專利名稱：用于地下流體取樣的方法和裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及用于從地下地層采集流體樣品的裝置和方法。
背景技術：
對地下地層內包含的地下流體進行采集和取樣的技術是公知技術。例如，在石油勘探和開采工業中，采集并分析地層流體樣品的目的有很多，例如象用于確定地下烴流體油藏的存在、成分和生產率。這些勘探和開采方法對于研究鉆井策略來說是非常重要的，并且對財務支出和節約有著重要的影響。
為了進行有效的流體分析，從地下地層獲取的流體必須具有足夠的純度或者必須為原始流體，以能夠足夠地代表地層內包含的流體。正如在這里和本專利其他部分所使用的那樣，術語“原始流體”、“可接受的原始流體”及其各種變化稱呼是指一種地下流體，該流體是純凈的、清潔的、原始狀態的、未受污染的，或者就流體取樣和分析領域來說，該流體作為對于一個給定地層進行有效的烴取樣分析和/評價的代表流體而言是足夠的或可接受的。
在從地下地層獲取原始流體的過程中有很多困難。例如，就與石油相關的工業來說，進行流體取樣的井眼周圍的地層通常包含污染物，例如象鉆井眼時使用的泥漿溶液。當原始流體穿過井眼時這些材料經常污染原始流體，導致流體對于進行烴流體取樣和/或評價而言通常是不可接受的。這些流體被稱為“污染流體”。因為流體取樣要穿過井眼、泥餅、水泥和/或其他層，取樣時當流體從地層流動并進入到井下工具中時避免污染流體樣品是非常困難的。因此困難就在于使從地層抽取流體時對原始流體的污染最小化。
圖1描述了一個被一個井眼14穿過的地下地層16。一個泥餅層15位于井眼14的側壁17。由于鉆井時泥漿濾液侵入到地層內，井眼周圍是一個作為侵入區已知的19圓柱形層，該侵入區19包含污染流體20，該污染流體20可能或者可能沒有與原始流體混和。在井眼側壁和周圍污染流體外側，原始流體22位于地層16內。如圖1所示，污染傾向于靠近侵入區19的井壁處。
圖2表示當地層流體從地下地層16流動到一個井下工具1中時的典型地層流體流動方式。井下工具1靠近地層放置，一個探頭2從井下工具1穿過泥餅15進入到井眼14的側壁17內。探頭2與地層16形成流體連通，因此地層流體進入到井下工具1中。如圖1所示，侵入區19最初是包圍側壁17并且包含污染物的。當流體開始進入探頭2時，來自侵入區19的污染流體20隨著地層流體被吸入到探頭內，因此使得流體不再適合取樣。然而，如圖2所示，在一定量的流體穿過探頭2后，原始流體22穿過并開始進入探頭2。換句話說，流動到探頭2內的流體的較靠中央的部分讓位給原始流體，而流體的其余部分是來自侵入區的污染流體。仍然存在的困難是適應流體的流動以在取樣時原始流體被收集于井下工具中。
人們提出了各種方法和裝置用于獲取地下流體以進行取樣和評價。例如授權給Ciglenec以及其他人的美國專利6230557、授權給Jones的美國專利6223822、授權給Wilson的美國專利4416152、授權給Davis的美國專利3611799和國際專利申請公開WO96/30628已經開發了一些探頭和有關的方法來改進取樣。人們也開發出其他的用于在取樣時分離原始流體的技術。例如授權給Hrametz以及其他人的美國專利6310959公開了一種取樣探頭，該探頭具有兩個液壓管線，以從井眼的兩個區采集地層流體。井眼流體被與吸入到探頭區的流體互相隔離地吸入到一個保護區。盡管在取樣上有這些改進，還是需要開發流體取樣技術，以優化樣品的質量和取樣過程的效率。
在考慮現在的用于采集地下流體的取樣和評價技術時，還需要提供一些裝置和方法，它們具有下面的一種或者多種性質有選擇地去除污染流體而采集原始流體的能力，將原始流體與污染流體分離的能力，優化從取樣地層抽取的原始流體的數量和/或質量，根據取樣的需要調節流體流動的能力，手動和/或自動和/或實時控制取樣操作的能力。為此，本發明尋求優化取樣的方法。
發明內容
一方面，本發明涉及一種探頭，該探頭可以從一個井下工具伸展而定位在一個由一層污染流體包圍的井眼內。井眼穿過一個地下地層，該地下地層含有位于污染流體外側的原始流體。取樣探頭包括一個殼體和一個取樣入口。殼體可以與井壁的側壁接合。殼體還與地下地層形成流體連通，從而使得地下地層內的流體穿過殼體流動到井下工具內。取樣入口定位在所述的殼體內，不與井眼的側壁接合。取樣入口適合于接收流過殼體的至少一部分原始流體。
根據本發明的另一個方面，本發明涉及一種用于從地下地層抽取流體的井下工具，所述的地層被一個井眼穿過，而所述的井眼被一層污染流體包圍，所述的地下地層具有在該污染流體層外側的原始流體。井下工具包括一個由井下工具攜帶的探頭。探頭可以定位成與地層形成流體連通，從而來自地下地層的流體穿過殼體并進入到井下工具內。探頭內具有一個壁，該壁形成一個第一通道和一個第二通道。壁可調節地定位在探頭內，從而優化原始流體穿過第一通道并進入到井下工具內的流動。
