專利名稱：地層評(píng)價(jià)裝置和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用位于穿過地層的井筒內(nèi)的一個(gè)測(cè)井下井儀上傳送的探針組件來評(píng)價(jià)地層的技術(shù)。尤其是，本發(fā)明涉及減少通過探針組件由測(cè)井下井儀吸入和/或評(píng)價(jià)的地層流體的污染的技術(shù)。
背景技術(shù)：
通過鉆井來探測(cè)和開采碳?xì)浠衔?。一串在末端有一個(gè)鉆頭的井下管子和工具，在本技術(shù)領(lǐng)域通常稱為鉆柱，其向地下鉆進(jìn)以形成一個(gè)鉆入(或朝目標(biāo)鉆入)目標(biāo)地層的井筒。當(dāng)鉆柱鉆進(jìn)時(shí)，通過鉆柱向下泵入鉆井液并從鉆頭流出以冷卻鉆頭并帶走鉆屑和控制井下壓力。從鉆頭排出的鉆井液通過鉆柱和井壁之間形成的環(huán)空向上返回地面，并在地面泥漿池中過濾以在鉆柱中再循環(huán)。這種鉆井液也用來形成泥餅以襯在井筒上。
在鉆井過程中，例如在實(shí)際鉆井暫時(shí)停止的時(shí)期，經(jīng)常需要對(duì)井筒穿過的地層進(jìn)行各種評(píng)價(jià)。在一些情況下，為了測(cè)試周圍的地層和/或者從周圍的地層取樣，可以為鉆柱提供一個(gè)或者多個(gè)鉆井工具。在其他情況下，可以將鉆柱從井筒移出(叫起下管柱)并且在井中布置一個(gè)電纜起下的工具以測(cè)試周圍的地層和/或者從周圍的地層取樣。這樣的鉆井工具和電纜起下的工具，以及在撓性油管上傳送的別的井筒工具，這里簡(jiǎn)稱為“測(cè)井下井儀”。例如，這些由測(cè)井下井儀實(shí)施的取樣和測(cè)試可以用來定位有價(jià)值的碳?xì)浠衔锖蛯?duì)其開采進(jìn)行管理。
為了測(cè)試和/或者取樣，地層評(píng)價(jià)經(jīng)常要求來自地層的流體進(jìn)入到測(cè)井下井儀。各種設(shè)備，如探針和/或者封隔器，從測(cè)井下井儀伸出以隔離井壁的一個(gè)區(qū)域，并因此與井筒周圍的地層建立流體連通。然后流體可以利用探針和/或者封隔器進(jìn)入測(cè)井下井儀。
一個(gè)典型的探針利用一個(gè)能從測(cè)井下井儀伸出的主體并在外部末端攜帶一個(gè)抵靠井壁進(jìn)行定位的封隔器。這些封隔器典型地配置有一個(gè)相對(duì)大的能容易變形以接觸不平的井壁的部件(在裸眼井段評(píng)價(jià)的情況下)，然而保持了強(qiáng)度和足夠的完整性以承受預(yù)測(cè)的壓差。這些封隔器可以安裝在裸眼井中或者下套管井中。它們可以依賴各種測(cè)井下井儀延伸進(jìn)入井筒。
另外一個(gè)用于和井壁密封的設(shè)備被稱為雙管封隔器。與雙管封隔器一致，兩個(gè)合成橡膠環(huán)在測(cè)井下井儀周圍徑向膨脹以在其間隔離部分井壁。這些環(huán)與井壁形成密封并準(zhǔn)許流體通過井筒隔離部分被吸入到測(cè)井下井儀中。
襯在井筒上的泥餅在幫助探針和/或者雙管封隔器同井筒壁產(chǎn)生合適的密封方面經(jīng)常是很有用的。一旦形成密封，來自地層的流體利用降低測(cè)井下井儀中的壓力通過其中一個(gè)入口被吸入到測(cè)井下井儀中。測(cè)井下井儀中使用的探針和/或者封隔器的例子在美國(guó)專利6,301,959；4,860,581；4,936,139；6,585,045；6,609,568和6,719,049和美國(guó)專利申請(qǐng)2004/0000433中被描述。
用于實(shí)施各種測(cè)量，預(yù)測(cè)試和/或者進(jìn)入測(cè)井下井儀中流體樣本收集的技術(shù)目前已經(jīng)存在。但是，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)當(dāng)?shù)貙恿黧w進(jìn)入到測(cè)井下井儀中時(shí)，各種污染物，如井筒流體和/或者鉆井液可以，并經(jīng)常同地層流體一起進(jìn)入到儀器中。這個(gè)問題在圖1中得到說明，圖1描述井筒14鉆入包含由原始流體22的地層16。一層泥餅15襯在井筒14的側(cè)壁17。由于在鉆井過程中泥漿過濾物侵入到地層中，井筒被一個(gè)包含污染流體20的稱作侵入帶19的圓柱層環(huán)繞，該污染流體可與想要的位于井筒側(cè)壁之外的地層中的并環(huán)繞著污染流體20的原始流體22混合或不混合。由于污染物20趨向于位于侵入帶19中井壁17的附近，污染物可能影響地層流體的測(cè)量和/或者取樣質(zhì)量。另外，由于需要更多的測(cè)量和/或取樣的額外時(shí)間，污染可能引起井筒操作中昂貴的延遲。此外，這樣的問題可能產(chǎn)生錯(cuò)誤的和/或者不能使用的結(jié)果。
圖2A說明當(dāng)?shù)貙恿黧w從地層16進(jìn)入到一個(gè)傳送電纜起下的工具的測(cè)井下井儀1a時(shí)的地層流體典型的流動(dòng)型式。測(cè)井下井儀1a靠近地層16定位，并且探針2a從測(cè)井下井儀伸出通過泥餅15以和井筒14的側(cè)壁17密封接合。探針2a因此與地層16流體連通以至于地層流體可以進(jìn)入到測(cè)井下井儀1a中。起初，如圖1所示，侵入帶19環(huán)繞著側(cè)壁17并含有污染物20。當(dāng)測(cè)井下井儀1a產(chǎn)生一個(gè)壓差以從地層16提取流體時(shí)，來自侵入帶19的污染流體20首先被吸入到探針(圖1或者2A沒有特別說明)從而產(chǎn)生不適合取樣的流體。但是，當(dāng)一定量污染流體20流經(jīng)探針2a后，原始流體22突破侵入帶19并開始通過探針2a進(jìn)入測(cè)井下井儀1a。尤其特別地是，如圖2A所示，當(dāng)產(chǎn)生的流體剩余部分是污染流體20時(shí)，從侵入帶19流進(jìn)探針的污染流體20的中間部分給原始流體22讓路。這個(gè)挑戰(zhàn)保留適合地層流體的流動(dòng)，以至于在取樣過程中可以安全地在測(cè)井下井儀中收集原始流體。
圖2A說明當(dāng)?shù)貙恿黧w從地層16進(jìn)入到一個(gè)鉆柱傳送的測(cè)井下井儀1b時(shí)的地層流體典型的流動(dòng)型式。測(cè)井下井儀1b在一個(gè)或者多個(gè)(或者它自身)隨鉆測(cè)量(MWD)，隨鉆測(cè)井(LWD)，或者別的在本領(lǐng)域技術(shù)人員熟知的其它鉆井工具中傳送。測(cè)井下井儀1b用一個(gè)探針主體2b來密封接合并從地層16提取流體，方式類似于上述的測(cè)井下井儀1a和探針2a。
因此，為有效測(cè)試，需要從污染流體提取出或者分離出足夠“清潔的”或者“原始的”地層流體。換句話說，被取樣的地層流體應(yīng)該有很少或者沒有污染。人們嘗試除去和地層流體一起進(jìn)入測(cè)井下井儀的污染物。例如，正如美國(guó)專利4,951,749所描述的，將過濾器設(shè)置在探針里以阻止污染物和地層流體一起進(jìn)入測(cè)井下井儀。
在取樣過程中被指引除去污染物的別的技術(shù)可由已經(jīng)發(fā)行的希爾等人的美國(guó)專利申請(qǐng)2004/0000433和Hrametz等人的美國(guó)專利6,301,959提供。圖3和4是Hrametz專利公開的探針的技術(shù)方案的示意圖。Hrametz描述了一個(gè)機(jī)械地壓在井壁上的流體取樣墊片(pad)13。從這個(gè)墊片中心伸出的一個(gè)取樣管18通過流送管23a連接到一個(gè)取樣室27a。護(hù)圈12環(huán)繞著探針并有連接到它自身的流送管23b和取樣室27b的孔。這種結(jié)構(gòu)趨向于形成區(qū)域以至于流入探針的流體主要是沒有污染的井內(nèi)流體。
