專利名稱：聲學(xué)流體分析儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及井孔評估操作。更具體地，本發(fā)明涉及用于確定井孔 內(nèi)原生流體的壓縮率和該流體內(nèi)是否存在氣相的設(shè)備和方法。
背景技術(shù)：
對包含在地層中的原生流體進(jìn)行采樣提供了檢測具有儲藏碳?xì)浠?合物可能性的地層區(qū)域的方法。該方法包括采出所存在的任何地層流 體的樣品，以便稍后在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境內(nèi)進(jìn)行分析，同時(shí)對所測地層造成 最小破壞。地層采樣基本上是對地下地層的可能生產(chǎn)力的點(diǎn)檢測。另 外，在檢測期間，在地面上進(jìn)行對作業(yè)控制和時(shí)序的連續(xù)記錄。通過 這種記錄，可以獲得有價(jià)值的地層壓力和滲透性數(shù)據(jù)以及可確定流體 壓縮率、密度和粘度的數(shù)據(jù)，以便于地層儲量分析。通常，原生流體采樣包括通過繩纜8將探測器10放置到井孔5 中。采樣口 14和促動裝置12相對地定位在探測器10的外側(cè)部分上。 當(dāng)采樣口 14靠近所關(guān)注地層6時(shí)，促動裝置12延伸抵靠井孔5的內(nèi) 表面，從而使采樣口 14接合到地層6中。采樣口 14的接合刺穿井孔 5的外徑，并且使地層6中的原生流體與釆樣口 14之間能夠進(jìn)行流體 連通。如下文更為詳細(xì)描述的那樣，在迫使采樣口 14進(jìn)入地層6之后， 原生流體可以利用布置在探測器中的泵送裝置虹吸到探測器10中。井下多次測試器(multi-tester)已經(jīng)發(fā)展為具有可伸長的采樣探 測器，其與井壁接合并從所關(guān)注地層中抽出流體樣品，并且測量地層 中的流體壓力。傳統(tǒng)上，這些井下裝置包括內(nèi)部穩(wěn)定排液(drawdown) 柱塞， 其可以通過液壓或電力往復(fù)運(yùn)動以便將原生流體從地層 抽入所述裝置。通常，井下多節(jié)地層測試采樣裝置整合有用于釆樣系統(tǒng)的流體管路，其要求從地層抽出的原生流體連同采樣探測器碰到的例如細(xì)砂、 巖石、泥餅等的所有異物一同吸入相對較小的容腔內(nèi)，并且在工具關(guān)閉時(shí)排放到鉆孔中。在美國專利No.4，416，152可以發(fā)現(xiàn)這種裝置的實(shí) 例。在關(guān)閉之前，樣品可以通過單獨(dú)但并聯(lián)的管路流入樣品儲槽。其 它方法通過相同的流體管路采集樣品。當(dāng)暴露給棵孔時(shí)，地層流體的流體特性可以迅速改變，因此盡快 取出地層流體是重要的。然而，重要的是對地層流速進(jìn)行調(diào)節(jié)以免流 體壓力降至其"泡點(diǎn)"以下，這是因?yàn)闇y量個別流體不會產(chǎn)生典型樣 品。在使這些成分離開溶液之后，它們一般不能容易地重新組合，這 產(chǎn)生了具有改變的流體特性的非典型樣品。近年來發(fā)展的儲層測試裝置顯示了 一種在采樣時(shí)測量原生流體泡 點(diǎn)壓力的方法。這可以利用已知的光傳導(dǎo)方法來完成以檢測液體中的 氣泡。然而，這種方法在流體中存在顆粒物質(zhì)時(shí)具有一些缺陷，從而 可能導(dǎo)致錯誤的結(jié)果。其它方法包括封存已知體積的地層流體，并且 使其體積在恒溫情況下逐漸增大。測得的體積和壓力變化提供了壓力 與體積的曲線圖，以便確定泡點(diǎn)值。該值在壓力隨體積的變化首次偏 離初始直線的曲線區(qū)域內(nèi)進(jìn)行估算。令人遺憾的是，目前與上述采樣裝置一起使用的泵送裝置具有一 些內(nèi)在缺陷。例如，當(dāng)前所用泵送系統(tǒng)的電力或液壓驅(qū)動裝置的控制 是不精確的，繼而導(dǎo)致不能完全控制泵轉(zhuǎn)速。如果原生流體的壓力低 于其泡點(diǎn)，不能完全控制泵轉(zhuǎn)速將阻礙使泵送操作停止的能力，還會 防礙精確測量泡點(diǎn)的能力。這是因?yàn)閷υ黧w在壓力低于其泡點(diǎn)的 情況下進(jìn)行采樣將不利地影響采樣數(shù)據(jù)結(jié)果的精確性。因此，需要一 種在不影響流體狀況或狀態(tài)的情況下，精確分析原生流體性質(zhì)的裝置。