CN103712834A - 基于深井取样的室内保真取样、存样与分析装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于深井取样的室内保真取样、存样与分析装置，包括高压气源系统、与高压气源系统连接的用于收集的地层流体样品的保真取样系统，保真取样系统分别与用于对地层流体样品进行在线分析的即时降压分析系统、用于对地层流体样品中的流体进行原状保存的保真存样系统和用于对地层流体样品进行监测、分析的化学在线分析系统连接，保真取样系统、即时降压分析系统、保真存样系统和化学在线分析系统均与废水废气处理系统连接。还公开基于深井取样的室内保真取样、存样与分析方法。本发明方法易行，操作简便；采用模块化集成，各模块之间相互独立，各样品之间互不干扰，可实现多地层、多位置同时取样。

Description

基于深井取样的室内保真取样、存样与分析装置及方法

技术领域

本发明涉及深井地层流体保真取样领域，具体涉及基于深井取样的室内保真取样、存样与分析装置，同时还涉及基于深井取样的室内保真取样、存样与分析的方法，它适用于深井流体样品的取样，还可用于各种高温、高压下的取样。

背景技术

随着石油天然气开采、CO₂地质封存技术、能源与废弃物地质储存等技术、深部环境监测等领域的发展，对地层温度压力、流体成分、流体电化学以及地下环境中的变化趋势的研究显得极为重要。为了精确研究地下流体性质与成分，必须采用保真取样技术采集地下流体样品，用于分析和研究地下状态的变化。而在样品研究中，取样技术占有非常重要的地位。世界范围内都非常重视各种深部流体的取样技术，对取样技术也进行了深入的研究，并研制了多种两相流体样品取样装置，如:水气样品取样装置,油气样品取样装置。

目前各种各样的取样装置，它们各有各的特点，但总体来说没有可靠的参数来标定样品的保真度，对于所采样品不能保证样品的原位的温度和压力条件,无法判定样品原状程度。同时也不能精确控制取样速率、取样量和保真程度，也导致了采集样品不够完全反映地层内的样品性状，不能满足现在高精度分析的要求。面对现代工程运用中对取样的精度和样品的保真度的要求越来越高，传统的取样方式都面临取样速率、取样量、保真程度难以控制，样品的精度无法给出可靠的定量的标准，取样压力和温度无法保持的困难。这些都是取样系统迫切需要解决的问题。

发明内容

本发明的目的就在于针对现有技术存在的上述问题，提供基于深井取样的室内保真取样、存样与分析的方法，方法易行，操作简便，主要步骤为:1、清洗过程；2、取样过程；3、排空过程。

本发明的另一个目的是在于提供了基于深井取样的室内保真取样、存样与分析的装置，所述装置采用模块化集成，各模块之间相互独立，各样品之间互不干扰,可实现多地层、多位置同时取样；所述装置中化学在线分析系统可实时监测样品的化学成分，确保取样、存样、分析过程中样品的保真度。

本发明的目的是这样实现的：

基于深井取样的室内保真取样、存样与分析装置，包括高压气源系统，还包括与高压气源系统连接的用于收集的地层流体样品的保真取样系统，保真取样系统分别与用于对地层流体样品进行在线分析的即时降压分析系统、用于对地层流体样品中的流体进行原状保存的保真存样系统和用于对地层流体样品进行监测、分析的化学在线分析系统连接，保真取样系统、即时降压分析系统、保真存样系统和化学在线分析系统均与废水废气处理系统连接。

如上所述的高压气源系统包括依次连接的气罐总成、气体压缩机和高压包，高压包的输出端设置有气源背压阀、气源安全阀和气源压力表。

如上所述的保真取样系统包括取样器系统，取样器系统的输入端通过第一保真取样阀门与高压气源系统连通，取样器系统的输出端设置有保真取样压力表、保真取样安全阀和保真取样单向阀，取样器系统的输出端分别与即时降压分析系统、保真存样系统和化学在线分析系统连接，取样器系统的输入端通过第三保真取样阀门与取样器系统的输出端连通，取样器系统的输入端还通过第二保真取样阀门与废水废气处理系统连接。

如上所述的取样器系统包括U型管，U型管上端的两个管口中的一个管口构成取样器系统的输入端，另一个管口构成取样器系统的输出端，U型管的U型底部通过单向阀与取样管路连接。

如上所述的即时降压分析系统包括气水分离器、真空气体取样器和天平液体计量系统，气水分离器的输入端依次通过即时降压减压阀、第二即时降压阀门和第一即时降压阀门与保真取样系统连接，气水分离器的气体输出端通过第四即时降压阀门与真空气体取样器连接，气水分离器的气体输出端还依次通过第三即时降压阀门和气体质量流量计与废水废气处理系统连通，气水分离器的液体输出端依次通过第五即时降压阀门和天平液体计量系统与废水废气处理系统连接。

如上所述的化学在线分析系统包括化学分析模块，化学分析模块的输入端通过第一分析系统阀门与保真取样系统连接，化学分析模块的输入端还通过第二分析系统阀门和泵与营养液池连通，化学分析模块的输出端依次通过第三分析系统阀门、分析系统背压阀、分析系统流量计与废水废气处理系统连接。

如上所述的保真存样系统包括保真中继装置，所述的第一即时降压阀门依次通过第一保真存样阀门和第三保真存样阀门与保真中继装置连接，所述的第一即时降压阀门还依次通过第一保真存样阀门、第二保真存样阀门、分析系统背压阀、分析系统流量计与废水废气处理系统连接，保真中继装置采用活塞式结构，保真中继装置的活塞端依次通过第四保真存样阀门和第五保真存样阀门连接到计量泵控制系统，用计量泵控制系统来控制保真中继装置进样速度。