盡管在流體取樣有這樣的進(jìn)步，但仍需要在地層評(píng)價(jià)過程中減少污染。在一些情況下，在鄰近流送管之間的交叉流動(dòng)也可以引起污染。當(dāng)這個(gè)清潔的流體進(jìn)入測(cè)井下井儀時(shí)，需要提供有助于減少進(jìn)入測(cè)井下井儀的地層流體中污染物的流動(dòng)和/或者從污染流體中分離出清潔的地層流體的技術(shù)。此外也需要這個(gè)系統(tǒng)能具有以下一個(gè)或者多個(gè)功能提供與地層的良好密封；增加進(jìn)入工具中清潔流體的流動(dòng)；優(yōu)化進(jìn)入測(cè)井下井儀的流體流動(dòng)；避免當(dāng)清潔的流體進(jìn)入測(cè)井下井儀時(shí)受到污染；把污染流體和清潔的流體分開；優(yōu)化進(jìn)入測(cè)井下井儀中流體流量以減少流入測(cè)井下井儀的清潔流體的污染；和/或者在處理流體流入測(cè)井下井儀時(shí)的靈活性。
定義在整個(gè)描述中一些術(shù)語(yǔ)當(dāng)?shù)谝淮问褂脮r(shí)就被限定，而在這個(gè)描述中使用的其它術(shù)語(yǔ)限定如下“環(huán)形”的意思是，關(guān)于環(huán)的，或者形成一個(gè)環(huán)，例如，在一個(gè)諸如一個(gè)圓或者一個(gè)橢圓的閉合曲線中的一條線，帶或者布置。
“污染流體”指烴類流體取樣和/或者評(píng)價(jià)中通常不能接受的流體，因?yàn)檫@種流體包含污染物，如鉆井過程中使用的泥漿的濾液。
“測(cè)井下井儀”指在井筒中通過如鉆柱，電纜起下的工具和撓性管使用的工具以實(shí)施和一個(gè)或者多個(gè)目標(biāo)地層的評(píng)價(jià)，開采，和/或者管理有關(guān)的井下操作。
“可操作地連接”指直接或間接地連接以傳送或者傳導(dǎo)信息，壓力，能量，或者物質(zhì)(包括流體)。
“原始流體”指足夠純的，最初的，原生的，未被污染的地下流體，或者另外為了正確地取樣和/或者評(píng)價(jià)碳?xì)浠衔?，在流體取樣和分析領(lǐng)域被認(rèn)為是可以接受的代表一個(gè)給定地層的樣品。

發(fā)明內(nèi)容
在至少一個(gè)方面，本發(fā)明涉及一個(gè)由放在一層污染流體包圍著的井筒中的測(cè)井下井儀使用的探針組件。該井筒鉆入具有遠(yuǎn)離污染流體層的原始流體的地層。探針組件包括一個(gè)可從測(cè)井下井儀伸出的探針主體。一個(gè)封隔器被探針主體傳送并有一個(gè)適合于密封接合一部分井筒的遠(yuǎn)端表面。這個(gè)封隔器有一個(gè)外徑和一個(gè)內(nèi)徑(或者圓周)，內(nèi)徑由一個(gè)穿過封隔器的一個(gè)孔確定。封隔器最好是彈性體，如適合井筒條件的橡膠材料。此外，這個(gè)封隔器配備有一個(gè)或者更多在遠(yuǎn)端表面上形成的并布置成確定內(nèi)外徑之間的一個(gè)環(huán)形凈化入口的通道。多個(gè)支柱設(shè)置在一個(gè)或者更多通道中并可操作地連接以確定一個(gè)撓性支撐環(huán)。至少一個(gè)通道延伸穿過封隔器以在一個(gè)或者多個(gè)通道和探針主體中的一個(gè)第一入口之間傳送原始流體、污染流體和混合流體中的一種流體。探針主體中的第一入口和測(cè)井下井儀流體連通。一個(gè)取樣管密封放在封隔器的孔中以傳送原始流體到探針主體的一個(gè)第二入口。探針主體的該第二入口也和測(cè)井下井儀流體連通。
在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，探針主體可在測(cè)井下井儀傳遞的液體壓力作用下伸出。該取樣管也可以在測(cè)井下井儀傳遞的液體壓力作用下從探針主體伸出。
取樣管最好配備有一個(gè)過濾器以過濾來自進(jìn)入取樣管中初始底層流體的顆粒。更優(yōu)選的是，取樣管裝配有一個(gè)可以從探針主體伸出的活塞，以在活塞相對(duì)于取樣管移動(dòng)時(shí)從取樣管排出顆粒。這樣一個(gè)活塞可以包括，例如，一個(gè)軸向通道和一個(gè)或者多個(gè)位于其側(cè)壁中的孔眼，以將被允許進(jìn)入取樣管的原始流體傳送到軸向通道中。這個(gè)軸向通道和探針主體的第二入口流體連通。
封隔器支柱可以和封隔器整體成形，或者，假如有足夠撓性的話，支柱可以壓配到一個(gè)或者更多封隔器通道中。因此，封隔器可以配備有一個(gè)遠(yuǎn)端表面中形成的連續(xù)環(huán)形通道，或者配備有很多在遠(yuǎn)端表面中形成的并布置成確定在內(nèi)外徑之間一個(gè)環(huán)形凈化入口的通道。在后者的情況下，封隔器配備有多個(gè)通道，每一個(gè)通道延伸穿過其中以在這些通道中的一個(gè)和探針主體的第一入口之間傳送原始流體、污染流體和其混合物中的一種流體。
在一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施例中，封隔器中的每一個(gè)通道襯有一個(gè)管子，例如，用于在有壓縮力的封隔器負(fù)荷下支撐通道。這樣的管子可以和封隔器整體成形，例如，通過在管子周圍澆鑄封隔器。
用封隔器中的一個(gè)或者多個(gè)通道確定的環(huán)形凈化入口最好是圓形的。表征環(huán)形凈化入口的確定的尺寸比是按需要的。尤其環(huán)形凈化入口的內(nèi)徑最好約是取樣管內(nèi)徑的2到2.5倍寬。此外，環(huán)形凈化入口的外徑最好約是取樣管內(nèi)徑的2.5到3倍大。因此，環(huán)形凈化入口的外徑約是其內(nèi)徑的1.2倍寬。
另外一個(gè)方面，本發(fā)明提供了一個(gè)可選擇的包括一個(gè)可以從測(cè)井下井儀伸出的探針主體，和一個(gè)由用于密封接合井筒第一環(huán)形部分的探針主體攜帶的外封隔器。該外封隔器具有一從中穿過的孔。一個(gè)取樣管放在該外封隔器的孔中并在其間形成一個(gè)環(huán)。為密封接合在第一環(huán)形部分內(nèi)的井筒第二環(huán)形部分，取樣管可以從探針主體伸出并在遠(yuǎn)端攜帶一個(gè)內(nèi)封隔器。探針主體的一個(gè)第一入口和環(huán)流體連通以允許原始流體、污染流體和其混合物中的一種流體進(jìn)入到測(cè)井下井儀中。探針主體的一個(gè)第二入口和取樣管流體連通以允許原始流體進(jìn)入到測(cè)井下井儀中。
取樣管最好配備有一個(gè)過濾器以過濾進(jìn)入到取樣管的原始流體中的顆粒。在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，過濾器包括取樣管的一個(gè)帶孔部分。此外，取樣管最好配備有一個(gè)外法蘭以在取樣管相對(duì)于外封隔器伸出時(shí)從環(huán)面排出顆粒。
在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，一個(gè)活塞可以放在取樣管內(nèi)，當(dāng)活塞相對(duì)于取樣管伸出時(shí)活塞從探針主體伸出以排出取樣管中的顆粒?；钊梢园ǎ?，一個(gè)位于其中的軸向通道和一個(gè)或多個(gè)位于其側(cè)壁中的孔以將進(jìn)入到取樣管的原始流體傳送到軸向通道中。該軸向通道和探針主體的第二入口流體連通。
取樣管最好在其遠(yuǎn)端有一個(gè)封隔器。
