CN101532385B - 用于抽取高粘度地层流体样品的方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供具有钻机的地层流体采样设备，其中钻机以垂直于或倾斜于井壁的方式钻入地层中。优选地该设备将一种机构引入钻孔中以增强储层流体的流动性。在一个实施例中该机构是钻机上的加热元件。在另一实施例中，该机构是在设备中产生并注入到钻孔中的热流体。在另一个实施例中，该机构是储存在设备中并通过该设备注入钻孔的溶剂。

Description

用于抽取高粘度地层流体样品的方法及装置

优先权

本申请要求于2006年9月18日提交的美国临时申请No.60/845332和2006年12月29日提交的美国临时申请No.60/882701的优先权。

技术领域

本发明广泛涉及油田勘探。更具体地，本发明涉及经由地层改变加快对地层碳氢化合物进行的井底(井下)采样的装置和方法。

背景技术

在勘探地下地层过程中采用的一项技术是获得井底的地层流体的样品。诸如MDT和CHDT(两者都是Schlumberger的商标)的设备对于获得和分析这种样品极其有用。

MDT设备或其他采样设备通常包括：协作地布置在一个或多个壁接合封隔器以内的流体进入端口或管状探针，其中壁接合封隔器用于使端口或探针与井筒流体隔离；通过流送管连结到流体入口的一个或多个采样室，其中流送管具有布置在其中的一个或多个控制阀；用于控制地层压力与采样室压力之间的压降的装置；以及用于获得关于流体的信息的传感器。采样设备的例子可以在属于Whitten的美国专利3104712号、属于Urbanosky的美国专利3859851号和属于Zimmerman等的美国专利4860581号中找到，这些文献通过引用全部结合于此。传感器可包括用于监测流体压力和温度的压力传感器。除此以外，可由OFA、CFA或LFA(全部都是Schlumberger的商标)模块提供光学传感器以确定准许进入设备的流体的相态、化学成分等。

CHDT设备的使用在许多方面类似于MDT设备的使用，但主要是用于下套管钻井中。CHDT设备包括利用钻探机构(参见，例如，“FormationTestingandSamplingthroughCasing”，OilfieldReview，Spring2002，通过引用全部结合于此)刺穿套管和在测试后堵塞套管的机构。CHDT设备可以可选地用于裸井中，例如具有如美国专利申请公开No.2005/0279499或美国专利公开No.2006/0000606中所示的改变，两者都属于本发明的同一受让人，且两者通过引用结合于此。

MDT和CHDT设备在它们通常的应用中用于获得具有低粘度的地层石油样品；典型地可达30cP.在特定的环境下，具有更高粘度的石油已经被采样，但采样过程常常需要多次调整并且可能花费许多个小时。已经利用MDT或CHDT设备采样的石油的最大粘度被认为近似3200cP.

本领域技术人员可以理解的是更高粘度的碳氢化合物的开发变得越来越重要，因为传统的低粘度碳氢化合物储量被逐渐耗尽。抽取粘稠的石油样品用于油藏表征非常具有挑战性，因为具有更高粘度的石油具有很低的流动性。因此，根据现场的环境，粘稠的石油很难泵送出地层。实际上，这些石油的低流动性常常导致非常长的采样时间或使得不可能取回代表性的样品，例如，由于乳状液(emulsion)的形成。在一些情形中，这些石油的低流动性甚至使得取样不可能。除此以外，如果采样时间太长，就加大了设备卡在井中的可能性。

已经提出用于抽取重油和沥青的设备和技术，例如国际申请公开No.WO2007/048991所示，属于本发明的同一受让人，并通过引用结合于此。

尽管在采样端口上面和下面安装在采样设备上的跨式封隔器或大直径的封隔器能够促进石油流入采样设备，但仍存在对于能够用于抽取粘稠碳氢化合物等的样品的采样设备和采样方法的需求。

发明内容

因此本公开的目标是提供加快地层碳氢化合物的采样，尤其是，但是不排他地，加快高粘度碳氢化合物的采样的设备和方法。

根据以下将要详细说明的该目标，本公开的设备具有用于以垂直于或倾斜于井筒的方式在地层中钻孔的装置。在一个优选实施例中，设备还包括引入钻孔中用于增强储层流体的流动性的手段。在一个实施例中，用以增强流动性的手段是用于钻孔的装置上的加热元件。特别是，用于钻孔的装置自身可以是电阻式加热器或者可以由电阻加热器代替。在另一个实施例中，用于增强流动性的手段是由该设备产生并注入钻孔中的热流体。在另一实施例中，用于增强流动性的手段是溶剂，其储存在该设备中并通过该设备注入钻孔中。在另一个实施例中，用于增强流动性的手段是以与地层碳氢化合物流体，原生水或注入流体的分子运动模式的吸收频率一致的频率发射电磁辐射的发射器。在另一个实施例中，辐射可以是以无线电频率或以kHz量级的频率发射以使得钻孔附近的地层被加热。在另一个实施例中，将热管或传热装置插入钻孔中的装置被包括在该设备中且热能从该设备传送到地层以加热石油。热量可以在设备内部通过各种方法产生。在另一个实施例中，用于增强流动性的手段是声换能器，其直接或间接激励石油或附近流体。在另一个实施例中，用于增强流动性的手段是放热反应。该反应可以在设备内部在两种反应物之间启动。可选地，反应可以利用与试剂一起注入的粒状催化剂在钻孔中执行。特别地，反应物可包括过氧化氢。任选地，该反应可包含在反应过程中不消耗的催化剂。作为放热反应的一个特殊类型，一些实施例使用燃烧。燃烧可包含随着设备带入井底或从地层萃取的流体或气体。特别地，就地(受控的)燃烧可用作用于增强流动性的手段。