根據本發明的另外一個方面，提供一種用于從地下地層抽取原始流體的井下工具，所述的地層被一個井眼穿過，而所述的井眼被污染流體包圍。井下工具包括一個探頭、第一流動管線和第二流動管線以及至少一個泵。探頭可以定位成與地層形成流體連通，探頭還具有一個壁，該壁形成一個第一通道和一個第二通道。壁可調節地定位在探頭內從而優化原始流體進入第一通道的流動。第一流動管線與第一通道形成流體連通。第二流動管線與第二通道形成流體連通。泵把流體從地層吸入到流動管線內。
根據本發明的另外一個方面，本發明涉及一種用于從地下地層取樣原始流體的方法，所述的地層被一個井眼穿過，而所述的井眼被污染流體包圍，所述的地下地層具有原始流體。所述的方法包括將一個井下工具定位在井眼內靠近地下地層的位置，井下工具具有一個適合于吸入流體的探頭；定位探頭從而與地層形成流體連通，所述的探頭具有一個壁，該壁形成第一通道和第二通道；穿過第一通道吸入至少一部分原始流體并進入到井下工具內；有選擇地調節探頭內的壁，從而優化原始流體到井下工具的流動。
根據本發明的另外一個方面，本發明涉及一種用于從地下地層取樣原始流體的方法，所述的地層被一個井眼穿過，而所述的井眼被污染流體包圍，所述的地下地層具有原始流體。所述的方法包括將一個井下工具定位在井眼內靠近地下地層的位置，井下工具具有一個適合于吸入流體的探頭；定位探頭從而與地層形成流體連通，所述的探頭具有一個壁，該壁形成第一通道和第二通道；吸入至少一部分原始流體而進入到探頭內的第一通道；以及有選擇地調節進入該通道的流體流，從而優化原始流體到探頭的流動。
根據本發明的另外一個方面，本發明涉及一種用于從地下地層抽取原始流體的井下工具，所述的地層被一個井眼穿過，而所述的井眼被污染流體包圍。所述的設備包括一個探頭、一個污染物監測器和一個控制器。探頭可以定位成與地層形成流體連通并適于使流體從地層流入井下工具內。探頭具有一個壁，該壁形成一個第一通道和一個第二通道。污染物監測器適合于測量至少一個通道內的流體參數。控制器適合于接收來自污染物監視器的數據并根據該數據發送命令信號，從而有選擇地調節探頭內的壁，以優化原始流體穿過第一通道并進入到井下工具內的流動。
根據本發明的另外一個方面，本發明涉及一種用于從地下地層抽取原始流體的井下工具，所述的地層被一個井眼穿過，而所述的井眼被污染流體包圍。井下工具包括一個探頭、第一流動管線和第二流動管線、至少一個泵、一個監測器和一個控制器。探頭可以定位成與地層形成流體連通，并適合于使得流體從地層流動到井下工具內。探頭具有一個壁，該壁形成一個第一通道和一個第二通道。第一流動管線與第一通道形成流體連通。第二流動管線與第二通道形成流體連通。泵從地層吸出流體。污染物監測器適合于測量在至少一個通道內的流體參數。控制器適合于接收來自污染物監視器的數據并根據該數據發送命令信號，從而有選擇地起動泵以將流體吸入流動管線內，以優化原始流體穿過第一通道并進入到井下工具內的流動。
根據本發明的另外一個方面，本發明涉及一種用于從地下地層取樣原始流體的方法，所述的地層被一個井眼穿過，而所述的井眼被污染流體包圍，所述的地下地層具有原始流體。所述的方法包括定位一個與地層形成流體連通的探頭，該探頭由井下工具攜帶并具有一個壁，該壁形成第一通道和第二通道；使得流體穿過探頭并進入到井下工具內；監測穿過探頭的流體的流體參數；根據流體參數有選擇地調節進入探頭內的流體的流動，從而優化原始流體穿過第一通道以及到井下工具的流動。
本發明涉及一種用于分離從地下地層中抽取的原始流體和污染流體的井下裝置。井下裝置包括一個流體取樣探頭和用于分離原始流體的機構。流體取樣探頭具有第一和第二通道，所述通道互相流體連通并與地下地層連通。所述的機構能夠分離從地下地層中抽取的原始流體和從地下地層中抽取的污染流體，從而使得原始流體和污染流體的分離發生在所述的流體取樣探頭內，并且使得污染流體通過所述的第一通道被抽取，原始流體通過所述的第二通道被抽取。
參照下面的描述和所附的權利要求書，本發明的其他方面和優點將會更加清楚。
結合附圖對本發明的優選的實施例進行詳細描述，這些附圖包括圖1是被一個內襯有一層泥餅的井眼穿過的一個地下地層的示意圖，描述了地下地層內的原始流體。
圖2是一個定位在井眼內的一個井下工具的示意圖，一個探頭伸入到地層，描述了污染流體和原始流體流動到井下取樣工具內。
圖3是一個具有一個流體取樣工具的井下纜繩工具的示意圖。
