CN101210546A - 用于地层测试的泵控制 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种用于地层测试的泵控制，以及井下地层流体抽吸和取样装置，其可以形成钻井时的地层评估工具的一部分或工具管柱的一部分。基于根据地层压力测试数据以及工具系统数据产生的参数使泵的运行最优化，从而在较高的速度下和以很大的可靠性确保泵的最佳性能。还披露了在MWD系统中使用的用于流体取样装置的新的泵设计。

Description

用于地层测试的泵控制

技术领域

本发明涉及一种地质层组测试，更具体地，本发明涉及对地层测试工具的泵或流体转移单元(FDU)的控制。

背景技术

一般将钻井钻入土地或海床中以采取油或气体的天然沉积物以及储藏在地壳内地质层组中的其他所需的材料，通常使用装接在“钻具(或钻杆柱)”的下端的钻头进行钻井。通常经由钻具将钻井流体或“泥浆”向下泵送到钻头。钻井流体润滑并冷却钻头，并且它在钻具和井孔壁之间的环状空间内将钻井岩屑带回到地面上来。

为了成功进行油和气勘探，必需有关于被井孔穿透的地下地层的信息，例如，标准地层评估(或评价)的一个方面涉及地层压力和地层渗透性的测量，这些测量对预测地下地层的开采能力和生产寿命是必不可少的。

一种用于测量地层性质的技术包括将一“测井电缆”工具下降到钻井中以测量地层性质。测井电缆工具是一种测量工具，当它被下降到钻井中时，它从金属丝悬伸出，以使得它能测量所希望的深度的地层性质。典型的测井电缆工具可以包括一个探测器，该探测器可以被压靠在井壁上以与地层建立流体连通，该类型的测井电缆工具通常称为“地层测试仪”。利用探测器，地层测试仪测量地层流体的压力，产生用来确定地层渗透性的压力脉冲。地层测试仪工具通常还取回地层流体的样品以便稍后进行分析。

为了使用任何测井电缆工具，无论该工具是电阻率、孔隙率测试工具还是地层测试工具，都必须将钻具从钻井中取出，以便能将工具下降到钻井中。这称为井下“起出钻杆”(或“脱离”井下)。此外，必须将测井电缆工具降低到感兴趣的区域，一般在井孔的底部或井孔的底部附近。取出钻具和将测井电缆工具下降到井下加在一起是耗时的措施，并且取决于井孔的深度，可能要花费几个小时。由于“起出(或脱离)”钻杆和将测井电缆工具下降到井孔需要很大的费用和钻机在用时间，所以一般仅仅在绝对需要信息时或在出于另一个原因如更换钻头而起出钻具时使用测井电缆工具。例如在美国专利第3934468、4860581、4893505、4936139和5622223号中描述了测井电缆地层测试仪的示例。

由于测井电缆技术的改进，在钻井系统中使用位于钻头附近的工具和设备测量地层性质的技术已经发展起来，因而，在钻井过程中进行地层测量，并且在本领域中通常使用的术语是“MWD”(钻井时测量)和“LWD”(钻井时测井)，可在市场上买到各种井下MWD和LWD钻井工具。此外，能在在其下端没有钻头但用来使井孔中的泥浆循环的带地层测试仪的钻具中进行地层测量。

MWD通常指的是对钻头轨迹以及井孔温度和压力的测量，而LWD指的是对地层参数或性质的测量，尤其如电阻率、孔隙率、渗透性和声速。实时数据如地层压力使得钻井公司在钻井过程中能够作出关于钻井泥浆重量和成分的决定以及关于钻速和钻压(weight-on-bit)的决定，LWD和MWD之间的差别与本发明没有密切关系。

在钻井工具能执行各种井下地层测试时的地层评估通常包括一小的探测器或一对封隔器，探测器或封隔器能从钻铤伸出以在地层和工具内的压力传感器之间建立液压连接使得可以测量地层流体压力。一些现有的工具用泵主动将流体样品从地层抽出，以使得可以将流体样品存储在工具内的样品室中以便稍后进行分析，这种泵可以由钻具中的发生器提供动力，发生器由沿着钻具流动的泥浆驱动。

然而，如人们能想象到的，在任何地层测试工具，测井电缆或MWD中的任一个，中包含的多个运动部件可能导致设备故障或导致性能达不到最佳。此外，在各有效深度，要经受相当大的流体静压力和高温，从而使问题变得更复杂。更进一步，地层测试工具工作在既与地层又与钻井条件有关的各种各样的条件和参数下。

因而，需要改进的井下地层评估工具和用于操作与控制该工具的改进的技术，以使得这种井下地层评估工具更可靠、更有效率并可适应地层和泥浆循环条件。

发明内容

在一个实施例中，披露了一种用于井下工具的流体泵系统，其与位于穿透地下地层的井孔中的管柱相连，该系统包括与地层和井孔中的至少一个流体连通的泵，且泵由向下流过管柱的泥浆提供动力，泵与控制器相连，控制器基于至少一个参数控制泵的速度，所述至少一个参数选自包括泥浆体积流量、工具温度、地层压力、流体流动性、系统损失、机械载荷极限(或限制或者界限)、井孔压力、可用功率、电力负载极限(或限制或者界限)及其组合的组。