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明包括估算流體性質(zhì)的方法，包括產(chǎn)生外部聲信號，測量穿 過流體的信號傳播時(shí)間，確定流體密度，根據(jù)所測傳播時(shí)間確定流體 聲速，以及根據(jù)流體密度和流體聲速計(jì)算流體性質(zhì)。本方法確定流體密度的步驟以所測傳播時(shí)間為基礎(chǔ)。本方法還包括將流體樣品放在與 信號發(fā)生器連通的器皿內(nèi)并起動信號發(fā)生器以在流體內(nèi)產(chǎn)生聲信號回 響。在器皿外部產(chǎn)生信號的步驟可以利用諸如壓電器件、電磁聲波發(fā) 射器、脈沖激光器或柔性共振器的裝置完成。被確定的流體性質(zhì)可以 包括流體壓縮率、流體熱傳導(dǎo)率和流體油氣比。流體壓縮率的值等于 流體聲速平方與流體密度之積的倒數(shù)。此處公開的方法還可以包括確 定流體內(nèi)氣體的存在，其中，根據(jù)從無響應(yīng)到低響應(yīng)變化的信號強(qiáng)度 檢測氣體的存在。所述方法還包括利用Savitzky-Golay方法處理所測信號傳播時(shí) 間。所述方法還可以進(jìn)一步包括利用可變閾值方法處理所測信號。此處還公開了一種采樣裝置，包括內(nèi)部具有流體的容器、與容器 配合的信號發(fā)生器和與容器配合的接收器。所述接收器能夠記錄穿過 流體的信號，其中可以通過分析信號傳播時(shí)間確定流體聲速，并且其 中，可以根據(jù)流體密度和流體聲速確定流體性質(zhì)。所確定流體性質(zhì)包 括壓縮率、密度、油氣比、氣體含量、泡點(diǎn)和熱傳導(dǎo)率。采樣裝置還 可以包括與所述接收器配合、用于計(jì)算流體性質(zhì)的處理器。信號發(fā)生 器還可以起到接收器的作用。被采樣流體可以是井下原生流體。采樣裝置的信號發(fā)生器選自壓電器件、EMAT、脈沖激光器或柔 性共振器。本發(fā)明還包括一種確定流體密度的方法，包括產(chǎn)生信號，使信 號穿過流體，測量穿過流體的信號傳播時(shí)間，和根據(jù)所測信號傳播時(shí) 間確定流體密度。確定流體密度的方法還可包括根據(jù)所確定的流體密 度和所測信號傳播時(shí)間確定流體壓縮率。通過將流體樣品放在與信號 發(fā)生器連通的器皿內(nèi)并起動信號發(fā)生器以在流體內(nèi)產(chǎn)生聲信號來實(shí)現(xiàn) 產(chǎn)生信號、使信號穿過流體，同時(shí)確定密度的步驟。利用諸如壓電器 件、EMAT、脈沖激光器和柔性共振器的裝置完成產(chǎn)生信號的步驟。 確定流體密度的方法還可以包括在流體內(nèi)確定氣體的存在。根據(jù)從無 響應(yīng)到低響應(yīng)變化的信號強(qiáng)度檢測氣體的存在。確定流體密度的方法還可以包括測量流體熱傳導(dǎo)率，和使用所測熱傳導(dǎo)率來確定流體密度。
此處包括一種確定流體熱傳導(dǎo)率的方法。該方法包括產(chǎn)生信號， 使信號穿過流體；測量穿過流體的信號傳播時(shí)間；確定流體密度；根 據(jù)所測傳播時(shí)間確定流體聲速，和根據(jù)流體密度和流體聲速計(jì)算流體 熱傳導(dǎo)率。根據(jù)確定熱傳導(dǎo)率的方法，流體熱傳導(dǎo)率等于下列(p)(k) (c)(N)的乘積，其中，p-2.8到3.0范圍內(nèi)的比例常數(shù)，k-波耳茲 曼常數(shù)，c-流體聲速，N-每單位體積流體的分子數(shù)。確定熱傳導(dǎo)率 中被分析的流體可以是原生流體。確定熱傳導(dǎo)率的方法還可以包括在 器皿內(nèi)放置流體。利用諸如壓電器件、EMAT、脈沖激光器或柔性共 振器的裝置完成用于產(chǎn)生確定熱傳導(dǎo)率的信號的步驟。
與本方法和設(shè)備相關(guān)的還包括確定流體油氣比的方法，包括產(chǎn) 生信號；使信號穿過流體；測量穿過流體的信號傳播時(shí)間；根據(jù)所測 傳播時(shí)間確定流體聲速，和根據(jù)流體聲速計(jì)算流體的油氣比。在確定 流體油氣比的方法中考慮的流體為井下原生流體。利用選自壓電器件、 EMAT、脈沖激光器和柔性共振器的裝置完成產(chǎn)生信號的步驟。


圖l顯示了設(shè)置在井孔切口中的采樣探測器。
圖2顯示了采樣系統(tǒng)的剖視圖。
