CN102505939B - 基于压力脉冲的分层流体监测及取样装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于压力脉冲的分层流体监测及取样装置，在钻孔或套管内壁装有取样装置由封隔器系统、液体进样系统、气体进样系统、自动多通阀门、取样系统、温控等系统构成，压力脉冲系统中压力容器通过管路与阀门、阀门、压力传感器形成压力脉冲系统，并通过自动控制多通阀门与地下气体进样系统连接，液体进样系统与液体自动多通阀门连接，气体进样系统与气体自动多通阀门连接。通过压力脉冲判断地层内的流体状态，同时精确控制地下流体取样的层位，实现定温压条件下不同层位的气液流体的分别取样，提高取样的响应速率，特别是低流速条件下的精确取样。该装置、各个部件装配简单、适用钻井内多层流体状态监测和地下气液两相流体取样。

Description

基于压力脉冲的分层流体监测及取样装置

技术领域

本发明涉及深部地层内流体取样及监测领域，更具体涉及一种井下保真取样及监测装置，适合于地下流体的保真取样。

背景技术

地下流体(包括石油、油气、地下水、气藏、咸水、浅层水等地下流体)调查工作内容包括了解地下流体的特性与地质条件、流体的成分、浓度、分布范围及其在地下环境中的传输状况与变化趋势，以及流体对人民健康与生活环境所带来的潜在危害。在地下流体研究中监测与取样技术是科学研究和工程应用中非常重要的技术。各个企业与研究工作者非常重视各种流体取样技术，对取样技术也进行了深入地研究,并研制了多种取样器具。

目前有各种各样的取样技术，主要有：Bailer取样器、不连续间隔取样器、地下水取样泵及直接推进原位地下水取样用裸露过滤网型取样器、密闭过滤网型取样器、Waterloo取样器、U型深部取样器等各种类型的取样器。它们各有特点，但总的来说不能精确控制取样速率、取样量，也不能完全保证取样的温度和压力条件和取样状态一致，也不能知道地下流体的确切状态，特别是多相流体状态条件下流体性质的监测，例如：气液两相状态；同时无法满足对地下多地层开展取样的要求，多相低速流动状况下，进入钻孔内部的流体量不足以满足取样器最小取样容积情况下，如何剧烈扰动地下流场条件下取样，已经不能满足现代高精度分析的要求。

地下流体监测方法一般采用常规压力温度传感器监测、测井、三维地震、井间地震、电磁波法等高成本的地球物理和地球化学方法，对多相流监测而言，监测结果解释存在多解性和不确定性，一般需要多种监测方法共同监测，协同解释得到地下流体的性质，这样导致整体监测成本居高不下，地下流体监测方法中缺少简单、直接的分析方法。

申请人于2011年03月16日申请了一项(井内分层气液两相流体保真取样装置)，专利申请号为2011100063499.7，其技术方案是：一种井内分层气液两相流体保真取样装置，它包括：取样装置由封隔器系统、液体进样系统、气体进样系统、自动多通阀门、取样系统、温控系统，在钻井内壁或者套管内壁装有封隔器系统、液体进样系统、气体进样系统、自动多通阀门、取样系统、温控系统；封隔器系统包括第一封隔器、第二封隔器、第三封隔器、第四封隔器；液体进样系统包含液体进样管路和液体过滤器，液体进样管路包含第一层进样管路、第二层进样管路、第三层进样管路；第一层进样管路、第二层进样管路、第三层进样管路分别穿至第一封隔器、第二封隔器和第三封隔器下部，其末端分别连接第一层进样过滤器、第二层进样过滤器和第三层进样过滤器；气体进样系统包含气体进样管路和液体过滤器，气体进样管路包括第一层进样管路、第二层进样管路、第三层进样管路；第一层进样管路、第二层进样管路、第三层进样管路分别穿至第一封隔器、第二封隔器和第三封隔器下部，其末端分别连接第一层进样过滤器、第二层进样过滤器和第三层进样过滤器；气体进样系统包含气体进样管路和气体过滤器，气体进样管路包括第一层进样管路、第二层进样管路、第三层进样管路；气体过滤器包括第一层进样过滤器、第二层进样过滤器、第三层进样过滤器；第一层进样管路、第二层进样管路、第三层进样管路分别穿至第一封隔器、第二封隔器和第三封隔器下部；第二取样管与第四单向阀、第五阀门相连，第一压力/流量控制管分别与第六阀门、第三中继装置相连，第七背压阀与第二取样管相连，第四单向阀通过取样管分别与第三中继装置、自动控制多通阀门相连；温控系统包括第一保温层、第二分布式温控元件、第三内部温度传感器，第二分布式温控元件与取样管和压力/流量控制管紧贴，第三内部温度传感器与取样管和压力/流量控制管紧贴，第一保温层包裹第二分布式温控元件、第三内部温度传感器和取样管和压力/流量控制管。该技术方案非常适合深部气体和液体的保真取样，但是不能了解地下多相流体的状态，另外由于钻井的内部空间非常大，高达数百升到数立方米，而取样量一般只有数升到数十升，太大则改变地下流体分布，该装置在地下流体流速较低状态时，钻孔内部取样得到的数据值滞后和偏低，不能反映真实地下流体成分变化，特别需要对流体成分变化临界值进行高精度分析时，不能满足取样的要求。低流速条件下，特别是气体饱和度非常低的条件下，取样部分相对于可取气样大时，该取样装置无法取得合适的气体样品。

本申请在该技术方案的基础上进一步改进，使之能够取样的同时，开展瞬态脉冲方法监测地下多相流体的状态，更多了解地下流体的状态；同时通过脉冲和降压过程中产生在钻孔内部的压力波动形成钻孔内部与地层水体之间交换和混合，非常小幅度和小范围地改变流体场和流体成分条件下，更加精确的获取地层流体样品。