圖4是一個井下鉆井工具的示意圖，其具有圖3中的流體取樣裝置的另外一個實施例。
圖5是圖3中的流體取樣裝置的詳細視圖，描述了一個吸入段和一個流體流動段。
圖6A是圖5中的吸入段的詳細視圖，描述了流體流動到一個探頭中，該探頭的一個壁形成一個內部通道，所述的壁凹入到該探頭內。
圖6B是圖6A中的探頭的另外一個實施例，其具有一形成一個內部通道的壁，所述的壁與探頭齊平。
圖6C是圖6A中的探頭的另外一個實施例，其具有一個分級器，該分級器能夠減少內部通道的尺寸。
圖6D是圖6C中的探頭的橫截面圖。
圖6E是圖6A中的探頭的另外一個實施例，其具有一個分級器，該分級器能夠增加內部通道的尺寸。
圖6F是圖6E中的探頭的橫截面圖。
圖6G是圖6A中的探頭的另外一個實施例，其具有一個可以調節探頭內的內部通道的位置的樞轉器。
圖6H是圖6G中的探頭的橫截面圖。
圖6I是圖6A中的探頭的另外一個實施例，其具有一個可以調節探頭和/或內部通道的形狀的定形器。
圖6J是圖6I中的探頭的橫截面圖。
圖7A是圖6A中的探頭的一個示意圖，來自地層內的流體進入到探頭內，在內部流動通道和外部流動通道之間維持壓力和/或流量平衡，以使得流體基本上線形地流入到探頭內。
圖7B是圖7A中的探頭的一個示意圖，內部通道的流量大于外部通道的流量。
圖8A是井下工具和流體流動系統的另一個實施例的示意圖，該系統具有雙封隔器和壁。
圖8B是圖8A中的井下工具的一個示意圖，所述的壁對流體流動的變化作出響應而移動到一起。
圖8C是圖8A中的井下工具的流動段的示意圖。
圖9是圖5中的流體取樣裝置的示意圖，該裝置包括具有各自的泵的流動管線。
圖10是以給定容積進入到探頭內的流體的光學密度信號的曲線圖。
圖11A是圖10中的以給定容積取樣中發生偏移的光學密度信號的曲線圖。
圖11B是對應圖11A中光學密度的給定容積的流量比例的曲線圖。
具體實施例方式
本發明的最佳實施例在上述的各個附圖中示出并在下面進行詳細描述。在描述這些最佳實施例時，類似或者相同的附圖標記用于表示相同或者類似的部件。這些附圖不一定成比例，為清楚和簡潔起見，某些技術特征和附圖的某些視圖以放大的比例示出。
參考圖3，表示使用本發明的一個環境的例子。在所述的例子中，本發明由一個井下工具10所支持。作為例子的商用的工具10是Schlumberger公司的模式地層動態測試器(MDT)，該公司是本申請和后面描述的美國專利US4936139和US4860581的受讓人。
正如本領域的普通技術人員所公知的那樣，井下工具10可以伸展到井眼14內，通過一個常規的纜繩18或者導管或者常規的管件或者可卷曲的管件懸掛在鉆機5的下方。所述的工具10具有多個模塊和/或部件12，包括但不限于一個用于從地下地層16內獲取樣品的流體取樣裝置26。流體取樣裝置26具有一個探頭28，該探頭可以穿過泥餅15進入到井眼14的側壁17內用于進行取樣。這些樣品穿過探頭28進入到井下工具10內。
盡管圖3描述了根據本發明一個用于采集樣品的模塊纜繩取樣工具，本領域的普通技術人員應該能夠理解，這種系統可以用于任何井下工具。例如，圖4表示另外一個具有流體取樣系統26a的井下工具10a。在這個例子中，井下工具10a是一個鉆井工具，該工具包括一個鉆柱28和一個鉆頭30。井下鉆井工具10a可以是各種類型的鉆井工具，例如象隨鉆測量工具(MWD)、隨鉆測井工具(LWD)或者其他鉆井系統。圖3和4中的工具10和10a可以分別具有其他結構，例如象模塊式、一體化、纜繩式、可卷曲管件式、自發式、鉆井式或者其他類型的井下工具。
參考附圖5，更詳細地描述圖3中的流體取樣系統26。取樣系統26包括一個吸入段25和一個流動段27，用于有選擇地把流體吸入到井下工具所需的部分內。
吸入段25包括一個探頭28，該探頭安裝在一個可伸出的基部30上，基部30具有一個密封件31，例如象封隔器，用于與探頭28周圍的井壁17密封式配合。借助于一個伸展活塞33，吸入段25可以從井下工具10有選擇地擴展。探頭28具有一個內部通道32和一個外部通道34，兩個通道由壁36分隔開。壁36最好與探頭28同心。然而，探頭和對應的壁的幾何形狀可以是任何幾何形狀。另外，探頭內的一個或者多個壁36可以具有多種結構。
流動段27包括由一個或者多個泵35驅動的流動管線38和40。第一流動管線38與內部通道32流體連通，第二流動管線40與外部通道34流體連通。所描述的流動段可以包括一個或者多個流動控制裝置，例如象泵35和閥44、45、47和49，如圖5所示，用于有選擇地把流體吸入到流動段27的各個部分內。從地層抽取的流體穿過內部通道和外部通道，并進入到它們各個對應的流動管線中。