圖3顯示了包含原始數(shù)據(jù)和處理數(shù)據(jù)的曲線圖。
具體實(shí)施例方式
此處公開的方法提供了根據(jù)所測流體密度和所測流體聲速來評估 流體壓縮率的方法。現(xiàn)在參考圖2，該圖以局部剖視圖的方式顯示了 本裝置的采樣系統(tǒng)22的實(shí)施例。圖2的采樣系統(tǒng)22包括與信號發(fā)生 器16配合的器皿或容器20。容器20的外表面可以具有圓形或矩形結(jié) 構(gòu)，以及管形形狀?？蛇x擇地，器皿或容器20可以由導(dǎo)管或管組成。
如圖所示，容器20應(yīng)當(dāng)能夠在分析期間將流體18保持和儲存在 其范圍之內(nèi).盡管顯示為在其頂部敞開，但是還可以將容器20密封，從而將流體18完全封裝在其內(nèi)部。信號發(fā)生器16可以附接到容器20的外 部或第一壁24上或者保持在適當(dāng)?shù)奈恢蒙?。如下文將要描述的那樣?出于參考目的，第一和第二壁24、 26顯示為接近信號發(fā)生器16，第 三和第四壁28、 30遠(yuǎn)離信號發(fā)生器16。
就信號發(fā)生器16而言，它可以由能夠產(chǎn)生流過流體的可記錄聲信 號的任何裝置組成。這種裝置包括例如壓電器件的傳統(tǒng)聲波裝置，但 是，也可以使用其它聲換能器實(shí)現(xiàn)該功能。例如，電磁式聲換能器 (EMAT)可以通過電磁耦合將超聲波傳入金屬?？蛇x地，撞擊物體的 脈沖激光器可以產(chǎn)生頻率取決于激光脈沖頻率的聲波。而且，信號發(fā) 生器16還可以用作接收器，以便接收和記錄由信號發(fā)生器16產(chǎn)生的 信號反射。在序列號為10/144,965、公布于2002年12月5日的 U.S.2002/017885中詳細(xì)公開了可與此處公開的裝置一起使用的柔性 機(jī)械諧振器的一個實(shí)例，該專利文獻(xiàn)的內(nèi)容在此全部引入作為參考。
在本裝置的一個可選方案中，采樣系統(tǒng)22與探測器IO結(jié)合并且 與采樣口 14流體連通。在該實(shí)例中，來自于地層6的原生流體由采樣 口 14采集并傳送給用于流體分析的容器20。在與探測器10 —起使用 期間，采樣系統(tǒng)22在其使用和操作期間優(yōu)選地容納在探測器10內(nèi)部。 將采樣系統(tǒng)22與探測器10相結(jié)合提供了 "實(shí)時(shí)，，采樣的優(yōu)點(diǎn)，并且 降低了使流體壓力或溫度發(fā)生變化(其繼而影響采樣結(jié)果)的風(fēng)險(xiǎn)。 然而，采樣系統(tǒng)22的使用不局限于圖l所示的流體采集設(shè)備，而是可 以與用于采集井下原生流體的任何類型的裝置或管路一起使用。
在使用此處所披露的本發(fā)明方法的 一個非限制實(shí)例中，原生流體 吸入井下探測器10的采樣口 14中。流體隨后導(dǎo)入用于后續(xù)分析的容 器20中。信號發(fā)生器16隨后被激活，從而產(chǎn)生例如一個或多個聲脈 沖的信號17。出于方便的考慮，生成的信號17顯示為由換能器16發(fā) 射出的一系列曲線。在離開信號發(fā)生器16之后，信號17穿過容器20 的第一和第二壁24、 26，進(jìn)入所含流體18，傳播到遠(yuǎn)端的第三第四壁 28、 30上。生成的信號17的一部分(反射信號)返回信號發(fā)生器16。 類似地，為方便起見，反射信號19顯示為一系列朝向信號發(fā)生器16的曲線。在圖2所示實(shí)施例中，信號發(fā)生器16可以起到信號發(fā)射器和 信號接收器的作用?？蛇x擇地，可以包括單獨(dú)的換能器(未顯示)，其 單獨(dú)起到信號接收器的作用以便接收反射信號19。
當(dāng)信號發(fā)生器為壓電換能器時(shí)，可以給換能器施加典型地持續(xù)大 約1-2微秒的短電壓尖脈沖。該尖脈沖導(dǎo)致?lián)Q能器在其諧振頻率下產(chǎn) 生共鳴，所述諧振頻率典型地為大約5MHz到大約10MHz。與鐘被錘 子敲擊之后響一段時(shí)間類似，換能器主要在其共振頻率下響大約百萬 分之一秒。因?yàn)槊}沖的一部分在每次從表面26反射時(shí)傳遞到流體中， 該百萬分之一秒脈沖的不斷減少的部分在由表面24和表面26 (與換 能器16相接觸)界定的管壁之間反射。脈沖的傳送部分穿過表面26， 進(jìn)入流體18，由表面28反射，并最終返回以被換能器16檢測。聲換 能器起到聲源和接收器的作用。高速(40-70MHz)模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器 監(jiān)視由換能器接收的信號。