本公开的设备实施例可以与方法相结合地使用。在一个方法中从井筒到地层中钻入单个的孔。钻孔时或钻完之后，可与钻孔装置一起或者单独地输送用于增强储层流体的流动性的手段至地层，例如引入所钻的孔中。储层流体然后通过钻孔或者通过与钻孔附近的地层接触的采样探针从地层引出。另一个方法中，从井筒到地层中钻入至少两个孔。用于增强储层流体流动性的手段可输送到地层中，例如引入至少一个孔中。然后储层流体通过另一个孔或者通过两个孔，或者通过与钻孔附近的地层相接触的采样探针从地层引出。在另一个方法中，从井筒到地层中钻入至少两个交叉孔。用于增强储层流体的流动性的手段可输送到地层中，例如引入至少一个孔中或者通过孔循环，且储层流体经由任一个或两个孔，或者通过与钻孔附近的地层相接触的采样探针从地层引出。

通过结合附图参考详细说明，本发明的其他目标和优点对于本领域技术人员而言是显而易见的。

附图说明

本发明还可参考附图通过举例的方式说明，其中：

图1是经由井中的钢缆配置并连接地面设备的系统的示意图；

图2是具有地层钻孔装置的采样设备的示意图，表示在井底部署并准备好使用。

图2A是在井底部署并根据本发明某些方法使用的图2所示的采样设备的示意图；

图3是具有地层钻孔装置的可选采样设备的示意图；

图4是设备，例如图3所示的设备的封隔器部分的示意图，具有安装在钻轴上的加热元件；

图5是设备，例如图3所示的设备的可选封隔器部分的示意图，具有钻轴中的流送管；

图6A是设备，例如图3所示的设备的封隔器部分的示意性断面图，在钻轴周围具有带有防护的采样封隔器；

图6B是图6A所示的有防护的封隔器的示意性前视图；

图7是具有地层钻孔装置的另一采样设备的示意图；

图7A是图7所示并根据本发明某些方法使用的设备的附加部件的示意图；

图8A是能够通过从热源输送热来增强储层流体流动性的采样设备的示意图；

图8B是能够通过从热源输送热来增强储层流体流动性的另一采样设备的示意图；

图9是能够通过利用一个或多个电极输送热来增强储层流体流动性的设备的封隔器部分的示意图；

图10是能够通过利用一个或多个感应线圈输送热来增强储层流体流动性的设备的封隔器部分的示意图；以及

图11是能够通过利用超声波发射器输送热来增强储层流体的流动性的设备的封隔器部分的示意图。

具体实施方式

现在转向图1，表示了储油勘探(井筒测井)系统的主要部分。尽管可以位于线圈管材的末端，井筒设备或探测器10表示为通过钢缆12悬挂在地层11的井筒14中，尽管其可以定位于挠性管末端，连接到钻杆，或者利用部署井筒设备的行业中使用的任何其他装置来部署。钢缆12不仅实际地支撑井筒设备10，而且通常还经由钢缆12从井筒设备10发送信号至定位于地面的设备16。除此以外，钢缆12经常用来将电源从地面供应到井筒设备10。定位于地面的设备16可包括信号处理器、计算机、专用电路等本领域公知的部件。通常，设备/信号处理器16接收由井筒测井系统10发送到井上的信息，处理该信息，并产生合适的记录比如显示测井记录18等。适当地，信息还可以显示在屏幕上并记录在数据存储媒质等上。

现在转向图2，根据本发明的设备10的第一实施例示意性地表示在地层11的井筒14内部。设备10包括可朝向井壁14a延伸到设备外部的两个封隔器20，22。每一个封隔器20，22包围相应的钻孔装置24，26。合适的封隔器包括如美国专利申请公开No.2006/0000606中所示的封隔器。可选地或附加地，可使用可膨胀的跨式封隔器(未示出)。合适的钻孔装置可以在以上提及的CasedHoleDynamicsTester(CHDT)设备中找到。每一个钻孔装置包括钻头24a，26a和相应的钻轴24b，26b。根据本发明的一个实施例，钻轴24b，26b被环形流体流动空间24c，26c包围。流体流动空间24c，26c由流送管24d，26d联接到相应的泵28，30。泵28，30通过相应的流送管28a，28b，28c，30a，30b，30c联接到相应的阀32a，32b，32c，34a，34b，34c。阀32a，32b由相应的流送管36a，36b联接到相应的流体容器38a，38b。阀34a，34b通过相应的流送管40a，40b连接到相应的流体容器42a，42b。阀32c和34c通过相应的流送管45和47联接到周围环境(例如井筒)。任选的流体分析器(FA)48a联接到泵30并能够除其他以外监测在封隔器22处汲取并流出泵30的流体的特性。另一个任选的流体分析器(FA)48b联接到泵28并能够除其他以外监测在封隔器20处汲取并进入泵28的流体的特性。流体分析器能够在原地测量流体特性并可包含一个或多个压力传感器、温度传感器、电阻和/或电导率传感器。可通过如上讨论的OFA，CFA或LFA，或者通过能够测量流送管中的流体的荧光性的传感器来提供光学传感器。可选地或附加地，流送管中的流体的密度和/或粘度可通过本领域中已知的一个或多个传感器来测量，包括基于超声波和NMR测量原理的传感器。基于超声波的传感器的一个例子是包括振动物的粘度计，特别是美国专利申请公开No.2006/0137873中所述的传感器。注意流体分析器相对于泵和封隔器的位置可以针对设备10的不同应用通过本领域已知的模块化设计而改变，并且可设置在泵的两侧。优选地提供电子装置44以控制阀、泵和钻孔装置，以便于地面设备进行通信(图1中的16)，和/或协同任选的流体分析器48a-b和/或其他传感器(未示出)分析流体容器的内容物，等。

