通过基团贡献平衡模型进行的地面气体校正.pdf

本发明公开了用来确定在井下操作期间来自地质地层的承载流体和固体的流体的总烃的方法和系统。井场处的气体抽取通过气体抽取器在设定压力、测得温度、测得密度和受控体积速率下发生。通过使用基团贡献平衡模型求解状态方程组从流入和流出井筒的流体样本确定各种目标组分的量。在沾染地层材料之前对液体的液相和固相的大致化学组合物的了解以及对来自地质地层的气相的检测和固相的描述，允许在地面处确定来自地质地层的总体可检测烃并且将其浓度表示为在井下操作时来自井筒的材料的摩尔或质量分数。

1.  一种用于表征地层流体的方法，所述方法包括：
从井下操作期间暴露于地层的流体中抽取气体样本；
测量所述气体样本的温度；
从所述气体样本确定所述流体中一个或多个目标组分中的每一个的汽相摩尔贡献；
使用所述温度确定每个目标组分的部分蒸汽压；
使用所述确定的部分蒸汽压和所述确定的汽相摩尔贡献以及汽液基团贡献平衡状态方程确定每个目标组分的液相摩尔贡献；以及
从所有组分的所述确定的汽相和液相摩尔贡献的总和中减去钻井液的已知化学组合物，以表征所述地层流体。

2.  如权利要求1所述的方法，其中抽取所述气体样本包括抽取流出或流入气体样本。

3.  如权利要求1所述的方法，其中计算每个组分的所述液相摩尔贡献还包括：
针对所述一个或多个组分中的每一个，使液相逸度与汽相逸度相等，其中所述汽相逸度是所述汽相摩尔贡献、所述流体中所述组分的汽相逸度系数和所述压力的数学乘积，并且其中所述液相逸度是至少所述液相摩尔贡献、饱和情况下为纯物质的所述组分的液相逸度系数和所述组分的活度系数的数学乘积；以及
针对所有的所述一个或多个组分，共同地、同时地求解基团贡献状态方程组以得到所述液相摩尔贡献和所述活度系数。

4.  如权利要求3所述的方法，其中所述活度系数基于来自包括以下各项的组中的一个的方程：通用准化学活度系数模型、通用准化学官能团活度系数模型、修正的通用准化学官能团活度系数模型，以及Dortmund修正的通用准化学官能团活度系数模型。

5.  如权利要求1所述的方法，其中确定每个所述组分的所述部分蒸汽压还包括使用Antoine蒸汽压方程计算每个所述组分的所述部分蒸汽压。

6.  如权利要求1所述的方法，所述方法还包括：
在流入温度和流入压力下从井下操作期间进入所述地层中的钻孔的流体流入物中抽取流入气体样本；
测量所述流入气体样本以确定所述流体流入物中所述组分中的每一个的流入汽相摩尔贡献；
使用所述流入温度确定每个所述组分的流入部分蒸汽压；以及
使用所述流入部分蒸汽压和所述流入汽相摩尔贡献以及所述汽液基团贡献平衡状态方程确定每个组分的流入液相摩尔贡献，
据此，所有所述组分的所述流入汽相摩尔贡献和流入液相摩尔贡献以及原始流体的已知化学组合物共同地定义流入流体的组合物，从而补偿所述流体流入物中再循环的地层气体。

7.  如权利要求1所述的方法，所述方法还包括：
使用载体气体抽取某体积的所述气体样本；
使用包括气相色谱仪或质谱仪的组中的至少一个来测量每个所述组分的所述汽相摩尔贡献；
从所述汽相摩尔浓度中移除载体气体贡献；以及
通过每直线深度被钻孔的地层的体积标准化所述地层流体。

8.  一种用于表征地层流体的系统，所述系统包括：
流动性地连接到井下流体循环系统内的流体流的气体抽取器；
连接到所述抽取器的温度检测器；
连接到所述抽取器的压力检测器；
气体分析器，其在暴露于通过所述气体抽取器获得的所述流体的气体样本时选择性地产生输出，所述输出对应于所述流体中一个或多个目标组分中的每一个的汽相摩尔贡献；以及
连接到所述温度检测器、所述压力检测器以及所述气体分析器的信息处理系统，所述信息处理系统包括处理器和存储器装置，所述存储器装置含有指令集，所述指令集在由所述处理器执行时使所述处理器：
使用所述气体样本的所述温度确定每个所述组分的部分蒸汽压；
使用所述部分蒸汽压和所述汽相摩尔贡献根据汽液平衡基团贡 献状态方程来计算每个所述目标组分的液相摩尔贡献；并且
从所有组分的所述确定的汽相和液相摩尔贡献的总和中减去所述流体的已知化学组合物，以表征所述地层流体。

9.  如权利要求8所述的系统，其中所述气体样本为流出或流入气体样本。

10.  如权利要求8所述的系统，其中所述指令集还使所述处理器：
针对所述一个或多个组分中的每一个，使液相逸度与汽相逸度相等，其中所述汽相逸度是所述汽相摩尔贡献、所述流体中所述组分的汽相逸度系数和所述压力的数学乘积，并且其中所述液相逸度是至少所述流出液相摩尔贡献、饱和情况下为纯物质的所述组分的液相逸度系数和所述组分的活度系数的数学乘积；并且
针对所有的所述一个或多个组分，共同地、同时地求解状态方程组以得到所述液相摩尔贡献和所述活度系数。