如上所述的废水废气处理系统包括废水废气处理箱，废水废气处理箱通过废水处理节流阀分别与即时降压分析系统、保真存样系统和化学在线分析系统连接。

基于深井取样的室内保真取样、存样与分析的方法，包括以下步骤：

1、清洗过程

随着取样器系统下入井底,取样器系统中进入了不同地层的流体。将第三保真取样阀门、第二保真取样阀门、第三保真存样阀门、第二分析系统阀门关闭，其余阀打开。用高压气体系统中的惰性气体快速冲洗整个系统，高压惰性气体通过第一保真取样阀门流经保真取样系统，通过第一即时降压阀门进入即时降压分析系统和保真存样系统，通过第一分析系统阀门进入化学在线分析系统，对整个系统中的管线和设备进行清洗。随着高压惰性气体的冲洗，取样器系统中的地层流体随着清洗过程被排出系统。清洗过程继续，通过化学在线分析系统监测的数据来判定整个冲洗过程，当流体的各项数据稳定时，可以判定冲洗过程完毕。清洗完毕后可进行取样过程。由于采用惰性气体，虽然残留的气体会对样品产生一定的影响，但不会影响整个分析的结果。取样器系统的U型管结构使得惰性气体冲洗不能很彻底，并且管路较长，仍会有少量的液体存在于系统中，特别取样器系统的U型管的底部残余的少量液体在取样过程中通过化学在线分析系统来消除其对样品的影响。

2、取样过程

待清洗完毕后，关闭第一保真取样阀门、第一即时降压阀门、第一分析阀门，保真取样系统处于封闭状态。此时缓慢打开第三即时降压阀门和第二保真存样阀门，使即时降压分析系统和保真存样系统排空。再打开第三保真取样阀门和第二保真取样阀门，使地层流体在地层压力的作用下进入保真取样系统中的取样器系统，第三保真取样阀门的打开是为了保证进样的平稳，通过调节废水处理节流阀控制进样的速度。待有液体从废水废气处理系统排出时，进样完成。先关闭第二保真取样阀门，样品不在进入取样器系统，再关闭第三保真取样阀门，断开取样器系统U型管的两端。此时样品已收集至取样器系统中。之前残余的流体一部分在取样过程中排出到废水废气处理系统中，一部分仍残留在取样器系统两端的管路中。启动高压气源系统，提高高压气源系统中的压力与保真取样系统保持一致。打开第一保真取样阀门和第一分析系统阀门，其余关闭。随着高压惰性气体不断的进入保真取样系统，迫使取样器系统中的样品往地面运移。取样过程中存在有少量残余液体也随着样品一起运移至地面。样品通过第一分析系统阀门进入化学在线分析系统。化学在线分析系统中的化学分析模块会对流体进行监测。随着通过化学在线分析系统的流体越来越多，目标样品在流体中的成分越来越多，各项参数会随着目标样品在流体里所占的比例的增加而发生变化。最终流体里只有目标样品时，各项参数趋于稳定。此时可判定所通过的流体为目标样品，没有任何杂质的污染。通过监测的结果来判定取样过程的开始，从而明确的标定了取样开始的时间，保证样品是最为真实的部分。样品通过第一即时降压阀门进入即时降压分析系统和保真存样系统。为了避免阀、管等有效容积里的杂质对样品的影响，尽量减少第一保真存样阀门、第二保真存样阀门、第三保真存样阀门以及保真中继装置前后的管线。样品经过第一即时降压阀门后分为两路，分别进入即时降压分析系统和保真存样系统。在即时降压分析系统中通过即时降压减压阀将压力降低，避免高压对气水分离器的影响，同时也便于样品在气水分离器中得到充分的分离。气水分离器中分离得到的水通过天平液体计量系统称重，得到样品中水的质量。天平液体计量系统通过将分离的水收集到容器中，然后通过天平来测量水的质量，从而得到水的质量。分离得到的气通过第四即时降压阀门进入真空气体取样器，多余的气体通过第三即时降压阀门和气体质量流量计精确计量样品中分离出来的气的质量。在保真存样系统中样品通过第一保真存样阀门、第三保真存样阀门进入保真中继装置。保真中继装置用来保温保压的存储样品，使样品能保持原始状态的温度、压力。为了能精确的控制取样的过程，保真中继装置中活塞的后退用计量泵控制系统控制，使取样的速率和取样量能得到精确的控制，避免由于取样速率过快导致压力衰减使样品中的化学成分发生变化。保真中继装置为活塞式，清洗过程时第三保真存样阀门是关闭的，无法清洗到第三保真存样阀门与保真中继装置之间的管路，与第三保真存样阀门连接的另一端的封闭管路也无法清洗。为了减小残余杂质对样品的影响，第三保真存样阀门一端直接连接到三通上，另一端直接与保真中继装置连接，减小有效容积。保真中继装置前端采用锥形结构，使得中间活塞前端能进入到第三保真存样阀门与保真中继装置连接的管路中，将有效容积降至最小。当保真中继装置装满样品后，关闭第三保真存样阀门、第四保真存样阀门。如需将保真中继装置从系统中取出，只需将保真中继装置连同第三保真存样阀门、第四保真存样阀门一同拆卸即可。取样完成后，打开第二保真存样阀门，通过分析系统背压阀降压后排入废水废气处理系统。

3、排空过程

待取样完成后，停止高压气源系统，关闭第一保真取样阀门、第一即时降压阀门、第一分析系统阀门、第二分析系统阀门。排空保真取样系统，打开第三保真取样阀门，使U型管两端的连通，压力保持一致，然后打开第二保真取样阀门，使剩余样品和惰性气体从第二保真取样阀门排至废水废气处理系统。待保真取样系统排空后，关闭第二保真取样阀门、第三保真取样阀门。使保真取样系统处于密封的状态。用于下次采样。化学在线分析系统的排空，通过调节废水处理节流阀，使化学在线分析系统缓慢降压。迅速的压降会损坏化学在线分析系统中的化学分析模块中的监测设备损坏。待排空化学在线分析系统后，打开第二分析系统阀门，关闭第一分析系统阀门。启动泵，用营养液、标定液和蒸馏水的混合物。对化学在线分析系统中监测设备的进行清洗、维护。该混合物由化学分析模块中的监测设备供应商提供，不同的设备配置不用的液体。

