CN101189409B - 井下流体分析的方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种通过把流体从储层和/或井筒在压力和体积控制单元隔离以及确定隔离流体的流体性质而进行储层流体井下分析的方法和装置，其中压力和体积控制单元与流体分析模块的流动管线整合在一起。可以得出储层流体在静止状态下的感兴趣的参数，不想要的储层流体可以被排干并由适于井下特性鉴定或地面样品提取的储层流体取代。隔离的储层流体可以在用于相特性特性鉴定的流动管线环路中循环。可以在井下条件或接近井下条件下进行流体的实时分析。

Description

井下流体分析的方法和装置

技术领域

本发明涉及用于为了勘探和开发烃生产井而评价和测试地层的地质地层的井下流体分析领域，烃生产井例如为油或气井。更具体地说，本发明针对适于隔离储层流体并且特性鉴定井下隔离流体的方法和装置。

背景技术

井下流体分析是典型地用于评价具有烃储藏的地质地层的特性和性质的重要并有效的研究技术。这样，典型的油田勘探和开发包括用于确定烃矿藏的岩石和流体性质的井下流体分析。流体性质对于精确评价烃矿藏储层的经济可行性是必需的。

一般，在油藏储层中在井下发现流体的综合混合物，例如油、气和水。井下流体，也指的是储层流体(formation fluids)，具有包括压力、温度、体积以及其它流体性质的特性，这些特性确定了流体各种组元的相特性。为了评价围绕井筒的地下储层，通常期望获得井筒中储层流体的样品以特性鉴定包括组分分析在内的流体性质和相特性。有线储层测试工具在例如美国专利3,780,575和3,859,851中被公开，斯伦贝谢的油藏储层测试仪(RFT)和模块储层动力学测试仪(MDT)是用于从井筒中提取储层流体样品用于地面分析的取样工具的例子。

处于井下组分条件下的储层流体的压力和温度典型地不同于地面条件下的流体。例如，一个井的井下温度可以在从300F起的范围内变动。当井下流体的样品被运送到地面，流体温度发生了变化，同时伴随着体积和压力的变化。作为输送到地面结果的流体变化可以导致样品中气相和液相的相分离以及储层流体组分性质的变化。

保持从井中提取的样品的压力和温度以在地面获得代表井下储层流体的技术也已经为公众所知。在常规的系统中，从井下获得的样品存储在储层测试工具的专门的腔室中，样品被运送到地面用于实验室分析。在样品从地面以下运输到地面实验室过程中，样品通常从一个样品瓶或容器转到另一个样品瓶或容器，例如运输箱。这样，样品从一个容器转到另一个容器的过程中可能被损坏。

此外，尽管采用了用于把样品保持在井下条件的技术，样品的压力和温度在把样品从现场运送到遥远的实验室的过程中经常改变。使用中的样品转移和运输过程已经知道由于下面的因素损害或损坏储层流体样品，这些因素有样品中形成气泡、固体沉淀，以及其它与用于井下流体性质的地面分析而进行储层流体的处理有关的其它困难。

此外，在遥远处的实验室分析耗费时间的。样品分析数据的传输对于全面的样品分析而言需要几周到几个月的时间，这防碍了满足用户对实时响应产品的需求。代表性地，与储层流体的地面分析相关的响应产品的时帧是在样品已经被送到遥远的实验室后几个月的时间。

作为储层流体地面分析缺点的结果，井下流体分析目前的发展包括在井筒或井眼内特性鉴定地下储层流体的性质。这样，MDT包括一个或多个流体分析模块，例如斯伦贝谢的组分流体分析仪(CFA)和实时流体分析仪(LFA)，例如当流体仍然在井下时分析由工具取样的井下流体。

在上面特性鉴定类型的井下流体分析模块中，需要在井下分析的储层流体流过与流体分析模块相关的传感器模块，例如分光计模块，例如它通过红外吸收光谱分析流过的流体。这样，可以定位在流体分析模块中的光学流体分析仪(OFA)可以确定流动流中的流体并量化含油量和含水量。美国专利4,994,671(在这里通过参见把其全部内容包括进来)特性鉴定了具有测试室、光源、光谱探测器、数据库和处理器的井筒装置。从储层提取进入测试室的流体通过把光导向流体、探测传输和/或反响散射光的光谱以及处理信息(基于与不同光谱相关的数据库中的信息)被分析以特性鉴定储层流体的性质。

此外，美国专利5,167,149和美国专利5,201,220(在这里全都通过参见把它们全部内容包括进来)特性鉴定了估计出现在流体流中气体量的装置。把一棱镜附加到流体流中的窗口上，光通过棱镜被导向进入到窗口。从窗口/流体流动界面以特定具体角度反射的光被探测和分析以显示气体在流体流中的存在。

正如在美国专利5,266,800(在这里通过参见把其全部内容包括进来)中阐明的，在随着时间过去监测获得的流体样品的光学吸收光谱可以使人确定储层流体而不是泥饼滤出液什么时候流入流体分析模块。此外，正如美国专利5,331,156(在这里通过参见把其全部内容包括进来)中特性鉴定的，通过在特定预先确定的能量上进行流体流的光学密度(OD)测量，两相流体流的油和水比率可以被量化。

另一方面，从井下提取的样品在地面实验室通过使用在周围环境温度下运行的压力和体积控制单元(PVCU)以及把流体样品加热到储层条件而被分析。这样，就不能获得可以在高得井下温度条件下精确运行得PVCU。用于在井下条件下改变流体样品得体积的常规装置使用水压，这样就会导致下列缺点，由于极端井下温度引起的油膨胀和粘度变化，难于在井下条件下准确控制活塞的冲程和速度。此外，在需要装置另外维护的高的井下压力下可能发生O形圈处油的泄漏。