11.  如权利要求10所述的系统，其中所述活度系数基于来自包括以下各项的组中的一个的方程：通用准化学活度系数模型、通用准化学官能团活度系数模型、修正的通用准化学官能团活度系数模型，以及Dortmund修正的通用准化学官能团活度系数模型。

12.  如权利要求8所述的系统，其中所述指令集还使所述处理器使用Antoine蒸汽压方程计算每个所述组分的所述部分蒸汽压。

13.  如权利要求8所述的系统，其中所述气体分析器包括来自包括气相色谱仪和质谱仪的组中的至少一个。

14.  一种用于表征地层流体的系统，所述系统包括：
流动性地连接到在地下的钻孔的流体循环系统的第一抽取器，所述第一抽取器被配置用于从离开所述钻孔的流体流出物中抽取流出气体样本；
连接到所述第一抽取器的第一温度检测器，其用于测量所述流出气体样本的流出温度；
连接到所述第一抽取器的第一压力检测器，其用于测量所述流出气体样本的流出压力；
第一气体分析器，其连接到所述第一抽取器并且被配置成在暴露 于通过所述气体抽取器获得的所述流体流出物的气体样本时选择性地产生输出，所述输出对应于所述流体流出物中一个或多个目标组分中的每一个的流出汽相摩尔贡献；
流动性地连接到所述流体循环系统的第二抽取器，其被配置用于从进入钻孔的流体流入物抽取流入气体样本；
连接到所述第二抽取器的第二温度检测器，其用于测量所述流入气体样本的流入温度；
连接到所述第二抽取器的第二压力检测器，其用于测量所述流入气体样本的流入压力；
第二气体分析器，其连接到所述第二抽取器并且被配置成在暴露于通过所述气体抽取器获得的钻井液流入物的气体样本时选择性地产生输出，所述输出对应于所述流体流入物中一个或多个目标组分中的每一个的流入汽相摩尔贡献；以及
连接到所述第一和第二温度检测器、所述第一和第二压力检测器以及所述第一和第二气体分析器的信息处理系统，所述信息处理系统包括处理器和存储器装置，所述存储器装置包含指令集，所述指令集在由所述处理器执行时使所述处理器：
使用所述流入气体样本的所述流入温度确定每个所述组分的流入部分蒸汽压；
使用所述流入部分蒸汽压和所述流入汽相摩尔贡献根据汽液平衡基团贡献状态方程来确定每个所述组分的流入液相摩尔贡献；
使用所述流出气体样本的所述流出温度确定每个所述组分的流出部分蒸汽压；
使用所述流出部分蒸汽压和所述流出汽相摩尔贡献根据汽液平衡基团贡献状态方程来确定每个所述组分的流出液相摩尔贡献；以及
从所有组分的所述确定的流出汽相和液相摩尔贡献的总和中减去所有所述组分的所述确定的流入汽相和液相摩尔贡献以及流体的已知化学组合物，以表征所述地层流体。

15.  如权利要求14所述的系统，其中所述指令集还使所述处理器：
针对所述一个或多个组分中的每一个，使流出液相逸度与流出汽相逸度相等，其中所述流出汽相逸度是所述流出汽相摩尔贡献、所述流体流出物中所述组分的汽相逸度系数和所述压力的数学乘积，并且其中所述流出液相逸度是至少所述流出液相摩尔贡献、饱和情况下为纯物质的所述组分的液相逸度系数和所述组分的活度系数的数学乘积；并且
针对所有的所述一个或多个组分，共同地、同时地求解第一基团贡献状态方程组以得到所述流出液相摩尔贡献和所述活度系数。

16.  如权利要求15所述的系统，其中所述指令集还使所述处理器：
针对所述一个或多个组分中的每一个，使流入液相逸度与流入汽相逸度相等，其中所述流入汽相逸度是所述流入汽相摩尔贡献、所述流体流入物中所述组分的汽相逸度系数和所述压力的数学乘积，并且其中所述流入液相逸度是所述流入液相摩尔贡献、饱和情况下为纯物质的所述组分的液相逸度系数和所述组分的活度系数的数学乘积；并且
针对所有的所述一个或多个组分，共同地、同时地求解第二基团贡献状态方程组以得到所述流入液相摩尔贡献和所述活度系数。

17.  如权利要求16所述的系统，其中所述活度系数基于来自包括以下各项的组中的一个的方程：通用准化学活度系数模型、通用准化学官能团活度系数模型、修正的通用准化学官能团活度系数模型，以及Dortmund修正的通用准化学官能团活度系数模型。

18.  如权利要求14所述的系统，其中所述指令集还使所述处理器：
使用Antoine蒸汽压方程计算每个所述组分的所述流出部分蒸汽压；并且
使用Antoine蒸汽压方程计算每个所述组分的所述流入部分蒸汽压。

