專利名稱：用于井下微型取樣器的方法和裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明主要涉及井下取樣分析領(lǐng)域，尤其是獲取用于現(xiàn)場快速分析以確定井下樣品質(zhì)量的井下等分(aliquot)地層流體微量樣品。
背景技術(shù)：
在碳?xì)浠衔锷a(chǎn)井中的地層流體典型地包括油、氣和水的混合物。地層流體的壓力、溫度和體積控制這些組分的相關(guān)系。在地層中，高的井內(nèi)流體壓力通常在高于起泡點壓力時將氣體夾帶入油內(nèi)。當(dāng)該壓力減少時，該夾帶入的或溶解的氣體化合物從液相樣品中分離。對來自一口特定井的壓力，溫度和地層流體組成的精確測量會影響從該井生產(chǎn)流體的商業(yè)可行性。該數(shù)據(jù)也提供了關(guān)于使相應(yīng)的油氣層完井(completin)和生產(chǎn)最大化的程序的信息。
可用某些技術(shù)來分析井筒中的井底流體。Brown等人提出的美國專利號為No.6,467,544的專利申請描述了一種樣品腔室，其具有一個可滑動設(shè)置的活塞以在活塞的一側(cè)限定一個樣品腔并在活塞的另一側(cè)限定一個緩沖腔。Griffith等人提出的美國專利號為5,361,839的專利申請(1993)公開了一種能夠產(chǎn)生井筒中的井底流體樣品性質(zhì)的輸出表示的轉(zhuǎn)換器。Schultz等人(1994)提出的美國專利號為5,329,811的專利申請公開了一種估計井底流體樣品壓力和體積參數(shù)的方法和裝置。
其他技術(shù)采集井中的流體樣品以取回至地面。Czenichow等人(1986)提出的美國專利號為4,583,595的專利申請公開了一種采集井內(nèi)流體樣品的活塞致動機(jī)構(gòu)。Berzin(1988)提出的美國專利號為4,721,157的專利申請公開了一種在一個腔內(nèi)采集井內(nèi)流體樣品的移動閥套。Petermann(1988)提出的美國專利號為4,766,955的專利申請公開了一種用于采集井內(nèi)流體樣品的與一個控制閥接合的活塞，和Zunkel(1990)提出的美國專利號為4,903,765的專利申請公開了一種時間延遲的井內(nèi)流體取樣器。Gruber等人(1991)提出的美國專利號為5,009,100的專利申請公開了一種從選擇的井筒深度采集井內(nèi)流體樣品的纜繩取樣器。Schultz等人(1993)年提出的美國專利號為5,240,072的專利申請公開了一種在不同的時間和深度間隔允許井內(nèi)流體樣品采集的多樣品環(huán)形壓力響應(yīng)取樣器，Be等人(1994)提出的美國專利號為5,322,120的專利申請中公開了一種在井筒深處采集井內(nèi)流體樣品的電致動液壓系統(tǒng)。
井筒深處的井下溫度通常超過300°F。當(dāng)一個熱的地層流體樣品取回到70°F的地面時，溫度降低導(dǎo)致地層流體樣品收縮。如果樣品體積不變，這樣的收縮實質(zhì)上減少了樣品的壓力。壓力的降低導(dǎo)致原位置地層流體參數(shù)改變，并允許在流體和地層流體樣品內(nèi)夾帶的氣體之間的相分離。相分離能顯著改變地層流體特性，并降低評價地層流體實際特性的能力。
為了克服該限制，發(fā)展了各種保持地層流體壓力的技術(shù)。Massie等人(1994)提出的美國專利號為5,337,822的專利申請中使用由高壓氣體提供動力的液壓驅(qū)動的活塞來對地層流體樣品增壓。相似地，Shammai(1997)提出的美國專利號為5,662,166的專利申請利用一種增壓氣體來為地層流體樣品增壓。Michaels等人(1994)提出的美國專利號為5,303,775和(1995)提出的美國專利號為5,377,755的專利申請公開了一種增加地層流體樣品壓力使其超過起泡點以至于隨后的冷卻不會將流體壓力減少至起泡點之下的雙向容積泵。
