专利名称：测量储层流体热物理性能的微流体设备和方法
技术领域：
本发明涉及一种测量储层流体热物理性能的设备和方法。
背景技术：
储层流体性能的测量是潜在油田的规划和开发中的关键一步。对生产井进行这 种测量以提供生产过程的性能和行为的指标是通常所希望的。这种测量的示例包括压力、 体积和温度测量，通常称为“PVT”测量，对于预测储层流体复杂的热物理行为是有帮助的。 PVT测量一个很重要的作用就是形成描述储层流体中石油状态的状态方程。其它包括流体 粘度、密度、化学成分、气油比等所关注的性能也可使用PVT来测量。一旦PVT分析完成，可 将状态方程和其它参数输入储层模型软件来预测油田构成的情况。常规的PVT测量采用盛放储层流体的汽缸来实施。布置在汽缸中的活塞维持流体 所需的压力，而液相和气相的高度使用如测高计测量。尽管常规的PVT测量在广泛应用，但它仍有许多明显的局限性。首先，常规的PVT 分析通常需要数周才能完成。其次，通常多达到4升的大量的储层流体在从生产井现场到 测试实验室的过程中需要维持1400公斤/平方厘米(20000磅/平方英寸)的压力。在那 样的高压下运送和处理如此大的样品成本高，并且会产生许多安全问题。现有技术中，虽然有多种方法来描述储层流体性能，但是仍然存在很多缺点。

发明内容
需要用于测量储层流体热物理性能的微流体设备和方法。因此，本发明的一个目的就是提供一种测量储层流体热物理性能的微流体设备和 方法。一方面，提供了测量储层流体热物理性能的微流体设备。设备包括限定微通道的 第一基体，引入井和引出井。微通道在引入井和引出井之间延伸，并与引入井和引出井保持 流体连通。该设备还包括与第一基体相连的第二基体，以形成微流体装置。第二基体限定 了与引入井流体连通的进口通道和与引出井流体连通的出口通道。进口通道被设置为在压 力下接收储层流体。另一方面，提供了测量储层流体热物理性能的方法。该方法包括提供一个微流体 装置，其限定出了流体入口、流体出口以及在流体入口和流体出口之间延伸并与流体入口 和流体出口保持流体连通的微通道。该方法还包括在压力下通过流体入口把储层流体引入 到微通道，形成通过微通道从流体出口流出稳定的储层流体流。该方法还包括根据置于微 通道中的储层流体中形成的气泡大小和置于微通道中的储层流体中的气泡浓度测量流体 的一种或多种热物理性能。本发明提供明显的优点，包括(1)提供了一种利用少量的储层流体测量其热物 理性能的方法；⑵提供了及时执行压力-体积-温度分析储层流体的方法；⑶提供了利 用图像分析测量储层流体热物理性能的方法。
在说明本发明的另外的目的、特征和优点将会在随后的书面描述中得以清楚体 现。


本发明的新颖性特征将在附加的权利要求中说明。然而，发明本身以及优选使用 模式和进一步的目的和优点在结合附图阅读时参考随后的详细说明将被最好地理解，其 中图1是用于测量储层流体热物理性能的微流体装置的第一说明性实施例的典型 的分解透视图；图2是储层流体流过图1所示的微流体装置时储层流体反应的典型的示意性图 示；图3是图1所示的微流体装置的顶部平面图，其示出了三个储层流体的流动状 态；图4是储层流体测量系统典型的侧视图，其包括图1所示的微流体装置和用于在 使用中形成微流体装置图像的相机；图5是测量储层流体热物理性能的微流体装置第二说明性实施例的顶部平面图；图6是图5所示微流体装置的侧视图；图7-9示出了图5所示微流体装置中的示范性微通道构造；图10示出了在使用中保持微流体装置的微流体装置保持器的说明性实施例；图11提供了一系列照片，其描述了微流体装置中在示范性的甲烷/癸烷流体混合 物中液体/气泡的分布；图12是表示由于温度的影响在示范性的甲烷/癸烷流体混合物中液体体积占总 体积的百分比的图；图13是表示图12所示的甲烷/癸烷流体混合物中常规压力-体积-温度计算的 图；并且图14是描述在特别增压和“实际”储层流体的示范性相包络。虽然本发明很容易得到各种修改和替代形式，但其具体实施方式