作為一種優選方式，污染流體從地層穿過外部通道34進入到流動管線40內，并排入到井眼14內。作為一種優選方式，來自地層的流體進入到內部通道32，穿過流動管線38，然后分流到一個或者多個樣品腔室42內或者排出到井眼內。一旦確定流入到流動管線38內的流體是原始流體，借助于手動和/或自動操作利用公知的控制技術啟動一個閥44和/或49，以將流體分流到樣品腔室內。
流體取樣系統26最好具有一個或者多個流體監測系統53，用于在流體進入到探頭28內時分析流體。流體監測系統53可以具有多個監測裝置，例如象光學流體分析裝置，這在下面還要進行詳細描述。
上面描述的流體取樣系統26的各種結構和部件以及流體取樣系統26的其他結構和部件的具體細節對本領域的普通技術人員來說是顯而易見的，并且也見于其他的專利和印刷公開物，例如本文所討論的那些文獻中。而且，井下流體取樣系統26的具體結構和部件可根據每一個具體的設計或用途、狀態因素的不同而不同。因此，系統26和本發明都不限于上述的結構和部件，可以包括任何合適的結構和部件。例如，各種流動管線、泵位置和閥的設置可以根據不同的結構而進行調整。類似地，井下工具10的結構和部件也可以根據每一個具體的設計或用途、狀態、因素的不同而不同。應用本發明的流體取樣系統26的工具10的上述的作為示例的部件和使用環境只是說明性的，并不是對本發明的限制。
繼續參考附圖5，描述流體進入井下工具10的流動方式。最初，如圖1所示，一個侵入區19包圍井壁17。原始流體22位于地層16內侵入區19的后方。在過程的某個時刻，當流體被從地層16抽吸到探頭28內時，原始流體穿過并進入探頭28，如圖5所示。當流體進入到探頭內時，在靠近內部通道32的侵入區19內的污染流體22最終被去除，并讓位給原始流體22。因此，只有原始流體22被吸入到內部通道32，而污染流體20流入到探頭28的外部通道34內。為了產生這種結果，可以改變流動方式、壓力或者探頭的尺寸以實現所需的流動通道，這在下面還要更完整地進行描述。
現在參考圖6A-6J，詳細描述了探頭28的各個實施例。在圖6A中，示出基部30支撐密封件31，而密封件與井壁17密封接合。探頭28最好伸出超過密封件31而穿過泥餅15。探頭28與地層16之間構成流體連通。
壁36最好凹入探頭28內一定距離。在這種結構中，沿著地層壁的壓力在內部通道和外部通道中自動平衡。探頭28和壁36最好是同心圓，但是根據應用或者操作的需要也可以具有其他幾何形狀。不同的結構還可以包括附加的壁、通道和/或流動管線，以進一步優化取樣操作。
壁36最好是可以調節的，以優化原始流體到探頭的流動。由于變化流動條件，需要調節壁36的位置從而以最大效率采集最大數量的原始流體。例如，壁36可以相對于探頭28移動或者調節到不同深度。如圖6B所示，壁36可以與探頭齊平。在這種結構中，沿著地層的內部通道中的壓力可能不同于沿著地層的外部通道中的壓力。
參考圖6C-6H，壁36最好能夠改變內部通道32的尺寸和/或方向。如圖6C到6F所示，壁36的全部或者部分的直徑最好可以進行調節，以與來自侵入區19的污染流體20和/或來自地層16的原始流體20到探頭28的流動對齊。壁36可以具有一個接口41和導向件40，其適合于允許改變內部通道的大小和/或尺寸。接口41可有選擇地沿著壁36在一個膨脹和一個收縮位置之間移動。在圖6C和圖6D中，與原始流體22的較窄的流動對應，導向件40包圍接口41并將接口41保持在收縮位置，以減少內部通道的尺寸。在圖6E和6F中，與原始流體22的較寬的流動對應，導向件41回縮，因此接口41膨脹以增加內部通道的尺寸。
圖6C-6F中描述的接口可以是一個折疊的金屬彈簧、一個圓柱形的波紋管、一個金屬強化的彈性件、一個密封件或者能夠按照需要有選擇地膨脹或者伸展壁的裝置。人們能夠預見其他的能夠膨脹壁36的橫截面積的裝置。例如，也可以使用一個一端被釘住的可膨脹的彈簧缸體。
如圖6G和6H所示，探頭28可以具有一個壁36a，它具有一個第一部分42、一個第二部分43和位于這兩個部分之間的密封軸承45，以允許有選擇地在探頭內調節壁36a的定向。第二部分43可以根據需要在探頭28內移動，以與原始流體20的流動實現最優對齊。
此外，如圖6I和6J所示，也可提供一個或者多個定形器44以使得探頭28和/或壁36變形為所需的形狀。定形器44具有兩個以上的指形件50，適合于把力施加到探頭28和/或壁36的各個位置以產生變形。當探頭40和/或壁36伸長時，如圖6E所示，定形器44可以伸出接口41的至少一部分，以有選擇地把該接口41變形為所需的形狀。根據需要，定形器可以把壓力施加到探頭和/或壁周圍的各個位置以產生所需的形狀。