在根據(jù)本發(fā)明這個(gè)方面的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，探針主體還包括一個(gè)放在環(huán)面中的管狀支柱以支撐外封隔器。管狀支柱可以配備有一個(gè)過濾器，以過濾來自被允許進(jìn)入環(huán)面中的原始流體、污染流體或者其混合物的顆粒。過濾器可以包括管狀支柱的帶孔部分。更優(yōu)選的是，管狀支柱和取樣管可以都配備有協(xié)作用于過濾進(jìn)入環(huán)面的原始流體、污染流體、或者二者的混合物的過濾器。
類似于取樣管的樣式，管狀支柱可以在測(cè)井下井儀傳遞的液體壓力的作用下從探針主體伸出。更優(yōu)選地，取樣管伸出的程度大于管狀支柱伸出的程度以適應(yīng)井筒的侵蝕，尤其在取樣管或靠近取樣管處。
另一個(gè)方面，本發(fā)明提供了一種從一層污染流體包圍著的井筒貫穿的地層中獲取原始流體樣本的方法。本發(fā)明方法包括這些步驟實(shí)現(xiàn)井筒第一環(huán)面上的密封，和實(shí)現(xiàn)在第一環(huán)形部分內(nèi)井筒第二環(huán)形部分上的密封。這些步驟導(dǎo)致了在第一和第二環(huán)形部分之間的井筒環(huán)形部分的隔離和在第一環(huán)形部分內(nèi)的井筒部分環(huán)形部分的隔離。接著，經(jīng)過井筒的被隔離的環(huán)形部分吸入流體，包括原始流體、污染流體或者其混合物中的一種流體。此外，經(jīng)過井筒的被隔離的環(huán)形部分吸入原始流體。本發(fā)明方法最好包括收集被吸入穿過井筒被隔離的圓形部分的原始流體的其他步驟。
根據(jù)本發(fā)明方法的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例，用一個(gè)可以伸出的內(nèi)封隔器在第二環(huán)形部分實(shí)施密封。內(nèi)封隔器可以選擇性地越過外封隔器伸出。內(nèi)封隔器和外封隔器是放在井筒的測(cè)井下井儀上被傳送的探針組件的部件。在這個(gè)裝置中，流體提取和收集步驟通過探針組件和測(cè)井下井儀實(shí)施。
在另一個(gè)方面，本發(fā)明提供了一種設(shè)備以表征由一層污染流體包圍著的并筒鉆入的地層。這個(gè)地層中具有在該層污染流體之外的原始流體。設(shè)備包括井筒內(nèi)適合輸送的測(cè)井下井儀，和一個(gè)測(cè)井下井儀攜帶的探針組件以進(jìn)行流體取樣。這個(gè)探針組件最好配備有上述的部件，例如，探針組件包括一個(gè)探針主體，一個(gè)外封隔器，和一個(gè)放在外封隔器孔中的并在遠(yuǎn)端攜帶內(nèi)封隔器的取樣管。此外，還提供一個(gè)致動(dòng)器，以移動(dòng)在一個(gè)測(cè)井下井儀傳送的縮回位置和一個(gè)從流體取樣的伸出位置之間的探針主體。這個(gè)致動(dòng)器最好是可操作的，以用于在縮回位置和伸出位置之間移動(dòng)取樣管，使得內(nèi)封隔器與井筒的第二環(huán)形部分密封接合。
在一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施例中，本發(fā)明的設(shè)備還包括一個(gè)延伸穿過一部分測(cè)井下井儀并和探針主體的第一和第二入口流體連通的流線，以允許原始流體、污染流體或者其混合物中的一種流體進(jìn)入測(cè)井下井儀中。一個(gè)或者多個(gè)泵被攜帶在測(cè)井下井儀內(nèi)，以抽取原始流體、污染流體或者其混合物中的一種流體通過管線進(jìn)入測(cè)井下井儀中。此外優(yōu)選的是在測(cè)井下井儀內(nèi)攜帶一個(gè)取樣室，用于從泵和一個(gè)用于分析通過管線和泵抽取到測(cè)井下井儀的流體的儀器接收原始流體、污染流體或者其混合物中的一種流體。這個(gè)測(cè)井下井儀可以適合在井筒內(nèi)通過一個(gè)電纜起下的工具，一個(gè)鉆柱，或者在撓性管上傳送。
在又一個(gè)方面，本發(fā)明提供了在貫穿被一層污染流體包圍的地層的井筒內(nèi)傳送的測(cè)井下井儀上攜帶的探針主體適用的封隔器，該地層中具有在該層污染流體之外的原始流體。這個(gè)封隔器包括具有一個(gè)適于密封接合一部分井筒的遠(yuǎn)端表面的一個(gè)彈性封隔器主體。這個(gè)封隔器主體有一個(gè)外徑和內(nèi)徑，內(nèi)徑由一個(gè)穿過封隔器主體的孔來確定。此外這個(gè)封隔器配備有在遠(yuǎn)端表面上形成的、并被布置在位于內(nèi)外徑之間的環(huán)形凈化入口里的一個(gè)或者多個(gè)通道。多個(gè)支柱被放在一個(gè)或者封隔器主體的通道中并被可操作地連接以確定一個(gè)撓性支架。至少一個(gè)通道延伸穿過封隔器主體以傳送原始流體、污染流體或者其混合物中的一種流體穿過封隔器主體。


通過參考附圖中說明的實(shí)施例，可對(duì)本發(fā)明以上簡(jiǎn)潔總結(jié)的作出更詳細(xì)的描述，因此可以詳細(xì)理解本發(fā)明上述的特征和優(yōu)點(diǎn)?？墒牵档米⒁獾厥?，

的僅僅是本發(fā)明的典型實(shí)施例，因此并不是對(duì)其范圍進(jìn)行限制，因?yàn)楸景l(fā)明承認(rèn)別的等同的有效實(shí)施例。
圖1是一個(gè)襯有泥餅的井筒穿過地層的示意性的正視圖。
圖2A-2B是有一個(gè)接合地層的探針的分別放置在圖1井筒中的相應(yīng)的用電纜和鉆柱輸送的測(cè)井下井儀的示意性的正視圖，并進(jìn)一步描述了污染流體和原始流體流入到測(cè)井下井儀中。
圖3是使用一個(gè)配備有護(hù)圈的封隔器以將地層流體分離進(jìn)入到一個(gè)取樣管的已有技術(shù)的測(cè)井下井儀的示意性的正視圖。
圖4是圖3中封隔器的側(cè)視圖。
圖5是有一個(gè)流體取樣系統(tǒng)和一個(gè)探針主體的測(cè)井下井儀一部分的示意性的正視圖。
圖5A是圖5中沿著剖面線5A-5A的探針主體的剖面圖。
圖6是對(duì)圖5中可替換的探針主體的詳細(xì)示意圖。
圖7A-7F說明用于探針主體上的環(huán)形凈化入口的不同結(jié)構(gòu)。
圖8A-8G說明用于探針主體上的環(huán)形凈化入口上的各種支柱或者支撐部件的端視圖。
圖8H-8N說明用于探針主體上的環(huán)形凈化入口上的各種支柱或者支撐部件的俯視圖。
圖9A-9B說明用于探針主體上的環(huán)形凈化入口上的支柱的另外的構(gòu)造。
圖10A和10B說明用于探針主體上的流體通道的各種形狀。
圖11是對(duì)圖5和圖6中可替換的探針主體的示意圖。
圖12A-E是在各個(gè)操作順序中對(duì)圖11中探針主體可替換的探針主體的詳細(xì)示意圖。
圖13是有一個(gè)管狀分配器的可替換的探針主體的示意性的正視圖。
圖14是圖13沿著剖面線14-14的部件的剖面圖。
圖15是在圖13中有一個(gè)內(nèi)凸緣的探針主體的示意性的正視圖。
圖16是描述壓差和在取樣口和凈化入口間的取樣率分?jǐn)?shù)的曲線圖。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明目前優(yōu)選實(shí)施例在上述附圖中說明并在下面進(jìn)行詳細(xì)描述。在描述優(yōu)選實(shí)施例時(shí)，用相同或相等的附圖標(biāo)記表示相同的或者類似的元件。為了清楚和簡(jiǎn)明，這些圖形沒有必要標(biāo)度并且這些圖的一些視圖可能成比例放大顯示或者給出示意圖。
