基于u形管技術的地下流體分層取樣裝置與方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及地下流體取樣領域，具體涉及基于U形管技術的地下流體分層取樣裝置，還具體涉及基于U形管技術的地下流體分層取樣方法，及實現不同地層深度地下流體分層取樣的系列裝置。
【背景技術】
[0002]地下流體是關系到地球演化和地表生物生存的重要因素。地下流體取樣，通過同位素追蹤、地層殘余氣分析、化學成分測試、微生物群落特征等分析方法能連續提供大量關于地層的物理、化學和微生物信息，是對工程開展和環境安全評估有重要指導意義的監測手段之一。
[0003]要對地下流體進行分析，首先要獲得地下流體樣品。根據工作原理分類，國內外開發的各式各樣地下流體取樣技術主要分為三種:下井式定深取樣-Wireline fluidsamplers、栗式多級監測取樣-Pumps samplers和氣體推動式取樣技術-Gas-operatedsamplers。由于下井式定深取樣技術不能進行連續取樣；栗式多級監測井取樣技術對地層流體擾動過大，且不能很好適應野外場地(如無220V交流電源)。因此，結合工程實際的需求，有必要開發氣體推動式地下流體取樣的系列裝置。
[0004]氣體推動式地下流體取樣目前的主流技術為U形管取樣技術-the U-tubesampling technology。該技術部分源于早期的多孔杯取樣器-Porous ceramic cupsamplers (Wagner, 1962)，也稱吸入式取樣器-Suct1n lysimeter (Patrick，1970)，用于淺部地層土壤中的流體取樣。Wood于1973改進該取樣方法，首次引入核心元件一單向閥，將當時的取樣技術應用深度從地下10m (受限于真空栗的吸力，1個大氣壓或10m水柱)擴展到理論上的任何深度。2004年美國勞倫斯伯克利實驗室的Barry Freifeld首次成功開發了能實際應用于深部流體取樣的U形管技術(美國發明專利“Device useful as aborehole fluid sampler”)包括美國Fr1咸水層C02封存示范工程(深度為1513.9m，單層取樣)、澳大利亞C02CRC的Otway枯竭油氣田C02封存示范工程(取樣最大深度為2046.9m，
3層取樣)、加拿大Nunuvut的塊狀硫化物礦床監測工程(深度350m)和美國Nevada地區Amargosa山谷(深度400m，4層取樣)其中Otway場地取樣最大深度達2046.9m。
[0005]U形管技術作為新型地下流體取樣技術近幾年在國內取得較大進展。2007-2010年中國科學院武漢巖土力學研究所李小春團隊在內蒙古通遼現場開展自主性co2注入和U形管地下流體取樣的場地測試，應用深度280m。2013年中國地質調查局的潘德元、李小杰等在河南臨潁縣開展深井U形管井下取樣測試，分三個遞進階段進行單次循環取樣試驗，取樣深度分別為270m、370m和500m。2014年中國科學院武漢巖土力學研究所李小春團隊開發了應用于淺部地層的U形管取樣設備，全球首次采用全塑料材質，成本極具競爭力，經湖北武漢佛祖嶺現場3 口深10m的井測試示范成功，已在山東東營的勝利油田C02-E0R工程、內蒙古鄂爾多斯的神華CCUS示范工程(3層取樣，井深21m)、吉林省松原市的吉林油田等多處實證。