发明目的的实现：

如图1,本发明通过保真取样系统收集地层流体样品,高压气源系统提供高压惰性气体，使系统压力达到深井地层的压力，持续供给的高压惰性气体使地层流体样品往地面运移。废水废气处理系统中的废水处理节流阀用来调控地层流体样品运移的速率,精确控制整个取样过程。地层流体样品运移至地表后,首先通过化学在线分析系统分析,监测流体的pH值和氧化还原电位，初步分析其成分。由于保真取样系统中保真样品只有中间一部分样品，前后两端均为混有上次的样品，随着地层流体样品不断通过化学分析模块，流体样品的组分发生变化，由混合样品逐步过渡到原状样品，通过化学分析模块监测流体数据变化，从而精确监测流体化学成本和判定流体样品保真程度，为后续样品分析与存样奠定基础。当通过化学分析模块的流体的组分发生改变时，各项监测数据发生变化，如酸碱度、氧化还原电位、总固溶物、溶解氧等，随着通过化学分析模块的流体性质的稳定，各项监测数据趋于稳定，从而判断此时的流体为目标样品，不包含混合样品。从而精确判定取样的时间，保证取样保真程度，避免了残余样品和杂质的污染，提高样品保真程度。确定取样后，通过阀门断开化学在线分析系统，连通即时降压分析系统和保真存样系统。样品进入即时降压分析系统，通过即时降压减压阀降压，然后进入气水分离器，分离后的气体通过真空气体取样器和气体质量流量计计量，水通过天平液体计量系统计量，初步分析样品所含的气体和水。真空气体取样器的气和天平液体计量系统的水通过化学合成来完成后续的分析工作。合成过程参考化学在线分析系统中监测到的各项指标。样品进入保真存样系统，通过保真中继装置来保温保压的存储样品，使样品能保持初始的温度、压力。保真中继装置为活塞式，用计量泵控制系统来控制保真中继装置进样的速度，使进样的速率和取样量能得到精确的控制，避免由于取样速率过快导致压力衰减使样品中的化学成分发生变化。

为了减少残余杂质对样品的影响，第三保真存样阀门一端直接连接到三通上，另一端直接与保真中继装置连接，减小有效容积。保真中继装置前端采用锥形结构，使得中间活塞前端能进入到第三保真存样阀门与保真中继装置连接的管路中，将有效容积降至最小。保真中继装置进样完成后，关闭第三保真存样阀门和第四保真存样阀门，拆卸时连同第三保真存样阀门和第四保真存样阀门一同取出系统，将保真中继装置从系统中取出。取样完成后，打开第二保真存样阀门，通过分析系统背压阀降压后排入废水废气处理系统。为了确保样品的精度，所有管线、装置等的温度都由保温系统控制，确保系统内压力高于样品初始压力，保持温度保持一致，从而降低样品在取样与存样过程中的解析、分解、凝析等现象，从而提高样品的保真程度。

本发明与现有技术相比，具有以下效果：

1、所述装置采用模块化集成，各模块之间相互独立，便于装置的组装、维修、扩展;

2、所述多装置可实现种来源样品的同时取样，各样品之间互不干扰,可实现多地层、多位置同时取样；

3、所述装置中即时降压分析系统可实现在线即时降压分析，通过天平液体计量系统计量样品中水的质量，并供后续水质分析；真空气体取样器中保存样品气水分离后得到的气体，并供后续气质分析。气体质量流量计计量样品中气的质量，连同天平液体计量系统中水的质量，初步分析样品的气水的比例。真空气体取样器的气和天平计量系统的水通过化学合成来完成后续的分析工作。同时通过软件合成还能还原高温高压下样品的状态，实现进一步分析；

4、所述装置中保真存样系统可保持地层流体样品在原始地层压力、温度下的流体状态和化学成分，为后续原状流体的高精度分析和样品保存提供非常好的样品基础；同时存样过程的可控性非常好，在所述保真存样系统中加入计量泵控制系统，可以精确控制存样过程，精确控制系统中的压力、温度。避免样品进入保真中继装置的速度过快使得样品压力迅速降低，导致样品失真；

5、所述装置中化学在线分析系统可实时监测样品的化学成分，确保取样、存样、分析过程中样品的保真度，同时可对传感器等监测设备定期进行清洗、维护和重新标定；

6、所述装置中保温系统保证了样品初始地层状态下的温度，地面部分传输管线以及取样、分析和存样设备的温度，地下部分通过高温水循环保证温度的可控。确保系统的各个环节都能保证样品的精确。

附图说明

图1为基于深井取样的室内保真取样、存样与分析的装置结构原理图。

图2为高压气源系统结构原理图。

图3为化学分析模块结构原理图。

图4为U型取样器结构原理图。

图中：110-高压气源系统；111-气罐总成；112-气体压缩机；113-高压包；114-气源背压阀；115-气源安全阀；116-气源压力表；

120-保真取样系统；121-第一保真取样阀门；122-第二保真取样阀门；123-第三保真取样阀门；124-取样器系统；125-保真取样压力表；126-保真取样安全阀；127-保真取样单向阀；1241-U型管；1242-单向阀；1243-取样管路；

130-即时降压分析系统；131-第一即时降压阀门；132-第二即时降压阀门；133-即时降压减压阀；134-气水分离器；135-第三即时降压阀门；136-第四即时降压阀门；137-真空气体取样器；138-气体质量流量计；139-第五即时降压阀门；1310-天平液体计量系统；

