Способ определения состава смеси углеводородных флюидов
METHOD FOR DETERMINATION OF COMPOSITION OF HYDROCARBON FLUID MIXTURE

Изобретение относится к способам определения состава смеси углеводородных флюидов с помощью хроматографии и сопоставления хроматографических данных для углеводородного флюида чистого пласта и смеси, состоящей из нескольких углеводородных флюидов разных пластов, обработанных методом многомерного разрешения кривых с чередующимися наименьшими квадратами (MCR-ALS).
Информация о содержании различных углеводородных флюидов в сложных смесях, к которым относится, в том числе нефть и конденсат, используется как для оценки изменения свойств пластовых флюидов в процессе добычи с целью контроля выработки запасов месторождений углеводородов, так и во время изучения различных процессов, происходящих в пластах при воздействии на них, например, для увеличения нефтеотдачи. При одновременной добыче флюидов из нескольких пластов в разрезе одной скважины существенным вопросом является учет вклада каждого из флюидов в получаемую продукцию.
Определение доли углеводородных флюидов различных пластов в смеси этих флюидов основано на различии их углеводородного состава. Определяемый состав углеводородов в пробах пластовых флюидов (флюидов пласта) позволяет идентифицировать отдельный флюид, отобранный из конкретного нефтегазоносного пласта, т.к. нефти разных резервуаров (или отдельных участков сложнопостроенного резервуара), как правило, имеют измеримые систематические различия в составе. Для оценки различий нефтяного флюида, относящегося к различным пластам, используют, в частности, так называемый «фингерпринт» пластового флюида (в данном контексте «фингерпринт» – набор параметров, однозначно характеризующих углеводородный флюид, отобранный из конкретного нефтегазоносного пласта, т.е. индивидуализирующих параметров состава и свойств этого флюида).
Известно применение различных хемометрических подходов к решению задач в области анализа нефтей, пластов и флюидов, находящихся в них. Так, известно о возможности прогнозировании соотношения между алифатическими и ароматическими углеводородами в образцах нефти на основе проведения измерений с ИК-Фурье спектрометром в режиме нарушенного полного внутреннего отражения с обработкой спектральных данных с помощью многомерного регрессионного анализа по алгоритму проекций на латентные структуры (ПЛС) (Abbas, O., Rebufa, C., Dupuy, N., Permanyer, A., & Kister, J. (2012). PLS regression on spectroscopic data for the prediction of crude oil quality: API gravity and aliphatic/aromatic ratio. Fuel, 98, 5–14).
Из патента RU 2742651 (опубл.09.02.2021, МПК: G01N 30/68, G01N 30/72,E21B 49/00) известен способ определения состава углеводородного флюида, включающий определение плотности углеводородного флюида, определение состава углеводородного флюида методом газовой хроматографии:
- совмещенной с время-пролетным масс-анализатором в случае значений плотности углеводородного флюида 0,85 г/мл или менее;
- совмещенной с пламенно-ионизационным детектором либо с квадрупольным масс-анализатором в случае значений плотности углеводородного флюида свыше 0,85 г/мл, но не более 0,96 г/мл. Техническим результатом является увеличение точности определения состава и получения фингерпринта углеводородного флюида, что в свою очередь приводит к увеличению степени различия углеводородных флюидов относительно друг друга.
В данном способе используются данные газовой хроматографии для определения состава углеводородного флюида с обеспечением различимости между углеводородными флюидами разных пластов.
Однако, для проведения анализа необходимо большое количество проб углеводородного флюида, при этом способ применяется в ограниченном диапазоне значений плотности флюида. Также в известном способе не раскрыто, каким образом может быть осуществлен анализ смеси и определение состава, т.е. доли каждого углеводородного флюида индивидуального пласта.
Известен метод классификации образцов нефтей по месторождению на основе результатов измерений методом газовой хроматографии, совмещенной с ПИД, масс-спектрометром и Фурье-ИК (Hashemi-Nasab, F. S., & Parastar, H. (2019). Pattern recognition analysis of gas chromatographic and infrared spectroscopic fingerprints of crude oil for source identification. Microchemical Journal). Полученные с помощью методов газовой хроматографии хроматограммы различных фракций после фракционирования на основании насыщенных, циклических соединений, смолистых веществ и асфальтенов (fractionation method based on saturated, aromatic, resin, and asphaltene, SARA) позволяют провести разделение образцов на группы, при этом использовались различные хемометрические алгоритмы: метод главных компонент, иерархический кластерный анализ, ПЛС-дискриминантный анализ. Данный способ также предполагает использование полученных хроматографических данных для определения состава смеси углеводородных флюидов, однако, для его реализации также необходимо достаточное количество проб индивидуальных флюидов отдельных пластов. В случае присутствия только одной пробы углеводородного флюида индивидуального пласта проведение такого анализа затруднительно и не будет обеспечивать возможность определения состава смеси нескольких углеводородных флюидов.
Известно о применении метода многомерного разрешения кривых с чередующимися наименьшими квадратами (MCR-ALS, multivariate curve resolution-alternating least squares) (Ghatee, M. H., Hemmateenejad, B., Sedghamiz, T., Khosousi, T., Ayatollahi, S., Seiedi, O., & Sayyad Amin, J. (2012). Multivariate Curve Resolution Alternating Least-Squares As a Tool for Analyzing Crude Oil Extracted Asphaltene Samples. Energy & Fuels, 26(9), 5663–5671) для обработки спектров флуоресценции, полученных от асфальтеновых фракций для идентификации их основных компонентов в толуольных растворах. Применение данного метода позволило восстановить спектры эмиссии и концентрационные профили компонентов. Для идентификации были использованы спектры флуоресценции, при этом при хранении пробы измеряемый спектр может изменяться с течением времени, что приводит к недостоверным результатам. Кроме того, в качестве растворителя необходимо использовать толуол, что может повлечь за собой определенные требования рабочего места вследствие токсичности и летучести толуола, а также может приводить к искажению результатов. Однако, в известном источнике не раскрыто и неизвестно использование метода для определения состава смеси сложных углеводородных флюидов, полученных из пластов.