在另一个实施例中，披露了一种用于井下工具的流体泵系统，其与位于穿透地下地层的井孔中的管柱相连，该系统包括涡轮、变速器、泵、第一传感器和控制器。涡轮由向下流过管柱的泥浆提供动力。涡轮和泵与变速器操作地相连，第一传感器与涡轮和泥浆流中的一个相连以检测涡轮速度与泥浆流量中的至少一个。控制器与变速器和传感器通信地相连，以使得控制器基于涡轮速度和泥浆流量中的一个调节变速器。

在又一个实施例中，披露了一种用于控制井下工具的泵的方法，该方法包括给工具提供用于控制泵的井下控制器；测量设置在井筒中的工具的至少一个系统参数；基于所述至少一个系统参数计算泵的泵运行极限；使泵运行；和用控制器限制泵的泵运行。

在另一个实施例中，披露了一种操作用于井下工具的泵系统的方法，泵系统与位于穿透地下地层的井孔中的管柱相连，该方法包括用向下流过管柱的泥浆使设置在井筒中的涡轮旋转；获得涡轮的功率输出；用涡轮的功率输出使泵运行；测量涡轮的速度；和基于涡轮的速度，用设置在工具中的控制器调节设置在涡轮与泵之间的变速器。

从下面结合附图进行的详细说明，其他的优点和特征将显而易见。

附图说明

为了更完全地理解所披露的方法和设备，将参考在附图上更详细地示出的实施例，其中：

图1是正视图，表示可以使用所披露的地层测试系统的钻井系统；

图2是正视图，表示根据本公开作出的井筒中的井底组件(BHA)的一个实施例；

图3是剖视图，表示所披露的地层测试系统的流体分析和抽出模块；

图4示意地表示用于将地层流体从设置在工具叶片中的探测器输送到同样被示出的样品室中的泵；

图5是流程图，表示这里披露的利用地层和用于控制地层测试工具内的泵的系统参数的一个方法；

图5A是图表，表示包含最大功率输出的涡轮功率曲线；

图6是电气图，表示一个取样控制回路，其用来执行图5的方法以控制所披露的地层测试系统的泵马达(或泵送马达)；

图7是表示用于所披露的地层测试系统的备选泵送单元组件的图；和

图8是表示图7中所示泵送单元组件的备选节流阀的视图。

应当理解，附图不一定是依比例绘制的，且所披露的实施例有时是概略底和以局部视图图示出，在某些情况下，可能已省略了对于理解所披露的方法和设备而言并非必需的细节或使其他细节难以理解的细节，当然，应当理解，本公开不局限于这里示出的特定实施例。

具体实施方式

本公开涉及下面描述的和在图2-8中图示出的流体泵和取样系统，它们可以使用在孔底钻井环境中，如图1中所示的环境。在一些改进中，本公开涉及使用和控制所披露的流体泵的方法。在一个或多个改进中，钻井时的地层评估工具包括改进的流体泵和控制泵操作的改进方法，在一些其他的改进中，披露了在钻井时的地层评估的改进方法。

受益于本公开的本领域技术人员将懂得，所披露的设备和方法可应用在除钻井之外的操作过程中，且钻井对于实施本发明不是必须的。尽管本公开主要涉及取样，但所披露的设备和方法能应用于包括注入技术的其他操作中。

短语“钻井时的地层评估”指的是可以在钻井过程中执行的各种取样和测试操作，尤其如样品收集、流体抽出、预测试、压力测试、流体分析和电阻率测试。要注意的是，“钻井时的地层评估”不一定意味着在钻头实际穿透地层时进行测量。例如，通常在钻井过程中的短暂停止期间执行样品收集和抽出，即，使钻头的旋转暂时停止以便可以进行测量。一旦进行了测量，钻井就可以继续。即使在仅仅在停止钻井之后进行测量的实施例中，也仍然可以在不必起出钻具的情况下进行测量。

在本公开中，“液压连接(或液压耦合)”用来描述以下面这种方式相连的物体，即流体压力可以在相连的对象之间传递。术语“流体连通”用来描述以下面这种方式相连的物体，即流体能在相连的对象之间流动。要注意的是，“液压连接”可以包括流体不能在对象之间流动但流体压力可以传递的某些布置(或设置)，因而，流体连通是液压连接的子集。

图1表示用来穿过地下地层钻探一个井的钻井系统10，地下地层总体上以附图标记11表示。位于地面13的钻机12用来使钻具14旋转，钻具14在其下端包括一个钻头15。读者会注意到，本公开总体地涉及在下端不包含钻头15的多个工作管柱，所述多个工作管柱象一个钻具那样被降到井筒中，并且其允许的泥浆循环方式与钻具14使泥浆循环的方式相似。当钻头15被旋转时，用“泥浆”泵16沿箭头17的方向经由钻具14将钻井流体向下泵送到钻头15，钻井流体通常称为“泥浆”或“钻井泥浆”。用来冷却和润滑钻头的泥浆通过钻头15的排出口(未示出)退出钻具14，然后当泥浆如箭头19所示通过钻具14和地层11之间的环状空间21流回到地面13时，泥浆从井孔18底部将钻井岩屑带走。尽管在图1中示出的是钻具14，但在这里应当注意，本公开也可应用于多个工作管柱和多个管柱。

在地面13，将返回的泥浆过滤并将其输送回到泥浆池22以便重新使用。钻具14的下端包括井底组件23(“BHA”)，井底组件23包括钻头15以及多个钻铤24、25，钻铤24、25可以包括各种仪器，如LWD或MWD传感器和遥测设备。钻井时的地层评估仪器例如也可以包括扶正器(或对中器)或稳定器26或设置在扶正器或稳定器26内。