[0006]團隊在原有技術的基礎上，進一步技術研發和產品創新，開發了地下流體分層取樣的系列技術，對應取樣深度-20m級、-200m級、-2000m級的不同地層條件和性能要求，在地下流體取樣領域的競爭性優勢顯著擴大。
【發明內容】
[0007]本發明的目的是在于針對現有技術存在的上述問題，提供基于U形管技術的地下流體分層取樣裝置，還提供基于U形管技術的地下流體分層取樣方法。
[0008]基于U形管技術的地下流體分層取樣裝置設計新穎，克服了若干技術難點，較原技術產品在工作性能、適用范圍、經濟可行性、系統穩定性等方面有較大幅度提升，具有良好的競爭力、應用前景和商業價值。
[0009]基于U形管技術的地下流體分層取樣裝置包括地下流體進樣子系統、封隔器子系統、鏈接子系統、地面取樣子系統和土壤氣取樣子系統五個功能模塊。
[0010]基于U形管技術的地下流體分層取樣裝置，包括地下流體進樣子系統，地下流體進樣子系統包括驅動管、出樣管、儲流容器、液相單向閥和濾芯，驅動管一端延伸出地面并依次通過球閥、減壓閥與壓力源連接，驅動管另一端延伸至指定地層深度的被取樣地下流體的上方且與儲流容器一端連接，驅動管延伸至指定地層深度的被取樣地下流體的上方的部分為U型部，U型部通過液相單向閥與濾芯連接進而與被取樣地下流體導通，儲流容器另一端與出樣管一端連接，出樣管另一端延伸出地面并通過球閥與取樣瓶連接。
[0011]基于U形管技術的地下流體分層取樣裝置，還包括土壤氣取樣子系統，土壤氣取樣子系統包括設置在設定位置的氣相單向閥，氣相單向閥依次通過氣動球閥、氣體取樣袋與手動栗接。
[0012]基于U形管技術的地下流體分層取樣裝置，還包括封隔器子系統，封隔器子系統包括用于封隔各個指定地層深度的被取樣地下流體的封隔器裝置，封隔器裝置包括分別設置在指定地層深度的被取樣地下流體上方和下方的上方封隔器和下方封隔器，濾芯設置在上方封隔器和下方封隔器之間，最底層的封隔器裝置的下方封隔器的下部為圓錐形。
[0013]基于U形管技術的地下流體分層取樣裝置，還包括鏈接子系統，鏈接子系統包括用于連接上方封隔器與下方封隔器的鏈接管，上方封隔器與下方封隔器之間的鏈接管內設置濾芯且鏈接管的管壁開設有進水孔，鏈接子系統還包括用于連接上方封隔器與上一層的下方封隔器的鏈接管。
[0014]基于U形管技術的地下流體分層取樣裝置，還包括封隔器子系統，封隔器子系統包括用于封隔各個指定地層深度的被取樣地下流體的封隔器裝置，封隔器裝置包括分別設置在指定地層深度的被取樣地下流體上方和下方的上方噴漿堵頭和下方噴漿堵頭，上方噴漿堵頭和下方噴漿堵頭的側部均設置有注漿孔，上方噴漿堵頭和下方噴漿堵頭上的注漿孔均與注漿管連通，注漿管通過自力式分段壓力控制閥與注漿中繼容器連接，最下層的封隔器裝置的下方噴漿堵頭的下方連接有錐形頭。
[0015]如上所述的上方噴漿堵頭和下方噴漿堵頭上分別開設有周向槽，注漿孔開設在周向槽的槽壁，方噴漿堵頭的周向槽和下方噴漿堵頭的周向槽內分別設置有導液海綿。
[0016]基于U形管技術的地下流體分層取樣裝置，還包括鏈接子系統，鏈接子系統包括用于連接上方噴漿堵頭和下方噴漿堵頭的空心連接管，上方噴漿堵頭和下方噴漿堵頭之間的空心連接管內設置濾芯且空心連接管的孔壁開設有進水孔，鏈接子系統還包括用于連接上方噴漿堵頭和上一層的下方噴漿堵頭的實心連接桿。
[0017]如上所述的出樣管延伸出地面的一端通過球閥、多相流取樣高壓容器、高壓背壓閥、汽水分離器與取樣瓶連接，取樣瓶包括氣體取樣容器和液體取樣容器。
