Патент на изобретение №2310893

(54) СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ФЛУОРЕСЦЕНТНОЙ СПЕКТРОМЕТРИИ В СКВАЖИНЕ

(57) Реферат:

Прибор для измерения флуоресценции пластового флюида в стволе скважины содержит камеру с окошком, сообщающимся своей одной стороной с пластовым флюидом, другой стороной с источником ультрафиолетового излучения. Источник ультрафиолетового излучения для освещения пробы флюида и приемник излучения для измерения спектров флуоресценции пробы флюида расположены со второй стороны окошка. Также предложен способ для измерения флуоресценции пластового флюида в стволе скважины. Изобретение обеспечивает упрощение устройства и способа, а также повышение их надежности. 2 н. и 19 з.п. ф-лы, 3 ил.

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к способу и устройству для флуоресцентной спектрометрии, простой в осуществлении в условиях буровой скважины.

Уровень техники

Флуоресцентный анализ проводится на буровом шламе и кернах, получаемых во время бурения скважин, для определения наличия углеводородов в поровых флюидах – жидких средах пористой породы скважины. Пример такого способа раскрыт в патенте US 4690821. Подобные способы предусматривают очистку бурового шлама и кернов для удаления из них любых используемых при бурении технологических жидкостей, присутствие которых может помешать проведению анализа. Образцы породы размельчаются и подвергаются жидкостной экстракции с последующим анализом растворителя-экстрагента. В других случаях образец облучают непосредственно (без промежуточной обработки) и анализируют его флуоресценцию. Хотя эта методика может обеспечить достаточную точность анализа поровых флюидов, ей присущи определенные недостатки. Получение кернов представляет собой относительно дорогостоящий процесс, и для анализа керн необходимо поднять на поверхность. Кроме того, поскольку керны берутся только из определенных мест, не исключена вероятность пропуска продуктивного пласта. Получение бурового шлама при бурении идет непрерывно, но недостаток использования шлама состоит в том, что на поверхности невозможно определить точное происхождение тех или иных частиц породы по разрезу скважины, что затрудняет выявление продуктивных пластов. Кроме того, анализ бурового шлама не позволяет точно судить о размерах возможно выявленных продуктивных пластов. Поэтому в последнее время инновационная деятельность была сосредоточена на изучении возможностей проведения флуоресцентных исследований в условиях скважин.

В патенте US 5912459 (Mullins и др.) на изобретение “Способ и устройство для люминесцентного каротажа” раскрыт способ, предусматривающий облучение ствола скважины размещенным в скважинном приборе источником света, детектирование любого возбужденного флуоресцентного излучения посредством расположенного в приборе детектора и анализ флуоресцентного излучения для определения присутствия в породе углеводородов. В предпочтительном варианте облучают стенку скважины, а флуоресцентное излучение регистрируют через окошко в приборе, прижимаемое к стенке скважины. Обычно окошко прижимают к стенке скважины с усилием, достаточным для вытеснения возможных фильтрационных корок бурового раствора на значительной период времени, при перемещении прибора по стволу скважины. Прижим окошка к стенке скважины сводит к минимуму влияние ее шероховатости при допущении, что степень шероховатости стенки скважины является низкой.

В международной публикации WO 01/20322 А1 описан способ флуоресцентной спектрометрии для расчета давления в пласте, при котором начинается образование отложений асфальтенов. Этот известный способ предусматривает облучение отобранной пробы и измерение флуоресценции при нескольких значениях давления. Осаждающиеся асфальтены вызывают значительное оптическое рассеивание. Образование отложений асфальтенов выявляется по резкому уменьшению интенсивности проходящего света и значительному повышению рассеивания света в пробе. В публикации WO 01/20322 А1 флуоресценция используется только для определения загрязняющих примесей. Таким образом, существует необходимость создания способа и устройства для определения свойств нефти, а также чистоты проб нефти с использованием флуоресценции.

В условиях буровой скважины управление работой датчиков является сложной задачей. Измерительные приборы, используемые в буровой скважине, должны работать в условиях ограниченного пространства герметичного корпуса скважинного прибора, при повышенных температурах и должны выдерживать ударные и вибрационные нагрузки. Таким образом, существует необходимость в простом и надежном устройстве для флуоресцентной спектрометрии, приспособленном для работы в условиях буровой скважины.

