專利名稱：測量儲層流體熱物理性能的微流體設(shè)備和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種測量儲層流體熱物理性能的設(shè)備和方法。
背景技術(shù)：
儲層流體性能的測量是潛在油田的規(guī)劃和開發(fā)中的關(guān)鍵一步。對生產(chǎn)井進行這 種測量以提供生產(chǎn)過程的性能和行為的指標是通常所希望的。這種測量的示例包括壓力、 體積和溫度測量，通常稱為“PVT”測量，對于預(yù)測儲層流體復(fù)雜的熱物理行為是有幫助的。 PVT測量一個很重要的作用就是形成描述儲層流體中石油狀態(tài)的狀態(tài)方程。其它包括流體 粘度、密度、化學(xué)成分、氣油比等所關(guān)注的性能也可使用PVT來測量。一旦PVT分析完成，可 將狀態(tài)方程和其它參數(shù)輸入儲層模型軟件來預(yù)測油田構(gòu)成的情況。常規(guī)的PVT測量采用盛放儲層流體的汽缸來實施。布置在汽缸中的活塞維持流體 所需的壓力，而液相和氣相的高度使用如測高計測量。盡管常規(guī)的PVT測量在廣泛應(yīng)用，但它仍有許多明顯的局限性。首先，常規(guī)的PVT 分析通常需要數(shù)周才能完成。其次，通常多達到4升的大量的儲層流體在從生產(chǎn)井現(xiàn)場到 測試實驗室的過程中需要維持1400公斤/平方厘米(20000磅/平方英寸)的壓力。在那 樣的高壓下運送和處理如此大的樣品成本高，并且會產(chǎn)生許多安全問題?，F(xiàn)有技術(shù)中，雖然有多種方法來描述儲層流體性能，但是仍然存在很多缺點。

發(fā)明內(nèi)容
需要用于測量儲層流體熱物理性能的微流體設(shè)備和方法。因此，本發(fā)明的一個目的就是提供一種測量儲層流體熱物理性能的微流體設(shè)備和 方法。一方面，提供了測量儲層流體熱物理性能的微流體設(shè)備。設(shè)備包括限定微通道的 第一基體，引入井和引出井。微通道在引入井和引出井之間延伸，并與引入井和引出井保持 流體連通。該設(shè)備還包括與第一基體相連的第二基體，以形成微流體裝置。第二基體限定 了與引入井流體連通的進口通道和與引出井流體連通的出口通道。進口通道被設(shè)置為在壓 力下接收儲層流體。另一方面，提供了測量儲層流體熱物理性能的方法。該方法包括提供一個微流體 裝置，其限定出了流體入口、流體出口以及在流體入口和流體出口之間延伸并與流體入口 和流體出口保持流體連通的微通道。該方法還包括在壓力下通過流體入口把儲層流體引入 到微通道，形成通過微通道從流體出口流出穩(wěn)定的儲層流體流。該方法還包括根據(jù)置于微 通道中的儲層流體中形成的氣泡大小和置于微通道中的儲層流體中的氣泡濃度測量流體 的一種或多種熱物理性能。本發(fā)明提供明顯的優(yōu)點，包括(1)提供了一種利用少量的儲層流體測量其熱物 理性能的方法；⑵提供了及時執(zhí)行壓力-體積-溫度分析儲層流體的方法；⑶提供了利 用圖像分析測量儲層流體熱物理性能的方法。
在說明本發(fā)明的另外的目的、特征和優(yōu)點將會在隨后的書面描述中得以清楚體 現(xiàn)。