现在参考图2A，根据一个方法，设备10的封隔器20，22延伸到设备以外以接合井壁14a，且优选地沿着井壁密封一个或多个位置。钻孔装置24，26这样被启动以使得钻头24a，26a通过井壁14a的隔离位置在地层11中钻孔11a，11b。当设备10这样部署时，环形流体流动空间24c，26c与地层11中的孔11a，11b以可流通流体的方式相通，并实质上相对于井筒中的流体密封。根据该第一方法，阀32a，32b被打开且泵28被启动以使得流体容器38a和38b的内容物被抽吸到流体流动空间24c中，通过封隔器20并进入孔11a中。容器38a和38b中的内容物可这样来选择，使得它们相互发生放热反应，如共同拥有的美国申请序列号11/562908中所披露的那样，其通过引用整体地结合于此。热流体进入多孔地层11中并使其附近的地层流体流动。然后泵30被激活以从孔11b中提取流动的地层流体。通过泵30提取的流体可通过光学分析器48a送出以便确定它们是否应被储存或清除。如果它们要被储存，那么打开一个或多个阀34a，34b且流体被送至一个容器或两个容器42a，42b以便储存。如果最初或后来，提取的流体要被清除，打开阀34c。当想要移动设备10时，钻孔装置24，26缩回设备中，封隔器20，22脱离与井壁的接合。然后设备10可移动到井中的另一位置，或者被带到井上以便样品能够在井上存取和分析。

根据可选的实施例，设备10可用于原地(受控)燃烧。在该被选实施例中，可使用至少两个钻孔，例如图2A中的孔11a和11b所示。在第一个例子中，原地燃烧是在第一孔(例如11a)中引发的。空气、氧气或空气与氧气一起例如可利用泵28抽取到第一孔中以维持燃烧过程。空气或氧气的注入速度可由设备来改变，例如控制燃烧速度。此外，也可以在第一孔中抽吸水蒸汽或水以控制燃烧前沿温度。燃烧可消耗一些本地的石油并产生热、燃烧气体和水蒸气。可选地，或附加地，碳氢化合物可混合到空气或氧气中并与空气或氧气一起注入。注入的混合物也可以维持燃烧过程。氧气相对于碳氢化合物的比例可以控制为使得混合物的化学成分在燃烧边界以内。

燃烧产物可减小石油的粘度并用来驱动燃烧前沿的石油。特别是，部分地层石油可向第二钻孔中被驱动，在该第二钻孔它可以被抽吸到设备中。为了有助于采样过程，第二孔(例如11b)可例如使用泵30保持在低压。产出的石油的成分例如可以在流体分析器48a处被监控以确定何时选择性地对例如流体容器42a或42b中所产生的流体采样。引发燃烧的孔中的燃烧产物也可以被监控，例如它们在设备中被采样并在流体分析器48b处分析。由燃烧产生的热可由温度传感器记录以控制井底燃烧过程的效率和/或收集基本反应过程数据。温度传感器可以位于流送管(流体分析器48a的一部分)中，或者如本领域公知的那样远程地部署(未示出)在地层中。由设备上的传感器收集的数据可用来模拟或仿真大规模原地燃烧过程，如例如在储油勘探中所使用的那样。

在原地引发的燃烧的第二个例子中，空气/氧气可以注入到一个第一钻孔中且燃烧可在一个第二钻孔中引发。必须将空气/氧气注入到在其中引发燃烧的第二孔中，以便使反应维持一些时间直到燃烧通过注入在第一钻孔中的氧气来维持。在该方法中地层天然石油从燃烧前沿的上游朝向在其中引发燃烧的孔移动并通过燃烧前沿和燃烧过的区域，并且在此过程中分解和精制成较重和较轻的成分范围，较重的成分，最可能留在后面作为残渣。在使用该方法时，优选地确保地层对于空气/氧气有充分的初始渗透性，从而空气/氧气可以到达反应前沿并致使燃烧前沿向着氧气被注入的第一孔传播。不过，该燃烧过程的本性是随着时间提高对于注入气体的渗透性。如前所述，可收集信息来既控制反应动力学又集中基本的物理和性能数据以便后来在建模勘探过程的物理/化学模型所用。

空气、氧气或它们的混合物可通过单独的管道(未示出)从地面抽吸到设备中或者可以在设备内部经由化学的制氧工艺和/或反应在井下产生。可选地，空气或氧气可储存在一个流体容器(例如38a或38b)中并输送到地层。此外，蒸汽或水也可以从地面通过单独的管道(未示出)抽吸到设备中或者可以在设备内部输送到井下。

利用相同的设备10，可以实施其他方法。例如，容器42a可被填充在井下通过加热元件(未示出)或通过前面结合的SN11/562908中所述的任何技术产生的热流体。该热流体注入到孔11b中，然后流动的地层流体可以通过使泵30反转而从孔11b中提取。从孔11b中提取的流体然后可以在一段时间内在流体分析器(FA)48a中分析以便确定它们是否应该被储存或者被清除。例如，最初从孔11b提取的流体可包含大量的注入热流体，且该流体可经由流送管30c，阀34c和流送管47排到井筒中，或者再注入到地层中。一段时间以后，被提取的流体可以是基本上纯的地层流体(这里定义为90％或更纯)。如果想要采样基本上纯的地层流体，该流体可以被输送到先前空的容器，例如，容器42b。

本领域技术人员将会理解，由于仅需要对单个孔执行注入和流体提取，根据设备的另一个实施例，仅需要单个钻头、封隔器、泵等，而不需要如图2和图2A所示的两个。实际上，即使在想要两个孔的情况下，仅需要单个钻头、封隔器、泵等，因为可以钻第一孔，流体被注入该孔，然后设备移动，随后可以钻第二孔以便采样。也可以理解的是在提供单个钻头的情况下，包括两个封隔器或者一个封隔器与一个探针、两个泵等也是理想的。通过具有附加的封隔器或探针，如下文所述，更易于采样从钻孔流走的地层流体。