現(xiàn)在參考圖5，為使地層流體有選擇進(jìn)入到測(cè)井下井儀預(yù)期的部分，測(cè)井下井儀510的流體取樣系統(tǒng)526包括一個(gè)探針主體525和一個(gè)流動(dòng)部分521。測(cè)井下井儀510在一個(gè)被含有一層污染流體520的侵入帶519環(huán)繞的井筒514里傳送。井筒514穿過含有在一層污染流體520之外的原始流體522的地層516。
探針主體525包括一個(gè)選擇性地從測(cè)井下井儀510中伸出的探針主體530，其利用延伸活塞533或者其他用于在一個(gè)傳送測(cè)井下井儀的縮回位置和用于取樣流體的伸出位置之間(后面的位置見圖5所示)之間移動(dòng)探針主體的適合的致動(dòng)器。一個(gè)圓柱形封隔器531通過探針主體530傳送，并有一個(gè)適合于與泥餅515和部分井壁517緊密接合的遠(yuǎn)端表面531s。該遠(yuǎn)端表面可以形成曲面，如圖6所示的封隔器實(shí)施例中的表面531s’，這樣可與井壁517預(yù)期的表面相匹配以便更可靠地密封。
參考圖5A，封隔器531由一種適合的材料組成(本技術(shù)領(lǐng)域里熟知的)，如橡膠，并且有一個(gè)外徑d1和內(nèi)徑d2，內(nèi)徑d2由穿過封隔器的一個(gè)孔(沒有標(biāo)注)來確定。封隔器531還配備有一個(gè)在遠(yuǎn)端表面531s形成的并被布置成確定在內(nèi)徑外徑d1，d2之間的環(huán)形凈化入口534i的通道534c。封隔器531通過環(huán)繞取樣管527(以下描述)澆鑄封隔器材料形成，因此整體上形成封隔器部件525的這些部件。然后在封隔器的遠(yuǎn)端表面531s(例如它的表面)中插入入口通道(或者多個(gè)通道，在這個(gè)例子里可以是這樣)以產(chǎn)生環(huán)形凈化入口區(qū)534i。
關(guān)于圖5中封隔器支柱535u2，凈化入口534i和相關(guān)的通道534c的探針各個(gè)方面的詳細(xì)描述見圖7A-9B。雖然圖5和5A的實(shí)施例表明僅有一個(gè)連續(xù)的通道534c，但是本發(fā)明包括有設(shè)置成確定環(huán)形凈化入口(cleanup intake)534i的多個(gè)分離的通道的封隔器實(shí)施例。因此，現(xiàn)參考圖7A-F，封隔器531可以使用多種結(jié)構(gòu)，如單個(gè)的連續(xù)通道534c1，多個(gè)間隔的梯形通道534c2，間隔的圓形通道534c3，間隔的矩形通道534c4，連續(xù)的梯形通道534c5和細(xì)長(zhǎng)的通道534c6。這個(gè)通道和/或者環(huán)形凈化入口可以安排形成如圖7A所示的圓形，圖7F所示的橢圓形和別的幾何圖形。
圖7A-F進(jìn)一步闡述很多放在一個(gè)或者更多通道中的支柱535(也叫支撐部件)。這些支柱，和別的一些支撐結(jié)構(gòu)將在圖8A-8N中詳細(xì)描述。這些支柱利用各種形狀與通道的形狀互補(bǔ)，還可以用很多包括支柱535u1-535u7(圖8A-8G所示)中用的各種U，V，X和Ω狀的橫截面在內(nèi)的橫截面和各種對(duì)稱和非對(duì)稱的平面輪廓(見圖8H-8N)。
支柱535u8-9的其他可替換的實(shí)施例如圖9A-9C所示。因此，為了形成各種格子狀或者柵欄狀的部件，支柱可以利用可操作地連接(在圖9A中支柱535u8的上邊；圖9B中支柱535u9的中底部)的多個(gè)平行線形元件535u。本領(lǐng)域普通技術(shù)人員將理解各種其他的結(jié)構(gòu)可同樣用于可操作地連接多個(gè)支柱，因此成功改善了封隔器531的可變形性?，F(xiàn)在將描述改進(jìn)了的可變形性的優(yōu)點(diǎn)。
回來參考圖7A-F，這些支柱535u適于可操作地連接以確定撓性支柱環(huán)，例如以鏈節(jié)的樣式，并塑造成一個(gè)閉合曲線以適合一個(gè)或者多個(gè)通道534c。在這個(gè)方面，圖8H進(jìn)一步說明支柱535可以在其中配備有一個(gè)第一孔556，以將流體傳送到封隔器通道528中(下面描述)，和一個(gè)第二孔558，以將支柱連接在一起和/或者將支柱固定在封隔器材料中。在相應(yīng)支柱里，這些孔的形狀，尺寸和結(jié)構(gòu)是可以變化的。本領(lǐng)域普通技術(shù)人員將理解在取樣操作中(例見圖5)支柱有利于探針主體525、尤其是封隔器531的理想的運(yùn)動(dòng)。這是因?yàn)榇┻^封隔器遠(yuǎn)端表面531s形成的密封依賴于穿過它正面的封隔器的可變形性(在開孔應(yīng)用中尤其是與事實(shí)一致的)。一個(gè)常規(guī)的封隔器趨向作為一個(gè)實(shí)心件突然移動(dòng)。這在已有技術(shù)中利用實(shí)心護(hù)圈的封隔器中同樣是與事實(shí)一致的。使用根據(jù)本發(fā)明不連續(xù)的但是可操作地連接的支柱的提供給封隔器531改進(jìn)的彈性可變形性。因此，例如，在環(huán)形凈化入口534i中的部分封隔器表面531s更易于獨(dú)立于在環(huán)形凈化入口534i外的部分封隔器表面531s進(jìn)行變形。
封隔器支柱535可以與封隔器531整體形成，諸如通過橡膠的硫化，或者，假如是足夠撓性的，這些支柱可以壓配合成一個(gè)或者多個(gè)封隔器通道534c。無論如何，支柱必須有足夠的硬度和/或者彈性硬度以抵抗壓縮封隔器到井壁517時(shí)封隔器材料的塌陷。這個(gè)硬度可以通過選擇合適的材料和幾何形狀來實(shí)現(xiàn)。因此，例如，圖6和8A所示的某些支柱535u1具有U形橫截面和最好限定為7°或者更大的開口角度α。
再次參考圖5，至少一個(gè)通道528延伸通過封隔器531而能在探針主體530中的一個(gè)或者多個(gè)通道534c和一個(gè)第一入口540之間傳送原始流體522、污染流體520和兩者的混合物中的一種。這個(gè)探針主體中的第一入口540以一種如下所述的方式與測(cè)井下井儀510流體連通。在具有多個(gè)形成環(huán)形凈化入口的通道的實(shí)施例中，封隔器531配備有多個(gè)相應(yīng)的通道528，每個(gè)通道延伸貫穿以在探針主體530中的一個(gè)通道534c和第一入口540之間傳送原始流體522、污染流體520和二者的混合物中的一種。
如，為了在施加垂直負(fù)荷情況下支撐坍塌在通道上的封隔器材料，封隔器531中的每一個(gè)通道528優(yōu)選襯有管529。在上端這些管子最好固定到各自的通道支柱535u2處，在探針主體530中的一個(gè)或者多個(gè)溝槽530g內(nèi)(見圖6)在末端可自由活動(dòng)，以允許在加壓下封隔器材料的壓縮。那些管可以與封隔器531整體形成，如通過在管子周圍澆鑄封隔器形成，這個(gè)過程有助于管子的使用—和形成通道528—具有不同的形狀和構(gòu)型。彈簧509(圖6)，或者一系列環(huán)，可以插入到通道528中和/或者管529中以有助于防止通道塌陷。
圖10A解釋了另外一個(gè)示出從中穿過的通道529的探針組件1025。這個(gè)探針組件基本和圖5的探針組件相同，除了它有延伸穿過封隔器531的不同結(jié)構(gòu)的通道。這種通道的形狀由一個(gè)螺旋形的管529’確定。圖10B說明用不同形狀管的一個(gè)封隔器531，例如，螺旋圈管529”，S形管529和其中的補(bǔ)充通道。這些不同的弓形管沒有必要都是任一端是不固定的(如圖6所示)，由于這些管在封隔器材料壓力作用下的垂直運(yùn)動(dòng)將大部分由管的側(cè)面伸出部分產(chǎn)生。圖10B進(jìn)一步說明這些管的末端能在探針主體(如，在530b基板上)的不同位置終止，如和基板平面垂直(見529)或者平行位置(見529””)。
