PVT-АНАЛИЗ СЖАТЫХ ФЛЮИДОВ
PTV ANALYSIS OF COMPRESSED FLUIDS

ПЕРЕКРЕСТНАЯ ССЫЛКА НА РОДСТВЕННЫЕ ЗАЯВКИ
По настоящей заявке испрашивается приоритет заявки на патент США № 61/229961, поданной 30 июля 2009 года, содержимое которой приводится в данном документе.
ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ
Настоящее изобретение относится к портативным системам анализа и способам.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Для определения физических свойств углеводородных пластовых флюидов (в газообразной, жидкой и иногда твердой фазах) могут быть проведены различные измерения характеристики давление-объем-температура (PVT). Данные измерения можно проводить в больших стационарных лабораториях с использованием многих видов оборудования. В ранних (и некоторых современных) модификациях PVT-ячеек в качестве среды для нагнетания давления и перемешивания применялась ртуть внутри терморегулируемой капсулы высокого давления. Блоки без ртути были разработаны в начале 1990-ых годов и использовали плавающий поршень или механический винтовой поршень для изменения объема образца и тем самым давления. Оба этих типа капсул использовали механическое перемешивание содержавшихся в них образцов. Традиционные и ныне коммерчески доступные PVT-системы обычно имеют «окна», устойчивые к давлениям менее 103,4 МПа, для наблюдения за содержимым ячейки с целью определения фазы и измерения объема.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Интегрированная портативная система, пригодная для проведения различных комплексов анализов, обычно требующих нескольких инструментов (аппаратуры), может быть использована для проведения PVT-измерений лабораторного уровня.
Согласно одному аспекту система измерения характеристики давление-объем-температура включает: портативную камеру контроля среды; первую капсулу давления, расположенную внутри портативной камеры контроля среды; вторую капсулу давления, расположенную внутри портативной камеры контроля среды, при этом вторая капсула давления гидравлически сообщается с первой; вискозиметр, сконфигурированный для измерения вязкости флюида, протекающего между первой и второй капсулами давления; оптическую систему, сконфигурированную для измерения оптических свойств флюида, протекающего между первой и второй капсулами давления. Варианты осуществления систем могут включать следующие признаки по отдельности или в их комбинации.
В некоторых вариантах осуществления изобретения вискозиметр включает капиллярный вискозиметр, расположенный так, что флюид, протекающий между первой и второй капсулами давления, протекает через капиллярный вискозиметр. В некоторых случаях вискозиметр включает два кварцевых датчика, способных измерять температуру и давление флюида (то есть первый кварцевый датчик находится на одной стороне капиллярной трубки, а второй - на другой стороне капиллярной трубки).
В некоторых вариантах осуществления изобретения оптическая система содержит спектрофотометр, оптически связанный с оптическим блоком посредством оптоволоконных кабелей, причем оптический блок расположен так, что флюид, протекающий между первой и второй капсулой давления, протекает через оптический блок.
В некоторых вариантах осуществления изобретения первая и вторая капсулы давления содержат поршни, отделяющие образец флюида от гидравлического флюида. В некоторых вариантах осуществления изобретения системы также включают автоматическую систему управления, обеспечивающую электронное взаимодействие с вискозиметром, оптической системой и насосами, гидравлически сообщающимися с первой и второй капсулами давления. В некоторых вариантах осуществления изобретения измерительные системы дополнительно включают автоматическую систему управления, способную определять удельные объемы углеводородной фазы на основе данных, хотя бы частично полученных от оптической системы. Автоматическая система управления способна обеспечить управление насосами во время PVT-экспериментов, включающих эксперименты: при постоянном составе смеси (CCE - Constant composition expansion), дифференциального выделения (DLE - Differential liberation), дифференциальной конденсации (CVD - Constant volume depletion), тестирование по разделению, измерения вязкости, определение температуры появления парафинов (WAT - Wax appearance temperature) и эксперименты по определению точки начала осаждения асфальтенов на основании данных, получаемых от насосов, оптических систем и вискозиметров, не требуя задания начальных параметров эксперимента оператором. Система управления способна обеспечить проведение более одного эксперимента одновременно.
В некоторых вариантах осуществления изобретения портативная камера контроля среды включает термостат, способный обеспечить контроль температуры флюида в капсулах давления. В некоторых случаях камера контроля способна обеспечить температуры в диапазоне от 255 до 450°К и позволяет поддерживать ее на постоянном уровне (изотерму), а также осуществлять постепенный программируемый контроль температуры.
В некоторых вариантах осуществления изобретения капсулы давления способны вращаться внутри портативной камеры контроля среды. Капсулы давления способны вращаться внутри портативной камеры контроля среды в целях контроля вертикального положения первой и второй капсулы относительно трубок, соединяющих первую и вторую капсулы давления.
В некоторых вариантах осуществления изобретения первая и вторая капсулы давления и связанные с ними фитинги и соединения сконфигурированы для поддерживания давления до 137,9 МПа.
В некоторых вариантах осуществления изобретения системы сконфигурированы для обеспечения точного измерения и контроля давления, температуры и объема с погрешностью, не превосходящей 2%.
Согласно одному аспекту способ тестирования флюида включает: доставку измерительной системы на место, где отбирается образец флюида из подземного образования; контроль температуры и давления образца флюида в системе тестирования; уравновешивание образца флюида за счет прокачки между первой и второй сообщающимися капсулами давления; измерения вязкости флюида, протекающего в процессе уравновешивания образца между первой и второй капсулами давления; измерения оптических свойств флюида, протекающего между первой и второй капсулами давления в процессе уравновешивания образца флюида.
