专利名称：井下取样装置和使用该装置的方法
技术领域：
本发明通常涉及对井筒所穿透地层的测试。尤其是，本发明涉及能够从地下地层收集流体样品的井下取样工具。
背景技术：
石油公司很早就意识到需要获得井下地层流体样品以进行化学和物理分析，并且这样的取样已经由本发明的受让人-Schlumberger公司完成多年了。地层流体样品，也就是公知的油藏流体，通常尽可能早的在油藏开采期内进行收集，以在地面进行分析，尤其是在专门的实验室内进行分析。这些分析所提供的信息对油气藏的规划和开发，以及对油藏产能和性能的评估是非常重要的。
井筒取样方法包括将如Schlumberger所拥有和提供的MDTTM电缆地层测试工具的井下取样工具下入到井筒内，以收集束缚在取样工具的探针组件与井壁之间的一种地层流体样品(或多种样品)。取样工具产生一穿过束缚区域的压差，以使地层流体流入取样工具内的一个或多个取样室。这一方法和类似的方法在美国专利申请US4,860,581、US4,936,139(二者受让于Schlumberger)，US5,303,775、US5,377,755(二者受让于Western Atlas)，以及US5,934,374(受让于Halliburton)中进行了描述。
在从地下地层获得样品的过程中遇到了各种挑战。比如再次说石油相关的工业，探寻流体样品的井筒周围的地层通常含有污染物，比如在钻井过程中使用的泥浆的滤出液。这一物质在流体从地层取出时常常会污染清洁的或“原始”的地层内容纳的流体，从而致使流体一般不能用于碳氢化合物流体的取样和/或测试。在流体进入井下工具时，钻井过程中产生的和/或井筒周围的污染物有时会与地层周围的流体一起进入所述工具。
为了进行有效的地层流体分析，取样流体优选具有足够的纯度，以足够代表地层内的流体(也就是‘原始’流体)。换句话说，该流体优选具有最小量的污染物，以足够或可接受地代表给定的地层，从而进行有效的碳氢化合物取样和/或测试。由于流体是穿过井筒、泥饼、水泥和/或其它层后取样的，所以在取样期间流体从地层流入井下工具时难以避免流体样品的污染。因此，所述挑战依赖于获得具有较少或没有污染物的清洁的流体样品。
为了获得地下流体以进行取样和测试，已经提出了各种方法和设备。例如，授权给Ciglenec等人的US6,230,557、授权给Jones的US6,223,822、授权给Wilson的US4,416,152、授权给Davis的US3,611,799的美国专利以及世界公开专利申请WO96/30628已经开发出了特定的探测以及相关技术，以改善取样。其它技术也已经开发出来，以在取样期间分离原始流体。例如，授权给Hrametz等的美国专利US6,301,959公开了一种具有两个液压管线的取样探针，以从井筒内的两个区中获得地层流体。
引入保护区的井筒流体与引入探针区的流体相分离。受让于本发明受让人的申请号为10/184833的美国专利申请提供了用于在地层流体被引入井下工具时获得清洁流体的另外的技术。尽管在取样中存在这些优势，但仍然需要开发使流体样品最优的流体取样的技术。
鉴于用于收集地下流体以进行取样和测试的现有技术，需要能够去除污染流体和/或获得可接受的地层流体的装置和方法。因此，期望提供用于从井下工具内去除污染物以获取较为清洁的流体样品的技术。还期望提供一种在降低工具堵塞机会的同时使泵的利用和样品污染程度最优的系统。本发明涉及一种可以解决或至少减少了一些上述或全部上述问题的方法和装置。
发明内容
本发明提供了一种取样地层流体的方法和装置。一种井下取样工具将地层流体从地层引入井下工具内。所述流体由泵引入所述工具并在取样室内进行收集。一旦被污染的流体与地层流体进行了分离，被污染的流体就会从取样室内移走和/或地层流体被收集在取样室内。通过等候分离、在取样室内搅动流体和/或添加破乳剂，从而使所述流体分离。
至少一方面，本发明涉及一种从地下地层内取样地层流体的井下取样工具。该井下取样工具包括一用于将地层流体从地层内引入到井下工具的探针，一从探针伸出、用于将地层流体从探针传送到井下工具内的主管线，至少一个可操作地连接到主管线的用于收集其内的地层流体的取样室，以及一可操作地连接到取样室的用于选择性地将地层流体的被污染部分和/或清洁部分从取样室内移走的排出管线，从而将污染物从地层流体中去除。