因此，根据另一方法，设备10的一个容器可包含流动性增强剂，例如但不限于混相溶剂，比如卤代物或者极化的通常为液态的碳氢化合物，最优选的是沥青在其中溶解的氯化溶剂，或者热水，或者蒸汽，或者二氧化碳。其他容器可用来收集不同地层位置处的流动地层流体。例如，设备10可以安置在井筒中并用来穿过井壁钻入地层中以产生孔11a。储存在容器38a中的流动性增强剂可通过使用泵28注入到孔11a中。一段时间以后，如果想要的话，泵28可反转，并且例如，基于由流体分析器(FA)48b收集的信息，流动的地层流体可以经由孔11a被收集并储存在容器38b中或者按照意愿被清除。与此同时，或在更早或更晚的某个时间，如果想要的话可以启动第二泵30以便经由封隔器22在从孔11a除去的第二个位置处从地层抽吸流动地层流体。这些流体又按照意愿被储存或清除。在想要的采样完成以后，设备10可移动到另一个位置，且可以启动一个或两个泵28和30以从地层抽吸可能已经通过注入流动性增强剂到孔11a中而被驱使流动的另外的地层流体。

如图2A所示，在一个实施例中钻孔基本上垂直于井壁14a。不过，如以下参考图7和7A更详细地说明的那样，可以相对于井壁倾斜地钻孔。根据任何一种方法，用于增强流动性的流体可以是在下降设备到井下之前在地面变热或者按照需要在井下变热的热流体。可选地，来自地面的热流体可以经由管道(未示出)进给到井下设备。溶剂或热溶剂也可以用来增强流动性。获得的样品可以传送到地面以便分析和/或可以在井下利用光学分析器或其他设备分析。

尽管图2和图2A已经说明了流体注入位于流体收集的上方，但本领域技术人员可以理解的是那些位置可以颠倒。此外，尽管已经说明了利用图2和图2A所示的设备的特定方法，但其他方法也可以采用。例如，可通过孔11a和11b注入流动性增强流体直到获得充分的流动性以允许采样。根据另一种方法，仅在注入位置钻孔且样品从多孔的井壁位置获取。

现在转向图3，表示了根据本发明的第二实施例的设备110。该设备包括具有轴125的钻头124。钻轴125优选地设有轴导承(shaftguide)130。钻头124由电动机132驱动。电动机132和钻轴125可通过移位机构140从设备延伸或缩回到设备中。这种移位机构包括例如结合到导螺杆的旋转电动机。钻头和钻轴被封隔器119包围。封隔器119可通过启动调整活塞150a-150b而放置成与井壁(未示出)密封接合。可选地，设备110可配备安装在背板上的可延伸的封隔器，如图2和2A示例地表示。如本领域技术人员理解的那样，地层流体可流过钻轴125与封隔器119的环状空间126进入设备110。在该例中，泵134用来产生设备与地层之间的压差。于是，地层流体的流动通过提高压差来增强。

如图3所示，电动机132由电源136供电，该电源也可以给加热元件(未示出)和用于收集地层流体的泵134供电。这种电源可包括，例如，强大的化学源比如蓄电池或燃料电池，由涡轮驱动的交流发电机，在钻探型设备等的情况下该涡轮自身被循环的井流体的流动驱动。本领域技术人员将会理解如果供电需求可以通过井上设备满足并经由例如悬挂设备的钢缆(参见，图1中的钢缆12)传导至设备的话，电源不是必需的。

尽管在图3中没有示出，设备110可以包括多个钻头，一个或多个钻头上具有加热元件。除此以外，设备110可配置图2和2A所示实施例的全部或某些方面，包括但不限于流体流动性增强剂(流动性增强装置)，多个泵，容器，阀，流体分析器(FA)，等。此外，设备110可配置下文所述的图4或5所示的全部或某些方面。此外，设备110可与以上参考图2和2A所述的任何方法结合使用。类似地，设备110的一些组成部分可用于激励和配置图2和2A所示的设备10的钻头24a和26a。

图4更详细地表示例如类似于图3所示的设备110的设备110’的探针部分。加热元件127设置在轴125’的周围。该加热元件可包含缠绕在轴125’周围的电阻线。钻头和钻轴被封隔器119’和封隔器背板121包围。钻头124’延伸到设备110’以外，同时穿过井筒的泥饼壁14a进入地层11钻孔。钻头可以利用轴导承130’由设备110’引导。

根据可选的实施例，加热元件127可包含发射电磁辐射的天线或线圈。应注意的是电磁辐射的频率可从kHz到GHz变化。电磁辐射能量被地层碳氢化合物流体、原生水或者通过设备110’注入到地层11中的流体部分地吸收。电磁辐射的频率可通过考虑以下因素来选择。吸能机理通常为偶极子弛豫。于是，吸能特性经常根据流体的不同而改变。流体的吸能特性与该流体的复电容率有关，该电容率可在实验室中测得。吸收最大值发生在对应于电容率的复合部分的最大值的频率附近。此外，还应该注意的是电磁波的穿透性随着增大频率而降低，且吸收率大约是穿透深度的倒数并随着频率降低而降低。在某些情况下，能量吸收在与除偶极子弛豫外的分子运动模式的吸收频率一致的频率下比较显著。