如圖所示，信號發(fā)生器16接收并記錄反射信號以便后續(xù)分析之 用。記錄信號可以立即處理以確定從探測器10傳遞給分離位置的流體 數(shù)據(jù)以便儲存或數(shù)據(jù)處理，或者可以在探測器10內(nèi)部記錄以便隨后進(jìn) 行的分析。如人們已知，液體的聲速(c)由信號穿過流體18的距離 除以信號通過流體18的傳播時(shí)間來確定。這可以通過設(shè)定字母"d" 作為表面26和28之間的距離來實(shí)現(xiàn)。而且，變量2t可以指定為第一 回波的到達(dá)時(shí)間(對應(yīng)于從表面24開始到達(dá)26并再次返回24的一個 來回)和表面28的回波的到達(dá)時(shí)間(對應(yīng)于從24，經(jīng)過26到達(dá)28， 并最終返回24的一個來回)之間的時(shí)間差。因此，2t是聲音在流體 內(nèi)從表面26到表面28并返回表面26傳播往返距離2d所需的時(shí)間量。 聲速因此為d/t。流體密度在聲學(xué)上可以由表示在表面24和表面26之 間來回反射的聲脈沖的下列關(guān)系確定
Pf=Pw (cw/cf) [l+Sqrt ( RWF )/[ ( l-Sqrt ( RWF ) ]; ( 1 )
其中
Pw-以g/cc表示的換能器壁密度， p產(chǎn)以g/cc表示的換能器密度，C^管壁縱向聲速， Cf換能器縱向聲速，p產(chǎn)以g/cc表示的流體密度， c產(chǎn)流體聲速，Rw產(chǎn)在全部/流體界面上反射的能量分?jǐn)?shù)；以及 R\vf= (PwCw國PfCf) 2/ (PwCw+PfCf) 2。在提交于2004年3月16日的未裁決專利申請(系列號為) 10/801,473中可以發(fā)現(xiàn)從聲學(xué)的角度確定流體密度的細(xì)節(jié)，該文獻(xiàn)的 內(nèi)容在此全部引入作為參考。流體密度還可以通過使用柔性機(jī)械諧振 器進(jìn)行測量，如RoccoDiFoggio提交于2002年5月14日、序列號為 No.10/144，965、名稱為"使用柔性機(jī)械諧振器測量井下流體特性的方 法和設(shè)備"所述，該文獻(xiàn)在此引入作為參考，并且要求Rocco DiFoggio 提交于2001年5月15日、序列號為No.60/291，136、名稱為"使用柔 性機(jī)械諧振器測量井下流體特性的方法和設(shè)備"的優(yōu)先權(quán)。還可以通 過其他手段，例如通過測量正抽出流體的區(qū)域的孔隙壓力梯度來確定 流體密度。已知流體密度和測量其聲速可以確定流體的壓縮率，這比 通過在井下截留一定體積的流體，使該體積擴(kuò)大并測量每體積膨脹造 成的壓降來確定壓縮率的現(xiàn)有方法更為簡單。流體的體積模量B等于流體壓縮率的倒數(shù)，B=l/K。人們還已知， 聲速等于流體體積模量除以流體密度的平方根，c=(B/p)1/2。代入體 積模量的壓縮率倒數(shù)并提出壓縮率，得出下列公式<formula>formula see original document page 12</formula> ( 2 )因此，如這里所述，確定了流體密度p和流體聲速c，則流體壓 縮率可以利用公式(2)計(jì)算得出。在此處公開的方法和設(shè)備的一個實(shí)施例中，原始振幅數(shù)據(jù)可以首 先通過使用數(shù)字式帶通濾波器進(jìn)行處理以排除不接近聲源頻率的所有 頻率。例如，對于10MHz聲源和40MHz采樣頻率來說，人們可以使 用9-llMHz數(shù)字式帶通濾波器。接下來，人們可以計(jì)算每一采樣時(shí)間 處振幅的平方，其對應(yīng)于此時(shí)接收的能量。然后，人們可以計(jì)算這些振幅的累計(jì)平方和(CSS),其是直到此時(shí)接收到的累計(jì)能量和。數(shù)字式帶通濾波和累計(jì)平方和已對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行平整，并去除了一些噪音。 