本發(fā)明的新穎性特征將在附加的權(quán)利要求中說明。然而，發(fā)明本身以及優(yōu)選使用 模式和進一步的目的和優(yōu)點在結(jié)合附圖閱讀時參考隨后的詳細說明將被最好地理解，其 中圖1是用于測量儲層流體熱物理性能的微流體裝置的第一說明性實施例的典型 的分解透視圖；圖2是儲層流體流過圖1所示的微流體裝置時儲層流體反應(yīng)的典型的示意性圖 示；圖3是圖1所示的微流體裝置的頂部平面圖，其示出了三個儲層流體的流動狀 態(tài)；圖4是儲層流體測量系統(tǒng)典型的側(cè)視圖，其包括圖1所示的微流體裝置和用于在 使用中形成微流體裝置圖像的相機；圖5是測量儲層流體熱物理性能的微流體裝置第二說明性實施例的頂部平面圖；圖6是圖5所示微流體裝置的側(cè)視圖；圖7-9示出了圖5所示微流體裝置中的示范性微通道構(gòu)造；圖10示出了在使用中保持微流體裝置的微流體裝置保持器的說明性實施例；圖11提供了一系列照片，其描述了微流體裝置中在示范性的甲烷/癸烷流體混合 物中液體/氣泡的分布；圖12是表示由于溫度的影響在示范性的甲烷/癸烷流體混合物中液體體積占總 體積的百分比的圖；圖13是表示圖12所示的甲烷/癸烷流體混合物中常規(guī)壓力-體積-溫度計算的 圖；并且圖14是描述在特別增壓和“實際”儲層流體的示范性相包絡(luò)。雖然本發(fā)明很容易得到各種修改和替代形式，但其具體實施方式
已通過舉例的方 式公開在圖中，并在比進行詳細描述。這樣應(yīng)該能理解，具體實施方式
的此處說明并不是將 本發(fā)明限定為公開的特殊形式，相反，本發(fā)明包含了落入本發(fā)明范圍內(nèi)以附加權(quán)利要求限 定的所有的修改、等同物和替代物。
具體實施例方式下面將描述本發(fā)明的說明性實施例。為了清楚地說明，本說明書中并未描述實際 實施方式的所有特征。將認識到，在任何這種實際實施例的開發(fā)中，做出大量具體實施的決 定來達到開發(fā)者的具體目標，如遵守系統(tǒng)相關(guān)和商業(yè)相關(guān)的限制，這對不同的實施方式來 說都是不同的。此外，也認為即使此開發(fā)工作是復(fù)雜和消耗時間的，但對于具有本公開利益 的本領(lǐng)域技術(shù)人員來說也是慣常的途徑。本發(fā)明表述了測量儲層流體熱物理性能的微流體設(shè)備和方法。為了本發(fā)明的目 的，術(shù)語“儲層流體”表示儲存在地下透水巖層或能從地下透水巖層傳輸出來的流體。此外，為了本發(fā)明的目的，術(shù)語“微流體”表示流體輸送的通道，寬度范圍為數(shù)十至數(shù)百微米，長度 則比寬度長許多倍。圖1描繪了微流體裝置101的第一說明性實施例的典型的分解透視圖。在圖示實 施例中，微流體裝置101包括限定微通道105、引入井107和引出井109的第一基體103。微 通道105在引入井107和引出井109之間延伸，并與引入井和引出井保持流體連通。微通 道105在第一基體103中形成蜿蜒形狀，由此允許微通道105的延伸足夠的長度而只占用 相對較小的面積。盡管在本發(fā)明中，微通道105也考慮其它的尺寸，但在優(yōu)選實施例中，微 通道105長一米或數(shù)米，寬大約100微米，深大約50微米。微流體裝置101還包括第二基 體111，其具有的下表面113粘結(jié)在第一基體103上表面115上。當(dāng)?shù)诙w111粘結(jié)在 第一基體103上時，除引入井107處的進口 117和引出井109處的出口 119夕卜，微通道105 被密封。第二基體111限定通過其中的進口通道121和出口通道123，分別與第一基體103 的引入井107和引出井109之間流體連通。在圖1中，第一基體103優(yōu)選由硅制造，大約500微米厚，第二基體111由玻璃制 造，如硼硅酸鹽玻璃，然而本發(fā)明也考慮其它材料用于第一基體103，將在此詳細討論。示范 性的硼硅酸鹽玻璃由 Schott North America, Inc. of Elmsford,New York，USA 和 Corning Incorporated of Corning, New York, USA 制造。