В некоторых вариантах осуществления изобретения контроль температуры образца содержит контроль температуры образца флюида с использованием портативной камеры контроля среды, содержащей первую и вторую капсулы давления. В некоторых случаях способы также включают регулируемый контроль ориентации первой и второй капсул давления внутри портативной камеры контроля среды. В некоторых случаях способы также включают использование портативной камеры контроля среды для понижения с заданной скоростью температуры образца флюида.
В некоторых вариантах осуществления изобретения способы также включают определение границ фазового перехода в образце флюида на основании изменения оптических свойств части образца флюида.
В некоторых вариантах осуществления изобретения способы также включают одновременное проведение по меньшей мере двух из экспериментов: при постоянном составе смеси, дифференциального выделения (DLE), измерения вязкости, дифференциальной конденсации, по разделению, по определению температуры появления парафинов (WAT) и эксперимента по определению точки начала осаждения асфальтенов с флюидом в первой и второй капсулах давления.
В некоторых вариантах осуществления изобретения способы также включают контроль вертикальной ориентации первой и второй капсул давления для подвыборки, анализа конкретной углеводородной фазы или и того и другого.
Малый размер данных PVT-ячеек позволяет использовать описанную выше систему в мобильных лабораториях.
Использование капиллярного вискозиметра для определения фазы и измерения объема также позволяет создавать системы с максимально допустимым давлением свыше 103,4 МПа (например, до 137,9 МПа).
Подробности одного или больше вариантов осуществления изобретения изложены со ссылками на прилагаемые чертежи и в нижеприведенном описании. Прочие признаки, цели и преимущества изобретения будут очевидны из описания, чертежей и из формулы изобретения.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
На чертежах:
Фиг.1 - схема аналитического устройства;
Фиг.2A-2F - изображения ячеек давления аналитического устройства;
Фиг.3A-3D - изображения аналитического устройства, общий вид, сбоку, сверху и спереди соответственно;
Фиг.4A и 4B - изображения интерфейса оптического детектора, общий вид и в разобранном виде, соответственно;
Фиг.5 - высокоуровневая блок-схема логики контроллера, который может быть использован для управления аналитическим устройством с Фиг.1;
Фиг.6 - блок-схема последовательности операций при постоянном составе смеси;
Фиг.7А - блок-схема последовательности операций дифференциального выделения;
Фиг.7B - схема давления на различных стадиях эксперимента дифференциального выделения;
Фиг.8A - блок-схема последовательности операций при разделении;
Фиг.8B - схема датчиков давления на различных стадиях эксперимента по разделению;
Фиг.9A - блок-схема последовательности операций при выпуске, при постоянном объеме;
Фиг.9B - схема ячейки давления на различных стадиях эксперимента дифференциальной конденсации, при постоянном объеме;
Фиг.10 - блок-схема последовательности операций эксперимента по определению температуры появления парафинов;
Фиг.11 - блок-схема последовательности операций эксперимента по определению давления начала осаждения асфальтенов;
Фиг.12 - схематическое изображение аналитической системы, развернутой на буровой платформе.
Одинаковые цифровые позиции относятся к одинаковым элементам.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
На Фиг.1 мини-PVT-система 10 представляет пример компактной системы, устойчивой к высоким давлениям и температурам, для измерений характеристики давление-объем-температура и определения физических свойств углеводородных пластовых флюидов (в газообразной, жидкой и иногда твердой фазах). Система 10 включает две капсулы, или ячейки 12A, 12B давления внутри камеры 14 контроля окружающей среды. Трубка 16, включающая капиллярный вискозиметр 18, гидравлически связывает две ячейки 12A, 12B. Капиллярный вискозиметр включает устройства 20 для измерения давления (например, кварцевые датчики давления), расположенные на каждом конце капиллярной трубки известных размеров. Система 10 может также включать оптический блок 22 сконфигурированный для измерения оптических свойств флюидов, протекающих через трубку 16 (например, для регистрации границы раздела фаз и/или наличия взвешенных твердых частиц).
3
3
3
3
Каждая из двух ячеек 12A, 12B содержит плавающий поршень 24. Ячейки 12A, 12B предназначены для малых объемов флюидов и связанных материалов, например, взвешенных твердых частиц, при высоких давлениях. Например, ячейки 12A, 12B могут включать камеры емкостью 200 см, способные выдерживать давление до 137,9 МПа. Объем камеры с образцом, а тем самым и давление, контролируются либо подачей, либо откачкой гидравлического флюида (обычно воды) с обратной стороны плавающего поршня(ей) 24 с применением управляемых компьютером высокоточных насосов (не показаны). При проведении PVT-измерений, подробнее описываемых ниже, желательно, чтобы насосы были способны: долго работать (например, больше 6 часов, больше 12 часов или больше 24 часов); прокачивать по меньшей мере 10 см в минуту (например, приблизительно 50 или 100 см в минуту); точно измерять объемы (например, до 0,1 см). Насос может быть использован на гораздо более низких скоростях, но предпочтительна точность выдерживания скорости(ей), поскольку эта величина требуется для расчета вязкости.
Фиг.2A-2F показывают вариант выполнения ячеек 12A/B. В данном варианте осуществления ячейка 12A/B включает полый цилиндрический корпус 30 с верхней заглушкой 32 и нижней заглушкой 34, герметизирующий поршень 24 внутри корпуса 30. К нижней заглушке 34 подводится гидравлическая линия, используемая для регулирования положения поршня 24. К верхней заглушке 32 подводятся различные линии, используемые для прокачки флюида между ячейками 12A/B, для впрыска флюида в систему 10 и для впрыска газов в систему 10.