我們可以進(jìn) 一 步平整濾過的累計(jì)平方和數(shù)據(jù)，并且利用Savitzky-Golay方法(Savitzky和Golay，分析化學(xué)，36巻，No.8， 1964年7月)求CSS的一階和二階導(dǎo)數(shù)。所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)可以通過使 用可變閾值方法進(jìn)行處理。數(shù)據(jù)平整和使用Savitzky-Golay方法有助 于從期望信號中減少噪音?？勺冮撝捣椒ㄓ糜谧R別從器皿或容器20 發(fā)出的記錄信號與從器皿或容器20的近壁(表面24和26之間)內(nèi)發(fā) 出的接收信號?，F(xiàn)在參考圖3,顯示了具有原始數(shù)據(jù)曲線32、平整數(shù)據(jù)曲線34 和可變閾值曲線38的曲線圖。在圖3中，已經(jīng)編輯了原始數(shù)據(jù)對應(yīng)于 換能器在其接收高壓尖脈沖之后立即鳴響的那部分(以及相應(yīng)的平整 和閾值數(shù)據(jù))。該曲線圖顯示了在離散時(shí)間處對信號振幅的采樣(數(shù)字 數(shù)據(jù))。為了避免混淆，采樣率是聲源頻率的幾倍。在對數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄 之后，計(jì)算出每個通道(channel)的振幅平方。每個通道的振幅與在 該通道時(shí)間時(shí)接收的聲強(qiáng)(能量)成正比。接下來，計(jì)算出這些平方 振幅的累計(jì)和("積分")。通過使用Savitzky-Golay ( SG )系數(shù)(其有助于得到平整的數(shù)值 導(dǎo)數(shù))計(jì)算與累計(jì)平方和的時(shí)間相關(guān)的一階導(dǎo)數(shù)可以進(jìn)一步完成數(shù)據(jù) 平整。通過在相當(dāng)多的點(diǎn)(25通道)上使用低階(例如平方或立方) 多項(xiàng)式的Savitzky-Golay系數(shù)可以實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)的平整。累計(jì)平方和的一 階導(dǎo)數(shù)是隨時(shí)間接收的平整能量，其顯示了離散的聲能脈沖。通過 Savitzky-Golay方法得到的結(jié)果值顯示于圖3的平整數(shù)據(jù)曲線34中。為了確定一階導(dǎo)數(shù)的局部最大值和最小值，利用低階 Savitzky-Golay ( SG )系數(shù)和多個點(diǎn)求累計(jì)平方和的二階導(dǎo)數(shù)。 一階 導(dǎo)數(shù)曲線的局部最大值(脈沖能量峰值)可用于表示接收換能器16 接收特殊脈沖反射的時(shí)間。應(yīng)當(dāng)指出，當(dāng)一階導(dǎo)數(shù)為局部最大值或最 小值時(shí)，二階導(dǎo)數(shù)為零。每當(dāng)二階導(dǎo)數(shù)隨時(shí)間增加從正值(在左通道 中)變?yōu)樨?fù)值(在右通道中)，并且一階導(dǎo)數(shù)超過一些可變閾值時(shí)，兩個通道之間產(chǎn)生脈沖峰值，稍后進(jìn)行詳細(xì)描述。通過內(nèi)插可以實(shí)現(xiàn)子 通道時(shí)間分辨率，以便估計(jì)兩個通道之間二階導(dǎo)數(shù)為零的位置。可選地，根據(jù)CSS的三階導(dǎo)數(shù)的符號可以區(qū)分能量最大值和能量最小值 (兩者都對應(yīng)于CSS 二階導(dǎo)數(shù)的零值)。使用由被處理信號得到的數(shù)據(jù)，器皿或容器20內(nèi)流體的聲速是壁 厚除以管壁內(nèi)反射脈沖峰值之間的(來回)時(shí)間的兩倍。壁聲速可以 隨管內(nèi)流體的溫度或壓力而變，從而導(dǎo)致壁的聲阻改變。通過流體聲 速和壁內(nèi)脈沖回波反射的衰變率計(jì)算流體密度必須知道壁的聲阻。可 以由壁厚和壁內(nèi)脈沖峰值反射之間的時(shí)間進(jìn)行壁聲速的直接井下測 量。壁速度是用于計(jì)算與壁接觸的任何流體的密度的一個參數(shù)。計(jì)算 流體密度的另一因素是壁密度，但是壁密度隨溫度和壓力的變化具有 通?？梢詮谋砀裰泻雎曰蚬浪愠龅妮^小影響。