專利名稱：用于地層測(cè)試的泵控制的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種地質(zhì)層組測(cè)試，更具體地，本發(fā)明涉及對(duì)地層測(cè)試工具的泵或流體轉(zhuǎn)移單元(FDU)的控制。
背景技術(shù)：
一般將鉆井鉆入土地或海床中以采取油或氣體的天然沉積物以及 儲(chǔ)藏在地殼內(nèi)地質(zhì)層組中的其他所需的材料，通常使用裝接在"鉆具(或 鉆桿柱)"的下端的鉆頭進(jìn)行鉆井。通常經(jīng)由鉆具將鉆井流體或"泥漿" 向下泵送到鉆頭。鉆井流體潤(rùn)滑并冷卻鉆頭，并且它在鉆具和井孔壁之 間的環(huán)狀空間內(nèi)將鉆井巖屑帶回到地面上來。為了成功進(jìn)行油和氣勘探，必需有關(guān)于被井孔穿透的地下地層的信 息，例如，標(biāo)準(zhǔn)地層評(píng)估(或評(píng)價(jià))的一個(gè)方面涉及地層壓力和地層滲 透性的測(cè)量，這些測(cè)量對(duì)預(yù)測(cè)地下地層的開采能力和生產(chǎn)壽命是必不可 少的。一種用于測(cè)量地層性質(zhì)的技術(shù)包括將一 "測(cè)井電纜"工具下降到鉆 井中以測(cè)量地層性質(zhì)。測(cè)井電纜工具是一種測(cè)量工具，當(dāng)它^C下降到鉆 井中時(shí)，它從金屬絲懸伸出，以使得它能測(cè)量所希望的深度的地層性 質(zhì)。典型的測(cè)井電纜工具可以包括一個(gè)探測(cè)器，該探測(cè)器可以被壓靠在 井壁上以與地層建立流體連通，該類型的測(cè)井電纜工具通常稱為"地層 測(cè)試儀"。利用探測(cè)器，地層測(cè)試儀測(cè)量地層流體的壓力，產(chǎn)生用來確 定地層滲透性的壓力脈沖。地層測(cè)試儀工具通常還取回地層流體的樣品 以便稍后進(jìn)行分析。為了使用任何測(cè)井電纜工具，無論該工具是電阻率、孔隙率測(cè)試工具還是地層測(cè)試工具，都必須將鉆具從鉆井中取出，以便能將工具下降到鉆井中。這稱為井下"起出鉆桿"(或"脫離"井下)。此外，必須將測(cè)井電纜工具降低到感興趣的區(qū)域， 一般在井孔的底部或井孔的底部附近。取出鉆具和將測(cè)井電纜工具下降到井下加在一起是耗時(shí)的措施，并且取決于井孔的深度，可能要花費(fèi)幾個(gè)小時(shí)。由于"起出(或脫離)" 鉆桿和將測(cè)井電纜工具下降到井孔需要很大的費(fèi)用和鉆機(jī)在用時(shí)間，所
以 一般僅僅在絕對(duì)需要信息時(shí)或在出于另 一個(gè)原因如更換鉆頭而起出鉆具時(shí)^f吏用測(cè)井電纜工具。例如在美國(guó)專利第3934468、 4860581、 4893505、 4936139和5622223號(hào)中描述了測(cè)井電纜地層測(cè)試儀的示例。 由于測(cè)井電纜技術(shù)的改進(jìn)，在鉆井系統(tǒng)中使用位于鉆頭附近的工具 和設(shè)備測(cè)量地層性質(zhì)的技術(shù)已經(jīng)發(fā)展起來，因而，在鉆井過程中進(jìn)行地 層測(cè)量，并且在本領(lǐng)域中通常使用的術(shù)語是"MWD"(鉆井時(shí)測(cè)量) 和"LWD"(鉆井時(shí)測(cè)井)，可在市場(chǎng)上買到各種井下MWD和LWD帶地層il試儀的鉆具中進(jìn);亍地層測(cè)量。\ ' ";'、、MWD通常指的是對(duì)鉆頭軌跡以及井孔溫度和壓力的測(cè)量，而LWD 指的是對(duì)地層參數(shù)或性質(zhì)的測(cè)量，尤其如電阻率、孔隙率、滲透性和聲 速。實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)如地層壓力使得鉆井公司在鉆井過程中能夠作出關(guān)于鉆井 泥漿重量和成分的決定以及關(guān)于鉆速和鉆壓(weight-on-bit)的決定， LWD和MWD之間的差別與本發(fā)明沒有密切關(guān)系。在鉆井工具能執(zhí)行各種井下地層測(cè)試時(shí)的地層評(píng)估通常包括一 小 的探測(cè)器或一對(duì)封隔器，探測(cè)器或封隔器能從鉆《挺伸出以在地層和工具 內(nèi)的壓力傳感器之間建立液壓連接使得可以測(cè)量地層流體壓力。 一些現(xiàn) 有的工具用泵主動(dòng)將流體樣品從地層抽出，以使得可以將流體樣品存儲(chǔ) 在工具內(nèi)的樣品室中以便稍后進(jìn)行分析，這種泵可以由鉆具中的發(fā)生器 提供動(dòng)力，發(fā)生器由沿著鉆具流動(dòng)的泥漿驅(qū)動(dòng)。然而，如人們能想象到的，在任何地層測(cè)試工具，測(cè)井電纜或MWD 中的任一個(gè)，中包含的多個(gè)運(yùn)動(dòng)部件可能導(dǎo)致設(shè)備故障或?qū)е滦阅苓_(dá)不 到最佳。此外，在各有效深度，要經(jīng)受相當(dāng)大的流體靜壓力和高溫，從 而使問題變得更復(fù)雜。更進(jìn)一步，地層測(cè)試工具工作在既與地層又與鉆 井條件有關(guān)的各種各樣的條件和參數(shù)下。因而，需要改進(jìn)的井下地層評(píng)估工具和用于操作與控制該工具的改 進(jìn)的技術(shù)，以使得這種井下地層評(píng)估工具更可靠、更有效率并可適應(yīng)地 層和泥漿循環(huán)條件。發(fā)明內(nèi)容在一個(gè)實(shí)施例中，披露了一種用于井下工具的流體泵系統(tǒng)，其與位 于穿透地下地層的井孔中的管柱相連，該系統(tǒng)包括與地層和井孔中的至
少一個(gè)流體連通的泵，且泵由向下流過管柱的泥漿提供動(dòng)力，泵與控制 器相連，控制器基于至少一個(gè)參數(shù)控制泵的速度，所述至少一個(gè)參數(shù)選 自包括泥漿體積流量、工具溫度、地層壓力、流體流動(dòng)性、系統(tǒng)損失、 機(jī)械載荷極限(或限制或者界限)、井孔壓力、可用功率、電力負(fù)載極 限(或限制或者界限)及其組合的組。在另一個(gè)實(shí)施例中，披露了一種用于井下工具的流體泵系統(tǒng)，其與 位于穿透地下地層的井孔中的管柱相連，該系統(tǒng)包括渦4侖、變速器、泵、 第一傳感器和控制器。渦輪由向下流過管柱的泥漿提供動(dòng)力。渦輪和泵 與變速器操作地相連，第一傳感器與渦輪和泥漿流中的一個(gè)相連以檢測(cè) 渦輪速度與泥漿流量中的至少一個(gè)。控制器與變速器和傳感器通信地相 連，以使得控制器基于渦輪速度和泥漿流量中的 一個(gè)調(diào)節(jié)變速器。在又一個(gè)實(shí)施例中，披露了一種用于控制井下工具的泵的方法，該方法包括給工具提供用于控制泵的井下控制器；測(cè)量設(shè)置在井筒中的工 具的至少一個(gè)系統(tǒng)參數(shù)；基于所述至少一個(gè)系統(tǒng)參數(shù)計(jì)算泵的泵運(yùn)行極 限；使泵運(yùn)行；和用控制器限制泵的泵運(yùn)行。在另 一個(gè)實(shí)施例中，披露了 一種操作用于井下工具的泵系統(tǒng)的方 法，泵系統(tǒng)與位于穿透地下地層的井孔中的管柱相連，該方法包括用向 下流過管柱的泥漿使設(shè)置在井筒中的渦輪旋轉(zhuǎn)；獲得渦輪的功率輸出； 用渦輪的功率輸出使泵運(yùn)行；測(cè)量渦輪的速度；和基于渦輪的速度，用 設(shè)置在工具中的控制器調(diào)節(jié)設(shè)置在渦輪與泵之間的變速器。從下面結(jié)合附圖進(jìn)行的詳細(xì)說明，其他的優(yōu)點(diǎn)和特征將顯而易見。