Перемешивание флюидов в системе 10 и, тем самым, равновесие достигаются физическим продавливанием образца флюидов взад и вперед между камерами при поддержании требуемого давления и общего объема образца внутри камер и связанных соединений в ходе PVT-измерений, подробнее описываемых ниже. Данный подход к перемешиванию флюидов позволяет системе 10 одновременно и параллельно измерять вязкость флюида и фазовые объемы в ходе перемешивания. В некоторых случаях данный подход позволяет достичь фазового равновесия быстрее, чем в PVT-системах с одной ячейкой, в которой перемешивание образца проводится либо путем физического перемешивания (путем качания) ячейки, либо посредством внутреннего механического миксера. Кроме того, использование оптического блока 22 для регистрации границ между флюидами может позволить системе 10 работать при более высоких давлениях, чем системы с «окнами» для наблюдения за содержимым ячейки с целью определения фазы и измерения объема.
Использование плавающих поршней 24 позволяет системе 10 быстрее прокачивать газы и/или жидкости. В некоторых вариантах осуществления изобретения компоненты системы 10, включая ячейки 12A, 12B, устанавливаются с возможностью поворота так, что ячейки 12A, 12B могут вращаться и фиксироваться в различных ориентациях (например, ячейки 12A, 12B расположены так, что поршни 24 находятся под трубками 28 впуска, как показано на Фиг.1, или ячейки 12A, 12B расположены так, что поршни 24 находятся над трубками 28 впуска). В зависимости от ориентации ячеек 12A, 12B в системе 10 может быть предпочтительна прокачка газов или жидкостей. Данное свойство может быть также использовано для ускоренной подачи газа в раствор. Например, прокачка флюидов между ячейками 12A, 12B, притом, что ячейки 12A, 12B расположены так, что поршни 24 находятся над трубками 28 впуска, приводит к тому, что газообразная фаза образует пузырьки в жидкой фазе в ходе процесса перемешивания. Фиг.3A-3D - показаны общий вид системы 10 вид сбоку, сверху и спереди соответственно, причем компоненты, включая ячейки 12A, 12B, установлены с возможностью поворота так, что ячейки 12A, 12B могут вращаться и фиксироваться в различных ориентациях. На данных чертежах не показана дверца, используемая для закрывания камеры 14 контроля.
Капиллярный вискозиметр 18, расположенный между отдельными камерами 12A, 12B системы 10, представляет собой капиллярную трубку известной длины и внутреннего диаметра, позволяющую осуществлять измерения вязкости и реологических свойств анализируемого образца. Доступен набор капилляров различных длин и внутренних диаметров для удовлетворения меняющихся требований образцов. Например, для флюидов с вязкостью в диапазоне 0,01-1000 МПа·с могут использоваться различные вискозиметры. Такие вискозиметры коммерчески доступны, например, Vinci Technologies, Nanterre (Paris), France и Chandler Engineering, Tulsa, OK. Высокоточные кварцевые датчики 20 на каждом из концов капиллярного вискозиметра 18 могут измерять давление (индивидуально), падение давления вдоль трубки (путем вычитания индивидуальных показаний), а также точно измерять температуру. Использование капиллярного вискозиметра 18, расположенного между двумя капсулами давления, позволяет одновременно проводить измерения вязкости и другое тестирование. Другие типы вискозиметров, такие как ротационные, с движущимся шариком, с падающим элементом, электромагнитные вискозиметры, конфигурированные как индивидуальные блоки измерения вязкости, подобное невозможно. Кроме того, ротационные, с движущимся шариком, с падающим элементом, и электромагнитные вискозиметры, будучи должным образом откалиброванными, могут точно измерить вязкость ньютоновского флюида, а капиллярные вискозиметры также позволяют производить измерения неньютоновских флюидов с непосредственным измерением скорости сдвига и сдвигающей силы.
Оптический блок 22, расположенный между индивидуальными камерами образцов 12A, 12B обеспечивает прохождение света через флюиды, свойства которых измеряются при тестовых температурах и давлениях. Такие оптические блоки коммерчески доступны, например, у Phoenix Instruments, Splendora (Houston), TX.
При использовании оптических кабелей 26 и спектрофотометра (не показан) изменения пропускания света могут отразить изменение свойств флюида внутри анализируемого флюида, например, изменения фазы (газ, жидкость, твердое вещество). Соотнесение позиции границ фазы с объемами флюида, перемещенного в процессе прокачки образца флюида через оптический блок, позволяет выполнить расчет фазовых границ, объемов и/или начальные условия (например, точки росы или точки начала кипения). Использование встроенного оптического блока 22 позволяет в системе 10 обойтись без вставки окон в корпус ячейки для наблюдения ее содержимого, для получения представления о точке начала кипения нефтяных систем, точках росы в системах газового конденсата и фазовых границ, и подсчете удельных объемов образцов путем измерения изменений высоты границы газ/нефть или положения поршня. В некоторых случаях данная конфигурация позволяет использовать систему 10 для приложения чрезвычайно высокого давления (например, больше 103,4 МПа, до 137,9 МПа и/или 172,4 МПа) к образцу.
На Фиг.4A и 4B показаны варианты осуществление оптического блока с «верхним» и «нижним» креплениями 36 для приема и подключения оптоволоконных кабелей 26 и боковых креплений 38 для приема и подключения трубки 16. Термины «верхний» и «нижний» используются для простоты описания чертежей, а не для того, чтобы обозначить какое-либо абсолютное расположение системных компонентов.