140-保真存样系统；141-第一保真存样阀门；142-第二保真存样阀门；143-第三保真存样阀门；144-保真中继装置；145-第四保真存样阀门；146-第五保真存样阀门；147-计量泵控制系统；

150-化学在线分析系统；151-泵；152-第一分析系统阀门；153-第二分析系统阀门；154-化学分析模块；155-第三分析系统阀门；156-分析系统背压阀；157-分析系统流量计；1541-参比电极分析装置；1542-氧化还原电位分析装置；1543-酸碱度分析装置；1544-其它分析装置；

160-废水废气处理系统；161-废水处理节流阀；162-废水废气处理箱。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案进行进一步详细说明。

图1描述了两点采样的情况，多点采样的实现只需在此基础上增加各模块即可。其中一点的取样系统包括高压气源系统110、保真取样系统120、即时降压分析系统130、保真存样系统140、化学在线分析系统150、废水废气处理系统160和保温系统；另外一点取样系统包括保真取样系统120，即时降压分析系统130、保真存样系统140、化学在线分析系统150和保温系统。两个取样系统中保真取样系统、即时降压分析系统、保真存样系统、化学在线分析系统为相同的结构。高压气源系统110和废水废气处理系统160为整个装置的公共部分。

1、高压气源系统110

高压气源系统提供高压惰性气体。图2给出高压气源系统实现的方式。如图2所示，高压气源系统110包括依次连接的气罐总成111、气体压缩机112、高压包113、气源背压阀114、气源安全阀115和气源压力表116。该系统通过气体压缩机112产生高压，实现高压气源的作用。高压气源系统110所能提供的压力由取样层的压力决定,通过选择气体压缩机112的型号来达到满足使用的要求，目前实验所用的高压气源系统110能提供最高40MPa的压力。

高压气源系统110作用是将保真取样系统120中收集的地层流体样品运移至地面装置，同时也使整个装置中的压力保持与样品地层原始压力一致。气罐总成111由多个气罐组成，由系统的取样量以及取样深度等确定气罐数量。气罐总成111提供足够的相对地下化学成分为惰性的气体，所用惰性气体，如氮气、氦气、氪气等相对于地层稳定的气体，与样品及样品所在的环境中的化学成分不发生反应，保证地下样品的化学成分稳定。气体压缩机112提高惰性气体的压力，从而给保真取样系统120提供动力源，气源背压阀114确保整个系统能保持恒定的压力，同时使用空气包113减小系统中压力的波动，保证系统中的压力平稳，精确控制取样过程的压力。气源压力表116用于监测在进入保真取样系统120前的压力。

2、保真取样系统120

如图1，保真取样系统120主要包括第一保真取样阀门121、第二保真取样阀门122、第三保真取样阀门123、取样器系统124、保真取样压力表125、保真取样安全阀126、保真取样单向阀127。

保真取样系统120作用是将样品收集进系统中。保真取样系统120下入井底取样层之前保持常压状态，和地面装置不连接，即下井时，取样器系统124随着下井工具下入井底。取样器系统124采用U型取样器。如图4，该图为U型取样器的原理图，取样器系统124主要包括U型管1241、单向阀1242和取样管路1243。在取样管路1243进样端装有液体过滤器和气体过滤器。在地层压力作用下地层流体通过单向阀1242从U型管的底部流入U型管1241中。第三保真取样阀门123用于连接U型管1241上端的两条支路,用于平衡U型管两个支路中的压力。地层压力随着深度不断增加，保真取样系统120中的压力也随之增加，最终保真取样系统120达到目标层的压力。待到达取样层后，连接地面装置。取样时通过化学在线分析系统150来监测,排除残余液体的影响。在保真取样系统120中增加保真取样安全阀126，避免由于复杂地层环境造成的异常高压对设备以及操作人的损伤。保真取样系统120中保真取样单向阀127用于防止样品从地面装置倒流至保真取样系统中。第二保真取样阀门122、第三保真取样阀门123用于取样器系统124的进样以及排空。排空时，先打开第三保真取样阀门123，U型管1241上端两条支路中的压力保持一致，在地层高压力的作用下通过第二保真取样阀门122排除系统；进样时，关闭第二保真取样阀门122，打开第三保真取样阀门123，U型管1241两端的压力保持一致，样品均匀的进入U型管1241的两端。

3、即时降压分析系统130

如图1，即时降压分析系统130主要包括第一即时降压阀门131、第二即时降压阀门132、即时降压减压阀133、气水分离器134、第三即时降压阀门135、第四即时降压阀门136、真空气体取样器137、气体质量流量计138、第五即时降压阀门139、天平液体计量系统1310。

即时降压分析系统130用来分析样品中所含气、水的比例。高压地下流体样品通过即时降压减压阀133减压，然后进入气水分离器134，实现气水分离。分离后，气体用真空气体取样器137储存起来，用于后期分析气体具体成分，多余的气体通过第三即时降压阀门135和气体质量流量计138精确计量排空气体的质量。液体通过天平液体计量系统1310计量出液体的重量。从而分析样品中水气的比例。同时也实现气体样品的存储。

4、保真存样系统140

如图1，保真存样系统140包括第一保真存样阀门141、第二保真存样阀门142、第三保真存样阀门143、保真中继装置144、第四保真存样阀门145、第五保真存样阀门146、计量泵控制系统147。