操作中，增壓的儲層流體通過進口通道121，引入井107和進口 117流入微通道 105。儲層流體通過出口 119，引出井109和出口通道123流出微通道105。微通道105為通 過其中的儲層流體流提供了大量的阻力，因為相對于微通道105的長度，其橫斷面非常小。 當(dāng)流體流在微通道105中的進口 117和出口 119之間產(chǎn)生時，微通道105內(nèi)儲層流體的壓 力從位于進口 117的輸入壓力，如儲層壓力，降低到位于出口 119的輸出壓力，如大氣壓力。 在進口 117和出口 119之間總壓降取決于進口壓力和儲層流體的黏度。流過微通道105的 流體流為層流，因此當(dāng)儲層流體表現(xiàn)為單相流時，在進口 117和出口 119之間的壓降是線性 的。圖2提供了當(dāng)儲層流體在與箭頭202大致對應(yīng)的方向流過微通道105時，儲層流 體201的反應(yīng)的典型示意性圖示。當(dāng)儲層流體進入到微通道105的進口 117，儲層流體的壓 力高于儲層流體的“泡點壓力”。流體泡點壓力在給定溫度下處于或低于流體開始沸騰(即 產(chǎn)生氣泡)的壓力。當(dāng)儲層流體流出微通道105的出口 119時，儲層流體的壓力就在儲層 流體泡點壓力之下。因此，儲層流體中“第一”氣泡203形成于微通道105中的某些位置， 如圖2中的205，這里的儲層流體處于泡點壓力。位置205的下游，微通道105中產(chǎn)生儲層 流體201的多相流，如氣體和液體流。當(dāng)儲層流體201在微通道105中流過對應(yīng)于第一氣 泡形成的位置后，由于微通道105的這個部分壓力降低和儲層流體201中輕質(zhì)成分的蒸發(fā) 更多，先前形成的氣泡，如氣泡207，209，211，213，215等等，尺寸都會增大。氣泡會被液體 的段塞分割，如段塞217，219，221，223，225等等。如氣泡207，209，211，213，215的氣泡膨 脹，導(dǎo)致微通道105內(nèi)氣泡的流速加快和液體段塞(如段塞217，219，221，223，225)。沿微 通道105的儲層流體201的質(zhì)量流率基本上是不變的；然而，儲層流體沿微通道105流動 時，儲層流體201的體積流率會增加。如圖2的儲層流體201的儲層流體的熱物理性能，如氣油比，相包絡(luò)和狀態(tài)方程， 可以通過測量微通道105內(nèi)氣泡的尺寸和濃度來確定?，F(xiàn)在參考圖3，描述了流過微通道105的儲層流體流的三種狀態(tài)。類似圖2中第一氣泡203的第一氣泡形成于沿微通道105 的301處。在從微通道105中的進口 117到第一氣泡的位置301，即圖3中標明的第一區(qū)域 303，儲層流體的壓力高于泡點壓力。在第一區(qū)域303內(nèi)沒有觀察到氣泡。在第一區(qū)域303， 儲層流體流基本上呈層流，這是因為其中的低雷諾數(shù)以及壓力基本上線性下降。一旦氣泡 形成，氣泡就沿著微通道105內(nèi)向出口 119運動，并且氣泡體積增大。在第二區(qū)域305，儲層 流體的空穴率，即氣體體積占總體積的比率低于一。第三區(qū)域307中，儲層流體流中主要是 高速氣體流。氣泡被如水的小液滴分割。第三區(qū)域307中儲層流體的壓力迅速降低。氣泡 在第二區(qū)域305中以低于在第三區(qū)域307中的速率流動，通常在第三區(qū)域中肉眼幾乎無法 跟蹤到氣泡。一旦在微通道105中形成了穩(wěn)定的儲層流體流，如圖4所示，相機401用來拍攝 流體的快照。注意到流入進口 117(見圖1和3)的儲層流體流用箭頭403表示，流出出口 119 (見圖1和3)的儲層流體流用箭頭405表示。