Краткое изложение сущности изобретения

Объектами настоящего изобретения являются способ и устройство для проведения флуоресцентной спектрометрии, простой в осуществлении в условиях скважины. Предлагаемое устройство может быть присоединено к уже используемому модулю определения характеристик скважинных флюидов. Устройство содержит две лампы УФ-излучения (далее – УФ-лампы) и оптически прозрачный УФ-соединитель или оптический волновод, а также вместилище (камеру) для размещения анализируемой пробы. Оптически прозрачный УФ-соединитель и вместилище для пробы флюида выполнены из сапфира. Такое вместилище уже существует как составная часть прибора RCI (Reservoir Characterization Instrument – прибор для определения характеристик пласта-коллектора) SampleView^SM фирмы “Бейкер Атлас”. Предлагаемое устройство устанавливается таким образом, чтобы путь излучения от источника излучения, расположенного на дальней от вместилища стороне устройства, проходил через плиту, на которой зафиксированы УФ-лампы. Флюид облучается УФ-излучением и, в свою очередь, флуоресцирует. Идущее от пробы флуоресцентное излучение направляется обратно в сторону держателя УФ-лампы и через оптический волновод проходит к оптическому спектрометру (анализатору оптического спектра) для анализа.

В одном варианте изобретения оператор контролирует чистоту пробы нефти с течением времени путем визуального наблюдения за происходящими во времени ростом и стабилизацией уровня флуоресценции серии проб. В другом варианте изобретения оператор оценивает свойства нефти на основании моделей, построенных на соотношениях уровней флуоресценции и нечувствительных к степени разбавления нефти нефлюоресцирующими жидкостями, такими как фильтрат синтетического бурового раствора. Предусмотрен процессор, решающий хемометрическое уравнение или поддерживающий нейронную сеть для прогнозирования того или иного свойства флюида на основании измеренного спектра флуоресценции.

Для повышения интенсивности освещения пробы УФ-излучением за УФ-лампами предусмотрена отражающая поверхность. Оптически прозрачный УФ-соединитель или сапфировый световод еще более усиливают интенсивность излучения. Поскольку интенсивность свечения УФ-ламп зависит от температуры, изобретение предусматривает контроль этой интенсивности излучения. Интенсивность красной спектральной линии, пропорциональная интенсивности спектра источника УФ-излучения, контролируется с помощью светочувствительных устройств, которые уже имеются и используются в составе прибора RCI SampleView^SM фирмы “Бейкер Атлас”. Напряжение зажигания дуги УФ-лампы (пусковое напряжение) также увеличивается с температурой. Настоящим изобретением предусматривается противодействие такому постепенному нарастанию напряжения посредством смены полярности перед каждым следующим зажиганием дуги.

Краткое описание фигур чертежей

На фиг.1 показана схема модуля определения характеристик флюидов SampleView^SM.

На фиг.2А-2В схематично показаны элементы конструкции устройства, используемые для установки источника УФ-излучения на блок спектрального анализа (на фиг.2Б и 2В представлены, соответственно, разрезы 2Б-2Б и 2В-2В, обозначенные на фиг.2А).

На фиг.3 показано взаимное расположение элементов конструкции, изображенных на фиг.2А-2В.

Предпочтительный вариант осуществления изобретения

Фиг.1 иллюстрирует существующую компоновку элементов модуля определения характеристик флюидов в скважине, такого как прибор для определения характеристик пластов-коллекторов SampleView^SM фирмы “Бейкер Атлас”. Источник 101 УФ-излучения (например, лампа накаливания с вольфрамовой нитью) излучает свет в направлении пробы флюида, а линзовый коллиматор 103, расположенный между источником 102 УФ-излучения и пробой, собирает свет в пучок параллельных лучей. Коллимированный пучок света практически перпендикулярно падает на первое сапфировое окошко 301. Сапфировые окошки 301 и 303 расположены в основном перпендикулярно коллимированному пучку 306 света и разделены зазором или каналом 304, по которому может проходить заключенный между окошками поток пробы 305 флюида. Для определения свойств пробы можно использовать отраженный свет и свет флуоресценции. Существующие скважинные приборы (см. фиг.1) снабжаются источником УФ-излучения, который может включаться, когда источник 101 с вольфрамовой нитью выключен. Спектрометр 104, содержащий расположенные перед фотодиодами фильтры фиксированных длин волн, обеспечивает измерение характеристик флуоресценции нефти и сбор результатов таких измерений. Выходные сигналы с фотодиодов собираются и обрабатываются электронным оборудованием/процессором 308 (блок спектрального анализа).