现代工程运用中对取样的精度和地下监测的要求越来越高，如何保证高精确取样的同时监测地下流体的状态？如何做到精确获取地下样品？如何真实反映低流速条件下的地层流体性状？这是监测装置迫切需要解决的问题。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术存在的缺点和不足，满足现有的取样要求，在于提供了一种基于压力脉冲的分层流体监测及取样装置，实现对地下气液两相流体的监测，采用瞬态脉冲法监测地下流体的压缩性质和地层的渗透性质，可分析得到地下流体基本性质与比例；该装置直接、简单的了解地下流体的比例和定性分析地下流体的性状，是其他监测方法的有效补充，对于提高地下流体分析的精度效果明显；并实现对不同层位气液两相流体精确取样，精确控制取样速率和取样过程中的温度、压力条件，在取样过程和取样后可以保持样品的温度、压力与地下流体的压力和温度较为一致。采用大容量中继容器相对于U型取样器底部管路内保真样品，本装置增加大底部容积，增加保真样品的容量，同时减少在管路内流动过程中的混合与降压失真的比例，减少采取的样品与其他流体接触；同时利用脉冲过程和压力释放过程中的钻孔内部与地层流体交换混合作用，增强了钻孔内部流体的代表性，更加真实的反应地层流体的性质，特别适合低流速条件下的取样分析。本装置原理和结构简单，装配简单，提高系统的可靠度和降低制作成本。非常适合地下多地层的气液两相流体的监测与保真采样。

为了实现上述的目的，本发明采用以下技术措施：

一种基于压力脉冲的分层流体监测及取样装置，它由封隔器系统、液体进样系统、气体进样系统、自动多通阀门、取样系统、温控系统、和外部压力/流量控制部分、瞬态脉冲系统共同组成。封隔器系统包括第一个封隔器、第二个封隔器、第三个封隔器、第四个封隔器等若干个封隔器(等数字依次类推，五到二十个)，形成相对独立的层空间，消除或削弱层间干扰；液体进样系统包括第一层进样管路、第二层进样管路、第三层进样管路等若干进样管路(等数字依次类推，四到二十个)、过滤器(数量与进样管路数量相同)包括第一层进样过滤器、第二层进样过滤器、第三层进样过滤器等若干进样过滤器(等数字依次类推，三到二十个)，形成独立取样层位；气体进样系统为气体进样管路包括第一层进样管路、第二层进样管路、第三层进样管路等若干进样管路(等数字依次类推，四到二十个)；第一过滤器包括第一层进样过滤器、第二层进样过滤器、第三层进样过滤器等若干进样过滤器(等数字依次类推，四到二十个)，形成独立取样层位；自动控制多通阀门、取样系统包括第一压力/流量控制管、第二取样管路、第三中继装置；第四单向阀、第五阀门、第六阀门、第七背压阀；温控系统包括第一保温层、第二分布式温控元件、第三内部温度传感器；外部压力/流量控制系统(为标准压力或流量控制设备)、外部防护；压力脉冲系统包含压力容器通过管路、多个阀门、压力传感器组成；外部防护为一般材料。在钻井内壁或者套管内装有封隔器系统、液体进样系统、气体进样系统、自动多通阀门、取样系统、温控系统、压力脉冲系统。液体进样系统穿过封隔器系统与自动多通阀门连接，自动多通阀门连接与取样系统连接，可进行液体取样，其连接方法如图1所示，连接方式及起到的作用如具体实施中的内容。

一种基于压力脉冲的分层流体监测及取样装置，它包括：取样装置由封隔器系统、液体进样系统、气体进样系统、自动多通阀门、取样系统、温控系统、压力脉冲系统，在钻井内壁或者套管内壁装有封隔器系统、液体进样系统、气体进样系统、自动多通阀门、取样系统、温控系统；封隔器系统包括第一封隔器、第二封隔器、第三封隔器、第四封隔器；液体进样系统包含液体进样管和第一过滤器，液体进样管包含第一层进样管、第二层进样管、第三层进样管；第一层进样管、第二层进样管、第三层进样管分别穿至第一封隔器、第二封隔器和第三封隔器下部，其末端分别连接过滤器、过滤器和过滤器，气体进样系统包含气体进样管和第二过滤器，气体进样管包括第一层进样管、第二层进样管、第三层进样管；第二过滤器包括第一层进样过滤器、第二层进样过滤器、第三层进样过滤器；第一层进样管、第二层进样管、第三层进样管分别穿至第一封隔器、第二封隔器和第三封隔器下部，取样系统中第二取样管与第四单向阀、第五阀门相连，第一压力/流量控制管分别与第六阀门、第三中继装置相连，第七背压阀与第二取样管相连，第四单向阀分别与第三中继装置、自动控制多通阀门相连；温控系统包括第一保温层、第二分布式温控元件、第三内部温度传感器，第二分布式温控元件与取样管和压力/流量控制管紧贴，第三内部温度传感器与取样管和压力/流量控制管紧贴，第一保温层包裹第二分布式温控元件、第三内部温度传感器和取样管和压力/流量控制管，其特征在于：压力脉冲系统中压力容器通过管路与阀门、阀门、压力传感器形成压力脉冲系统，并通过自动控制多通阀门与地下气体进样系统连接，液体进样系统与液体自动多通阀门连接，气体进样系统与气体自动多通阀门连接。所述的第五取样室与第二取样管相连，连接之后的装置外部包裹第三保温层。

取样系统所述的第三中继装置包括第一中继滑块、第二高压容器、第三保温层、第四压力/流量控制室、第五取样室，第一中继滑块位于第二高压容器内部，分隔第二高压容器为第四压力/流量控制室和第五取样室两部分，第四压力/流量控制室与第一压力/流量控制管相连，第五取样室与第二取样管相连，连接之后的装置外部包裹第三保温层。