[0018]基于U形管技術的地下流體分層取樣裝置，還包括封隔器子系統和鏈接子系統，封隔器子系統包括用于封隔各個指定地層深度的被取樣地下流體的封隔器裝置，封隔器裝置包括分別設置在指定地層深度的被取樣地下流體上方和下方的上方液壓封隔器和下方液壓封隔器，濾芯設置在上方液壓封隔器和下方液壓封隔器之間；
鏈接子系統包括用于連接上方液壓封隔器和上一層的下方液壓封隔器的套管；鏈接子系統還包括連接在上方液壓封隔器和下方液壓封隔器之間的進水多孔器，進水多孔器內設置濾芯且進水多孔器的周壁開設有多個進水小孔。
[0019]其工作原理為:井下地層流體在濾芯的過濾作用下通過單向閥進入地下流體進樣子系統的儲流容器。地面取樣子系統中通過壓縮氮氣驅替井頭U形管中的“驅動管”，將儲流容器中的地下流體從U形管另一端的“出樣管”驅替出，并流入取樣瓶，從而實現地下流體取樣。封隔器子系統在井下對不同深度的含水層進行封隔密封，避免一井多層取樣時的層間串水影響。鏈接子系統起鏈接作用。土壤氣取樣子系統通過手動栗在地面抽取位于地下水位線以上的土壤氣樣品進入氣囊，完成取氣功能。
[0020]基于U形管技術的地下流體分層取樣裝置，針對應用地層深度的不同選取合適的技術組合:
1)針對淺層地層20m級，其應用總體深度推薦為0-30m，其技術方案為U形管地下流體進樣子系統、剛性的鏈接子系統(PVC-U排水管)、氮氣瓶(8L );
2)針對中層地層200m級，其應用總體深度推薦為20-200m，其技術方案為U形管地下流體進樣子系統、柔性的鏈接子系統(鋼纜繩)、化學注漿式封隔器子系統、氮氣瓶(20L)等;
3)針對深層地層2000m級，理論上應用總體深度不限，實際應用受限于適應地層溫度、壓力、腐蝕條件的材料和配套元件，其技術方案為U形管地下流體進樣子系統、剛性的鏈接子系統(標準油管)、液壓式封隔器子系統、壓縮氣罐等。其中地面取樣子系統更復雜和完備，超過地下200m深的工程因所處的溫度壓力條件不能沿用上述20m級、200m級的全塑料材質，而需要采用不銹鋼材質，對于腐蝕環境需要316L、超級十三鉻甚至哈氏合金。
[0021]所述的地下流體進樣子系統，其功能在于井下收集儲存地下流體。其單向閥是市場上購置的隔膜式、彈簧式、傘式單向閥產品；其濾芯是自行加工的定制件，35微米或更小；其中淺層、中層地層時壓力源可采用氮氣瓶，過程控制性閥門可選用塑料材質的氣動手閥；深層地層時壓力源可采用壓縮氣罐，過程控制性閥門可采用316L材質的高壓球閥和背壓閥。
[0022]所述的封隔器子系統，其功能在于封隔指定深度的地層流體，防止層間串水，淺層、中層地層可以采用化學注漿式封隔器；深層地層時，選擇液壓式封隔器。
[0023]所述的鏈接子系統，其功能在于鏈接固定不同深度的封隔器子系統和地下流體進樣子系統，根據單口井封隔器的數量和重量，以及封隔器永久埋存或回收利用與否，可以靈活選擇不同構型，如淺層地層采用PVC-U直徑75的排水管鏈接，中層地層采用尼龍繩、纜繩、拼接式空心鐵桿等，深層地層采用標準的鉆井套管。
[0024]所述的土壤氣取樣子系統，其功能在于獲得土壤氣樣品。淺層、中層地層地層深度時主要獲得井下地下水位線以上的土壤氣，為獨立的子系統；深層地層時通過對所取的多相流樣品進行氣水分離而得到氣體樣品。
[0025]基于U形管技術的地下流體分層取樣方法，包括以下步驟::
1、按照本發明組裝基于U形管技術的地下流體分層取樣裝