已通过举例的方 式公开在图中，并在比进行详细描述。这样应该能理解，具体实施方式
的此处说明并不是将 本发明限定为公开的特殊形式，相反，本发明包含了落入本发明范围内以附加权利要求限 定的所有的修改、等同物和替代物。
具体实施例方式下面将描述本发明的说明性实施例。为了清楚地说明，本说明书中并未描述实际 实施方式的所有特征。将认识到，在任何这种实际实施例的开发中，做出大量具体实施的决 定来达到开发者的具体目标，如遵守系统相关和商业相关的限制，这对不同的实施方式来 说都是不同的。此外，也认为即使此开发工作是复杂和消耗时间的，但对于具有本公开利益 的本领域技术人员来说也是惯常的途径。本发明表述了测量储层流体热物理性能的微流体设备和方法。为了本发明的目 的，术语“储层流体”表示储存在地下透水岩层或能从地下透水岩层传输出来的流体。此外，为了本发明的目的，术语“微流体”表示流体输送的通道，宽度范围为数十至数百微米，长度 则比宽度长许多倍。图1描绘了微流体装置101的第一说明性实施例的典型的分解透视图。在图示实 施例中，微流体装置101包括限定微通道105、引入井107和引出井109的第一基体103。微 通道105在引入井107和引出井109之间延伸，并与引入井和引出井保持流体连通。微通 道105在第一基体103中形成蜿蜒形状，由此允许微通道105的延伸足够的长度而只占用 相对较小的面积。尽管在本发明中，微通道105也考虑其它的尺寸，但在优选实施例中，微 通道105长一米或数米，宽大约100微米，深大约50微米。微流体装置101还包括第二基 体111，其具有的下表面113粘结在第一基体103上表面115上。当第二基体111粘结在 第一基体103上时，除引入井107处的进口 117和引出井109处的出口 119夕卜，微通道105 被密封。第二基体111限定通过其中的进口通道121和出口通道123，分别与第一基体103 的引入井107和引出井109之间流体连通。在图1中，第一基体103优选由硅制造，大约500微米厚，第二基体111由玻璃制 造，如硼硅酸盐玻璃，然而本发明也考虑其它材料用于第一基体103，将在此详细讨论。示范 性的硼硅酸盐玻璃由 Schott North America, Inc. of Elmsford,New York，USA 和 Corning Incorporated of Corning, New York, USA 制造。操作中，增压的储层流体通过进口通道121，引入井107和进口 117流入微通道 105。储层流体通过出口 119，引出井109和出口通道123流出微通道105。微通道105为通 过其中的储层流体流提供了大量的阻力，因为相对于微通道105的长度，其横断面非常小。 当流体流在微通道105中的进口 117和出口 119之间产生时，微通道105内储层流体的压 力从位于进口 117的输入压力，如储层压力，降低到位于出口 119的输出压力，如大气压力。 在进口 117和出口 119之间总压降取决于进口压力和储层流体的黏度。流过微通道105的 流体流为层流，因此当储层流体表现为单相流时，在进口 117和出口 119之间的压降是线性 的。图2提供了当储层流体在与箭头202大致对应的方向流过微通道105时，储层流 体201的反应的典型示意性图示。当储层流体进入到微通道105的进口 117，储层流体的压 力高于储层流体的“泡点压力”。流体泡点压力在给定温度下处于或低于流体开始沸腾(即 产生气泡)的压力。当储层流体流出微通道105的出口 119时，储层流体的压力就在储层 流体泡点压力之下。因此，储层流体中“第一”气泡203形成于微通道105中的某些位置， 如图2中的205，这里的储层流体处于泡点压力。位置205的下游，微通道105中产生储层 流体201的多相流，如气体和液体流。当储层流体201在微通道105中流过对应于第一气 泡形成的位置后，由于微通道105的这个部分压力降低和储层流体201中轻质成分的蒸发 更多，先前形成的气泡，如气泡207，209，211，213，215等等，尺寸都会增大。