发明内容

由于上面讨论的背景技术以及在井下流体分析领域已知的其它因素的缘故，申请人发现通过把流体从储层和/或井筒隔离而在流体分析模块流动管线中而进行储层流体井下分析的方法和装置。在本发明优选实施例中，流体被与流动管线整合在一起的压力和体积控制单元(PVCU)隔离，隔离流体的性质部分利用PVCU确定。

有利地，PVCU适于井下应用，因为井下工具的流动管线和/或PVCU被用于隔离储层流体，不想要的储层流体可以很容易地被排干并由适于井下特性鉴定的储层流体取代。由于根据本发明隔离储层流体获得的另一个优势是流体的压力-体积-温度(PVT)分析可以利用本发明的PVCU在井下条件或接近井下条件下进行。

申请人意识到需要井下分析，井下分析与由例如储层测试工具这样的井下工具取样紧密合作提供准确的响应产品。

申请人也意识到井下储层流体分析，在基于实验室的分析范围内是可信的且相当的，解决了由于运输到地面产生的储层流体样品破坏的已知问题。

申请人还意识到井下分析通过在现场提供实时响应产品消除了与把储层流体样品传输到地面实验室相关的延迟。

申请人发现，与当被特性鉴定性质时处于活跃的流动状态的流体井下分析相比，从储层或井筒隔离开以便处于相对稳定、静止状态的流体表现出来的流体性质趋向于更准确。

申请人意识到在工具流动管线中隔离的流体样品与在井下工具的样品室里捕获的流体样品相比具有有利的益处，因为隔离的流体可以检查质量，如果初始流体的性质被发现不适合流体特性鉴定，那么隔离的流体就会被另一种更好质量的隔离流体所取代。这样，当工具在井下时，冲洗流体分析的流动管线并提取刚捕获的储层流体用于分析是可能的，而当工具位于井下时，常规的取样室和容器没有办法排干取样流体并获得储层流体另外的样品。

申请人还意识到，因为例如泡点(bubble point)确定这样的测试在井下条件下与地面实验室环境相比需要更少的时间，所以把井下隔离流体处于基本与储层或井筒条件类似的条件下在进行流体特性鉴定上还有意料之外的优势。

在本发明方法和装置的优选实施例中，适于井下使用的工具把储层流体在工具的流动管线中从储层或井筒中隔离开。有利地，工具的流动管线包括整合到流动管线上的压力和体积控制单元(PVCU)，以便隔离储层流体的压力和体积变化在井下条件下成为可能。隔离储层流体可以通过如下方式被分析：测量流体性质，例如组分，气-油比(GOR)、BTU、密度、粘度、压缩系数；确定流体的相态行为，例如沥青质起始压力、泡点、露点(dew point)；测量流体压力和温度值。

在本发明一个实施例中，用于井下流体分析的装置具有多个能够选择性地被运行以停止和开始储层流体在至少部分流动管线和一个或多个与装置流动管线相关联的传感器内流动的装置，例如密封阀。在本发明的一个优选实施例中，PVCU包括可操作地连接到流动管线上的泵，例如灌洗类型(syringe-type)的泵，以便在PVCU中隔离的储层流体的性质通过改变流体的体积而改变。

在本发明一个优选实施例中，通过操作密封阀把储层流体保持或隔离在流动管线中。有利地，隔离流体的性质可以被确定。在本发明的一个方面，光学传感器，例如可以测量感兴趣的流体性质，例如隔离储层流体的烃组分、GOR、BTU。本发明的另一个方面，合适的装置，例如密度和粘度传感器，可以测量另外的感兴趣的流体性质，例如流体密度和粘度。本发明的再一方面，压力/温度传感器(P/T量表)可以测量隔离储层流体的流体压力和温度。

有利地，PVCU可以通过使隔离在流动管线中储层流体的体积膨胀而改变流体压力。在本发明的再一个方面，可以通过改变的体积和改变的压力测得流体压缩系数，或者确定流体密度变化或光学吸收程度变化。

在本发明另一方面，隔离储层流体的流体压力可以降低到特定压力以便沉淀沥青。有利地，光学传感器，例如可被用于探测沥青的沉淀。压力进一步的降低可以导致气体组分从液相中分离出来。超声传感器和光学传感器，例如可以用于探测气泡的突然出现。

如果隔离的流体是气体冷凝物，当流体在特定压力下，冷凝油从气体冷凝物中出来。例如，光学传感器可被用于探测冷凝油。依赖时间的传感器性质可以被监测以探测相的重力分离。在完成了感兴趣的测量后，隔离流体样品可以被排入泥浆中，吸入流动管线的刚捕获的储层流体冲洗流动管线，储层流体的样品可以被捕获入井下工具的合适的样品室或瓶中以运输到地面来进行实验室研究。

根据本发明，井下流体特性鉴定装置的流体分析模块包括用于形成流体以流过流体分析模块的流动管线。至少一个可选择性操作的装置，例如在本发明优选实施例中的阀和/或泵，被提供以在流动管线中隔离一定量流体。至少一个传感器位于流动管线上以测量与流动管线中流体相关的感兴趣的参数。

在本发明优选实施例中，第一和第二可选择性操作的装置中的每一个包括阀。在本发明另一个实施例中，可选择性操作的装置之一例如在抽空模块中包括泵，另一个包括阀。优选地，与流动管线整合在一起的泵单元，例如灌洗类型的泵，被提供以改变隔离流体的压力和体积。

为了特性鉴定流动管线中储层流体的性质，相对于流动管线提供一个或多个传感器，例如光学连接到流动管线上的光谱传感器、荧光和气体传感器、密度传感器、压力传感器、温度传感器、气泡/气体传感器、基于MEMS(微机电系统)的传感器、成像装置、电阻系数传感器、化学传感器和散射传感器。在本发明优选实施例中，提供旁路流动管线，构造和配置可选择性操作的装置以在旁路流动管线中隔离流体。循环管线把旁路流动管线第一端部与旁路流动管线第二端部连接起来，以便隔离的流体在循环管线和旁路流动管线中通过循环泵进行循环。