為了更完全地理解所披露的方法和設(shè)備，將參考在附圖上更詳細(xì)地示出的實(shí)施例，其中圖l是正視圖，表示可以使用所披露的地層測(cè)試系統(tǒng)的鉆井系統(tǒng)； 圖2是正視圖，表示根據(jù)本公開作出的井筒中的井底組件(BHA)的一個(gè)實(shí)施例；圖3是剖視圖，表示所披露的地層測(cè)試系統(tǒng)的流體分析和抽出模塊；圖4示意地表示用于將地層流體從設(shè)置在工具葉片中的探測(cè)器輸送 到同樣被示出的樣品室中的泵；
圖5是流程圖，表示這里披露的利用地層和用于控制地層測(cè)試工具內(nèi)的泵的系統(tǒng)參數(shù)的 一 個(gè)方法；圖5A是圖表，表示包含最大功率輸出的渦輪功率曲線； 圖6是電氣圖，表示一個(gè)取樣控制回路，其用來執(zhí)行圖5的方法以控制所披露的地層測(cè)試系統(tǒng)的泵馬達(dá)(或泵送馬達(dá))；圖7是表示用于所披露的地層測(cè)試系統(tǒng)的備選泵送單元組件的圖；和圖8是表示圖7中所示泵送單元組件的備選節(jié)流閥的視圖。 應(yīng)當(dāng)理解，附圖不一定是依比例繪制的，且所披露的實(shí)施例有時(shí)是 概略底和以局部視示出，在某些情況下，可能已省略了對(duì)于理解所 披露的方法和設(shè)備而言并非必需的細(xì)節(jié)或使其他細(xì)節(jié)難以理解的細(xì) 節(jié)，當(dāng)然，應(yīng)當(dāng)理解，本^Hf不局限于這里示出的特定實(shí)施例。
具體實(shí)施方式
本/>開涉及下面描述的和在圖2-8中圖示出的流體泵和取樣系 統(tǒng)，它們可以使用在孔底鉆井環(huán)境中，如圖1中所示的環(huán)境。在一些改 進(jìn)中，本公開涉及使用和控制所披露的流體泵的方法。在一個(gè)或多個(gè)改 進(jìn)中，鉆井時(shí)的地層評(píng)估工具包括改進(jìn)的流體泵和控制泵操作的改進(jìn)方 法，在一些其他的改進(jìn)中，披露了在鉆井時(shí)的地層評(píng)估的改進(jìn)方法。受益于本公開的本領(lǐng)域技術(shù)人員將懂得，所披露的設(shè)備和方法可應(yīng) 用在除鉆井之外的操作過程中，且鉆井對(duì)于實(shí)施本發(fā)明不是必須的。盡 管本^^開主要涉及取樣，但所披露的設(shè)備和方法能應(yīng)用于包括注入技術(shù) 的其他操作中。短語"鉆井時(shí)的地層評(píng)估，，指的是可以在鉆井過程中執(zhí)行的各種取 樣和測(cè)試操作，尤其如樣品收集、流體抽出、預(yù)測(cè)試、壓力測(cè)試、流體 分析和電阻率測(cè)試。要注意的是，"鉆井時(shí)的地層評(píng)估，，不一定意味著 在鉆頭實(shí)際穿透地層時(shí)進(jìn)行測(cè)量。例如，通常在鉆井過程中的短暫停止 期間執(zhí)行樣品收集和抽出，即，使鉆頭的旋轉(zhuǎn)暫時(shí)停止以便可以進(jìn)行測(cè) 量。 一旦進(jìn)行了測(cè)量，鉆井就可以繼續(xù)。即使在僅僅在停止鉆井之后進(jìn) 行測(cè)量的實(shí)施例中，也仍然可以在不必起出鉆具的情況下進(jìn)行測(cè)量。在本/>開中，"液壓連接(或液壓耦合)，，用來描述以下面這種方 式相連的物體，即流體壓力可以在相連的對(duì)象之間傳遞。術(shù)語"流體連 通，，用來描述以下面這種方式相連的物體，即流體能在相連的對(duì)象之間 流動(dòng)。要注意的是，"液壓連接，，可以包括流體不能在對(duì)象之間流動(dòng)但 流體壓力可以傳遞的某些布置(或設(shè)置)，因而，流體連通是液壓連接 的子集。圖1表示用來穿過地下地層鉆探一個(gè)井的鉆井系統(tǒng)10,地下地層總體上以附圖標(biāo)記11表示。位于地面13的鉆機(jī)12用來使鉆具14旋轉(zhuǎn)， 鉆具14在其下端包括一個(gè)鉆頭15。讀者會(huì)注意到，本公開總體地涉及 在下端不包含鉆頭15的多個(gè)工作管柱，所述多個(gè)工作管柱象一個(gè)鉆具 那樣被降到井筒中，并且其允許的泥漿循環(huán)方式與鉆具14使泥漿循環(huán) 的方式相似。當(dāng)鉆頭15被旋轉(zhuǎn)時(shí)，用"泥漿"泵16沿箭頭17的方向 經(jīng)由鉆具14將鉆井流體向下泵送到鉆頭15,鉆井流體通常稱為"泥漿" 或"鉆井泥漿"。用來冷卻和潤(rùn)滑鉆頭的泥漿通過鉆頭15的排出口 (未 示出)退出鉆具14,然后當(dāng)泥漿如箭頭19所示通過鉆具14和地層11 之間的環(huán)狀空間21流回到地面13時(shí)，泥漿從井孔18底部將鉆井巖屑 帶走。盡管在圖1中示出的是鉆具14,但在這里應(yīng)當(dāng)注意，本公開也可 應(yīng)用于多個(gè)工作管柱和多個(gè)管柱。在地面13，將返回的泥漿過濾并將其輸送回到泥漿池22以便重新 使用。鉆具14的下端包括井底組件23 ( "BHA"),井底組件23包括 鉆頭15以及多個(gè)鉆4廷24、 25,鉆4廷24、 25可以包括各種儀器，如LWD 或MWD傳感器和遙測(cè)設(shè)備。鉆井時(shí)的地層評(píng)估儀器例如也可以包括扶 正器(或?qū)χ衅?或穩(wěn)定器26或設(shè)置在扶正器或穩(wěn)定器26內(nèi)。穩(wěn)定器26包括如圖1中所示與井壁接觸以限制鉆頭15 "搖晃(或 搖擺)"的葉片，當(dāng)鉆具旋轉(zhuǎn)時(shí)，"搖晃"是鉆具的趨勢(shì)，其使鉆具偏 離井筒18的垂直軸線并使鉆頭改變方向。有利地，穩(wěn)定器26已經(jīng)與井 壁27接觸，因而，需要尺寸較小的探測(cè)器以建立與地層的流體連通。 本領(lǐng)域技術(shù)人員將認(rèn)識(shí)到，在不背離本發(fā)明范圍的情況下，地層探測(cè)器 能設(shè)置在除穩(wěn)定器之外的各位置中?，F(xiàn)在看圖2，披露的流體取樣工具30通過總體上以附圖標(biāo)記31表 示的壓力測(cè)試工具與井下地層液壓地^妄觸。工具31包括可延長(zhǎng)的^:測(cè) 器和復(fù)位活塞，例如在美國(guó)專利第7114562號(hào)中所示的。流體取樣工具 30優(yōu)選地包括流體記述模塊和流體抽吸模塊，它們都設(shè)置在;f莫塊或部分 32中，且可選地，設(shè)置在樣品收集模塊33中。各種其他MWD儀器或工具以附圖標(biāo)記34表示，它們可以包括^旦不局限于電阻率測(cè)井^義、核(孔積率和/或密度)工具等等。在圖2中，鉆頭穩(wěn)定器以附圖標(biāo)記26 表示，鉆頭以附圖標(biāo)記15表示。