В некоторых случаях система 10 конфигурируется для улучшения точности и уменьшения ошибки путем ограничения мертвого объема. Гидравлические соединения между ячейками 12A, 12B высокого давления выполнены укороченными и с малым внутренним объемом для уменьшения емкости фитингов емкости трубопроводов между ячейками высокого давления 12A, 12B. Сборки головки ячейки высокого давления и верхняя часть поршней могут быть конической формы с одинаковым углом раствора для ограничения объема между деталями головки ячейки давления и поверхностями поршней при посадке. Капиллярный трубчатый вискозиметр может быть сконфигурирован с использованием датчиков давления с малым мертвым объемом и малым диаметром трубки для ограничения объема, связанного с трубкой капиллярного вискозиметра. Аналогично, оптический блок системы спектрометра может быть выбран так, чтобы обеспечить малый мертвый объем. Например, использование этих свойств уменьшает мертвый объем системы 10 до приблизительно 5 миллиметров (например, до приблизительно 2,5% общего объема системы).
В некоторых вариантах осуществления камера 14 контроля среды может представлять собой управляемый компьютером термостат, способный обеспечить регулирование температуры (например, от 0°F до 350°F). Термостат может быть запрограммирован для обеспечения постепенного, с заданной скоростью, нагрева или охлаждения. PVT-измерения обычно проводятся при заданных температурах, таких как температура нефтеносного пласта, трубопровода или процесса, поэтому требуется точный контроль температуры. Возможность программирования постепенного изменения температуры позволяет исследовать осаждение твердых частиц или кристаллизацию Выбранная «камера среды» относительно мала и легко может поместиться в камеру мобильной лаборатории, но, в отличие от коммерчески доступных газовых хроматографических термостатов, достаточно велика, чтобы вместить ячейки 12A, 12B высокого давления и связанные с ними периферийные компоненты. В одном из вариантов осуществления размеры устройства составили 0,61 м × 1,12м × 0,66 м, а вес - 136 кг.
Система 10 включает автоматическую систему управления, способную контролировать систему 10, в том числе распознавать равновесные флюиды, точно устанавливать и считывать показатели температуры, давления и объема, каждый из которых может повлиять на получаемые данные. Автоматическая система управления может быть воплощена с использованием аппаратного, программного обеспечения или обоих этих вариантов. Системное программное обеспечение может быть предоставлено как отдельный компьютерный программный продукт (например, на CD), который может быть установлен в систему 10 перед использованием или как сочетание внедренного программного и аппаратного обеспечения. Системное программное обеспечение, исполняемое системой контроля, может быть сконфигурировано для выполнения измерительных процедур с насколько возможно незначительным участием оператора и может полностью отслеживать и контролировать показатели давления, объема и температуры. Программное обеспечение настроено на контроль (например, поддержание и изменение) объема образца при продавливании газа, жидкости и/или твердого вещества из камеры в камеру. В ходе этого процесса фиксируются давление, объем, температура и спектрографические данные, позволяющие рассчитать требуемые PVT-характеристики. Настройка входной логики внутри программы обеспечивает быстрое достижение равновесных условий в системе 10.
Некоторые PVT-эксперименты полностью автоматизированы (например, запрограммированы, так что вмешательство оператора не требуется), остальные же виды анализа заранее запрограммированы на установку паузы в случаях, когда требуется кратковременное вмешательство оператора. Конкретно система 10 может быть сконфигурирована так, чтобы проводить эксперименты при постоянном составе смеси, эксперименты дифференциального выделения, эксперименты по разделению, эксперименты дифференциальной конденсации, эксперименты по определению температуры появления парафинов (WAT) и эксперименты по определению точки начала осаждения асфальтенов с ограниченным вмешательством оператора или без него. Эти программные способы управления и группировка измерительных возможностей позволит получить высококачественные данные за короткое время при низких требованиях к подготовке оператора. Требование минимального объема образца для всего набора PVT-экспериментов также является дополнительным преимуществом.
Автоматическая система управления может уменьшить время измерений; обеспечить воспроизводимые результаты; достичь высокого уровня точности; создать не нуждающуюся в преобразовании цифровую запись каждого эксперимента. Данные свойства могут уменьшить ошибки, связанные с ручным управлением PVT-системами, в которых лаборанты делают субъективные суждения (на основе визуальных наблюдений или в их отсутствие), касающиеся состояния равновесия, уровней жидкостей и других параметров во время измерений. Кроме того, лаборанты должны преобразовать данные в форму сводной лабораторной таблицы. Субъективные суждения и ошибки преобразования являются самым значительным источником ошибок в коммерческих лабораториях и в конечном счете это означает, что многие лаборатории не могут с легкостью повторить или воспроизвести свои результаты.
Автоматические системы управления могут включать одно или более вычислительное устройство, способное получать, передавать, обрабатывать и хранить данные, связанные с системой 10. Понятие «каждый компьютер» обычно включает и понятие «любое устройство обработки». Каждый компьютер может быть любым компьютером или устройством обработки, как, например, блейд-сервер, персональный компьютер общего назначения (PC), Macintosh, рабочая станция, Unix-компьютер или любой другое подходящее устройство. Другими словами, в настоящем описании изобретения рассматриваются и компьютеры, отличные от компьютеров общего назначения, так же как и компьютеры без обычных операционных систем. Каждый компьютер может быть приспособлен под любую операционную систему, включая Linux, UNIX, Windows Server или любую другую операционную систему.