典型地，樣品罐被送到實驗室用于分析以基于樣品確定地層流體特性。典型地，樣品將不得不被轉(zhuǎn)移到輸送罐內(nèi)，因此，由于壓力損失以及形成氣泡或樣品內(nèi)的瀝青質(zhì)沉淀，將冒著樣品損壞和損失的危險。另外，即使將樣品成功轉(zhuǎn)移到實驗室，也要花費數(shù)周或數(shù)月才能得到樣品的全部實驗室分析。因此需要一種能夠提供精確結(jié)果并消除樣品損失危險的快速樣品分析系統(tǒng)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明在上面的描述中提出了相關(guān)技術(shù)的缺點。本發(fā)明提供了一種井下樣品罐和多個微型樣品腔室。為了用于微型樣品腔室內(nèi)的從地層鉆孔或井筒內(nèi)采集的樣品，該微型樣品腔室可具有至少一個用于將可見光，近紅外(NIR)，中紅外(MIR)和其他電磁能量引入罐內(nèi)的窗口。該窗口由藍(lán)寶石或其他能允許電磁能量通過該窗口的材料制成。整個微型樣品腔可由藍(lán)寶石或其他能允許電磁能量通過能夠?qū)ξ⑿蜆悠非粌?nèi)的樣品視覺觀察或分析的其他材料的材料制成。該微型樣品腔能夠在地面對樣品進(jìn)行快速的現(xiàn)場測試以確定主樣品罐內(nèi)樣品的質(zhì)量或能夠?qū)悠愤M(jìn)行全面測試。
樣品罐和微型樣品腔室依靠抵抗借助流體靜壓力偏移的活塞而泵入地層流體來充滿。樣品罐和微型樣品腔室通過泵入或氣體加載而增壓從而使樣品的壓力增加至樣品起泡點壓力以上從而防止不利的壓力下降?？稍诘孛鎸⑽⑿蜆悠非蝗∠乱员阃ㄟ^對微型樣品腔室內(nèi)部未動過的樣品進(jìn)行光學(xué)分析而直接測試，或通過將微型樣品腔室固定在測試模塊上以將樣品從微型樣品腔內(nèi)泵入到測試模塊進(jìn)行氣相色譜測試?？蓪⑵盟畨涸鰤菏┘拥轿⑿蜆悠非皇乙赃M(jìn)一步確保微型樣品保持在起泡點壓力以上?？梢酝ㄟ^稱量空的微型樣品罐并在充滿樣品后再次稱量以確定微型樣品腔已知體積內(nèi)的樣品重量從而確定微型樣品罐內(nèi)樣品的粘度。


為了詳細(xì)理解本發(fā)明，參考下面結(jié)合附圖對示例性實施例的詳細(xì)描述，其中相同的部件采用相同的附圖標(biāo)記，其中圖1為示出本發(fā)明工作環(huán)境的地層剖面示意圖；圖2為本發(fā)明的操作組件與配合的支持工具的簡圖；圖3為代表性的地層流體采集和輸送系統(tǒng)的簡圖；圖4為示例性的微型樣品腔室的圖解；圖5為具有單向閥和清除管線的圖4中的微型樣品腔室的詳細(xì)圖解；圖6為從測井下工具拆下并正在進(jìn)行微量樣品分析的微型樣品組件的圖解；圖7為通常已知的樣品分析程序的圖解；圖8為本發(fā)明提供的新改進(jìn)的程序的圖解。
具體實施例方式
圖1示例性地表示沿井筒11長度的地層10的橫截面。通常，井筒將至少部分充滿包括水，鉆井流體和井筒穿過的地層所固有的地層流體的液體混合物。在下文中，這樣的流體混合物稱為“井筒流體”。術(shù)語“地層流體”在下文中指一種除任何實質(zhì)的混合物或被非自然存在于特定地層中的流體污染之外的特定地層流體。
地層流體取樣工具20在井筒11內(nèi)懸掛在纜繩12的底端。纜繩12通常由井架14支撐的滑輪13傳送。鋼纜繩的部署和回收例如由服務(wù)車輛15攜帶的動力絞車進(jìn)行。
根據(jù)本發(fā)明，圖2示例性地示出了取樣工具20的一個示例性的實施例。在該實施例中，取樣工具包括由相互壓縮的接頭23的螺套首尾連接的幾個工具段的一系列組件。適于本發(fā)明的工具段組件可包括一個液壓動力單元21和一個地層流體收集器23。在收集器23下面，設(shè)置一個用于管線清除的大工作容量馬達(dá)/泵單元24。在該大容量泵下面為一個具有一個較小工作容量的相似的馬達(dá)/泵單元25，如在圖3中進(jìn)行了更廣泛的描述，該馬達(dá)/泵單元25被定量監(jiān)測。通常，在該小容積泵的下面組裝有一個或多個樣品罐倉部分26。每一個倉部分26可具有三個或更多的流體樣品罐30。
地層流體收集器22包括一個與井壁支腳28相對的可延伸的吸入探針27。該吸入探頭27和相對支腳28都是可液壓延伸以與井壁牢固接合。專利號為No.5,303,775的美國專利詳細(xì)描述了流體收集工具22的結(jié)構(gòu)和操作細(xì)節(jié)，其說明書將結(jié)合在本申請中。
現(xiàn)在參考附圖4，主樣品腔414通過流動管路410與微型樣品腔510流體連通。樣品輸入部412從泵25接受地層流體?；钊?16通過開口于井眼的口420受流體靜壓而被偏壓。因此，來自地層的樣品流體克服流體靜壓力從井筒被泵入到主樣品腔和微型樣品腔510內(nèi)。隨著更多的流體被泵入到樣品腔414中，樣品腔414的體積和微型樣品腔510的體積一樣膨脹。在腔室418內(nèi)提供一個氮氣偏壓(bias)，當(dāng)活塞向下移動從而抵接到連桿449時，其能夠向活塞416的后側(cè)施加壓力。氮氣增壓向主樣品腔414和微型樣品腔510中所包含的樣品施加壓力。
靜壓腔422在活塞416的下面施加流體靜壓力，其能使泵入主樣品腔和微型樣品腔內(nèi)的樣品流體保持高于流體靜壓力。微型樣品組件400容納在工具主體440內(nèi)，該微型樣品組件400可以從工具主體去掉以對微型樣品腔510內(nèi)的樣品進(jìn)行觀察和測試。