在一个例子中线圈缠绕在轴周围并在围绕孔129的地层11中产生电流回路(currentloop)。根据另一可选的实施例，加热元件127可由直接或间接地刺激石油或邻近的流体的声学传感器(例如超声)代替。例如，超声传感器127可使钻头124’轴向振动并在地层11中产生声波。如图3所示，加热元件或声学传感器127可位于钻孔装置的轴125上。在这些结构中，本行业中已经使用的足够坚固的轴是可用的，即使对于在退出设备之后立即垂直于井筒地钻孔不可能。

根据一个示例性的方法，设备110’可用来在地层11中钻孔129。孔129附近的石油的流动性可通过利用元件127输送热和/或振动到地层11来增强。例如，加热元件127可通过设备110’的电控制来启动并用作流动性增强器以便加速地层流体的流动。本领域技术人员将了解，地层流体可流过钻轴125和孔129之间的环形空间126’进入设备110’。封隔器119’优选地压靠着地层以便使环形空间126’与井筒中的流体密封隔离。

图5表示根据本发明的第三实施例的设备210的探针部分。在这里设备包括具有轴225的钻头224，该轴具有延伸穿过轴225并延伸到钻头224以外的流体通道227。如图4所示，流体通道227的末端形成角，从而它没有延伸到钻头224的极尖端以便不削弱钻头。钻头和钻轴由封隔器219和封隔器背板221包围。该钻头用来穿过井筒的泥饼壁14a并进入地层11钻孔229。增强流动性的流体经由流体通道227注入地层11中。地层流体经由轴225与孔229之间的环形通道226收回。任选地，压缩式封隔器240靠近钻头224设置在轴225上以使钻头与环形通道226隔离。

根据一种方法，图5所示的探针部分可用来分析包含在地层11中的石油的原地燃烧。钻头224和钻轴225用于在地层11中钻单孔。流送管227用来注入氧气或空气，从而维持地层石油的燃烧反应。流体从环形空间226收回。收回的流体可由反应产物、分解/裂化的石油等组成。不过，收回的流体的成分被关注且可能对模拟原地燃烧的领域的技术人员有用。实际上，在野外勘探之前收集有关井下条件下的原地燃烧的信息被认为没有可行的方法。

尽管没有在图5中示出，设备210可包括多个具有一个或多个钻头，其中一个或多个钻头具有流体通道延伸穿过其中的轴。此外，设备210可配置图2和2A所示实施例的全部或某些方面，包括但不限于流体流动性增强剂或增强装置、多个泵、容器、阀、流体分析器(FA)等。类似地，设备210可配置下文所述的图3所示实施例的全部或某些方面。此外，设备210可与以上参考图2和2A所述的方法结合使用。此外，钻孔装置和流送管可以是设备中的分离元件，例如美国专利申请公开No.2005/0279所示的那样。

图6A和6B表示有防护的采样封隔器319’c，其具有居中定位的钻孔元件319’d，该钻孔元件被环形采样管319’e包围。钻孔和采样管由用来防止环形采样管319’e和环形防护管319’g之间发生液压连通的柔性的隔离元件319’f和外部隔离元件319’h包围，两者都表示成安装在背板319’k上。可适用于控制有防护的探针319’c的液压电路表示在公开的美国专利申请No.2006/0042793中。

有防护的封隔器319’c在实施本发明的一些方法时尤其有用。例如，当地层已经被不太粘稠的泥浆滤出液(例如水)侵袭时，有防护的封隔器可用来采样粘稠的石油。有防护的封隔器319’c具有在采样管319’c中非常快速地采样原生地层流体的优点。一方面，由钻头319’d钻的孔可从旁路绕过至少一部分被泥浆滤出液侵袭的地层区域。由此，原生地层流体突破并到达采样管319’c所需的时间可以缩短。另一方面，防护管319’g可用来从采样管319’e汲取泥浆滤出液，由此减少由于流体的泥浆滤出液进入采样管319’e而导致的污染。这样，即使在粘稠地层流体和不太粘稠的泥浆滤出液的不利条件下，有防护的封隔器319’c也能够相对于现有技术的探针在缩短的时间内获得纯洁的样品。

在其他方法中，有防护的封隔器319’c可用来注入流动性增强剂，或者通过采样管319’c，或者通过防护管319’g。连续地或同时地，流体可通过采样管319’e或通过防护管319’g汲取到设备中。

尽管在图6A和6B上基本上表示为圆形，但有防护的封隔器319’c可具有任何形状，例如在设备纵轴线上伸长的形状。此外，尽管在图6A和6B中防护管319’g的端口表示为完全包围采样管319’e，但防护管端口可包含多个部分地包围采样管端口的端口。

现在转向图7和7A，设备的第四实施例310包括两个钻头324a，324b和结合到相应电动机332a，332b的相应钻轴325a，325b，电动机由电源336供电。钻头布置成在地层11中以相对于井壁14a成倾斜的角度的方式钻两个孔329a，329b。在一些情况下，钻轴可利用轴导承倾斜或定向。在另一些情况下，可优选地施加力到钻头的一侧上，如关于良好定向的钻孔系统所已知的那样。力可以在基本上恒定的方向上施加且该方向不应该随着钻头旋转而旋转。可以以这样的方式钻孔，使得它们在地层内部如图7A所示地交叉。设备310还包括经由阀(未示出)结合到相应容器332，334的流送管320和322。设备310优选地设有封隔器319a，319b，钻头324a和324b延伸通过封隔器并且封隔器建立了密封从而流送管320和322与孔329a，329b以可流通流体的方式连通。

根据使用设备310的一种方法，流动性增强剂经由流送管320和探针324从容器332输送到孔329a。流动的地层流体然后通过孔329b流入探针326并通过流送管322流入容器334。