Также известно о применении метода MCR-ALS для определения состава углеводородного флюида с помощью газовой хроматографии, с применением ионизационных методов (пламенно-ионизационных детекторов, ПИД), с последующей обработкой полученных хроматографических данных (Trends in Analytical Chemistry, Volume 105, August 2018, Pages 202-217; The Impact of Comprehensive Two-Dimensional Gas Chromatography on Oil & Gas Analysis: Recent Advances and Applications in Petroleum Industry). Как указано в источнике, необходимо иметь библиотеку данных, содержащую данные по отдельным компонентам или веществам, что может значительно усложнять определение состава, и необходимость иметь большое количество проб и данным по ним. Это делает не применимым такой способ для определения состава смеси углеводородных флюидов, т.к. это будет требовать установления детального состава флюидов индивидуальных пластов, т.к. в составе нефти могут присутствовать соединения, которые не включены в данные библиотеки. Это будет затруднять определение состава смеси флюидов в целом. Из данного источника неизвестно, каким образом может быть осуществлено определение состава смеси нескольких индивидуальных углеводородных флюидов.
Как следует, известные способы применения метода MCR-ALS позволяют определять содержание в смесях отдельных компонентов с различающимися индивидуальными спектрами, характеристики которых известны, восстанавливать исходные спектры при изменении концентрации раствора какого-либо вещества. Однако данный метод не применялся для определения содержания одного углеводородного флюида в смеси с другими углеводородными флюидами. Это связано с тем, что углеводородные флюиды пластов являются более сложным объектом для анализа за счет того, что их спектры (например, хроматографические данные) могут быть очень близки и для установления отличий между ними требуется выделение набора параметров, однозначно характеризующих углеводородный флюид, отобранный из конкретного нефтегазоносного пласта, т.е. индивидуализирующих параметров состава и свойств этого флюида («фингерпринт»).
Известен способ анализа распределения добычи (патент US 9074465, опубл. 07.07.2015, МПК: E21B 43/14, E21B 47/00), который включает получение результатов спектрального анализа (по меньшей мере 2 из указанных способов анализа: спектроскопия электромагнитного поглощения, спектроскопия комбинационного рассеяния, рентген-флуоресцентная спектроскопия, спектроскопия электромагнитного рассеяния, ЯМР-спектроскопия или терагерцовая спектроскопия с разрешением по времени) для каждого индивидуального пластового флюида, получение спектральных характеристик смешанного флюида, допущение линейной зависимости между индивидуальными спектральными характеристиками и спектральными характеристиками смешанного флюида, определение соотношение количества каждого из множества флюидов в добываемой смеси флюидов в результате анализа индивидуальных спектров для каждого из флюидов и допущенной линейной зависимости. Общими признаками известного и заявляемого способов является анализ состава индивидуальных флюидов и смеси флюидов.
Однако, с учетом сложного состава углеводородных (пластовых) флюидов и сложностью выявления индивидуальных компонентов в составе каждого флюида, известный способ не обеспечивает высокую точность определения вклада каждого флюида в смесь. При этом, пластовые флюиды не всегда содержат компоненты, которые значительно отличаются у нефти одного пласта и нефти другого пласта, либо они могут быть мало отличимы друг от друга при анализе смеси флюидов, например, при анализе состава. Например, в случае хроматографии, хроматографические или спектральные характеристики (пики) могут накладываться друг на друга и установить точное соотношение таких компонентов с использованием обычной линейной корреляции не является возможным.
Известен способ (Kaufman, R. L. (1990). Gas chromatography as a development and production tool for fingerprinting oils from individual reservoirs: applications in the Gulf of Mexico. In GCSSEPM Foundation Ninth Annual Research Conference Proceedings, October 1, 1990 (pp. 263-282)), согласно которому с использованием хроматографических данных выполняют подробный анализ целостности пласта, например, определения того, является ли разрыв герметичным или нет, есть ли гидравлические преграды в резервуаре. Известный способ основан на определении различных флюидов в образцах нефти с использованием простых градуировочных зависимостей, построенных на соотношении высот хроматографических пиков отдельных маркерных соединений (фингерпринтов индивидуальных пластовых флюидов).
Общими признаками известного и заявленного способов являются определение доли и наличия пластового флюида в смеси (для анализа образования смеси пластовых флюидов в результате перетоков между пластов) с использованием данных об углеводородном составе индивидуальных пластовых флюидов, а также выявление отличий между углеводородными составами этих пластовых флюидов.
Однако, в основе известного способа лежит предположение о линейной комбинации хроматографических пиков индивидуальных пластовых флюидов в результирующей хроматограмме смеси флюидов, что не всегда соблюдается при анализе реальных образцов.
Для всех известных способов характерно получение большого количества проб углеводородных флюидов индивидуальных пластов для определения различий между ними, а также приготовления модельных (калибровочных) смесей. Настоящее изобретение направлено на определение состава смеси углеводородных флюидов в условиях, когда метод ПЛС и иные методы анализа не применимы, т.к. требуют значительного количества стандартных образцов с известными свойствами или характеристиками, которые не всегда доступны. Предложенный способ определения состава смеси углеводородных флюидов требует минимального количества эталонных проб из индивидуального пласта, при этом позволяет с сопоставимой относительно известных способов точностью определить состав смеси.
Заявляемый способ может применяться, когда используется только одна проба флюида индивидуального пласта для определения состава смеси. В этом случае исключается необходимость отбора проб из второго пласта, если, например, добыча ведется из двух взаимосвязанных пластов.
Таким образом, технический результат заключается в обеспечении возможности определения состава смеси углеводородных флюидов, а именно доли индивидуальных углеводородных (пластовых) флюидов, с использованием хроматографических данных минимального количества проб (от 6 проб: 5 проб, состав которых необходимо определить и 1 проба с известным содержанием углеводородного флюида индивидуального пласта).
Т.е. способ определения состава смеси углеводородных флюидов согласно изобретению может применяться в тех случаях, когда набор проб углеводородных флюидов ограничен и иные способы определения не могут применяться вследствие малого количества проб с известным содержанием углеводородного флюида.