再次參考圖5，正如前面所述的，為了在探針主體530內(nèi)將原始流體522傳送到一個(gè)第二出口538，一個(gè)取樣管527密封放入到封隔器531的孔中。這個(gè)在探針主體中的第二出口538也與測(cè)井下井儀流體連通，下面將進(jìn)一步描述。
取樣管527限定了取樣口532，并且和封隔器531的內(nèi)部一起限定了一個(gè)將取樣口532與環(huán)形凈化入口534i隔離的隔層(沒有標(biāo)注出)。雖然取樣管527最好與封隔器531同軸，但可以使用封隔器/探針的別的幾何形狀和構(gòu)型使優(yōu)點(diǎn)突出。
現(xiàn)在參考圖6，描述了一個(gè)可替換的探針組件525a。這個(gè)探針類似于圖5中的探針組件525，但有一些變化。例如，封隔器531a位于探針主體530a上并有一個(gè)貫穿延伸的活塞536。通道528也有一個(gè)具有通道534c2和通道支柱535u1的環(huán)形凈化入口534i。為了有助于將環(huán)形凈化入口534i與取樣口532隔離，取樣管527自身可在由測(cè)井下井儀施加于設(shè)置在腔555內(nèi)用于可滑動(dòng)移動(dòng)的活塞腿527p的液體壓力下從探針主體530a伸出。當(dāng)遇到在取樣口對(duì)面的井壁侵蝕時(shí)，這個(gè)特征尤其有益。
取樣管527最好配備有一個(gè)過濾器以過濾取樣管527的取樣532允許進(jìn)入的初始地層流體中的顆粒。這樣的過濾功能可以由多個(gè)滑動(dòng)設(shè)置在取樣管527中的活塞536的側(cè)壁中的孔536p提供?；钊?36在液體壓力下可以從探針主體530a伸出，活塞536還包括一個(gè)增大直徑的活塞頭536h，以在活塞536相對(duì)于取樣管527伸出時(shí)從取樣口532接收和排除顆粒(例如，鉆井液的堆積)。例如，活塞還包括與活塞側(cè)壁中的孔536p流體連通的一個(gè)軸向通道557，以傳送進(jìn)入取樣口532的原始流體到軸向通道。該軸向通道與探針主體中的第二入口538(圖5)流體連通。
探針組件的另外一個(gè)可選擇的實(shí)施例在圖11中簡(jiǎn)要說明，標(biāo)記為1125。在該實(shí)施例中，(外部)封隔器1131本身不包括一個(gè)凈化入口，但是和內(nèi)封隔器1159一起作用以確定一個(gè)環(huán)形凈化入1134i。因此，外封隔器1131由探針主體1130攜帶，以密封結(jié)合井壁1117的第一環(huán)形部分1160。該井壁1117確定了井筒1114并襯有泥餅1115。一個(gè)侵入帶1119環(huán)繞著井壁并且延伸進(jìn)入到其中具有原始流體1122的地層1116部分中。
外封隔器1131有一個(gè)通孔1131b。一個(gè)取樣管1127設(shè)置在外封隔器的孔1131b中并在之間形成了一個(gè)環(huán)形空間1152。該取樣管1127從探針主體1130中延伸出來，該探針主體使用從測(cè)井下井儀提供的液體壓力以供給一個(gè)或者更多致動(dòng)器能量(這在本領(lǐng)域中眾所周知，例如，美國(guó)專利號(hào)3924463)，并在其遠(yuǎn)端攜帶有一個(gè)內(nèi)封隔器1159，用于密封接合在第一環(huán)形部分1160內(nèi)的井筒1114中的第二環(huán)形部分1164。取樣管的遠(yuǎn)端最好包括一個(gè)環(huán)形通道(沒有標(biāo)出)，并且內(nèi)封隔器1159是環(huán)狀的并在取樣管遠(yuǎn)端的環(huán)形通道中傳送以接合井壁1117。
取樣管1127最好配備有一個(gè)圓柱形過濾器1170以過濾流入取樣管1127的原始流體1122(和別的流體)顆粒。該環(huán)形空間1152還配備有一個(gè)過濾器1172以過濾進(jìn)入環(huán)形套管1152污染流體1120、原始流體1122和兩者混合物中三者中的一種流體的顆粒。
這個(gè)可調(diào)節(jié)的取樣管1127的特性對(duì)于加在內(nèi)封隔器1159上的力提供一些反應(yīng)能力。尤其是，這個(gè)特性有助于將內(nèi)封隔器1159坐定在一個(gè)不牢固的巖石(例如，不牢固的井壁)上，并且如果地層的流體產(chǎn)生伴隨有在封隔器-地層界面上儲(chǔ)集巖的侵蝕，還允許對(duì)內(nèi)封隔器的位置進(jìn)行調(diào)整。這可通過內(nèi)封隔器1159相對(duì)于第二環(huán)形部分1164附近的井壁的侵蝕部分的伸出來說明。
探針主體1130還配備有一個(gè)與環(huán)形空間1152流體連通的第一入口1140以允許原始流體1122、污染流體1120和二者的混合物中的一種進(jìn)入測(cè)井下井儀(圖11中沒有示出)。沿一個(gè)或多個(gè)封隔器的內(nèi)表面設(shè)置支撐物(沒有示出)以防止封隔器材料侵入到第一入口1140。探針主體1130的一個(gè)第二入口1138和取樣管1127流體連通以允許原始流體1122進(jìn)入到測(cè)井下井儀。
圖12A-12E說明了探針組件的另外一個(gè)實(shí)施例，附圖標(biāo)記為1225。圖12A-12E描述了探針組件1225與井壁接合(圖12A)，開始吸入流體(圖12B)，在吸入過程中向前推進(jìn)以與井壁保持密封(12C)，將流體吸入測(cè)井下井儀(12D)，縮回與井壁脫離接合(12E)的操作。
探針組件1225類似于圖11中的探針組件1125，但是主要在其流體過濾裝置上有不同。相應(yīng)地，可移動(dòng)的取樣管1227以在取樣管1227側(cè)壁中的孔1227p的形式配備有一個(gè)過濾器，以過濾進(jìn)入取樣管1227中的原始流體(或者別的流體)中的顆粒。此外，為支撐外封隔器1231，該取樣管最好還裝備一個(gè)外法蘭1227f以在取樣管1227相對(duì)于設(shè)置在環(huán)形空間1252中的管狀支柱1272伸出時(shí)排出來自環(huán)形空間1252的顆粒。
該管狀支柱1272還配備有一個(gè)以在環(huán)狀管1272側(cè)壁中的孔1272p的形式的過濾器，以過濾進(jìn)入到環(huán)形空間1252的原始流體、污染流體或者二者的混合物中的顆粒。此外更特別地是，取樣管還配備有過濾器，以支撐法蘭1272的取樣管的側(cè)壁中的孔1227q的形式，這些過濾器同管狀支柱的過濾器1272p一起工作以過濾進(jìn)入環(huán)形空間1252中的原始流體、污染流體或者二者的混合物。
此外，一個(gè)活塞1270設(shè)置在取樣管1227內(nèi)，在活塞相對(duì)于取樣管1227伸出時(shí)，該活塞可從探針主體(圖12A-E中沒有示出)伸出以排除取樣管中的顆粒。為將進(jìn)入到取樣管1227的原始流體輸送到軸向通道1271，這個(gè)活塞可以包括，例如，一個(gè)軸向通道1271和在側(cè)壁中的一個(gè)或者多個(gè)孔1270p。軸向通道1271與探針主體中的第二入口(圖12A-E中沒有示出)流體連通。
類似于取樣管1227，環(huán)形支柱1272可以在從測(cè)井下井儀傳遞的液體壓力作用下從探針主體伸出。優(yōu)選地，取樣管1227比管狀支柱1272伸出幅度更大以適應(yīng)井筒的侵蝕，尤其在取樣管或靠近取樣管的地方。每個(gè)取樣管，管狀支柱和活塞的伸出能力使探針主體尤其適合用于不牢固的井壁和/或者侵蝕的巖石條件下。這些管狀部件是“嵌套的”以有效地將測(cè)井下井儀提供的液體壓力轉(zhuǎn)化成使管狀部件朝著和遠(yuǎn)離井壁1217的延伸。因此，當(dāng)來自測(cè)井下井儀的液體壓力“設(shè)備”壓力被應(yīng)用時(shí)，外封隔器1231和內(nèi)封隔器1259分別延伸進(jìn)入與各自井壁1217的第一和第二環(huán)形部分1260，1264接合，如圖12A所示。