19.  一种用于表征地层流体的方法，所述方法包括：
从钻孔的流体中抽取流出气体样本；
使用汽液基团贡献平衡状态方程确定所述流出气体样本的每个组分的流出液相摩尔贡献；以及
基于所述流出气体样本的每个组分的所述流出液相摩尔贡献表征地层流体。

20.  如权利要求19所述的方法，所述方法还包括：
从所述钻孔的所述流体中抽取流入气体样本；
使用第二汽液基团贡献平衡状态方程确定所述流入气体样本的每个组分的流入液相摩尔贡献；以及
通过分析所有所述组分的所述流入液相摩尔贡献和原始流体的已知化学组合物，补偿所述流体中再循环的地层气体。

通过基团贡献平衡模型进行的地面气体校正
优先权
本申请是美国临时专利申请号61/805,828的国际申请并且要求所述临时专利申请的优先权，所述临时专利申请是在2013年3月27日提交的，题为“SURFACEGASCORRECTIONBYGROUPCONTRIBUTIONEQUILIBRIUMMODEL”，也署名MathewDennisRowe为发明者，所述临时专利申请据此以引用的方式整体并入本文。
技术领域
本公开大体来说涉及钻井时的泥浆录井或气测录井，并且更具体地说，涉及用于实时表征地层流体的方法和系统。
背景技术
在钻井操作期间，地层流体和气体可能被截留在钻井液中。可以在地面处将这些气体抽取到机械搅动气体收集器中并且使用气相色谱仪、质谱仪或类似设备进行分析，从而确定针对整个井深度被钻孔的每直线英尺地层的烃简况。具体来说，通过气相色谱仪、质谱仪或其它分析设备测量汽相各种目标组分的摩尔浓度，并且随后利用使用这种数据进行的状态方程计算来将这种测量数据外推到烃简况。
已推导出许多不同的状态方程来描述系统的热力学状态和化学状态。石油和天然气行业传统上出于泥浆录井目的使用Peng-Robinson状态方程，取得了适度成功。然而，当前的泥浆录井技术苦于不精确性，从而需要确定并应用校正因子。例如，已知的做法是最初在泥浆录井测量时使钻井液在桶中循环，并且在钻井前使测量值与实验室测试相关来确定校正因子。由于需要获得周期性的实验性实验室测试来获得准确结果，因此这些方法不是实时进行的。
附图说明
图1示出可以结合本公开的说明性实施方案来使用的钻机系统；
图2是根据本公开的说明性方法的用于表征地层流体的方法的流程图；以及
图3是示出根据本公开的说明性方法的用来表征地层流体的方法300的流程图，在所述方法中使用流出样本和流入样本。
具体实施方式
本公开的说明性实施方案和相关方法在下文中描述为可能在用来实时确定地层流体特性的系统或方法中使用。为了清晰，本说明书中并没有描述实际实现形式或方法的所有特征。当然，应了解，在任何这种实际实施方案的开发中，应做出大量实现方式特定的决策来实现开发人员的特定目标，如符合系统相关约束和业务相关约束，所述目标在不同实现方式间将有所不同。此外，应了解，这种开发努力可能是复杂的且耗时的，但是仍将是受益于本公开的本领域一般技术人员的常规任务。本公开的各种实施方案和相关方法的其它方面和优点将因考虑以下描述和附图而变得显而易见。
如本文所述，本公开的说明性实施方案提供了用来在实时井下操作期间基于基团贡献状态方程和/或相位平衡方程来校正地面流体数据的替代方法。因此，实时确定从地质地层回收的多相井下流体(即，承载流体和固体)中总烃的量。在一种说明性一般方法中，井场处的气体抽取通过气体抽取器在设定压力、测得温度、测得密度和受控体积速率下发生。通过使用基团贡献平衡模型求解状态方程组，从经由气体抽取器进入(即，流入)和离开(即，流出)井筒的钻井液样本确定各种目标种类/组分的量。在沾染地质地层材料之前对液体的液相和固相的大致化学组合物的了解结合对来自地质地层的气相的检测和固相的描述，允许确定从地层中抽取的总体可检测烃。此外，如下文 将更详细地描述，井筒的流体流入物和流出物的组合物差异可用来确定由地质地层产生或从地质地层吸收的材料，从而保持随后流体分析的完整性。
尽管以下描述着眼于钻井应用，但是本公开的说明性实施方案可在其中流体流进或流出井筒的任何井下操作中使用。
图1示出可结合本公开的说明性实施方案来使用的钻机系统100。然而，回头参考图1，展示配备有井架4的钻井平台2，井架4用于支撑升降机6，升降机6用于升高或降低钻柱8。升降机6悬吊顶部驱动器11，顶部驱动器11适合于旋转钻杆8并且使钻杆8降低穿过井口13。钻头15连接到钻杆8的下端。当钻头15旋转时，其产生穿过各种地层19的钻孔17。钻井液循环系统包括泵21，其用来通过供应管道22将钻井液循环到顶部驱动器11，向下通过钻杆8的内部，通过钻头15中的孔，经由围绕钻杆8的环回到地面，并且经由回流管道23进入保持坑24。钻井液将钻屑从钻孔传输到坑24中并且帮助保持井筒16的完整性。各种材料可用于钻井液，包括但不限于基于盐水的导电泥浆。
