ПОЛУЧЕНИЕ ФЛЮИДАЛЬНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ПОРИСТЫХ МАТЕРИАЛОВ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ СПЕКТРОСКОПИИ ВОЗБУЖДЕНИЯ ЛАЗЕРНЫМ ПРОБОЕМ Российский патент 2019 года по МПК G01N21/71 

ОБЛАСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0001] В данной заявке заявлен приоритет согласно 35 U.S.C. 119(e) более ранней Предварительной заявки на Патент США № 62/083,940 от 25 ноября 2014 г., которая полностью включена в настоящую работу в виде ссылки.

[0002] Настоящее изобретение относится к способу для количественного определения и получения характеристик флюидов, насыщающих пористые геологические материалы, с использованием спектроскопии возбуждения лазерным пробоем (laser-induced breakdown spectroscopy, LIBS). Настоящее изобретение также относится к системе для данного способа.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

[0003] Насыщение флюидом пористых материалов важно для оценки и моделирования резервуара в целом. Насыщение представляет собой отношение объема пор, занимаемого текучей фазой, к общему объему пор. Сведения об исходных насыщениях флюидом будут способствовать проверке моделирований и подтверждению того, что предполагаемые значения смачиваемости корректны. Вообще для промышленности, имеется тенденция к тому, что существующие способы получения флюидальных характеристик достаточно медленны и подвержены ошибкам, в частности, для материалов с очень низкой проницаемостью, таких как глина.

[0004] В дополнение, получение таких характеристик флюидов, как состав, вязкость, точка текучести, и т.д., для нефти, и содержание соли для минерализованной воды являются важными факторами для калибровки (например, для удельного сопротивления) и понимании экономических показателей и производительности резервуара.

[0005] Насыщение флюидом важно для понимания экономических показателей, истории и оптимизации производительности резервуара. В дополнении к их количествам, понимание свойств флюидов в резервуарах помогает определить экономические показатели, разработать способы производства и определить суммарную добычу. Процентное содержание соли в рассоле важно для калибровки нефтефизических моделей, содержащих данные по удельному сопротивлению, а также для предотвращения использования флюидов в ходе бурения, вскрытия и эксплуатации плата (например, бурового раствора), которые могут вызвать ущерб для резервуара (например, повышения объема глин).

[0006] Стандартным способом определения насыщения флюидом является технология экстракции в аппарате Дина-Старка. Существуют различные компоновки, но, как правило, она включает в себя очистку образцов в растворителе и измерение полученной воды. Например, в одной компоновке образец помещают в экстракционный прибор, и растворитель нагревают. Пар растворителя поднимается по скважине и вымывает нефть и воду. Вода конденсируется и накапливается, например, в градуированном цилиндре. Типичным растворителем является толуол, смешивающийся с нефтью, но не с водой. Растворитель и нефть непрерывно циркулируют по зоне процесса экстракции. Объем накапливающейся воды записывают, и когда показания становятся постоянными, нагрев прерывают. Водонасыщенность (S_w) в скважине определяют из прямых измерений, выполняемых на образце, таких как соотношение измеренной накопленной воды и разности массы сухого образца и массы свежей донасыщенной воды, тогда как насыщенность углеводородами (S_o) выводят из вычислений с использованием водонасыщенности, пористости образца и, например, других выявленных параметров. Этот способ занимает много времени, подвержен ошибкам (протеканию, и т.д.) и требует значительного количества образца. Он обладает повышенным пределом погрешности в образцах с низкой пористостью и низкой проницаемостью.

[0007] Определение насыщения флюидом путем метода Дина-Старка ограничивает также использование скважин для других видов анализа, поскольку все природные флюиды были удалены из образца до его донасыщения свежей водой.

[0008] Другие способы включают в себя центрифугирование флюидов. Однако, в скважине обычно остается остаточный флюид, который не может быть выработан, так что это дает только количественную оценку насыщений флюидом.

[0009] В качестве неразрушающего способа для определения насыщения флюидом был использован ядерно-магнитный резонанс (ЯМР). В обычных способах используют двумерное измерение, которое коррелирует измеренный коэффициент диффузии с поперечным временем релаксации. Поскольку газ обладает более высоким коэффициентом диффузии, чем вода и, в свою очередь, нефть, коэффициент диффузии может быть использован для содействия отдельным компонентам системы. Однако, этот способ частот бывает неубедительным в своей оценке флюидов системы, поскольку имеют место несколько конкурирующих эффектов, которые влияют на отклик ЯМР.

[0010] Для определения насыщения образца также часто используют ретортные методы. Их осуществляют путем нагрева образца на столиках до некоторой высокой температуры. Точные периоды времени и температуры различны для различных лабораторий. Однако, можно предположить, что флюиды при определенной температуре выделяются лишь из определенного класса воды (например, связанной воды глин). Ретортные измерения часто протекают в пределах часа, и они не могут полностью обезвоживать образцы и приводят к неопределенности в отклике. Эта технология также не позволяет дополнительно использовать образец в данном насыщенном состоянии.

[0011] Для стандартных образцов резервуара, часто бывает исчерпывающим получение образца воды и определение ее солености. Однако, в глинистых резервуарах, получение образца рассола часто бывает затруднено. Образцы нелегко производят воду, и ее количество стремится к минимуму. Большие количества образца часто требуются для оценки содержания соли в резервуарах и извлечений, путем центрифугирования или способа Дина-Старка, и это занимает продолжительные периоды времени.

[0012] Для оценки солености образца часто используют диэлектрические измерения, но это требует наличия подробной информации о составе образца, а иногда и структуры, для оценки точности. Текстурные эффекты в образце также могут привести к неопределенности в диэлектрическом отклике.