在一個實施例中，相機401是電荷耦合裝置 (CXD)類型的相機。相機401產(chǎn)生的圖像利用圖像分析軟件來處理，如可從United States National Institutes of Health, of Bethesda,Maryland, USA 獲取的 ImageJ L 38X 禾口可 從 Xcitex，Inc. of Cambridge，Massachusetts，USA 獲取的 ProAnalyst，以測量置于微通道 105中儲層流體中氣泡的尺寸和濃度。使用這項技術(shù)，可以確定儲層流體如氣油比，相包絡(luò) 和狀態(tài)方程等多種熱物理性能。圖5和6描述了微流體裝置501的第二說明性實施例。如圖1中的微流體裝置 101，微流體裝置501包括限定了微通道505，引入井507和引出井509的第一基體503。微 通道505在引入井507和引出井509之間延伸，并與引入井507和引出井509流體連通。在 圖示的實施例中，第一基體503用硅制造；但第一基體可用玻璃制造。在一個實施例中，采 用光刻技術(shù)首先將微通道505，引入井507和引出井509光刻至第一基體503，然后采用深 反應(yīng)離子蝕刻技術(shù)將其蝕刻至第一基體503內(nèi)。如圖1中展示的第一實施例，在優(yōu)選的實 施例中，微通道505長一米或數(shù)米，寬大約100微米，深大約50微米，然而本發(fā)明也考慮其 它尺寸的微通道505。微流體裝置501還包括第二基體511，其限定出了與引入井507和引出井509流體 連通的進口通道513和出口通道515。如此處關(guān)于第二基體111 (圖1中所示)所討論的， 第二基體511用玻璃制造。在一個實施例中，第二基體511中的進口通道513和出口通道 515采用水射流和磨料水射流技術(shù)來形成。在仔細清潔基體503和511的粘結(jié)表面后，優(yōu)選 采用陽極鍵合方法使第一基體503和第二基體511優(yōu)選熔合。本發(fā)明考慮特殊應(yīng)用所需的具有任何合適尺寸和/或形狀的微流體裝置501。在 一個實施例中，微流體裝置501總長度A約為80毫米，總寬度B約為15毫米。在這個實施 例中，通道513和515之間的距離C為約72毫米。需要注意的是，微流體裝置101也有對 應(yīng)于微流體裝置501的尺寸。然而，本發(fā)明的范圍不限制于此。參考圖7，微通道505的一個或多個部分，包括減小橫截面面積的部分，是為了在 儲層流體中引起氣泡核的生成。例如，如圖7和8中所示，微文氏管701并入微通道505的 進口。微文氏管701包括噴嘴開口 801，其具有的寬度W1小于微通道505的寬度W2。微文氏 管701提供的收縮引起儲層流體在噴嘴開口 801處大幅度壓降，以及儲層流體速度的加快。 壓降和速度加快的聯(lián)合影響，導(dǎo)致儲層流體中氣泡核的產(chǎn)生。優(yōu)選地，如附圖7和9所示，微通道505還包括一個或多個額外收縮口 703。收縮口 703的寬度為W3,小于微通道505的 寬度W4。優(yōu)選地，噴嘴801的寬度W1和收縮口 703的寬度W3大約為20微米，而微通道505 的寬度W2和W4優(yōu)先選擇100微米。這些限制條件能使儲層流體流速增加到百分之五百。圖10描述了用于保持微流體裝置，如微流體裝置101或501的微流體裝置保持器 1001的說明性實施例。保持器1001包括由拉桿1007和1009連接的第一頭部1003和第二 頭部1005。微流體裝置101或501分別地被由緊固件1015附接在頭部1003和1005上的 板1011和1013保持在第一頭部1003和第二頭部1005上的位置中。保持器1001提供了 合適的支架和高壓連接件1017來向微流體裝置101或501傳遞儲層流體。