压力脉冲系统中压力容器通过管路与阀门、压力传感器连接形成压力脉冲系统，并通过自动控制多通阀门与地下流体进样系统连接。封隔器系统：封隔器系统的特点为若干个(一般为四到二十个封隔器)封隔器相互串联形成封隔器(系统)，封隔器之间分隔地层，形成相对封闭的取样环境。封隔器(系统)的座封、解封等操作方式与传统封隔器相同。不同之处在与不同层位的液体进样管路和气体进样管路穿过封隔器，形成对不同层位的进样。

液体进样系统和气体进样系统：每个层位具有相应的气体进样管路和液体进样管路，从而形成对不同层位的气体和液体进行取样；在各个进样管路底部设置过滤器和过滤器，防止大颗粒杂质或者悬浮物进入进样系统和取样系统降低自动控制多通阀门、单向阀门、背压阀等元件的工作效果。

自动控制多通阀门：自动控制多通阀门为电路控制的多联通阀门，产品为标准工业产品(市场购置)，例如：自动六通阀、自动八通阀等阀门，其主要作用为控制不同的进样管路和与取样管路对接。自动控制多通阀门的控制电缆采用石油、天然气工业用的电缆。

自动控制多通阀门、液体进样管路、气体进样管路共同控制进入取样系统样品的层位、气液流体和压力脉冲的层位；同时减少了取样装置以上管路数量。

取样系统：取样系统采用了压力/流量控制管路、阀门、中继装置、取样管路、单向阀、阀门和背压阀。阀门与外部压力/流量控制部分连接，通过外部压力/流量控制部分控制中继装置的工作，形成中继装置内的进样与出样。单向阀保证取样系统只能单向进样。

中继装置中部的中继滑块将高压容器分隔为取样室和压力/流量控制室。压力/流量控制室中充满液体或气体，其密度低于采取流体的密度，取样系统通过连接在其上的外部压力/流量控制设备实现对取样室的压力和流量控制。关闭阀门和背压阀，通过外部压力/流量控制系统降低压力/流量控制室内压力，中继滑块将压力/流量控制室内压力传递到取样室，并分隔压力/流量控制室和取样室两部分流体。当取样室压力略低于取样地层流体压力时，取样室开始进样，同时中继滑块滑动，压力/流量控制室容积减小；开启阀门或者背压阀，通过外部压力/流量控制系统增加压力/流量控制室内压力或体积，压力/流量控制室扩张，中继滑块滑动，取样室开始出样，同时背压阀保证出口处压力近似或者高于地下流体的压力。中继装置外部包裹保温层以保持样品的温度，实现样品温度的保持。中继装置也可以采用同类工业产品，例如：南通飞宇的中继装置。

温控系统：温控系统包括温度传感器(市场标准产品，如：传统温度传感器、光纤温度传感器)，分布式温控元件(如：分布式电阻丝、加热管路等)、保温层、外部温度控制部件和电源共同组成，通过温控系统使得取样管路的温度与取样地层的温度保持一致，或保持为预定的温度。温控系统保持流体的温度条件。温控系统包括温度传感器，分布式温控元件、保温层、外部温度控制部件和电源共同组成，其连接参照标准的温控电路系统连接方式进行连接。

外部压力/流量控制系统：(外部压力/流量控制系统为标准的压力泵、计量泵，如果采用压力控制，可采用高精度的恒压泵，如ISCO 1000D泵，流量控制可采用高压计量泵)管路与外部压力/流量控制设备连接，开启阀门，外部压力/流量控制部件可以为恒流泵、流量泵、计量泵、压力源，这样可以精确控制中继装置的取样室内的流量和压力，保证进样和取样过程中，流体压力近似或不低于进样地层的流体压力。

外部压力/流量控制系统与取样系统相连接形成完整取样部分，可以完成进入中继容器的取样室内的流体取样。

外部压力/流量控制系统联合温控系统保证样本不会因为压力/温度变化而导致的流体相变或者流体中溶解物的离析/解吸等变化而造成样品性质的变化；

外部防护：若需要保护装置，可在整个装置外设置铠甲层，保护内部元件和保温层。铠甲可采用一般金属管、塑料、橡胶、多层防护、内嵌钢丝网的塑料复合层等材料制作。制作方法参考一般设备保护层的制作方法。

基于压力脉冲的地下流体监测方法：

压力脉冲试验中，我们需要获得施加瞬态压力脉冲后，试验段压力随时间变化与流体相态变化关系。可以采用试验值直接对比获取地下流体的基本情况，或者采用基于基本假设的计算。比较可靠和切实可行的操作方法为曲线对比，试验结果与地层在不同气相饱和度条件下的压力衰减曲线对比，可以初步定量的了解地下的气液流体比例。可用现场瞬态脉冲渗透系数测量的表达公式[李小春，王颖，魏宁.变容压力脉冲渗透系数测量方法研究[J]，岩石力学与工程学报，2008，27(12)：2482～2487.Bredehoeft，J.D.，Papadopulos，S.S.，A methodfor determining the hydraulic properties of tight formations[J]，Water Resources Research，1980，16(1)：233～238]计算气液两相条件下的等效渗透系数，然后根据气相条件下的渗透系数与液相条件下的渗透系数的比例进行计算，该方法只是初步解法：

K＝(kg*Sg/μg+kw*(1-Sg)/uw)*μw

K为瞬态脉冲法换算得到的平均渗透系数，kg为地层气体渗透系数，kw为液体渗透系数，Sg为气体饱和度，μg为气体粘度，μw为水体粘度；

由于脉冲结果受多种因素的影响，脉冲法的精确解法计算方法有待进一步研究深化，该方法只是近似求解方法。

液体取样装置的使用方法：

1、按照本发明安装和调试整个监测和取样装置；

2、取样部分开启应该和脉冲监测操作分开一定时间间隔，避免相互影响；

3、将取样器连接外部压力/流量控制设备，压力/流量控制室中充入流体(例如：油、水等液态，其密度需要低于取样的密度，最好采用N₂、He、低密度和化学性质较为惰性的气体)，将取样器中继容器的取样室体积调整为最小。