根据可选实施例(参见图7A)，具有封隔器319c的附加探针327布置在探针324，326之间。探针327经由流送管327a联接到容器332。在该实施例中，流体可以通过探针327在井壁处收集。由探针327收集的流体的组成可由流体分析器(未示出)或其它传感器分析。由探针327收集的流体可任选地经由阀(未示出)再循环至容器332中，尤其是在流体主要是流动性增强的流体的情况下。如果流体主要是地层流体，那么该流体可以经由阀(未示出)通过流送管322a运送到容器334。根据另一可选实施例，没有采用第三探针。不过，流入探针326的流体由流体分析器(未示出)或其他传感器分析。如果流体主要是流动性增强流体，那么该流体可任选地经由阀(未示出)和流送管322a再循环至容器332。如果流体主要是地层流体，那么该流体可经由阀(未示出)运送到容器334。

根据另一方面，图7A的设备310也可布置成使得流动性增强流体利用所有三个探针324，326和327注入地层中。流体进入和离开设备310的流动可利用泵或压差来增强。

根据另一方面，设备310的钻头324a，324b可配置图2，3，4和5所示的一个或多个钻头24，124，124’和224的一个或多个方面。此外，设备310可设有图2和2A所示实施例的其他方面的全部或一些，包括但不限于多个泵、多个流体储存容器、多个阀，等。此外，设备310可与以上参考附图2和2A所述的任何方法结合使用。

现在参考图8A和8B，更详细地说明能够输送热以增强地层流体流动性的采样设备。设备800(图8A所示)和800’(图8B所示)分别利用钢缆850和850’运送到井底。设备800和设备800’包含采样系统。如图所示，采样系统可至少包含可延伸的封隔器830，830’，以便分别在地层11与设备800和800’之间建立可流通流体的连通。井底泵832和832’分别经由流送管831和831’液压地联接到封隔器830和830’。泵可用来促进流送管831或831’中的压力降低至地层压力以下，同时使泵出口处的压力保持在井筒压力以上。阀833a，833’a可通信地分别联接到控制器841和841’，且可用来选择性地清除井筒14中的泵送流体。类似地，阀833b，833’b可通信地分别联接到控制器841和841’，且可用来选择性地分别输送泵送流体至流体容器834和834’。设备800，800’还分别包含分别机械地结合到钻轴812，812’的钻头810，810’。钻轴812，812’由电动机(未示出)操纵以分别在地层11中钻孔811，811’。电动机可通过井底蓄电池840，840’或经由钢缆850，850’或它们的组合来供电。在这些实施例中，孔811，811’可用来把热更深地输送到地层11中，这样，增强了采样封隔器830，830’邻近区域中的石油流动性，从而加快了采样过程。

现在特别地转向图8A，设备800构造成通过热传导将热输送到地层11。设备800包含热源820。热源820可以是井筒流体、由通过钢缆850或蓄电池840提供的电流供电的电阻加热器、进行发热化学反应的化学反应器或者设备800中的某些功率电子装置，例如给泵832供给能量的功率电子装置。任选地，来自热源820的热流动可利用经由任选的换热器821热联接到热源820和钻轴812的热泵822来控制。热泵822可以可通信地联接到基于由传感器842提供的温度测量而控制加热处理的控制器841。可选地，传感器842的测量结果可以经由钢缆850遥传到地面，在地面可以由地面控制器或地面操纵器利用这些测量结果来监控和控制加热和/或采样过程。在该实施例中，钻轴812优选地包含由良好的热导体构成的一部分(没有单独示出)，例如铜或铝。该热导体可进一步包含工作流体，例如水，且可起到热管的作用。在热源820产生的热然后可通过由箭头823a至823f所示的示意性路径传送到地层11。传送到地层的热升高了地层中石油的温度。石油温度的升高转换成粘度的下降，从而流动性增强。流动的石油可以由探针830采样并储存在流体容器834中并被带到地面，例如用于进一步的分析。

现在转向图8B，设备800’构造成通过热对流把热传送到地层11。设备800’可包含热联接到在轴812’中的流送管868中循环的井底流体860a的井底热源820’，例如在图5中更详细地表示的那样。根据其温度和压力的不同，井底流体可以是水或蒸汽。井底热源820’可类似于图8A中所示的井底热源820。设备800’也可以包含类似于图8A所示的换热器821和热泵822的任选换热器821’和任选热泵822’。井底流体860a可储存在设备800’中的井底罐861a中。井底流体860a可以经由井底泵862a加压并注入孔811’处的地层中。有井底热源820’产生的热然后传输到流体868，如由箭头823’a和823’b示意性地所示。然后热由流体传送到地层，如箭头823’c至823’f所示。可选地或附加地，可从地面提供注入流体，如储存在地面储罐862b中的地面流体860b。地面流体可选地或附加地由地面泵862b加压。地面流体可选地或附加地在地面由加热器865加热。地面流体经由与流送管868以可流通流体的方式连通的管道864输送到井下。应该理解的是井底流体、地面流体、井底泵、地面泵、井底加热器和地面加热器的任意组合可在该实施例中有益地使用，且可以根据操作条件比如地层的深度、所要采样的流体的预期粘度等来选择。

尽管图8A和图8B表示在地层11中的孔811或811’处输送的热，以及相对于井筒14的壁的多孔部分密封的采样探针，但应该理解的是可以在井壁处利用封隔器830，830’或跨式封隔器(未示出)来输送热，可使用例如图6A和6B中所示的实施例在井筒18中的孔处对地层流体采样。此外，应该理解的是送热点和采样点的相对位置可以颠倒，即采样点可以低于送热点，例如以便利用重力泄油。特别地，送热点和采样点可以位于相同的水平面上，例如钻头可以被封隔器端口包围。此外，由图8A和8B所示的设备钻的孔可以是倾斜的，如前面关于图7和7A所示的那样。