У каждого вычислительного устройства могут быть память и процессор. Память также может быть удаленной или подсоединенной по сети. Память - это считываемый компьютером носитель, подходящий для хранения компьютерных программ, инструкций и данных. Память также может представлять собой любую энергонезависимую память, носители и устройства памяти, включая, например, и оперативное запоминающее устройство (ОЗУ), постоянное запоминающее устройство (ПЗУ), или другие устройства памяти, такие как стираемая программируемая постоянная память, электрически стираемая программируемая постоянная память и устройства флэш-памяти; магнитные диски, например, внутренние жесткие диски или съемные диски, магнитооптические диски CD- и DVD-диски. Память может хранить данные. Память может также хранить программное обеспечение, относящееся и/или исполняемое любым из вычислительных устройств, используемых в системе 10.
Каждое вычислительное устройство системы 10 может содержать процессор, который исполняет инструкции и управляет данными для выполнения операций вычислительного устройства, такого как центральный процессор (ЦП), блейд-сервер, специализированная интегрированная схема (СИС) или программируемая пользователем вентильная матрица (ППВМ). Обычно процессор функционально связан с памятью для получения данных и/или инструкций от или передачи данных в нее. Процессор и некоторые или все данные, хранимые в памяти, могут быть дополнены или встроены в специализированную логическую схему, такую как специализированная интегрированная схема.
Автоматическая система управления может включать или обращаться к локальному, распределенному или серверному программному обеспечению. На высоком уровне компьютерное программное обеспечение является любым приложением, программой, модулем, процессом или другим программным обеспечением, которое может иметь доступ, возвращать, модифицировать, удалять и иным способом управлять какой-либо информацией в памяти. Одним примером компьютерного программного обеспечения может быть компьютерное приложение, выполняющее любой подходящий эксперимент путем осуществления или выполнения множества шагов. Другой пример компьютерного программного обеспечения - приложение, которое обеспечивает взаимосвязь между одним или большим числом подсистем или модулей. Графические интерфейсы пользователя, которые позволяют пользователям вводить данные и взаимодействовать с системой 10 - еще один пример программного обеспечения.
Вне зависимости от конкретного воплощения программное обеспечение может включать программное обеспечение, встроенное программное обеспечение, зашитое или запрограммированное аппаратное обеспечение или, в зависимости от обстоятельств, их комбинацию. В действительности каждое из вышеупомянутых программных приложений может быть написано или описано на любом подходящем языке программирования, включая C, C++, Java, Visual Basic, ассемблер, Perl, любую отвечающую требованиям версию 4GL, так же как и другие. Также один или большее количество процессов, связанных с этими приложениями, может быть сохранен, к нему можно будет обратиться или выполнить удаленно. Помимо этого, каждое из этих программных приложений может быть дочерним или подмодулем другого программного модуля или промышленного приложения (не показано), оставаясь в рамках описания данного изобретения.
Графический интерфейс пользователя располагается на машине-клиенте. Графический интерфейс пользователя включает интерфейс пользователя, позволяющий оператору системы 10 взаимодействовать хотя бы с частью системы 10 с любой подходящей целью, такой как просмотр экспериментальных параметров и других данных. Обычно графический интерфейс пользователя обеспечивает конкретного пользователя эффективным и простым представлением данных, предоставляемых или передаваемых внутри системы 10. Следует понимать, что термин «графический интерфейс пользователя» может быть использован в единственном или множественном числе для описания одного или большего количества графических интерфейсов пользователя и каждого из экранов графического интерфейса пользователя. В действительности ссылка на графический интерфейс пользователя может, в зависимости от обстоятельств, означать и ссылку на интерфейс пользователя или компонент приложения, так же как и на конкретный интерфейс, доступный через машину-клиент, оставаясь в рамках описания данного изобретения. Таким образом, графический интерфейс пользователя предполагает любой графический интерфейс, такой как обычный интернет-браузер или чувствительный к нажатиям экран, который обрабатывает информацию в системе 10 и эффективно представляет результаты пользователю.
С использованием системы 10 могут быть проведены различные измерения. Например, образцы флюидов с нижнего горизонта могут быть собраны во время геофизических работ, перемещены в цилиндры для образцов и переданы вместе с образцами цельного бурового раствора и фильтратом в местную мобильную лабораторию для использования в PVT-исследованиях.
Фиг.5 показывает общий процесс осуществления автоматической системы управления для системы 10. При запуске автоматическая система управления собирает и/или обновляет показатели приборов, включая, например, давления в системе, температуры, объемы, статус спектрометра и насоса (400). Во время операции системные параметры (402) отслеживаются и записываются (404). Для начала измерения (406) оператор выбирает проводимые эксперименты и вводит параметры эксперимента в автоматическую систему управления (408). Например, для эксперимента при постоянном составе смеси оператор вводит оценочное значение давления насыщения, минимальное давление, максимальное расширение. Автоматическая система управления запускает эксперимент (410), приводя систему 10 к рабочим условиям для начальных контрольных измерений. Образцы обычно сначала восстанавливают до состояния однофазного пластового флюида. Например, образец может быть перемещен в ячейки 12A, 12B системы 10 и камера 14 контроля среды может быть использована для нагрева образца до известной температуры нефтеносного пласта. Гидравлические насосы могут сжать образец до давлений, превосходящих давления в пласте, и затем перемешать образец путем его прокачки взад и вперед между ячейками 12A, 12B, пока не будут достигнуты равновесные условия. Это позволяет любому свободному газу, конденсированной жидкости или кристаллизованному твердому веществу «восстановиться» до однофазного пластового флюида.