平滑數(shù)據(jù)曲線34包括來自近壁(第一和第二壁24和26之間)內(nèi) 的信號回響的反射信號以及來自遠(yuǎn)壁(第三壁28)的反射信號。這些 反射信號顯示為平滑數(shù)據(jù)曲線34上的曲線段36。在近壁內(nèi)回響的聲 信號隨時(shí)間發(fā)生延遲，這可以從圖3所示平滑數(shù)據(jù)曲線34的曲線段 36的逐漸減小的局部最大值看出。然而，從遠(yuǎn)壁(第三壁)反射的信 號振幅將超過壁內(nèi)回響(reverberation)中最后可觀察到的信號振幅。 以此為基礎(chǔ)，可變閾值方法可用于確定遠(yuǎn)壁反射脈沖達(dá)到其峰值能量 時(shí)的時(shí)間(通道號)。概念上，閾值降至最后一次壁內(nèi)回響峰值的高度。 將振幅較之前者增大的第一脈沖峰值作為遠(yuǎn)壁反射。在本發(fā)明方法的實(shí)施例中，利用兩次掃描(pass)產(chǎn)生可變脈沖峰值 檢測閾值作用。在第一次掃描中，每個通道的閾值為出現(xiàn)在上述M通 道中的最大能量(CSS的一階導(dǎo)數(shù))值，其中，M為回響于壁內(nèi)的能 量脈沖峰值之間的通道數(shù)目。用于產(chǎn)生可變閾值的第一次掃描產(chǎn)生樓 梯狀函數(shù)(未顯示)，其具有由不完全豎直的上升沿和下降沿連接的水 平臺階。第二次掃描的圖解表示顯示為包括一系列臺階40，其具有水 平臺階42和豎向部分44。豎向部分44調(diào)節(jié)至大體豎直(即，具有極 大斜率)，同時(shí)除了向左或向右延伸之外，使水平臺階42保持大體上相同。每當(dāng)較高臺階42位于相鄰較低臺階的左側(cè)時(shí)，通過使每個水平 臺階42向左延伸至較高臺階的最后一個通道可以達(dá)到上迷目的。類似地，當(dāng)較高臺階48位于相鄰較低臺階46的右側(cè)時(shí)，較低臺 階46向右延伸到較高臺階48的第一通道。第二次掃描的完成產(chǎn)生可 變閾值，其看起來好像豎向部分具有大體上極大斜率的樓梯一樣。因 為內(nèi)壁回響脈沖的峰值隨時(shí)間變小，峰值較其前者增大的第一脈沖必 須是從遠(yuǎn)壁(第三壁28)反射的信號。因此，流體聲速是流體填充間 隙距離除以第 一壁內(nèi)回響和遠(yuǎn)壁反射之間的往返時(shí)間的兩倍。具有區(qū) 分表示近壁回響的信號和表示遠(yuǎn)壁反射的信號的能力的許多優(yōu)點(diǎn)之一 在于，信號發(fā)生器16可以位于器皿或容器20內(nèi)、位于其外周上、乃 至位于容器20的主體內(nèi)(即，第一和第二壁24和26之間或第三和第 四壁28和30之間)。使用此處公開的裝置和方法的附加優(yōu)點(diǎn)是確認(rèn)被分析流體是否包 含氣體或處于其泡點(diǎn)的能力。氣體使聲音衰減的程度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過液體。 任何單獨(dú)氣相的存在使聲信號極大地衰減。因此，如果反射信號19 不存在或極弱，這種情況表明采樣流體18包含一些單獨(dú)的氣相(氣泡) 或主要由氣相組成。應(yīng)當(dāng)指出，對于聲信號而言，根據(jù)由Stokes和 Kirchhoff推導(dǎo)出的傳統(tǒng)聲音衰減公式，衰減隨頻率的平方增大。溶于 液體中的氣體不會具有與游離氣泡或100%氣體相同的高聲能衰減。 然而，溶于液體中的氣體越多，壓縮率越高。因此，對于石油流體而 言，聲速可用于估算原油的油氣比(GOR)，該油氣比始終用標(biāo)準(zhǔn)立 方英尺天然氣/原油儲油桶表示。例如，Terra Bulloch ( 1999碩士學(xué)位 論文，密歇根州工科大學(xué))計(jì)算出，在6000psi和85C的情況下，特 別新鮮的原油的聲速從大約1370米/秒(GOR=80)相當(dāng)線性地降至 大約915米/秒(GOR=1300)。因此，為了確定流體樣品中的氣泡存 在，流體中產(chǎn)生的聲信號將超過100kHz，從而衰減到26和28之間幾 毫米路徑中的儀器檢測水平以下。為了使聲波長與24和26之間的短 距離相比保持較小，聲頻應(yīng)當(dāng)大體上位于大約5MHz到大約10MHz 的范圍內(nèi)。采樣流體泡點(diǎn)的確定可以包括如上所述地操作采樣系統(tǒng)22，同時(shí) 減少流體18的壓力。