[0013] В спектроскопии возбуждения лазерным пробоем (laser-induced breakdown spectroscopy, LIBS) используется лазер для абляции очень маленькой части образца. LIBS была использована для обеспечения идентификации материалов и химических составов твердых материалов. В стандартной технологии LIBS используют твердотельный лазер с модуляцией дробности, который генерирует быстрый импульс, обычно с продолжительностью порядка от пико- до наносекунд. Для фокусирования энергии в виде одиночного пятна на образце используют оптику. Сильный лазер подвергает абляции небольшую часть образца, превращая ее в высокотемпературную плазму. Затем, возбужденные атомы возвращаются в основное состояние, испуская свет с характеристическими частотами. Размер пятна, испаряемого лазером, может находиться в диапазоне от нескольких микрон до сотен микрон, допускающем большой диапазон, и зависит от оптики системы. Сигнал возрастает с увеличением размера пятна, но ухудшается разрешение. При расходовании небольшого количества образца, количество бывает настолько мало, что рассматривается как незначительное, и технология рассматривается как неразрушающая.

[0014] Длина волны света, исходящего из плазмы, обычно измеряется в диапазоне 200-980 нм. Полученные спектры можно анализировать по многомерным данным, для корреляции спектров с концентрацией элементов. LIBS ранее была использована как способ для минералогической идентификации, делая ее альтернативой способам рентгеновской дифрактометрии и рентгеновской люминесценции для минералогического анализа образцов. Она имеет преимущества перед рентгеновской люминесценцией для минералогической идентификации, поскольку она позволяет измерять все элементы, тогда как рентгеновская люминесценция не позволяет выявить легкие элементы.

[0015] LIBS позволяет выполнять профилирование по глубине, возбуждение лазера в одном и том же пятне и исследование различных продуктов, получаемых с увеличением глубины. LIBS также является очень быстрой технологией, занимающей лишь секунды на измерения, что делает ее пригодной для крупносерийного промышленного применения. Измерения LIBS могут быть представлены в виде растровых изображений, для получения двумерной карты состава поверхности.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0016] Признак настоящего изобретения состоит в использовании LIBS для количественного определения количества и типов флюидов, насыщающих пористые материалы. В качестве дополнительного признака, изобретение может быть использовано для оценки свойств насыщающих флюидов, таких как, но не ограниченных, содержание соли и типизация соли для воды и плотность, вязкость по API (Американскому нефтяному институту), вязкость, температура текучести и содержание следовых элементов (например, серы) для нефти.

[0017] Для достижения этих и других преимуществ и в соответствии с целями настоящего изобретения, как воплощено и широко описано в настоящей работе, настоящее изобретение относится, в частности, к способу анализа геологического образца, содержащего подвергание, по меньшей мере, состава флюида, по меньшей мере, одного местоположения геологического образца, воздействию нескольких последовательных измерительных импульсов лазерного излучения, где каждый измерительный импульс по меньшей мере, частично испаряет и ионизирует образец, вызывая спектр излучения; выявления спектр излучения после каждого измерительного импульса с помощью, по меньшей мере, одного спектрального детектора для сбора исходных спектральных данных; предварительной обработки (не обязательной) собранных исходных спектральных данных, полученных из спектрального детектора, для преобразования исходных спектральных данных в более подходящую форму для последующего анализа; анализирования (не обязательного) исходных или предварительно обработанных спектральных данных; и определения, по меньшей мере, одного параметра флюида из исходных или предварительно обработанных спектральных данных.

[0018] Также обеспечена система для выполнения способа.

[0019] Следует понимать, что как вышеупомянутое общее описание, так и следующее общее описание, являются лишь примерными и разъяснительными и предназначены для обеспечения дополнительного разъяснения настоящего изобретения, которое заявлено в формуле изобретения.

[0020] Прилагаемые Фигуры, которые включены и составляют часть данной заявки, иллюстрируют различные признаки настоящего изобретения, и наряду с описанием служат для разъяснения принципов настоящего изобретения. Признаки, описанные на Фигурах, не обязательно приведены в масштабе. Сходно пронумерованные элементы на различных Фигурах отображают сходные компоненты, если не указано иное.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

[0021] ФИГ. 1A-1C показывают соотношение между пиком водорода и пиком натрия для измерений LIBS на фильтровальной бумаге, пропитанной в растворах NaCl с различной концентрацией, где ФИГ. 1A показывает пики водорода и натрия для воды (0% добавленного NaCl), ФИГ. 1B показывает пики водорода и натрия для рассола (5% NaCl), а ФИГ. 1C показывает пики водорода и натрия для рассола с повышенным содержанием соли (10% NaCl), где % приведены в виде массовых процентов рассола.

[0022] ФИГ. 2 показывает линейное соотношение между пиками LIBS для водорода и натрия как функции концентрации NaCl, с процентами, приведенными как мас.%.

[0023] ФИГ. 3A-3C показывают различные интенсивности и скорости изменения пика LIBS для водорода для сухой глины (ФИГ. 3A), глины, насыщенной водой (ФИГ. 3B), и глины, насыщенной нефтью (ФИГ. 3C).

[0024] ФИГ. 4A-4B показывают различие в скорости потери водорода, измеренной с помощью спектров LIBS между песчаником, насыщенным легкой нефтью (ФИГ. 4A), и песчаником, насыщенным тяжелой нефтью (ФИГ. 4B).

[0025] ФИГ. 5. Показывает примерный спектр LIBS для нефтенасыщенного образца в начале измерений LIBS, в котором идентифицированы пики углерода (C), водорода (H) и кислорода (O) пики.

[0026] ФИГ. 6. Показывает примерный спектр LIBS для нефтенасыщенного образца в конце измерений LIBS. Можно наблюдать потери водорода, углерода и кислорода по ФИГ. 5.

[0027] ФИГ. 7 показывает примерный запуск оборудования спектроскопии возбуждения лазерным пробоем согласно примеру настоящей заявки.