要注意的是，元件31、 32、 33和34 的相對(duì)垂直布置可以改變，且MWD模塊34可以放置在壓力測(cè)試儀模 塊31的上方或下方，流體抽吸和分析模塊32以及流體樣品收集模塊33 也可以放置在壓力測(cè)試模塊31或MWD模塊34的上方或下方，每個(gè)模 塊31 - 34通常具有的長(zhǎng)度范圍為從大約30到大約40英尺?，F(xiàn)在看圖3，地層流體泵和分析模塊32被披露為具有高度適應(yīng)的控 制特征，在圖3和4中披露的各種特征用來進(jìn)行調(diào)節(jié)以改變現(xiàn)場(chǎng)的環(huán)境 條件。為了涵蓋寬的性能范圍，尖端的電子設(shè)備或控制器36和用于精 確控制的固件(或操作系統(tǒng))以及豐富的多功能性對(duì)于使泵馬達(dá)35運(yùn) 轉(zhuǎn)是必需的。泵馬達(dá)35的動(dòng)力供應(yīng)自進(jìn)行驅(qū)動(dòng)的專用渦輪37和交流發(fā)電機(jī)38， 在一個(gè)實(shí)施例中，泵41包括通過軸44連接的兩個(gè)活塞42、 43,兩個(gè)活 塞42、 43分別設(shè)置在對(duì)應(yīng)的氣缸45、 46中。雙活塞42、 43/氣缸45、 46酉己置通過正容禾只J立牙多(positive volume displacement)工4乍。通過也在 圖4中詳細(xì)示出的行星滾柱絲杠47啟動(dòng)(或致動(dòng))活塞42、 43進(jìn)行運(yùn) 動(dòng)，行星滾柱絲杠47通過齒輪箱48與電動(dòng)機(jī)35相連。由電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng) 的齒輪箱或變速器48可以用來改變電動(dòng)機(jī)軸和泵軸之間的傳動(dòng)比。作 為選4奪，電動(dòng)機(jī)35和交流發(fā)電才幾38的組合也可以用來實(shí)現(xiàn)同樣的目 的。電動(dòng)機(jī)35可以是泵41的一部分或與泵41成一整體，但作為選拷， 也可以是單獨(dú)的元件。行星滾柱絲杠47包括螺母39和螺紋軸49。在優(yōu) 選實(shí)施例中，電動(dòng)機(jī)(或馬達(dá))35是伺服電動(dòng)機(jī)(伺服馬達(dá))。泵41 的功率應(yīng)該至少是500W,其與工具32的交流發(fā)電機(jī)38處的大約lkW 相對(duì)應(yīng)，優(yōu)選地，泵41的功率至少大約是lkW,其至少與交流發(fā)電機(jī) 38處的大約2kW相對(duì)應(yīng)。代替圖4中所示的行星滾柱絲杠47裝置，可以采用其他用于流體 排放的裝置，如導(dǎo)導(dǎo)螺桿或單獨(dú)的液壓泵，這將輸出能用來使活塞組件 42、 43、 44進(jìn)行往復(fù)運(yùn)動(dòng)的交變高壓油?，F(xiàn)在看圖3,在一種特定布置中將取樣/分析鉆鋌32表示為具有多 個(gè)基本元件，但在本領(lǐng)域技術(shù)人員的知識(shí)范圍內(nèi)，其他布置明顯也是可 能的。箭頭51表示穿過鉆鋌32的鉆井泥漿的流動(dòng)。可延長(zhǎng)的液壓/電連 接器52用來將鉆鋌32連接到測(cè)試工具31 (見圖2),且另一個(gè)可延長(zhǎng) 的液壓/電連接器59用來將鉆鋌32連接到樣品收集模塊33 (見圖2 )。 例如能在轉(zhuǎn)讓給本發(fā)明受讓人的序列號(hào)為11/160240的美國(guó)專利申請(qǐng)中 找到適合于連接鉆鋌的液壓連接器的示例，該專利申請(qǐng)?jiān)诖瞬⑷胱鳛閰?考。井下地層流體通過壓力測(cè)試工具31 (圖2)進(jìn)入帶地層測(cè)試儀的管 柱，并經(jīng)由可延長(zhǎng)的液壓/電連接器52發(fā)送到閥組53。仍參考圖3，在 閥組53,最初抽吸流體樣品使其通過流體識(shí)別單元54，流體識(shí)別單元 54包括光學(xué)模塊55和其他傳感器(未示出)以及控制器56，以確定流 體成分一一油，水，氣體，泥漿組分——和性質(zhì)，如密度、粘度、電阻 率等等。乂人流體識(shí)別單元54,流體經(jīng)由結(jié)合圖4更詳細(xì)i兌明的閥組53中的 那組閥進(jìn)入流體轉(zhuǎn)移單元(FDU)或泵41。如圖3中看到的，在流體到 達(dá)閥組53之前，它從壓力測(cè)試儀31的探測(cè)器前進(jìn)穿過液壓/電連接器52 并穿過分析器54。圖3還表示從例如設(shè)置在工具31 (也見圖2)的葉片202中的探測(cè) 器201開始的示意圖。兩個(gè)流路203、 204從探測(cè)器201延伸出。通過 操縱取樣隔離閥205和/或預(yù)測(cè)試隔離閥206能獨(dú)立地隔離流路203、 204。流路203將泵和分析器工具32與測(cè)試儀工具31中的探測(cè)器201 相連，流路204用于"預(yù)測(cè)試"。在預(yù)測(cè)試過程中，通向工具32的取樣隔離閥205被關(guān)閉，通向預(yù) 測(cè)試活塞207的預(yù)測(cè)試隔離閥206打開，而平衡閥208被關(guān)閉。探測(cè)器 201如箭頭209所示的朝著地層延伸出，當(dāng)伸出時(shí)，探測(cè)器201與地層 (未示出)液壓連接。使預(yù)測(cè)試活塞207縮回以便降低流路204中的壓 力，直到突破泥餅為止，然后，當(dāng)流路204中的壓力接近地層壓力時(shí)， 使預(yù)測(cè)試活塞207停止，而流路204中的壓力增大。能在預(yù)測(cè)試過程中 收集地層壓力數(shù)據(jù)，在預(yù)測(cè)試(或其他類似測(cè)試)過程中收集的數(shù)據(jù)可 以變成如下面討論的圖5的部分85中使用的參數(shù)之一。預(yù)測(cè)試還能用 來確定探測(cè)器201和地層被液壓連接。參考圖4,流體被發(fā)送到兩個(gè)位移室45或46中的任一個(gè)。泵41工 作以使得總是有一個(gè)室45或46吸入流體，而另 一個(gè)室45或46排出流 體。取決于流體線路和平衡閥61的設(shè)定，排出的液體被泵回到井孔18 (或井孔環(huán)狀空間)或通過液壓/電連接器59到達(dá)樣品室62、 63、 64之 一，樣品室62、 63、 64位于鄰接的分開的鉆鋌33 (也見圖2)中。盡 管僅僅示出了三個(gè)樣品室62、 63、 64，但要注意的是，可以采用多于三 個(gè)或少于三個(gè)的室62、 63、 64。顯然，室的數(shù)量不是關(guān)鍵性的，而選擇 三個(gè)室僅僅是構(gòu)成 一 個(gè)優(yōu)選的設(shè)計(jì)。仍參考圖4，通過4亍星滾柱絲杠47、螺母39和螺紋軸49實(shí)現(xiàn)FDU 活塞42、 43的抽吸作用。變速電動(dòng)機(jī)(或馬達(dá))35和相關(guān)的齒輪箱48 在圖3中所示的控制器36的指導(dǎo)下以雙向模式驅(qū)動(dòng)軸49,元件之間的 間隙填充有油50,而環(huán)形伸縮管補(bǔ)償器由附圖標(biāo)記50a表示。再參考圖4，在進(jìn)入室45的過程中，流體進(jìn)入閥組53并在進(jìn)入室 45之前經(jīng)過單向閥66。