現(xiàn)在參考圖12B，活塞1270利用測(cè)井下井儀的壓力縮回以將孔1270p暴露給取樣管1227的過濾孔1227p。這個(gè)可能影響到在第一環(huán)形區(qū)1264內(nèi)將一部分泥餅1215拉離井壁1217。如箭頭所示那樣，流體進(jìn)入到取樣管1227并穿過過濾孔1227p。
如圖12C所示，地層流體在測(cè)井下井儀提供的壓差作用下(圖12中沒有示出)穿過井壁1217進(jìn)入到環(huán)面1252和取樣口1232。在第一環(huán)形部分1260之間的部分井壁1217顯示已經(jīng)受到侵蝕，而當(dāng)井壁受到侵蝕時(shí)，可以看到施加在取樣管1227上的壓力已促使取樣管與內(nèi)封隔器1259一起向外伸出以保持與井壁1217的接合。
可以看到流體攜帶的顆粒1275和1277被相應(yīng)的取樣管過濾孔1227p和管狀支柱孔1272p(后者也和取樣管孔1227q一起作用)過濾出來。如箭頭所示，通過環(huán)面1252流經(jīng)管狀支柱1272的流體(污染流體，原始流體和其混合物中的一種)經(jīng)第一探針入口1240進(jìn)入到測(cè)井下井儀中。如箭頭所示，流經(jīng)取樣口1232通過取樣管1227的流體(最初，也是污染流體，原始流體和其混合物中的一種)通過第二探針入口1238進(jìn)入測(cè)井下井儀。當(dāng)流體進(jìn)入工具時(shí)，過濾孔1227p幫助過濾流體。
現(xiàn)在參考圖12D，管狀支柱1272和取樣管1227在測(cè)井下井儀的壓力下向前進(jìn)入到井壁1217深一層的侵蝕區(qū)。此外，示出被過濾的顆粒1277開始積累在環(huán)形空間1252中。管狀支柱的向前運(yùn)動(dòng)在取樣口1232和環(huán)形凈化入口1252之間保持了一阻擋層，以防止在井壁1217侵蝕時(shí)的交叉流動(dòng)和/或者交叉污染。
現(xiàn)在參考圖12E，探針組件1225從井壁1217縮回以至于測(cè)井下井儀可以從井壁脫離。活塞1270在取樣管1227內(nèi)完全伸出，由此從取樣管中排出顆粒1275。另外，管狀支柱1272已經(jīng)縮回，從而允許流體用在測(cè)井下井儀內(nèi)的泵泵出(如在這里其他地方所述)?？蛇x擇地，取樣管1227可被選擇性地驅(qū)動(dòng)以相對(duì)于管狀支柱1272移動(dòng)?？梢圆倏v取樣管和管狀支柱的移動(dòng)，例如，在從測(cè)井下井儀或者被迫通過一個(gè)流體流線或者入口回流的所收集到的地層流體提供的液體壓力下，以從環(huán)面1252中排出顆粒。取樣管1227和內(nèi)封隔器1259也從井壁中分離并縮回至探針組件。
圖13-14示意性地說明了探針組件1325的另一個(gè)實(shí)施例。圖13描述探針組件的橫斷面視圖。圖14描述了探針組件13沿線14-14的水平橫斷面視圖。探針組件包括配備有一個(gè)限定環(huán)形請(qǐng)除口1334的連續(xù)環(huán)形通道(或者，可選擇地，一個(gè)中心孔)的封隔器1331。取樣管1327由探針主體(圖13-14中沒有示出)支撐在一個(gè)固定的縮回位置以不與井壁結(jié)合，并限定了一個(gè)取樣1332。因此，當(dāng)探針主體從測(cè)井下井儀伸出以把封隔器1331放置成和井筒接合時(shí)，取樣管1327保持和井筒分離。
根據(jù)該實(shí)施例的探針組件最好還包括一個(gè)放置在環(huán)形凈化入口1334中的管狀分配器1335。該管狀分配器1335通過它們之間的多個(gè)徑向肋1335r連接到封隔器1331，以致于管狀分配器同封隔器一起和井筒接合(即，通過封隔器同時(shí)和地層接合)。該探針組件的實(shí)施例可選擇地配備有上面描述的撓性撐環(huán)，但是這個(gè)撓性撐環(huán)(圖13-14中沒有示出)在環(huán)形凈化入口1334內(nèi)很好地凹進(jìn)，以給管狀分配器1335提供空間。管狀分配器1335的長(zhǎng)度小于封隔器1331的長(zhǎng)度(即厚度)，因此在環(huán)形凈化入口1334的外部軸向部分限定了兩個(gè)環(huán)形通道1334a和1334b。這些通道在后面結(jié)合成管狀分配器1335下游的一個(gè)通道。
環(huán)形凈化入口1334通過管狀分配器1335分別進(jìn)入到兩個(gè)各自分離的區(qū)域防止穿過管狀分配器內(nèi)的部分井壁產(chǎn)生的流體同穿過管狀分配器外的部分井壁產(chǎn)生的流體混合。因此，這個(gè)內(nèi)通道1334a傾向于被原始流體充滿(在污染物開始流過后)，在取樣口1332和外通道1334b之間建立一個(gè)經(jīng)常被污染流體充滿的緩沖區(qū)。然而，由于該取樣管1327從井壁縮回，在環(huán)形凈化入口1334和取樣口1332之間的壓力平衡沒有得到抑制。這將有助于減少可能由用來抽取流體通過探針入口的測(cè)井下井儀的泵產(chǎn)生的壓力脈沖的負(fù)面影響(圖13-14中沒有示出)。
圖15說明了可替換圖13-14中的所示的實(shí)施例，其中封隔器1331在排出口配備有一個(gè)內(nèi)法蘭1331f，這個(gè)法蘭在管狀分配器形成的兩個(gè)環(huán)形通道中限制徑向最外面的環(huán)形通道1334b的入口區(qū)域。該受到限制的入口延伸進(jìn)入到一個(gè)增大的通道1334b以對(duì)污染流體產(chǎn)生額外的空間，并當(dāng)用取樣管1327改善原始流體的收集時(shí)有助于避免交叉流動(dòng)。
圖16為一個(gè)根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)方面來描述壓差對(duì)在一個(gè)取樣口和一個(gè)凈化入口之間的取樣率的份額的曲線圖。這個(gè)創(chuàng)造性方面和這個(gè)發(fā)現(xiàn)有關(guān)，探針組件的性能可以用三個(gè)物理參數(shù)基本表征取樣管的內(nèi)徑，凈化環(huán)面(也叫保護(hù)環(huán)面)的內(nèi)徑和外徑。這些參數(shù)決定取樣口和凈化入口的流動(dòng)面積，和分離它們的內(nèi)封隔器材料的面積，這些反過來影響探針組件的流動(dòng)性能。
這個(gè)探針/封隔器的幾何形狀可以優(yōu)化以確定流動(dòng)率與在取樣口和凈化入口之間的壓差之間的關(guān)系。當(dāng)減少?gòu)膬艋肟谶M(jìn)入到取樣口的交叉流體量時(shí)，這種優(yōu)化可以用來使進(jìn)入取樣口的原始流體流動(dòng)最佳化，因此減少污染流體進(jìn)入取樣口的可能性。另外，也可以利用該幾何形狀來降低對(duì)于一給定流動(dòng)比的入口間的壓差，因此減小了施加在內(nèi)封隔器上的壓力。這個(gè)幾何形狀可隨意選擇以在具有非常接近單一流動(dòng)率的入口之間提供小的壓差或者沒有壓差。該結(jié)構(gòu)允許使用相同的或相等的用于取樣和凈化入口的泵。