На фиг.2А-2В показаны элементы конструкции устройства, используемые для установки источника УФ-излучения на блок спектрального анализа, например, показанный на фиг.1. Средством крепления вышеупомянутого источника к блоку спектрального анализа (например, SampleView^SM) служит плита 200 основания и винты. Предусмотрено несколько держателей 211 для ламп, выполненных из электроизоляционного материала, с винтами для их фиксации. Эти же винты используются для крепления плиты 200 основания к блоку спектрального анализа. На схеме также показан оптически прозрачный УФ-соединитель 202 и его положение относительно двух УФ-ламп 204 после сборки устройства. Соединитель 202 перекрывает зоны излучения ламп 204, тем самым ограничивая распространение УФ-излучения объемом оптического соединителя 202.

Прямоугольный проем 205 в центре плиты 200 основания обеспечивает прохождение через плиту основания отраженного ультрафиолетового флуоресцентного свечения. Этот проем позволяет анализировать и другие световые сигналы (например, обусловленные работой источника света с вольфрамовой нитью), когда УФ-лампы 204 выключены. Высоковольтный источник питания 207 подает энергию на включение УФ-ламп 204 при температуре 175°С. Используемые в устройстве УФ-отражатели 209 поделены на участки таким образом, чтобы направлять отражаемое излучение под углом, при котором оно будет эффективно собираться в оптически прозрачном УФ-соединителе 202.

На фиг.3 показано взаимное расположение элементов конструкции, изображенных на фиг.2А-2В. Оптически прозрачный УФ-соединитель 202, УФ-лампы 204, плита 200 основания, отражающий канал 205 для прохода УФ-излучения собраны, как показано на фиг.2А-2В. С одной стороны от оптически прозрачного УФ-соединителя 202 расположены УФ-лампы 204, а с противоположной стороны, опираясь на него, расположено вместилище для флюида, содержащее две оптически прозрачные пластины 301 и 303, способные выдерживать высокое давление проходящего между ними пластового флюида 305. В предпочтительном варианте исполнения эти пластины выполнены из сапфира. УФ-соединитель 202 и пластины вместилища выполнены из материалов с практически одинаковым показателем преломления, например из сапфира, чтобы свет мог проходить из одного материала в другой, не отклоняясь.

От высоковольтного источника питания, показанного на фиг.2А, на УФ-лампы 204 подается напряжение. Как прямой свет от УФ-ламп 204, так и отраженный от УФ-отражателей 209 свет довольно эффективно передается к ближней области пластового флюида 305. Для концентрации достаточной плотности УФ-излучения на границе между сапфировым окошком и нефтью изобретение предусматривает использование фацетного зеркального отражателя 209, размещенного по стенкам выемок каждой миниатюрной УФ-лампы и оптического волновода (оптически прозрачного УФ-соединителя) и выполненного из материала с высоким показателем преломления (сапфир), который улавливает свет, испускаемый источником УФ-излучения под большим телесным углом, и проецирует его вперед. Такой зеркальный отражатель (рефлектор) повышает интенсивность излучения на 25%, а оптический волновод повышает интенсивность изобретения на 235%. Указанный оптический волновод также собирает слабое флуоресцентное излучение, испускаемое под большим телесным углом, и направляет его к фотоприемникам (детекторам).

Под действием ультрафиолетового излучения от источника проба 305 пластового флюида флуоресцирует. Результирующее флуоресцентное излучение пробы флюида направляется в обратном направлении через прямоугольный проем 205 в плите основания в блок 308 спектрального анализа. Отраженное флуоресцентное излучение дает полезную информацию при анализе пластового флюида в скважине. Блок 308 спектрального анализа также реализует хемометрические уравнения и поддерживает нейронную сеть для оценки чистоты пластового флюида по результатам измерений флуоресцентных спектров.