現(xiàn)參考圖5，其更詳細(xì)地示出了微型樣品組件400。閥516是打開的以在主樣品腔414和微型樣品腔510之間提供流體連通。微型樣品腔510設(shè)置有通過口522開口于井筒流體靜壓力的偏壓活塞441。因此，地層流體被泵入到樣品流體管路410內(nèi)，并抵抗微型樣品腔室510內(nèi)的活塞441和主樣品腔室414內(nèi)的活塞416施加的流體靜壓力。
在操作前稱量空微型樣品部件400的重量并在充滿樣品流體后再次稱量以確定樣品流體的重量。微型樣品腔510的容積是已知的，通過樣品的重量(質(zhì)量)除以體積就可以確定微型樣品腔室510內(nèi)流體樣品的密度。該樣品流體的密度可以用來確定流體的粘度。
流動管路410能夠通過單向閥520使地層流體進(jìn)入到微型樣品腔室510中。單向閥520允許地層流體進(jìn)入樣品腔室內(nèi)，但卻不允許流體流出，除非用圖6中所示的銷612將其打開。
閥516在樣品充滿微型樣品腔510和主樣品腔414后關(guān)閉以便于活塞414和416分別降至最低點以將各自的樣品腔擴(kuò)張至最大體積。一旦閥516關(guān)閉，清除管線512打開以解除閥516和單向閥520之間的流動管路410中的壓力。解除該壓力使得能夠通過從工具主體518上擰松組件螺紋532將微型樣品組件400拆下，這樣容納在微型樣品腔510內(nèi)的微型樣品組件400內(nèi)的樣品可以被視覺觀察和分析。
具有由能夠?qū)ξ⑿蜆悠非皇业乃镆曈X觀察和光學(xué)分析的材料(如藍(lán)寶石)制成的窗口的微型樣品部件400可以由金屬制成。整個微型樣品部件400或環(huán)繞微型樣品腔510的腔壁401可以由能夠?qū)ξ⑿蜆悠非坏乃镞M(jìn)行視覺觀察和光學(xué)分析的材料(如藍(lán)寶石)制成。
現(xiàn)在參考圖6，可在口522上連接一個水泵以向微型樣品組件活塞441后側(cè)施加壓力，從而在將微量樣品轉(zhuǎn)送至一個測試裝置的過程中，如氣相色譜儀600中，對樣品腔510內(nèi)的樣品施加壓力。將微型樣品組件擰入試驗臺600并且銷612與單向閥520接合以允許樣品腔510內(nèi)的樣品進(jìn)入試驗臺600內(nèi)。在將樣品轉(zhuǎn)移至試驗臺的過程中，來自泵610的水壓使樣品保持在可阻止樣品腔510內(nèi)的樣品的閃蒸的壓力下。
當(dāng)前的微型樣品腔的例子具有一個或多個光學(xué)導(dǎo)管，其在該示例中為高壓藍(lán)寶石窗口530，用于電磁能量出入微型樣品腔510從而對所關(guān)心的地層流體樣品510的參數(shù)進(jìn)行光學(xué)分析。整個微型樣品腔可以由藍(lán)寶石或其他能夠使電磁能量通過該材料的材料制成，因此可以對微型樣品腔的所含物進(jìn)行視覺觀察和非侵入的光譜以及其他分析。除了藍(lán)寶石外，光學(xué)導(dǎo)管也是可以接受的。
如圖6所示，在地面操作中，微型樣品組件將從樣品罐載體上取下。包括NIR/MIR，紫外或可見光源以及光譜計的外部光學(xué)分析器620用于地面非侵入式分析。光學(xué)分析器620包括一個NIR/MIR光源以及一個用于分析光的透過率、熒光性和總的衰減反射率的NIR/MIR光傳感器。也就是，不必干擾流體樣品或不需要將樣品轉(zhuǎn)移到另一個運輸部(DOT)批準(zhǔn)的腔室中以運輸至遠(yuǎn)離現(xiàn)場的實驗室進(jìn)行分析。
在當(dāng)前的示例中，外部光學(xué)分析器620利用的波長范圍為1500nm至2000nm從而掃描流體樣品以通過軟模型技術(shù)確定或估計所關(guān)心的參數(shù)，如樣品的污染百分比、氣油比(GOR)、密度和瀝青沉積壓力。在分析模塊620中也可以提供可調(diào)諧二極管激光器和拉曼光譜計對流體樣品進(jìn)行光譜分析。每一種光源和傳感器都設(shè)置在微型樣品腔510內(nèi)或通過光學(xué)窗口530或通過提供數(shù)據(jù)或電磁能量出入樣品罐內(nèi)和其中容納的樣品的等同的光學(xué)導(dǎo)管與微型樣品腔的內(nèi)部連通。