這個(gè)優(yōu)化過程涉及到改變上述三個(gè)直徑的幾何形狀直到在井壁上的零壓差處得到想要的產(chǎn)量比率。圖16中說明了描述穿過凈化入口流動(dòng)的線1602和描述在凈化入口和取樣口間的不同差壓下穿過取樣口流動(dòng)的線1604。這些線代表一個(gè)幾何圖形的曲線，其中環(huán)形凈化入口的內(nèi)徑約是取樣口內(nèi)徑的2到2.5倍寬，而凈化入口的外徑約為取樣口內(nèi)徑的2.5到3倍大。這等于凈化入口的外徑約是凈化入口內(nèi)徑的1.2倍寬。這個(gè)構(gòu)造考慮在零差壓1610(在取樣口和凈化入口之間)處取樣口的產(chǎn)量約是總產(chǎn)量的20％(見圖中X點(diǎn))，凈化入口的產(chǎn)量約是總產(chǎn)量的80％(見圖中Y點(diǎn))。相應(yīng)地，就在引發(fā)從凈化入口到取樣口不希望的交叉的流動(dòng)(見線1608)前，可以增大壓差，以提供取樣口的產(chǎn)量約是總產(chǎn)量的50％(見圖中Z點(diǎn)，在那里凈化入口和取樣口曲線交叉)。可以操縱流體流入到相應(yīng)的入口以使交點(diǎn)Z可以移動(dòng)，以便其在各種差壓下出現(xiàn)，包括零差壓。點(diǎn)Q代表著一個(gè)恰好在流線(1608)間的交叉流動(dòng)發(fā)生前穿過取樣口的流動(dòng)最大化的點(diǎn)。因此，通過操作流線和/或者探針幾何形狀，可以用來確定沿著曲線圖的點(diǎn)和產(chǎn)生進(jìn)入工具中的最佳流動(dòng)。
現(xiàn)在回來參考圖5，根據(jù)本發(fā)明的至少一個(gè)方面的獲得原始流體的取樣操作將得到全面描述。流動(dòng)區(qū)521包括一個(gè)或者多個(gè)的流動(dòng)控制設(shè)備，如泵537，一個(gè)流線539，和閥544，545，547和549，以便于選擇性地讓流體通過探針組件525的第一探針入口540和第二探針入口538進(jìn)入到流動(dòng)區(qū)521的各個(gè)部分。因此，污染流體520最好從侵入地層帶519進(jìn)入到環(huán)形凈化入口534i，接著通過一個(gè)或者多個(gè)封隔器通道528，進(jìn)入到第一探針入口540隨后被排出到井筒514。原始流體最好從地層516進(jìn)入到取樣口532，穿過第二探針入口538，然后或者轉(zhuǎn)移到一個(gè)或者多個(gè)取樣室542以收集或者排到井筒514。一旦確定了流入探針入口538的流體是原始流體，閥544和/或者549可以用已知的控制技術(shù)通過手動(dòng)和/或者自動(dòng)操作來啟動(dòng)以將流體轉(zhuǎn)移到取樣室542。顯而易見，本領(lǐng)域技術(shù)人員熟知適于在流動(dòng)區(qū)521內(nèi)操作的各種流體導(dǎo)入方法，如，美國(guó)專利3924463描述的流體導(dǎo)入方法。
流體取樣系統(tǒng)526最好也提供一個(gè)或者多個(gè)流體監(jiān)測(cè)系統(tǒng)553，用于在流體進(jìn)入流動(dòng)區(qū)521之后進(jìn)行分析。該流體監(jiān)測(cè)系統(tǒng)553可以提供各種監(jiān)測(cè)裝置，例如一個(gè)測(cè)量從探針入口540進(jìn)入的流體光密度的光學(xué)流體分析儀572和一個(gè)測(cè)量從探針入口538進(jìn)入的流體光密度的光學(xué)流體分析儀574。這些光學(xué)流體分析儀的每一個(gè)可以是一個(gè)如Felling等人的美國(guó)專利6,178,815中描述的和/或者Safinya等人的專利4,994,671描述的分析儀。其他的流體監(jiān)測(cè)設(shè)備，如量表，儀表，傳感器和/或者別的一些測(cè)量設(shè)備或者合作評(píng)價(jià)的裝備，可以用于流體監(jiān)測(cè)系統(tǒng)553中以確定流體的不同性質(zhì)，如溫度，壓力，成分，污染和/或者在本技術(shù)領(lǐng)域已知的其他參數(shù)將得到進(jìn)一步評(píng)價(jià)。
最好進(jìn)一步在流體操作系統(tǒng)553內(nèi)提供一個(gè)控制器576以從光學(xué)流體分析儀處獲得信息和因此發(fā)出信號(hào)以改變使流體進(jìn)入探針主體的取樣口532和/或者環(huán)形凈化入口534i的壓差。為了在井筒514內(nèi)操作各種部件，這個(gè)控制器可以位于測(cè)并下井儀和/或者一個(gè)地下系統(tǒng)(沒有示出)的其它部分，這將又一次得到本領(lǐng)域技術(shù)人員的評(píng)價(jià)。
控制器576能通過流體取樣系統(tǒng)526實(shí)施各種操作。例如，控制器能在測(cè)井下井儀內(nèi)啟動(dòng)各種設(shè)備，如選擇性地啟動(dòng)泵537和/或者閥544，545，547，549以控制進(jìn)入入口532，534i的流量，選擇性地啟動(dòng)泵537和/或者閥544，545，547，549以使流體進(jìn)入到取樣室542和/或者排出流體到井筒514以收集和/或者傳輸上口的分析數(shù)據(jù)，和其他有助于取樣過程操作的功能。
繼續(xù)參考圖5，流體進(jìn)入測(cè)井下井儀510的流動(dòng)模式得到說明。起初，如圖1所示，侵入帶519包圍著鉆井壁517。原始流體522位于侵入帶519后的地層516中。當(dāng)流體流入到入口532，534i，在入口532附近的侵入帶519中污染流體522最終被移走并給原始流體522讓路。在這個(gè)過程中的某些時(shí)候，當(dāng)流體從地層516吸入到探針主體525時(shí)，原始流體穿過并進(jìn)入到取樣管527，如圖5所示。因此，從這點(diǎn)來說，當(dāng)污染流體520流入探針組件525中環(huán)形凈化入口534i時(shí)，僅僅原始流體進(jìn)入取樣口532。為了確保這個(gè)結(jié)果，可以改變流動(dòng)模式，壓力和探針尺寸以達(dá)到預(yù)期的流動(dòng)路線，尤其象前面所述的那樣可以抵制從環(huán)形凈化入口534i到取樣口532的交叉流動(dòng)。
上述的流體取樣系統(tǒng)的某些布置和部件的細(xì)節(jié)，和這樣的布置和部件的任一樣對(duì)于本領(lǐng)域的技術(shù)人員都是已知的并能在各種其它專利和出版物中發(fā)現(xiàn)，如，這里前面討論的。此外，井下流體取樣系統(tǒng)的特殊的布置和部件可以依靠每一個(gè)特殊的設(shè)計(jì)，或者用途，狀態(tài)中的因素變化。因此，流體取樣系統(tǒng)和本發(fā)明都沒有局限于上述的布置和部件，并可以不包括任何一種合適的布置和部件。例如，各種流動(dòng)管線，泵的位置和裝設(shè)閥門可以調(diào)整以為各種構(gòu)型做準(zhǔn)備。類似地，測(cè)井下井儀和探針組件的布置和部件可以依靠每一個(gè)特殊的設(shè)計(jì)，或者用途，和狀態(tài)中的因素變化。上面描述的探針組件和本發(fā)明的其他方面的工具的示例性部件和環(huán)境僅用作解釋說明的目的，本發(fā)明并不限制于此。
本發(fā)明的范圍可以通過以下的技術(shù)方案來確定。術(shù)語(yǔ)“包括”在技術(shù)方案中傾向于表示“至少包括”，所以技術(shù)方案中部件的列表是開放組。除非明確排除，“一”，“一個(gè)”和別的單數(shù)術(shù)語(yǔ)傾向于包括復(fù)數(shù)形式。
權(quán)利要求