在本发明一个优选实施例中，为了测量与流过流动管线的流体相关的感兴趣的参数，在流动管线上提供一个或多个光学连接到流动管线上的光学探测器；荧光和气体传感器；化学传感器；和电阻系数传感器；为了测量与隔离在旁路流动管线上的流体相关的感兴趣的参数，提供一个或多个密度传感器；压力传感器；温度传感器；气泡/气体传感器；基于MEMS的传感器；成像装置；和散射探测系统。

本发明提供了利用具有流体分析模块和流动管线的井下工具进行储层流体井下特性鉴定的方法。该方法包括监测与在流动管线中流动的储层流体相关的至少一个第一感兴趣参数；当满足第一感兴趣参数的预先确定的标准，通过操作多个可选择操作装置来限制储层流体在流动管线中的流动，以在流体分析模块中的流动管线的一部分中隔离储层流体；通过操作流动管线上的一个或多个传感器特性鉴定隔离流体的性质。

该方法的另一个优选实施例包括通过确定隔离流体的一个或多个流体性质而特性鉴定隔离流体，包括在一个优选实施例中，在确定流体性质之前，通过改变隔离流体的体积而改变隔离流体的流体压力，流体性质例如一个或多个流体压缩系数；沥青质初始沉淀；泡点和露点。该方法的另一个优选实施例包括，例如通过确定隔离流体的相特性，在特性鉴定隔离流体的同时，在流动管线的闭路中循环隔离流体。有利地，依赖时间的传感器性质可以被监测以探测相的重力分离。

然而，本发明的另一个实施例提供了用于特性鉴定储层流体设置在井下油田中的工具。该工具的流体分析模块包括借助旁路流动管线用于储层流体流过的流动管线和用于连接旁路流动管线的第一端和旁路流动管线第二端的循环管线，该循环管线被提供以便流动管线中的流体通过循环泵被循环。至少一个传感器位于旁路流动管线上以测量与旁路流动管线内的流体相关的感兴趣的参数。

本发明另外的优势和新的特性在接下来的描述中被给出，或者本领域技术人员通过阅读这里的材料或者通过实施本发明可以了解到。通过所附权利要求中的方式可以实现本发明的优势。

附图说明

附图显示了本发明的优选实施例，并且是说明书的一部分。与下面的描述一起，附图显示和解释了本发明的原理。

附图1是本发明示意性操作环境的横截面示意性表示。

附图2是带有设置在井筒内的示意性工具管柱的根据本发明的储层流体井下分析系统的一个实施例的示意性表示。

附图3示意性显示了根据本发明的工具管柱的一个优选实施例，其具有带有用于储层流体井下分析的压力和体积控制单元(PVCU)的流体分析模块。

附图4显示了根据本发明的带有PVCU装置的流体分析模块的一个实施例的示意性表示，该模块通过隔离储层流体用于流体井下特性鉴定。

附图5是根据本发明一个实施例在流体分析模块中带有一排传感器的PVCU装置的示意性描述。

附图6是根据本发明一个实施例的PVCU装置的散射探测系统的示意性表示。

附图7表示了用于储层流体井下特性鉴定的根据本发明一个方法的流程图。

附图8通过图示了根据本发明一个实施例的流体样品的压缩系数测量。

附图9显示了用于流体井下特性鉴定的根据本发明的装置的另一个实施例的示意性表示。

附图10显示了用于流体井下特性鉴定的根据本发明的装置的另一个实施例的示意图。但是，应当认识到本发明不应限制为所公开的具体形式。而是本发明将覆盖落入所附的权利要求限定的本发明的范围内的所有修改、等同和替换方式。

具体实施方式

本发明示意性实施例和方面在下面描述。为了清楚的缘故，不是真实实施的所有特征在说明书中都进行了描述。当然应当认识到在任何这样真实实施例的开发中，必须进行大量的执行-特殊决定以实现开发者特殊的目的，例如符合与系统相关和商业相关的限制，而这从一个执行到另一个执行中都会变化的。此外，应当认识到这样的开发尝试将非常复杂而且耗费时间，但是对本领域技术人员而言在得益于这里公开的情况下将是常规的工作。

本发明适用于油田勘探和开发领域，例如利用斯伦贝谢的模块储层动态测试仪(MDT)中的一个或多个流体分析模块进行的井下流体分析。

附图1是本发明示例性操作环境的横截面的示意性表示，其中作业车10位于具有井眼或井筒12的现场，在那里有井筒工具20悬挂在线缆22的端部。附图1描述了本发明利用的一个可能环境，其它操作环境也是本发明预期的。例如，应当意识到代替设置在线缆工具上，发明方法和装置可以设置在滑动线缆(slickline)、随钻测量钻铤上、连续管道、或作为永久或半永久完井硬件的部分。一般，井筒12包含例如水、泥浆滤出液、储层流体等的流体组合物。在示例性配置中，井筒工具管柱20和线缆22代表性地被相对于作业车10构造和配置，如附图1中示意性显示地那样。

附图2是用于储层流体井下分析和取样的根据本发明的系统14的示例性实施例，例如，当作业车10位于现场时(参见附图1)。在附图2中，井筒系统14包括井筒工具管柱20，其被用于测试地下储层和分析来自储层的流体的组分。井筒工具20代表性地被从储层地面上的绞车16(再次参见附图1)上缠绕的多触点测井电缆或线缆22的下端悬挂在井筒12中(也参见附图1)。测井电缆22代表性地电连接到地面电控制系统24，该系统具有用于井筒工具20的适当的电子和处理系统。

