CN102808616A - 地层测试器 - Google Patents

Abstract

本发明是一种主要用于石油测井的地层测试器，包含：能源供给、测量、控制和通信装置、能座封和封隔井壁的封隔器、泵抽排装置、取样装置等。其特征是泵抽排装置有一组流体控制阀，可控制地层流体样品的流向，可在井下实现多种泵抽排工作模式的转换。除具有泵抽排功能外，可采用泵驱动形式连续地取样。还采用了在被挤出腔底部加装有溢流阀的取样装置。提出了在泵驱动取样后，对超压样品减压使其接近原地层压力的控制方法。

Description

地层测试器

1技术领域

本发明提供一种主要用于石油测井的测井仪器，具有多种功能。包括：对地层压力和储集层流体进行测量和识别功能，泵抽排功能，泵驱动取样等功能的地层测试器。

2背景技术

现有地层测试器，以斯伦贝谢公司的MDT地层测试器为代表，典型配置如图1(a)。在井筒(1)中，地层测试器由一系列串接在一起的功能装置组成，通常包含：能源供给、测量、控制和通信装置(2)；探头或封隔器装置(3)，其特征是具有能伸出或扩张，也能回收或回缩，并且能座封或封隔井壁的封隔器；流体识别装置(4)；泵抽排装置(5)，它是一个可通过被座封或封隔的井壁抽吸和驱动地层流体的泵系统；取样装置(6)和底鼻(7)等。另外，仪器中还安装有各种测量地层环境和流体物理特性的传感器。其主要功能有：

a)采用探头和封隔器封隔井壁；进行预测试，通过抽吸和检测压力恢复等过程来测量地层压力和渗透率；

b)在流体管路上设置传感器测量地层流体的物理特性；

c)利用常规取样装置的相对负压进行常规取样。

d)采用泵抽排方式将样品管线中的地层流体排至井筒，排出受泥浆污染的地层流体，获得更接近实际地层流体的测量结果，此功能可称之为“外排”；

e)与d)功能相反，采用泵抽排方式将井筒泥浆吸入样品管线，作为工作流体供一些特殊用途使用，此功能可称之为“吸入”；

f)采用泵抽排方式将样品管线的地层流体泵入取样筒，此功能可称之为“泵驱动取样”；

g)与f)功能相反，采用泵抽排方式将预先贮存在取样筒中工作流体经样品管线泵入目标地层中，此功能可称之为“泵驱动注入”。

其中功能d)和e)的特点是，流体管线与井筒之间连通，仪器内部样品管线流体在样品管线与井筒之间流动和交换，根据流动方向不同区分为“外排”和“内吸”；功能f)和g)的特点是，流体管线不与井筒联通，流体沿着样品管线从仪器的一端被泵输送至另一端，或者自上而下，或者自下而上。

目前现有技术的泵抽排装置(5)的原理框图如图2所示。该系统包括：双向流体泵组合(以下简称泵)(13)、换向阀(12)、以及样品管路(11)、(14)和(15)，还有一个通向井筒的口(16)。样品管路(11)和(14)分别连接封隔器样品管线和取样筒(取样筒还可以是贮存工作液的贮液筒)，封隔器和取样筒可以根据需要对调位置。换向阀(12)被设计成一组手动切换的阀件组合而成。泵(13)是一个可双向泵，它通常由一组电液控制、液压驱动的往复式泥浆泵和一组流体整流阀的组合而成。

与本发明有关的工作原理是：当换向阀(12)的公共口A与选通口B联通，其C口截止，泵(13)A口吸入，B口排出时，流体从样品管线(11)和(14)经过样品管线(15)、口(16)抽排至井筒(1)，实现上述功能d)。而当泵(13)反向运转时，B口吸入，A口排出，实现上述功能e)。

在事先关闭通向井筒的口(16)的前提下，当换向阀(12)的公共口A与选通口C接通，其B口截止，泵(13)A口吸入，B口排出时，流体从样品管线(14)经样品管线(15)抽排至样品管线(11)，即图2中从左至右。而当泵(13)反向运转时，流体从样品管线(11)经样品管线(15)抽排至样品管线(14)，即图2中从右至左。这样，根据封隔器和样筒相对位置的不同，就将流体从封隔器泵入样品筒，或者反向流动。于是，可实现上述功能f)和g)。