1.一種由布置在被一層污染流體包圍的井筒內(nèi)的測(cè)井下井儀使用的探針組件，井筒穿過其中具有在該層污染流體之外的原始流體的地層，探針組件包括可從測(cè)井下井儀伸出的一探針主體；由所述探針主體攜帶的、并具有一個(gè)適合于密封接合部分井筒的遠(yuǎn)端表面的一封隔器，該封隔器具有一個(gè)外徑和一個(gè)內(nèi)徑，該內(nèi)徑由穿過該封隔器的一個(gè)鉆孔確定，該封隔器還提供有在遠(yuǎn)端表面形成并布置成在內(nèi)徑和外徑之間確定環(huán)形凈化入口的一個(gè)或者多個(gè)通道；配置在所述一個(gè)或者多個(gè)通道內(nèi)并可操作地連接以確定一個(gè)撓性支架環(huán)的多個(gè)支柱；和延伸通過該封隔器以在所述一個(gè)或者多個(gè)通道與探針主體的一第一入口之間傳輸原始流體、污染流體和其混合物之一的至少一個(gè)通道，該探針主體中的第一入口與測(cè)井下井儀流體連通；密封設(shè)置在封隔器孔中以將原始流體傳輸?shù)教结樦黧w的一個(gè)第二入口的一取樣管，該探針主體中的第二入口與測(cè)井下井儀流體連通。
2.如權(quán)利要求1所述的探針組件，其特征在于，探針主體在從測(cè)井下井儀傳遞的液體壓力下伸出。
3.如權(quán)利要求1所述的探針組件，其特征在于，該取樣管在從測(cè)井下井儀傳遞的液體壓力下伸出。
4.如權(quán)利要求1所述的探針組件，其特征在于，該取樣管配備有一個(gè)過濾器以過濾進(jìn)入取樣管的原始流體中的顆粒。
5.如權(quán)利要求1所述的探針組件，還包括一個(gè)設(shè)置在取樣管內(nèi)的活塞和在活塞相對(duì)于取樣管伸出時(shí)其從探針主體伸出以從取樣管中排出顆粒。
6.如權(quán)利要求5所述的探針組件，其特征在于，該活塞包括一個(gè)位于其中的軸向通道和位于其側(cè)壁中的一個(gè)或者多個(gè)孔以將進(jìn)入取樣管的原始流體傳輸?shù)皆撦S向通道，該軸向通道與探針主體內(nèi)的第二入口流體連通。
7.如權(quán)利要求1所述的探針組件，其特征在于，所述支柱和封隔器整體形成。
8.如權(quán)利要求1所述的探針組件，其特征在于，所述支柱是撓性的并被壓配合到一個(gè)或者多個(gè)通道中。
9.如權(quán)利要求1所述的探針組件，其特征在于，該封隔器配備有一個(gè)在其內(nèi)外徑之間的遠(yuǎn)端表面中形成的連續(xù)的環(huán)形通道。
10.如權(quán)利要求1所述的探針組件，其特征在于，該封隔器配備有多個(gè)在遠(yuǎn)端表面形成的并布置在其內(nèi)外徑中間環(huán)形凈化入口中的通道。
11.如權(quán)利要求1所述的探針組件，其特征在于，封隔器配備有多個(gè)通道，每個(gè)通道貫穿其中以在這些通道中的一個(gè)和探針主體中的第一入口之間傳送原始流體、污染流體和其混合物中的一種流體。
12.如權(quán)利要求1所述的探針組件，其特征在于，封隔器中的每一個(gè)通道襯有一個(gè)管。
13.如權(quán)利要求1所述的探針組件，其特征在于，每一個(gè)通道和封隔器整體形成。
14.一個(gè)由布置在被一層污染流體包圍的井筒內(nèi)的測(cè)井下井儀使用的探針組件，該井筒穿過其中具有在該層污染流體之外的原始流體的地層，該探針組件包括從測(cè)井下井儀伸出的一探針主體；由探針主體傳送以與井筒的一個(gè)第一環(huán)形部分緊密接合的一外封隔器，該外封隔器具有一個(gè)從其中穿過的孔；設(shè)置在外封隔器孔中并在其間形成一個(gè)環(huán)面的取樣管，取樣管從探針主體伸出并在其遠(yuǎn)端攜帶有一個(gè)內(nèi)封隔器以在第一環(huán)形部分內(nèi)與井筒的第二環(huán)形部分緊密接合；在探針主體內(nèi)與所述環(huán)面流體連通以允許原始流體、污染流體和其混合物中的一種流體進(jìn)入測(cè)井下井儀的一第一入口；和在探針主體內(nèi)與取樣管流體連通以允許原始流體進(jìn)入測(cè)井下井儀的一第二入口。
15.如權(quán)利要求14所述的探針組件，其特征在于，探針組件在從測(cè)井下井儀傳遞的液體壓力下伸出。
16.如權(quán)利要求14所述的探針組件，其特征在于，取樣管配備有一個(gè)過濾器以從進(jìn)入取樣管的原始流體中過濾顆粒。
17.如權(quán)利要求14所述的探針組件，其特征在于，取樣管的遠(yuǎn)端包括一個(gè)環(huán)形通道。
18.如權(quán)利要求17所述的探針組件，其特征在于，內(nèi)封隔器是環(huán)形并且被攜帶在取樣管遠(yuǎn)端的環(huán)形通道中。
19.如權(quán)利要求14所述的探針組件，還包括一個(gè)設(shè)置在所述環(huán)面中以支撐外封隔器的管狀支柱。
20.如權(quán)利要求19所述的探針組件，其特征在于，管狀支柱配備有一個(gè)過濾器以過濾來自原始流體、污染流體或者混合物中的顆粒。
21.如權(quán)利要求20所述的探針組件，其特征在于，取樣管配備有一個(gè)外法蘭，以便于在取樣管相對(duì)于管狀支架伸出時(shí)從環(huán)面排出顆粒。
22.如權(quán)利要求14所述的探針組件，還包括一個(gè)設(shè)置在取樣管內(nèi)并從探針主體伸出以便于當(dāng)活塞相對(duì)于取樣管伸出時(shí)從取樣管中排出顆粒的活塞。
23.如權(quán)利要求22所述的探針組件，其特征在于，活塞包括一個(gè)位于其中的軸向通道和位于其側(cè)壁中的一個(gè)或多個(gè)的孔以傳送流入取樣管的原始流體到軸向通道，該軸向通道與探針主體的第二入口流體連通。
24.一種從被一層污染流體包圍著的井筒貫穿的地層中獲取原始流體樣品的方法，步驟包括實(shí)現(xiàn)在井筒的第一環(huán)形部分上的密封；實(shí)現(xiàn)在第一環(huán)形部分內(nèi)井筒的第二環(huán)形部分上的密封，由此隔離在這個(gè)第一和第二環(huán)形部分之間的井筒的環(huán)形部分以及在第一環(huán)形部分內(nèi)的井筒的環(huán)形部分；經(jīng)過井筒的隔離的環(huán)形部分抽取原始流體、污染流體和其混合物中的一種流體；和經(jīng)過井筒的隔離的環(huán)形部分抽取原始流體。
25.如權(quán)利要求24所述的方法，還包括收集穿過井筒隔離環(huán)形部分抽取的原始流體的步驟。
26.如權(quán)利要求25所述的方法，其特征在于用一個(gè)可延伸的外封隔器實(shí)現(xiàn)對(duì)第一環(huán)形部分的密封；用一個(gè)可延伸的內(nèi)封隔器實(shí)現(xiàn)對(duì)第二環(huán)形部分的密封，內(nèi)封隔器越過外封隔器延伸；內(nèi)封隔器和外封隔器是在井筒里布置的測(cè)井下井儀上傳送的探針組件的部件。
全文摘要
一個(gè)探針組件從穿透地層的井筒中取樣，該地層除了一層環(huán)繞井筒的污染流體之外其中還具有原始流體。該探針組件包括一個(gè)可從測(cè)井下井儀伸出的探針主體，和一個(gè)由探針主體攜帶的并具有一個(gè)適合于密封接合井筒的遠(yuǎn)端表面的封隔器。該封隔器有一個(gè)內(nèi)外表面，內(nèi)表面由穿過封隔器的一個(gè)孔確定。封隔器還配備有在遠(yuǎn)端表面形成的通道并設(shè)置成確定在內(nèi)外表面之間的一個(gè)環(huán)形凈化入口。一個(gè)或多個(gè)通道延伸穿過封隔器，以用于在這些通道之間傳送原始流體和/或污染流體。一個(gè)取樣管密封地設(shè)置在封隔器的孔中，以用于傳送原始流體到探針主體的一個(gè)第二入口和測(cè)井下井儀中。
文檔編號(hào)E21B49/08GK1757881SQ20051010842
公開日2006年4月12日 申請(qǐng)日期2005年10月8日 優(yōu)先權(quán)日2004年10月7日
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