稳定器26包括如图1中所示与井壁接触以限制钻头15“摇晃(或摇摆)”的叶片，当钻具旋转时，“摇晃”是钻具的趋势，其使钻具偏离井筒18的垂直轴线并使钻头改变方向。有利地，稳定器26已经与井壁27接触，因而，需要尺寸较小的探测器以建立与地层的流体连通。本领域技术人员将认识到，在不背离本发明范围的情况下，地层探测器能设置在除稳定器之外的各位置中。

现在看图2，披露的流体取样工具30通过总体上以附图标记31表示的压力测试工具与井下地层液压地接触。工具31包括可延长的探测器和复位活塞，例如在美国专利第7114562号中所示的。流体取样工具30优选地包括流体记述模块和流体抽吸模块，它们都设置在模块或部分32中，且可选地，设置在样品收集模块33中。各种其他MWD仪器或工具以附图标记34表示，它们可以包括但不局限于电阻率测井仪、核(孔积率和/或密度)工具等等。在图2中，钻头稳定器以附图标记26表示，钻头以附图标记15表示。要注意的是，元件31、32、33和34的相对垂直布置可以改变，且MWD模块34可以放置在压力测试仪模块31的上方或下方，流体抽吸和分析模块32以及流体样品收集模块33也可以放置在压力测试模块31或MWD模块34的上方或下方，每个模块31-34通常具有的长度范围为从大约30到大约40英尺。

现在看图3，地层流体泵和分析模块32被披露为具有高度适应的控制特征，在图3和4中披露的各种特征用来进行调节以改变现场的环境条件。为了涵盖宽的性能范围，尖端的电子设备或控制器36和用于精确控制的固件(或操作系统)以及丰富的多功能性对于使泵马达35运转是必需的。

泵马达35的动力供应自进行驱动的专用涡轮37和交流发电机38，在一个实施例中，泵41包括通过轴44连接的两个活塞42、43，两个活塞42、43分别设置在对应的气缸45、46中。双活塞42、43/气缸45、46配置通过正容积位移(positive volume displacement)工作。通过也在图4中详细示出的行星滚柱丝杠47启动(或致动)活塞42、43进行运动，行星滚柱丝杠47通过齿轮箱48与电动机35相连。由电动机驱动的齿轮箱或变速器48可以用来改变电动机轴和泵轴之间的传动比。作为选择，电动机35和交流发电机38的组合也可以用来实现同样的目的。

电动机35可以是泵41的一部分或与泵41成一整体，但作为选择也可以是单独的元件。行星滚柱丝杠47包括螺母39和螺纹轴49。在优选实施例中，电动机(或马达)35是伺服电动机(伺服马达)。泵41的功率应该至少是500W，其与工具32的交流发电机38处的大约1kW相对应，优选地，泵41的功率至少大约是1kW，其至少与交流发电机38处的大约2kW相对应。

代替图4中所示的行星滚柱丝杠47装置，可以采用其他用于流体排放的装置，如导导螺杆或单独的液压泵，这将输出能用来使活塞组件42、43、44进行往复运动的交变高压油。

现在看图3，在一种特定布置中将取样/分析钻铤32表示为具有多个基本元件，但在本领域技术人员的知识范围内，其他布置明显也是可能的。箭头51表示穿过钻铤32的钻井泥浆的流动。可延长的液压/电连接器52用来将钻铤32连接到测试工具31(见图2)，且另一个可延长的液压/电连接器59用来将钻铤32连接到样品收集模块33(见图2)。例如能在转让给本发明受让人的序列号为11/160240的美国专利申请中找到适合于连接钻铤的液压连接器的示例，该专利申请在此并入作为参考。井下地层流体通过压力测试工具31(图2)进入带地层测试仪的管柱，并经由可延长的液压/电连接器52发送到阀组53。仍参考图3，在阀组53，最初抽吸流体样品使其通过流体识别单元54，流体识别单元54包括光学模块55和其他传感器(未示出)以及控制器56，以确定流体成分——油，水，气体，泥浆组分——和性质，如密度、粘度、电阻率等等。

从流体识别单元54，流体经由结合图4更详细说明的阀组53中的那组阀进入流体转移单元(FDU)或泵41。如图3中看到的，在流体到达阀组53之前，它从压力测试仪31的探测器前进穿过液压/电连接器52并穿过分析器54。

图3还表示从例如设置在工具31(也见图2)的叶片202中的探测器201开始的示意图。两个流路203、204从探测器201延伸出。通过操纵取样隔离阀205和/或预测试隔离阀206能独立地隔离流路203、204。流路203将泵和分析器工具32与测试仪工具31中的探测器201相连，流路204用于“预测试”。

在预测试过程中，通向工具32的取样隔离阀205被关闭，通向预测试活塞207的预测试隔离阀206打开，而平衡阀208被关闭。探测器201如箭头209所示的朝着地层延伸出，当伸出时，探测器201与地层(未示出)液压连接。使预测试活塞207缩回以便降低流路204中的压力，直到突破泥饼为止，然后，当流路204中的压力接近地层压力时，使预测试活塞207停止，而流路204中的压力增大。能在预测试过程中收集地层压力数据，在预测试(或其他类似测试)过程中收集的数据可以变成如下面讨论的图5的部分85中使用的参数之一。预测试还能用来确定探测器201和地层被液压连接。