在從室45輸出時(shí)，流體通過單向閥67到達(dá)流 體線路和平衡閥61，在那里它或者被傾倒到井孔18，或者經(jīng)過液壓/電 連4妄器59、單向閥68進(jìn)入室62 - 64之一中。相似地，在進(jìn)入室46中 時(shí)，流體經(jīng)過單向閥71進(jìn)入室46。在從室46豐餘出時(shí)，流體經(jīng)過單向閥 72、經(jīng)過流體線路和平衡閥61，并且或者到達(dá)井孔18，或者到達(dá)流體 樣品收集器模塊33。在樣品收集操作的過程中，流體最初被抽吸到模塊32并經(jīng)由流體 線路和平衡閥61離開模塊32到達(dá)井孔18。在用新的或新鮮的地層流體 實(shí)際填充樣品瓶62 - 64之前，這個(gè)行為使流路75與剩余的液體齊平。 用總體上以附圖標(biāo)記76表示的幾組專用的密封閥執(zhí)行瓶62 - 64的打開 和關(guān)閉，密封閥與控制器36或其他裝置相連。壓力傳感器77是有用的， 尤其是作為用于檢測(cè)樣品室62 -64完全充滿的指示特征(或結(jié)構(gòu)或者 零件)。安全閥74是有用的，尤其是作為避免樣品室62 - 64中的流體 過壓的安全特征(或結(jié)構(gòu)或者零件)。當(dāng)需要將流體傾倒到井孔18時(shí) 也可以使用安全閥74。現(xiàn)在看圖3，需要專用的渦輪交流發(fā)電機(jī)37、 38提供必需數(shù)量的電 力以驅(qū)動(dòng)泵41。在取樣操作過程中將泥漿泵吸經(jīng)過鉆具14是工作要 求，泵送速率必需足以確保MWD泥漿脈沖遙測(cè)信息回到地面上以及(如 果被利用的話)確保渦輪37的足夠角速度以便向用于泵41的電動(dòng)機(jī)35 提供足夠的功率。圖5表示一個(gè)披露的用于在流體取樣過程中控制工具32的抽吸系 統(tǒng)41的方法80。優(yōu)選地通過井下控制器36(見圖3)控制抽吸系統(tǒng)41,
井下控制器36執(zhí)行存儲(chǔ)在工具組件30的永久性存儲(chǔ)器(EPROM )中的 指令。井下控制器可以確保抽吸系統(tǒng)41不被驅(qū)動(dòng)超過其運(yùn)行極限(或 限制或者界限)并可以保證抽吸系統(tǒng)有效地工作(或運(yùn)行)。井下控制 器從工具31中的(多個(gè))傳感器和/或工具32中的(多個(gè))傳感器(見 圖4)收集現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量結(jié)果并在方法80的自適應(yīng)反饋回路中利用這些測(cè)量 結(jié)果，以使泵41/抽吸系統(tǒng)的性能最優(yōu)化。方法80能在沒有操作者千涉或操作者干涉最小的情況下操作工具 32的抽吸系統(tǒng)41。通常，通過用遙測(cè)裝置向井下工具31 -33中的一個(gè) 或多個(gè)發(fā)送命令，地面操作者可以在帶地層測(cè)試儀的管柱14停止旋轉(zhuǎn) 時(shí)(例如在立管連接過程中)啟動(dòng)取樣操作。工具32將根據(jù)方法80操 作抽吸系統(tǒng)41。工具31-33中的任一個(gè)或多個(gè)可以定期向地面才喿作者 發(fā)送關(guān)于取樣過程狀態(tài)的信息，從而幫助地面操作者作出決定，如中止 取樣、命令工具33將樣品存儲(chǔ)在一個(gè)室中等等。地面操作者的決定可 以通過泥漿脈沖遙測(cè)裝置傳送到井下工具31 - 33。工具31、 32可以共用井下時(shí)鐘信息。從圖5中的左邊開始，在部分85中，工具31獲得地層/流體特性/參數(shù)，所述地層/流體特性/參數(shù)能根據(jù)在如上所述的預(yù)測(cè)試過程中收集 的壓力數(shù)據(jù)計(jì)算出(也參見美國(guó)專利第5644076號(hào)和7031841號(hào)或公開 號(hào)為2005/0187715的美國(guó)專利申請(qǐng))，并在部分86中將參數(shù)發(fā)送到工 具32。作為選擇或者說另外，可以在部分86中將來自其他工具的其他 信息發(fā)送到工具32，如來自電阻率測(cè)井儀的侵入深度等等。下面是可以在部分85中收集或吸收并在部分86中發(fā)送到工具的示 例井筒中的流體靜壓力，井筒中的循環(huán)壓力，流體的流動(dòng)性，和地層 壓力，其中可以將流體的流動(dòng)性描述為地層滲透性與流體粘度的比。流 體靜壓力與地層壓力之間的壓差也稱為過平衡壓力。預(yù)測(cè)試或任何其他 壓力測(cè)試可以給出更多信息，如泥餅滲透性，其也能被發(fā)送到工具32。 此外，例如如果得不到上面列出的參數(shù)，可以將較少的或其他參數(shù)發(fā)送 到工具32。在部分87中，執(zhí)行兩個(gè)操作——87a和87b。在87a中，基于所獲 得的在部分85中確定的關(guān)于(多個(gè))地層參數(shù)的信息來確定所需的泵 參數(shù)。在一個(gè)實(shí)施例中，所希望的泵參數(shù)可以是"取樣協(xié)議/順序"，其 涉及取樣泵的控制順序。該順序可以用公式表示為規(guī)定壓力水平、壓力 變化、和/或泵和/或流路的流量。這些公式化表示可以表示為時(shí)間、體 積等等的函數(shù)。在一個(gè)實(shí)施例中，該順序包括(1)確:〖人、改善或完成地層/井筒地層抽出廠和m存儲(chǔ);段r其通常是靜止的i "低震動(dòng)的，，:"其中將流體泵入導(dǎo)樣品室中。在另一個(gè)示例中，取樣協(xié)議/順序來源于部分85中的流動(dòng)性。如果 流動(dòng)性低，則取樣協(xié)議與以低速率單純(或單調(diào))地增加泵流量("Q，，) 相對(duì)應(yīng)，例如在1分鐘后Q^.1 cc/s,在2分鐘后(^=0.2 cc/s等等。如 果流動(dòng)性高，則取樣協(xié)議與以高速率單純地增加泵流量相對(duì)應(yīng)，例如在 1分鐘后Q=l cc/s,在2分鐘后Q=2 cc/s等等。讀者將注意到，這些值 僅僅是用于說明性的目的，而實(shí)際的值通常取決于其他系統(tǒng)變量中的探 測(cè)器入口直徑。在部分89中流量可以持續(xù)增大直到接近系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)極限 (功率，機(jī)械載荷，電力負(fù)載)為止，然后工具32可以繼續(xù)以在部分 89中達(dá)到的那個(gè)水平抽吸直到從地層抽出足夠的泥漿濾液并獲得樣品 為止。在另一個(gè)示例中，通過在最小泵下降壓力和在規(guī)定時(shí)間內(nèi)抽吸(或 泵送)的最大流體體積之間實(shí)現(xiàn)最佳的平衡來獲得取樣協(xié)議/順序。地層 /井筒模型使用成本函數(shù)，以確定理想的/最佳的/所希望的泵流量Q和其 相應(yīng)的存儲(chǔ)階段的下降壓差。成本函數(shù)可能使巨大的下降壓力和低的泵 流量惡化，可以根據(jù)在以前的取樣操作過程中通過工具32收集的數(shù)據(jù) 和/或根據(jù)通過取樣操作的模擬而產(chǎn)生的數(shù)據(jù)調(diào)節(jié)成本函數(shù)的值或形 態(tài)。理想地，理想的/最佳的/所希望的泵流量Q及其相應(yīng)的下降壓差位 于系統(tǒng)能力內(nèi)?？蛇x地，地層/井筒模型包括通過泥漿濾液獲得的取樣流 體的污染程度預(yù)測(cè)，而成本函數(shù)包括污染水平目標(biāo)。通過使在樣品存儲(chǔ) 以前調(diào)查地層流體所花的時(shí)間減到最小，可以進(jìn)一步確定向該理想的/ 最佳的/所希望的泵流量Q的傾斜。樣品協(xié)議/順序還可以包括在理想的/ 最佳的/所希望的泵流量Q周圍的變動(dòng)，其用來確認(rèn)或進(jìn)一步改進(jìn)理想 的/最佳的/所希望的泵流量Q的值。在又一個(gè)示例中，使用人工智能發(fā)動(dòng)機(jī)學(xué)習(xí)適當(dāng)?shù)膮f(xié)議/順序，優(yōu)選 地學(xué)習(xí)系統(tǒng)能力。人工智能用來將由工具進(jìn)行以前的取樣操作與實(shí)時(shí)測(cè) 量結(jié)合起來以確定取樣協(xié)議/順序。人工智能發(fā)動(dòng)機(jī)使用存儲(chǔ)以前的運(yùn)行