Затем автоматическая система управления проверяет, находится ли исследуемый образец в равновесном состоянии (412). Прежде чем записывать данные об объеме во время PVT-эксперимента исследуемые флюиды должны быть приведены в состояние термодинамического равновесия. На время уравновешивания образца значительное влияние оказывают его тип (нефть, газ, пластовая вода); температура системы, давление системы и количество фаз. Автоматическая система управления постоянно следит за давлением, объемом и температурой для определения момента, когда флюиды придут в термодинамическое равновесие. Автоматическая система управления вычисляет следовые средние значения для давления и/или объема для определенного количества считываний (например, ?# считывания) и оценивает результаты через предварительно определенное окно времени (например, ?время). Если замеры постоянны (в пределах заданной +/- погрешности, например, %?), система считается равновесной. Данный способ автоматического определения того, достигнуты ли равновесные условия путем задания желаемого максимального давления, или изменения объема в единицу времени, или увеличения перемешивания позволяет избежать месяцев подготовки, необходимых для обучения лаборантов тому, как определять истинное термодинамическое равновесие для широкого диапазона образцов и давлений/температур флюида, а также обеспечивает получение объективных, воспроизводимых результатов.
Если система 10 не достигает термодинамического равновесия, автоматическая система управления проводит цикл перемешивания (414), как описано выше, включая проверку и регулирование позиций поршней в ячейках давления для поддержания постоянного объема образца. Если система 10 достигла термодинамического равновесия, автоматическая система управления записывает данные давление-объем-температура (416).
Автоматическая система управления может непрерывно рассчитывать вязкость образца (418) на основании габаритов трубки, разности давлений в капиллярном вискозиметре 18, измеренного кварцевыми датчиками 20, и скорость потока флюида через капиллярный вискозиметр 18. Автоматическая система управления может записывать вязкость образца (420) через определенные интервалы и/или во время записи данных давление-объем-температура. Ламинарный или близкий к ламинарному поток может повысить точность измерений вязкости (например, если флюиды образца представляют собой турбулентный или вихревой поток, ошибка измерения вязкости может составить до 50%). Во избежание этой ошибки автоматическая система управления рассчитывает во время эксперимента ориентировочные параметры, такие как число Рейнольдса, число Дина и эффективную вязкость, и показывает результаты на экране оператору. Если образец во время эксперимента течет в неправильном режиме, программное обеспечение предупредит оператора и позволит ему поменять скорости насосов или поменяет скорости насосов автоматически. Это может обеспечить более точные измерения вязкости, чем вискозиметры или лаборатории, которые не отслеживают данные характеристики в режиме реального времени.
Автоматическая система управления использует оптическую регистрацию и данные разности давлений для определения момента образования первого пузырька газа в жидкости (точка начала кипения); первой капли жидкого конденсата из газа (точка росы) и/или первых частиц органического твердого вещества (например, парафина или асфальта). Автоматическая система управления использует спектрометр для отслеживания поглощения света в ультрафиолетовой и видимой области спектра. Профиль светопоглощения резко меняется при изменении фазы или формировании органических твердых веществ. Когда происходит изменение фазы, система автоматического управления измеряет фазовые объемы (422), записывает оптические данные (424), и, в зависимости от обстоятельств, удаляет газовую фазу из системы 10 (426).
Автоматическая система управления проверяет, была ли точка последней в эксперименте (428). Если нет, автоматическая система управления переходит к следующей (430) заданной точке и повторяет экспериментальный цикл. Если же была, автоматическая система управления завершает эксперимент (432).
Автоматическая система управления также записывает изменения в разности давлений в капиллярном вискозиметре. Как только разность давлений превысит заданный порог (как при формировании парафинов и асфальта), система остановит эксперимент, возвратит флюиды в контрольную ячейку и восстановит флюид до начального состояния для подготовки к следующему эксперименту. Результатом комбинации оптики и разности давлений для избыточности и использования высокоточных датчиков является высокая степень точности.
С использованием процесса, показанного как пример на Фиг.6, система 10 может быть использована при проведении экспериментов при постоянном составе смеси, в которых пластовые флюиды в ячейках 12A, 12B подвергается постоянному расширению при постоянном составе смеси и известной температуре нефтеносного пласта. CCE-эксперимент проводится при расширении флюида заданными приращениями объема. По мере увеличения объема падает давление флюида. Жидкости, отобранные с нижнего горизонта, содержат «растворенный» газ, то есть газ, растворенный в жидкости при высоких давлении и температуре. Из-за присутствия растворенного газа, использование постоянного приращения объема для увеличения образца не дает оптимального распределения экспериментальных точек. Аналогично ретроградные газовые конденсаты не лучшим образом поддаются анализу при постоянном приращении объема. Для достижения оптимального распределения автоматическая система управления применяет алгоритм, который сочетает функцию отличного от нормального статистического распределения с логарифмическим уравнением. Алгоритм порождает распределение экспериментальных точек, которые концентрируются вокруг оценочного значения давления насыщения (то есть точки начала кипения или точки росы), при этом для двухфазной части CCE-измерений шаги объема увеличиваются в прогрессии (логарифмически).
Оператор обеспечивает автоматическую систему управления входными параметрами, включая, например, оценочное давление насыщения, минимальное давление, максимальное расширение. Во время процесса флюиды начинают расширяться с давления, превосходящего характерное для нефтеносного пласта, до, например, 1724 КПа, при этом записывается общий объем флюида над и под точкой начала кипения (то есть давление, при котором из раствора выделяется газ). Точка начала кипения может быть определена с использованием оптического блока 22 и спектрофотометра для идентификации изменений оптических характеристик образца флюида и/или по острому пику в общей сжимаемости флюида в системе. Пластовый флюид может быть определен как ненасыщенный, насыщенный или пересыщенный в условиях, воспроизводящих условия нефтеносного пласта, путем сравнения точки начала кипения с наблюдаемыми условиями нефтеносного пласта. Относительный объем образца, однофазная сжимаемость, двухфазная Y-функция и однофазная плотность также могут быть рассчитаны как функции давления.