Реализация устройства для флуоресцентной УФ-спектрометрии в условиях скважины предусматривает использование миниатюрных УФ-ламп, помещающихся в малом объеме, имеющемся в существующем приборе. Зависящие от температуры характеристики УФ-лампы влияют на напряжение зажигания дуги. Из-за того, что напряжение зажигания постепенно растет с повышением температуры, возбуждение дуги УФ-лампы при повышенных температурах осуществляется более высоким напряжением зажигания дуги (пусковым напряжением). Например, при 100°С напряжение постоянного тока, необходимое для первого пуска УФ-лампы, составляет 470 вольт. В качестве другого примера, при 150°С напряжение постоянного тока для пуска УФ-лампы составляет 720 вольт, а при 175°С – уже 900 вольт. Форма пускового импульса также влияет на его величину. Когда значение напряжения нарастает постепенно, потребное напряжение зажигания выше, чем в случае, когда напряжение зажигания возрастает резким скачком.

Для устранения такого постепенного роста пускового напряжения с повышением температуры в соответствии с настоящим изобретением предлагается для каждого последующего пуска менять полярность постоянного напряжения 207. Без изменения полярности постоянного напряжения при каждом последующем пуске пусковое напряжение понемногу вырастает до точки, в которой на десятом пуске при 175°С пусковое напряжение от первоначального уровня 900 вольт достигает 1000 вольт. После запуска УФ-лампа работает при напряжении 150-160 вольт и силе тока 4-5 миллиампер. Оператор вынужден либо использовать очень высокое пусковое напряжение постоянного тока, либо постоянно менять полярность пускового напряжения, либо переходить на использование пускового и рабочего напряжения переменного тока.

В предпочтительном варианте изобретения предусмотрена нормализация спектров флуоресценции, что позволяет противодействовать изменению рабочих характеристик лампы в зависимости от температуры. При 125°С интенсивность излучения УФ-лампы снижается примерно наполовину по сравнению с комнатной температурой. Изобретением предусматривается нормализация спектров флуоресценции по яркости свечения УФ-лампы (которая изменяется по температуре) посредством контроля красной спектральной линии, которая присутствует в спектре излучения УФ-лампы. Интенсивность этой красной спектральной линии пропорциональна интенсивности спектральной линии ультрафиолетового излучения. Изобретение позволяет оператору использовать эту красную линию, так как прибор SampleView^SM имеет красный спектральный канал, позволяя таким образом контролировать яркость источника УФ-излучения без использования отдельного УФ-детектора.

В предпочтительном варианте осуществления изобретение предусматривает возможность контроля чистоты проб нефти с течением времени путем анализа происходящих со временем роста и стабилизации уровня флуоресценции. В случае скважин, бурение которых ведется с использованием синтетических буровых растворов на углеводородной основе, изобретение позволяет, отслеживая флуоресценцию, контролировать изменение чистоты проб со временем. Дело в том, что жидкие основы для синтетических буровых растворов разрабатывались с учетом требований к экологической безвредности. Поэтому, в отличие от нефтей, они не содержат таких наиболее распространенных флуоресцирующих углеводородных составляющих как ароматические соединения или ароматические соединения с конденсированными ядрами. У синтетического фильтрата флуоресценция низка или вообще отсутствует. Поэтому по мере повышения чистоты проб нефти (меньше фильтрата, больше нефти) интенсивность флуоресценции повышается.

В другом варианте осуществления изобретение позволяет оценивать свойства нефти по моделям, построенным на соотношениях флуоресценции и нечувствительным к разбавлению нефти практически не флуоресцирующей жидкостью, такой как фильтрат синтетического бурового раствора. В случае синтетического бурового раствора, фильтраты которого имеет малую флуоресценцию, если флуоресцируют вообще, добавление фильтрата к нефти оказывает на флуоресценцию нефти “разжижающее” действие. В соответствии с изобретением предлагаются модели, в которых которые различные свойства нефти (например, плотность в градусах API (Американский институт нефти), времена Т1 и Т2 ядерного магнитного резонанса и т.п.) соотносятся с отношениями уровней флуоресценции нефти на двух или более длинах волн. Эти модели, построенные на вышеупомянутых отношениях, независимы от степени разбавления нефти нефлуоресцирующими фильтратами синтетических буровых растворов при условии, что собственное поглощение на длинах волн возбуждения и излучения сохраняется относительно низким.