情況的井下數(shù)據(jù)庫。在87b中，基于部分85的地層參數(shù)和部分87a的對(duì)應(yīng)的泵參數(shù)計(jì) 算預(yù)期的地層響應(yīng)(或反應(yīng))。例如，可以產(chǎn)生一地層/井筒模型，其提 供由工具32進(jìn)行取樣起反應(yīng)的地層的預(yù)測(cè)。在一個(gè)示例中，地層/井筒 模型是一公式，其將下降壓差、井筒中的流體靜壓力和流路中的壓力之 間的差表示為地層流量的函數(shù)。特別地，由過平衡和流動(dòng)性確定該/>式 的參數(shù)。在另一個(gè)示例中，地層/井筒模型包括描述泥漿濾液的侵入深度 的參數(shù)，并且該模型能預(yù)測(cè)流體性質(zhì)的演變，如油氣比，或各種取樣情 況的污染水平。在又一個(gè)示例中，本領(lǐng)域中已知的和用來分析預(yù)測(cè)試(鉆 開的砂層表面的壓力測(cè)量)的模型適合在各種取樣情況下分析取樣操作 (見公開號(hào)為2004/0045706的美國(guó)專利申請(qǐng))和適合對(duì)由工具32進(jìn)行 取樣起反應(yīng)的地層的預(yù)測(cè)。在又一個(gè)示例中，也能使用基于曲線擬合技 術(shù)或神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?。要注意的是，地層流量和泵流量不總是相同的。這些流量通?？捎?工具或流路模型根據(jù)彼此預(yù)測(cè)，如本領(lǐng)域中眾所周知的。在一些情況 下，地層流量接近泵流量，為筒單起見，々￡定這兩個(gè)量在本/^開的其他 部分相等，但應(yīng)當(dāng)理解，可能必需用流路模型的工具根據(jù)一個(gè)計(jì)算另一 個(gè)。現(xiàn)在參考圖5的右側(cè)，在部分81 - 84中確定系統(tǒng)參數(shù)。具體地說， 在部分81中，確定渦輪參數(shù)，其可以包括確定最大的井下可用功率。如之前所提及的，泵41由向下流過工作管道的泥漿提供動(dòng)力，在 本示例中流過渦輪?？捎糜诒?1的最大功率取決于泥漿流量。泥漿流 量取決于井孔參數(shù)，如深度、直徑、井斜，取決于使用的泥漿類型和取 決于本地鉆機(jī)。因而，泥漿流量不是預(yù)先知道的，并且可能由于各種原 因而改變。可以使用用于渦輪37和/或渦輪-交流發(fā)電機(jī)37、 38的模型預(yù)測(cè)在 部分81中確定的最大可用功率。該模型可以包括功率曲線。例如，每 個(gè)功率曲線將由渦輪-交流發(fā)電機(jī)所產(chǎn)生的功率表示為渦輪角速度的 函數(shù)。圖5A表示用于給定的泥漿流量的功率曲線的一個(gè)示例。如圖5A的示例中所示，可以根據(jù)自由旋轉(zhuǎn)角速度COFS和相關(guān)的零 功率確定最大可用功率P"。這些值將產(chǎn)生與泥漿流量相對(duì)應(yīng)的功率曲 線，這個(gè)產(chǎn)生的功率曲線具有用于限制抽吸操作的峰值功率值Pn。假
定泥漿流量始終不變，則可以用功率曲線使角速度CO OP與任何搡作功率PoP互相關(guān)聯(lián)。該曲線的最大值確定部分81中的最大井下可用功率。要注意的是， 使用 一 個(gè)時(shí)間段內(nèi)的渦輪角速度和所產(chǎn)生的功率的值的變量也可以被 利用。這些方法例如可能涉及回歸技術(shù)，以^4居在一個(gè)時(shí)期內(nèi)所收集的 數(shù)據(jù)點(diǎn)確定與當(dāng)前泥漿流量相對(duì)應(yīng)的功率曲線，和/或跟蹤泥漿流量在一 個(gè)時(shí)間段內(nèi)的變化?？梢詫⒃诓糠?1中計(jì)算出的最大井下可用功率用作泵運(yùn)行極限?？梢曰谶@個(gè)和/或其他運(yùn)行極限控制泵41的運(yùn)行，如下面參考部分89 所述。在一個(gè)示例中，將測(cè)量的渦輪交流發(fā)電機(jī)37、 38的運(yùn)行功率Pop 與最大功率P最大進(jìn)行比較。當(dāng)測(cè)量的產(chǎn)生功率接近最大功率時(shí)，可以防 止泵流量和/或泵兩側(cè)的壓差進(jìn)一步增大。限制抽吸功率，從而限制從渦 輪交流發(fā)電機(jī)37、 38獲得的功率，可以防止渦輪失速。優(yōu)選地，當(dāng)測(cè) 量的由渦輪交流發(fā)電機(jī)37、 38所產(chǎn)生的功率是最大井下可用功率的大 約80%時(shí)，可以限制工作點(diǎn)("L，，)。在部分82中，泵41的控制還基于電力負(fù)載極限。具體地說，限制 電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器峰值電流。峰值電流與從電動(dòng)機(jī)35所需的轉(zhuǎn)矩相關(guān)，因 而可以基于轉(zhuǎn)矩需求通過反饋回路控制電動(dòng)機(jī)35，可以在部分89中限 制轉(zhuǎn)矩的驅(qū)動(dòng)值以便其不超過驅(qū)動(dòng)器峰值電流。在部分83中，還基于機(jī)械載荷極限控制泵41。例如，可以限制施 加在滾柱絲杠39上的轉(zhuǎn)矩?？梢曰谵D(zhuǎn)矩通過反饋回路控制電動(dòng)機(jī) 35,可以在部分89中限制轉(zhuǎn)矩的驅(qū)動(dòng)值以便其不超過滾柱絲杠39上的 轉(zhuǎn)矩負(fù)載。在另一個(gè)示例中，其他機(jī)械部件，如FDU活塞42、 43可以在位置、 拉力(或張力)上或在線性速度上具有限制?？梢曰谵D(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速或回 轉(zhuǎn)數(shù)量通過反饋回路控制電動(dòng)機(jī)35以便滿足這些限制。在部分84中，泵的控制還基于抽吸系統(tǒng)中的損失或系統(tǒng)損失。將 泵輸出的最大可用功率評(píng)估、跟蹤或預(yù)測(cè)為最大井下可用功率和部分84 中的抽吸系統(tǒng)內(nèi)的損失的函數(shù)。例如，大功率電子設(shè)備和電驅(qū)動(dòng)器的損 失隨著電動(dòng)機(jī)角速度、電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩和溫度而改變。在系統(tǒng)中還可能發(fā)生 其他損失，如摩擦損失?？梢酝ㄟ^損失模型預(yù)測(cè)損失，能將損失模型連 續(xù)改作為方法80的一部分?？梢钥刂齐妱?dòng)機(jī)35以使得電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩與實(shí)