背景技术的应用为提高地层测试的效果做出了改进，但不足之处在于：换向阀(12)以及口(16)都是手动阀，需要在下井前，人工设定和切换。因此整个仪器的泵抽排功能只能在上述d)+e)或者功能与f)+g)之间选择使用。

为了提高取样质量，应避免取样压力过低造成样品的品相变化，希望在测井过程中，先进行泵抽排，排出高污染地层流体，再利用泵系统驱动取样，并且控制取样过程和样品的贮存压力。因此，进一步改进的需求是：上述d)、e)、f)、g)功能可在井下可控制切换；还需要对取样装置和取样过程控制改进，进一步提高取样质量。

3发明内容

3.1组成和功能

本发明的地层测试器，基本组成与现有仪器相同，如图1所示，至少包含：能源供给、测量、控制和通信装置(2)；探头或封隔器装置(3)，其特征是具有能伸出或扩张，也能回收或回缩，并且能座封或封隔井壁的封隔器；泵抽排装置(5)，它是一个可通过被座封或封隔的井壁抽吸和驱动地层流体的泵系统；取样装置(6)等。该仪器与现有地层测试器相比，主要的改进在于以下方面：

一是泵抽排系统的改进，在泵抽排装置的流体管线上设置了以流体控制阀为主的流体控制装置，实现了泵抽排系统不同功能之间的控制转换。

二是取样装置和取样方法的改进，采用了挤出腔底部具有溢流阀的取样装置，以配合泵驱动取样。

三是样品压力控制的改进，在泵驱动取样之后，采用泵驱动流体压力控制技术，为超压样品减压使其接近原地层压力。

四是在借助增设的流体控制阀，在泵抽排系统启动时，暂时将吸入口和泵出口联通，实现泵和电机的空载启动。

关于各有关改进的设计方案和具体实施，结合说明书附图说明分述之。

3.2泵抽排系统的改进

图3是本发明地层测试器的泵抽排装置的简图。该装置有样品管线(21)、阀(22)、阀(23)、样品管线(24)、泵(25)、样品管线(26)、阀(27)。阀(22)、阀(23)和阀(27)，它们在控制装置的控制下可以开启(使流体可通过)和截止，既可以是电动的，也可以是电液转换液压驱动的流体控制阀。

样品管线(21)与阀(22)的口(22a)和阀(23)的(23a)连接。阀(22)的口(22b)与泵(25)的口(25a)连接。阀(23)的口(23b)与样品管线(26)和泵(25)的口(25b)、阀(27)的口(27b)连接。阀(27)的口(27a)直接或间接地与通向井筒的流体口(28)连通，所述的间接地连接，是指根据需要还可以设置过滤器，或者再增加其他的控制阀从而进一步控制其流动。

样品管线(21)或样品管线(24)，两者之一连接通向被封隔器(3a)封隔的井壁的流体管路(3b)，该管路还可以是管路和阀的组合，通常为了有效地控制压力测试和取样，在探头或封隔器装置中还需设置控制和隔离流体的一组阀，此细节非本发明内容，不再详述。两者中的另一个，连接通向取样装置(6)的样品入口(6a)，该管路还可以是管路和阀的组合，通常为了实现取样装置的预充填和转样，还需设置必要的其他流体控制阀，它们通常是手动操作的。

显然在一串仪器中探头和封隔装置、取样装置都不限于一个；并且还可以挂接更多具有独立功能的其他装置和模块。

本发明的实质内容之一是：在样品管路系统中增加了一组流体控制阀，从而实现了多种工作模式的控制转换。

本发明的泵抽排系统至少具有四种工作模式，下面说明其原理和功能。

模式一，泵抽排地层流体功能(外排)。当阀(27)开启，阀(23)截止，阀(22)开启，泵(25)正向工作，泵口(25a)吸入，泵口(25b)排出时，系统可将样品管线(21)和(24)的地层流体抽排至井筒。(此情形下，若当阀(22)截止时，则只能抽排样品管线(24)中的流体。)