气泡会被液体 的段塞分割，如段塞217，219，221，223，225等等。如气泡207，209，211，213，215的气泡膨 胀，导致微通道105内气泡的流速加快和液体段塞(如段塞217，219，221，223，225)。沿微 通道105的储层流体201的质量流率基本上是不变的；然而，储层流体沿微通道105流动 时，储层流体201的体积流率会增加。如图2的储层流体201的储层流体的热物理性能，如气油比，相包络和状态方程， 可以通过测量微通道105内气泡的尺寸和浓度来确定。现在参考图3，描述了流过微通道105的储层流体流的三种状态。类似图2中第一气泡203的第一气泡形成于沿微通道105 的301处。在从微通道105中的进口 117到第一气泡的位置301，即图3中标明的第一区域 303，储层流体的压力高于泡点压力。在第一区域303内没有观察到气泡。在第一区域303， 储层流体流基本上呈层流，这是因为其中的低雷诺数以及压力基本上线性下降。一旦气泡 形成，气泡就沿着微通道105内向出口 119运动，并且气泡体积增大。在第二区域305，储层 流体的空穴率，即气体体积占总体积的比率低于一。第三区域307中，储层流体流中主要是 高速气体流。气泡被如水的小液滴分割。第三区域307中储层流体的压力迅速降低。气泡 在第二区域305中以低于在第三区域307中的速率流动，通常在第三区域中肉眼几乎无法 跟踪到气泡。一旦在微通道105中形成了稳定的储层流体流，如图4所示，相机401用来拍摄 流体的快照。注意到流入进口 117(见图1和3)的储层流体流用箭头403表示，流出出口 119 (见图1和3)的储层流体流用箭头405表示。在一个实施例中，相机401是电荷耦合装置 (CXD)类型的相机。相机401产生的图像利用图像分析软件来处理，如可从United States National Institutes of Health, of Bethesda,Maryland, USA 获取的 ImageJ L 38X 禾口可 从 Xcitex，Inc. of Cambridge，Massachusetts，USA 获取的 ProAnalyst，以测量置于微通道 105中储层流体中气泡的尺寸和浓度。使用这项技术，可以确定储层流体如气油比，相包络 和状态方程等多种热物理性能。图5和6描述了微流体装置501的第二说明性实施例。如图1中的微流体装置 101，微流体装置501包括限定了微通道505，引入井507和引出井509的第一基体503。微 通道505在引入井507和引出井509之间延伸，并与引入井507和引出井509流体连通。在 图示的实施例中，第一基体503用硅制造；但第一基体可用玻璃制造。在一个实施例中，采 用光刻技术首先将微通道505，引入井507和引出井509光刻至第一基体503，然后采用深 反应离子蚀刻技术将其蚀刻至第一基体503内。如图1中展示的第一实施例，在优选的实 施例中，微通道505长一米或数米，宽大约100微米，深大约50微米，然而本发明也考虑其 它尺寸的微通道505。微流体装置501还包括第二基体511，其限定出了与引入井507和引出井509流体 连通的进口通道513和出口通道515。如此处关于第二基体111 (图1中所示)所讨论的， 第二基体511用玻璃制造。在一个实施例中，第二基体511中的进口通道513和出口通道 515采用水射流和磨料水射流技术来形成。在仔细清洁基体503和511的粘结表面后，优选 采用阳极键合方法使第一基体503和第二基体511优选熔合。本发明考虑特殊应用所需的具有任何合适尺寸和/或形状的微流体装置501。在 一个实施例中，微流体装置501总长度A约为80毫米，总宽度B约为15毫米。在这个实施 例中，通道513和515之间的距离C为约72毫米。需要注意的是，微流体装置101也有对 应于微流体装置501的尺寸。