Технический результат достигается при реализации способа, включающего получение хроматографических данных по меньшей мере одного углеводородного флюида индивидуального пласта; получение хроматографических данных по меньшей мере пяти образцов углеводородных флюидов, состав которых необходимо определить и включающих углеводородный флюид индивидуального пласта; определение доли по меньшей мере одного углеводородного флюида индивидуального пласта, в составе по меньшей мере пяти образцов углеводородных флюидов путем совместной обработки хроматографических данных углеводородного флюида индивидуального пласта и по меньшей мере пяти образцов углеводородных флюидов методом многомерного разрешения кривых с чередующимися наименьшими квадратами.
Достижение технического результата обеспечивается за счет анализа хроматографических данных углеводородного флюида индивидуального пласта и исследуемых смесей пластовых флюидов методом MCR-ALS и определении доли вклада индивидуального углеводородного флюида в составе нескольких смесей, т.е. состава смесей. Для достижения технического результата необходим анализ хроматографических данных, полученных, по меньшей мере от 6 образцов, из которых по меньшей мере один образец представляет собой углеводородный флюид индивидуального пласта (стандарта). Использование меньшего количества образцов будет приводить к существенному увеличению погрешности в оценке доли углеводородного флюида индивидуального пласта в анализируемых смесях. Это связано с тем, что хроматографические данные имеют высокую размерность (большое число переменных) и при малом числе образцов (меньше 6) сильно увеличивается риск нахождения случайных корреляций между исходными хроматографическими данными и долей определяемого пласта в смеси.
При определении доли по меньшей мере одного углеводородного флюида методом многомерного разрешения кривых с чередующимися наименьшими квадратами в данном случае итерационно проводят разложение исходных данных, которые включают все полученные хроматографические данные, на произведение хроматографических и концентрационных профилей. При этом хроматографическйи профиль представляет собой хроматограмму индивидуального пластового флюида, а концентрационный показывает процентное содержание данного флюида в каждом из смешанных образцов.
При обработке хроматографических данных (матрицы D метода многомерного разрешения кривых), которые включают хроматографические данные всех образцов, используют хроматографические данные для углеводородного флюида индивидуального пласта (матрица S метода многомерного разрешения кривых). Затем путем итерационных процедур определяют вклад углеводородного флюида индивидуального пласта в углеводородные флюиды образцов, которые составляют матрицу D. Использование хроматографических данных углеводородного флюида индивидуального пласта в качестве исходных данных для итерационного процесса позволяет определить параметры, характеризующие индивидуальный пластовый флюид, в хроматографических данных образцов матрицы D.
D,
S
C
Для определения состава смеси используют данные хроматографии, полученные при анализе проб, взятых из пласта, и содержащие углеводородные флюиды. MCR-ALS - это итерационная процедура разложения матрицы исходных данных содержащей результаты спектроскопических, либо хроматографических измерений всех образцов (анализируемых смесей и углеводородных флюидов индивидуальных пластов), на произведение матрицы спектров (хроматограмм) отдельных компонентов () и матрицы концентрационных профилей этих компонентов ():
D=CS
+E
T
(1),
где D – матрица с исходными данными (i × j),
C – концентрационный профиль, включающий k компоненты для i образцов,
S - хроматограммы индивидуальных отдельных k компонент,
E - остаточные сигналы.
Принцип обработки данных с помощью MCR-ALS представлен на Фиг. 1.
D
C
S
E
С
S
T
Матрица  (i × j) содержит исходные данные, например, хроматографические профили всех образцов, включая анализируемые смеси и образцы индивидуальных флюидов (стандарты). Матрица  (i × k) содержит профили изменения концентраций k компонент для i образцов, а матрица  хроматограммы индивидуальных отдельных k компонент. Матрица (i × j), содержит остаточные сигналы данные, которые не описываются моделью (произведением  и ), т.е. разница между исходными данными и теми, что были восстановлены с использованием метода.
C
S
S
С
S
С
Под компонентами в матрицах  и  понимаются либо отдельные индивидуальные пласты, либо смеси нескольких пластов. Так, например, если анализируемые образцы представляют собой смеси двух индивидуальных пластов, для которых имеются стандартные образцы (образцы индивидуальных пластовых флюидов), то матрица  будет содержать хроматографические профили двух индивидуальных пластов, а матрица  – их содержание (концентрационный профиль для каждого из пластов) в анализируемых смесях. Если анализируемые образцы представляют собой смеси большего числа индивидуальных пластов, не для всех из которых доступны стандартные образцы, то в матрице  один компонент будет представлять собой хроматографический профиль индивидуального пласта, для которого доступен стандарт, а второй компонент – хроматографический профиль смеси остальных пластов. Матрица  будет содержать концентрационный профиль индивидуального пласта, для которого доступен стандарт, и концентрационный профиль смеси оставшихся пластов.
C
S
E
D
CS
T
T
В процессе MCR-ALS разложения концентрационные  и хроматографические  профили оптимизируются итеративной процедурой методом чередующихся наименьших квадратов (Alternative Least Squares, ALS) до тех пор, пока не будет достигнут критерий сходимости алгоритма и матрица  не достигнет оптимального минимального значения. Полнота разложения оценивается путем сравнения исходной матрицы  и восстановленной матрицы  (A. de Juan, Y. Vander Heyden, R. Tauler, D.L. Massart, Assessment of new constraints applied to the alternating least squares method, Anal. Chim. Acta, 346 (1997) 307-318). При этом рассчитывается параметр недостатка фитирования (lack of fit, lof%):
(2)
D
CS
i
j
T
где  - одиночный элемент матрицы данных , соответствующий -му образцу, измеренному по -й переменной, а  - соответствующий элемент, рассчитанный по модели .
D
CS
T
Этот параметр показывает процентную долю несоответствия между матрицами  и  и используется для сравнения качества различных решений, а также для уточнения количества компонентов k, которые должны быть описаны моделью.