[0028] ФИГ. 8 показывает систему согласно примеру настоящей заявки.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0029] Настоящее изобретение относится в частности к способу для количественного определения и определения характеристик флюидов, насыщающих пористые геологические материалы, с использованием спектроскопии возбуждения лазерным пробоем (laser-induced breakdown spectroscopy, LIBS).

[0030] В дополнение к абляции материала, часть энергии от лазера, используемого в LIBS, передается к окружающему скелету горной породы. Это служит для нагрева таких флюидов, как вода, нефть и буровой раствор в окружающем поровом пространстве, вследствие чего они будут улетучиваться. Улетучивающиеся материалы могут образовывать плазму, которая испускает заметный свет, специфичный для элементного состава, и интенсивность испускаемого света может быть коррелирована для концентрации элемента. В некоторых случаях, лазерный импульс предпочтительно приводит к улетучиванию жидкостей поверх твердой матрицы. Поэтому, при выполнении последующего импульса, в поровом пространстве останется меньше флюида, что можно будет наблюдать по изменению в спектрах LIBS. Это обычно проявляется по потере рассола и элементов, связанных с углеводородами, таких как водород, углерод, кислород, хотя также могут возникнуть потери и других элементов. Теперь, лазерный импульс служит для еще большего нагрева системы, с отводом еще большего количества флюида. Наконец, вероятно достигается стабильное состояние, вследствие чего с повышением числа импульсов спектры LIBS остаются относительно постоянными. Это может иметь место в отношении одиночных элементов, таких как водород, углерод, кислород, натрий, и т.д., или частей спектров или полностью всех спектров. При сопоставлении исходных спектров, которые включают в себя элементные вклады от флюидов, откуда улетучились жидкости, в конечные спектры, отклики от жидкостей и твердых частиц могут быть разделены. Насыщение флюидами можно оценить путем сопоставления с калибровочными комплектами, созданными с использованием ранее охарактеризованных, известных образцов, либо путем использования массового баланса, для установления связи изменений в содержании H, C, и O с начала измерений LIBS до конца измерений измерения LIBS с содержанием воды и углеводородов. Объем различных имеющихся флюидов можно связать с изменением интенсивности рассола и с элементами, связанными с углеводородами, путем сопоставления с калибровочным комплектом, созданным из ранее охарактеризованных известных образцов. Если поровое пространство полностью заполнено рассолом и/или углеводородом, соотношение между абсолютными объемами можно использовать для оценки водонасыщенности (S_w) и насыщенность углеводородами (S_o). Если поровое пространство полностью не заполнено флюидом (например, когда поры, ранее заполненные газом, теперь содержат только воздух), относительные насыщенности по флюидам могут быть определены путем сопоставления абсолютных объемов рассола и углеводорода, рассчитанных из LIBS, с общим объемом порового пространства, измеренного другим способом. Кроме того, классификация образцов согласно видам (фазам) насыщающих флюидов может быть определена с использованием измерениям LIBS согласно способу по настоящему изобретению.

[0031] Общий объем порового пространства может быть определено самыми различными способами, включающими в себя, например, способы цифровой обработки (на основе цифрового формирования изображения) физических свойств горных пород, лабораторные способы или другие способы, такие как, но не ограниченные: компьютерную рентгеновскую томографию (КТ), ядерный магнитный резонанс (ЯМР), гелиевую порометрию, растровую электронную микроскопию (РЭМ) и формирование РЭМ-изображения на основе фокусированного ионного пучка (ФИП), адсорбцию N₂, исходя из высушенных и повторно насыщенных масс, и т.д. Для лабораторных способов, в качестве опции, общий объем пор образца можно определять с помощью технологии, которая была использована в сочетании со способами Дина-Старка, что влечет за собой высушивание образца и взвешивание полученного сухого образца (например, M_dry в граммах), с последующим повторным насыщением высушенного образца свежей водой (ρ=1,00 г/см³) и взвешиванием повторно насыщенного образца (M_resat в граммах), а затем объем пор (например, V_p в см³) можно рассчитать как (M_resat ˗ M_dry)/ρ. Способы цифровой обработки физических свойств горных пород можно использовать для оценки общего объема пор образца, например, способами, которые обеспечивают пространственную реконструкцию сети субмикронных пор, такую как описанная в Патентах США №№ 8,170,799 B2 и 8,081,796 B2, и в работе Grader, A. S., et al., «COMPUTATIONS OF POROSITY AND PERMEABILITY OF SPARIC CARBONATE USING MULTI-SCALE CT IMAGES», SCA2009-Temp Paper #03-10, Sept. 27, 2009, pages 1-10, которые полностью включены в настоящую работу в виде ссылок. Как известно, пористость может быть определена как равная соотношение объем пор/суммарный объем (PHIt=Vp/Vb), так что сведения об одном из пористости или объеме пор можно легко преобразовать в другое, при наличии дополнительных сведений о суммарном объеме образца. Суммарный объем образца можно определять лабораторными способами (например, вытеснения флюида, с использованием закона Архимеда) или цифровой обработки физических свойств горной породы. Для лабораторного определения или цифровой обработки физических свойств для объема пор, пористости и/или суммарного объема, следует учитывать, что для этих анализов можно использовать образец, аналогичный образцу, используемому для измерения LIBS, или тот же образец, что был использован в измерениях LIBS, поскольку измерения LIBS можно проводить лишь при минимальной абляции частей поверхности образца. Является предпочтительным, чтобы способы лабораторных анализов, при их использовании, соответствовали измерениям LIBS, если используется один и тот же образец.