然而，本发明的范围不限制于此。参考图7，微通道505的一个或多个部分，包括减小横截面面积的部分，是为了在 储层流体中引起气泡核的生成。例如，如图7和8中所示，微文氏管701并入微通道505的 进口。微文氏管701包括喷嘴开口 801，其具有的宽度W1小于微通道505的宽度W2。微文氏 管701提供的收缩引起储层流体在喷嘴开口 801处大幅度压降，以及储层流体速度的加快。 压降和速度加快的联合影响，导致储层流体中气泡核的产生。优选地，如附图7和9所示，微通道505还包括一个或多个额外收缩口 703。收缩口 703的宽度为W3,小于微通道505的 宽度W4。优选地，喷嘴801的宽度W1和收缩口 703的宽度W3大约为20微米，而微通道505 的宽度W2和W4优先选择100微米。这些限制条件能使储层流体流速增加到百分之五百。图10描述了用于保持微流体装置，如微流体装置101或501的微流体装置保持器 1001的说明性实施例。保持器1001包括由拉杆1007和1009连接的第一头部1003和第二 头部1005。微流体装置101或501分别地被由紧固件1015附接在头部1003和1005上的 板1011和1013保持在第一头部1003和第二头部1005上的位置中。保持器1001提供了 合适的支架和高压连接件1017来向微流体装置101或501传递储层流体。与微流体装置 101或501—起，保持器1001可以放置在显微镜上(未展示)或被肉眼观察。图11提供了一系列照片，其描述了置于微流体装置501中的示范性甲烷/癸烷流 体混合物中，271，441，591和75°C下液体/气泡的分布。在室温下，在37公斤/平方厘 米(530磅/平方英寸)条件下，流体混合物是平衡的。每个方案中注入压力为42公斤/ 平方厘米(600磅/平方英寸)。在图11中，流体从左边注入微流体装置501。在照片中， 白线表示液体段塞，而分割液体段塞的深色间隙表示气体。当流体向下朝着出口运动时，流 体的压力降低。压降引起气泡的膨胀伴随着液相更多地蒸发，这在微通道505 (最好见图5) 中通过空穴率，也就是气体体积/总体积，的增大而被观察到。图12描述了示范性甲烷/癸烷流体混合物(其具有37公斤/平方厘米(530磅/ 平方英寸)的泡点压力)液体体积占总体积百分比受温度影响的变化。微通道505(最好 见图5)中温度的升高导致液体蒸发和气体膨胀更快。这使用图像分析技术由测量值显示。 图12表示在27°C和75°C温度下的这些测量值。在图12中，纵轴表示液体体积占总体积百 分比，横轴表示微通道505的长度。在27°C下，微通道505入口处流体中气体体积占约百 分之三。在接近微通道505出口处，大气压力条件下，气体体积增加到大约百分之九十七。 在75°C温度下，观察到与在27°C下发现的相似趋势。然而，流体中气体体积以更快的速率 增大。如图13所示，这些测量值的结果与该流体常规的压力-体积-温度计算是一致的。采用来自图12的数据，就能计算典型的恒质膨胀(CCE)实验必要的信息。此外， 由于达到热平衡需要较短时间，实验可以在多个温度下进行，这样会得到更准确的相行为 测量值。图14描述了特别增压或“实际”储层流体的示范性的相包络。在井下条件下，储 层流体处于不饱和状态。也就是说，储层的压力高于泡点压力。图14中的箭头表示储存流 体至泡点的等温压降。泡点表示相包络的单个点。采用这种技术测定的泡点是给定温度的 泡点。实验中储层流体的温度可以改变，所测得的泡点形成相包络的可靠表达。前面所公开的具体实施例仅仅是说明性的，发明可以采用不同但等效的方法来修 改和实践，这对从中受益的本领域技术人员而言是显而易见的。此外，除了下面的权利要求 的限定，此处对于详细的说明和设计也没有限制。很明显，前面所说明的具体实施例会被改 变和修改，并且所有的这种改变都应认为是在本发明范围内。因此，此处的保护想法由下述 的权利要求所限定。尽管本发明只公开了有限数量的形式，但在却不限于这些形式，而是可 以修改到各种变化和改型。
