[发明专利]自含式色谱系统

说明书

技术领域

本发明总体上涉及流体的评价，更具体地，本发明涉及利用自含式色谱系统(self-contained chromatography system)测定流体的组成。

背景技术

产烃油田通常包括由油-气-水混合物组成的地层流体，其中这些组分之间的相关系由流体的压力、温度和组成控制。期望分析和评价这些流体以确定对于石油工业具有商业利益的各种流体特性，例如储层中流体的类型和质量。完成这种分析和评价的一种方法是通过将地层流体样品取至地表并利用已知技术如气相色谱分析该流体以确定其组成。

气相色谱是鉴定材料样品化学组成的公知方法，并且可应用于依赖化合物鉴定的各工业领域，例如采用色谱法鉴定要抽取的地层流体组成成分的石油工业。气相色谱法包括蒸发和引入材料样品至色谱柱中，其中通过惰性的流动相气体如氮气(N₂)、氢气(H₂)或氦气(He)的流动输运材料样品，使其经过色谱柱。尽管材料样品通过载气输运经过色谱柱，但是分析物的移动却因为分析物分子在固定相上的吸附作用而受到阻碍。

至少有两种公知的常用于气相色谱系统的色谱柱：填充柱和毛细管柱。填充柱包含细分的可涂有固定相的固相担载材料(例如硅藻土)，其中涂布材料的性质取决于将要强烈吸附的材料的类型。这使得填充柱适合分离特定类型的化合物。另一方面，毛细管柱具有极小的内径(大约十分之几毫米)且柱壁涂有活性物质。例如，大多数毛细管柱是由具有聚酰亚胺外涂层的熔融石英或者不锈钢制成的，并且易于弯曲，使得很长的色谱柱可以盘绕成小卷。

这样，分子沿色谱柱行进的速度取决于吸附的强度，而吸附强度又取决于分子类型和色谱柱材料。由于各种分子具有不同的行进速度，所以样品材料各组分随着其沿色谱柱行进而分离，从而在不同的时间到达色谱柱的末端。然后利用检测装置监测色谱柱出口的分析物流(analyte stream)，以确定从色谱柱排出的分析物的量和分析物色谱柱所用的时间。然后可根据物质从色谱柱排出的顺序以及分析物在柱内停留的时间一般性地鉴定这些物质。

然而不幸的是，从地下储层取出地层流体至地面可能具有不利的后果。例如，在石油流体样品从高温高压的地层中抽出之后，必须将它们送至地面，转移到运输容器中，并运送到远处的实验室进行分析。与这些操作有关的温度和压力变化会导致流体的改变，一些改变是不可逆的。另外，压力容器中的泄漏和压力容器之间的转移还往往改变流体的组成。流体特性的这些显著的不可逆的变化，降低了准确评价地层流体实际性质的能力。

另一个涉及从地下储层取出地层流体至地面的不利后果是下列过程中所涉及的时间和成本：操纵取样工具到达所关注的地层，取出该地层内的流体样品，及在不影响流体组成完整性的情况下分析该流体样品。一种实现如此分析流体样品的方法包括利用不同的仪器设备保持地层流体样品的压力，参见Massie等的美国专利5337822(1994)，Michaels等的美国专利5303775(1994)，Michaels等的美国专利5377755(1995)，及Reinhardt的美国专利6439307(2002)，在此引入它们的全部作为参考。

一种实现所需地层流体分析又不危及流体组成完整性的方法包括利用井下色谱技术对地层流体进行井下表征，参见Pikington等的美国专利4739654(1988)，及Storm和Richardson的PCT专利申请PCT/US01/40372(2001)。这可通过将井下色谱仪布置在井筒中并将样品流体引入到该色谱仪中来完成，其中色谱仪可通过脐带(即来自地面的点缆)、井下涡轮机/交流发电机电源或电池装置提供动力。然后色谱仪会分析地层流体样品的组成并将结果传输至地面。然而不幸的是，现有的井下色谱仪和色谱方法仍存在一些问题。例如，尽管Pikington等的美国专利4739654(1988)宣称其披露了一种井下色谱技术，但是其中披露的方法和设备不能在油田实施，因为它们具有严重的缺陷，即处理气体储存和处置技术不足。

一个问题是载气的处理。在常规的气体色谱系统中，载气是消耗品，通常由高压容器提供，允许其流经色谱柱并排放到大气中，其中气体经过色谱柱的流速必须是恒定的，以产生可解释的色谱图。在实验室和其它地面系统中，通过使沿色谱柱的压力降保持恒定，确保通过色谱柱的恒定流速，其中使用气体调节器控制色谱柱高压端的流送管内压力(flow line pressure)，色谱柱低压端与环境大气压相通。不幸的是，这种载气系统因为若干原因不适合井下应用。