保真存样系统140用于样品的保真存储。样品经过第三保真存样阀门143进入保真中继装置144，第二保真存样阀门142、第三保真存样阀门143和保真中继装置144之间的连接管线尽可能短，减小管路中残余杂质对样品的污染。由于清洗过程中，第三保真存样阀门143关闭，使得第三保真存样阀门143与保真中继装置144之间的管路形成封闭的狭小空间，无法清洗。为了确保样品的精确，减少杂质对样品的污染。同时保真中继装置144结构上减小有效容积，确保保真中继装置144中残余杂质降到最低，保证样品的精确。保真中继装置144采用活塞式结构，其中活塞连接到计量泵控制系统147，用计量泵控制系统147来控制保真中继装置144进样速度，避免由于进样速度过快导致样品压力迅速衰减所导致的样品的失真，同时也能精确计量取样量，取样完成后，多余样品通过第二保真存样阀门142排空至废水废气处理系统160，排空时流量通过节流阀161控制。保真中继装置144连同前、后的阀门一并取出系统，用于保存、运输及以后高温高压下的分析。

5、化学在线分析系统150

如图1，化学在线分析系统150包括泵151、第一分析系统阀门152、第二分析系统阀门153、化学分析模块154、第三分析系统阀门155、分析系统背压阀156、分析系统流量计157。

化学在线分析系统150用于样品初步分析以及取样时间的控制，同时对于样品的保真度给出可靠的标准。化学在线分析系统150通过化学分析模块154监测样品的品质，判断样品的保真度。图3给出化学分析模块154实现的一种方式，其中包括参比电极分析装置1541，该装置用于监测样品的温度、PH值等参数；氧化还原电位分析装置1542，该装置用于监测样品的一个综合性指标，用于表征介质氧化性或还原性的相对程度；酸碱度分析装置1543，该装置用于精确监测样品的PH值；和其它分析装置1544，实现对流体样品中的各项参数的监测，初步判别流体的组分。其它分析装置1544可针对性的增加更多的成分分析系统，如光纤成分分析系统、气相色谱分析系统等。在保真取样系统120下井过程中，取样器系统124中存在各个不同地层的流体，随着取样过程的开始，目标样品进入取样器系统124。样品进入取样器系统124后,取样器系统124中的U型管1241上端两条支路里主要为残余流体，下端为目标样品。残余流体和目标样品之间没有明确的分界线。残余流体和目标样品之间的交换需要很长时间，相对于采样周期，可以认为在采样一个周期里，残余流体和目标样品之间没有交换。流体通过化学在线分析系统150中的化学分析模块154，目标样品在流体中的成分越来越多，由混合样品逐步过渡到原状样品。当通过化学分析模块154的流体的组分发生改变时，各项监测数据发生变化，如酸碱度、氧化还原电位、总固溶物、溶解氧等，随着通过化学分析模块154的流体性质的稳定，各项监测数据趋于稳定，从而判断此时的流体为目标样品，不包含混合样品。从而精确判定取样的时间，保证取样保真程度，避免了残余样品和杂质的污染，提高样品保真程度，保证样品是最为真实的部分。由于化学分析模块154里面监测设备的特殊性，需要定期清洗、标定和维护，利用泵151用特制的液体来对检测设备进行清洗、标定和维护，特制的液体主要由营养液、标准液以及蒸馏水组成。整个过程一步实现了清洗、标定和维护。

6、废水废气处理系统160如图1，废水废气处理系统160主要包括废水处理节流阀161和废水废气处理箱162。

废水废气处理系统160主要作用是回收取样过程中产生的废水和废气。废水处理节流阀161的用来调节整个系统的液体流速，是采样中的流速平稳、可控。废水废气处理系统160按照相关标准执行。

7、保温系统

保温系统主要包括地面管线和设备的水浴保温及地下高温水循环。

保温系统包括地面管线和设备的水浴保温系统及地下高温水循环系统。地面所有的管线使用水浴保温，地面设备中化学在线分析系统使用水浴保温。水浴保温系统温度控制精度高。地下高温水循环则是通过高温水在油管和套管组成的环空中不断循环达到保持地层中取样管线和设备的恒温。高温水通过油管进入井底，从井底油管底部预留的孔流出到油管和套管之间的环空，通过油管和套管之间的环空中返回地面，不断循环的高温水保持地下管线和设备的温度恒定。温度的控制通过改变高温水的温度来达到控制的目的。保温系统通过监测样品地层的温度，控制水浴保温系统和地下高温水循环系统的水温与样品地层的温度一致。

基于深井取样的室内保真取样、存样与分析的方法，包括以下步骤：

1、清洗过程

随着取样器系统124下入井底,取样器系统124中进入了不同地层的流体。将第三保真取样阀门123、第二保真取样阀门122、第三保真存样阀门143、第二分析系统阀门153关闭，其余阀打开。用高压气源系统110中的惰性气体快速冲洗整个系统，高压惰性气体通过第一保真取样阀门121流经保真取样系统120，通过第一即时降压阀门131进入即时降压分析系统130和保真存样系统140，通过第一分析系统阀门152进入化学在线分析系统150，对整个系统中的管线和设备进行清洗。随着高压惰性气体的冲洗，取样器系统124中的地层流体随着清洗过程被排出系统。清洗过程继续，通过化学在线分析系统150监测的数据来判定整个冲洗过程的完毕。清洗完毕后可进行取样过程。由于采用惰性气体，虽然残留的气体会对样品产生一定的影响，但不会影响整个分析的结果。取样器系统124的U型管结构使得惰性气体冲洗不能很彻底，并且管路较长，仍会有少量的液体存在于系统中，特别取样器系统124的U型管的底部。残余的少量液体在取样过程中通过化学在线分析系统150来消除其对样品的影响。