假設(shè)在泡點(diǎn)試驗(yàn)開始時(shí)測量反射信號19，當(dāng)盡 管產(chǎn)生信號17但反射信號19不可再測量時(shí)，可以確定相應(yīng)的泡點(diǎn)壓 力。對于電氣絕緣流體來說，聲速還可以用于通過Bridgman公式估 算流體的熱傳導(dǎo)率，Bridgman公式闡述了熱傳導(dǎo)率與聲速乘以波耳 茲曼常數(shù)(1.38E10-23焦耳/絕對溫度)乘以每單位體積分子(molecule ) 數(shù)成正比。比例常數(shù)可以為大約2.8到大約3.0。 了解流體熱傳導(dǎo)率可 用于估算地?zé)醿又械牡叵聹囟忍荻?，估?jì)在熱致提高油采收率過程 中的熱損失，以及確定地下流體的熱損失。Sitakanta Mohanty， J. Phys.D Appl. Phys. 30 No 24 ( 1997年12月21日)。應(yīng)當(dāng)指出的是，其它數(shù)據(jù)處理方法可以與此處描述的方法一起使 用。例如，遠(yuǎn)壁反射的大致到達(dá)時(shí)間已經(jīng)通過可變閾值方法確定時(shí)， 可以進(jìn)行通過傳統(tǒng)互相關(guān)技術(shù)可選地確定的聲速的附加步驟。因此，此處描述的本發(fā)明非常適于實(shí)施并且達(dá)到所提及的目的和 優(yōu)點(diǎn)，以及達(dá)到固有的其它目的和優(yōu)點(diǎn)。盡管已經(jīng)出于公開目的給出 了目前優(yōu)選的實(shí)施方式，但是步驟細(xì)節(jié)方面存在許多變化以實(shí)現(xiàn)希望 的結(jié)果。例如，生成信號17的產(chǎn)生不局限于布置在采樣系統(tǒng)22內(nèi)部 或鄰近其布置的信號發(fā)生器16，而是可以包括遠(yuǎn)程信號發(fā)生器。遠(yuǎn)程 信號源可以為發(fā)射學(xué)(ballistics)信號發(fā)生源、地音探測器、氣槍、 或任何其它已知的信號發(fā)生源。這些或其它類似的改變對于所屬領(lǐng)域 的技術(shù)人員而言顯而易見，并且包括在此處公開的本發(fā)明的精神和所 附權(quán)利要求書的范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種估算器皿內(nèi)流體性質(zhì)的方法，包括在器皿以外產(chǎn)生聲信號；測量穿過流體的信號傳播時(shí)間；確定流體密度；根據(jù)所測傳播時(shí)間確定流體聲速；和根據(jù)流體密度和流體聲速計(jì)算流體性質(zhì)。
2. 如權(quán)利要求1所述的估算器皿內(nèi)流體性質(zhì)的方法，其中，確定 流體密度的步驟以所測傳播時(shí)間為基礎(chǔ)。
3. 如權(quán)利要求1所述的估算器皿內(nèi)流體性質(zhì)的方法，還包括將流 體樣品放在與信號發(fā)生器連通的器皿內(nèi)并起動信號發(fā)生器，從而在流 體內(nèi)產(chǎn)生聲信號回響。
4. 如權(quán)利要求1所述的估算器皿內(nèi)流體性質(zhì)的方法，其中，在器 皿以外產(chǎn)生信號的步驟利用選自壓電器件、EMAT、脈沖激光器和柔 性共振器的裝置完成。
5. 如權(quán)利要求1所述的估算器皿內(nèi)流體性質(zhì)的方法，其中，流體 性質(zhì)選自流體壓縮率、流體熱傳導(dǎo)率和流體油氣比。
6. 如權(quán)利要求5所述的估算器皿內(nèi)流體性質(zhì)的方法，其中，流體 壓縮率的值為流體聲速平方和流體密度之積的倒數(shù)。
7. 如權(quán)利要求l所述的方法，還包括確定在流體內(nèi)存在氣體。
8. 如權(quán)利要求7所述的方法，其中，根據(jù)從無響應(yīng)到低響應(yīng)變化 的信號強(qiáng)度檢測氣體的存在。
9. 如權(quán)利要求1所述的估算器皿內(nèi)流體性質(zhì)的方法，還包括利用 Savitzky-Golay方法處理所測信號傳播時(shí)間。
10. 如權(quán)利要求9所述的估算器皿內(nèi)流體性質(zhì)的方法，還包括利 用可變閾值方法處理所測信號。
11. 一種采樣裝置，包括 內(nèi)部具有流體的容器；與容器配合的信號發(fā)生器；和與容器配合的接收器，其中所述接收器能夠記錄穿過流體的信號， 其中能夠通過分析信號傳播時(shí)間確定流體聲速，并且其中，能夠根據(jù) 流體密度和流體聲速確定流體性質(zhì)。