另一方面，本发明涉及一种利用井下工具从地层中取样地层流体的方法。该方法包括，在井筒内安置一井下工具，在井下工具和周围的地层之间建立流体连通，将所述流体从地层引入井下工具中，在至少一个取样室内收集地层流体并从取样室内抽出地层流体的被污染部分、地层流体的清洁部分和它们的组合物中的一种。
另一方面，本发明涉及一种从由井下工具从地层中所收集的地层流体中去除污染物的取样系统。该系统包括至少一个设置在井下工具内用于接收地层流体的取样室以及可操作地连接到取样室的排出管线，其用于选择性地从取样室内移走地层流体的被污染部分和/或地层流体地的清洁部分，从而将污染物从地层流体中去除。
本发明还涉及一种井下取样工具，比如电缆起下工具、钻具或者盘管工具。取样工具包括用于将所述流体引入井下工具的装置，比如探针，管线、一个泵和至少一个取样室。所述管线将探针连接到取样室，所述的泵将流体引入井下工具中。所述的至少一个取样室适用于收集地层流体以在其内将地层流体分离成清洁流体和被污染的流体。所述的清洁流体可以通过将清洁流体转移到分离的储存室内和/或将被污染的流体从取样室内移走而进行收集。
所述的取样室可包括第一取样室和第二取样室。传送管线用于将地层流体从第一取样室传送到第二取样室。还可以设置排放管线用于将被污染的流体从至少一个取样室传送到井筒内。
所述的取样室可具有用于测定地层参数和/或取样室内流体的分离的传感器。所述的传感器可设置在管线、至少一个取样室以及它们的组合中的之一上。还可以设置能够检测流体含量的流体分析仪。
分离物，比如卵石、化学试剂、破乳剂或者其它的催化剂或活化剂，可以设置在取样室内以促进分离。取样室可使流体垂向分离成层叠层。可选择的是，例如，如果所述的工具是旋转的，所述流体可分离成径向层。取样室具有一个可在其内滑动的活塞。该活塞将取样室分成取样室和缓冲腔。该活塞还可将取样流体与缓冲液分隔开。可以向取样流体和/或缓冲液施加压力以控制其内的压力。
所述的工具具有从至少一个取样室伸出的排出管线，该排出管线用于从取样室移走流体。排出管线可从至少一个取样室伸到井筒内，从而将被污染的流体从取样室排放到井筒中。该排出管线还可从至少一个取样室延伸到收集室，从而收集地层流体。
所述的排出管线具有设置在取样室内用于选择性地移走其内的流体的连通管管线。所述的工具可设有一流体分析装置，比如用于检测流过该工具的流体的光学流体分析仪。所述的工具可设有一气体储集器，以在气泡进入取样室之前对其进行收集。气体储集器可操作地连接到探针线并能够使气泡在进入取样室之前被聚集起来。可以使用管线和取样室的各种结构以使所述流体被分离成所需的模块或者从所述工具内移走。
本发明还涉及一种利用井下工具取样地层流体的方法。该方法包括，在井筒内安置一井下工具，在井下工具和周围的地层之间建立流体连通，将地层流体引入井下工具，在取样室内收集所述流体，并将被污染的流体同地层流体分离开。
通过将被污染的流体抽出取样室使所述流体进行分离。可选择的是，可通过将清洁流体转移到收集室中使所述的流体进行分离。被污染的流体可被排放出井下工具。可对所述的流体进行分析以确定清洁流体和/或被污染的流体。通过使所述的流体沉降、搅动或者通过添加添加物，比如化学试剂、卵石或破乳剂以促进分离，从而使所述的流体被分离。
从下面的描述和所附的权利要求书中，本发明的其它方面和优点将变得很明显。
图1为常规的钻机和井下工具的示意图。
图2为图1中的井下工具的详尽的示意图，其示出了一具有探针、取样室、泵和流体分析仪的流体取样系统。
图3A为图2中的一个取样室的详尽的示意图，其示出了所述的流体与沉降到底部的污染物的分离。图3B为图2中的一个取样室的详尽的示意图，其示出了所述的流体与上升到顶部的污染物的分离。
图4为图3B中的取样室的替换实施例的示意图，其包括具有连通管和传感器的第二传送管线。
图5为图3A中取样室的替换实施例的示意图，其具有一排出管线。
图6为图3A或图3B中的取样室的替换实施例的示意图，其示出了其内的径向分离。