4、按照取样地层厚度关系调整封隔器系统内不同层位封隔器之间的间距，然后采用石油、天然气、地矿等部门标准方法将取样装置放入钻孔内，下封隔器过程中注意取样管路和压力/流量控制管路缠绕问题，最好固定在油管或者钢丝缆上面，并坐封封隔器系统。

5、调整取样装置的温度与取样范围的温度一致，温度控制±0.2度范围是很容易达到的；同时地层流体的压力达到稳定。

6、调整自动控制多连阀门，调整到取样层位和液体进样管路，从而控制取样的层位和流体相态。

7、开启外界压力/流量控制设备，开启阀门(或者降低背压阀的控制压力，降低管路内压力)，开启阀门，通过外部压力/流量控制设备促使中继滑块滑动，取样室容积扩张，压力/流量控制室容积减少，地下深部流体通过单向阀进入取样室，使得中继装置的取样室进样。控制外部压力/流量控制设备的压力或者流速，例如：控制计量泵活塞运动速度，流体不会由于取样速度过快引起压力或温度变化而导致流体性质发生改变。

8、达到取样体积后，开启阀门(或者调整背压阀，取液体样品时保证取样管路内流体压力接近或取样层位的流体压力)，开启外界压力/流量控制设备推动中继装置内中继滑块滑动，取样室容积减少并出样。

9、取样完毕后，重复5-7过程，为保证取样的保真程度，同一层位取样最好2次以上，第一次为清洗取样系统，第二次为进样。

10、试验完毕后，解封封隔器系统，取出整个取样装置。

注意事项：在取样之前需要重复5-7过程一次，清洗取样装置内部杂质；气体取样为等待取样出气体积聚一定时间后直接开通阀门81连接取样器进行气体取样。

脉冲法监测部分的使用方法如下：

1、等待地下流体平衡，平衡时间取决于取样量和周围流体压力恢复时间，一般考虑0.5小时～数个小时之间；

2、关闭阀门82，开启阀门83，压力容器84内充满地下气体成分中没有或影响较少的气体，如He、N₂等化学性质较为惰性的气体；达到设定的脉冲压力，关闭阀门83。

3、调整气体进样自动控制多通阀门42，对应地下监测的层位；

4、开启阀门82，对地下进行脉冲，同时记录压力传感器86的脉冲压力变化数据。

5、待压力衰减平稳后，关闭阀门82，脉冲结束。

6、脉冲结束后，开启阀门81将脉冲进入地下流体中的气体释放，同时可以抽取气体样品；减少脉冲气体对地下流体体系的影响；

7、压力衰减曲线与标准曲线对比，初步定量分析地下气液比例。

气体取样部分也可采用以下方法：

等待一定的时间，地层中气相流体在气体取样口汇集一定程度后，开启阀门81进行降压取样。

本发明具有下列优点和积极效果：

1、实现一个取样装置对不同层位流体监测和分别取样，实现对地下流体系统的较全面的监测和取样，获取气液两相流体的比例、流体成分，真正实现对地下流体状态的全面保真监测。

2、同时利用脉冲过程和压力释放过程中的钻孔内部与地层流体交换混合作用，钻孔内部流体更多反应了地层流体的性质，增强了钻孔内部流体的代表性，更加真实的反应地层流体的性质。特别对低流速条件的取样具有非常积极的效果。

3、脉冲衰减压力曲线为地下压力标定提供了基础，时刻校正地下压力传感器的数值，实现更高精度的监测地下流体压力。

4、脉冲气体可作为地下气体的载气，获取地下气体成分(气体成分高精度分析后减去载气比例，获得地下真实气体成分比例)，特别适合低流速流动条件的取样。

5、精确控制取样速率和取样过程中的温度、压力条件，在取样过程和取样后可以保持样品的温度、压力与地下流体的压力和温度较为一致。

6、采用分时的方法充分利用各个部分，减少了元件数量，特别是压力/流量控制管路和取样管路；同时原理和结构简单，装配简单，提高系统的可靠度和降低制作成本。

总之，由于本发明性能价格比高，因此可广泛应用于各种现场试验对地下复杂流体取样分析的项目中。

附图说明

图1为一种井内取样及流体状态监测装置结构示意图；

图2为一种井内取样及流体状态监测装置的温控系统结构示意图；

图3为一种井内取样及流体状态监测装置的取样系统结构示意图；

图4为一种井内取样及流体状态监测装置的中继装置结构示意图；

图5为一种井内取样及流体状态监测装置的气体和液体进样系统结构示意图；

图6为一种井内取样及流体状态监测装置的封隔器系统结构示意图；

图7为一种井内取样及流体状态监测装置的压力脉冲系统；

图8为C井压力脉冲监测试验结果；

图9为D井压力脉冲监测试验结果；

图10压力脉冲压力值标定后测试结果；

图11采用N2载气后分析的结果；

图12采用脉冲与未采用脉冲的结果监测对比示意图。

其中：

10-封隔器系统(为不同层位封隔器的统称，包含以下部件)

11－第一个封隔器；(具体参见制作方法，市场均能购置)；

12－第二个封隔器；(具体型号见制作方法，市场均能购置)

13－第三个封隔器；(具体型号见制作方法，市场均能购置)

14－第四个封隔器；(具体型号见制作方法，市场均能购置)

15－等数字依次类推；(4-20个)

20－液体进样系统(为液体进样管路21与过滤器22的统称)

21－液体进样管路(不同层液体进样管路的统称，包含以下部件)

211－第一层进样管路；

212－第二层进样管路；

213－第三层进样管路；

214－等数字依次类推；(4-20个)

22－过滤器(不同层进样过滤器的统称，包含以下部件)