12. 如權(quán)利要求11所述的采樣裝置，其中，流體性質(zhì)選自壓縮率、 密度、油氣比、氣體含量、泡點(diǎn)和熱傳導(dǎo)率。
13. 如權(quán)利要求11所述的采樣裝置，還包括與所述接收器配合、 用于計(jì)算流體性質(zhì)的處理器。
14. 如權(quán)利要求11所述的采樣裝置，其中，所述信號發(fā)生器還起 到接收器的作用。
15. 如權(quán)利要求11所述的采樣裝置，其中，流體為原生流體。
16. 如權(quán)利要求ll所述的采樣裝置，其中，信號發(fā)生器選自壓電 器件、EMAT、脈沖激光器和柔性共振器。
17. —種確定流體密度的方法，包括產(chǎn)生信號； 使信號穿過流體；測量穿過流體的信號傳播時(shí)間；和 根據(jù)所測信號傳播時(shí)間確定流體密度。
18. 如權(quán)利要求17所述的確定流體密度的方法，還包括根據(jù)所確 定的流體密度和所測信號傳播時(shí)間確定流體壓縮率。
19. 如權(quán)利要求17所述的確定流體密度的方法，其中，通過將流體樣品放在與信號發(fā)生器連通的器皿內(nèi)并起動信號發(fā)生器以在流體內(nèi) 產(chǎn)生聲信號來實(shí)現(xiàn)產(chǎn)生信號并使信號穿過流體的步驟。
20. 如權(quán)利要求17所述的確定流體密度的方法，其中，產(chǎn)生信號 的步驟利用選自壓電器件、EMAT、脈沖激光器和柔性共振器的裝置 完成。
21. 如權(quán)利要求16所述的方法，還包括確定在流體內(nèi)存在氣體。
22. 如權(quán)利要求21所述的方法，其中，根據(jù)從無響應(yīng)到低響應(yīng)變 化的信號強(qiáng)度檢測氣體的存在。
23. 如權(quán)利要求17所述的確定流體密度的方法，還包括測量流體 熱傳導(dǎo)率和使用所測熱傳導(dǎo)率來確定流體密度。
24. 如權(quán)利要求17所述的方法，其中，流體為井下原生流體。
25. —種確定流體熱傳導(dǎo)率的方法，包括 產(chǎn)生信號；使信號穿過流體；測量穿過流體的信號傳播時(shí)間；確定流體密度；根據(jù)所測傳播時(shí)間確定流體聲速；和 根據(jù)流體密度和流體聲速計(jì)算流體熱傳導(dǎo)率。
26. 如權(quán)利要求25所述的確定流體熱傳導(dǎo)率的方法，其中，流體 熱傳導(dǎo)率等于下列(p) (k) (c) (N)的乘積，其中，？=2.8到3.0之 間的比例常數(shù)，k-波耳茲曼常數(shù)，c-流體聲速，N-每單位體積流 體的分子數(shù)。
27. 如權(quán)利要求25所述的確定流體熱傳導(dǎo)率的方法，其中，流體 為井下原生流體。
28. 如權(quán)利要求25所述的確定流體熱傳導(dǎo)率的方法，還包括在器 皿內(nèi)放置流體。
29. 如權(quán)利要求25所述的確定流體熱傳導(dǎo)率的方法，其中，產(chǎn)生 信號的步驟利用選自壓電器件、EMAT、脈沖激光器和柔性共振器的 裝置完成。
30. —種確定流體油氣比的方法，包括產(chǎn)生信號； 使信號穿過流體； 測量穿過流體的信號傳播時(shí)間； 根據(jù)所測傳播時(shí)間確定流體聲速；和 根據(jù)流體聲速計(jì)算流體的油氣比。
31. 如權(quán)利要求30所述的確定流體油氣比的方法，其中，流體為 井下原生流體。
32.如權(quán)利要求30所述的確定流體油氣比的方法，其中，產(chǎn)生信 號的步驟利用選自壓電器件、EMAT、脈沖激光器和柔性共振器的裝 置完成。
全文摘要
一種根據(jù)流體聲速測量值、流體密度測量值或兩者確定地層流體性質(zhì)的方法。流體性質(zhì)包括壓縮率、熱傳導(dǎo)率和油氣比。流體壓縮率等于聲速平方與流體密度之積的倒數(shù)。可以通過聲學(xué)的手段測量密度和聲速。所述方法還包括處理數(shù)據(jù)的方式，包括使用Savitzky-Golay方法和利用可變閾值方法。
文檔編號E21B47/00GK101268251SQ200680034550
公開日2008年9月17日 申請日期2006年7月31日 優(yōu)先權(quán)日2005年8月1日
發(fā)明者R·迪福吉奧, 姚為民 申請人:貝克休斯公司