图7为图3A或图3B中的取样室的示意图，在其内具有卵石。
图8为图2中的井下工具的一个替换实施例的示意图，其示出了具有气体储集器的取样系统的另一结构。
具体实施例方式
现在，本发明的优选实施例在上述的附图中示出了并在下面进行详细说明。在描述优选实施例中，相似的或相同的附图标记用于表示共同的或类似的部件。为了清楚和简明，附图不必成比例，以及附图的特定特征和特定视图可以在比例上放大或者是示意性示出。
如图1所示，其中示出了一种本发明用于其内的示例性的环境。在所示的示例中，本发明由一井下工具10所携带。一种示例性的商业上可用的井下工具10为本申请的受让人斯伦贝谢公司(SchlumbergCorporation)所提供的并在美国专利US4,936,139和US4,860,581中详细描述的模块式地层动态测试器(Modular Formation DynamicsTester)(MDTTM)。
井下工具10可部署在井筒14内，并用常规的电缆18或者导管或常规的油管或盘管悬挂在钻机5的下面，这是本领域的技术人员可以理解的。所示的井下工具10具有多个模块和/或部件12，其包括但并不局限于流体取样系统18。所述的流体取样系统18具有用于在井下工具与地层16之间建立流体连通的探针。探针26可穿过井筒14的泥饼15并延伸到侧壁17，以收集取样。取样流体通过探针26被引入井下工具10。
尽管图1描述了一种根据本发明的用于收集取样的模块式电缆取样工具，本领域的技术人员可以理解，这样一种系统可以应用到任意井下工具中。例如，该井下工具可以为包括钻柱和钻头的钻具。该井下工具可以为各种工具，比如随钻测试(MWD)工具、随钻测井(LWD)工具、盘管或者其它井下系统。此外，该井下工具可以具有变化的结构，例如模块式、单元式、电缆式、盘管式、自给式、钻井和井下工具的其它变化形式。
现在参看图2，图1中的流体取样系统18被详细示出。取样系统18包括探针26、管线(flowline)27、取样室28A和28B、泵30和流体分析仪32。探针26具有与管线27的第一部分27流体连通的入口25，以选择性地将流体引入井下工具。可选择的是，一对封隔器(未示出)可以应用在探针的位置处。使用探针和封隔器的流体取样系统的示例在美国专利US4,936,139和US4,860,581中做了描述。
管线27将入口25与取样室、泵和流体分析仪连接起来。通过启动泵30产生压差并将流体引入井下工具，将流体可选择地穿过入口25引入井下工具中。在流体流入所述的工具时，流体优选从管线27流过，经过流体分析仪32并进入取样室28B。管线27具有第一部分27A和第二部分27B。第一部分27A从探针伸入井下工具。第二部分27B将第一部分连接到取样室。设置阀，例如阀29A和29B以选择性地使流体流入取样室。另外的阀、限流器或者其它流动控制装置可以按照需要进行使用。
在流体流经流体分析仪32时，流体分析仪能够探测流体含量、污染物、光学密度、油气比和其它参数。例如，流体分析仪可以是流体检测器，比如授权给Felling等人的美国专利US6,178,815和/或授权给Safinya等的美国专利4,994,671中所描述的流体检测器。
流体在一个或多个取样室28B内进行收集，以在其内进行分离。一旦完成分离，分离过的流体部分要么通过排放管线34泵出取样室，要么转移到取样室28A中以按照这里将要详细描述的方式在地面取出。如果需要，所收集的流体也可以保持在取样室28B中。可以选择的是，被污染的流体可以泵出取样室和进入井筒(图2中的管线34)或另外的取样室。
如图3A和3B，其中详尽地示出了取样室28B内的流体的分离。图3A和3B示出了具有活塞36的取样室，该活塞36将取样室分成用于收集取样流体的取样室38A和容纳缓冲液的缓冲腔40。当流体流入取样室时，所述活塞响应室内的压力而在取样室内滑动。流体开始充满取样室并分离。通常，如图所示，污染物和/或被污染的流体37与清洁的地层流体39呈层状分离。根据流体性质，被污染的流体沉降在底部，如图3A所示，或者上升到顶部，如图3B所示。