[0032] Скорость, при которой различные флюиды улетучиваются, будет зависеть от их состава. Более легкие флюиды, такие как вода и природный газ, конденсат, улетучиваются легче, чем более тяжелые флюиды, такие как вязкие масла. Поэтому, изменение в спектрах можно использовать для оценки не только объемов насыщающих флюидов, но также и их свойств. Это можно оценивать по скорости изменений содержания таких элементов, как водород, углерод и кислород, с числом импульсов, поскольку флюиды улетучиваются. Как вариант, путем оценки объема пор, можно определить содержание воды для образца из спектров LIBS, например, путем сопоставления пиков LIBS для H и O или других пиков неизвестного образца, с помощью калибровочной модели на основе тех же или аналогичных образцов, но с известными составами флюидов, затем можно определить водонасыщенность (S_w), например, рассчитанную как отношение оцененного объема воды в порах из измерений LIBS к общему объему пор. Как вариант, насыщенность по углеводороду или нефти (S_o) для образца можно рассчитать из данных, выведенных из полученных из водонасыщенности и других данных, таких как отношение: (масса образца ˗ сухая масса образца - количество воды в образце, оцененное путем LIBS)/(общий объем пор x плотность нефти). Свойства флюида также можно оценить с использованием соотношений между водородом и углеродом. Это может быть соотносимо с данными газовой хроматографии (ГХ).

[0033] Одной проблемой, связанной с измерением элементов, состоит в различении эффектов, вызванных флюидов, и эффектов, вызванных матрицей. Это может быть уравновешено в течение нескольких дней. Модели могут быть пригодными для того, чтобы сделать непосредственную поправку на минералогию образца. При наблюдении любых изменений в минералогии в зависимости от числа импульсов, можно использовать LIBS для содействия определению того, могут ли какие-либо минералогические аспекты вносить свой вклад в спектральные изменения и вносить поправку на них. Это можно выполнять путем сопоставления сигнала LIBS для образца, насыщенный флюидом, с сигналом LIBS, полученным от сухого образца, или путем использования многовариантных калибровочных моделей, которые были созданы при измерениях LIBS для различных типов минералов, органического содержания и типов флюидов и насыщений. Результаты могут быть интерпретированы по отдельности для одиночных измерений LIBS. Результаты также могут включать в себя сопоставление интенсивностью сигнала между одним или более импульсов лазера. Импульсы лазера, поступающие из точки образца, могут быть усреднены для повышения качества сигнала. В дополнение, результаты могут быть сопоставлены с одним или более образцов при другом состоянии насыщения (например, при сухом, чистом состоянии, при 100%-ном насыщении водой, и т.д.), что способствует прояснению отклика системы.

[0034] Технология также может способствовать проведению различия между углеводородом и битумом. Очистка обогащенных органикой образцов глины, для определения насыщений флюидом лабораторными способами может привести к переоценке нефтенасыщенности, поскольку процесс очистки также приведет к устранению битума, который неподвижен в пласте. При использовании способа согласно настоящему изобретению сигнал, поступающий от жидких и твердых углеводородов, должен затухать при различных скоростях, позволяя лучше определять, что можно разработать, а что нет.

[0035] LIBS позволяет измерять содержание элементов. Натрий имеет очень выделяющийся пик на спектрах LIBS. Измерения, проводимые на образцах, показывают повышение отношения Na к H, с повышением процентного содержания соли в рассоле. Путем калибровки отношения пиков Na к H (и необязательно O), можно сделать вывод или понять процентное содержание соли в рассоле образца путем сопоставления пиков натрия и водорода в выявленных спектрах испускания с помощью калибровки. Это может быть реализовано при одиночном измерении, или могут потребоваться несколько импульсов лазера. Также может потребоваться сопоставление между образцами в различных насыщенных состояниях. Присутствие и концентрация солей других металлов, таких как один или более, два или более, или три или более (например, Ca, Mg, K, Si, Fe, Al и/или других, таких как любой щелочноземельный металл, переходный металл, металлы в группе бора, редкоземельные элементы, тяжелые металлы) можно определять аналогично.

[0036] Обезвоживание образца может стать проблемой в ходе измерения. Для предотвращения проблем, связанных с высыханием образца до и в ходе измерения может возникнуть необходимость в использовании специальной предварительной обработки образца, держателей или завертывания образца.

[0037] В дополнение к измерениям, выполненным для определения характеристик флюидов в горных породах, измерения LIBS можно использовать для определения характеристик флюидов, которые были экстрагированы из горных пород или других пористых сред. Как вариант, флюиды (например, вода) могут быть экстрагированы из образцов, например, с использованием технологий экстракции растворителем, таких как используемые в указанном способе Дина-Старка, или с использованием центрифуги для выдавливания флюидов, и т.д. Измерения могут быть сделаны непосредственно на экстрагированных флюидах или на материале, который был насыщен экстрагированными флюидами, например, на фильтровальной бумаге. Является предпочтительным, чтобы материал, используемый как носитель для экстрагированного флюида, не препятствовал и не усложнял чрезмерно образование плазмы и спектральное обнаружение на флюидах при измерениях LIBS. Это измерение может быть сделано, когда материал (носитель) еще остается влажным, или после того, как он был оставлен высыхать. Это может быт потенциально использовано для предоставления информации о составе, содержании соли, содержаниях различных солей, вязкости, температуре текучести, свойствах ДОТ, количественном и качественном анализе содержания серы, количественном и качественном анализе содержания азота, количественном и качественном анализе содержания следовых элементов, количественном и качественном анализе содержания тяжелых металлов, и т.д. С использованием стандартов, которые могут разниться для различного содержания растворов соли с известной концентрацией, можно создать специализированные калибровочные и/или классификационные модели. Эти калибровочные и/или классификационные модели можно использовать для корреляции концентраций элементов для натрия, водорода, кислорода и/или других элементов со спектральными пиками, генерированными измерениями LIBS, сделанными на образце с неизвестными характеристиками флюидов. Как было указано, ФИГ. 1A-1C показывают соотношение между пиком водорода и пиком натрия для измерений LIBS, сделанных для фильтровальной бумаги, пропитанной в растворах NaCl с различными концентрациями (0% добавленного NaCl, 5% NaCl и 10% NaCl). ФИГ. 2 показывает калибровочную кривую, полученную для стандартных образцов, которые могут представлять собой рассолы известных составов (NaCl, растворенный в воде) и различных концентраций NaCl, в которых отношение пиков для натрия к пикам для водорода откалибровано до достижения требуемой процентной концентрации соли.