分級器、樞轉器和/或定形器可以是任何能夠按照這里所述可選擇地移動壁36的電子機構。一個或者多個裝置可以被用于執行一個或者多個調節。這些裝置可以包括一個可選擇的可控滑動接箍、一個褶皺管、或圓柱形波紋管或者彈簧、一個具有內嵌彈簧偏壓金屬指形件的彈性圈、一個張開的彈性管、一個彈簧缸體和/或具有合適功能的任何合適構件，并可以用操作提供任何所需的變化。
這些和其它的調節裝置可以被用于改變通道以進行流體流動。因此，通過結合上述調節結構中的一個或者多個可以產生各種各樣的結構。
現在參考圖7A和圖7B，詳細描述流動特性。探頭28的各種流動特性可進行調節。例如，如圖7A所示，探頭28可以被設計為允許原始流體22流入到內部通道32，污染流體20流入到外部通道34的流動分離。例如，希望這樣有助于減少在可以接受的原始流體流入到內部通道32之前所需的取樣時間，和/或優化或者增加流入到內部通道32的原始流體的量，或者其它情形。
當污染流體20和/或原始流體22的量隨著時間推移而變化時，可以調節內部通道32和外部通道34的流體流量的比例以優化或者增加吸入到內部通道32內的原始流體的容積。根據井眼和/或地層條件，流入到探頭內的原始流體的區域的直徑d增加或者降低。在直徑d增加的情況下，需要增加流入到內部通道的流體量。這可以通過如前所述改變壁36來實現。各個通道的流量可以交替地或同時的被改變以進一步增加原始流體進入到內部通道的流動。
流入探頭28的通道32和34的相對流量可以用流量比Q1/Q2表示。進入內部通道32的流量用Q1表示，而進入外部通道34的流量用Q2表示。內部通道32內的流量Q1可以有選擇地增加并且/或者外部通道34內的流量Q2可以降低，以允許更多的流體被吸入到內部通道32內。作為另外一種方式，內部通道32內的流量Q1可以有選擇地降低并且/或者外部通道34內的流量Q2可以增加，以允許較少的流體被吸入到內部通道32內。
如圖7A所示，Q1和Q2表示穿過探頭28的流體的流動。進入內部通道32的流體的流動可以通過增加或者降低內部通道32和/或外部通道34內的流量來改變。例如，如圖7B所示，通過增加穿過內部通道32的流量Q1和/或降低穿過外部通道34的流量Q2，可增加進入到內部通道32的流體的流動。如圖中的箭頭所示，比值Q1/Q2的變化使得更大數量的流體流入內部通道32，因此增加了吸入到井下工具中的原始流體的量(圖5)。
在通道32和34內的流量可以按照任何所需方式和借助于任何合適的部件有選擇地進行控制。例如，一個或者多個流動控制裝置35與每一個流動管線38和40流體連通，并且可以啟動以調節進入各個通道的流體的流動(圖5)。根據需要，這個例子中的流動控制裝置35和閥45、47和49可以實時啟動以在生產和取樣過程中改變內部通道32和外部通道34內的流量。
可以改變流量以影響流體的流動和優化原始流體到井下工具的吸入量。可以使用各種裝置來測量和調節流量以優化進入井下工具的流體的流動。最初，當污染流體量高時可能需要增加進入到外部通道的流動，然后一旦進入探頭的原始流體的量增加時就需要調節流量以增加進入到內部通道32的流體流量。通過這種方式，可以控制流體取樣以增加取樣過程的效率和樣品的質量。
參考圖8A和圖8B，描述使用一個流體取樣系統2 6b的本發明的另外一個實施例。可卷曲管件58上的一個井下工具10b被伸展到井眼14內。雙封隔器60從井下工具10b伸出與井眼14的側壁17密封接合。井眼14襯有泥餅15并被一個侵入區19包圍。一對圓柱形壁或者環36b最好定位在用于與井眼14的其它部分隔離的雙封隔器60之間。雙封隔器60可以是任何能夠密封探頭使其不暴露在井眼內的裝置，例如象封隔器或者任何其它合適的裝置。
壁36b能夠使從地層16抽取的流體分離地進入到至少兩個流動通道32b和34b中。工具10b包括一個主體64，該主體64具有至少一個流體入口68，該入口與雙封隔器60之間的井眼流體連通。壁36b繞主體64定位。如圖中的箭頭所示，壁36b可以沿著工具軸向移動。位于壁36之間的入口最好獲取原始流體22，而在壁36b外側的入口最好吸入污染流體20。
壁36b根據需要進行調節以優化取樣過程。壁36b的形狀和方向可以有選擇地變化以改變取樣區。壁36b和井眼壁17之間的距離可以通過例如有選擇地從主體64伸出和回縮壁36b而改變。壁36b可沿主體64就位。根據地層的流體特性，壁沿著主體64的位置可以向著互相分開的方向移動以增加吸入原始流體的入口68的數量或者向著互相靠近的方向移動以減少吸入原始流體的入口68的數量。壁36b也可以以沿工具10b和/或者井眼14的一部分的一個給定的位置點為中心，以使得某些入口68與進入到雙封隔器60之間的井眼14的原始流體22的流動對齊。