與微流體裝置 101或501—起，保持器1001可以放置在顯微鏡上(未展示)或被肉眼觀察。圖11提供了一系列照片，其描述了置于微流體裝置501中的示范性甲烷/癸烷流 體混合物中，271，441，591和75°C下液體/氣泡的分布。在室溫下，在37公斤/平方厘 米(530磅/平方英寸)條件下，流體混合物是平衡的。每個方案中注入壓力為42公斤/ 平方厘米(600磅/平方英寸)。在圖11中，流體從左邊注入微流體裝置501。在照片中， 白線表示液體段塞，而分割液體段塞的深色間隙表示氣體。當(dāng)流體向下朝著出口運動時，流 體的壓力降低。壓降引起氣泡的膨脹伴隨著液相更多地蒸發(fā)，這在微通道505 (最好見圖5) 中通過空穴率，也就是氣體體積/總體積，的增大而被觀察到。圖12描述了示范性甲烷/癸烷流體混合物(其具有37公斤/平方厘米(530磅/ 平方英寸)的泡點壓力)液體體積占總體積百分比受溫度影響的變化。微通道505(最好 見圖5)中溫度的升高導(dǎo)致液體蒸發(fā)和氣體膨脹更快。這使用圖像分析技術(shù)由測量值顯示。 圖12表示在27°C和75°C溫度下的這些測量值。在圖12中，縱軸表示液體體積占總體積百 分比，橫軸表示微通道505的長度。在27°C下，微通道505入口處流體中氣體體積占約百 分之三。在接近微通道505出口處，大氣壓力條件下，氣體體積增加到大約百分之九十七。 在75°C溫度下，觀察到與在27°C下發(fā)現(xiàn)的相似趨勢。然而，流體中氣體體積以更快的速率 增大。如圖13所示，這些測量值的結(jié)果與該流體常規(guī)的壓力-體積-溫度計算是一致的。采用來自圖12的數(shù)據(jù)，就能計算典型的恒質(zhì)膨脹(CCE)實驗必要的信息。此外， 由于達到熱平衡需要較短時間，實驗可以在多個溫度下進行，這樣會得到更準確的相行為 測量值。圖14描述了特別增壓或“實際”儲層流體的示范性的相包絡(luò)。在井下條件下，儲 層流體處于不飽和狀態(tài)。也就是說，儲層的壓力高于泡點壓力。圖14中的箭頭表示儲存流 體至泡點的等溫壓降。泡點表示相包絡(luò)的單個點。采用這種技術(shù)測定的泡點是給定溫度的 泡點。實驗中儲層流體的溫度可以改變，所測得的泡點形成相包絡(luò)的可靠表達。前面所公開的具體實施例僅僅是說明性的，發(fā)明可以采用不同但等效的方法來修 改和實踐，這對從中受益的本領(lǐng)域技術(shù)人員而言是顯而易見的。此外，除了下面的權(quán)利要求 的限定，此處對于詳細的說明和設(shè)計也沒有限制。很明顯，前面所說明的具體實施例會被改 變和修改，并且所有的這種改變都應(yīng)認為是在本發(fā)明范圍內(nèi)。因此，此處的保護想法由下述 的權(quán)利要求所限定。盡管本發(fā)明只公開了有限數(shù)量的形式，但在卻不限于這些形式，而是可 以修改到各種變化和改型。
權(quán)利要求
一種測量儲層流體熱物理性能的微流體設(shè)備，所述設(shè)備包括限定了微通道、引入井和引出井的第一基體，所述微通道在所述引入井和所述引出井之間延伸，并與所述引入井和所述引出井流體連通；以及第二基體，其附接到所述第一基體以形成微流體裝置，所述第二基體限定了與所述引入井流體連通的進口通道和與所述引出井流體連通的出口通道；其中，所述進口通道被構(gòu)造成用來接收壓力下的儲層流體。
2.如權(quán)利要求1所述的微流體設(shè)備，其中采用陽極鍵合方法將所述第二基體的下表面 熔合到所述第一基體的上表面。
3.如權(quán)利要求1所述的微流體設(shè)備，其中所述第一基體包括硅。