图3A中的取样室具有一单个管线27B以将流体送入或送出取样室。一旦流体被分离，图3A所示的上述到顶部的清洁流体就会被泵出取样室28B，并进入取样室28A以在其内收集(如图2)。一旦转移完成，剩下的被污染的流体可被泵送出排放管线34并进入井筒。流体分析仪32可用于检测泵入取样室28A的流体，以确认其是足够清洁的流体。一旦检测到被污染的流体，转移将被终止。所述的转移可以在多个取样室之间进行重复，直到收集到所需的流体。
图3B中的取样室同样具有一个单个管线27B以将流体送入或送出取样室。一旦流体被分离，图3B所示的上升到顶部的被污染的流体就会通过排放管线34被泵出取样室28B，并进入井筒。如果需要，也可以设置排放管线，以便被污染的流体穿过流体分析仪32，从而被污染的流体被检测到。一旦检测到足够的清洁流体，转移将被终止。所述的转移和/或排放过程重复，直到收集到所需的流体。
现在参看图4，取样室28B可以具有第二管线42，以选择性地移走所述流体。利用第二管线和阀，流体可以通过管线27B进入取样室并通过管线42而被移走。当移走地层流体时，图4中所示的管线42优选具有连通管44以促进进入管线42的流体的捕获和移除。连通管可以设置在取样室内不同高度上，以移走所需的流体。在这一方式中，如果清洁流体沉降到取样室的底部，连通管可以下入到所需的高度，以移走下层的流体，在这一实施例中为清洁流体。
取样室可以具有沿取样室壁设置的传感器46。这些传感器用于探测流体的位置和/或取样室内流体的各种性质(即密度、粘度)。所述的传感器还可用于探测活塞、管线、连通管或者取样室内的其它装置的位置。
可以设置管线的各种结构以将将流体引入取样室或者将取样室内的流体移走。当管线27B位于取样室的左上部时，管线可设置在各个位置以促进取样和/或分离过程。如图5所示，流体通过管线27B进入取样室28B。第二管线48穿过活塞和缓冲腔。这样通过管线48将取样室38底部的流体移走。当活塞移动时，第二管线优选与活塞一起移动。管线可为所示的伸缩式以允许管子与活塞一起伸出或者收回。
图6示出了另一取样室结构。如上所述，所述的井下工具可以为钻具。在这一实施例(和其它实施例中)，所述的工具旋转，并通常会向取样室施加一向心力。这一向心力使流体旋转并使其分离成径向层。如图6所示，取样室的中部可以为清洁流体39A，而外层为被污染的流体39B(或者反之亦然-未示出)。管线可这样设置，以便一根管线，比如管线27B，位于中心，而第二管线42位于外层或者接近外层。其它的结构也可以被想象。
可以使用各种技术来促进分离过程。比如如图7所示，卵石50被设置在取样室内，以有助于将特定的流体引向取样室的底部。各种化学添加物，比如破乳剂(即十二基硫酸钠)也可被放入流体中以促进分离、搅动，比如所述工具的向心旋转，也有助于分离。
现在参看图8，其中示出了图2中的井下工具10a的另一实施例。除了其为包括具有多个取样室28B和气体储集器52的流体取样系统18a的钻具之外，这一井下工具10a与图2中的井下工具10相同。此外，各种部件和模块可以被重置。井下工具10a表明可以使用各种结构。在所述的工具为模块式的工具时，所述的模块可按照需要进行重置以允许井下工具内的各种其它操作。多个取样室可以和各种阀选择项一起使用。所述的流体分析仪和泵可以按照需要进行设置以允许其按照需要进行检测和移动。
所述的工具可以具有另外的装置，比如气体储集器52，其能使气泡进行聚集和凝结。一旦气体聚集到一定的程度，其将做为一个单段塞进行移动以用于更有效的分离和排除。
所述的工具还可具有设置在各个位置的传感器，比如图4所示的设置在取样室内，或者取样系统的各个位置。这些传感器可测定各种参数，比如密度和电阻率。这一信息可以单独被使用，或者与其它信息，比如由流体分析仪所产生的信息一起使用。所述的工具所收集的信息被传送到地面和/或用于作出下井决定。可以设置合适的计算机设备以获得这些能力。
尽管结合有限的实施例对本发明做了说明，但是受益于这一公开的本领域的技术人员可以理解，可以设计出不脱离本发明在此所公开的范围的其它实施例。因此，本发明的范围应该仅由所附的权利要求书进行限定。
权利要求