D
D
C
С
S
Необходимым этапом в методе многомерного разрешения кривых (МРК) является оценка ранга матрицы данных . В большинстве случаев число отдельных вкладов (компонентов) в хроматограммы априори неизвестно и поэтому должно быть оценены математическими методами. Для этой цели в практике MCR используется разложение матрицы  по сингулярным числам (SVD) (E.R. Malinowski, Factor Analysis in Chemistry,2nd ed., Wiley: New York, 1991 ), которые используются (иногда в сочетании с другими процедурами оценки ранга матрицы) для определения наиболее вероятных количеств компонентов хроматограмм k. Такой подход позволяет предотвратить субъективность при определении количества компонентов. На основе определенного ранга k задаются начальные приближения концентрационных  профилей для инициализации процедуры оптимизации MCR-ALS (A. de Juan, J. Jaumot, R. Tauler, Multivariate Curve Resolution (МРК). Solving the mixture analysis problem, Analytical Methods, 6 (2014) 4964-4976. ). Хроматографические профили обычно получаются из самих данных с помощью таких подходов, как Evolving Factor Analysis (EFA) (M. Maeder, Evolving factor analysis for the resolution of overlapping chromatographic peaks, Anal. Chem., 59 (1987) 527-530) или SIMPLe-to-use Interactive Self-modeling Mixture Analysis (SIMPLISMA) (W. Windig, D.A. Stephenson, Self-modeling mixture analysis of second-derivative near-infrared spectral data using the SIMPLISMA approach, Anal. Chem., 64 (1992)). Во время итерационных приближений методом ALS к получаемым профилям могут применяться ограничения, отражающие химические, или физические свойства анализируемого объекта. Такими ограничениями могут быть, например, запрет отрицательных концентраций в матрице  или запрет отрицательных величин интенсивностей в матрице , наличие только одного максимума в концентрационных или спектральных профилях (унимодальность) и другие подобные условия. Эти ограничения позволяют уменьшить диапазон возможных решений (M. Vosough, C. Mason, R. Tauler, M. Jalali-Heravi, M. Maeder, On rotational ambiguity in model-free analyses of multivariate data, Journal of Chemometrics, 20 (2006) 302-310), поскольку, строго говоря, для задачи с произведением двух матриц существует целый ряд математически точных решений. Наилучшие решения получаются, как правило, при  наличии априорной информации о количестве компонент, концентрационных или хроматографических профилях (R. Tauler, A. Smilde, B. Kowalski, Selectivity, local rank, three-way data analysis and ambiguity in multivariate curve resolution, Journal of Chemometrics, 9 (1995) 31-58), однако эта информация может быть оценена и непосредственно в ходе обработки данных. Это имеет место при моделировании смесей пластовых флюидов, если доступны хроматограммы образцов из чистых пластов.
Образцы (смеси), состав которых необходимо определить, могут представлять собой смеси углеводородных флюидов либо вызывают сомнение представляют они собой смесь либо отдельный углеводородный флюид – т.е. необходимо определить долю индивидуального углеводородного флюида в образце (смеси).
D
С
Для определения доли пласта в углеводородном флюиде метод MCR-ALS может применяться следующим образом: хроматографические профили, полученные от образцов пласта, достоверно принадлежащих к чистому пласту, используют в качестве стандартных (эталонных) образцов и исходной оценки профиля искомого компонента k. Хроматографические профили, полученные от образцов углеводородных флюидов, представляющей собой смеси из нескольких пластов с неизвестным содержанием каждого пласта, составляют в этом случае матрицу . Если достоверно известно, что моделируемые образцы могут представлять собой смесь флюидов только из определенного числа пластов, то при моделировании накладывается также условие полноты (сумма всех компонентов равна единице для каждого из образцов). Получаемые после процедуры MCR-ALS концентрационные профили для каждого из компонентов в матрице  в данном случае можно интерпретировать, как относительные процентные содержания флюидов из разных пластов в смесях углеводородных флюидов.
Для определения состава углеводородного флюида в методе многомерного разрешения кривых с чередующимися квадратами при моделировании может накладываться условие полноты, если известно точное количество компонентов смеси (т.е. точное количество углеводородных флюидов разных пластов). В одном варианте реализации для определения состава согласно данному способу получают хроматографические данные углеводородных флюидов двух индивидуальных пластов, когда есть возможность получения проб углеводородного флюида из второго индивидуального пласта. Это позволяет дополнительно повысить точность определения состава смеси (доли вклада каждого из пластов в состав смеси).
2
Также способ может дополнительно включать получение по меньшей мере одной пробы по меньшей мере одного углеводородного флюида из индивидуального пласта и получение по меньшей мере одной пробы для каждого образца смеси углеводородных флюидов. Способ может дополнительно включать пробоподготовку отобранных проб. Указанная пробоподготовка может включать нагревание пробы от 20 до 40 минут в герметичном сосуде при температуре 333±30 К с перемешиванием при центробежном ускорении от 980 до 58800 м/с. Хроматографию можно проводить различными методами и в условиях, при которых специалисту очевидно получение хроматографических данных смеси углеводородного флюида. В частности, перед получением хроматографических данных возможно дополнительно проводить определение доминирующей фракции углеводородов в составе углеводородного флюида индивидуального пласта и для получения хроматографических данных возможно проведение анализа состава этого флюида методом газовой хроматографии, совмещенной с время-пролетной масс-спектрометрией в случае, если доминирующей фракцией является бензиновая фракция, фракция с сернистыми соединениями, и методом газовой хроматографии, совмещенным с квадрупольным масс-спектрометром в случае, если доминирующей фракцией является бензиновая фракция.
Получение хроматографических данных для смесей с использованием того же метода газовой хроматографии, который использовался для определения состава пробы индивидуального углеводородного флюида. В качестве хроматографических данных могут быть использованы значения высот межалканных пиков хроматографических данных. Полученные данные по составу могут быть уточнены различными способами, например, путем сопоставления с ранее полученными данными или их усреднения. При определении доли по меньшей мере одного углеводородного флюида индивидуального пласта в методе многомерного разрешения кривых с чередующимися квадратами предпочтительно использовать ограничение неотрицательности для концентрационных профилей и хроматографических данных.
Технический результат достигается также при использовании системы определения состава смеси углеводородных флюидов, которая содержит по меньшей мере один процессор и программный код и выполнена с возможностью исполнения процессором под управлением программного кода:
- получение хроматографических данных для по меньшей мере одного углеводородного флюида индивидуального пласта;
- получение хроматографических данных для по меньшей мере 5 образцов смесей углеводородных флюидов, включающих углеводородный флюид индивидуального пласта, для которого получены хроматографические данные;
- определение доли по меньшей мере одного углеводородного флюида индивидуального пласта, для которого получены хроматографические данные, в смесях углеводородных флюидов путем совместной обработки хроматографических данных углеводородного флюида индивидуального пласта и образцов смеси углеводородных флюидов методом многомерного разрешения кривых с чередующимися наименьшими квадратами.