際泵速率的乘積(泵輸出功率)不超過泵輸出的最大可用功率?，F(xiàn)在看部分89,泵參數(shù)被更新。暫時(shí)回到圖4,在抽吸操作開始時(shí)，優(yōu)選地;f艮據(jù)在通過探測(cè)器201進(jìn)行的地層壓力測(cè)試結(jié)束時(shí)發(fā)生的最初抽 吸操作更新設(shè)定的泵驅(qū)動(dòng)參數(shù)。在抽吸操作開始時(shí)，工具32中的流路 204與地層壓力平衡。通向取樣工具33的流路工具仍被閥205隔離，并 充滿處于流體靜壓力的流體。為了不向地層引入任何壓力沖擊，在打開 流路203和閥組53之前使泵41運(yùn)轉(zhuǎn)，以減小線路75中的下游流路壓 力，直到它等于地層壓力為止。 一旦這種情況發(fā)生，就打開下游流路閥 組53,并建立向取樣探測(cè)器31的通信以開始抽吸。在取樣操作開始時(shí)， 將流體線路和平衡閥61啟動(dòng)(即，上部盒61a起作用)，并起動(dòng)泵41 直到傳感器57所讀出的壓力等于由工具31中的傳感器210所讀出的地 層壓力為止，然后，打開取樣隔離閥205?；氐綀D5的部分89,然后在在部分81、 82、 83和84中的一個(gè)或多 個(gè)內(nèi)確定的主要運(yùn)行情況的控制下，根據(jù)部分87a中的所希望的泵參數(shù) 更新泵的操作。如果所希望的泵參數(shù)滿足運(yùn)行情況，則利用所需的泵參 數(shù)更新泵操作；如果不滿足，則使用運(yùn)行情況極限更新泵操作。如果達(dá) 到了運(yùn)行極限，則工具32可以將該信息通知給地面操作者?？梢栽诓?分94中通過遙測(cè)裝置發(fā)送工具狀態(tài)標(biāo)志。操作者在該信息的檢查時(shí)能 改變泥漿流量，以增大渦輪37的速度和產(chǎn)生更大的井下功率。此外， 增大的泥漿流量可以降低到達(dá)工具32的泥漿的溫度，從而冷卻工具32 中的部件。在部分90中，測(cè)量地層/井筒對(duì)工具32的取樣的反應(yīng)。具體地說， 連同泵流量一起測(cè)量流路壓力。然后，用工具模型計(jì)算出地層流量。如 先前所述，泵流量可以接近地層流量。除了測(cè)量的地層/井筒對(duì)工具32的取樣的反應(yīng)之外，可以使用流體 分析模塊54提供對(duì)算法的反饋。流體分析模塊54可以提供不同波長(zhǎng)的 光密度，以監(jiān)測(cè)通過泥漿濾液獲得的抽出流體的污染等等，其中光密度 例如能用來計(jì)算取樣流體的油氣比。其他用途包括流路中的氣泡或沙檢 測(cè)，其可以由光密度的散射指示。部分92a涉及將在部分90中測(cè)量的地層/井筒反應(yīng)與部分87b的預(yù) 期的地層響應(yīng)(或反應(yīng))進(jìn)行比較，該比較可以用來對(duì)取樣協(xié)議/順序 92b進(jìn)行細(xì)微調(diào)節(jié)。在一個(gè)示例中，可以將下降壓差和地層流量與一線
性模型進(jìn)行比較。相對(duì)于線性趨勢(shì)的壓力下降或低于比例量的上升可以 表明密封的喪失、流路中的氣體等等，可以通過在流體分析模塊中監(jiān)測(cè) 流路性質(zhì)(如光學(xué)性質(zhì))確認(rèn)這些事件。此外，部分92a可以包括將在部分90中測(cè)量的流體性質(zhì)的演變與 預(yù)期的趨勢(shì)如部分87b的模型的一部分進(jìn)行比較。例如，能監(jiān)測(cè)與污染 有關(guān)的流體性質(zhì)(如油氣比)，相對(duì)預(yù)期趨勢(shì)(本領(lǐng)域中通常所說的清 掃趨勢(shì))的任何偏離都可以解釋為密封的喪失，密封的喪失可能需要對(duì) 取樣協(xié)議/順序92b進(jìn)行調(diào)節(jié)，例如減小泵流量以便減小探測(cè)器封隔器兩 邊的壓差。其他事件可能需要對(duì)取樣協(xié)議/順序進(jìn)行調(diào)節(jié)。在另一個(gè)示例中，在部分90中監(jiān)測(cè)流體性質(zhì)以檢測(cè)進(jìn)入工具的樣 品流體是否以單相方式進(jìn)入，即取樣壓力不低于儲(chǔ)層流體的泡點(diǎn)或露析 出壓力。流體性質(zhì)應(yīng)該對(duì)氣泡或流體中固體的存在敏感。當(dāng)下降壓力在 部分90中無意中降得太低時(shí)，流體光密度、流體光學(xué)熒光性和流體密 度或粘度是能用于早期氣體或固體檢測(cè)的性質(zhì)。在又一個(gè)示例中，流體性質(zhì)的演變也可以用來校正污染^t型。通過 使用從本領(lǐng)域獲得的方法，能使用更新的模型預(yù)測(cè)實(shí)現(xiàn)目標(biāo)污染水平所 需的時(shí)間。在另一個(gè)示例中，監(jiān)測(cè)流體性質(zhì)并檢測(cè)其平穩(wěn)性，且其平穩(wěn) 性用來通知地面操作者抽吸的流體很可能未被污染，并可以存儲(chǔ)樣卩口O o在部分91中，測(cè)量泵系統(tǒng)的臨界溫度，其尤其可以包括交流發(fā)電 機(jī)38的溫度、大功率電子設(shè)備溫度和電動(dòng)機(jī)溫度。在部分93中，將在 部分91中測(cè)量的溫度與極限值例如預(yù)定的極限值進(jìn)行比較。為了說明 的目的，有I定在部分91中測(cè)量交流發(fā)電才幾溫度。如果該溫度太高，則 可以在部分93b中減小電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速極限，以便減小從交流發(fā)電機(jī)38獲 得的功率量和在交流發(fā)電機(jī)38中產(chǎn)生的熱量。在另一個(gè)示例中，可以 在部分91中測(cè)量電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器的溫度。如果該溫度太高，則可以減小 電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速極限以便減小電動(dòng)機(jī)35所需的轉(zhuǎn)矩，從而減小由用來驅(qū)動(dòng) 電動(dòng)機(jī)35的電流產(chǎn)生的熱量。在部分94中，可以發(fā)送到地面搡作者的數(shù)據(jù)包括地層壓力和計(jì)算 出的泵速率實(shí)際值。通常由泥漿遙測(cè)裝置實(shí)現(xiàn)向地面的傳輸?？梢詡鬏?到地面的其他值包括流體流動(dòng)數(shù)據(jù)、累積取樣體積、來自流體分析器54 的 一個(gè)或多個(gè)流體性質(zhì)以及工具狀態(tài)，在取樣操作過程中將通過遙測(cè)裝置發(fā)送的數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼/壓縮，以使工具31/32和地面之間的通信帶寬最優(yōu)化。