壁沿著主體的移動位置可以或者也可以不導致壁經過入口。在某些實施例中，入口可以位于主體的特定區域。在這種情況下，壁沿著主體的移動可以改變雙封隔器之間給定區域內的流動方向，而不必經過某些入口。壁36b之間的取樣區域的尺寸可以在任何數個所需的位置之間或者任何所需的范圍內和使用任何合適的構件或者技術有選擇地調節。
有選擇地將流體吸入到井下工具內的流動控制系統27b的一個例子描述在圖8C中。一個流體流動管線70從每一個入口68伸到井下工具10b，并且具有一個對應的閥72，用于有選擇地分離流體，使之進入一個樣品腔室74或者進入雙封隔器60外側的井眼內。可以使用一個或者多個泵35與閥72配合，從而以不同速度有選擇地吸入流體，以控制流體到井下工具的流動。污染流體最好重新排放到井眼內。然而，在已經確定原始流體正在進入給定的入口的情況下，一個與該入口對應的閥72可以啟動以將原始流體輸送到樣品腔室74內。可以使用各種測量裝置例如象OFA59來分析評價吸入到工具內的流體。在使用多個入口的情況下，可以啟動具體的入口以增加最靠近原始流體中央流動處的流量，而較靠近污染流體區域的入口則降低以有效地控制進入井下工具的用于取樣的原始流體的最高濃度。
圖3～6J中任何一個所述的一個或者多個探頭28也可以與圖8A或者圖8B中的探頭28b組合使用。
參考圖9，表示圖5中的流體取樣系統26的另外一個視圖。在圖9中，流動管線38和40每一個都具有一個泵35，用于有選擇地將流體吸入到探頭28的內部通道32和外部通道34內。
在圖9中更詳細地描述了圖5中的流體監測系統53。流動管線38和40每一個穿過流體監測系統53，用于進行分析。流體監測系統53具有一個用于測量流動管線40內的光學密度的光學流體分析儀72和一個用于測量流動管線38內的光學密度的光學流體分析儀74。光學流體分析儀可以是一個裝置，例如象授權給Felling等人的美國專利US6178815和授權給Safinya等人的美國專利US4994671中所描述的那種類型。
盡管圖9中描述的的流體監測系統53具有一個用于監測流體的光學流體分析儀，應該能夠理解，也可以使用其他的流體監測裝置例如象監測規、監測計、傳感器和/或其他結合進行評價的測量裝置或者設備，來確定流體的各種性質，例如象溫度、壓力、組分、污染度和/或其他的本領域普通技術人員公知的參數。
最好提供一個控制器76來接收光學流體分析儀的信息并根據該信息發送信號以改變流體向探頭28的內部通道32和/或外部通道34的流動。如圖9所示，控制器是流體監測系統53的一部分；然而，本領域的普通技術人員應該能夠理解，控制器可以位于井下工具的任何其他部分和/或地面系統中，用于操作井眼系統內的各個構件。
控制器能夠執行整個井眼系統的各種操作。例如，控制器可以啟動井下工具中的各個裝置，例如象有選擇地啟動分級器、樞轉器、定形和/或其他探頭裝置，用于改變進入探頭的內部和/或外部通道32、34內的流體的流動。控制器可以用于有選擇地啟動泵35和/或閥44、45、47、49以控制進入通道32、34的流量，可以用于有選擇地啟動泵35和/或閥44、45、47、49以將流體吸入到樣品腔室和/或將流體排出到井眼內，可以用于收集數據和/或發送數據，用于分析仰孔和其他功能以協助取樣過程作業。控制器也可以用于控制流體從地層的抽取、提供用于污染監測模型的精確污染參數值、當抽取的流體是足以進行取樣的原始流體時增加確定可靠性、能夠收集用于取樣的改善質量的流體、減少實現上述任何功能或者這些功能的結合所需的時間。然而，污染監測標度功能可以用于任何其他合適的目的。而且，污染監測標度功能的使用或者使用的原因不限于本發明。
由圖9中的光學流體分析儀72和74產生的光學密度(OD)信號的示例如圖10所示。圖10表示當流體進入到探頭的內部通道和外部通道時OD和流體的整個體積V之間的關系。穿過內部通道32的流體的OD由線80表示。穿過外部通道34的流體的OD由線82表示。由線80和82表示的結果信號可以用于標定以后的測量結果。
一開始，進入通道的流體流的OD為ODmf。ODmf表示靠近圖1所示的井眼的污染流體的OD。一旦進入內部通道的流體的體積達到V1，原始流體開始進入。進入到通道內的流體的OD隨著進入到通道內的原始流體的體積的增加而增加。當原始流體進入到內部通道32內時，進入到內部通道32的流體的OD繼續增加直到到達一個在V2處由ODvf表示的第二高峰為止。盡管原始流體也進入外部通道34，但大部分是污染流體也繼續進入外部通道。因此，外部通道內用線82表示的流體的OD增加，但是由于污染物的存在而通常不會到達ODvf。原始流體的突破和進入內部通道和外部通道的流體的流動已經參照圖2進行了描述。