也参见附图3，井筒工具20包括装入多种电子元件和模块的延长主体26，该延长主体示意性地显示在附图2和3中，其用于向井筒工具管柱20提供必要的和期望的功能。选择性可延长的流体容纳组件28和选择性可延长的工具锚定元件30(参见附图2)分别设置在延长主体26的相对侧面。流体容纳组件28可操作以选择性地密封或隔离井筒壁12的选定部分，以便实现与附近地下储层压力或流体连通。流体容纳组件28可以单探头模块29(特性鉴定在附图3中)和/或封装模块(packer module)31(也示意性地显示在附图3中)。井筒工具的实施例在前面提到的美国专利3,780,575和3,859,851和4,860,581中被披露，它们包括的内容通过参见全部包括在这里。

在工具主体26中提供了一个或多个流体分析模块32。从储层和/或井筒中获得的流体流过流动管线33，经由流体分析模块32，然后通过部分泵送模块38(参见附图3)被排出。可供选择地，流动管线33中的储层流体可以被导向到一个或多个流体收集室34和36，例如1、

或6加仑样品室和/或六个450cc多样品模块，以接收并保留从储层获得的流体以运输到地面。

流体容纳组件、一个或多个流体分析模块、流动路径和收集室和井筒工具管柱20的其它操作元件被电子控制系统控制，例如被地面电子控制系统24(参见附图2)控制。优选地，电子控制系统24，和其它位于工具主体26内的控制系统，例如，正如在下面将详细描述的，在工具20中包括能够用于特性鉴定储层流体的处理器。

本发明的系统14，在其各种实施例中，优选地包括可操作连接到井筒工具管柱20上的控制处理器40。控制处理器40在附图2中描述成电子控制系统24的单元。优选地，本发明的方法在计算机程序中被具体表达，该计算机程序在例如位于控制系统24中的处理器40中被运行。在运行中，程序被连接以例如从流体分析模块32接收数据，经由有线电缆22，并把控制信号传输到井筒工具管柱20的可操作元件上。

计算机程序可以存储在与处理器40相关联的计算机可读存储介质42上，或者可以存储在外部计算机可读介质44上，并当需要时电连接到处理器40上。存储介质44可以是任何一个或多个现在已知的存储介质，例如适合磁盘驱动器的磁盘，或者光学可读CD-ROM，或者任何其它类型的可读装置，包括通过转换通信线路连接的远程存储装置，或者适用于这里描述的目的和目标的未来存储介质。

在本发明优选的实施例中，这里披露的方法和装置可以体现在斯伦贝谢的储层测试工具模块储层动力学测试仪(MDT)的一个或多个流体分析模块中。本发明有利地提供了一种储层测试工具，例如MDT，其用于储层流体的井下特性鉴定和储层流体样品收集，并具有改进的功能。这样，储层测试仪工具有利地被用于储层流体取样以及储层流体的井下特性鉴定。

附图4是带有压力和体积控制单元(PVCU)(也参见附图3)的流体分析模块32的一个优选实施例的示意性表示。在本发明优选实施例中，PVCU装置70可以被整合到模块32的流动管线33上。一个或多个传感器11(在附图4中为了说明目的示意性特性鉴定了一个传感器)和用于停止和开始流体流动的选择性操作的装置52和54(之后也一般性地称作“阀”)可操作地连接到流动管线33上。例如，如附图4特性鉴定的，装置52和54可以是密封阀，该密封阀具有电操作的步进式马达，并具有用于打开和关闭阀的相关的活塞结构。这样，选择性操作的装置52和54可以是任何合适的流动控制装置，例如泵、阀或者其它机械和/或电子装置，以开始和停止流动管线33中的流体的流动。一个或多个装置52和54可以位于流体分析模块32中，或位于工具20的其它附近的模块，例如泵送模块38(参见附图3)。此外，如果实施本发明必需或期望的话，可以使用装置的组合。

PVCU装置70包括泵71，例如灌洗类型的泵。泵71控制流动管线33上阀52和54之间的储层流体的体积。泵71具有：电子DC脉冲马达73、滚珠螺杆79、带有O性圈(未示出)的活塞和套筒结构80、马达-滚珠螺杆联接器93、滚珠螺杆轴承77和把滚珠螺杆79与活塞80连接起来的块75。有利地，PVCU装置70和泵71在超过200摄氏度的高温下可操作。带有入口阀(例如，附图4中特性鉴定的阀52)的部分流动管线33直接连接到泵71以减少隔离的储层流体的固定体积。这样，通过沿着与流动管线33的入口部分相同的轴线方向设置泵71的活塞80，减少了隔离流体的固定体积，因为从先前取样的流体留在流动管线33内的流体的体积影响了接下来取样流体的流体性质。

流动管线33可以分支为两个方向，其中一个分支连接到出口阀(附图4中的阀54)，另一个分支连接到压力/温度表64，以检测流动管线33中的储层流体的压力/温度特性。在附图4特性鉴定的实施例中，泵71具有例如带有齿轮以减少空转效应的DC步进式/脉冲马达73，滚珠螺杆79，活塞和套筒结构80，和线性位置传感器82，例如电位计。为了减少马达的空转，可以使用1/160减速齿轮，为了精确控制活塞80的位置，可以使用带有1.8度脉冲的DC步进式马达。活塞80的轴可以离开滚珠螺杆79和马达73的轴，以便使整个工具的长度最小。

在运行中，马达73的旋转运动通过带有导键91的滚珠螺杆79转换为活塞80的轴向位移。体积的变化可以由活塞80的位移值确定，而该位移值可以直接由电位计82测得，例如，同时精确地并且可变地利用1.8度的脉冲控制马达73的旋转。电子DC脉冲马达73可以通过利用位置传感器信号的控制电子元件致动连接到马达73上的活塞80的方式改变保留在流动管线内的储层流体的体积。因为本发明优选的实施例包括脉冲马达和高辨析率的位置传感器，可以以高的准确度控制PVCU的操作。体积的改变可以通过活塞的表面积乘以位移或线性位置传感器记录的移动距离，该传感器可操作地连接到活塞上，例如为电位计。在体积改变的过程中，例如压力、温度、化学和密度传感器和光学传感器等几个传感器可测量在两个阀52和54之间捕获的流体样品的性质。