221－第一层进样过滤器(具体型号参见制作方法，市场均能购置)；

222－第二层进样过滤器；(具体型号参见制作方法，市场均能购置)

223－第三层进样过滤器；(具体型号参见制作方法，市场均能购置)

224－等数字依次类推；(4-20个)

30－气体进样系统(为气体进样管路31与过滤器32的统称)

31－气体进样管路(不同层气体进样管路的统称，包含以下部件)

311－第一层进样管路；

312－第二层进样管路；

313－第三层进样管路；

314－等数字依次类推；(4-20个)

32－过滤器(为不同层进样过滤器的统称，包含以下部件)

321－第一层进样过滤器(具体型号参见制作方法，市场均能购置或任何型号)

322－第二层进样过滤器(具体型号参见制作方法，市场均能购置或任何型号)

323－第三层进样过滤器(具体型号参见制作方法，市场均能购置或任何型号)

324－等数字依次类推；(4-20个)

40－自动控制多通阀门；

41-液体进样自动控制多通阀门(市场均能购置或任何型号)；

42-气体进样自动控制多通阀门(市场均能购置或任何型号)；

50－取样系统，包含以下部件；

51－压力/流量控制管路；

52－取样管路；

53－中继装置；(具体型号参见制作方法)；

531-中继滑块；

532-高压容器(具体型号参见制作方法，市场均能购置)；

533–保温层；

534–压力/流量控制室；

535-取样室；

54－单向阀(具体型号参见制作方法，市场均能购置)；

55－阀门(具体型号参见制作方法，市场均能购置)；

56－阀门(具体型号参见制作方法，市场均能购置)；

57–背压阀(具体型号参见制作方法，市场均能购置)

60－温控系统；(为温控元件的统称，包含以下部件)

61－保温层

62－分布式温控元件(具体型号参见制作方法，市场均能购置)

63－内部温度传感器(具体型号参见制作方法，市场均能购置)

70－钻井或套管内壁

80-压力脉冲系统

81-阀门(市场均能购置或任何型号)

82-阀门(市场均能购置或任何型号)

83-阀门(市场均能购置或任何型号)

84-压力容器(市场均能购置或任何型号)

85-管路(市场均能购置或任何型号)

86-压力传感器(市场均能购置或任何型号)

具体实施方式

下面结合附图和实施例详细说明

一种井内取样及流体状态监测装置，它包括：取样装置由封隔器系统10、液体进样系统20、气体进样系统30、自动多通阀门40、取样系统50、温控系统60、压力脉冲系统80，在钻井内壁或者套管内壁70装有封隔器系统10、液体进样系统20、气体进样系统30、自动多通阀门40、取样系统50、温控系统60；封隔器系统10包括第一封隔器11、第二封隔器12、第三封隔器13、第四封隔器14等若干封隔器(数字依次类推，封隔器数量可为4-20个)共同组成；第一封隔器11、第二封隔器12、第三封隔器13、第四封隔器14可采用标准产品，例如Y241和Y341封隔器，第一封隔器11、第二封隔器12、第三封隔器13、第四封隔器14之间的连接方式参见石油、天然气行业标准方法，例如：Y241多级封隔系统和Y341多级封隔系统的连接方式。液体进样系统20包含液体进样管21和第一过滤器22，液体进样管21包含第一层进样管211、第二层进样管212、第三层进样管213(等数字依次类推，至少包含4-20个)；液体进样系统20的过滤器22包括第一层进样过滤器221、第二层进样过滤器222、第三层进样过滤器223等若干过滤器(数字依次类推，数量可为4-20个)；不同层的液体进样管路分别穿过对应的封隔器进入对应的取样层位，例如：第二层进样管212穿过第一封隔器11、第二封隔器12，在第二封隔器12和第三封隔器13之间取水样。第一层进样管211、第二层进样管212、第三层进样管213分别连接第一层进样过滤器221、第二层进样过滤器222、第三层进样过滤器223的方式可采用焊接、卡套连接、螺口接头等方式，可参照一般方法进行。第一层进样管211、第二层进样管212、第三层进样管213分别穿至第一封隔器11、第二封隔器12和第三封隔器13下部，其末端分别连接过滤器221、过滤器222和过滤器223，气体进样系统30包含气体进样管31和第二过滤器32，气体进样管31包括第一层进样管311、第二层进样管312、第三层进样管313(等数字依次类推，至少包含4-20个)；过滤器32包括第一层进样过滤器321、第二层进样过滤器322、第三层进样过滤器323(等数字依次类推，至少包含4-20个)；不同层的气体进样管路分别穿过对应的封隔器进入对应的取样层位，例如：第三层进样管路313穿过第一封隔器11、第二封隔器12、第三封隔器13，位于第三封隔器13下部和第四封隔器14之上，有利于取特定地层内的气样；第二过滤器32包括第一层进样过滤器321、第二层进样过滤器322、第三层进样过滤器323；第一层进样管311、第二层进样管312、第三层进样管313分别穿至第一封隔器11、第二封隔器12和第三封隔器13下部，取样系统50中第二取样管52与第四单向阀54、第五阀门55相连，第一压力/流量控制管51分别与第六阀门56、第三中继装置53相连，第七背压阀57与第二取样管52相连，第四单向阀54分别与第三中继装置53、自动控制多通阀门41相连；温控系统60包括第一保温层61、第二分布式温控元件62、第三内部温度传感器63，第二分布式温控元件与取样管52和压力/流量控制管51紧贴，第三内部温度传感器63与取样管52和压力/流量控制管(51)紧贴，第一保温层61包裹第二分布式温控元件62、第三内部温度传感器63和取样管52和压力/流量控制管51，其特征在于：压力脉冲系统80中压力容器84通过管路85与阀门83、阀门82、压力传感器86形成压力脉冲系统，并通过自动控制多通阀门42与地下气体进样系统30连接，液体进样系统20与液体自动多通阀门41连接，气体进样系统30与气体自动多通阀门42连接。