抽取器54经由导管56流动性地连接到钻井循环系统，以从经由回流管道23离开钻孔17的钻井液中抽取流出气体样本。抽取器54还经由导管52流体性地连接到供应管道22，从而从进入钻孔17的钻井液中抽取流入气体样本。如本领域所理解，抽取器54可以是任何多种这类装置。尽管未展示，但是抽取器54还包括用于测量流出和流入气体样本的温度的温度检测器以及用来测量流出和流入气体样本的压力的压力检测器。分析仪器60经由线路58连接到抽取器54，该分析仪器测量流入/流出气体样本，从而确定钻井液中每个目标组分的流出汽相摩尔贡献。分析仪器60可以是多种装置，例如像气相色谱仪、质谱仪或其它气体分析器。计算机处理单元(“CPU”)56(本文中也被称为信息处理系统)连接到抽取器54和分析仪器60。CPU56包括处理器和存储器装置，所述存储器装置包含指令 集，所述指令集在由处理器执行时使处理器使用基团贡献平衡模型确定每个目标组分的部分蒸汽压、液相摩尔贡献和汽相摩尔贡献，如下文将更详细地描述。
在替代实施方案中，独立的抽取器54可用于流出和流入气体样本。例如，第一抽取器可流动性地连接到回流管道23以从离开钻孔17的钻井液流出物中抽取气体样本。第一抽取器可具有专用温度检测器(即，第一温度检测器)，其连接到第一抽取器以测量流出气体样本的温度。第一压力检测器也可连接到第一抽取器以便测量气体样本的流出压力。第一分析仪器(即，第一分析器)可连接到第一抽取器以测量钻井液流出物中每个目标组分的流出汽相摩尔贡献。同时，第二抽取器可连接到供应管道22，从而从进入钻孔17的钻井液流入物中抽取流入气体样本。第二抽取器除了连接到它自己的分析仪器(即，第二分析器)以确定汽相摩尔贡献之外，也可包括专用温度检测器(即，第二温度检测器)和专用压力检测器(即，第二压力检测器)，分别用来测量流入气体样本的流入温度和压力。CPU56可因此可操作地连接到两个抽取器和它们的相关联装置，从而使用基团贡献平衡模型确定每个目标组分的部分蒸汽压、液相摩尔贡献和汽相摩尔贡献，如下文将更详细地描述。
应注意，CPU56包括至少一个处理器和一个非暂时性计算机可读存储体，两者都经由系统总线加以互连。可由处理器执行以便实现本文所述说明性方法的软件指令可存储在本地存储体中或某种其它计算机可读介质中。还应认识到，相同的软件指令也可经由有线方法或无线方法从CD-ROM或其它适当的存储介质加载到存储体中。
另外，本领域一般技术人员将理解，可利用多种计算机系统配置来实施本公开的各种方面，所述计算机系统配置包括手持式装置、多处理器系统、基于微处理器的电子产品或可编程消费电子产品、微型计算机、大型计算机以及类似装置。任意数目的计算机系统和计算机网络可与本公开一起使用。可以在分布式计算环境中实施本公开，在 所述环境中由通过通信网络加以链接的远程处理装置来执行任务。在分布式计算环境中，程序模块可位于包括存储器存储装置的本地和远程计算机存储介质中。因此，本公开可在计算机系统或其它处理系统中与各种硬件、软件或其组合相结合地实现。
既然已大体描述本公开的各种说明性实施方案，现在将描述方法的更详细讨论，通过所述方法可利用基团贡献平衡模型来表征钻井液目标组分。当热力学系统的温度、压力和它的所有相的组合物固定时，热力学系统的密集状态确立。在平衡状态，这些变量不是完全独立的，并且独立变量的数目由相律给出。例如，在具有m个组分的一般汽液系统中，(假定温度(T)和压力(P)始终如一)，独立变量是温度T、压力P、m-1个液体摩尔分数和m-1个蒸汽摩尔分数。这2m个独立变量中，相律表明，一旦已知m个变量，就可通过同时求解m个平衡方程来确定其余m个变量：
f_i^L＝f_i^V(i＝1至j)(方程1)，
其中f_i^L和f_i^V分别表示液相和汽相的逸度。在实践中，不同于逸度或除了逸度之外的参数可用于状态方程中。
基团贡献平衡状态方程方法的使用不需要额外的实验室测试来确定气液平衡(“VLE”)、液液平衡(“LLE”)、固液平衡(“SLE”)以及在0到10巴绝对值之间的压力和200到500开尔文之间的温度下溶解在液体中的气体。在本公开的某些说明性实施方案中，状态方程使用基团贡献模型，例如像通用准化学活度系数(“UNIQUAC”)、通用准化学官能团活度系数(“UNIFAC”)、修正的UNIFAC或修正的UNIFAC(Dortmund)。如受益于本公开的本领域一般技术人员将理解，基团贡献平衡模型是一种基于平衡来从分子结构估计并预测热力学性质和其它性质的技术。在沾染地质地层材料之前对液体的液相和固相的大致化学组合物的了解以及对来自地质地层的气相的检测和固相的描述，允许在地面处确定总体可检测地层烃并且将其浓度表示为在钻井时来自井筒的材料的摩尔或质量分数。