При этом в методе многомерного разрешения кривых с чередующимися квадратами может быть использовано условие полноты. Также в системе определения доли пластового флюида в смеси флюидов при определении доли по меньшей мере одного углеводородного флюида индивидуального пласта в методе многомерного разрешения кривых с чередующимися квадратами предпочтительно использовать ограничение неотрицательности для концентрационных профилей и хроматографических данных.
Технический результат достигается при использовании в способе определения состава смеси машиночитаемого носителя определения состава смеси углеводородных флюидов, на котором сохранена компьютерная программа, имеющая программный код, при исполнении которого на компьютере процессор выполняет:
- получение хроматографических данных для по меньшей мере одного углеводородного флюида индивидуального пласта;
- получение хроматографических данных для по меньшей мере 5 смесей углеводородных флюидов, включающих углеводородный флюид индивидуального пласта, для которого получены хроматографические данные;
- определение доли по меньшей мере одного углеводородного флюида индивидуального пласта, для которого получены хроматографические данные, в смесях углеводородных флюидов путем совместной обработки хроматографических данных углеводородного флюида индивидуального пласта и образцов смеси углеводородных флюидов методом многомерного разрешения кривых с чередующимися наименьшими квадратами. В методе многомерного разрешения кривых с чередующимися квадратами при моделировании может накладываться условие полноты при определении доли по меньшей мере одного углеводородного флюида индивидуального пласта. Кроме того, машиночитаемый носитель, на котором сохранена компьютерная программа для определения доли пластового флюида в смеси флюидов, в методе многомерного разрешения кривых с чередующимися квадратами включает использование ограничения неотрицательности для концентрационных профилей и хроматографических данных.
В заключение следует отметить, что приведённые в описании сведения являются примерами, которые не ограничивают объём настоящего технического решения, определённого формулой.
Описание фигур.
Фиг. 1. Графическая схема обработки данных в общем случае при методе многомерного разрешения кривых с чередующимися наименьшими квадратами (MCR-ALS), где 1 – исходные хроматографические данные (хроматограммы) образцов индивидуальных пластовых флюидов и образцов смесей флюидов (матрица D), 2 – хроматографические данные (хроматограмма) образца углеводородного флюида индивидуального пласта (эталонного образца), 3 – полученные концентрационные профили эталонного флюида в анализируемых образцах и смеси других углеводородных флюидов, входящих в смесь, 4 – полученные методом MCR-ALS хроматографические данные (хроматограммы) эталонного флюида в анализируемых образцах и смеси других углеводородных флюидов, входящих в смесь, 5 – остаточные сигналы (разница между исходными данными и теми, что были восстановлены с использованием метода).
Фиг. 2. Пример хроматограммы углеводородного флюида, полученного для углеводородного флюида индивидуального пласта по примеру 1.
Фиг. 3. Концентрационные профили, полученные для примера 3, где 6 – концентрационный профиль, полученный для углеводородного флюида Пласта 7, 7 - концентрационный профиль, полученный для углеводородного флюида Пласта 8.
Фиг. 4. График “введено-найдено” для градуировки, в случае бинарной смеси (с данными по примеру 3).
Фиг. 5. График «введено-найдено», полученный с использованием ПЛС-модели, отражающий взаимосвязь между известным содержанием индивидуальных пластовых флюидов в калибровочных смесях и определенным по модели для 8 - калибровочных и 9 - проверочных образцов.
Фиг. 6. Пример компьютерной системы, используемой для реализации описанного способа, где 10 - персональный компьютер или сервер, 11 – центральный процессор, 12 - системная память, 13 - системная шина, 14 - запоминающее устройство (ПЗУ), 15 - память с произвольным доступом, 16 - основная система ввода/вывода (BIOS), 17 – жесткий диск, 18 – привод магнитных дисков, 19 – сменные магнитные диски, 20 – оптический привод,21 – сменные оптические диски, 22 – интерфейс жесткого диска, 23 - интерфейс оптического привода, 24 – записанная операционная система, 25 – файловая система, 26 – дополнительные программные приложения, 27 – другие программные модули, 28 – данные программ, 29 – клавиатура, 30 – мышь, 31 – интерфейс USB, 32 – монитор, 33 – видеоадаптер, 34 – удаленные компьютеры, 35 - локальная вычислительная сеть (LAN) и глобальная вычислительная сеть (WAN), 36 – сетевой адаптер, 37 – роутер.
Ниже приведены примеры реализации согласно заявленному способу. Данные примеры приведены для иллюстрации способа согласно изобретению и не предназначены для ограничения объема изобретения.
Пример 1. Получено 8 проб (образцов) углеводородных флюидов, предварительный состав которых определен на основе геохимических данных и указан в таблице 1.
Таблица 1. Предварительный состав проб.
№ образца
Углеводородные флюиды
1
Пласт 4+Пласт 5+Пласт 6
2
Пласт 6
3
Предположительно смесь Пласт 4+Пласт 5+Пласт 6
4
Предположительно чистый Пласт 6
5
Предположительно смесь Пласт 5+Пласт 6
6
Предположительно смесь Пласт 5+Пласт 6
7
Предположительно смесь Пласт 4+Пласт 5+Пласт 6
8
Предположительно смесь Пласт 4+Пласт 5+Пласт 6
Образец 2 представляет собой образец углеводородного флюида индивидуального пласта (Пласт 6). Образец 4 предположительно содержит только углеводородный флюид Пласта 6, однако т.к. эти данные не точны – он анализировался как образец смеси.
В данном случае отсутствуют образцы углеводородных флюидов всех индивидуальных пластов, соответственно отсутствует возможность приготовления модельных смесей и использования известных методов.
Получают хроматографические данные углеводородного флюида индивидуального пласта 6 (образец 2).