参考图4，流体被发送到两个位移室45或46中的任一个。泵41工作以使得总是有一个室45或46吸入流体，而另一个室45或46排出流体。取决于流体线路和平衡阀61的设定，排出的液体被泵回到井孔18(或井孔环状空间)或通过液压/电连接器59到达样品室62、63、64之一，样品室62、63、64位于邻接的分开的钻铤33(也见图2)中。尽管仅仅示出了三个样品室62、63、64，但要注意的是，可以采用多于三个或少于三个的室62、63、64。显然，室的数量不是关键性的，而选择三个室仅仅是构成一个优选的设计。

仍参考图4，通过行星滚柱丝杠47、螺母39和螺纹轴49实现FDU活塞42、43的抽吸作用。变速电动机(或马达)35和相关的齿轮箱48在图3中所示的控制器36的指导下以双向模式驱动轴49，元件之间的间隙填充有油50，而环形伸缩管补偿器由附图标记50a表示。

再参考图4，在进入室45的过程中，流体进入阀组53并在进入室45之前经过单向阀66。在从室45输出时，流体通过单向阀67到达流体线路和平衡阀61，在那里它或者被倾倒到井孔18，或者经过液压/电连接器59、单向阀68进入室62-64之一中。相似地，在进入室46中时，流体经过单向阀71进入室46。在从室46输出时，流体经过单向阀72、经过流体线路和平衡阀61，并且或者到达井孔18，或者到达流体样品收集器模块33。

在样品收集操作的过程中，流体最初被抽吸到模块32并经由流体线路和平衡阀61离开模块32到达井孔18。在用新的或新鲜的地层流体实际填充样品瓶62-64之前，这个行为使流路75与剩余的液体齐平。用总体上以附图标记76表示的几组专用的密封阀执行瓶62-64的打开和关闭，密封阀与控制器36或其他装置相连。压力传感器77是有用的，尤其是作为用于检测样品室62-64完全充满的指示特征(或结构或者零件)。安全阀74是有用的，尤其是作为避免样品室62-64中的流体过压的安全特征(或结构或者零件)。当需要将流体倾倒到井孔18时也可以使用安全阀74。

现在看图3，需要专用的涡轮交流发电机37、38提供必需数量的电力以驱动泵41。在取样操作过程中将泥浆泵吸经过钻具14是工作要求，泵送速率必需足以确保MWD泥浆脉冲遥测信息回到地面上以及(如果被利用的话)确保涡轮37的足够角速度以便向用于泵41的电动机35提供足够的功率。

图5表示一个披露的用于在流体取样过程中控制工具32的抽吸系统41的方法80。优选地通过井下控制器36(见图3)控制抽吸系统41，井下控制器36执行存储在工具组件30的永久性存储器(EPROM)中的指令。井下控制器可以确保抽吸系统41不被驱动超过其运行极限(或限制或者界限)并可以保证抽吸系统有效地工作(或运行)。井下控制器从工具31中的(多个)传感器和/或工具32中的(多个)传感器(见图4)收集现场测量结果并在方法80的自适应反馈回路中利用这些测量结果，以使泵41/抽吸系统的性能最优化。

方法80能在没有操作者干涉或操作者干涉最小的情况下操作工具32的抽吸系统41。通常，通过用遥测装置向井下工具31-33中的一个或多个发送命令，地面操作者可以在带地层测试仪的管柱14停止旋转时(例如在立管连接过程中)启动取样操作。工具32将根据方法80操作抽吸系统41。工具31-33中的任一个或多个可以定期向地面操作者发送关于取样过程状态的信息，从而帮助地面操作者作出决定，如中止取样、命令工具33将样品存储在一个室中等等。地面操作者的决定可以通过泥浆脉冲遥测装置传送到井下工具31-33。工具31、32可以共用井下时钟信息。

从图5中的左边开始，在部分85中，工具31获得地层/流体特性/参数，所述地层/流体特性/参数能根据在如上所述的预测试过程中收集的压力数据计算出(也参见美国专利第5644076号和7031841号或公开号为2005/0187715的美国专利申请)，并在部分86中将参数发送到工具32。作为选择或者说另外，可以在部分86中将来自其他工具的其他信息发送到工具32，如来自电阻率测井仪的侵入深度等等。

下面是可以在部分85中收集或吸收并在部分86中发送到工具的示例：井筒中的流体静压力，井筒中的循环压力，流体的流动性，和地层压力，其中可以将流体的流动性描述为地层渗透性与流体粘度的比。流体静压力与地层压力之间的压差也称为过平衡压力。预测试或任何其他压力测试可以给出更多信息，如泥饼渗透性，其也能被发送到工具32。此外，例如如果得不到上面列出的参数，可以将较少的或其他参数发送到工具32。

在部分87中，执行两个操作--87a和87b。在87a中，基于所获得的在部分85中确定的关于(多个)地层参数的信息来确定所需的泵参数。在一个实施例中，所希望的泵参数可以是“取样协议/顺序”，其涉及取样泵的控制顺序。该顺序可以用公式表示为规定压力水平、压力变化、和/或泵和/或流路的流量。这些公式化表示可以表示为时间、体积等等的函数。

在一个实施例中，该顺序包括：(1)确认、改善或完成地层/井筒模型的调查阶段，其中对泵速率进行细微调节和其中通常将泥浆滤液从地层抽出；和(2)存储阶段，其通常是静止的或“低震动的”，其中将流体泵入导样品室中。