內部通道32內的OD的顯著信號可以用于標定監測系統或者其裝置。例如，可以確定參數ODvf，該參數具有原始流體的光學密度特性。這個參數可以作為污染物監測的參考值。流體監測系統產生的數據然后被用于分析目的，并且作為取樣過程決策的基礎。
通過監測相對于曲線80而在流體監測系統53的各個光學通道上產生的色調，可以確定哪個(些)光學通道提供光學密度ODmf和ODvf的優化對比讀數。可以選擇這些光學通道用于污染物監測目的。
圖11A和11B描述了進入探頭的流體的OD和流量之間的關系。圖11A表示圖10中的OD信號已經在取樣過程中進行了調節。如圖10所示，線82表示進入內部通道32的流體的OD的信號，并且82表示進入外部通道34的流體的OD信號。然而，圖11A還描述了在取樣過程中體積分別為V3、V4和V5時OD的發展過程。
圖11B表示進入探頭的流體的流量比值Q1/Q2與體積之間的關系。如圖7A所示，Q1涉及進入探頭28的內部通道32的流體流量，Q2涉及進入探頭28的外部通道34的流體流量。正如用數學方式由圖11B中的線84所描述的那樣，流量比值Q1/Q2最初位于給定的水平值(Q1/Q2)i，該值與圖7A中的流量比值對應。然而，比值Q1/Q2然后可逐漸增加，如圖7B所示，因此使Q1/Q2增加。流量比值的這種逐漸增加以數學方式表示為線84增加到給定體積例如V4處的水平(Q1/Q2)n。如圖11B中所述的那樣，該比值可以進一步增加到V5。
當流量比值增加時，線80代表的內部通道32的對應的OD變換到斜線81，而線82表示的外部通道34的OD變換到斜線83和85。從體積V1到V5，圖11B中所示的流量比值的變化與圖11A中所示的OD的變化對應。在V3處流量比值的增加(圖11B)，把流入外部通道的流體的OD從其預期的路線82變化到斜線83(圖11B)。在V4處由線84所表示的流量比值的進一步增加(圖11A)導致線80的OD從其參考水平值ODvf變化到斜線81(圖11B)。線81的OD在V4處的傾斜導致線80的OD在V5點返回到其參考水平值Ofvf，而斜線83的OD進一步沿著斜線85下降。還可以進一步調節OD和/或流量比值以改變取樣過程中的流動特性。
而且應該能夠理解，上述的方法和技術的論述和各個例子不必包括上述的所有細節和特點。另外，上述的方法以及任何可能落入所附的權利要求書范圍內的方法都不需要按照任何具體的順序進行。再其次，本發明的方法不需要使用本說明書所示出和描述的具體的實施例，例如圖5中的示例性探頭28，本發明同樣可以應用于任何其他的合適的結構、形式或者構件構造。
因此，本發明的優選的實施例適合于實現本發明的一個或者多個目標。而且，本發明的方法和設備提供了現有技術所沒有的優點和其他的性能、功能、方法、用途和應用，這些并沒有在這里進行具體描述，但是參照本說明書、附圖和權利要求書它們是顯而易見的。
盡管已經演示和描述了本發明的優選的實施例，本發明的裝置和方法可以有多種變化、改進和/或改變，例如象構件中的、構造的細節和操作、部件的設置和/或使用的方法；它們被本發明的申請人想到并在所附的權利要求書的范圍之內；它們可以由本領域的普通技術人員來實現和使用而不偏離本發明的精神或者教導以及所附的權利要求書的范圍。因為許多可能的實施例可以由本發明來構成而不偏離本發明的范圍，應該能夠理解，這里所述的以及附圖中所演示的內容都應該解釋為是說明性的而不是限制性的。因此，本發明的范圍和所附的權利要求書不限于本文所述的和所演示的實施例。
應該能夠理解，在根據本專利說明書對任何設備、系統或者采取任何行動之前，應該就所有合適的規則、安全性、技術、工業或者其他的要求、指南和安全步驟進行咨詢并符合這些內容，需要一個合格稱職的在相關領域有經驗的人員的協助。在制造、處理、組裝、使用和拆卸根據本專利說明書使用或者制造的任何裝置或者系統時必須謹慎。
權利要求
1.一種井下工具，其可以定位在一個由一層污染流體包圍的井眼內，所述的井眼穿過一個地下地層，在該地下地層內具有位于該層污染流體外側的原始流體，所述的井下工具包括一個探頭，其可以與井眼的側壁接合，所述的探頭與地下地層形成流體連通，從而來自地下地層的流體可以穿過探頭進入到井下工具內；以及一個取樣入口，其位于所述的探頭內并且不與井眼的側壁接合，取樣入口適合接收流過探頭的至少一部分原始流體。
2.如權利要求1所述的井下工具，還包括一個與所述的入口進行流體連通的第一流動管線和與所述的探頭進行流體連通的第二流動管線，每一個管線連接到一個泵，用于把流體吸入到井下工具內。