所述的第五取样室535与第二取样管52相连，连接之后的装置外部包裹第三保温层533。

自动控制多通阀门40为电路控制的多通阀门，产品为标准工业产品，例如：自动六通阀、自动八通阀等阀门，其主要作用为控制不同的进样管路和与单向阀54对接。自动控制多通阀门的控制电缆采用石油、天然气工业用的电缆。

取样系统50包含第一压力/流量控制管51、第二取样管52、第三中继装置53；第三中继装置53，第四单向阀54、第五阀门55、第六阀门56、第七背压阀57；第三中继装置53可采用本专利中内容，也可采用标准产品：本发明中的第三中继装置53包括第一中继滑块531、第二高压容器532、第三保温层533、第四压力/流量控制室534、第五取样室535。

温控系统60包括第一保温层61、第二分布式温控元件62、第三内部温度传感器63；外部压力/流量控制系统、外部防护组成，其连接关系是：封隔器系统10包括第一封隔器11、第二封隔器12、第三封隔器13、第四封隔器14，第一封隔器11、第二封隔器12、第三封隔器13、第四封隔器14采用石油、天然气行业中的多层封隔器连接；液体进样系统20包含液体进样管21和第一过滤器22，液体进样管21包含液体进样管包括第一层进样管路211、第二层进样管路212、第三层进样管路213(等数字依次类推，至少包含4-20个)；第一过滤器22包括第一层进样过滤器221、第二层进样过滤器222、第三层进样过滤器223(等数字依次类推)，第一层进样管路211、第二层进样管路212、第三层进样管路213分别穿过第一封隔器11、第二封隔器12、第三封隔器13，更多层进样管路依次类推，每层进样管路末端连接对应的第一过滤器22；不同层的液体进样管路分别穿至对应的封隔器进入对应的取样层位，每层进样管路末端连接对应的第一层进样过滤器221、第二层进样过滤器222、第三层进样过滤器223。气体进样系统30包含气体进样管31和第二过滤器32，气体进样管31包括第一层进样管311、第二层进样管312、第三层进样管313(等数字依次类推，至少包含4-20个)；第二过滤器32包括第一层进样过滤器321、第二层进样过滤器322、第三层进样过滤器323(等数字依次类推，例如：4-20个)；第一层进样管311、第二层进样管312、第三层进样管313分别穿至第一封隔器11、第二封隔器12和第三封隔器13下部，更多层进样管路依次类推，每层进样管路末端连接过滤器；每层进样管路末端连接对应的第一层进样过滤器321、第二层进样过滤器322、第三层进样过滤器323，不同层的气体进样管路分别穿过对应的封隔器进入对应的取样层位。液体进样系统20的所有管路与液体自动控制多通阀门41连接形成完整的分层流体进样部分。气体进样系统30与气体自动控制多通阀门42连接形成完整的分层压力脉冲监测系统及气体取样系统。

第二取样管52与第四单向阀54、第五阀门55相连，第一压力/流量控制管51分别与第六阀门56、第三中继装置53相连，第七背压阀57与第二取样管52相连，第四单向阀54分别与第三中继装置53、自动控制多通阀门40相连；温控系统60包括第一保温层61、第二分布式温控元件62、第三内部温度传感器63，第一压力/流量控制管51穿过第一保温层61，第二分布式温控元件62与第一保温层61相连，第二取样管52与第三内部温度传感器63相连；

第三中继装置53包括第一中继滑块531、第二高压容器532、第三保温层533、第四压力/流量控制室534、第五取样室535。第三保温层533内有第一中继滑块531、第二高压容器532、第四压力/流量控制室534、第五取样室535，第一中继滑块531分别与第二高压容器532、第四压力/流量控制室534相连，第四压力/流量控制室534与第一压力/流量控制管51相连，第一中继滑块531分别与第二高压容器532、第五取样室535相连，第五取样室535与第二取样管52相连。整个装置放入钻井或套管内壁70内。

液体进样系统20的所有管路的一端均同液体自动控制多通阀门41连接，另外一端分别穿过封隔器系统10到对应的层位；例如:液体进样系统20的第二层进样管路212穿过第一封隔器11、第二封隔器12，在第二封隔器12和第三封隔器13之间取水样。进样管路穿过封隔器的方式可采用焊接、连接接头等方式，可参照一般工艺和方法进行。

气体进样系统30的所有管路的一端均同气体自动控制多通阀门42连接，例如：气体进行系统30的第三层进样管路313穿过第一封隔器11、第二封隔器12、第三封隔器13，在第三封隔器13和第四封隔器14之间取气样和进行压力脉冲试验。气体进样系统也可参照专利申请号为2011100063499.7中的内容单独设置，本申请中的取样系统作为压力脉冲部分开展。

通过自动控制多通阀门41和42选择相应的进样管路，可以实现对不同层位和不同流体类型进行进样或压力脉冲，例如：气体自动控制多通阀门42选择气体进样系统30的第二层进样管路312，连通单向阀54与管路312，则通过单向阀54的样品为第二个封隔器12与第三个封隔器13之间的气体样品。

取样系统50与外部压力/流量控制系统相连接形成保压取样部分，实现地下流体的保压取样，结合温控系统60实现保温取样，这样取样系统50、温控系统60和外部压力/流量控制系统共同形成保真取样部分。

分层流体进样部分与保真取样部分在自动控制多通阀门40上部连接，从而实现将分层保真取样。这些部件组合形成井内分层气液两相流体保真取样装置。

1、取样装置

1-1)取样装置的整体结构

取样装置由封隔器10、液体进样系统20、气体进样系统30、自动多通阀门40、取样系统50、温控系统60、和外部压力/流量控制部分共同组成，其中所有的部件采用工业标准产品；