Для реализации выведенных хемометрических уравнений и обученных нейронных сетей с целью оценки свойств проб флюидов по результатам измерений ультрафиолетовых спектров используется процессор 308.

Настоящее изобретение позволяет проводить спектральные измерения высокого разрешения с гораздо более высокой точностью, а также обеспечивает надежные уравнения корреляции для оценки процентного содержания метана (природного газа), ароматических углеводородов, олефинов, предельных (насыщенных) углеводородов, а также других свойств нефти, используя хемометрию или нейронные сети. Эти уравнения корреляции независимы от исследуемой нефти или используемого фильтрата.

В предпочтительном варианте осуществления изобретение предусматривает использование выведенных уравнений или нейронных сетей для определения количества ароматических углеводородов, олефинов, предельных углеводородов и загрязняющих примесей в пробе, анализируемой согласно изобретению на основании спектральных измерений. В известных методах опробования пластов прямые измерения процентного содержания примесей или уровней загрязнения пробы не используются. Настоящее изобретение предусматривает использование обучающей последовательности (эталонного набора) известных проб, а применение хемометрических методов позволяет с помощью компьютера на основании измеренного спектра пробы определять математическое выражение для процентного содержания в пробе ароматических углеводородов, олефинов, предельных углеводородов и загрязняющих примесей. Хемометрические методы также позволяют обойтись без сведений о том, что представляет каждый пик спектра и насколько определенный пик перекрывает другой пик. Например, настоящее изобретение нашло применение при определении процентного содержания загрязняющих примесей по хемометрической формуле, выведенной на основе известных проб с известными значениями содержания ароматических углеводородов, например проб, содержащих 20, 30 или 50% ароматических углеводородов. Обычно фильтрат не содержит ароматических углеводородов, поэтому изобретение позволяет проводить прямое определение процентного содержания загрязняющих примесей или фильтрата в пробе. Обучающая последовательность также может использоваться для обучения нейронных сетей для прогнозирования или определения процентного содержания присутствующих в пробе ароматических углеводородов, олефинов, предельных углеводородов и загрязняющих примесей. В предпочтительном варианте изобретения результаты хемометрических расчетов и расчетов при помощи нейронных сетей сравнивают и данным, полученным на выходе соответствующих компонентов, т.е. этим результатам, присваивают показатель качества. При совпадении результатов, полученных из хемометрического уравнения и нейронных сетей, устанавливают высокий показатель качества, равный 1,0, Если результаты расходятся, их осредняют, и показатель качества устанавливают как частное разности полученных значений и суммы этих величин, вычтенное из 1,0.

Рассмотренный выше предпочтительный пример выполнения изобретения приведен только для иллюстрации и не ограничивает объема изобретения, определенного в прилагаемой формуле изобретения.

Формула изобретения

1. Скважинный прибор для измерения флуоресценции пластового флюида в стволе скважины, содержащий камеру с окошком, сообщающимся своей первой стороной с пластовым флюидом, источник ультрафиолетового (УФ) излучения для освещения пробы флюида со второй стороны окошка и приемник излучения для измерения спектров флуоресценции пробы флюида со второй стороны окошка.

2. Прибор по п.1, содержащий также фацетный зеркальный отражатель для повышения интенсивности падающего на пластовый флюид излучения.

3. Прибор по п.1, в котором окошко выполнено из сапфира.

4. Прибор по п.1, содержащий также фотодиод для контроля интенсивности излучения от источника УФ-излучения и нормализующий компонент для коррекции измеренных спектров флуоресценции, учитывающей изменение интенсивности излучения от источника УФ-излучения, измеряемой указанным фотодиодом.

5. Прибор по п.1, в котором на источник УФ-излучения подается напряжение зажигания с чередованием полярности.

6. Прибор по п.1, в котором на источник УФ-излучения подается импульс напряжения зажигания, время нарастания которого меньше 500 мс.

7. Прибор по п.1, содержащий также нейронную сеть для определения процентного содержания в пластовом флюиде ароматических углеводородов, олефинов, предельных углеводородов и загрязняющих примесей на основании результатов измерений в двух или более каналах флуоресценции.