在另一个示例中，取样协议/顺序来源于部分85中的流动性。如果流动性低，则取样协议与以低速率单纯(或单调)地增加泵流量(“Q”)相对应，例如在1分钟后Q＝0.1cc/s，在2分钟后Q＝0.2cc/s等等。如果流动性高，则取样协议与以高速率单纯地增加泵流量相对应，例如在1分钟后Q＝1cc/s，在2分钟后Q＝2cc/s等等。读者将注意到，这些值仅仅是用于说明性的目的，而实际的值通常取决于其他系统变量中的探测器入口直径。在部分89中流量可以持续增大直到接近系统驱动极限(功率，机械载荷，电力负载)为止，然后工具32可以继续以在部分89中达到的那个水平抽吸直到从地层抽出足够的泥浆滤液并获得样品为止。

在另一个示例中，通过在最小泵下降压力和在规定时间内抽吸(或泵送)的最大流体体积之间实现最佳的平衡来获得取样协议/顺序。地层/井筒模型使用成本函数，以确定理想的/最佳的/所希望的泵流量Q和其相应的存储阶段的下降压差。成本函数可能使巨大的下降压力和低的泵流量恶化，可以根据在以前的取样操作过程中通过工具32收集的数据和/或根据通过取样操作的模拟而产生的数据调节成本函数的值或形态。理想地，理想的/最佳的/所希望的泵流量Q及其相应的下降压差位于系统能力内。可选地，地层/井筒模型包括通过泥浆滤液获得的取样流体的污染程度预测，而成本函数包括污染水平目标。通过使在样品存储以前调查地层流体所花的时间减到最小，可以进一步确定向该理想的/最佳的/所希望的泵流量Q的倾斜。样品协议/顺序还可以包括在理想的/最佳的/所希望的泵流量Q周围的变动，其用来确认或进一步改进理想的/最佳的/所希望的泵流量Q的值。

在又一个示例中，使用人工智能发动机学习适当的协议/顺序，优选地学习系统能力。人工智能用来将由工具进行以前的取样操作与实时测量结合起来以确定取样协议/顺序。人工智能发动机使用存储以前的运行情况的井下数据库。

在87b中，基于部分85的地层参数和部分87a的对应的泵参数计算预期的地层响应(或反应)。例如，可以产生一地层/井筒模型，其提供由工具32进行取样起反应的地层的预测。在一个示例中，地层/井筒模型是一公式，其将下降压差、井筒中的流体静压力和流路中的压力之间的差表示为地层流量的函数。特别地，由过平衡和流动性确定该公式的参数。在另一个示例中，地层/井筒模型包括描述泥浆滤液的侵入深度的参数，并且该模型能预测流体性质的演变，如油气比，或各种取样情况的污染水平。在又一个示例中，本领域中已知的和用来分析预测试(钻开的砂层表面的压力测量)的模型适合在各种取样情况下分析取样操作(见公开号为2004/0045706的美国专利申请)和适合对由工具32进行取样起反应的地层的预测。在又一个示例中，也能使用基于曲线拟合技术或神经网络技术的经验模型。

要注意的是，地层流量和泵流量不总是相同的。这些流量通常可用工具或流路模型根据彼此预测，如本领域中众所周知的。在一些情况下，地层流量接近泵流量，为简单起见，假定这两个量在本公开的其他部分相等，但应当理解，可能必需用流路模型的工具根据一个计算另一个。

现在参考图5的右侧，在部分81-84中确定系统参数。具体地说，在部分81中，确定涡轮参数，其可以包括确定最大的井下可用功率。

如之前所提及的，泵41由向下流过工作管道的泥浆提供动力，在本示例中流过涡轮。可用于泵41的最大功率取决于泥浆流量。泥浆流量取决于井孔参数，如深度、直径、井斜，取决于使用的泥浆类型和取决于本地钻机。因而，泥浆流量不是预先知道的，并且可能由于各种原因而改变。

可以使用用于涡轮37和/或涡轮-交流发电机37、38的模型预测在部分81中确定的最大可用功率。该模型可以包括功率曲线。例如，每个功率曲线将由涡轮-交流发电机所产生的功率表示为涡轮角速度的函数。图5A表示用于给定的泥浆流量的功率曲线的一个示例。

如图5A的示例中所示，可以根据自由旋转角速度ω_FS和相关的零功率确定最大可用功率P_最大。这些值将产生与泥浆流量相对应的功率曲线，这个产生的功率曲线具有用于限制抽吸操作的峰值功率值P_最大。假定泥浆流量始终不变，则可以用功率曲线使角速度ω_OP与任何操作功率P_OP互相关联。

该曲线的最大值确定部分81中的最大井下可用功率。要注意的是，使用一个时间段内的涡轮角速度和所产生的功率的值的变量也可以被利用。这些方法例如可能涉及回归技术，以根据在一个时期内所收集的数据点确定与当前泥浆流量相对应的功率曲线，和/或跟踪泥浆流量在一个时间段内的变化。

可以将在部分81中计算出的最大井下可用功率用作泵运行极限。可以基于这个和/或其他运行极限控制泵41的运行，如下面参考部分89所述。在一个示例中，将测量的涡轮交流发电机37、38的运行功率P_OP与最大功率P_最大进行比较。当测量的产生功率接近最大功率时，可以防止泵流量和/或泵两侧的压差进一步增大。限制抽吸功率，从而限制从涡轮交流发电机37、38获得的功率，可以防止涡轮失速。优选地，当测量的由涡轮交流发电机37、38所产生的功率是最大井下可用功率的大约80％时，可以限制工作点(“L”)。