Получают хроматографические данные для остальных образцов (смесей углеводородных флюидов (образцы 1, 3, 5, 6, 7, 8)), включающих углеводородный флюид индивидуального Пласта 6, для которого получены хроматографические данные.
Хроматографические данные получали путем анализа углеводородных флюидов методом газовой хроматографии, совмещенной с детектором ионизированных частиц, при этом, с учетом типа доминирующей углеводородной фракции (бензиновой), для анализа состава использовали время-пролетный масс-детектор. Длина хроматографической колонки составила 60 м, скорость нагрева составила 1,5°С. В качестве хроматографических данных использовали значения высот межалканных пиков хроматографических данных.
Определяют долю углеводородного флюида индивидуального Пласта 6 (образца 2), для которого получены хроматографические данные, в составе смесей (образцы 1, 3 - 8) углеводородных флюидов путем совместной обработки хроматографических данных углеводородного флюида индивидуального пласта и образцов смеси углеводородных флюидов методом многомерного разрешения кривых с чередующимися наименьшими квадратами.
Из всех исходных хроматографических данных формируют матрицу D и проводят итерационную процедуру разложения матрицы D на произведение матрицы спектров (хроматограмм) отдельных компонентов S и матрицы концентрационных компонентов C:
D=C
S
+C
S
+E
A
A
B
B
T
T
(2),
где D – матрица с исходными данными (i × j),
A
C – концентрационный профиль эталонного флюида,
В
C – концентрационный профиль смеси других флюидов,
А
S – хроматографичексий профиль индивидуального эталонного флюида,
В
S – хроматографичексий профиль смеси других флюидов
E – остаточные сигналы.
C
S
C
S
E
A
A
B
B
Т.к. у нас имеется только один эталонный образец (образец углеводородного флюида индивидуального пласта), то в данном случае будет сумма двух произведений матрицы восстановленного спектра эталонного компонента () и условной хроматограммы других флюидов (). будет отражать разницу между исходной и восстановленной хроматограммами эталонного образца.
В результате обработки данных получают концентрационный профиль 2 Пласта 6 в смесях, который отражает долю Пласта 6 в этих смесях, и концентрационный профиль 3 остальных пластов в составе смеси.
Состав смесей углеводородных флюидов определяют как долю Пласта 6 в смесях со всеми остальными пластами. Для образцов 5 и 6 определяли долю пласта 5, для образцов 1, 3, 7 и 8 – состав определяют как сумму пластов 4 и 5.
Полученные данные представлены в таблице 2.
Таблица 2. Содержание пластов в образцах (по образцу 2).
№ образца
Содержание углевод.флюида Пласта 6, %
Содержание других углевод.флюидов, %
Пласты, кроме Пласта 6
1
10
90
Пласт 4+Пласт 5
2
100
0
-
3
13
87
Пласт 4+Пласт 5
4
100
0
-
5
23
77
Пласт 5
6
14
86
Пласт 5
7
26
74
Пласт 4+Пласт 5
8
20
80
Пласт 4+Пласт 5
Пример 2. Получено 6 проб (образцов) углеводородных флюидов, предварительный состав которых определен на основе геохимических данных и указан в таблице 3.
Таблица 3. Предварительный состав проб.
№ образца
Углеводородные флюиды пластов
1
Пласт 1 + Пласт 2 + Пласт 3
2
Пласт 3
3
Пласт 1 + Пласт 2 + Пласт 3
4
Пласт 3
5
Пласт 2 + Пласт 3
6
Пласт 2 + Пласт 3
Образцы 2 и 4 представляют собой образы углеводородного флюида индивидуального пласта (Пласт 3). В данном случае отсутствуют образцы углеводородных флюидов всех индивидуальных пластов, соответственно отсутствует возможность приготовления модельных смесей и использования известных методов.
Получают хроматографические данные углеводородного флюида индивидуального пласта 3 (образец 2 в качестве эталона).
Получают хроматографические данные для четырех смесей углеводородных флюидов (образцы 1, 3-6), включающих углеводородный флюид индивидуального Пласта 3, для которого получены хроматографические данные.
Хроматографические данные получали путем анализа углеводородных флюидов методом газовой хроматографии, совмещенной с детектором ионизированных частиц, при этом, с учетом типа доминирующей углеводородной фракции (бензиновой), для анализа состава использовали время-пролетный масс-детектор. Длина хроматографической колонки составила 60 м, скорость нагрева составила 1,5°С. В качестве хроматографических данных использовали значения высот межалканных пиков хроматографических данных.
Определяют долю углеводородного флюида индивидуального пласта 3 (образца 2), для которого получены хроматографические данные, в составе смесей (образцы 1, 3 - 6) углеводородных флюидов путем совместной обработки хроматографических данных углеводородного флюида индивидуального пласта и образцов смеси углеводородных флюидов методом многомерного разрешения кривых с чередующимися наименьшими квадратами, как раскрыто в примере 1.
В результате обработки данных получают концентрационный профиль Пласта 3 в смесях, который отражает долю Пласта 3 в этих смесях, и концентрационный профиль остальных углеводородных флюидов. Состав смесей углеводородных флюидов определяют как долю Пласта 3 в смесях со всеми остальными пластами. Для образцов 5 и 6 определяли долю пласта 2, а для образца 1 и образца 3 – состав определяют как сумму пластов 1 и 2.
Полученные данные представлены в таблице 4.
Таблица 4. Содержание углеводородных флюидов в образцах (по образцу 2).
№ образца
Содержание углевод.флюида Пласта 3, %
Содержание других углевод.флюидов, %
Пласты
1
5
95
Пласт1 +Пласт2
2
96
4
-
3
14
86
Пласт1 + Пласт2
4
100
0
-
5
40
60
Пласт2
6
20
80
Пласт2
Т.к. имелось два образца углеводородного флюида индивидуального Пласта 3, определение состава образцов проводили также по образцу 4 в качестве эталона. В таблице 5 представлен результат определения состава смесей углеводородных флюидов (образцы 1, 2, 3, 5, 6) при использовании хроматографических данных образца 4.
Таблица 5. Содержание углеводородных флюидов в образцах (по образцу 4).