[0038] ФИГ. 3A-3C и 4A-4B показывают эффекты для соответствующих интенсивностей и скоростей изменения профилей LIBS-пика для водорода для образцов глины и песчаника, которые различаются применительно к присутствию флюида или разновидности флюида, если она присутствует. ФИГ. 5 и 6 показывают примеры спектров LIBS для нефтенасыщенного образца в начале измерения LIBS (например, в пределах первых пяти лазерных импульсов) и для нефтенасыщенного образца в конце измерения LIBS (например, в пределах последних пяти лазерных импульсов), в которых можно наблюдать потери водорода, углерода и кислорода. Как было указано, эти эффекты могут быть использованы для разработки калибровочных комплектов на основе образцов с известными характеристиками флюидов для использования в анализе образца с неизвестными характеристиками флюидов.

[0039] Как используется в примерах настоящего изобретения, может быть использован анализатор LIBS, который имеет конфигурацию, показанную на ФИГ. 7. Используемый анализатор LIBS может серийно выпускаться компанией TSI Incorporated или другими продавцами таких устройств. Измерения могут быт выполнены на последней модели TSI анализатора LIBS, которая имеет наименование ChemReveal. Измерения можно провести с использованием лазера на 200 мДж, работающего при энергии 36 мДж или при других мощностях. Скорость импульса может составлять один импульс в каждые 0,1-0,5 секунд, например, в каждые 0,2 секунд, или другие скорости. Скорость импульса может быть реализована при 5 Гц и длительности работы лазера 8 наносекунд (нс), или иметь другие значения. Измерения можно проводить, исходя из примерно 10-250 импульсов, или из примерно 20-100 импульсов лазера, или других количеств импульсов, включая прием спектров света после каждого лазерного импульса. Это представляется подходящим для большинства образцов, хотя может потребоваться больше или меньше импульсов. Размер лазерного пятна на образце может составлять 400 микрометров (мкм) или иметь другие значения. Образцы могут быть помещены на трехосный регулируемый столик. Для регулирования столика образца, для корректировки расстояния для измерения и наблюдения за местом, где на образце произойдет возбуждение лазера, может быть использована фотокамера высокого разрешения. Поверх образца до измерения можно непрерывно подавать аргон, при расходе примерно 10-12 л/мин в течение периода времени примерно 20-30 секунд, перед направлением любых лазерных импульсов на поверхность образца. Поток аргона поверх образца может продолжаться в ходе измерения LIBS, для предотвращения нежелательных помех со стороны элементов, обычно присутствующих в воздухе (H, N, O, и т.д.) в ходе измерения. В анализе данных могут быть использованы все полученные спектры, или он может быть ограничен подгруппой полученных спектров. Пики, которые могут быть использованы для анализа, представляют собой один или более из пика H, расположенного примерно при 656 нм, пика C примерно при 247 нм, пика O примерно при 777 нм и/или пика Na примерно при 590 нм.

[0040] Образец как таковой может быть проанализирован с помощью анализатора LIBS, или (не обязательно) один или несколько очищающих импульсов может быть применено для местоположения образца, где намечена мишень для лазера. Для устранения неровностей или загрязнений поверхности может быть выполнена низкоуровневая очистка лазерными импульсами, но для любых очищающих импульсов обычно используется лазерный набор слабой мощности, для предотвращения пиролиза какого-либо соседнего органического материала. После любой очистки лазерными импульсами, несколько импульсов лазера могут быть выполнены при быстрой последовательности, для испарения флюида в порах и выявления спектров излучения.

[0041] Накопленные данные, полученные из спектральных измерений, могут быть подвергнуты предварительной обработке, для создания исходных данных LIBS, подходящих для последующего анализа, для получения данных об одном или более свойствах флюида. Предварительную обработку, например, можно выполнять путем интегрирования площади пика, соответствующего данному элементу, для получения кривой интенсивности для элемента как функции числа лазерных импульсов. Это может быть выполнено для одного или более пиков, соответствующих одному и тому же элементу, либо различным элементам. Предварительная обработка также может содержать, например, анализирование максимумов пиков, соответствующих элементу, для получения кривой интенсивности с числом лазерных импульсов для одного или более элементов, дополнительного выбора фактических спектров пиков для последовательных измерительных импульсов, или подобластей спектров или всех спектров для последовательных измерительных импульсов, или компилирования данных из последовательных лазерных импульсов в матрицу, одиночный вектор или другую комбинированную форму. Предварительная обработка также может включать в себя применение экспоненциального приближения, биэкспоненциального приближения, мульти-экспоненциального приближения, обратного преобразования Лапласа, приближения гауссовского затухания или другого анализа, или фильтрования, или взятия функции для данных, например, взятия производной, или исключения данных, которые н отвечают стандартам контроля качества. Предварительная обработка может включать в себя сочетание любых двух или более из этих перечисленных этапов. Для исходных или предварительно обработанных данных, для получения свойств флюида может быть применен одномерный, кластерный, многомерный анализ, анализ нейтральных сетей, анализ самоорганизующихся карт, метаэврестические процедуры (например, оптимизация по сгустку частиц, генетические алгоритмы, и т.д.) или анализ вручную анализ.