1-2)制作方法

①为应对地下高温高压条件和腐蚀性条件，所有的金属材料建议采用316/316L不锈钢、哈氏合金、双面合金等材料；密封材料为一般为密封性好、抗腐蚀能力强的柔性材料，例如：聚四氟乙烯、改性丁晴橡胶、氟橡胶、PEEK材料，减少整个装置在地下长期使用中的腐蚀和性能损失。

②装置之间的接头，不同系统接头部位采用标准的卡套接头或者直接焊接，已保证装置在地下长期工作的可靠性。

③管路采用标准超长钢管，管路连接处采用焊接，在钻井内最好没有接头。

④装置的各个子系统参照下面的实施方案进行。

2、封隔器系统10

封隔器系统10的特点为若干个封隔器形成封隔器系统，封隔器之间形成相对封闭的取样环境。封隔器采用石油部门的标准产品，例如：Y241、Y341、Y411等可多连的封隔器；同时封隔器上部设置管路孔后者连接，供气液进样管路穿过封隔器。封隔器的座封、解封等方式同传统封隔器，封隔器的选型参照石油、地矿部门的选型方法。

3、气体进行系统30和液体进样系统20

每个层位具有相应的气体进样管路31和液体进样管路21，从而形成对不同层位的气体和液体的取样；在各个进样管路底部设置过滤器22和过滤器32，防止大颗粒杂质或絮状物进入取样部分降低阀门元件的密封效果和工作效果。

4、自动控制多通阀门40

自动控制多通阀门40为电路控制的多通阀门，采用石油、天然气、地矿行业标准产品，例如：自动高压六通进样阀、高压电磁六通阀等，也可以在标准产品基础上改进，提高其长期工作的可靠度和性能，其主要作用为控制不同的液体进样管路系统21和气体进样管路系统31中任一进样管路与管路52和管路85对接。多通阀门41和42为活动部件需要特别高的可靠性，产品选择需要特别注意。若气体进样管路31和液体进样管路21的管路非常多，在此多通阀门下可采用两个以上的多通阀门串并联叠加(参照标准操作方法)，转接更多的进样管路，实现更多进样管路连接到单向阀54上。自动控制多通阀门40控制电缆采用石油、天然气、地矿等行业用的标准电缆。

5、取样系统50

5-1)结构

取样系统50的结构如图3，采用了压力/流量控制管路51、阀门56、中继装置53、取样管路52、阀门55、背压阀57和单向阀54。阀门56与外部压力/流量控制部分连接，通过外部压力/流量控制部分控制中继装置的工作，形成中继装置53内的进样与出样。单向阀54保证取样部分只能取样，不会对取样地层形成影响。

5-2)制作方法

①为应对地下高温高压条件和腐蚀性条件，所有的金属材料建议采用316/316L不锈钢、双面合金等材料；密封材料为一般橡胶、塑料等密封性好的柔性材料，例如：聚四氟乙烯、聚乙烯、橡胶、硅橡胶、PEEK材料，减少整个装置在地下长期使用中的腐蚀。

②加工该装置时，不同系统接头部位采用卡套接头或者直接焊接，已保证装置在地下长期工作的可靠性。

6、中继装置53(结构)

中继装置可采用标准产品，其结构可采用如图4结构，中继滑块531将高压容器532分隔为两个室，其中一个为取样室535、另外一个为压力/流量控制室534。压力/流量控制室534中充满液体或气体，通过连接在其上的外部压力/流量控制设备实现对取样室535的压力和流量控制。同时中继装置外部包裹保温层533以控制温度；中继装置也可以采用标准工业产品达到相似作用和性能。

7、温控系统

A、结构

温控系统60如图2，包括温度传感器63，电路提供电源、分布式温控元件(如：分布式电阻丝、温控管路等)62、保温层61、外部温度控制部件共同组成，通过温度控制部分使得取样器和管路的温度保持与取样地层的温度一致，或保持取样装置的温度为预定的温度。

B、加工方法

分布式温控元件62采用分布式温控方式，一般地层的温度相对地表温度较高，温度控制主要采用加热，加热元件可以采用分布式电阻丝、水浴管路等加热装置，加热部件均为常规元件，市面有售。若分布式温控元件62起制冷作用，可采用水浴管路等控制压力/流量控制管路51和取样管路52内流体的温度。

保温层61采用低导热率的橡胶或塑料构成

温度传感器63紧贴压力/流量控制管路51和取样管路52，传感器63与压力/流量控制管路51和取样管路52之间最好涂导热硅胶或其他软接触材料，保证温度传感器的感知的温度与压力容器内的流体温度一致，温度传感器可采用FBG光栅传感、光纤传感器、电阻式传感器等，推荐使用光纤光栅温度传感器，可不用电缆、提高传感器数量，降低腐蚀风险、提高温度控制精度。

外部控制器根据温度传感器63数据控制分布式温控元件62进行温度调整，控制方法参照标准温控方法。

外部温度控制部件采用标准产品，例如：温度控制器、NI的Labview软件控制和德州仪器的逻辑运算+电加热或制冷器提供热能或冷能；

8、取样器阀门控制部分

阀门51、阀门56、背压阀57。通过阀门开启和关闭取样过程和取样压力，以较好的控制阀门的运作。这些阀门为外部控制，不在钻井内部，选择余地比较大，可采用手动阀门即可，亦可以采用电磁阀门。

9、外部压力/流量控制部分

管路51与外部压力/流量控制部分连接，外部控制部件可以为流量泵、恒压泵、计量泵、压力源，内部采用的介质可同压力脉冲介质一致，与地下流体成分不同，对地下流体为化学惰性的流体，如N₂、He等流体，这样可以精确控制取样系统50的中继装置53内的压力或流量，保证取样过程中，地层流体的压力不发生较大变化(一般情况下，需要高于地层流体压力)，联合温度控制系统减少采取的样本不因压力/温度剧烈变化而发生相变、溶解气体解析和液体溶解物的离析等变化而产生样本的物理和化学性质变化，尽可能保持样本的原状。