С использованием процессов, показанных в качестве примеров на Фиг.7A и 7B система 10 может быть задействована при проведении эксперимента дифференциального выделения (газа) (DLE) для воспроизведения эффектов истощения нефтеносного пласта ниже точки начала кипения. Оператор обеспечивает автоматическую систему управления входными параметрами, включая, например, приращения давления. Образец флюидов сначала подвергается воздействию характерной температуры нефтеносного пласта и давления, равного или чуть превосходящего наблюдавшееся в точке начала кипения во время CCE-эксперимента. При пошаговом сбросе давления от уровня точки начала кипения до атмосферного образец перемешивается для уравновешивания газовой и жидкой фаз. После уравновешивания измеряются фазовые объемы, удаляется равновесная газовая фаза и ее состав оценивается с использованием композиционного анализа посредством улучшенной газовой хроматографии (метод РГХ 2286), и сжатие жидкой фазы измеряется с использованием системы 10. Данные измерения позволяют рассчитать объемный фактор нефти (Bo), отношение газ/нефть (Rs), газовый объемный фактор (Bg), удельный вес газа, газовый Z-фактор и плотность нефти. По составу газа и составу остаточной нефти можно рассчитать состав исходного пластового флюида по материальному балансу.
С использованием процессов, показанных в качестве примеров на Фиг.8A и 8B, образец пластового флюида также может быть подвергнут многостадийному разделению при намеченных условиях процесса для определения отношения газ/нефть, объемного коэффициента, коэффициента сжатия нефти и состава выделяемого газа (например, при поверхностных условиях). Оператор обеспечивает автоматическую систему управления входными параметрами, включая, например, приращения давления/температуры. Система 10 используется для уравновешивания образца флюида при различных температурах и давлениях, после чего газовая фаза удаляется. Измерение плотности нефти, приведенной к товарным условиям, позволяет произвести расчет запаса пластового флюида по материальному балансу для качественной проверки данных. Например, дренажные линии могут быть напрямую подсоединены к системе композиционного анализа, которая, например, воплощает способ анализа состава, в том числе нефти с растворенным газом, и включает разделение смеси на газовую и жидкую фазы. Состав газовой фазы может быть определен при помощи газового хроматографа. По меньшей мере часть жидкой фазы может быть помещена в капсулу, а газовая фаза над флюидами может отбираться из капсулы. Состав газовой фазы над флюидами может быть определен при помощи газового хроматографа. Примеры систем и способов подробно описаны в US7467540, который включен в настоящую заявку во всей полноте посредством ссылки.
Система 10 может быть использована для проведения схожего анализа образцов газовых конденсатных систем. Образцы сепарированного газа и жидкости могут быть физически заменены в системе 10 в пропорциях отношения газа к нефти, определенных данными добычи. Замененный пластовый флюид затем может быть использован для дальнейшего анализа. Состав продукции скважины может быть рассчитан на основе определенных составов продуктов сепарации и отношения газа к нефти.
CCE-эксперимент обычно может быть проведен, как описано выше, с пошаговым понижением давления при температуре нефтеносного пласта. При этом определяется точка росы (например, давление, при котором жидкости начинают конденсироваться из газа), а не точка начала кипения.
С использованием процессов, показанных в качестве примеров на Фиг.9A и 9B - исследование дифференциальной конденсации (CVD) при постоянном объеме может быть выполнено в системе 10, которая используется для пошагового понижения давления от наблюдаемой точки росы до предполагаемого давления истощения для интересующего образования. Оператор обеспечивает автоматическую систему управления входными параметрами, включая, например, приращения давления. На каждом этапе образец может перемешиваться для уравновешивания газовой и жидкой фаз, могут измеряться фазовые объемы, отбираться равновесная газовая фаза (возвращаясь к объему воздуха), измеряться накопление жидкой фазы и состав отбираемых газовых фаз. Эти измерения позволили произвести расчет процента выпавшей жидкости, процента выделенных, газового Z-фактора, двухфазного Z-фактора и концентраций углеводородных компонентов как функций снижения давления в результате истощения пласта.
Система 10 также может быть использована для проведения различных измерений для гидродинамических расчетов, например, определения температуры появления парафинов, давления начала осаждения асфальтенов; реологии потока (зависимость сдвига/вязкость системы с растворенным газом).
Например, может быть важно определить температуру формирования кристаллов парафина, поскольку такие кристаллы могут оседать и закупоривать производственные системы. Система 10 перестраивается для определения температуры появления кристаллов парафина путем замены капиллярной трубки на трубку с фильтром высокого давления. С использованием процесса, показанного в качестве примера на Фиг.10, может быть определена точка появления парафинов. Оператор обеспечивает автоматическую систему управления входными параметрами, включая, например, приращения давления, скорости охлаждения. Поршни 24 могут использоваться для прокачки образца флюида взад и вперед между ячейками 12A, 12B, в то время как камера контроля 14 постепенно понижает температуру системы, начиная с характерных температур нефтеносного пласта. При достижении температуры появления парафинов формируются кристаллы парафинов, захватываемые фильтром так, что разность давлений, измеряемая кварцевыми датчиками 20 возрастает и меняется светопоглощение образца флюида, наблюдаемое с использованием оптического блока 22.