[0042] Геометрия и размер геологического образца, который анализируется с помощью анализатора LIBS, не обязательно ограничен, до тех пор, пока он может быть пригнан к столику для размещения образца LIBS, с надлежащим допуском применительно к лазеру и собирающей оптике. Образец может иметь правильную форму или неправильную форму. Образец может представлять собой источник образования образца из горной породы, например, бурового шлама, бокового керна, микроскважины, продукта карьерной обработки обнаженной породы, части пробы из всей скважины, такой как образец керна, или других частей пробы, которые могут обеспечивать подходящие образцы для анализа, с использованием способов согласно настоящему изобретению. Образец может иметь, по меньшей мере, одну выровненную или не выровненную поверхность, которая может быть использована как грань образца, о которую ударяется лазер. Образец может иметь правильную форму, такую как кубическая, призматическая, цилиндрическая, дисковая или другие. Как вариант, поперечный размер формы образца, в случае если он кубический, может составлять от 6,35 мм (0,25 дюйма) до 19 мм (0,75 дюйма), или иметь другие значения за пределами этого диапазона. Образец может иметь неправильную форму и может иметь форму исходно полученного образца, такого как буровой шлам.

[0043] Образец, который может быть проанализирован с использованием способа согласно настоящему изобретению, может представлять собой пористую среду, которая имеет сообщающиеся между собой поры, изолированные поры или тот и другой тип пор. Поверхность образца может быть исследована с использованием цифрового формирования изображения (например, рентгеновского, КТ-сканирования, РЭМ), для идентификации местоположения или местоположений, представляющих особый интерес для анализа способом согласно настоящему изобретению.

[0044] Настоящее изобретение также относится к системе для анализирования образца источника нефти или нефтяного коллектора, например, согласно способам, описанным в настоящей работе. Как проиллюстрировано на ФИГ. 8, например, система 1000 может включать в себя станцию 1001 приготовления образца, по меньшей мере, одну систему/прибор 1002 для измерения LIBS (например, такой как показанный более подробно на ФИГ. 7). Приготовление образца 1001 может относиться к получению части пробы меньшего размера и/или желаемой формы, полученной из более крупного геологического образца. Этот этап может быть необязательным, в зависимости от размера, формы и состояния исходного образца. Одна или более компьютерных систем 1004 может быть обеспечена для обработки спектральных данных 1003, полученных из измерительной системы 1002 LIBS согласно способам настоящего изобретения, и для вывода результатов, по меньшей мере, на одно устройство 1005 вывода, для отображения, печати или хранения результатов или любого их сочетания спектральных данных и основанных на них результатов вычислений, с использованием способа согласно настоящему изобретению. Компьютер 1004 может содержать, по меньшей мере, один, по меньшей мере, один не промежуточный компьютер, пригодный носитель данных 1006 и, по меньшей мере, один процессор 1007. Компьютерная программа или программы, используемые для анализа спектральных данных, предварительной обработки данных и (не обязательно) анализа других данных, а также вычислений может храниться в виде программного продукта, по меньшей мере, на одном не промежуточном машинносчитываемом носителе данных 1006 (например, на жестком диске, устройстве флеш-памяти, компакт-диске, магнитной ленте/диске или других средах), связанно, по меньшей мере, с одним процессором (например, ЦП), который адаптирован для запуска программ, или может храниться на внешнем, не промежуточном машинносчитываемом носителе данных, доступном для процессора компьютера. Машинносчитываемый носитель данных 1006 может включать в себя сохраненную программу, содержащую комплект команд, которые могут быть выполнены процессором или процессорах для исполнения технологических этапов согласно настоящему изобретению, который включает в себя анализ спектральных данных (например, данных LIBS) и основанные на них вычисления. Входные данные и выходные данные, а также другие результаты программы или их сочетания также могут храниться, по меньшей мере, на одном не промежуточном машинносчитываемом носителе данных или другом не промежуточном носителе. Компьютер 1004 может включать в себя один или более системных компьютеров, которые могут быть воплощены в виде одиночного персонального компьютера или в виде сети компьютеров. Однако, специалисты в данной области техники должны учитывать, что воплощения различных технологий, описанных в настоящей работе, могут быть реализованы в различных конфигурациях компьютерной системы, включающих в себя серверы протокола передачи гипертекста (hypertext transfer protocol, HTTP), переносные устройства, многопроцессорные системы, микропроцессорную или программируемую пользовательскую электронику, сеть ПК, миникомпьютеры, универсальных ЭВМ, и т.п. Указанные блоки/оборудование системы 1000 могут быть соединены друг с другом для установления связи (например, передачи данных, и т.д.) через любые из проводных, радиочастотных коммуникаций, телекоммуникаций, подключение к Интернету, или другие средства связи. Указанная система или прибор согласно настоящему изобретению может быть пригодным для анализирования материала в лаборатории или другом пространстве в здании, или в полевых условиях, например, в движущемся транспортном средстве или в механизме на земле или под землей.

[0045] Настоящее изобретение включает в себя следующие аспекты/варианты воплощения/признаки в любом порядке и/или в любом сочетании:

1. Настоящее изобретение относится к способу анализа геологического образца, содержащего:

a) подвергание, по меньшей мере, состава флюида, по меньшей мере, одного местоположения геологического образца, воздействию нескольких последовательных измерительных импульсов лазерного излучения, где каждый измерительный импульс по меньшей мере, частично испаряет и превращает часть упомянутого образца в плазму, вызывая спектр излучения;

b) выявление упомянутого спектра излучения после каждого упомянутого измерительного импульса с помощью, по меньшей мере, одного спектрального детектора для сбора исходных спектральных данных;

c) предварительную обработку (не обязательную) исходных спектральных данных, полученных из спектрального детектора, для преобразования исходные спектральные данные в форму для последующего анализа; и

d) определение, по меньшей мере, одного параметра флюида, с использованием исходных спектральных данных, полученных из спектрального детектора.

2. Способ по любому предыдущему или последующему варианту воплощения/признаку/аспекту, в котором, по меньшей мере, один параметр флюида представляет собой водонасыщенность, нефтенасыщенность, содержание соли или любое их сочетание.

3. Способ по любому предыдущему или последующему варианту воплощения/признаку/аспекту, в котором, по меньшей мере, один параметр флюида представляет собой содержание соли в виде массовой концентрации, содержание соли в виде типизации соли, или то и другое, для воды.