10、管路、电缆等连接部件

管路51和管路52一般采用管刚度较高且整体有一定柔性的高压管道连接取样系统与外部压力/流量控制部分；管路可采用常用管路，超长管路，管路长度最好采用一次到达中继装置53的长度，或者中间采用少量焊接连接，同时与油管或钢丝缆紧捆住，保证管路不会因自重受力而断掉。例如：1//8、1/4、1/2、1英寸、5mm、10mm316L不锈钢钢管，阀门采用泄漏率极低的电磁阀门，例如：TESCOM，SWAGELOK等公司生产的电磁阀均满足要求。电缆为一般针对高温高压条件的电缆，数据传输线为长距离数据传导线，保证传感器的信号保真率。

11、外部防护

若需要保护保温层，可在整个装置外设置铠甲层，保护内部元件和保温层。铠甲可采用一般聚四氟乙烯、不锈钢材料、复合材料制作。制作方法参考一般设备保护层的制作方法。

12、其他附加装置

压力温度监测装置，压力和温度监测装置可以设定与任何需要关注的部位，本发明保护主要部件，具体的压力温度传感器可随具体要求设定。本钻井取样及流体监测装置可以与其他设备捆绑，例如：光纤监测设备、微震监测等设备协同工作，共同组成地下监测及取样装置，本发明不涉及相关领域，此处不赘述相关装置。

装置的压力脉冲监测与取样的具体操作参照发明内容中的操作内容。

实施案例

内蒙古通辽CO₂咸水层封存试验现场采用两层压力脉冲的流体监测及取样装置对地下水气流体进行了分析和取样，取样情况良好，下层取样深度250-220m，上层深度160-120m，对下层姚家组地层开展脉冲监测，结果如图8所示，随着气体运移到监测井位置，压力脉冲数据发生了明显变化，通过标定数据对比，可以推断地下气体与液体的比例；另外采用液体取样系统单次取样水样3.2L，气体取样系统取其他样品约70L(标况)。取出的水样在取样装置后降压分析，通过软件合成地下条件下的流体状况，取样结果良好。通过压力脉冲监测地下气体饱和度的变化，其中C井内监测到明显的饱和度变化，如图8所示，D井内为液体，气体饱和度几乎为零，同时D井未取出气体样品，如图9所示。

地下压力传感器漂移比较厉害，同时由于长期腐蚀，导致一定程度上的漂移，由于地表的压力传感器可校核、压力精度相对较高，采用瞬态脉冲数据标定地下压力传感器，获得精度更高的压力曲线，图10所示；另外，部分井内地下气体含量不足以满足取样器要求，采用N₂载气压力脉冲之后进行分析气体成分结果如图11所示。改进后装置的压力波动取样浓度的相应速度高于未采用压力脉冲取样的速率，详见图12，更加精确的了解地下的实际流体状态。通过监测可以监测不同时刻地下流体的气液比例、气体成分、液体成分，结合监测的压力温度数据，实现对地下流体的基本状态的全面监测。

Claims (1)

1.一种基于压力脉冲的分层流体监测及取样装置，它包括：取样装置由封隔器系统（10）、液体进样系统（20）、气体进样系统（30）、自动控制多通阀门（40）、取样系统（50）、温控系统（60）、压力脉冲系统（80），在钻井内壁或者套管内壁（70）装有封隔器系统（10）、液体进样系统（20）、气体进样系统（30）、自动控制多通阀门（40）、取样系统（50）、温控系统（60）；封隔器系统（10）包括第一封隔器（11）、第二封隔器（12）、第三封隔器（13）、第四封隔器（14）；液体进样系统（20）包含液体进样管（21）和第一过滤器（22），液体进样管（21）包含第一层进样管（211）、第二层进样管（212）、第三层进样管（213）；第一层进样管（211）、第二层进样管（212）、第三层进样管（213）分别穿至第一封隔器（11）、第二封隔器（12）和第三封隔器（13）下部，其末端分别连接过滤器（221）、过滤器（222）和过滤器（223），气体进样系统（30）包含气体进样管（31）和第二过滤器（32），气体进样管（31）包括第一层进样管（311）、第二层进样管（312）、第三层进样管（313）；第二过滤器（32）包括第一层进样过滤器（321）、第二层进样过滤器（322）、第三层进样过滤器（323）；第一层进样管（311）、第二层进样管（312）、第三层进样管（313）分别穿至第一封隔器（11）、第二封隔器（12）和第三封隔器（13）下部，取样系统（50）中第二取样管（52）与第四单向阀（54）、第五阀门（55）相连，第一压力/流量控制管（51）分别与第六阀门（56）、第三中继装置（53）相连，第七背压阀（57）与第二取样管（52）相连，第四单向阀（54）分别与第三中继装置（53）、液体进样自动控制多通阀门（41）相连；温控系统（60）包括第一保温层（61）、第二分布式温控元件（62）、第三内部温度传感器（63），第二分布式温控元件与取样管（52）和压力/流量控制管（51）紧贴，第三内部温度传感器（63）与取样管（52）和压力/流量控制管（51）紧贴，第一保温层（61）包裹第二分布式温控元件（62）、第三内部温度传感器（63）和取样管（52）和压力/流量控制管（51），其特征在于：压力脉冲系统（80）中压力容器（84）通过管路（85）与阀门（83）、阀门（82）、压力传感器（86）形成压力脉冲系统，并通过气体进样自动控制多通阀门（42）与地下气体进样系统（30）连接，液体进样系统（20）与液体进样自动控制多通阀门（41）连接，气体进样系统（30）与气体进样自动控制多通阀门（42）连接，压力容器（84）与阀门（83）连通的管路内充入He和/或N₂作为载气。