8. Прибор по п.1, содержащий также компонент для хемометрических расчетов, позволяющий определять процентное содержание в пробе флюида по меньшей мере одного из перечисленных ниже типов веществ: ароматические углеводороды, олефины, предельные углеводороды и загрязняющие примеси, на основании результатов измерений в двух или более каналах флуоресценции.

9. Прибор по п.1, содержащий также модель соотношения уровней флуоресценции для определения процентного содержания в пробе флюида ароматических углеводородов, олефинов, предельных углеводородов и загрязняющих примесей на основании результатов измерений в двух или более каналах флуоресценции.

10. Прибор по п.1, содержащий также вычислительные компоненты, включающие в себя:

нейронную сеть для определения процентного содержания в пластовом флюиде ароматических углеводородов, олефинов, предельных углеводородов и загрязняющих примесей,

компонент для хемометрических расчетов, позволяющий определять процентное содержание в пластовом флюиде по меньшей мере одного из перечисленных ниже типов веществ: ароматические углеводороды, олефины, предельные углеводороды и загрязняющие примеси,

модель соотношения уровней флуоресценции для определения процентного содержания в пластовом флюиде ароматических углеводородов, олефинов, предельных углеводородов и загрязняющих примесей, и

компонент для определения показателя качества, позволяющий сравнивать данные, полученные на выходе двух из указанных выше вычислительных компонентов, и присваивать этим данным показатель качества.

11. Прибор по п.1, содержащий также формулу для вычисления показателя качества посредством вычитания из 1,0 модуля разности данных, полученных на выходе двух вычислительных компонентов.

12. Способ проведения флуоресцентной спектрометрии в скважине, заключающийся в том, что пластовый флюид помещают в контакте с окошком камеры с первой стороны этого окошка, а со второй стороны окошка камеры освещают пластовый флюид источником ультрафиолетового (УФ) излучения и измеряют спектры флуоресценции пластового флюида приемником излучения.

13. Способ по п.12, в котором излучение около источника УФ-излучения отражают и максимально повышают плотность потока УФ-излучения, собираемого в оптическом соединителе, с максимальным повышением интенсивности излучения, падающего на пластовый флюид.

14. Способ по п.12, в котором контролируют интенсивность излучения от источника УФ-излучения и нормализуют измеренные спектры флуоресценции с учетом изменения интенсивности излучения от источника УФ-излучения.

15. Способ по п.12, в котором чередуют полярность напряжения зажигания, подаваемого на источник УФ-излучения.

16. Способ по п.12, в котором на источник УФ-излучения подают импульс напряжения зажигания со временем нарастания импульса, составляющим менее 500 мс.

17. Способ по п.12, в котором посредством нейронной сети определяют процентное содержание в пробе флюида ароматических углеводородов, олефинов, предельных углеводородов и загрязняющих примесей на основании результатов измерений в двух или более каналах флуоресценции.

18. Способ по п.12, в котором посредством компонента для хемометрических расчетов определяют процентное содержание в пробе флюида по меньшей мере одного из перечисленных ниже типов веществ: ароматические углеводороды, олефины, предельные углеводороды и загрязняющие примеси, на основании результатов измерений в двух или более каналах флуоресценции.

19. Способ по п.12, в котором посредством модели соотношения уровней флуоресценции определяют процентное содержание в пробе флюида ароматических углеводородов, олефинов, предельных углеводородов и загрязняющих примесей на основании результатов измерений в двух или более каналах флуоресценции.

20. Способ по п.12, в котором определяют процентное содержание в пробе флюида ароматических углеводородов, олефинов, предельных углеводородов и загрязняющих примесей, используя для этого компонент для хемометрических расчетов, позволяющий определять процентное содержание в пробе флюида по меньшей мере одного из перечисленных ниже типов веществ: ароматические углеводороды, олефины, предельные углеводороды и загрязняющие примеси, а также модель соотношения уровней флуоресценции, позволяющую определять процентное содержание в пробе флюида ароматических углеводородов, олефинов, предельных углеводородов и загрязняющих примесей, сравнивают данные, полученные на выходе двух вычислительных компонентов, и для этих данных вычисляют показатель качества.

21. Способ по п.20, в котором показатель качества данных, полученных на выходе двух вычислительных компонентов, определяют вычитанием из 1,0 модуля разности этих данных.

РИСУНКИ