4. Способ по любому предыдущему или последующему варианту воплощения/признаку/аспекту, в котором, по меньшей мере, одним параметром флюида является плотность, удельный вес согласно Американскому нефтяному институту (American Petroleum Institute, API), вязкость, температура текучести, содержание следовых элементов (например, серы) или любое их сочетание, для нефти.

5. Способ по любому предыдущему или последующему варианту воплощения/признаку/аспекту, в котором несколько последовательных измерительных импульсов лазерного излучения применяют при скорости импульса, составляющей один импульс в каждые 0,1-0,5 секунд для 10-250 импульсов лазера.

6. Способ по любому предыдущему или последующему варианту воплощения/признаку/аспекту, дополнительно содержащий экстрагирование состава флюида, по меньшей мере, из одного местоположения перед подверганием воздействию, причем подвергание воздействию выполняют на экстрагированном составе флюида.

7. Способ по любому предыдущему или последующему варианту воплощения/признаку/аспекту, в котором, по меньшей мере, одним параметром флюида является процентное содержание соли в рассоле, определенное путем калибровки пиков соотношения натрия (Na) к водороду (H) и сопоставления пиков натрия и водорода в выявленных спектрах испускания с помощью калибровки.

8. Способ по любому предыдущему или последующему варианту воплощения/признаку/аспекту, в котором выполняют предварительную обработку, и который содержит интегрирование одной или более площадей пика, для получения кривой или кривых интенсивности, выбор максимумов пиков для последовательных импульсов, для получения кривой интенсивности, фактических спектров пиков для последовательных измерительных импульсов, или подобластей спектров или всех спектров для последовательных измерительных импульсов. Предварительная обработка может включать в себя два или более упомянутых этапов.

9. Способ по любому предыдущему или последующему варианту воплощения/признаку/аспекту, в котором выполняют предварительную обработку, и который содержит фильтрование, применение функции (например, взятие производной), предварительную обработку путем применения экспоненциального приближения, биэкспоненциального приближения, мульти-экспоненциального приближения, обратного преобразования Лапласа, приближения гауссовского затухания, компилирования данных из последовательных лазерных импульсов в матрицу, одиночный вектор или другую комбинированную форму. Предварительная обработка может включать в себя два или более упомянутых этапов.

10. Способ по любому предыдущему или последующему варианту воплощения/признаку/аспекту, в котором получают параметр флюида, причем анализ вручную или одно- или многовариантный анализ или кластерный анализ или самоорганизующиеся карты или нейронные компьютерные сети или метаэврестические процедуры (например, оптимизация по сгустку частиц, генетические алгоритмы, и т.д.) применяют для коррелирования накопленных данных, - исходных или предварительно обработанных, для определения значений, по меньшей мере, для одного состава флюида, содержания соли, содержаний различных солей, вязкости, температуры текучести, свойств ДОТ, количественный и качественный анализ содержания серы, количественный и качественный анализ содержания азота, количественный и качественный анализ содержания следовых элементов, количественный и качественный анализ содержания тяжелых металлов.

11. Способ по любому предыдущему или последующему варианту воплощения/признаку/аспекту, в котором упомянутое подвергание воздействию содержит регулирование эксплуатации лазера и нескольких упомянутых спектральных детекторов для одновременного выявления спектров излучения из геологического образца по нескольким различным спектральным областям, и упомянутое анализирование содержит определение присутствия и количества нескольких различных элементов в геологическом образце.

12. Способ по любому предыдущему или последующему варианту воплощения/признаку/аспекту, в котором образец представляет собой образец породы.

13. Способ по любому предыдущему или последующему варианту воплощения/признаку/аспекту, в котором каждый из спектральных детекторов содержит спектрометр, имеющий связанный с ним ПЗС-детектор.

14. Настоящее изобретение дополнительно относится к системе для анализа геологического образца, содержащего i) устройство для приема спектральных данных LIBS для получения спектральной информации LIBS on по меньшей мере, один геологический образец; ii) одна или более компьютерных систем, содержащих, по меньшей мере, один процессор и не промежуточный носитель, считываемый компьютером, включающий в себя сохраненную программу, содержащую комплект команд, выполняемых процессором, для осуществления этапов для получения информации о параметрах флюида на образце, используемом в i), с использованием спектральных данных; и iii) по меньшей мере, один устройство для отображения, печати и/или хранения, в качестве не промежуточного носителя данных, результаты вычислений.

[0046] Настоящее изобретение может включать в себя любое сочетание этих различных признаков или вариантов воплощения, приведенных выше и/или ниже, как изложено в предложениях и/или разделах. Любое сочетание раскрытых признаков, приведенных в настоящей работе, рассматривается как часть настоящего изобретения, и применительно к комбинируемым признакам не имеет никаких ограничений.

[0047] Заявители в частности включили все содержание всех перечисленных ссылок в настоящее раскрытие. Кроме того, когда количество, концентрация или другое значение или параметр приведен в виде любого диапазона, предпочтительного диапазона или перечня от самого верхнего предпочтительного значения до самого нижнего предпочтительного значения, это следует понимать как определенное раскрытие всех диапазонов, образованных из любой пары из любого верхнего предела диапазона или предпочтительного значения и любого нижнего предела диапазона или предпочтительного значения, независимо от того, раскрыты ли диапазоны по отдельности. Там, где диапазон численных значений изложен в настоящей работе, пока не указано иное, диапазон рассматривается как включающий в себя его конечные точки, а также все целые и дробные величины в пределах диапазона. Не следует считать, что объем изобретения ограничен конкретными значениями, перечисленными при создании диапазона.

[0048] Другие варианты воплощения настоящего изобретения должны быт ясны специалистам в данной области техники из рассмотрения настоящей спецификации и реализации настоящего изобретения, раскрытого в данной работе. Надо понимать, что настоящую спецификацию и примеры следует рассматривать лишь как примерные, с подлинным объемом и сущностью изобретения, указанными в следующей формуле изобретения и его эквивалентах.