现在参考图9、10和11，应注意到在这些可选实施例中，流动性增强器为地层中传播的电流或波。这些实施例不需要在进入地层中的孔内实体地引入传送器来把流动性增强剂输送到地层中。例如在图9中，设备900的一部分表示成具有铰接垫912a和912b。这些垫可分别放置成利用已知的展开手段，比如臂911a和911b，通过设备抵靠着地层。不使用时，垫优选地隐藏在设备的外表面以下，例如在设备主体的开口910a和910b中。如图所示，垫可包括多个电极比如垫912a上的电极913a，914a和垫912b上的电极913b和914b。在一个实施例中，每一个垫上的电极可保持相同的电势，在每一个垫上的电极组之间施加电势差。该电势差可以是恒定的或者可以随着时间变化，并且通过地面或设备900中的电源提供。于是，电流在两个或多个垫之间，至少在地层的一部分中流动。在另一个实施例中，在同一垫上的电极之间施加电势差。这样，电流根据期望在电极之间流动。在两个实施例中，电流可优选地在地层的侵袭区中流动，尤其是如果泥浆滤出液比地层中的石油具有更好的导电性的话。在一些情况下，电流流动在地层中发热。如果地层中的流体移动的话，例如还利用从设备的注入时，流动性增强装置是通过热传导或热对流引入地层的热。

设备900也设有可延伸的封隔器920以便建立设备与地层之间的流体流通。封隔器可以可拆卸地联接到背板924上以有助于其更换。由弹性材料制成的封隔器920可包含用于防止封隔器在井筒和设备之间的压差下变形的内部支撑925。封隔器也设有凹部921和端口922以便当封隔器施加到井壁上时井筒流体在设备中流动。封隔器设有钻孔装置923，用于在井壁中钻孔。孔可用来有助于从设备900注入流体或者汲取设备900中的地层流体并获取样品。特别地，流体可以在地层中注入以便局部地改变地层的电阻系数并经由垫912a和/或912b提高加热效率。

尽管表示成具有电极，但垫912a和912b可选地可包括电磁天线、声学传感器、电阻或用于发热的其他元件中的任意一种。此外，加热垫可构造成具有一个或多个入口，通过入口在地层中钻孔。入口可以与设备以可流通流体的方式连通，从而地层流体能够被采样。此外，垫上的加热元件或电极优选地这样来布置，以使得热能够穿透进入地层的深度足以使对应于采样要求的一定量的石油流动且不限于每个垫两个加热元件或电极。类似地，可使用任何数量的垫且设备900不限于两个垫。

现在参考图10，更详细地表示能够通过利用一个或多个感应线圈输送热来增强储层流体的流动性的设备的封隔器部分。图10所示的封隔器包含可绕枢轴旋转地安装在井底设备(未示出)上的可延伸的活塞1001和1002上的背板1000。该背板1000支撑封隔器1020以便在封隔器被压靠在井壁(未示出)上时使井底设备的端口1012与井筒隔离。封隔器可设有钻轴1010和其末端处的钻头1011以便在地层壁中钻孔。该设备可以通过圆筒1003和端口1012与钻孔可流通流体地连通。

在图10中，线圈1021表示成嵌入封隔器1020主体中。线圈可具有任何匝数。线圈1021优选地通过例如设备主体中的交流电源(未示出)驱动。驱动频率可以具有kHz的数量级，或者无线电频率的数量级。如图10所示，线圈可以构造成包围钻轴1010并可用来产生基本上与地层中的钻孔(未示出)对准的交变磁场。由线圈感应的电流可以在地层中流动。在该结构中，电流线路通常是包围钻孔的圆形。

现在参考图11，以横截面的形式表示了能够利用超声发射器输送热来增强储层流体的流动性的设备的封隔器部分。如图11所示，封隔器1113被压靠在地层11上以便建立井底设备的入口1114与地层之间的流体连通。封隔器1113由通过柱塞1102和1101朝向井壁延伸的背板1100支撑。探针部分优选地能够利用安装在由设备操纵的钻轴1112的末端处的钻头1111在地层11中钻孔1110。

图11所示的背板1100还设有用于在地层中发热的超声波发射器。如图11所示，两个发射器包含压电圆片1121a和1121b。圆片可以在它们的厚度方向上极化并可通过设备在厚度共振频率或者附近被驱动。发射器还可分别包含适配层1122a和1122b，用于提高压电圆片(高的声阻抗)相对于地层(低的声阻抗)的声音耦合。适配层还可利用弹簧构件1121a和1121b压靠着地层，例如贝氏垫圈叠片(Bellevillewasherstacks)。应该理解的是尽管在图11中表示了两个发射器，但作为代替，可使用任何数量的发射器。

这里已经描述和说明了用于调整地层以便获得地层流体样品的方法和装置的许多实施例。尽管已经说明了特定实施例，但不意味着本发明局限于此，而是意味着本发明的范围可以如本领域所允许的那样宽泛并且可以同样地理解本说明书。

因此，尽管已经关于两个钻孔机披露了一些实施例，可以理解的是可以使用具有一个钻孔机的设备，如果仅要钻一个孔，或者如果设备在第一和第二钻孔位置之间移动的话。类似地，尽管已经表示了具有以相对于地层倾斜的方式钻孔的钻孔机的实施例，但可以理解的是能够采用相对于井壁成可控的角度的单个钻孔机。这样，可以形成第一倾斜孔，然后通过使钻孔机在设备以内移动或移动设备而使钻孔机移动到第二位置，且钻孔机重置成另外的角度从而可以形成可与第一孔交叉或不交叉的第二孔。实际上，第二孔可以垂直于井壁或相对于它倾斜。可选地，可使用穿孔机构而不是钻孔机来产生进入地层的一个或多个孔。例如，穿孔机构包括但不限于射孔枪。