4.如權(quán)利要求1所述的微流體設(shè)備，其中在所述第一基體中通過蝕刻工藝生成所述微 通道，所述弓I入井和所述弓丨出井。
5.如權(quán)利要求1所述的微流體設(shè)備，其中在所述第二基體中通過水噴射工藝和磨料水 射流工藝中的一種生成所述進口通道和所述出口通道。
6.如權(quán)利要求1所述的微流體設(shè)備，其中所述第二基體包括玻璃。
7.如權(quán)利要求1所述的微流體設(shè)備，其中所述微通道呈現(xiàn)蜿蜒形狀和至少一米的長度。
8.如權(quán)利要求1所述的微流體設(shè)備，其中所述微通道呈現(xiàn)從數(shù)十微米到數(shù)百微米范圍 內(nèi)的寬度。
9.如權(quán)利要求1所述的微流體設(shè)備，所述微通道包含具有噴嘴開口的微文氏管進口， 其呈現(xiàn)比所述微通道寬度更小的寬度。
10.如權(quán)利要求9所述的微流體設(shè)備，其中所述噴嘴開口的寬度大約為20微米。
11.如權(quán)利要求1所述的微流體設(shè)備，所述微通道包括至少一個收縮部，其呈現(xiàn)比所述 微通道寬度更小的寬度。
12.如權(quán)利要求11所述的微流體設(shè)備，其中所述至少一個收縮部的寬度大約為20微米。
13.如權(quán)利要求1所述的微流體設(shè)備，還包括相機，其用于生成流經(jīng)所述微通道的所述儲層流體的圖像。
14.如權(quán)利要求1所述的微流體設(shè)備，還包括微流體裝置保持器，其用于保持所述微流體裝置，所述微流體裝置保持器包括第一頭部，所述微流體裝置的第一端附接到所述第一頭部；第二頭部，所述微流體裝置的第二端附接到所述第二頭部；多個拉桿，其在所述第一頭部和所述第二頭部之間延伸；以及高壓連接件，其用于將所述儲層流體傳輸至所述微流體裝置。
15.一種測量儲層流體熱物理性能的方法，所述方法包括提供微流體裝置，所述微流體裝置限定了流體進口，流體出口和微通道，所述微通道在 所述流體進口和所述流體出口之間延伸，并與所述流體進口和所述流體出口流體連通； 將壓力下的儲層流體經(jīng)由所述流體進口弓丨入所述微通道； 形成穩(wěn)定的儲層流體流，其通過所述微通道并從所述流體出口流出；并且 根據(jù)置于所述微通道中的所述儲層流體中形成的氣泡確定所述儲層流體的一種或多種熱物理性能。
16.如權(quán)利要求15所述的方法，其中確定所述儲層流體的一種或多種熱物理性能根據(jù) 置于所述微通道中的所述儲層流體中形成的氣泡尺寸和置于所述微通道中的所述儲層流 體中的氣泡濃度。
17.如權(quán)利要求15所述的方法，其中確定一種或多種熱物理性能通過使用置于所述微 通道中的儲層流體獲取的圖像而完成。
18.如權(quán)利要求15所述的方法，其中一種或多種熱物理性能包括氣油比，相包絡(luò)和狀 態(tài)方程中的一個或多個。
全文摘要
一種測量儲層流體熱物理性能的微流體設(shè)備，包括限定了微通道，引入井和引出井的第一基體。微通道在引入井和引出井之間延伸，并與引入井和引出井保持流體連通。該設(shè)備還包括與第一基體相連的第二基體，以形成微流體裝置。第二基體限定了與引入井流體連通的進口通道和與引出井流體連通的出口通道。進口通道被設(shè)置成在壓力下接收儲層流體。一種測量儲層流體熱物理性能的方法，包括在壓力下將流體引入微通道，根據(jù)流體通過微通道形成的氣泡的大小和濃度來測量流體的熱物理性能。
文檔編號G01N33/28GK101971022SQ200980107729
公開日2011年2月9日 申請日期2009年2月7日 優(yōu)先權(quán)日2008年3月3日
發(fā)明者F·莫斯托菲 申請人:普拉德研究及開發(fā)有限公司