2、取样过程

待清洗完毕后，关闭第一保真取样阀门121、第一即时降压阀门131、第一分析系统阀门152，保真取样系统120处于封闭状态。此时缓慢打开第三即时降压阀门135和第二保真存样阀门142，使即时降压分析系统130和保真存样系统140排空。再打开第三保真取样阀门123和第二保真取样阀门122，使地层流体在地层压力的作用下进入保真取样系统120中的取样器系统124，第三保真取样阀门123的打开是为了保证进样的平稳，通过调节废水处理节流阀161控制进样的速度。待有液体从废水废气处理系统160排出时，进样完成。先关闭第二保真取样阀门122，样品不在进入取样器系统124，再关闭第三保真取样阀门123，断开取样器系统124U型管的两端此时样品已收集至取样器系统124中。之前残余的流体一部分在取样过程中排出到废水废气处理系统160中，一部分仍残留在取样器系统124两端的管路中。启动高压气源系统110，提高高压气源系统110中的压力与保真取样系统120保持一致。打开第一保真取样阀门121和第一分析系统阀门152，其余关闭。随着高压惰性气体不断的进入保真取样系统120，迫使取样器系统124中的样品往地面运移。取样过程中存在有少量残余液体也随着样品一起运移至地面。样品通过第一分析系统阀门152进入化学在线分析系统150。化学在线分析系统150中的化学分析模块154会对流体进行监测。随着通过化学在线分析系统150的流体越来越多，目标样品在流体中的成分越来越多，各项参数会随着目标样品在流体里所占的比例的增加而发生变化。最终流体里只有目标样品时，各项参数趋于稳定。此时可判定所通过的流体为目标样品，没有任何杂质的污染。通过监测的结果来判定取样过程的开始，从而明确的标定了取样开始的时间，保证样品是最为真实的部分。样品通过第一即时降压阀门131进入即时降压分析系统130和保真存样系统140。为了避免阀、管等有效容积里的杂质对样品的影响，尽量减少第一保真存样阀门141、第二保真存样阀门142、第三保真存样阀门143以及保真中继装置144前后的管线。样品经过第一即时降压阀门131后分为两路，分别进入即时降压分析系统130和保真存样系统140。在即时降压分析系统中130通过即时降压减压阀133将压力降低，避免高压对气水分离器134的影响，同时也便于样品在气水分离器134中得到充分的分离。气水分离器134中分离得到的水通过天平液体计量系统1310称重，得到样品中水的质量。天平液体计量系统1310通过将分离的水收集到容器中，然后通过天平来测量水的质量，从而得到水的质量。分离得到的气通过第四即时降压阀门136进入真空气体取样器137，多余的气体通过第三即时降压阀门135和气体质量流量计138精确计量样品中分离出来的气的质量。在保真存样系统140中样品通过第一保真存样阀门141、第三保真存样阀门143进入保真中继装置144。保真中继装置144用来保温保压的存储样品，使样品能保持原始状态的温度、压力。为了能精确的控制取样的过程，保真中继装置144中活塞的后退用计量泵控制系统147控制，使取样的速率和取样量能得到精确的控制，避免由于取样速率过快导致压力衰减使样品中的化学成分发生变化。保真中继装置144为活塞式，清洗过程时第三保真存样阀门143是关闭的，无法清洗到第三保真存样阀门143与保真中继装置144之间的管路，与第三保真存样阀门143连接的另一端的封闭管路也无法清洗。为了减小残余杂质对样品的影响，第三保真存样阀门143一端直接连接到三通上，另一端直接与保真存样装置144连接，减小有效容积。保真中继装置144前端采用锥形结构，使得中间活塞前端能进入到第三保真存样阀门143与保真中继装置144连接的管路中，将有效容积降至最小。当保真中继装置144装满样品后，关闭第三保真存样阀门143、第四保真存样阀门145。如需将保真中继装置144从系统中取出，只需将保真中继装置144连同第三保真存样阀门143、第四保真存样阀门145一同拆卸即可。取样完成后，打开第二保真存样阀门142，通过分析系统背压阀156降压后排入废水废气处理系统160。

3、排空过程

待取样完成后，停止高压气源系统110，关闭第一保真取样阀门121、第一即时降压阀门131、第一分析系统阀门152、第二分析系统阀门153。排空保真取样系统120，打开第三保真取样阀门123，使U型管1241两端的连通，压力保持一致，然后打开第二保真取样阀门122，使剩余样品和惰性气体从第二保真取样阀门122排至废水废气处理系统160。待保真取样系统120排空后，关闭第二保真取样阀门122、第三保真取样阀门123。使保真取样系统120处于密封的状态。用于下次采样。化学在线分析系统150的排空，通过调节废水处理节流阀161，使化学在线分析系统150缓慢降压。迅速的压降会损坏化学在线分析系统150中的化学分析模块154中的监测设备损坏。待排空化学在线分析系统150后，打开第二分析系统阀门153，关闭第一分析系统阀门152。启动泵151，用营养液、标定液和蒸馏水的混合物对化学在线分析系统150中监测设备的进行清洗、维护。该混合物由化学分析模块154中的监测设备供应商提供，不同的设备配置不用的液体。