图2是根据本公开的说明性方法的用于表征地层流体的方法200的流程图。这种方法将在抽取一个或多个气体样本后由CPU56执行。因此，参考图1和图2，在方框202处，抽取器54从循环通过钻孔17的控制体积的钻井液流出物中抽取气体样本。然而，应注意，在替代方法中，抽取的气体样本可能是流入物。在这种方法中，抽取发生在由抽取器54的压力/温度检测器检测的已知压力和温度下发生。此外，钻井液的体积是已知的或可估计的。此外，在这个实施方案中，可利用载体气体来抽取气体样本。
在方框204处，校准分析仪器60。在这里，例如可利用气相色谱仪来校准质谱仪数据。或者，可直接校准质谱仪。此外，在这里，分析仪器60必要时可将抽取的气体样本的体积从体积百万分率(ppmv)转换成质量百万分率(ppmm)。在方框206处，分析仪器60从质量或体积浓度确定每个目标组分/种类的摩尔分数/贡献，如受益于本公开的本领域一般技术人员将理解。此后，基于用户输入，CPU56从计算中移除载体气体的贡献，将载体气体视为系统中的惰性种类，或使载体气体贯穿随后的计算。
在方框208处，CPU56确定抽取器54中流体的体积。这样的确定可使用多种方法来实现，例如像通过估计圆锥体积或具有半球形顶部的圆柱的体积已被移除的锥形，取其中对于给定系统来说最精确(基于系统的几何形状和流动速率来确定)的一种方法，如受益于本公开的本领域一般技术人员将理解。在方框210处，CPU56确定每个目标组分的部分蒸汽压(P_vpi)。因为石油和天然气行业中通常关注的所有组分都是相对轻并且熟知的，所以可使用Antoine蒸汽压方程确定P_vpi：
log10Pvpi=Ai-BiT+Ci]]>(方程2)，
其中A_i、B_i和C_i是针对种类i的预先确定常数，并且T是温度(℃)。或者，可获得用于估计部分蒸汽压P_vpi的技术，如受益于本公 开的本领域一般技术人员将理解。
在方框212处，CPU56利用基团贡献平衡模型来确定抽取的气体样本中每个目标组分的流出液相摩尔贡献。为了在某些实施方案中实现所述确定，CPU56同时求解用于基团贡献平衡的状态方程组以得到液相摩尔浓度(x_i)和活度系数(γ_i)，如下文更详细地描述。活度系数γ_i理想地基于UNIQUAC、UNIFAC、修正的UNIFAC或修正的UNIFAC(Dortmund)方程。使用这个数据，CPU56随后计算抽取器54中流体和固体的质量/摩尔数。然后使用(抽取气体的)密度和体积数据将所有目标数据转换成摩尔数，所述密度和体积数据是使用质量/密度仪表(所述仪表在某些实施方案中形成抽取器54的部分)确定的。
为了求解状态方程，CPU56可应用以下说明性方法。首先，对于大多数系统来说，上述方程1可表示为：
(i＝1至m)(方程3)，
其中x_i为液相摩尔浓度，y_i为汽相摩尔浓度，γ_i为活度系数，φ_i为混合物中组分的逸度系数，φ_i^S为组分饱和时纯组分的逸度系数，P_vpi为部分蒸汽压，且(PC)_i为第i个组分的压力校正因子。
当压力处于或低于大气压时，可假定系统为理想状态，并且以下关系适用：
(方程4)。
相应地，可将方程3简化如下：
y_iP＝x_iP_vpiγ_i(方程5)。
重新排列方程5以求解出液相摩尔浓度x_i：
xi=PyiPvpiγi]]>(方程6)。
每个组分的汽相摩尔浓度y_i已知，因为其值已由分析仪器60(例如，气相色谱仪、质谱仪或其它合适仪器)测量。因此，如上文所述，由CPU56计算部分蒸汽压P_vpi。
活度系数γ_i未知，但可使用UNIQUAC、UNIFAC、修正的UNIFAC或修正的UNIFAC(Dortmund)方程或其它合适的模型加以确定。在应用修正的UNIFAC(Dortmund)方法的那些实施方案中，根据模型：
lnγi=lnγiC+lnγiR]]>(方程7)，
其中γ_i为组分i的活度系数，为组合的组分i活度系数，以及为残余的组分i的活度系数。
此外，以下方程适用：
lnγiC=1-Vi′+lnVi′-5qi(1-ViFi+lnViFi)]]>(方程8)，
Vi′=ri3/4Σjxjrj3/4]]>(方程9)，
Vi=riΣjxjrj]]>(方程10)，
Fi=qiΣjxjqj]]>(方程11)，