3.如權利要求2或者18所述的井下工具，其中，所述流動管線適合于使得來自探頭的至少一部分流體進入到井眼內。
4.如權利要求2或者18所述的井下工具，還包括至少一個閥和至少一個對應的樣品腔室，所述的樣品腔室連接到第一流動管線，用于有選擇地將來自第一流動管線的至少一部分原始流體轉移到至少一個樣品腔室。
5.如權利要求2或者18所述的井下工具，其中，每一個流動管線連接到相同的泵上。
6.如權利要求2或者18所述的井下工具，其中，每一個流動管線連接到一個獨立的泵上。
7.如權利要求1所述的井下工具，還包括一個適合于測量進入到探頭內的流體的流體參數的流體監測器。
8.如權利要求7所述的井下工具，其中，所述的流體監測器是一個能夠測量流體的光學密度的光學流體分析儀。
9.如權利要求7所述的井下工具，還包括一個適合于接收來自流體監測器的數據并根據該數據發送命令信號的控制器。
10.如權利要求9所述的井下工具，其中，所述的控制器能夠響應流體參數而發送用于有選擇地調節所述的入口的命令信號。
11.如權利要求1所述的井下工具，其中，所述的入口具有一個適合于有選擇地定位探頭內的入口的樞轉器。
12.如權利要求1所述的井下工具，其中，所述的入口具有一個適合于調節由所述的入口限定的橫截面積的尺寸的分級器。
13.如權利要求1所述的井下工具，其中，所述的入口具有一個適用于調節由所述的入口限定的橫截面積的形狀的定形器。
14.如權利要求9或者10所述的井下工具，其中，所述的控制器能夠發送命令信號，用于響應流體參數有選擇地調節進入所述的入口的流體的流動。
15.如權利要求1所述的井下工具，其中，所述的探頭是一個管狀件，而所述的入口是一個管狀件。
16.如權利要求1所述的井下工具，其中，所述的探頭包括至少兩個被所述的井下工具攜帶的封隔器，所述的封隔器能夠與井眼的側壁密封接合，從而把封隔器之間的井眼內的一個隔離部分與井眼的其余部分隔離開來，其中，多個取樣入口沿兩個封隔器之間的井下工具安置。
17.如權利要求16所述的井下工具，還包括至少兩個壁，所述壁可以從所述的井下工具徑向伸出，并且可以沿著工具移動，從而使得流動到井眼的隔離部分內的原始流體有選擇地被吸入到位于兩個壁之間的多個入口內。
18.如權利要求17所述的井下工具，還包括一個與兩個壁之間的入口流體連通的第一流動管線和與兩個壁外側的入口流體連通的第二流動管線，每一個流動管線連接到一個泵，用于把流體吸入到井下工具內。
19.一種從地下地層對原始流體取樣的方法，所述的地層被一個井眼穿過，所述井眼被污染流體包圍，在所述地下地層內具有原始流體，所述的方法包括將一個井下工具定位在井眼內靠近地下地層的位置，該井下工具具有一個適合于吸入流體的探頭；定位所述的探頭以與地層形成流體連通，所述的探頭具有至少一個取樣入口，所述的取樣入口不與井眼的側壁接合；通過至少一個入口吸入至少一部分原始流體；以及有選擇地調節流體向所述至少一個入口的流動，從而優化原始流體向井下工具的流動。
20.如權利要求19所述的方法，還包括通過一個第一流動管線吸入原始流體和通過一個第二流動管線吸入污染流體，該第一流動管線可操作地與至少一個取樣入口相連，該第二流動管線可操作地與探頭相連。
21.如權利要求20所述的方法，還包括監測通過流動管線的流體參數的步驟。
22.如權利要求21所述的方法，還包括根據所述的參數確定流動管線的最優流動的步驟。
23.如權利要求20所述的方法，還包括將至少一個壁定位到探頭內的步驟，從而使得原始流體被引向所述至少一個取樣入口。
24.如權利要求21或者22所述的方法，還包括響應流體參數發送用于執行井眼功能的命令信號的步驟。
全文摘要
本發明公開了一種用于從地下地層抽取流體的裝置和方法。一個井下取樣工具具有一個探頭，所述的探頭具有一個可以有選擇地把原始流體分流到一個或者多個流動通道用于取樣的內壁，而同時把污染流體分流到一個或者多個污染流動通道以排除掉。使用例如象光學密度技術還可以測量穿過探頭的通道的流體的性質，以評價各種流體參數例如象污染水平。取樣時產生的數據可被發送給一個能夠產生數據、通訊和/或發送命令信號的控制器。通過調節探頭中的內壁和/或調節穿過通道的流體流量，流體到井下工具的流動可以被有選擇地調節以優化流體到通道的流動。內壁的形狀和/或流量可以由控制器自動調節和/或手動進行調節，以進一步優化流體的流動。
文檔編號E21B49/08GK1469028SQ0314805
公開日2004年1月21日 申請日期2003年6月27日 優先權日2002年6月28日
發明者B·M·希爾, A·扎佐夫斯基, B M 希爾, 舴蛩夠 申請人:施盧默格海外有限公司