发明目的的实现：

如图1,本发明通过保真取样系统120收集地层流体样品,高压气源系统110提供高压惰性气体，使系统压力达到深井地层的压力，持续供给的高压惰性气体使地层流体样品往地面运移。废水废气处理系统160中的废水处理节流阀161用来调控地层流体样品运移的速率,精确控制整个取样过程。地层流体样品运移至地表后,首先通过化学在线分析系统150分析,监测流体的pH值和氧化还原电位的参数，初步分析其成分。由于保真取样系统中保真样品只有U型管中间一部分样品，前后两端均为混有上次的样品或者杂质，随着地层流体样品不断通过化学分析模块154，流体样品的组分发生变化，由混合样品逐步过渡到原状样品，通过化学分析模块154监测流体数据变化，从而精确监测流体化学成本和判定流体样品保真程度，为后续样品分析与存样奠定基础。当通过化学分析模块154的流体的组分发生改变时，各项监测数据发生变化，如酸碱度、氧化还原电位、总固溶物、溶解氧等，随着通过化学分析模块154的流体性质的稳定，各项监测数据趋于稳定，从而判断此时的流体为目标样品，不包含混合样品。从而精确判定取样的时间，保证取样保真程度，避免了残余样品和杂质的污染，提高样品保真程度。确定取样后，通过阀门断开化学在线分析系统150，连通即时降压分析系统130和保真存样系统140。样品进入即时降压分析系统130，通过即时降压减压阀133降压，然后进入气水分离器134，分离后的气体通过真空气体取样器137和气体质量流量计138计量，水通过天平液体计量系统1310计量，初步分析样品所含的气体和水。真空气体取样器137的气和天平液体计量系统1310的水通过化学合成来完成后续的分析工作。合成过程参考化学在线分析系统150中监测到的各项指标。样品进入保真存样系统140，通过保真中继装置144来保温保压的存储样品，使样品能保持初始的温度、压力。保真中继装置144为活塞式，用计量泵控制系统147来控制保真中继装置144进样的速度，使进样的速率和取样量能得到精确的控制，避免由于取样速率过快导致压力衰减使样品中的化学成分发生变化。

为了减少残余杂质对样品的影响，第三保真存样阀门143一端直接连接到三通上，另一端直接与保真中继装置144连接，减小有效容积。保真中继装置144前端采用锥形结构，使得中间活塞前端能进入到第三保真存样阀门143与保真中继装置144连接的管路中，将有效容积降至最小。保真中继装置144进样完成后，关闭第三保真存样阀门143和第四保真存样阀门145，拆卸时连同第三保真存样阀门143和第四保真存样阀门145一同取出系统，将保真中继装置144从系统中取出。取样完成后，打开第二保真存样阀门142，通过分析系统背压阀156降压后排入废水废气处理系统160。为了确保样品的精度，所有管线、装置等的温度都由保温系统控制，确保系统内压力高于样品初始压力，保持温度保持一致，从而降低样品在取样与存样过程中的解析、分解、凝析等现象，从而提高样品的保真程度。

再次取样，只需重复上述过程即可。

多点多样品同时取样的实现：

该发明将各个子组件模块化，能实现多点、多样品同时取样，各样品之间互不干扰。为了能实现多点取样，需要增加多个保真取样装置，同时地面的装置也需相应增加，增加的部分包括即时降压分析存样系统、保真存样系统和化学在线分析系统。由于整个系统模块化，增加的取样点对其它的取样点无任何影响，可实现多点、多样品同时取样，各模块之间相互独立，互不干扰。安装非常方便。增加的模块与详细叙述的模块结构相同。下面对多点采样做简要说明：

多点采样过程如单点采样相同，分为三个步骤：（一）清洗过程;（二）取样过程；（三）排空过程。操作方式与模块的连接与上述过程相同。多点采样时，从成本和样品的保真度的角度考虑，采样点之间间隔不应过大。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (9)

1.基于深井取样的室内保真取样、存样与分析装置，包括高压气源系统（110），其特征在于，还包括与高压气源系统（110）连接的用于收集的地层流体样品的保真取样系统（120），保真取样系统（120）分别与用于对地层流体样品进行在线分析的即时降压分析系统（130）、用于对地层流体样品中的流体进行原状保存的保真存样系统（140）和用于对地层流体样品进行监测、分析的化学在线分析系统（150）连接，保真取样系统（120）、即时降压分析系统（130）、保真存样系统（140）和化学在线分析系统（150）均与废水废气处理系统（160）连接。

2.根据权利要求1所述的基于深井取样的室内保真取样、存样与分析装置，其特征在于，所述的高压气源系统（110）包括依次连接的气罐总成（111）、气体压缩机（112）和高压包（113），高压包（113）的输出端设置有气源背压阀（114）、气源安全阀（115）和气源压力表（116）。

3.根据权利要求1所述的基于深井取样的室内保真取样、存样与分析装置，其特征在于，所述的保真取样系统（120）包括取样器系统（124），取样器系统（124）的输入端通过第一保真取样阀门（121）与高压气源系统（110）连通，取样器系统（124）的输出端设置有保真取样压力表（125）、保真取样安全阀（126）和保真取样单向阀（127），取样器系统（124）的输出端分别与即时降压分析系统（130）、保真存样系统（140）和化学在线分析系统（150）连接，取样器系统（124）的输入端通过第三保真取样阀门（123）与取样器系统（124）的输出端连通，取样器系统（124）的输入端还通过第二保真取样阀门（122）与废水废气处理系统（160）连接。

4.根据权利要求3所述的基于深井取样的室内保真取样、存样与分析装置，其特征在于，所述的取样器系统（124）包括U型管（1241），U型管（1241）上端的两个管口中的一个管口构成取样器系统（124）的输入端，另一个管口构成取样器系统（124）的输出端，U型管（1241）的U型底部通过单向阀（1242）与取样管路（1243）连接。

5.根据权利要求3所述的基于深井取样的室内保真取样、存样与分析装置，其特征在于，所述的即时降压分析系统（130）包括气水分离器（134）、真空气体取样器（137）和天平液体计量系统（1310），气水分离器（134）的输入端依次通过即时降压减压阀（133）、第二即时降压阀门（132）和第一即时降压阀门（131）与保真取样系统（120）连接，气水分离器（134）的气体输出端通过第四即时降压阀门（136）与真空气体取样器（137）连接，气水分离器（134）的气体输出端还依次通过第三即时降压阀门（135）和气体质量流量计（138）与废水废气处理系统（160）连通，气水分离器（134）的液体输出端依次通过第五即时降压阀门（139）和天平液体计量系统（1310）与废水废气处理系统（160）连接。