在部分82中，泵41的控制还基于电力负载极限。具体地说，限制电动机驱动器峰值电流。峰值电流与从电动机35所需的转矩相关，因而可以基于转矩需求通过反馈回路控制电动机35，可以在部分89中限制转矩的驱动值以便其不超过驱动器峰值电流。

在部分83中，还基于机械载荷极限控制泵41。例如，可以限制施加在滚柱丝杠39上的转矩。可以基于转矩通过反馈回路控制电动机35，可以在部分89中限制转矩的驱动值以便其不超过滚柱丝杠39上的转矩负载。

在另一个示例中，其他机械部件，如FDU活塞42、43可以在位置、拉力(或张力)上或在线性速度上具有限制。可以基于转矩、转速或回转数量通过反馈回路控制电动机35以便满足这些限制。

在部分84中，泵的控制还基于抽吸系统中的损失或系统损失。将泵输出的最大可用功率评估、跟踪或预测为最大井下可用功率和部分84中的抽吸系统内的损失的函数。例如，大功率电子设备和电驱动器的损失随着电动机角速度、电动机转矩和温度而改变。在系统中还可能发生其他损失，如摩擦损失。可以通过损失模型预测损失，能将损失模型连续改作为方法80的一部分。可以控制电动机35以使得电动机转矩与实际泵速率的乘积(泵输出功率)不超过泵输出的最大可用功率。

现在看部分89，泵参数被更新。暂时回到图4，在抽吸操作开始时，优选地根据在通过探测器201进行的地层压力测试结束时发生的最初抽吸操作更新设定的泵驱动参数。在抽吸操作开始时，工具32中的流路204与地层压力平衡。通向取样工具33的流路工具仍被阀205隔离，并充满处于流体静压力的流体。为了不向地层引入任何压力冲击，在打开流路203和阀组53之前使泵41运转，以减小线路75中的下游流路压力，直到它等于地层压力为止。一旦这种情况发生，就打开下游流路阀组53，并建立向取样探测器31的通信以开始抽吸。在取样操作开始时，将流体线路和平衡阀61启动(即，上部盒61a起作用)，并起动泵41直到传感器57所读出的压力等于由工具31中的传感器210所读出的地层压力为止，然后，打开取样隔离阀205。

回到图5的部分89，然后在在部分81、82、83和84中的一个或多个内确定的主要运行情况的控制下，根据部分87a中的所希望的泵参数更新泵的操作。如果所希望的泵参数满足运行情况，则利用所需的泵参数更新泵操作；如果不满足，则使用运行情况极限更新泵操作。如果达到了运行极限，则工具32可以将该信息通知给地面操作者。可以在部分94中通过遥测装置发送工具状态标志。操作者在该信息的检查时能改变泥浆流量，以增大涡轮37的速度和产生更大的井下功率。此外，增大的泥浆流量可以降低到达工具32的泥浆的温度，从而冷却工具32中的部件。

在部分90中，测量地层/井筒对工具32的取样的反应。具体地说，连同泵流量一起测量流路压力。然后，用工具模型计算出地层流量。如先前所述，泵流量可以接近地层流量。

除了测量的地层/井筒对工具32的取样的反应之外，可以使用流体分析模块54提供对算法的反馈。流体分析模块54可以提供不同波长的光密度，以监测通过泥浆滤液获得的抽出流体的污染等等，其中光密度例如能用来计算取样流体的油气比。其他用途包括流路中的气泡或沙检测，其可以由光密度的散射指示。

部分92a涉及将在部分90中测量的地层/井筒反应与部分87b的预期的地层响应(或反应)进行比较，该比较可以用来对取样协议/顺序92b进行细微调节。在一个示例中，可以将下降压差和地层流量与一线性模型进行比较。相对于线性趋势的压力下降或低于比例量的上升可以表明密封的丧失、流路中的气体等等，可以通过在流体分析模块中监测流路性质(如光学性质)确认这些事件。

此外，部分92a可以包括将在部分90中测量的流体性质的演变与预期的趋势如部分87b的模型的一部分进行比较。例如，能监测与污染有关的流体性质(如油气比)，相对预期趋势(本领域中通常所说的清扫趋势)的任何偏离都可以解释为密封的丧失，密封的丧失可能需要对取样协议/顺序92b进行调节，例如减小泵流量以便减小探测器封隔器两边的压差。其他事件可能需要对取样协议/顺序进行调节。

在另一个示例中，在部分90中监测流体性质以检测进入工具的样品流体是否以单相方式进入，即取样压力不低于储层流体的泡点或露析出压力。流体性质应该对气泡或流体中固体的存在敏感。当下降压力在部分90中无意中降得太低时，流体光密度、流体光学荧光性和流体密度或粘度是能用于早期气体或固体检测的性质。

在又一个示例中，流体性质的演变也可以用来校正污染模型。通过使用从本领域获得的方法，能使用更新的模型预测实现目标污染水平所需的时间。在另一个示例中，监测流体性质并检测其平稳性，且其平稳性用来通知地面操作者：抽吸的流体很可能未被污染，并可以存储样品。