当确定满足预先确定的标准的储层流体在流动管线33内流动时，关闭两个阀52和54以捕获在PVCU70内处于井下条件下的储层流体。可以致动电子马达73以改变隔离流体的体积。活塞80的位移位置可以直接由位置传感器82测得，该传感器通过螺母接头95和块75固定到活塞80上，同时输入马达73的脉冲精确地控制活塞80的运行速度和距离。PVCU70是基于井下环境条件需要的期望的马达性能、运行时间、减速器和滚珠螺杆的螺距来构建的。当模块32的传感器和测量装置完成流体特性鉴定的测量后，活塞80复位到其初始位置，而且密封阀52和54打开，以便PVCU70为另一次操作作为准备。

附图5示意性地表示了根据本发明的压力和体积控制单元(PVCU)70的优选实施例，该控制单元具有一组设置在流体分析模块32中的传感器。正如在附图2中特性鉴定的，模块32通过流动管线33与围绕井筒12的储层流体连通。再参见附图5，在一个优选的实施例中，PVCU装置70例如具有可操作地连接到流动管线33上的两个密封阀52和54。阀52和54被设置以便控制在流动管线33的一部分中储层流体的流动以及隔离在两个阀52和54之间的流动管线33的部分中的储层流体。根据本发明的实施例，阀，例如适合于井下使用的高温高压阀，可以用于控制流动管线33中储层流体的流动。例如，根据本发明可以使用节流阀和密封阀。

一个或多个光学传感器，例如36道的光学分光计56，由光纤束57连接到光学单元或折射仪60上，和/或荧光和气体探测仪58，该光学传感器可以设置在流动管线33上位于密封阀52和54之间的位置。光学传感器可以有利地被用于特性鉴定流过或保留在流动管线33内的流体。美国专利5,331,156和6,476,384和公开号为2004/0000636A1的美国申请(它们全部通过参见的方式包括在这里)披露了特性鉴定储层流体的方法。

也可以在流动管线33上提供密度传感器62和/或压力/温度传感器64以获得相对于在密封阀52和54之间的流动管线33部分内的流体的密度、压力和/或温度测量。这样，根据本发明的实施例，可以有利地使用密度和/或粘度传感器用于流体特性鉴定，例如X射线传感器、伽马射线传感器、振动杆和线缆传感器、以及其它传感器。

也可以在流动管线33上提供电阻率传感器74和/或化学传感器69以获得相对于在密封阀52和54之间的流动管线33内的流体的电阻率测量和/或用于探测C0₂、H₂S、pH以及其它化学性质。美国专利4,860,581，其全部通过参见的方式包括在这里，披露了通过井下流体压力和/或电阻率测量进行流体分析的装置。

也可以提供超声波传感器66和/或微制造和微电动机械(MEMS)密度和粘度传感器68以测量在密封阀52和54之间的流动管线33内流过或被捕获的储层流体的性质。美国专利6,758,090和公开号为2002/0194906A1的美国申请(它们全部通过参见的方式包括在这里)分别披露了基于传感器探测泡点压力和MEMS的方法和装置。

可以在流动管线33上提供散射探测器系统76以通过探测微粒而监测隔离流体的相分离，这些微粒例如为沥青质、气泡、来自气体凝结物的油雾，这些微粒是由流动管线33内的隔离流体产生的。附图6是根据本发明一个实施例的装置70的散射探测系统的示意图。有利地，散射探测仪76可以用于通过探测附图6中图示地泡点而监测相分离。

散射探测仪76包括光源84、第一光电探测器86和可选择地第二光电探测器88。第二光电探测器88可以用于评估光源84的强度涨落，以确认强度的变化或降落是由于在被监测储层流体中形成气泡或固体微粒。光源84可以从卤素光源、LED、激光器二极管以及其它使用本发明目的的已知光源中选择。

散射探测仪76也包括带有窗口的高温高压样品室90，以便来自光源84的光通过流过或保留在流动管线33内的储层流体到达从光源84的另一侧的流动管线33上的光电探测器86。可以在光源84和光电探测器86之间提供合适的收集光学器件92，以便来自光源84的光被收集并导向到光电探测器86上。可选择地，在光学器件92和光学探测器86之间提供光纤94。这样，因为散射效应是依赖于微粒尺寸的，也就是波长最大与微粒尺寸类似或小于微粒尺寸，通过利用光纤94选择合适的波长，获得气泡/微粒尺寸的合适数据是可能的。

再参见附图5，泵送单元71，例如灌洗泵单元，可以相对于流动管线33被配置以控制保留在阀52和54之间的流动管线33内的储层流体的体积和压力。正如在与本申请同时提交的共同未决的申请号为11/204,134、题为“井下流体特性鉴定光谱成像”的美国申请披露的，可以在流动管线33上提供视频成像系统72，例如CCD照相机，以进行光谱成像从而特性鉴定井下流体的相特性。

附图7用流程图的形式表示了根据本发明的一个优选方法，该方法用于储层流体的井下分析和取样，并用于生成基于井下流体特性鉴定的感兴趣的响应产品。也参见附图2和3，当开始(附图7中的步骤10)流体分析模块32的运行时，探针28从工具管柱20向外延伸以接触储层(参见附图2)。泵送模块38(参见附图3)把储层流体吸入流动管线33(步骤102)中并把它排入泥浆(mud)。当流体在流动管线33中流动时，模块32分析样品污染程度和相分离(步骤103)。美国专利5,266,800，其全部通过参见的方式包括在这里，披露了区别包含油基泥浆的流体和储层油样品的方法。

也参见附图4和5，当污染达到被认为对于流体特性鉴定和/或样品收集而言足够低的程度之后，例如污染从大约0％到大约10％的程度，而且流动管线33中流体被确认为单相之后，关闭两个密封阀52和54，因此储层流体被隔离或捕集在阀52和54之间的流动管线中(步骤104)。装置32的传感器和仪表被运行以测量流体性质，例如隔离在流动管线33中储层流体的密度和粘度(步骤105)以及隔离的储层流体的压力和温度(步骤106)。