6.根据权利要求5所述的基于深井取样的室内保真取样、存样与分析装置，其特征在于，所述的化学在线分析系统（150）包括化学分析模块（154），化学分析模块（154）的输入端通过第一分析系统阀门（152）与保真取样系统（120）连接，化学分析模块（154）的输入端还通过第二分析系统阀门（153）和泵（151）与营养液池连通，化学分析模块（154）的输出端依次通过第三分析系统阀门（155）、分析系统背压阀（156）、分析系统流量计（157）与废水废气处理系统（160）连接。

7.根据权利要求6所述的基于深井取样的室内保真取样、存样与分析装置，其特征在于，所述的保真存样系统（140）包括保真中继装置（144），所述的第一即时降压阀门（131）依次通过第一保真存样阀门（141）和第三保真存样阀门（143）与保真中继装置（144）连接，所述的第一即时降压阀门（131）还依次通过第一保真存样阀门（141）、第二保真存样阀门（142）、分析系统背压阀（156）、分析系统流量计（157）与废水废气处理系统（160）连接，保真中继装置（144）采用活塞式结构，保真中继装置（144）的活塞端依次通过第四保真存样阀门（145）和第五保真存样阀门（146）连接到计量泵控制系统（147），用计量泵控制系统（147）来控制保真中继装置（144）进样速度。

8.根据权利要求1所述的基于深井取样的室内保真取样、存样与分析装置，其特征在于，所述的废水废气处理系统（160）包括废水废气处理箱（162），废水废气处理箱（162）通过废水处理节流阀（161）分别与即时降压分析系统（130）、保真存样系统（140）和化学在线分析系统（150）连接。

9.利用权利要求7所述装置进行深井取样的室内保真取样、存样与分析的方法，其特征在于，包括以下步骤：

清洗步骤：

随着取样器系统（124）下入井底，取样器系统（124）中进入了不同地层的流体，将第三保真取样阀门（123）、第二保真取样阀门（122）、第三保真存样阀门（143）、第二分析系统阀门（153）关闭，其余阀打开，用高压气源系统（110）中的惰性气体快速冲洗整个系统，惰性气体通过第一保真取样阀门（121）流经保真取样系统（120），通过第一即时降压阀门（131）进入即时降压分析系统（130）和保真存样系统（140），通过第一分析系统阀门（152）进入化学在线分析系统（150），对整个系统中的管线和设备进行清洗，通过化学在线分析系统（150）监测的数据稳定来判定整个冲洗过程的完毕，清洗完毕后可进行取样步骤；

取样步骤：

关闭第一保真取样阀门（121）、第一即时降压阀门（131）、第一分析系统阀门（152），保真取样系统（120）处于封闭状态，此时缓慢打开第三即时降压阀门（135）和第二保真存样阀门（142），使即时降压分析系统（130）和保真存样系统（140）排空，再打开第三保真取样阀门（123）和第二保真取样阀门（122），使地层流体在地层压力的作用下进入保真取样系统（120）中的取样器系统（124），通过调节废水处理节流阀（161）控制进样的速度，待有液体从废水废气处理系统（160）排出时，进样完成，先关闭第二保真取样阀门（122），样品不在进入取样器系统（124），再关闭第三保真取样阀门（123），断开取样器系统（124）U型管的两端，此时样品已收集至取样器系统（124）中，启动高压气源系统（110），提高高压气源系统（110）中的压力与保真取样系统（120）保持一致，打开第一保真取样阀门（121）和第一分析系统阀门（152），其余阀门关闭，样品通过第一分析系统阀门（152）进入化学在线分析系统（150），化学在线分析系统（150）中的化学分析模块（154）会对流体进行监测，化学在线分析系统（150）监测的各项参数趋于稳定即可判定所通过的流体为目标样品，此时将目标样品通过第一即时降压阀门（131）进入即时降压分析系统（130）和保真存样系统（140），目标样品经过第一即时降压阀门（131）后分为两路，分别进入即时降压分析系统（130）和保真存样系统（140），在即时降压分析系统（130）中通过即时降压减压阀（133）将压力降低，气水分离器（134）中分离得到的水通过天平液体计量系统（1310）称重，得到样品中水的质量，天平液体计量系统（1310）通过将分离的水收集到容器中，然后通过天平来测量水的质量，从而得到水的质量，分离得到的气通过第四即时降压阀门（136）进入真空气体取样器（137），多余的气体通过第三即时降压阀门（135）和气体质量流量计（138）精确计量样品中分离出来的气的质量，在保真存样系统（140）中样品通过第一保真存样阀门（141）、第三保真存样阀门（143）进入保真中继装置（144），保真中继装置（144）中活塞的后退用计量泵控制系统（147）控制，保真中继装置（144）为活塞式，保真中继装置（144）前端采用锥形结构，当保真中继装置（144）装满样品后，关闭第三保真存样阀门（143）、第四保真存样阀门（145），取样完成后，打开第二保真存样阀门（142），通过分析系统背压阀(156)降压后排入废水废气处理系统（160）；

排空步骤：

关闭第一保真取样阀门（121）、第一即时降压阀门（131）、第一分析系统阀门（152）、第二分析系统阀门（153），排空保真取样系统（120），打开第三保真取样阀门（123），使U型管（1241）两端的连通，压力保持一致，然后打开第二保真取样阀门（122），使剩余样品和惰性气体从第二保真取样阀门（122）排至废水废气处理系统（160），待保真取样系统（120）排空后，关闭第二保真取样阀门（122）、第三保真取样阀门（123），使保真取样系统（120）处于密封的状态，化学在线分析系统（150）的排空，通过调节废水处理节流阀（161），使化学在线分析系统（150）缓慢降压避免对化学在线分析系统（150）中的化学分析模块（154）造成损坏，待排空化学在线分析系统（150）后，打开第二分析系统阀门（153），关闭第一分析系统阀门（152），启动泵（151），用清洗液对化学在线分析系统（150）中监测设备的进行清洗、维护。

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