其中x_i为液相中组分i的摩尔分数，V_i′为混合物中化合物i的修正的体积/摩尔分数，V_i为混合物中化合物i的体积/摩尔分数，q_i为化合物i的相对范德瓦耳斯表面积，且r_i为化合物i的相对范德瓦耳斯体积。
ri=Σkνk(i)Rk]]>(方程12)，
qi=Σkνk(i)Qk]]>(方程13)，
其中R_k为组分k的相对范德瓦耳斯体积，Q_k为所述组分的相对范德瓦耳斯表面积，且为分子i中k型结构基团的数目。
lnγiR=Σkνk(i)(lnΓk-lnΓk(i))]]>(方程14)，
lnΓk=Qk(1-ln(ΣmΘmΨmk)-ΣmΘmΨkmΣnΘnΨnm)]]>(方程15)，
其中Γ_k为混合物中基团k的基团活度系数，为纯物质i中基团k的基团活度系数，Θ_m为液相中基团m的表面分数，且Ψ_mn为UNIFAQ温度项。
Θm=QmxmΣnQnxn]]>(方程16)，
xm=Σjνm(j)xjΣjΣnνn(j)xj]]>(方程17)，
Ψnm=exp(-anm+bnmT+CnmT2T)≈exp(-anmT)]]>(方程18)，
Rk=Vwk15.7]]>(方程19)，以及
Qk=Awk2.5×109]]>(方程20)，
其中x_m为基团m的摩尔分数，T为绝对温度(°K)，a_nm、b_nm和c_nm为相互作用参数，V_wk为种类k的范德瓦耳斯基团体积，且A_wk为种类k的范德瓦耳斯基团表面积。在这种说明性方法中，由CPU56同 时求解上述方程6至20，从而提供近实时的液相摩尔浓度数据。
在方框214处，CPU56随后确定地层流体的至少一个特性。为了在一种说明性方法中实现所述确定，根据钻井流出物中每个组分的摩尔数，从进入井筒的流入物中减去钻井液的相应组分的摩尔数。差异在于归于地层的每个组分的摩尔数。在某些实施方案中，钻井液的化学组合物可从制造商数据确定。或者，钻井流入物的目标组分的摩尔值可通过从将要在已知压力和温度下循环通过井筒的已知控制体积的钻井液流入物中抽取气体并且针对流入样本重复方框202至212来确定。通过用这种方法分析钻井液流入物，可以消除气体遗留物的贡献，从而在随后的分析中提供更准确的数据。
此后，CPU56将数据转换回基于原始检测单位的体积或质量分数：ppmv或ppmm。然后为了平衡限制校正数据。CPU56使用渗透速率、钻头或钻孔器尺寸以及流动速率数据来计算被钻孔地层和每单位体积钻井液的流体的摩尔浓度。具体地说，计算根据钻头和钻孔器尺寸被钻孔的每英尺的被钻孔地层的体积，并且标准化用每直线英尺被钻孔的地层的体积表示来自地层的流体的结果数据，所述数据提供地层流体的特性。
图3为根据本公开的说明性方法的用来表征地层流体的方法300的流程图，在所述方法中使用流出样本和流入样本。像上文所述的方法一样，方法300的某些步骤可完全或部分在CPU56中执行。在方框302处，经由钻井操作，经由导管56从出口管道23抽取流出气体样本。可使用上述的温度和压力传感器同时测量样本的温度和压力。在方框304处，确定钻井液中每个目标组分的流出汽相摩尔贡献。例如，流出气体样本中每个目标组分的汽相摩尔贡献可由分析仪器60(例如气相色谱仪、质谱仪或其它合适仪器)测量。
在方框306处，CPU56使用从抽取器54的温度检测器接收到的流出温度测量值和上文参考图2所描述的方程中的一个或多个来确 定流出部分蒸汽压。在方框308处，如前文所描述，CPU56随后使用已确定的流出部分蒸汽压和已确定的流出汽相摩尔贡献根据汽液基团贡献平衡状态方程来计算每个组分的流出液相摩尔贡献。在这里，第一和第二基团贡献平衡状态方程将分别用于流出流体和流入流体。在方框310处，CPU56随后通过从所有组分的流出汽相和液相摩尔贡献的总和中减去流入钻井液的已知组合物来确定地层流体的至少一个特性。如前文一个说明性实施方案中所描述，钻井液的化学组合物可从制造商数据确定。
在方框312处，随后经导管52从供应管道22抽取流入气体样本。在方框314处，随后针对流入样本重复上述方框304至308。因此，测量流入气体样本以确定钻井液流入物中每个组分的流入汽相摩尔贡献。随后使用流入温度确定每个组分的流入部分蒸汽压。如前文所描述，使用流入部分蒸汽压确定每个组分的流入液相摩尔贡献，并且使用汽液基团贡献平衡状态方程确定流入汽相摩尔贡献。此后，在方框316处，通过使用流入汽相和液相摩尔贡献以及原始钻井液的已知组合物，CPU56随后可补偿钻井液流入物中任何再循环的地层气体。相应地，随后的流体表征的完整性将被保持。