泵送单元71可以被运行以改变流动管线33中隔离流体的压力(步骤108)。装置32的传感器被运行以监测和记录隔离流体的流体压缩系数和相特性，例如沥青开始沉淀、泡点、露点以及其它(步骤110和112)。

可以使用视频成像系统72，例如CCD照相机，以监测沥青沉淀、气泡爆发和液体从气体冷凝物中分离。当隔离流体的压力降低时，可以使用成像装置72来测量沉淀沥青质尺寸的变化。前面提到的、共同提交的美国申请11/204,134是关于井下流体特性鉴定的光谱成像，其全部内容通过参见的方式包括在这里。

在完成了感兴趣的测量后，隔离流体的样品可以排入泥浆中(步骤114)。新收集的储层流体可以吸入流动管线以冲洗流动管线(步骤116)。储层流体样品可以捕获在井下工具的合适的样品室或瓶中以运输到地面用于实验室分析(步骤118)。

附图8用曲线特性鉴定了流体样品的压缩系数的测量。流体压缩系数由初始体积、变化的体积和降低的压力来计算。这样，保留在流动管线中的流体的压缩系数可以从流体降低的压力和增加的体积来计算，增加的体积从位移或位置传感器记录的位移推出，该传感器例如为电位计(上面结合附图4被特性鉴定)。

附图9示意性地表示了根据本发明的流体分析模块32的另一个优选实施例。附图9中特性鉴定的装置70包括旁观管线35和通过主管线33与围绕井筒的储层流体连通的循环管线37。在一个优选实施例中，附图9的装置70包括可操作地连接到旁路流动管线35上的两个密封阀53和55。阀53和55被设置，以便控制主管线33的旁路流动管线部分35内储层流体的流动并隔离两个阀53和55之间的旁路流动管线35内的储层流体。在主管线33上设置阀59以控制主管线33内流体的流动。

一个或多个光学传感器，例如36频道的光学分光计56，通过光纤束57连接到光学器件或折光计60上和/或荧光/折射探测器58上，该光学传感器被设置在旁路流动管线35上位于阀53和55之间。光学传感器有利地可以被用于特性鉴定在旁路流动管线35里流过或保留在内的流体。

也可以在旁路流动管线35上提供压力/温度仪表64和/或电阻率传感器74以获得相对于在密封阀53和55之间的旁路流动管线35内的流体的电阻率、压力和/或温度测量。可以提供化学传感器69以测量流体的性质，例如CO₂、H₂S、pH以及其它化学性质。也可以提供超声传感器66和/或密度和粘度传感器68以测量在密封阀53和55之间的旁路流动管线35内流过或捕获的储层流体的性质。可以在旁路流动管线35上安排泵送单元71以控制保留在密封阀53和55之间的旁路流动管线35内储层流体的体积和压力。可以在旁路流动管线35上提供成像装置72，例如CCD照相机，以用于光谱成像来特性鉴定隔离在那里的井下流体的相特性。

可以在旁路流动管线35上提供散射探测系统76以从旁路流动管线35中的隔离流体中出现的颗粒，例如沥青、气泡和液体从气体冷凝物中出现的油雾。可以在循环管线37上提供循环泵78，例如齿轮泵或Sanchez泵。因为循环管线37是旁路流动管线35的闭环循环，循环泵78可以被用于在由旁路流动管线35和循环管线37构成的闭环中循环隔离在旁路流动管线35中储层流体。

在附图4和5特性鉴定的本发明的实施例中，当储层流体被隔离或限制在流动管线33中之后，通过操作阀52和54，停止了在流动管线33中的储层流体的进一步流动。但是，在一些情况下，不想停止主流动管线33中的流体的流动，因为如果主流动管线33中的阀损坏了的话，将不得不放弃作业以替换有缺陷的阀。为了解决这样的可能性，其中停止主流动管线33中的流体流动不是流体特性鉴定的优选方法，提供附图9实施例的旁路流动管线35，并且流体分析模块32中的传感器和测量装置设置在旁路流动管线35上。在本发明附图9的实施例中，甚至在储层流体被隔离在旁路流动管线35之后，可以维持在主流动管线33中的流体流动。作为选择，阀59可以调节主流动管线33中的流体流动。

申请人已经发现如果旁路流动管线35中的隔离流体样品在闭合回路管线中循环可以提高相特性测量的准确性。因此，使旁路流动管线35通过循环管线37成为回路，在回路管线35和37上提供循环泵78，以便旁路流动管线35中隔离的储层流体例如在相特性的特性鉴定过程中被循环。

附图10示意性表示了根据本发明的流体分析模块32的另一个优选实施例。附图10中特性鉴定的装置70与附图9实施例中的类似，其中，旁路流动管线35和循环管线37通过主流动管线33与围绕井筒的储层流体连通。附图10中的装置70包括两个可操作地连接到旁路流动管线35上的阀53和55。设置阀53和55以便控制主流动管线33的旁路流动管线部分35内的储层流体的流动，并且隔离在阀53和55之间的旁路流动管线35的储层流体。可以在主流动管线33上提供阀59以便控制主流动管线33中的流体流动。

附图10中的装置70与附图9中的装置类似，除了由光纤束57连接到光学器件或折射仪60的一个或多个光学传感器，例如36道光学分光计56，和/或荧光/折射探测器58可以被设置在主流动管线33上，而不是附图9中的旁路流动管线35。因为光学传感器测量不需要隔离、静止的流体，光学传感器可以被用于特性鉴定流过主流动管线33的流体。代替附图9中特性鉴定的结构，在附图10的实施例中可以在主流动管线33上也提供电阻率传感器74和化学传感器69以获得关于在主流动管线33中流动的流体的流体电阻率和化学测量。