1.一种从由井下工具从地层内所收集的地层流体内去除污染物的取样系统，其包括至少一个设置在井下工具内用于接收地层流体的取样室；以及可操作地连接到取样室的排出管线，以用于选择性地从取样室内移走地层流体的被污染部分和/或地层流体的清洁部分和它们组合物中的一种，从而将污染物从地层流体中去除。
2.如权利要求1所述的取样系统，其中所述的工具从由电缆工具、钻具或者盘管工具或它们的组合组成的组中进行选择。
3.如权利要求1所述的取样系统，其中所述的至少一个取样室包括第一取样室和第二取样室，所述的取样系统还包括传送管线，用于将至少一部分地层流体从第一取样室传送到第二取样室。
4.如权利要求1所述的取样系统，其中所述的排出管线可操作地连接到第二取样室，以选择性地从第一取样室内将至少一部分地层流体传送到第二取样室。
5.如权利要求1所述的取样系统，其还包括用于将流体从主管线传送到井筒的排放管线。
6.如权利要求1所述的取样系统，其还包括用于测定地层参数的传感器。
7.如权利要求6所述的取样系统，其中所述传感器至少设置在所述管线、至少一个取样室以及它们的组合中之一内。
8.如权利要求1所述的取样系统，其还包括一能够检测地层流体污染物的流体分析仪。
9.如权利要求1所述的取样系统，其还包括一流体分离物。
10.如权利要求9所述的取样系统，其中所述的流体分离物包括卵石、化学试剂、活化剂、破乳剂以及它们的组合中的一种物质。
11.如权利要求1所述的取样系统，其中所述的至少一个取样室具有一个可在其内滑动的活塞，该活塞将取样室分割成取样室和缓冲腔。
12.如权利要求1所述的取样系统，其中所述的排出管线从至少一个取样室伸到井筒中，以将被污染的流体从取样室排放到井筒中。
13.如权利要求1所述的取样系统，其中所述的排出管线从所述的至少一个取样室伸到收集室，以收集地层流体。
14.如权利要求1所述的取样系统，其中所述的排出管线具有一个可设置在取样室内的连通管，以从取样室内可选择地排出流体。
15.如权利要求1所述的取样系统，其还包括可操作地连接到主管线的气体储集器，所述的气体储集器可使气泡在传送到取样室之前聚集在一起。
16.如权利要求1所述的取样系统，其还包括将地层流体从地层引入井下工具的探针，以及从探针伸出的用于将地层流体从探针传送到井下工具的主管线，和至少一个可操作地连接到主管线的用于收集其内的地层流体的取样室。
17.一种利用井下工具从地层进行取样地层流体的方法，该方法包括在井筒内安置一井下工具；在井下工具和周围的地层之间建立流体连通；将所述流体从地层引入井下工具中；在至少一个取样室内收集地层流体；以及从取样室内抽出地层流体的被污染部分、地层流体的清洁部分和它们的组合物中的一种。
18.如权利要求17所述的方法，其还包括使地层流体的清洁部分与地层流体的被污染部分分离。
19.如权利要求18所述的方法，其中所述的流体通过从取样室内抽出被污染的部分而进行分离。
20.如权利要求18所述的方法，其中所述的流体通过使其沉降、搅动、加添加物和它们的组合中的一种方法而进行分离。
21.如权利要求20所述的方法，其中所述的添加物为卵石、破乳剂和它们的组合中的一种。
22.如权利要求17所述的方法，其中所述的流体通过将清洁部分传送到收集室而进行分离。
23.如权利要求17所述的方法，其中所述的被污染部分被排放到井筒中。
24.如权利要求17所述的方法，其还包括确定地层流体的清洁部分、地层流体的被污染部分和它们的组合中的一种。
全文摘要
本发明提供一种用于取样地层流体的方法和装置。所述的地层流体从地层被引入井下工具中并在取样室内进行收集。一排出管线可操作地连接到取样室，以选择性地从取样室移走地层流体地被污染部分和/或清洁部分，从而将污染物从取样室内移除。例如，地层流体的清洁部分可传送到另一取样室进行收集，或者被污染部分被排放到井筒中。
文档编号E21B49/08GK1611745SQ20041008568
公开日2005年5月4日 申请日期2004年10月15日 优先权日2003年10月15日
发明者M·诺盖拉, J·J·敦拉普, A·J·卡内吉, A·杜兰, E·哈里甘, R·瓦斯克斯 申请人:施卢默格海外有限公司