也可以在井下將工作數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在非易失性存儲(chǔ)器(閃速存儲(chǔ)器) 上，以便稍后在回到地面時(shí)進(jìn)行檢索和使用。圖6圖示出執(zhí)行圖5中的方法的一個(gè)示例?？刂苹芈钒▋蓪蛹?jí)聯(lián) 的控制回路系統(tǒng)?？刂平Y(jié)構(gòu)對(duì)于等速電動(dòng)機(jī)調(diào)節(jié)是典型的。所提出的工 具體系結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是泵速率直接與電動(dòng)機(jī)結(jié)合，且因此能以非常高的分 辯度測(cè)量和控制泵速率。分辯度取決于電動(dòng)機(jī)位置測(cè)量工具。與電動(dòng)機(jī) 相連的分解器輸出高分辯度的電動(dòng)機(jī)位置信息。能根據(jù)電動(dòng)機(jī)位置信息 和系統(tǒng)傳輸常數(shù)計(jì)算出實(shí)際的泵流量Q *際。能根據(jù)電動(dòng)機(jī)相電流和電動(dòng) 機(jī)位置信息計(jì)算出電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩實(shí)際值t實(shí)際。內(nèi)層在測(cè)量的位置調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)矩；外層調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速從而調(diào)節(jié)泵速 率?？刂苹芈分械膯?dòng)器(或致動(dòng)器)以非常快的動(dòng)態(tài)響應(yīng)運(yùn)行。地層 的動(dòng)態(tài)特性比泵控制慢得多。取樣率優(yōu)化器105設(shè)定理想的取樣率協(xié)議/順序，并對(duì)地層特性的任 何變化如由傳感器57檢測(cè)到的流路壓力下降作出反應(yīng)，或?qū)ξ龅牧?體的性質(zhì)的任何變化如由光學(xué)流體分析器55檢測(cè)到的流路中的氣體作 出反應(yīng)。取樣率分析器105也可以不斷地修改地層模型。取樣率優(yōu)化器 105將理想的/最佳的/所希望的流量供給到限速器104。限速器104跟蹤系統(tǒng)的溫度，并根據(jù)泥漿循環(huán)預(yù)測(cè)最大可用功率。 限速器104限制理想的/最佳的/所希望的流量以使得抽吸系統(tǒng)所使用的 功率不超過最大可用功率(例如在0.8的安全系數(shù)內(nèi))和使得系統(tǒng)不會(huì) 變得過熱。PID(比例、積分、微分)調(diào)節(jié)器109根據(jù)泵速率設(shè)定值Q設(shè) 定和計(jì)算出的泵速率實(shí)際值q實(shí)際之間的差值調(diào)節(jié)設(shè)定轉(zhuǎn)矩t設(shè)定的值。轉(zhuǎn) 矩限制器110確保匹配設(shè)定取樣率所需的轉(zhuǎn)矩不超過滾柱絲杠最大轉(zhuǎn)矩 和與電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器峰值電流相應(yīng)的轉(zhuǎn)矩。PID(比例、積分、微分)調(diào) 節(jié)器ll2將電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩設(shè)定值Q設(shè)定與計(jì)算出的泵速率實(shí)際值Q鋒進(jìn)行 比較。為方便起見，在下面列出圖5和6中使用的標(biāo)記 Q設(shè)t:泵速率設(shè)定值 Q實(shí)際計(jì)算出的泵速率實(shí)際值 Pf:測(cè)量的流路壓力 t設(shè)定電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩設(shè)定值 T實(shí)際電動(dòng)才幾轉(zhuǎn)矩實(shí)際〈直 P最大跟蹤的最大可用渦輪功率PWM:脈沖寬度調(diào)制器PID:比例、積分、微分調(diào)節(jié)器最后，圖7和8表示備選的馬達(dá)FDU裝置41a。馬達(dá)41a是與齒輪 箱或其他機(jī)械變速器48a相連的莫瓦諾型(Moineau)馬達(dá)。齒輪箱48a 由渦輪37a驅(qū)動(dòng)，渦輪37a又由沿箭頭17a方向流動(dòng)的鉆井泥漿驅(qū)動(dòng)。 泥漿輸出口由附圖標(biāo)記120表示，而渦輪定子線圈由附圖標(biāo)記121表 示。因而，泵41a不包括交流發(fā)電機(jī)。用電磁閥122控制流向渦輪37a 的流體流，電磁閥122包括節(jié)流活門或錐形座123。調(diào)節(jié)節(jié)流活門123 以控制流向渦4侖37a的泥漿的流動(dòng)，從而控制由抽吸單元41a抽吸的地 層流體的流動(dòng)。能以固定速率控制閥122,其優(yōu)選地由嵌入軟件的工具 利用流量計(jì)124所測(cè)量的流量或吸出流體的壓力進(jìn)行自動(dòng)控制。泥漿單向閥以附圖標(biāo)記61a表示，而在通向井孔的出口處的流量計(jì) 以附圖標(biāo)記124表示。將樣品流體/人泵41傳送通過閥53a,閥53a在這 種情況下是與以附圖標(biāo)記122表示的電磁閥相似的另一個(gè)電磁閥。流路 75a通向以箭頭62a - 64a示意性地指出的樣品室。探測(cè)器入口以附圖標(biāo) 記31a表示，探測(cè)器入口 31a帶有橡膠封隔器124。還包含一傳感器(未 示出)，其監(jiān)測(cè)被吸入工具中的流體的性質(zhì)，如光密度、熒光性、電阻 率、壓力和溫度。作為備選方案，齒輪箱4&可以是無級(jí)變速器("CVT"),例如被 做成帶有滾柱的變速器，其傳動(dòng)比由嵌入軟件的工具控制。在這里組合 使用無級(jí)變速器和幕棘爪，齒輪箱48a還可以允許顛倒流動(dòng)方向。圖7 的工具也可以用于注入過程。現(xiàn)在看圖8，圖7的電磁閥122的備選裝置以附圖標(biāo)記122a表示。 馬達(dá)125用來驅(qū)動(dòng)其中帶有口 127的套管126使其與泥漿流路128對(duì)齊 或不與泥漿流路128對(duì)齊。泥漿的流動(dòng)路徑總體上由箭頭17b表示。盡管僅僅闡明了某些實(shí)施例，但對(duì)本領(lǐng)域技術(shù)人員來說，根據(jù)上面 的說明，各種替換方案和改變是顯而易見的，這些和其他替換方案被認(rèn) 為是本公開和所附權(quán)利要求的等價(jià)方案，處于本公開和所附權(quán)利要求的 精一申和范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種用于井下工具的流體泵系統(tǒng)，其與位于穿透地下地層的井孔中的管柱相連，所述系統(tǒng)包括泵，其由向下流過所述管柱的泥漿提供動(dòng)力，所述泵與所述地層和所述井孔中的至少一個(gè)流體連通；所述泵與控制器相連，所述控制器基于至少一個(gè)參數(shù)控制所述泵的速度，所述至少一個(gè)參數(shù)選自包括泥漿體積流量、工具溫度、地層壓力、流體流動(dòng)性、系統(tǒng)損失、機(jī)械載荷極限、井孔壓力、可用功率、電力負(fù)載極限及其組合的組。