可以在旁路流动管线35上提供压力/温度仪表64以获得关于在阀53和55之间的旁路流动管线35中流体的压力和/或温度测量。也可以提供超声传感器66和/或密度和粘度传感器68以测量在阀53和55之间的旁路流动管线35中流过或捕获的储层流体的性质。

泵送单元71可以相对于旁路流动管线35被配置以控制保留在阀53和55之间的旁路流动管线35内的储层流体的体积和压力。可以在旁路流动管线35上提供视频成像系统72，例如CCD照相机，以进行光谱成像从而特性鉴定隔离在那里的井下流体的相特性。可以在旁路流动管线35上提供散射探测器系统76以探测由旁路流动管线35内的隔离流体产生的微粒，例如沥青质、气泡、来自气体凝结物的油雾。有利地，可以在循环管线37上提供循环泵78。因为循环管线37是旁路流动管线35的闭环循环，循环泵78可以被用于在由旁路流动管线35和循环管线37构成的闭环中循环隔离在旁路流动管线35中储层流体。

从流体分析模块32延伸的流动管线33的端部可以连接到储层测试工具中的其它模块，例如连接到CFA和/或LFA。从储层和/或井筒提取的流体流过管线以通过互相连接的模块进行井下流体分析。在井下工具20的运行中，装置70的阀通常是打开的。位于流动管线上的传感器和仪表可以选择性地被运行以监测通过流动管线的储层流体的性质。

有利地，本发明的装置和方法具有特性鉴定储层流体的两个方法。一个是流动流体分析，和第二个是隔离或捕获的流体分析。这样，可以向地面用户提供流动样品分析数据，该数据也可以用于补偿和/或验证隔离流体分析数据。

当确定流过流动管线的流体是单相的，也就是储层油或水或气没有相分离，而且当流体的污染程度被确认没有变化而且处在为了流体性质分析预先确定的程度时，关闭流动管线33上的阀52和54(参见附图4和5)，流体样品被隔离或捕获在流动管线中。当储层流体被隔离在流动管线部分之后，可以通过光学分光计测量流体性质，例如组分、GOR和BTU，例如，美国专利5,859,430和5,939,717披露了确定GOR和组分分析的方法和装置，上述专利通过参见的方式全部内容包括在这里。

密度传感器可以测量隔离储层流体的密度。例如MEMS可以测量密度和/或粘度，P/T仪表可以测量压力和温度。化学传感器可以探测隔离储层流体的各种化学性质，例如CO₂、H₂S、pH以及其它化学性质。

连接到流动管线上的泵送单元可以增加流动管线内隔离流体样品的体积，也就是流体的压力降低了。当压力的降落导致相转换时，随着相重力分离，在传感器中产生时间依赖信号，如Asphaltene Precipitation from LiveCrude Oil，Joshi，N.B.et al.，Energy & Fuels 2001，15，979-986中进一步讨论的。这样，通过监测传感器性质与时间的关系，可以探测到重力分离。

除了上面特性鉴定的方法，隔离流体的压缩系数也可以通过密度传感器、光学分光计和泵测得。可以进一步降低流体压力，以便可以通过分光计、荧光和气体探测器和超声(US)传感器测得隔离流体的相特性，例如沥青出现、泡点、露点。

在附图9和10特性鉴定的本发明其它优选实施例中，流体分析模块32可以是储层测试工具的一系列互相连接模块的一个模块，储层测试工具例如为斯伦贝谢的MDT。当利用储层测试工具开始井下工作时，探针，例如附图3中的探针29，从工具20向外延伸并连接到储层(参见附图2中的组件28)。工具20吸取储层流体，该流体进入压力测试腔室以进行储层压力的测量。当完成压力测量后，运行泵送模块38(参见附图3)以把储层流体吸入到主流动管线33中(参见附图9和10)，并把储层流体排入到井筒中，也就是围绕井筒中工具20的泥浆中。位于流动管线上的传感器和装置，例如分光计、荧光探测器、电阻率传感器和D/V传感器，监测在流动管线中流动的储层流体的污染程度。当储层流体的污染程度达到预先确定的程度，而且确定流体相态为单相时，那么关闭模块32的主流动管线阀59(再参见附图9和10)并打开旁路流动管线阀53和55，以便储层流体流入旁路流动管线35以替换旁路流动管线35中的以前的流体。接着关闭旁路流动管线阀53和55并打开主流动管线33上的阀59，以便储层流体被隔离或捕集在阀53和55之间的旁路流动管线35中。

在隔离旁路流动管线35中的储层流体后，可以测量隔离的储层流体的性质，例如密度、粘度、化学组分、压力和温度。可以运行循环泵78(再参见附图9和10)以在旁路流动管线35中循环或混合储层流体。可以运行泵送单元以增加隔离在旁路流动管线35中的储层流体的体积，以便降低流体的压力。可以使用散射探测器、US传感器和/或CCD照相机以测量隔离储层流体的泡点。

在隔离储层流体的压力-体积-温度(PVT)分析过程中，或者在完成PVT分析之后，储层流体的样品可以在一个或多个样品室中被捕集以用于地面分析，样品室例如为附图3中的34和36。接着可以把工具20移到储层内的下一个点。

在常规的方法和装置中，储层流体样品是在井下被收集然后输送到地面上的实验室以进行分析。这样，代表性地，专门的样品室或容器对于维持样品的压力和温度处于井下条件下而言是必要的，以便避免损害和损坏储层流体样品。此外，在地面实验室的样品分析条件与井下条件不同，这导致分析结果产生不可预知并无法接受的变化，以及从储层流体分析得出的错误的响应产品。

有利地，本发明避免了需要专门的腔室来储存或分析储层流体。井下储层测试工具的流动管线，在井下工具的正常运行过程中储层流体流过其中，该流动管线有利地可以被用于隔离储层流体以进行流体的井下特性鉴定。此外，同样的流动管线可以用于改变流体条件以测量隔离储层流体另外的流体性质和相特性。