Также может быть важно определить давление начала появления асфальтена. С использованием процесса, показанного в качестве примера на Фиг.11, может быть определено давление появления асфальтена. Как и в случае с экспериментом по определению температуры появления парафинов, система 10 перестраивается путем замены капиллярной трубки на фильтр высокого давления. Оператор обеспечивает автоматическую систему управления входными параметрами, включая, например, регулируемую температуру и скорость сброса давления. Поршни 24 могут использоваться для прокачки образца флюида взад и вперед между ячейками 12A, 12B, в то время как давление, прилагаемое к образцу флюида, постепенно уменьшается, начиная с характерного давления нефтеносного пласта. При достижении температуры появления асфальтена разность давлений, измеряемая кварцевыми датчиками 20, возрастает и меняется светопоглощение образца флюида, наблюдаемое с использованием оптического блока 22.
Система 10 может быть также использована для проведения усиленных/улучшенных измерений коэффициента извлечения нефти, при этом для инжекции предполагаются газы, например, для оценки растворимости/насыщения газом, проведения различных (прямых и обратных) экспериментов газонефтяного контакта, измерения изменений вязкости при введении газа и оценки повторного испарения.
Например, растворимость/насыщение газом пластового флюида может быть оценена путем помещения образца в ячейки 12A, 12B и введением определенного количества предлагаемого инжекционного газа в систему. После перемешивания флюида до достижения равновесных условий может быть измерен объем нефти для определения увеличения объема нефти в ответ на введение газа. CCE-эксперимент может быть проведен для проверки изменения точки начала кипения в ответ на введение газа. Изменения вязкости флюида в ответ на введение газа могут быть измерены с использованием капиллярного вискозиметра 18. Такие разнообразные изменения могут быть измерены как функция количества газа, введенного в систему 10.
Система 10 может быть также использована для проведения различных экспериментов (прямого и обратного) газонефтяного контакта, в которой заданный объем газа вводится в систему 10. Флюид в системе 10 могут затем перемешиваться при заданном давлении до достижения равновесных условий. Оставшийся газ затем может быть отобран из системы для оценки увеличения объема жидкой фазы, усадки и обогащения газовой фазой. Шаги могут повторены со свежей порцией инжекционного газа. С другой стороны, вместо отбора оставшейся газовой фазы для оценки увеличения объема жидкой фазы и обогащения введенным газом из системы 10 может быть отобрана жидкая фаза.
Система 10 также может быть использована для проверки химических продуктов, таких как, например, ингибиторы, диспергаторы, продукты, ослабляющие трение, деэмульсификаторы. Общие эксперименты, описанные выше, могут быть проведены после введения заданного химического продукта в систему 10 для оценки похожих эффектов заданного химического продукта на флюиде в резервуаре, из которого был взят проверяемый образец.
Система 10 также может быть использована для измерения таких свойств, как, например, сжимаемость флюида, тепловое расширение, растворимость газа и вязкость как функции давления и температуры.
Однако необязательно описываемые здесь понятия, комбинация и автоматизация операций смогут исключить дополнительное оборудование, используемое при выполнении PVT-экспериментов с образцом. Во многих случаях дополнительное оборудование, требуемое для анализа жидкой фазы объемно и не может содержаться на маленькой испытательной базе. Данное оборудование также трудно перевозить. Как следствие, оборудование, необходимое для проведения PVT-экспериментов, как и остатки оборудования, нужного для анализа образца, поддерживаются в централизованных испытательных базах в различных частях света. Образец может преодолеть десятки или сотни километров от места добычи до централизованной испытательной базы.
Например, хотя морские платформы обычно содержат маленькую лабораторию, места на платформе недостаточно для проведения PVT-экспериментов. Таким образом, образец, забранный на платформе, обычно перевозится на берег. Также непрактично содержать объемное аналитическое оборудование на удаленных береговых участках отбора образцов, таких как участки в сельской местности. В зависимости от расположения морской платформы или сельского участка отбора образцов образец может преодолеть десятки и сотни километров, что достичь испытательной базы. Перевозка вносит многочасовую задержку между временем забора образца и временем проведения анализа. Эта временная задержка препятствует частым экспериментам и затрудняет повторные эксперименты. Перевозка увеличивает вероятность того, что образец будет испорчен и/или загрязнен и привносит дополнительные транспортные и временные затраты в стоимость анализа. Если образец загрязнен во время сбора, перевозки, или наоборот, это не будет установлено до тех пор, пока образец не переместится на много километров до централизованной испытательной базы. Тогда надо отобрать другой образец и переместить на централизованную испытательную базу либо отказаться от анализа.
Измерительная система, показанная на примере системы 10, описанной выше, напротив, может быть меньше, легче в транспортировке и может содержаться на маленькой испытательной базе. Так, аналитическая система 10 может содержаться на месте забора образца или рядом с ним. Например, как показано на Фиг.12, аналитическая система 10 может содержаться на морской платформе. Содержание аналитического оборудования на месте забора образца позволяет часто проводить эксперименты и устраняет временную задержку и расходы, связанные с транспортировкой образца. В отсутствие возможности содержать все аналитическое оборудование на месте забора образца аналитическое оборудование может быть доставлено к месту забора образца. Наличие аналитического оборудования рядом с местом забора образца позволяет быстро выполнять повторные измерения, если образец был загрязнен при сборе, перевозке или наоборот.
Был описан ряд осуществлений изобретения. Тем не менее ясно, что в пределах его сущности могут иметь место различные варианты осуществления изобретения. Соответственно прочие осуществления находятся в рамках следующих пунктов формулы изобретения.