相应地，本文所描述的说明性方法和实施方案提供钻井液的实时表征。本文所描述的系统可安装在钻井场处并且在钻井操作期间实时实施，而不需要获得实验性校正因子。因此，在钻井场处可启动钻井操作并且实时准确地表征地层流体，因此允许钻井操作基于所表征地层流体数据而实时改变。
本文所描述的实施方案还涉及以下段落中的一个或多个：
1.一种用于表征地层流体的方法，所述方法包括：从井下操作期间暴露于地层的流体中抽取气体样本；测量气体样本的温度；从气体样本确定流体中一个或多个目标组分中的每一个的汽相摩尔贡献；使用温度确定每个目标组分的部分蒸汽压；使用确定的部分蒸汽压和 确定的汽相摩尔贡献以及汽液基团贡献平衡状态方程来确定每个目标组分的液相摩尔贡献；以及从所有组分的确定的汽相和液相摩尔贡献的总和中减去钻井液的已知化学组合物，以表征地层流体。
2.如段落1所述的方法，其中抽取气体样本包括抽取流出或流入气体样本。
3.如段落1或2所述的方法，其中计算每个组分的液相摩尔贡献还包括：针对所述一个或多个组分中的每一个，使液相逸度与汽相逸度相等，其中所述汽相逸度是所述汽相摩尔贡献、所述流体中所述组分的汽相逸度系数和所述压力的数学乘积，并且其中所述液相逸度是至少所述液相摩尔贡献、饱和情况下为纯物质的所述组分的液相逸度系数和所述组分的活度系数的数学乘积；以及针对所有一个或多个组分，共同地、同时地求解基团贡献状态方程组以得到液相摩尔贡献和活度系数。
4.如段落1至3中任一段落所述的方法，其中活度系数基于来自包括以下各项的组中的一个的方程：通用准化学活度系数模型、通用准化学官能团活度系数模型、修正的通用准化学官能团活度系数模型，以及Dortmund修正的通用准化学官能团活度系数模型。
5.如段落1至4中任一段落所述的方法，其中确定每个组分的部分蒸汽压还包括使用Antoine蒸汽压方程计算每个组分的部分蒸汽压。
6.如段落1至5中任一段落所述的方法，所述方法还包括：在流入温度和流入压力下从井下操作期间进入地层中的钻孔的流体流入物中抽取流入气体样本；测量流入气体样本以确定所述流体流入物中所述组分中的每一个的流入汽相摩尔贡献；使用流入温度确定每个组分的流入部分蒸汽压；以及使用流入部分蒸汽压和流入汽相摩尔贡献以及汽相基团贡献平衡状态方程确定每个组分的流入液相摩尔贡献，据此，所有所述组分的流入汽相摩尔贡献和流入液相摩尔贡献以 及原始流体的已知化学组合物共同地定义流入流体的组合物，从而补偿所述流体流入物中再循环的地层气体。
7.如段落1至6中任一段落所述的方法，所述方法还包括：使用载体气体抽取某体积的气体样本；使用包括气相色谱仪或质谱仪的组中的至少一个来测量每个所述组分的所述汽相摩尔贡献；从汽相摩尔浓度中移除载体气体贡献；以及通过每直线深度被钻孔的地层的体积标准化所述地层流体。
8.一种用于表征地层流体的系统，所述系统包括：流动性地连接到井下流体循环系统内的流体流的气体抽取器；连接到抽取器的压力检测器；连接到抽取器的压力检测器；气体分析器，其在暴露于通过所述气体抽取器获得的所述流体的气体样本时选择性地产生输出，所述输出对应于所述流体中一个或多个目标组分中的每一个的汽相摩尔贡献；以及连接到温度检测器、压力检测器和气体分析器的信息处理系统，所述信息处理系统包括处理器和存储器装置，所述存储器装置包含指令集，所述指令集在由处理器执行时使处理器：使用气体样本的温度确定每个所述组分的部分蒸汽压；使用所述部分蒸汽压和所述汽相摩尔贡献根据汽液平衡基团贡献状态方程来计算每个所述目标组分的液相摩尔贡献；并且从所有组分的确定的汽相和液相摩尔贡献的总和中减去所述流体的已知化学组合物，以表征所述地层流体。
9.如段落8所述的系统，其中气体样本为流出或流入气体样本。
10.如段落8或9所述的系统，其中指令集还使处理器：针对所述一个或多个组分中的每一个，使液相逸度与汽相逸度相等，其中所述汽相逸度是所述汽相摩尔贡献、所述流体中所述组分的汽相逸度系数和所述压力的数学乘积，并且其中所述液相逸度是至少所述流出液相摩尔贡献、饱和情况下为纯物质的所述组分的液相逸度系数和所述组分的活度系数的数学乘积；并且，针对所有一个或多个组分，共 同地、同时地求解状态方程组以得到液相摩尔贡献和活度系数。
11.如段落8至10中任一段落所述的系统，其中活度系数基于自包括以下各项的组中的一个的方程：通用准化学活度系数模型、通用准化学官能团活度系数模型、修正的通用准化学官能团活度系数模型，以及Dortmund修正的通用准化学官能团活度系数模型。
12.如段落8至11中任一段落所述的系统，其中指令集还使处理器使用Antoine蒸汽压方程计算每个组分的部分蒸汽压。
13.如段落8至12中任一段落所述的系统，其中气体分析器包括来自包括气相色谱仪和质谱仪的组中的至少一个。