提出前面的特性鉴定仅仅是用于阐述和特性鉴定本发明以及其实施的一些实施例。并不意欲详尽的或把发明限制到任何公开的精确形式。根据上面的教导许多修改和变化都是可能的。

优选方面被选择和特性鉴定以更好的解释本发明的原理以及其实际应用。前面的特性鉴定意欲使其他本领域技术人员更好地利用各种实施例和方面的本发明，进行各种改变以适应所想到的具体应用。本申请期望本发明的范围由所附的权利要求进行限定。

相关申请的数据

本申请作为系列申请依据U.S.C.120要求序列号为10/908161(代理人案卷号20.2974)的非临时申请的优先权。该非临时申请指定D.Freemark等为发明人，并于2005年4月29日提交，现在处于待决状态。前面提到的申请在这里通过全部参见的方式用于所有目的包括进来。

Claims (16)

1.一种井下流体特性鉴定装置，其包括

流体分析模块，该流体分析模块包括：

用于使从储层开采的流体流过所述流体分析模块的流动管线，该流动管线具有用于流体进入该流体分析模块的第一端部和用于流体离开流体分析模块的第二端部；

相对于所述流动管线构造并设置的第一选择性操作装置和第二选择性操作装置，这两个装置用于在第一和第二选择性操作装置之间的部分流动管线上隔离一定量流体；和

设置在所述第一和第二选择性操作装置之间的部分流动管线上的至少一个传感器，其用于测量与流动管线中的流体相关的感兴趣的参数，

其中，所述第一和第二选择性操作装置之间的部分流动管线包括：

旁路流动管线，在旁路流动管线上构造并设置所述第一和第二选择性操作装置以隔离流体，和

循环管线，其把所述旁路流动管线的第一端部和所述旁路流动管线的第二端部互相连接起来，以便隔离在所述第一和第二选择性操作装置之间的流体可以在由循环管线和旁路流动管线构成的封闭环路中循环；和

所述流体分析模块还包括：

用于在所述循环管线和旁路流动管线的封闭环路中循环流体的循环泵。

2.如权利要求1所述的井下流体特性鉴定装置，其中，所述第一和第二选择性操作装置中的至少一个包括阀。

3.如权利要求1所述的井下流体特性鉴定装置，其中，所述第一和第二选择性操作装置中的一个包括泵，另一个包括阀。

4.如权利要求3所述的井下流体特性鉴定装置，其中，所述泵在井下流体特性鉴定装置的泵送模块中。

5.如权利要求1所述的井下流体特性鉴定装置，其中，

所述流体分析模块还包括：

与流动管线整合在一起的、用于改变隔离流体的压力和体积的泵送单元。

6.如权利要求5所述的井下流体特性鉴定装置，其中，所述泵送单元包括灌洗类型泵。

7.如权利要求1所述的井下流体特性鉴定装置，其中，所述至少一个传感器包括多个传感器。

8.如权利要求1所述的井下流体特性鉴定装置，其中，所述至少一个传感器包括：光学连接到流动管线上的一个或多个光学传感器，荧光和气体传感器，密度传感器，压力传感器，温度传感器，气泡/气体传感器，基于微机电系统的传感器，成像装置，电阻率传感器，化学传感器和散射传感器。

9.如权利要求1所述的井下流体特性鉴定装置，其中，所述至少一个传感器包括：一个或多个密度传感器，压力传感器，温度传感器，气泡/气体传感器，基于微机电系统的传感器，成像装置和散射传感器，其中，所述至少一个传感器测量与隔离在旁路流动管线中的流体相关的感兴趣的参数；和

所述流体分析模块还包括：

光学耦接到所述流动管线上的一个或多个光学传感器，荧光和气体传感器，化学传感器和电阻率传感器，其对应于所述流动管线构造和设置，以测量与流过所述流动管线的流体相关的感兴趣的参数。

10.一种利用包括流体分析模块的井下工具进行储层流体井下特性鉴定的方法，其中，所述该流体分析模块具有流动管线，其用于使储层流体流过所述流体分析模块，该方法包括：

监测与在流动管线中流动的储层流体相关的至少一个第一感兴趣的参数；

当满足第一感兴趣的参数的预先确定的判据时，通过操作所述流体分析模块的第一可选择操作装置和第二可选择操作装置来限制储层流体在流动管线中的流动，以在流体分析模块中第一和第二可选择操作装置之间的流动管线的部分中隔离储层流体；

通过对第一和第二可选择操作装置之间的流动管线上的一个或多个传感器操作来鉴定隔离流体的性质；以及

在特性鉴定所述隔离流体的同时，在流动管线的封闭环路中循环隔离流体。

11.如权利要求10所述的储层流体井下特性鉴定方法，其中，

特性鉴定所述隔离流体包括确定隔离流体的一个或多个流体性质。

12.如权利要求11所述的储层流体井下特性鉴定方法，其中，

确定一个或多个流体性质包括在确定一个或多个流体性质之前，通过改变隔离流体的体积而改变隔离流体的流体压力。

13.如权利要求12所述的储层流体井下特性鉴定方法，其中，还包括：

监测流动管线上的一个或多个传感器中的与时间有关的信号，以探测隔离流体的重力分离。

14.如权利要求12所述的储层流体井下特性鉴定方法，其中，

在改变流体压力后确定的所述一个或多个流体性质包括：一个或多个流体压缩系数，沥青质初始沉淀，泡点和露点。

15.如权利要求10所述的储层流体井下特性鉴定方法，其中，

特性鉴定所述隔离流体的步骤包括在封闭环路中循环流体并确定所述隔离流体的相特性。

16.如权利要求15所述的储层流体井下特性鉴定方法，其中，

确定所述隔离流体的相特性包括监测与时间有关的传感器性质，以探测所述相的重力分离。

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