模式二，将井筒泥浆抽排至流体管线(内吸)。当各阀按上述模式一置位，泵(25)反向工作即可将井筒流体抽排至相应的样品管线。该模式可先利用井筒泥浆作为工作流体，驱动大型封隔器封闭更大范围的井壁，再进行取样。

模式三，泵驱动取样模式。当阀(22)截止、(27)截止，阀(23)开启，当泵正向工作时，可驱动流体自右至左流动，反向工作时，则自左至右流动。根据封隔器和取样装置的挂接顺序，选择相应的泵工作方向，即可将地层流体泵入取样装置。

模式四，反向注入模式，即将工作流体注入地层。当各阀按上述“模式三”置位，同样根据封隔器和贮样筒的挂接顺序，选择相应的泵工作方向，即可将工作流体注入被封隔器封隔的地层中去。

上述四种模式中，泵驱动取样模式，是本发明的改进重点，其目的是采用控制抽吸速度实现取样压力的控制，它与节流控制相结合可获得更好的效果。该方式还不依赖预先充气的缓冲装置，可简化取样装置，减小仪器规模和长度。

由于可在井下控制切换这四种工作模式，对于取样操作可以先按“模式一”运行，泵抽排高污染的地层流体至井筒，随后再进行泵驱动取样。

3.3取样装置的改进

为配合泵驱动取样，可采用现有的常规取样装置，它通常是一个取样筒和缓冲筒的组合，缓冲筒用于提供负压，收集来自挤出腔的预充填流体。为了简化取样装置结构，本发明对取样装置作如下改进，使之不再需要缓冲筒，可缩短仪器长度。

如图5所示，取样装置(6)包括样品管线(6a)、节流密封阀(6b)、贮样腔(6c)、隔离装置(6d)、被挤压腔(6e)、阀(6f)、阀(6h)和阀(6g)。隔离装置(6d)通常是一个活塞装置，也可以是胶囊等隔离装置，阀(6f)、阀(6h)用于预充填和转样操作。本发明的特征是，在被挤出腔(6e)的固定端需设置一个溢流单向阀(6f)。溢流单向阀(6f)的流体溢出口可直接通向井筒，也可经过传统的节流再间接地通向井筒。

阀(6f)的特征是，当被挤压腔(6e)的压力相对于井筒压力达到或超过溢流开启压力Pon时溢流，低于恢复关闭压力Poff时闭合，其溢流开启压力Pon不小于0.005MPa，且不大于10MPa，宜选取0.7～1MPa范围。其恢复关闭压力Poff小于等于溢流开启压力Pon。

3.4样品压力控制的改进

采用泵驱动取样方式时，贮样腔的样品压力在不使用负压缓冲装置的情况下将达到或超过地层压力，这时可通过开启阀(27)，泵反向驱动减压，使其恢复到接近地层压力的目标值。

泵驱动取样过程中，阀(27)处于关闭位置，通过监测样品管路的压力(或位置传感器等方法)可确认贮样腔(6c)被注满。此时开启阀(27)，泵(25)反向工作，即可将贮样腔(6c)内的超压样品抽排出，使其降压，通过检测样品管线的压力，当其达到目标值时，调整结束。可将通过预测试获得的地层压力作为目标值，并且给定一个误差带作为控制参数。具体的压力控制方法为公知技术不再详述。

3.5泵的空载启动

对于泵(25)而言，在泵两端差压较大时启动较困难，主要影响因素是压差阻力、摩擦阻力和启动电流限制三个方面。具体控制方法是，在泵启动前暂时将阀(22)和阀(23)同时打开，此时泵(25)两端联通，泵可空载启动。此改进对于本发明的部分实施例可实现，阀(22)和阀(23)可以独立是改进的前提。

4附图说明

图1是本发明所涉及的地层测试器的示意图，本发明的主要组成与之相同。根据各模块挂接顺序不同，有两种典型的布局，分别如图1(a)和图1(b)所示。图中序号1为井筒，地层测试器包含：能源供给、测量、控制和通信装置(2)、探头或封隔器装置(3)、流体识别装置(4)、泵抽排装置(5)、取样装置(6)和底鼻(7)等。