此外，尽管本发明已经说明了当钻孔机在地层中就位时输送流动性增强剂或流动性增强装置至地层中，但可以理解的是，钻孔机可以在引入流动性增强剂之前从地层退出。于是，流动性增强剂的输送和地层流体的采样可以在钻孔机退回到设备内或者在钻孔机定位在地层中时发生。可选地，在其末端不包括钻头的轴可以在孔已经钻好之后引入到地层中并执行类似于具有钻头的轴的操作。此外，可以理解的是尽管本发明说明了以封隔器密封沿着井壁的位置，然后在隔离位置钻入地层中，但使用钻孔机钻入地层中而不首先用封隔器隔离钻孔位置也包括在本发明的范围内。这样，设备的钻孔机不需要定位在封隔器处或探针位置。利用从封隔器或探针移位的钻孔机，使用设备的方法可以这样来修改，以使得在钻孔后，钻孔机可以退回到设备中，然后设备可以移动以使封隔器或探针定位在孔处或其周围以便建立钻孔与设备之间的流体通道。一旦流体通道建立，本发明的任何所述方法都能使用。

本领域技术人员将理解的是设备还可设有备用锚定活塞或其他锚定装置。此外，尽管根据本说明书的设备的不同实施例表示为具有特定的特征，但具有在不同附图中出现的特征的井底设备，或将本公开中出现的特征与本领域已知的特征相结合的井底设备，应被认为在本发明的范围以内。特别是，结合了输送流动性增强剂的装置或手段的井底设备在某些情况下可被利用，例如，结合了两个或多个用于输送热的装置的设备。类似地，包含了包括本发明所述的一个或多个设备所示的特征的多个设备的系统也在本发明的范围以内。

此外，尽管针对通过钢缆运输的设备详细地描绘了本发明的实施例，本领域技术人员根据本发明给出的优点将会理解本发明的范围包括通过其他运输装置部署的设备。特别是，这里所讨论的设备和方法可以用于钻探情况下，即，当设备作为井筒组件的一部分运输/部署或在钻杆上时。在此例中，设备钻柱优选地配有电源和本领域已知且适于通过钻柱运输的模式的井底-地面遥测系统。另外注意由钻杆运输的设备可以或者可以不配备钻头并可选地可以用于评估井或储层。

最后，尽管本发明的实施例主要涉及从裸井进入地层中钻孔，但可以理解的是所述的装置和方法甚至在有套管的井筒中也可以使用。因此本领域技术人员将会理解可以对所提供的本发明进行其他方面的修改而不脱离本发明的主旨和所要求的保护范围。

Claims (21)

1.一种从被井筒横穿的地下地层获取流体样品的方法，该方法包括以下步骤：

使设备下降至井筒中，该设备包括通过设备的侧壁布置的至少一个穿孔机构和可流通流体地连接到样品容器的至少一个端口；

利用至少一个穿孔机构形成穿过井壁进入地层的第一孔；

增强地层流体的流动性，其中地层流体位于井壁与第一孔之间，其中增强地层流体的流动性的步骤包括从天线发射电磁辐射；以及

从地层获得流体样品，其中增强步骤和获得步骤中的至少一个步骤利用第一孔来实现。

2.根据权利要求1的方法，其中增强步骤和获得步骤都利用第一孔来实现。

3.根据权利要求1的方法，其中形成第一孔的步骤包括利用钻头在井壁中钻第一孔。

4.根据权利要求1的方法，其中增强流动性的步骤包括相对于井壁接合封隔器和衬垫中的至少一个。

5.根据权利要求4的方法，还包括加热封隔器和衬垫中的至少一个从而增强地层流体的流动性的步骤。

6.根据权利要求4的方法，还包括启动设置在封隔器和衬垫中的至少一个中的加热元件的步骤。

7.根据权利要求1的方法，其中增强流动性的步骤包括启动设置在设备中的加热元件的步骤。

8.根据权利要求1的方法，其中增强流动性的步骤包括将流体注入地层中的步骤。

9.根据权利要求8的方法，其中注入流体的步骤包括将流体注入第一孔中。

10.根据权利要求8的方法，还包括从地面提供流体。

11.根据权利要求8的方法，还包括混合至少两种井底流体。

12.根据权利要求1的方法，其中增强流动性的步骤包括将管延伸到第一孔中。

13.根据权利要求12的方法，还包括加热该管。

14.根据权利要求12的方法，其中获得样品的步骤经由管来执行。

15.根据权利要求1的方法，还包括穿过井壁进入地层形成第二孔。

16.根据权利要求15的方法，其中获得样品的步骤通过利用第二孔来实现。

17.根据权利要求1的方法，还包括在井筒设备中分析该样品。

18.一种用于从被井筒横穿的碳氢化合物储层获得地层流体的样品的装置，该装置包括：

设置在井底设备的侧壁上的至少一个穿孔机构，用于穿过井壁进入地层形成第一孔；

天线，该天线构造成发射电磁辐射以增强位于第一孔附近的地层流体的流动性；和

设置在井底设备的侧壁上的采样端口，该采样端口以可流通流体的方式连接到设置在井底设备中的容器。

19.根据权利要求18的装置，其中所述装置还包括设置在井底设备的侧壁上的注入端口，所述至少一个穿孔机构和第二穿孔机构中的一个在地层孔中形成第二孔，其中注入端口将流体注入第一孔中且采样端口从第二孔采样地层流体。

20.根据权利要求18的装置，其中所述装置还包括设置在井底设备的侧壁上的注入端口，注入端口以可流通流体的方式连接到位于地面的储罐。

21.根据权利要求18的装置，其中注入流体是空气和氧气中的至少一种以便引起原地燃烧。