在部分91中，测量泵系统的临界温度，其尤其可以包括交流发电机38的温度、大功率电子设备温度和电动机温度。在部分93中，将在部分91中测量的温度与极限值例如预定的极限值进行比较。为了说明的目的，假定在部分91中测量交流发电机温度。如果该温度太高，则可以在部分93b中减小电动机转速极限，以便减小从交流发电机38获得的功率量和在交流发电机38中产生的热量。在另一个示例中，可以在部分91中测量电动机驱动器的温度。如果该温度太高，则可以减小电动机转速极限以便减小电动机35所需的转矩，从而减小由用来驱动电动机35的电流产生的热量。

在部分94中，可以发送到地面操作者的数据包括地层压力和计算出的泵速率实际值。通常由泥浆遥测装置实现向地面的传输。可以传输到地面的其他值包括流体流动数据、累积取样体积、来自流体分析器54的一个或多个流体性质以及工具状态，在取样操作过程中将通过遥测装置发送的数据进行编码/压缩，以使工具31/32和地面之间的通信带宽最优化。也可以在井下将工作数据存储在非易失性存储器(闪速存储器)上，以便稍后在回到地面时进行检索和使用。

图6图示出执行图5中的方法的一个示例。控制回路包括两层级联的控制回路系统。控制结构对于等速电动机调节是典型的。所提出的工具体系结构的优点是泵速率直接与电动机结合，且因此能以非常高的分辩度测量和控制泵速率。分辩度取决于电动机位置测量工具。与电动机相连的分解器输出高分辩度的电动机位置信息。能根据电动机位置信息和系统传输常数计算出实际的泵流量Q_实际。能根据电动机相电流和电动机位置信息计算出电动机转矩实际值τ_实际。

内层在测量的位置调节转矩；外层调节电动机转速从而调节泵速率。控制回路中的启动器(或致动器)以非常快的动态响应运行。地层的动态特性比泵控制慢得多。

取样率优化器105设定理想的取样率协议/顺序，并对地层特性的任何变化如由传感器57检测到的流路压力下降作出反应，或对吸出的流体的性质的任何变化如由光学流体分析器55检测到的流路中的气体作出反应。取样率分析器105也可以不断地修改地层模型。取样率优化器105将理想的/最佳的/所希望的流量供给到限速器104。

限速器104跟踪系统的温度，并根据泥浆循环预测最大可用功率。限速器104限制理想的/最佳的/所希望的流量以使得抽吸系统所使用的功率不超过最大可用功率(例如在0.8的安全系数内)和使得系统不会变得过热。PID(比例、积分、微分)调节器109根据泵速率设定值Q_设定和计算出的泵速率实际值Q_实际之间的差值调节设定转矩τ_设定的值。转矩限制器110确保匹配设定取样率所需的转矩不超过滚柱丝杠最大转矩和与电动机驱动器峰值电流相应的转矩。PID(比例、积分、微分)调节器112将电动机转矩设定值Q_设定与计算出的泵速率实际值Q_实际进行比较。

为方便起见，在下面列出图5和6中使用的标记：

Q_设定：泵速率设定值

Q_实际：计算出的泵速率实际值

P_f：测量的流路压力

τ_设定：电动机转矩设定值

τ_实际：电动机转矩实际值

P_最大：跟踪的最大可用涡轮功率

PWM：脉冲宽度调制器

PID：比例、积分、微分调节器

最后，图7和8表示备选的马达FDU装置41a。马达41a是与齿轮箱或其他机械变速器48a相连的莫瓦诺型(Moineau)马达。齿轮箱48a由涡轮37a驱动，涡轮37a又由沿箭头17a方向流动的钻井泥浆驱动。泥浆输出口由附图标记120表示，而涡轮定子线圈由附图标记121表示。因而，泵41a不包括交流发电机。用电磁阀122控制流向涡轮37a的流体流，电磁阀122包括节流活门或锥形座123。调节节流活门123以控制流向涡轮37a的泥浆的流动，从而控制由抽吸单元41a抽吸的地层流体的流动。能以固定速率控制阀122，其优选地由嵌入软件的工具利用流量计124所测量的流量或吸出流体的压力进行自动控制。

泥浆单向阀以附图标记61a表示，而在通向井孔的出口处的流量计以附图标记124表示。将样品流体从泵41传送通过阀53a，阀53a在这种情况下是与以附图标记122表示的电磁阀相似的另一个电磁阀。流路75a通向以箭头62a-64a示意性地指出的样品室。探测器入口以附图标记31a表示，探测器入口31a带有橡胶封隔器124。还包含一传感器(未示出)，其监测被吸入工具中的流体的性质，如光密度、荧光性、电阻率、压力和温度。

作为备选方案，齿轮箱48a可以是无级变速器(“CVT”)，例如被做成带有滚柱的变速器，其传动比由嵌入软件的工具控制。在这里组合使用无级变速器和幕棘爪，齿轮箱48a还可以允许颠倒流动方向。图7的工具也可以用于注入过程。

现在看图8，图7的电磁阀122的备选装置以附图标记122a表示。马达125用来驱动其中带有口127的套管126使其与泥浆流路128对齐或不与泥浆流路128对齐。泥浆的流动路径总体上由箭头17b表示。

尽管仅仅阐明了某些实施例，但对本领域技术人员来说，根据上面的说明，各种替换方案和改变是显而易见的，这些和其他替换方案被认为是本公开和所附权利要求的等价方案，处于本公开和所附权利要求的精神和范围内。

Claims (25)