№ образца
Содержание углевод.флюида Пласта 3, %
Содержание других углевод.флюидов, %
Пласты
1
3
97
Пласт 1 + Пласт 2
2
98
2
-
3
14
86
Пласт 1 + Пласт 2
4
100
0
-
5
40
60
Пласт2
6
20
80
Пласт2
Результаты интерпретировали следующим образом. Если большее доверие вызывал Образец 2 в качестве оценки пласта 3, то рассматривали результаты первой модели, если Образец 4, то рассматривали результаты второй модели. При этом, чтобы избежать ошибки «доверия», в конечном вариант использовали усредненные результаты, приведенные в таблице 6.
Таблица 6. Усредненные результаты содержание углеводородных флюидов (относительно образцов 2 и 4).
№ образца
Содержание углевод.флюида Пласта 3, %
Содержание других углевод.флюидов, %
Пласты
1
4
96
Пласт 1 + Пласт 2
2
97
3
-
3
14
86
Пласт 1 + Пласт 2
4
100
0
-
5
40
60
Пласт 2
6
20
80
Пласт 2
Пример 3.
Модельный пример для сопоставления точности заявленного способа и способа, использующего модельные смеси для определения состава смеси.
Моделирование ситуации, когда добыча из скважины ведется предположительно из двух пластов, т.е. добываемый флюид представляет собой бинарную смесь. В наличии образцы углеводородных флюидов обоих пластов.
Получают хроматографические данные для углеводородных флюидов двух индивидуальных пластов, а именно - одну хроматограмму для углеводородного флюида каждого индивидуального пласта. Получают хроматографические данные для образцов исследуемых смесей углеводородных флюидов, включающих два углеводородных флюида индивидуальных пластов, смешанные в разных известных соотношениях. В качестве исследуемой смеси для анализа были использованы также образцы, содержащие только углеводородные флюиды индивидуальных пластов, для проверки точности определения состава смесей углеводородных флюидов.
В таблице 7 приведен процентный состав образцов, которые были исследованы в качестве смесей.
Хроматографические данные получали путем анализа углеводородных флюидов методом газовой хроматографии, совмещенной с детектором ионизированных частиц, при этом, с учетом типа доминирующей углеводородной фракции (бензиновой), для анализа состава использовали время-пролетный масс-детектор. Длина хроматографической колонки составила 60 м, скорость нагрева составила 1,5°С Полученные в результате анализа хроматограммы отражают состав исследуемого углеводородного флюида. Для дальнейшей обработки экспериментальных данных использовали высоты межалканных пиков с полученных хроматограмм. Данные по каждому образцу предварительно нормировали на сумму всех нормальных алканов в образце.
Определяют долю по меньшей мере одного углеводородного флюида индивидуального пласта, для которого получены хроматографические данные, в исследуемых образцах (смесях) углеводородных флюидов путем совместной обработки хроматографических данных углеводородного флюида индивидуального пласта и образцов смеси углеводородных флюидов методом многомерной регрессии кривых с чередующимися наименьшими квадратами (MCR-ALS).
Таблица 7. Процентный состав исследуемых образцов.
№ образца
Пласт 7
Пласт 8
1
0
100
2
0
100
3
0
100
4
0
100
5
0
100
6
10
90
7
40
60
8
50
50
9
80
20
10
100
0
11
100
0
12
100
0
13
100
0
14
100
0
15
20
80
16
30
70
17
50
50
18
70
30
19
65
35
В ходе опыта использовали ограничения неотрицательности для концентрационных и хроматографических профилей и ограничение полноты (сумма компонентов равна единице). Оптимизированная по набору ограничений и исходных оценок MCR-ALS модель имела недостаток фитирования (lof) 3,2%, рассчитанный по формуле (2). Такое значение свидетельствует об удовлетворительном качестве модели состава смеси углеводородных флюидов по способу согласно заявляемому изобретению. При таком показателе можно говорить о возможности не использовать дополнительную обработку результатов.
Концентрационные профили, полученные после MCR-ALS, представлены на фиг. 3 (5 - концентрационный профиль для углеводородного флюида пласта 7, 6 – концентрационный профиль для углеводородного флюида пласта 8). Из данных фиг. 3 видно, что оценка содержания пластов в смеси, полученная с помощью MCR-ALS, хорошо соответствует реальному содержанию. Так, в образцах с 1-5 содержание первого пласта составляло 0%, а в образцах с 10 по 14 было равным 100%. В остальных образцах содержание пласта изменялось в соответствии с приведенным профилем (см. фиг. 3). При этом важно отметить, что для построения каждого концентрационного профиля использовались хроматографические данные соответствующего индивидуального пласта. Далее, на основании построенного концентрационного профиля возможно определение состава исследуемой смеси углеводородных флюидов, а именно доли индивидуальных флюидов в составе смеси.
В случае, если образцы представляют собой бинарные смеси и известны хроматографические профили обоих чистых пластов, MCR-ALS предоставляет возможность проводить градуировку для определения процентного содержания пласта всего по двум точкам – т.е. два стандартных образца (пробы чистых пластов) (Фиг. 5, где 7 – данные для градуировки для определения процентного содержания углеводородного флюида в пласте). Такую градуировку можно использовать для прогнозирования содержания пласта в смеси. На Фиг. 4 представлен график “введено-найдено”, полученный из такой двухточечной градуировки.
Для оценки точности полученных данных о составе смеси был проведен анализ модельных смесей с использованием метода ПЛС.
Для получения модели по методу ПЛС использовали 14 образцов смесей, полученных смешением в разных пропорциях проб из двух пластов.
2
На основе полученных данных с помощью метода проекций на латентные структуры (ПЛС) строили многомерную регрессионную модель, связывающую относительные высоты межалкановых пиков в 14 образцах (образцы № 1-5, 10-19 из таблицы 10) с процентным содержанием одного из пластов в бинарной смеси нефтей. На Фиг. 5 приведен график «введено-найдено», полученный в результате построения ПЛС-регрессии на калибровочных образцах смесей двух пластов: 8 – данные для построения ПЛС-модели; 9 – данные, полученные с помощью тестового набора (образцы № 6-9 из таблицы 10). Значение RMSEP и R составили 4,9% и 0,95, соответственно. Таким образом, был определен состав смеси с применением ПЛС-метода, с помощью калибровочной модели.