通過比較圖7，現(xiàn)有技術(shù)系統(tǒng)和圖8，本發(fā)明的AOA提供的新方法和裝置設(shè)計，本發(fā)明諸多優(yōu)點中的一部分將得到說明。應(yīng)注意在圖8中，通過光學(xué)技術(shù)1114的主要參數(shù)計算可立即或少于6個小時得到，并且最終的PVT報告1132可在一周之內(nèi)或更少的時間內(nèi)得到，而不是圖7中所示的現(xiàn)有技術(shù)系統(tǒng)中的6至8周。由于在外部設(shè)備620中不侵入地面或井下設(shè)備執(zhí)行PVT和光譜分析以確定瀝青沉積，起泡點，地層體積系數(shù)，組成分析和這里描述的其他分析，因此該公開的方法和裝置的一個優(yōu)點為不需要樣品轉(zhuǎn)移。
在另一個實施例中，本發(fā)明的方法和裝置作為在計算機(jī)可讀介質(zhì)上的一組計算機(jī)可執(zhí)行的指令被實現(xiàn)，可讀介質(zhì)包括ROM，RAM，CD-ROM，F(xiàn)lashRAM或任何其他的計算機(jī)可讀介質(zhì)，當(dāng)執(zhí)行時使計算機(jī)實現(xiàn)本發(fā)明功能的現(xiàn)在已知的或未知的可讀介質(zhì)。
雖然前面的公開涉及本發(fā)明的示例性的實施例，但是對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說，對本發(fā)明的各種修改都是明顯的。這就意味著在所附權(quán)利要求范圍內(nèi)的各種修改都包含在前面公開的內(nèi)容中。為了更好地理解隨后的詳細(xì)描述，和為了可以更清楚其對于本領(lǐng)域的貢獻(xiàn)，相當(dāng)廣泛地概括了本發(fā)明的更重要特點的實施例。當(dāng)然，本發(fā)明的其他特點將在隨后描述并將形成這里所附權(quán)利要求的主題。
權(quán)利要求
1.一種確定地層流體樣品所關(guān)心的參數(shù)的井下工具，包括用于容納地層流體樣品的主樣品腔；用于容納部分地層流體樣品、與主樣品腔流體連通的微型樣品腔；以及與微型樣品腔相關(guān)聯(lián)以分析流體樣品的分析裝置。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，該微型樣品腔還包括使電磁能量進(jìn)入微型樣品腔以對微型樣品腔內(nèi)的樣品進(jìn)行光學(xué)分析的光學(xué)導(dǎo)管。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，微型樣品腔由允許電磁能量通過以對微型樣品腔內(nèi)的樣品進(jìn)行分析的材料制成。
4.根據(jù)利要求1所述的裝置，還包括在從井筒取出的過程中使微型樣品腔的樣品保持壓力的壓力增壓裝置。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，還包括作用在微型樣品腔內(nèi)樣品上的流體靜壓力偏壓裝置。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的裝置，還包括在微型樣品腔充滿地層流體的過程中抵抗樣品泵的微型樣品腔活塞。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，還包括在從井下取出后對微型樣品腔內(nèi)的樣品加壓的水增壓裝置。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，還包括允許流體進(jìn)入微型樣品腔并阻止流體離開微型樣品腔的單向閥。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的裝置，還包括將微型樣品腔與主樣品腔分離的閥。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的裝置，還包括解除微型樣品腔與主樣品腔之間流動管道內(nèi)壓力的清除管線。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，微型樣品腔由能夠?qū)ξ⑿蜆悠非粌?nèi)的樣品視覺觀察的材料制成。
12.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，該微型樣品腔由能夠?qū)ξ⑿蜆悠非粌?nèi)的樣品進(jìn)行光學(xué)分析的材料制成。
13.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，該微型樣品腔可從工具上取下以在地面通過外部的分析設(shè)備對樣品進(jìn)行分析。
14.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，將該樣品從微型樣品腔取下以在地面通過外部分析設(shè)備對樣品進(jìn)行分析。