2. 如權(quán)利要求1所述的流體泵系統(tǒng)，其特征在于，所述泵包括 容納第一活塞的第一泵室； 容納第二活塞的第二泵室；所述第一和第二活塞連接在一起； 所述第一和第二泵室與閥組流體連通；所述閥組與所述地層、所述井孔和至少 一個(gè)流體樣品室流體連通；所述活塞與馬達(dá)相連；和所述馬達(dá)與所述控制器相連。
3. 如權(quán)利要求2所述的流體泵系統(tǒng)，其特征在于，所述活塞與行星 滾柱絲杠相連，所述行星滾柱絲杠與變速器相連，所述變速器與所述馬 達(dá)相連。
4. 如權(quán)利要求1所述的流體泵系統(tǒng)，其特征在于，所述泵與變速器 相連，所述變速器與渦輪相連，所述渦輪與向下流過所述管柱的泥漿流 體連通。
5. 如權(quán)利要求4所述的流體泵系統(tǒng)，其特征在于，所述泵是莫瓦諾 型泵。
6. 如權(quán)利要求1所述的流體泵系統(tǒng)，其特征在于，與渦輪接合的所 述泥漿的流量由與所述控制器相連的節(jié)流閥控制。
7. 如權(quán)利要求1所述的流體泵系統(tǒng)，其特征在于，其還包括 設(shè)置在所述泵和閥的第 一 側(cè)之間的第 一 壓力傳感器； 設(shè)置在所述閥的第二側(cè)上的第二壓力傳感器，所述第一和第二傳感器與所述控制器相連，其中一旦由所述第一傳感器獲得的壓力基本上相 似于由所述第二傳感器獲得的壓力，所述控制器就打開所述閥。
8. —種用于井下工具的流體泵系統(tǒng)，其與位于穿透地下地層的井孔中的管柱相連，所述系統(tǒng)包括由向下流過所述管柱的泥漿提供動(dòng)力的渦輪；與所述渦輪操作地相連的變速器；與所述變速器操作地相連的泵；與所述渦輪和泥漿流中的 一 個(gè)相連以感知渦輪速度與泥漿流量中 的至少一個(gè)的第一傳感器；和控制器，其與所述變速器和所述傳感器通信地相連，其中，所述控制器基于所述渦輪速度和所述泥漿流量中的一個(gè)調(diào)節(jié)所述變速器。
9. 如權(quán)利要求8所述的流體泵系統(tǒng)，其特征在于，所述變速器包括 交流發(fā)電才幾，所述交流發(fā)電才幾與所述渦4侖和馬達(dá)才喿作地相連。
10. 如權(quán)利要求8所述的流體泵系統(tǒng)，其特征在于，所述變速器包 括設(shè)置在所述渦輪和所述泵之間的機(jī)械變速器。
11. 如權(quán)利要求IO所述的流體泵系統(tǒng)，其特征在于，所述機(jī)械變速 器包括操作地連接所述渦輪和所述泵的齒輪箱，所述齒輪箱包括多個(gè)能 改變傳動(dòng)比的齒輪。
12. 如權(quán)利要求IO所述的流體泵系統(tǒng)，其特征在于，所述機(jī)械變速 器是無級(jí)變速器。
13. 如權(quán)利要求8所述的流體泵系統(tǒng)，其特征在于，其還包括設(shè)置 在所述工具中并與所述控制器相連的第二傳感器，其中所述第二傳感器 測(cè)量系統(tǒng)參數(shù)。
14. 如權(quán)利要求8所述的流體泵系統(tǒng)，其特征在于，其還包括設(shè)置 在所述工具中并與所述控制器相連的第二傳感器，其中所述第二傳感器 測(cè)量地層參數(shù)。
15. 如權(quán)利要求9所述的流體泵系統(tǒng)，其特征在于，其還包括與所 述控制器相連的電流傳感器和電壓傳感器中的至少一個(gè)，所述傳感器設(shè) 置在所述交流發(fā)電機(jī)和所述馬達(dá)之間。
16. —種用于控制井下工具的泵的方法，所述方法包括 給所述工具提供用于控制泵的井下控制器；測(cè)量設(shè)置在井筒中的所述工具的至少 一個(gè)系統(tǒng)參數(shù)； 基于所述至少 一 個(gè)系統(tǒng)參數(shù)計(jì)算所述泵的泵運(yùn)行極限； 使所述泵運(yùn)行；和用所述控制器限制所述泵的泵運(yùn)行。
17. 如權(quán)利要求16所述的方法，其特征在于，其還包括測(cè)量至少一 個(gè)地層參數(shù)。
18. 如權(quán)利要求17所述的方法，其特征在于，其還包括基于所述地層參數(shù)獲得所希望的泵參數(shù)，其中使所述泵運(yùn)行包括基于所希望的泵參數(shù)使所述泵運(yùn)行。
19. 如權(quán)利要求16所述的方法，其特征在于，測(cè)量至少一個(gè)系統(tǒng)參 數(shù)包括測(cè)量選自包括渦輪角速度、功率需要量、馬達(dá)溫度、系統(tǒng)損失及 其組合的組的系統(tǒng)參數(shù)。
20. 如權(quán)利要求17所述的方法，其特征在于，測(cè)量至少一個(gè)地層參 數(shù)包括測(cè)量選自包括地層壓力，地層流體流動(dòng)性，地層滲透性及其組合 的組的地層參數(shù)。
21. 如權(quán)利要求16所述的方法，其特征在于，所述泵與馬達(dá)相連， 而所述系統(tǒng)參數(shù)包括所述馬達(dá)的溫度，且如果所述馬達(dá)的溫度超過一預(yù) 定值，則調(diào)節(jié)所述泵的運(yùn)行極限。
22. 如權(quán)利要求21所述的方法，其特征在于，調(diào)節(jié)所述泵的運(yùn)行極 限包括調(diào)節(jié)所述泵的速度。
23. 如權(quán)利要求16所述的方法，其特征在于，測(cè)量至少一個(gè)系統(tǒng)參 數(shù)包括測(cè)量與所述泵相連的渦輪的速度和流過管柱的泥漿流量中的至 少~"~個(gè)。
24. 如權(quán)利要求23所述的方法，其特征在于，計(jì)算泵運(yùn)行極限包括 計(jì)算所述渦輪的功率輸出。
25. —種操作用于井下工具的泵系統(tǒng)的方法，所述泵系統(tǒng)與位于穿 透地下地層的井孔中的管柱相連，所述方法包括用向下流過所述管柱的泥漿使設(shè)置在所述井筒中的渦輪旋轉(zhuǎn)； 獲得所述渦輪的功率輸出； 用所述渦輪的功率輸出使泵運(yùn)行； 測(cè)量所述渦輪的速度；和基于所述渦輪的速度，用設(shè)置在所述工具中的控制器調(diào)節(jié)設(shè)置在所 述渦輪與所述泵之間的變速器。
全文摘要
本發(fā)明提出一種用于地層測(cè)試的泵控制，以及井下地層流體抽吸和取樣裝置，其可以形成鉆井時(shí)的地層評(píng)估工具的一部分或工具管柱的一部分?；诟鶕?jù)地層壓力測(cè)試數(shù)據(jù)以及工具系統(tǒng)數(shù)據(jù)產(chǎn)生的參數(shù)使泵的運(yùn)行最優(yōu)化，從而在較高的速度下和以很大的可靠性確保泵的最佳性能。還披露了在MWD系統(tǒng)中使用的用于流體取樣裝置的新的泵設(shè)計(jì)。
文檔編號(hào)F04B15/02GK101210546SQ20071015275
公開日2008年7月2日 申請(qǐng)日期2007年9月20日 優(yōu)先權(quán)日2006年12月27日
發(fā)明者A·霍菲爾, J-M富里尼, M·J·斯圖克, P·斯文伯恩, R·西格勒尼克, S·G·維拉里爾 申請(qǐng)人:普拉德研究及開發(fā)股份有限公司