图2是现有地层测试器的泵抽排装置的简图。其中包含：泵(13)、换向阀(12)、以及样品管路(11)、(14)和(15)，还有一个通向井筒的口1(16)。

图3是本发明的地层测试器所包含的泵抽排装置的简图和实施例。其中包含：样品管线(21)、阀(22)、阀(23)、样品管线(24)、泵(25)、样品管线(26)、阀(27)。

图4是本发明包含的泵抽排装置的另一个实施例的局部变化，一个三通阀(31)可取代阀(22)和阀(23)两者的组合。

图5是本发明的地层测试器所包含的取样装置(6)的一个实施例。

5具体的实施方式

本发明对地层测试器的具体改进在于：泵抽排装置的改进、取样装置的改进和控制方法的改进。其中，泵抽排装置的改进可单独实施，也可以与另两项改进合并进行。因此，本发明可以有不同的实施方式。

实施例1：根据本发明所述原理和结构，可仅对泵抽排装置进行改进，挂接现有的常规取样装置。可常规取样，也可按泵驱动取样方式进行。

实施例2：泵抽排装置改进后，可挂接本发明提出的在被挤压腔(6e)固定端具有溢流单向阀(6f)的取样装置。这种形式的取样装置不需要连接节流缓冲装置，在挂接多个取样装置的情况下可有效缩短仪器长度。

实施例3：对于泵抽排装置的改进也可以有不同的实施方案，图3中的阀(22)和阀(23)两者的组合，可以被图4中的三通阀(31)代替。

除以上实施例外，关于系统管路的布置，流体口的设计，也可以采取不同的具体结构形式，并且加装起过滤作用的过滤器，加装起节流和隔离作用的其他辅助控制阀。

阀(22)、阀(23)和阀(27)，本发明推荐采用以电液转换驱动形式。由电磁阀驱动液压阀产生压力信号，再用压力信号驱动流体控制阀作为优选方案。

本发明具体实施时，可采用模块化的仪器布局，泵抽排装置(5)即可安装在探头或封隔器装置(3)之上方，也可以挂接于其下方。

Claims (3)

1.一种测井仪器，具有封隔井壁，用泵来抽吸和驱动地层流体，进行测试和取样的功能；包含能伸出或扩张，也能回收或回缩，并且能座封或封隔井壁的封隔器，还包含可通过被座封或封隔的井壁抽吸地层流体的泵，以及能源供给装置、测量和控制装置和通信装置，其特征在于：

a)有样品管线(21)、阀(22)、阀(23)、样品管线(24)、泵(25)、样品管线(26)、阀(27)和通向井筒的流体口(28)；阀(22)、阀(23)和阀(27)在控制装置的控制下可以开启和截止；

b)样品管线(21)与阀(22)的口(22a)和阀(23)的口(23a)连接；阀(22)的口(22b)与泵(25)的口(25a)连接；阀(23)的口(23b)与样品管线(26)和泵(25)的口(25b)、阀(27)的口(27b)连接；阀(27)的口(27a)直接或间接地与通向井筒的流体口(28)连通；

c)样品管线(21)或样品管线(24)，两者之一连接通向被封隔器(3a)封隔的井壁的管路(3b)，两者的另一个至少连接一个通向取样装置(6)的样品入口(6a)，管路(3b)还可以是管路和阀的组合。

2.如权利要求1所述的测井仪器，其特征在于可以用一个三通阀(31)代替阀(22)和阀(23)两者之组合，三通阀(31)的公共口(31a)代替和阀(22)的口(22a)和阀(23)的口(23a)，三通阀(31)的选通口(31b)和选通口(31c)分别代替阀(22)的口(22b)和阀(23)的口(23b)。

3.如权利要求1、权利要求2所述的测井仪器，其特征在于：

a)至少串接一个取样装置(6)，在其样品入口(6a)与贮样腔(6c)之间至少有一个阀(6b)，在其被挤压腔(6e)的底部至少有一个溢流单向阀(6f)；

b)溢流单向阀(6f)的流体溢出口直接或间接地通向井筒，当被挤压腔(6e)的压力相对于井筒压力达到或超过溢流开启压力Pon时溢流，低于恢复关闭压力Poff时闭合，其溢流开启压力Pon不小于0.005MPa，且不大于10MPa，其恢复关闭压力Poff小于等于溢流开启压力Pon。

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