluids.
Verfahren nach Anspruch 20, wobei: die Verwendung der Spitzenleistung und resonanten Frequenz die Verwendung einer Nachschlagetabelle umfasst, die die Spitzenleistung und resonante Frequenz auf die Angabe von mindestens einem von einem Wasseranteil, einem Kohlenwasserstoffanteil, Wasserleitfähigkeit und Wassersalzgehalt des Fluids bezieht.
Verfahren nach Anspruch 20, wobei: die Verwendung der Spitzenleistung und resonanten Frequenz die Verwendung eines Cross Plots umfasst, das die Spitzenleistung und resonante Frequenz auf die Angabe von mindestens einem von einem Wasseranteil, einem Kohlenwasserstoffanteil, Wasserleitfähigkeit und Wassersalzgehalt des Fluids bezieht.
Verfahren nach Anspruch 20, wobei: die Verwendung der Spitzenleistung und resonanten Frequenz die Verwendung eines Cross Plots umfasst, das die Spitzenleistung und resonante Frequenz auf eine Angabe der Wasserleitfähigkeit bezieht.
Verfahren nach Anspruch 23, wobei: die Verwendung der Spitzenleistung und resonanten Frequenz ferner die Verwendung der Angabe der Wasserleitfähigkeit und von mindestens einem von der Spitzenleistung und resonanten Frequenz mit einem zweiten Cross Plot umfasst, das die Wasserleitfähigkeit und das mindestens eine von der Spitzenleistung und resonanten Frequenz auf eine Angabe des Wasseranteils bezieht.
Verfahren nach Anspruch 20, wobei: der Resonator ein Loop-Gap-Resonator ist.
Verfahren nach Anspruch 25, wobei: der Loop-Gap-Resonator ein doppelter Loop-Gap-Resonator ist, der erste und zweite Zylinder und eine Lücke, die den ersten und zweiten Zylinder koppelt, definiert, wobei sich die Kammer durch den ersten Zylinder erstreckt und die mehreren Mikrowellenfrequenzen in den zweiten Zylinder injiziert werden.
Verfahren nach Anspruch 20, wobei: die mehreren Mikrowellenfrequenzen im Bereich von ungefähr 10-MHz-Frequenzen bei ungefähr 1 GHz liegen.
Verfahren nach Anspruch 20, wobei: die erste Kammer eine Flusslinie mit einem Durchmesser von weniger als ungefähr 2 cm ist.