14.一种用于表征地层流体的系统，所述系统包括：流动性地连接到在地下的钻孔的流体循环系统的第一抽取器，所述第一抽取器被配置用于从离开所述钻孔的流体流出物中抽取流出气体样本；连接到第一抽取器的第一温度检测器，其用于测量流出气体样本的流出温度；连接到第一抽取器的第一压力检测器，其用于测量流出气体样本的流出压力；第一气体分析器，其连接到所述第一抽取器并且被配置成在暴露于通过所述气体抽取器获得的所述流体流出物的气体样本时选择性地产生输出，所述输出对应于所述流体流出物中一个或多个目标组分中的每一个的流出汽相摩尔贡献；流动性地连接到流体循环系统的第二抽取器，其被配置用于从进入钻孔的流体流入物中抽取流入气体样本；连接到第二抽取器的第二温度检测器，其用于测量流入气体样本的流入温度；连接到第二抽取器的第二压力检测器，其用于测量流入气体样本的流入压力；第二气体分析器，其连接到第二抽取器并且被配置成在暴露于通过气体抽取器获得的钻井液流入物的气体样本时选择性地产生输出，所述输出对应于所述流体流入物中一个或多个目标组分中的每一个的流入汽相摩尔贡献；以及连接到第一和第二温度检测器、第一和第二压力检测器以及第一和第二气体分析器的信息处理系统，所述信息处理系统包括处理器和存储器装置，所述 存储器装置包含指令集，所述指令集在由处理器执行时使处理器：使用所述流入气体样本的所述流入温度确定每个所述组分的流入部分蒸汽压；使用所述流入部分蒸汽压和所述流入汽相摩尔贡献根据汽液平衡基团贡献状态方程来确定每个组分的流入液相摩尔贡献；使用所述流出气体样本的所述流出温度确定每个所述组分的流出部分蒸汽压；使用所述流出部分蒸汽压和所述流出汽相摩尔贡献根据汽液平衡基团贡献状态方程来确定每个组分的流出液相摩尔贡献；并且从所有组分的所述确定的流出汽相和液相摩尔贡献的总和中减去所有组分的所述确定的流入汽相和液相摩尔贡献以及流体的已知化学组合物，以表征所述地层流体。
15.如段落14所述的系统，其中指令集还使处理器：针对所述一个或多个组分中的每一个，使流出液相逸度与流出汽相逸度相等，其中所述流出汽相逸度是所述流出汽相摩尔贡献、所述流体流出物中所述组分的汽相逸度系数和所述压力的数学乘积，并且其中所述流出液相逸度是至少所述流出液相摩尔贡献、饱和情况下为纯物质的所述组分的液相逸度系数和所述组分的活度系数的数学乘积；并且针对所有一个或多个组分，共同地、同时地求解第一基团贡献状态方程组以得到流出液相摩尔贡献和活度系数。
16.如段落14或15所述的系统，其中指令集还使处理器：针对所述一个或多个组分中的每一个，使流入液相逸度与流入汽相逸度相等，其中所述流入汽相逸度是所述流入汽相摩尔贡献、所述流体流入物中所述组分的汽相逸度系数和所述压力的数学乘积，并且其中所述流入液相逸度是所述流入液相摩尔贡献、饱和情况下为纯物质的所述组分的液相逸度系数和所述组分的活度系数的数学乘积；并且针对所有一个或多个组分，共同地、同时地求解第二基团贡献状态方程组以得到流入液相摩尔贡献和活度系数。
17.如段落14至16中任一段落所述的系统，其中活度系数基于自包括以下各项的组中的一个的方程：通用准化学活度系数模型、通 用准化学官能团活度系数模型、修正的通用准化学官能团活度系数模型，以及Dortmund修正的通用准化学官能团活度系数模型。
18.如段落14至17中任一段落所述的系统，其中指令集还使处理器：使用Antoine蒸汽压方程计算每个组分的流出部分蒸汽压；并且使用Antoine蒸汽压方程计算每个组分流入部分蒸汽压。
19.一种用于表征地层流体的方法，其包括：从钻孔的流体中抽取流出气体样本；使用汽液基团贡献平衡状态方程确定流出气体样本的每个组分的流出液相摩尔贡献；以及基于流出气体样本的每个组分的流出液相摩尔贡献来表征地层流体。
20.如段落19所述的方法，所述方法还包括：从钻孔的流体中抽取流入气体样本；使用第二汽液基团贡献平衡状态方程确定所述流入气体样本的每个组分的流入液相摩尔贡献；以及通过分析所有组分的所述流入液相摩尔贡献和原始流体的已知化学组合物，补偿所述流体中再循环的地层气体。
此外，本文所描述的方法中的任一种可在包括处理电路来实施所述方法中的任一种的系统内或在包括指令的计算机程序产品中实现，所述指令在由至少一个处理器执行时使处理器执行本文所描述的方法中的任一种。
虽然已展示并描述各种实施方案和方法，但是本公开并不限于这类实施方案和方法，并且应理解为包括对本领域技术人员将显而易见的所有修正和变更。实际上，本发明将涵盖属于如所附权利要求书所定义的本公开的精神和范围内的所有修正、等效物和替代方案。