15.一種確定地層流體樣品所關(guān)心的參數(shù)的方法，包括將地層流體樣品容納在一個主樣品腔內(nèi)；將地層流體樣品的一部分容納在與主樣品腔流體連通的微型樣品腔內(nèi)；利用與微型樣品腔相關(guān)聯(lián)的分析裝置分析微型樣品腔內(nèi)的流體樣品。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，其特征在于，該微型樣品腔還包括使電磁能量通過光學(xué)導(dǎo)管進(jìn)入到微型樣品腔內(nèi)以對微型樣品腔內(nèi)的樣品進(jìn)行光學(xué)分析。
17.根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，其特征在于，該微型樣品腔由允許電磁能量通過以對微型樣品腔內(nèi)的樣品進(jìn)行分析的材料制成。
18.根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，還包括在從井筒取出的過程中利用一個增壓裝置在微型樣品腔的樣品上保持壓力。
19.根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，還包括作用在微型樣品腔內(nèi)樣品上的流體靜壓力偏壓裝置。
20.根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，還包括在微型樣品腔充滿地層流體樣品的過程中抵抗樣品泵。
21.根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，還包括在從井底取出后對微型樣品腔內(nèi)的樣品增壓。
22.根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，還包括利用一個單向閥允許流體進(jìn)入到微型樣品腔內(nèi)并且阻止流體離開微型樣品腔。
23.根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，還包括將微型樣品腔與主樣品腔隔離的閥。
24.根據(jù)權(quán)利要求23所述的裝置，還包括利用一個與流動管道連接的清洗管線解除微型樣品腔和主樣品腔之間流動管道中的壓力。
25.根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，還包括對微型樣品腔內(nèi)的樣品進(jìn)行視覺觀察。
26.根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，還包括對微型樣品腔內(nèi)的樣品進(jìn)行光學(xué)分析。
27.根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，還包括將微型樣品腔從工具上取下以通過外部分析設(shè)備在地面上對微型樣品腔內(nèi)的樣品進(jìn)行分析。
28.根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，還包括將樣品從微型樣品腔上取下以通過外部分析設(shè)備在地面上對樣品進(jìn)行分析。
29.一種采用井下工具以確定地層流體樣品所關(guān)心的參數(shù)的系統(tǒng)，包括采用獲取地層流體樣品的井下工具的地面控制器；容納地層流體樣品的主樣品腔；與主樣品腔流體連通以容納部分地層流體樣品的微型樣品腔；和與微型樣品腔相關(guān)聯(lián)以分析流體樣品的分析裝置。
全文摘要
本發(fā)明提供了一個井下樣品罐和多個微型樣品腔室。為了從地面鉆孔或井筒底部采集到微型樣品腔室內(nèi)的樣品，該微型樣品腔室可具有至少一個將可見光，近紅外(NIR)，中紅外(MIR)以及其他電磁能量引入所述罐的窗口。該窗口可由藍(lán)寶石或其他能夠允許電磁能量通過窗口的材料制成。整個微型樣品腔室可由藍(lán)寶石或其他允許電磁能量通過能夠通過視覺觀察或在微型樣品腔室內(nèi)進(jìn)行樣品分析的另一種材料的材料制成。該微型樣品腔室在地面能夠立即進(jìn)行現(xiàn)場樣品測試以確定主樣品罐中樣品的質(zhì)量或能夠進(jìn)行樣品的全面測試。
文檔編號G01N33/28GK1784535SQ200480011865
公開日2006年6月7日 申請日期2004年5月3日 優(yōu)先權(quán)日2003年5月2日
發(fā)明者H·M·沙姆邁, 羅伯特·戈登, F·桑切斯 申請人:貝克休斯公司