权利要求
一种测量储层流体热物理性能的微流体设备，所述设备包括限定了微通道、引入井和引出井的第一基体，所述微通道在所述引入井和所述引出井之间延伸，并与所述引入井和所述引出井流体连通；以及第二基体，其附接到所述第一基体以形成微流体装置，所述第二基体限定了与所述引入井流体连通的进口通道和与所述引出井流体连通的出口通道；其中，所述进口通道被构造成用来接收压力下的储层流体。
2.如权利要求1所述的微流体设备，其中采用阳极键合方法将所述第二基体的下表面 熔合到所述第一基体的上表面。
3.如权利要求1所述的微流体设备，其中所述第一基体包括硅。
4.如权利要求1所述的微流体设备，其中在所述第一基体中通过蚀刻工艺生成所述微 通道，所述弓I入井和所述弓丨出井。
5.如权利要求1所述的微流体设备，其中在所述第二基体中通过水喷射工艺和磨料水 射流工艺中的一种生成所述进口通道和所述出口通道。
6.如权利要求1所述的微流体设备，其中所述第二基体包括玻璃。
7.如权利要求1所述的微流体设备，其中所述微通道呈现蜿蜒形状和至少一米的长度。
8.如权利要求1所述的微流体设备，其中所述微通道呈现从数十微米到数百微米范围 内的宽度。
9.如权利要求1所述的微流体设备，所述微通道包含具有喷嘴开口的微文氏管进口， 其呈现比所述微通道宽度更小的宽度。
10.如权利要求9所述的微流体设备，其中所述喷嘴开口的宽度大约为20微米。
11.如权利要求1所述的微流体设备，所述微通道包括至少一个收缩部，其呈现比所述 微通道宽度更小的宽度。
12.如权利要求11所述的微流体设备，其中所述至少一个收缩部的宽度大约为20微米。
13.如权利要求1所述的微流体设备，还包括相机，其用于生成流经所述微通道的所述储层流体的图像。
14.如权利要求1所述的微流体设备，还包括微流体装置保持器，其用于保持所述微流体装置，所述微流体装置保持器包括第一头部，所述微流体装置的第一端附接到所述第一头部；第二头部，所述微流体装置的第二端附接到所述第二头部；多个拉杆，其在所述第一头部和所述第二头部之间延伸；以及高压连接件，其用于将所述储层流体传输至所述微流体装置。
15.一种测量储层流体热物理性能的方法，所述方法包括提供微流体装置，所述微流体装置限定了流体进口，流体出口和微通道，所述微通道在 所述流体进口和所述流体出口之间延伸，并与所述流体进口和所述流体出口流体连通； 将压力下的储层流体经由所述流体进口弓丨入所述微通道； 形成稳定的储层流体流，其通过所述微通道并从所述流体出口流出；并且 根据置于所述微通道中的所述储层流体中形成的气泡确定所述储层流体的一种或多种热物理性能。
16.如权利要求15所述的方法，其中确定所述储层流体的一种或多种热物理性能根据 置于所述微通道中的所述储层流体中形成的气泡尺寸和置于所述微通道中的所述储层流 体中的气泡浓度。
17.如权利要求15所述的方法，其中确定一种或多种热物理性能通过使用置于所述微 通道中的储层流体获取的图像而完成。
18.如权利要求15所述的方法，其中一种或多种热物理性能包括气油比，相包络和状 态方程中的一个或多个。
全文摘要
一种测量储层流体热物理性能的微流体设备，包括限定了微通道，引入井和引出井的第一基体。微通道在引入井和引出井之间延伸，并与引入井和引出井保持流体连通。该设备还包括与第一基体相连的第二基体，以形成微流体装置。第二基体限定了与引入井流体连通的进口通道和与引出井流体连通的出口通道。进口通道被设置成在压力下接收储层流体。一种测量储层流体热物理性能的方法，包括在压力下将流体引入微通道，根据流体通过微通道形成的气泡的大小和浓度来测量流体的热物理性能。
文档编号G01N33/28GK101971022SQ200980107729
公开日2011年2月9日 申请日期2009年2月7日 优先权日2008年3月3日
发明者F·莫斯托菲 申请人:普拉德研究及开发有限公司