1.一种用于井下工具的流体泵系统，其与位于穿透地下地层的井孔中的管柱相连，所述系统包括：

泵，其由向下流过所述管柱的泥浆提供动力，所述泵与所述地层和所述井孔中的至少一个流体连通；

所述泵与控制器相连，所述控制器基于至少一个参数控制所述泵的速度，所述至少一个参数选自包括泥浆体积流量、工具温度、地层压力、流体流动性、系统损失、机械载荷极限、井孔压力、可用功率、电力负载极限及其组合的组。

2.如权利要求1所述的流体泵系统，其特征在于，所述泵包括：

容纳第一活塞的第一泵室；

容纳第二活塞的第二泵室；

所述第一和第二活塞连接在一起；

所述第一和第二泵室与阀组流体连通；

所述阀组与所述地层、所述井孔和至少一个流体样品室流体连通；

所述活塞与马达相连；和

所述马达与所述控制器相连。

3.如权利要求2所述的流体泵系统，其特征在于，所述活塞与行星滚柱丝杠相连，所述行星滚柱丝杠与变速器相连，所述变速器与所述马达相连。

4.如权利要求1所述的流体泵系统，其特征在于，所述泵与变速器相连，所述变速器与涡轮相连，所述涡轮与向下流过所述管柱的泥浆流体连通。

5.如权利要求4所述的流体泵系统，其特征在于，所述泵是莫瓦诺型泵。

6.如权利要求1所述的流体泵系统，其特征在于，与涡轮接合的所述泥浆的流量由与所述控制器相连的节流阀控制。

7.如权利要求1所述的流体泵系统，其特征在于，其还包括：

设置在所述泵和阀的第一侧之间的第一压力传感器；

设置在所述阀的第二侧上的第二压力传感器，所述第一和第二传感器与所述控制器相连，其中一旦由所述第一传感器获得的压力基本上相似于由所述第二传感器获得的压力，所述控制器就打开所述阀。

8.一种用于井下工具的流体泵系统，其与位于穿透地下地层的井孔中的管柱相连，所述系统包括：

由向下流过所述管柱的泥浆提供动力的涡轮；

与所述涡轮操作地相连的变速器；

与所述变速器操作地相连的泵；

与所述涡轮和泥浆流中的一个相连以感知涡轮速度与泥浆流量中的至少一个的第一传感器；和

控制器，其与所述变速器和所述传感器通信地相连，其中，所述控制器基于所述涡轮速度和所述泥浆流量中的一个调节所述变速器。

9.如权利要求8所述的流体泵系统，其特征在于，所述变速器包括交流发电机，所述交流发电机与所述涡轮和马达操作地相连。

10.如权利要求8所述的流体泵系统，其特征在于，所述变速器包括设置在所述涡轮和所述泵之间的机械变速器。

11.如权利要求10所述的流体泵系统，其特征在于，所述机械变速器包括操作地连接所述涡轮和所述泵的齿轮箱，所述齿轮箱包括多个能改变传动比的齿轮。

12.如权利要求10所述的流体泵系统，其特征在于，所述机械变速器是无级变速器。

13.如权利要求8所述的流体泵系统，其特征在于，其还包括设置在所述工具中并与所述控制器相连的第二传感器，其中所述第二传感器测量系统参数。

14.如权利要求8所述的流体泵系统，其特征在于，其还包括设置在所述工具中并与所述控制器相连的第二传感器，其中所述第二传感器测量地层参数。

15.如权利要求9所述的流体泵系统，其特征在于，其还包括与所述控制器相连的电流传感器和电压传感器中的至少一个，所述传感器设置在所述交流发电机和所述马达之间。

16.一种用于控制井下工具的泵的方法，所述方法包括：

给所述工具提供用于控制泵的井下控制器；

测量设置在井筒中的所述工具的至少一个系统参数；

基于所述至少一个系统参数计算所述泵的泵运行极限；

使所述泵运行；和

用所述控制器限制所述泵的泵运行。

17.如权利要求16所述的方法，其特征在于，其还包括测量至少一个地层参数。

18.如权利要求17所述的方法，其特征在于，其还包括基于所述地层参数获得所希望的泵参数，其中使所述泵运行包括基于所希望的泵参数使所述泵运行。

19.如权利要求16所述的方法，其特征在于，测量至少一个系统参数包括测量选自包括涡轮角速度、功率需要量、马达温度、系统损失及其组合的组的系统参数。

20.如权利要求17所述的方法，其特征在于，测量至少一个地层参数包括测量选自包括地层压力，地层流体流动性，地层渗透性及其组合的组的地层参数。

21.如权利要求16所述的方法，其特征在于，所述泵与马达相连，而所述系统参数包括所述马达的温度，且如果所述马达的温度超过一预定值，则调节所述泵的运行极限。

22.如权利要求21所述的方法，其特征在于，调节所述泵的运行极限包括调节所述泵的速度。

23.如权利要求16所述的方法，其特征在于，测量至少一个系统参数包括测量与所述泵相连的涡轮的速度和流过管柱的泥浆流量中的至少一个。

24.如权利要求23所述的方法，其特征在于，计算泵运行极限包括计算所述涡轮的功率输出。

25.一种操作用于井下工具的泵系统的方法，所述泵系统与位于穿透地下地层的井孔中的管柱相连，所述方法包括：

用向下流过所述管柱的泥浆使设置在所述井筒中的涡轮旋转；

获得所述涡轮的功率输出；

用所述涡轮的功率输出使泵运行；

测量所述涡轮的速度；和

基于所述涡轮的速度，用设置在所述工具中的控制器调节设置在所述涡轮与所述泵之间的变速器。

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