Следует отметить, что для получения калибровочной модели методом ПЛС необходимо 19 образцов, из которых – 9 образцов смесей, и 10 образцов чистых пластов, в то время как по способу согласно изобретению для построения концентрационного профиля и определения доли индивидуального пласта в смеси углеводородных флюидов требуется только 6 образцов.
Таким образом, приведенный пример подтверждает, что заявленный способ позволяет уменьшить необходимое число проб для оценки процентного содержания пласта в углеводородной смеси с помощью хроматографического анализа и при этом точность заявляемого способа является сопоставимой со способами, которые используют при определении состава смеси модельные смеси.
Минимальное число проб в данном случае является важным параметром, т.к. зачастую набор проб ограничен. Например, даже отбор проб может представлять собой трудоемкий процесс вследствие глубокого залегания пластов, пластов в труднодоступных местах, или которые трудно получить (например, при залегании пласта в твердой горной породе). Также интерес представляет доразработка и доизвлечение углеводородов из уже разрабатываемых месторождения с целью повышения их отдачи и экономической составляющей. Помимо этого, при разработке месторождения могут присутствовать пласты, содержащие углеводородные флюиды, различные по своему составу или достаточно сходные, в случае, если пласты залегают близко друг от друга. Во всех этих случаях при разработке существенным является определение состава углеводородного флюида с минимальным набором проб (6 образцов), в т.ч. с известными характеристиками.
При этом представленные примеры подтверждают достижение технического результата, а именно определение состава смеси (доли углеводородных флюидов) с минимальным количеством проб углеводородных флюидов как индивидуальных пластов, так и смесей, позволяет значительно сократить время на подготовку модельных смесей и определение углеводородного состава как исходных образцов (проб), так и модельных смесей.
При использовании способа определения состава смеси углеводородных флюидов может быть использована система определения доли пластового флюида в смеси флюидов, которая содержит по меньшей мере один процессор и программный код и выполнена с возможностью исполнения процессором под управлением программного кода. Пример такой компьютерной системы, используемой для реализации описанного способа, приведен на Фиг. 6 и включает персональный компьютер или сервер 10, содержащий центральный процессор 11, системную память 12 и системную шину 13, которая содержит разные системные компоненты, в том числе память, связанную с центральным процессором 11. Системная шина 13 реализована, как любая известная из уровня техники шинная структура, содержащая в свою очередь память шины или контроллер памяти шины, периферийную шину и локальную шину, которая способна взаимодействовать с любой другой шинной архитектурой. Системная память содержит постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) 14, память с произвольным доступом (ОЗУ) 15. Основная система ввода/вывода (BIOS) 16, содержит основные процедуры, которые обеспечивают передачу информации между элементами персонального компьютера 10, например, в момент загрузки операционной системы с использованием ПЗУ 14. Персональный компьютер 10 в свою очередь содержит жёсткий диск 17 для чтения и записи данных, привод магнитных дисков 18 для чтения и записи на сменные магнитные диски 19 и оптический привод 20 для чтения и записи на сменные оптические диски 21, такие как CD-ROM, DVD-ROM и иные оптические носители информации. Жесткий диск 17, привод магнитных дисков 22, оптический привод 23 соединены с системной шиной 13 через интерфейс жёсткого диска 21, интерфейс магнитных дисков 22 и интерфейс оптического привода 23, соответственно.
Приводы и соответствующие компьютерные носители информации представляют собой энергонезависимые средства хранения компьютерных инструкций, структур данных, программных модулей и прочих данных персонального компьютера 10.
Настоящее описание раскрывает реализацию системы, которая использует жёсткий диск 17, но следует понимать, что возможно применение иных типов компьютерных носителей информации, которые способны хранить данные в доступной для чтения компьютером форме (твердотельные накопители, флеш карты памяти, цифровые диски, память с произвольным доступом (ОЗУ) и т.п.), которые подключены к системной шине 13.
Компьютер 10 имеет файловую систему 25, где хранится записанная операционная система 24, а также дополнительные программные приложения 26, другие программные модули 27 и данные программ 28. Пользователь имеет возможность вводить команды и информацию в персональный компьютер 10 посредством устройств ввода (клавиатуры 29, манипулятора «мышь» 30). Могут использоваться другие устройства ввода (не отображены): микрофон, джойстик, игровая консоль, сканер и т.п. Подобные устройства ввода по своему обычаю подключают к компьютерной системе 10 через интерфейс USB 31, который в свою очередь подсоединён к системной шине, но могут быть подключены иным способом, например, при помощи параллельного порта, игрового порта. Монитор 32 или иной тип устройства отображения также подсоединён к системной шине 13 через интерфейс, такой как видеоадаптер 33. В дополнение к монитору 32, персональный компьютер может быть оснащён другими периферийными устройствами вывода (не отображены).
Персональный компьютер 10 способен работать в сетевом окружении, при этом используется сетевое соединение с другим или несколькими удалёнными компьютерами 34. Удалённый компьютер (или компьютеры) 34 являются такими же персональными компьютерами или серверами, которые имеют большинство или все упомянутые элементы, отмеченные ранее при описании существа персонального компьютера 10, представленного на Фиг. 6. В вычислительной сети могут присутствовать также и другие устройства, например, маршрутизаторы, сетевые станции, пиринговые устройства или иные сетевые узлы.
Сетевые соединения могут образовывать локальную вычислительную сеть (LAN) 35 и глобальную вычислительную сеть (WAN). Такие сети применяются в корпоративных компьютерных сетях, внутренних сетях компаний и, как правило, имеют доступ к сети Интернет. В LAN- или WAN-сетях персональный компьютер 10 подключён к локальной сети 35 через сетевой адаптер или сетевой интерфейс 36. При использовании сетей персональный компьютер 10 может использовать роутер 37 или иные средства обеспечения связи с глобальной вычислительной сетью, такой как Интернет. Роутер 37, который является внутренним или внешним устройством, подключён к системной шине 13 посредством USB порта 31. Следует уточнить, что сетевые соединения являются лишь примерными и не обязаны отображать точную конфигурацию сети, т.е. в действительности существуют иные способы установления соединения техническими средствами связи одного компьютера с другим.