Изобретение относится к способу для количественного определения и получения характеристик флюидов, насыщающих пористые геологические материалы, с использованием спектроскопии возбуждения лазерным пробоем (laser-induced breakdown spectroscopy, LIBS). Способ анализа геологического образца включает: a) подвергание состава флюида по меньшей мере одного местоположения геологического образца воздействию нескольких последовательных измерительных импульсов лазерного излучения, причем каждый измерительный импульс по меньшей мере частично испаряет и превращает часть упомянутого образца в плазму, вызывая спектр излучения; b) выявление спектра излучения после измерительных импульсов с помощью спектрального детектора для сбора исходных спектральных данных; c) предварительную обработку исходных спектральных данных, полученных из спектрального детектора, для преобразования исходных спектральных данных в форму для последующего анализа; и d) определение по меньшей мере одного параметра флюида с использованием исходных спектральных данных, полученных из спектрального детектора. Способ обеспечивает повышение скорости и надежности оценки свойств флюида геологического образца. 2 н. и 12 з.п. ф-лы, 13 ил.

1. Способ анализа геологического образца, включающий:

a) подвергание по меньшей мере состава флюида по меньшей мере одного местоположения геологического образца воздействию нескольких последовательных измерительных импульсов лазерного излучения, причем каждый измерительный импульс по меньшей мере частично испаряет и превращает часть упомянутого образца в плазму, вызывая спектр излучения;

b) выявление упомянутого спектра излучения после каждого упомянутого измерительного импульса с помощью по меньшей мере одного спектрального детектора для сбора исходных спектральных данных;

c) предварительную обработку исходных спектральных данных, полученных из спектрального детектора, для преобразования исходных спектральных данных в форму для последующего анализа; и

d) определение по меньшей мере одного параметра флюида с использованием исходных спектральных данных, полученных из спектрального детектора.

2. Способ по п. 1, в котором по меньшей мере один параметр флюида представляет собой водонасыщенность, нефтенасыщенность, содержание соли или любое их сочетание.

3. Способ по п. 1, в котором по меньшей мере один параметр флюида представляет собой содержание соли в виде массовой концентрации, содержание соли в виде типизации соли или то и другое для воды.

4. Способ по п. 1, в котором по меньшей мере одним параметром флюида является плотность, удельный вес согласно Американскому нефтяному институту (American Petroleum Institute, API), вязкость, температура текучести, содержание следовых элементов или любое их сочетание для нефти.

5. Способ по п. 1, в котором несколько последовательных измерительных импульсов лазерного излучения применяют при скорости импульса один импульс каждые 0,1-0,5 секунд для 10-250 импульсов лазера.

6. Способ по п. 1, дополнительно содержащий экстрагирование состава флюида по меньшей мере из одного местоположения перед подверганием воздействию, причем подвергание воздействию выполняют на экстрагированном составе флюида.

7. Способ по п. 1, в котором по меньшей мере одним параметром флюида является процентное содержание соли в рассоле, определенное путем калибровки пиков соотношения натрия (Na) к водороду (H) и сопоставления пиков натрия и водорода в выявленных спектрах испускания при сопоставлении пиков натрия и водорода в выявленных спектрах испускания с помощью калибровки.

8. Способ по п. 1, в котором выполняют предварительную обработку и который содержит интегрирование одной или более площадей пика для получения кривой или кривых интенсивности, выбор максимумов пиков для последовательных импульсов для получения кривой интенсивности, фактических спектров пиков для последовательных измерительных импульсов или подобластей спектров или всех спектров для последовательных измерительных импульсов, причем предварительная обработка может включать в себя два или более упомянутых этапов.

9. Способ по п. 1, в котором выполняют предварительную обработку и который содержит фильтрование, применение функции, предварительную обработку путем применения экспоненциального приближения, биэкспоненциального приближения, мультиэкспоненциального приближения, обратного преобразования Лапласа, приближения гауссовского затухания, компилирования данных из последовательных лазерных импульсов в матрицу или одиночный вектор, причем предварительная обработка может включать в себя два или более упомянутых этапов.

10. Способ по п. 1, в котором получают параметр флюида, причем анализ вручную, или одно- или многовариантный анализ, или кластерный анализ, или самоорганизующиеся карты, или нейронные компьютерные сети, или метаэврестические процедуры применяют для коррелирования накопленных данных - исходных или предварительно обработанных, для определения значений по меньшей мере для одного состава флюида, содержания соли, содержаний различных солей, вязкости, температуры текучести, свойств ДОТ, количественного и качественного анализа содержания серы, количественного и качественного анализа содержания азота, количественного и качественного анализа содержания следовых элементов, количественного и качественного анализа содержания тяжелых металлов.

11. Способ по п. 1, в котором упомянутое подвергание воздействию включает в себя регулирование эксплуатации лазера и нескольких упомянутых спектральных детекторов для одновременного выявления спектров излучения из геологического образца по нескольким различным спектральным областям и упомянутое анализирование содержит определение присутствия и количества нескольких различных элементов в геологическом образце.

12. Способ по п. 1, в котором образец представляет собой образец породы.

13. Способ по п. 1, в котором каждый из спектральных детекторов содержит спектрометр, имеющий связанный с ним ПЗС-детектор.

14. Система для анализа геологического образца, содержащая i) устройство для приема спектральных данных LIBS для получения спектральной информации LIBS по меньшей мере по составу флюида по меньшей мере одного местоположения геологического образца; ii) одну или более компьютерных систем, содержащих по меньшей мере один процессор и непромежуточный носитель, считываемый компьютером, включающий в себя сохраненную программу, содержащую комплект команд, выполняемых процессором, для осуществления этапов для получения информации о параметрах флюида на образце, используемом в i) с использованием спектральных данных; и iii) по меньшей мере одно устройство для отображения, печати и/или хранения, в виде непромежуточного носителя данных, результатов вычислений.