CN104838089B - 用于监控天然气地质储藏的高压流体采样器 - Google Patents
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Abstract
一种用于从井中采样高压流体的装置。‑该装置包括：‑用于将流体保持在采样腔室(01)内的装置，该装置包括第一活塞(05)，其被设计成允许或阻止流体流入腔室的下部内，该第一活塞借助于包括弹性元件(20)的装置发生位移，该弹性元件(20)放置在填充有油的腔室内并通过杆(04)连接到活塞；‑用于采样流体的传输装置，其允许控制第二活塞(02)从腔室上部下降到下部，以使流体在传输过程中在腔室(01)内保持恒定的压力。
Description
技术领域
本发明涉及地下介质的开发，诸如天然气储层的开发(天然气储藏/抽取、天然气开采)以及这些准备工作的监控(蓄水层上遭操作的污染)。本发明尤其涉及对诸如二氧化碳(CO2)或甲烷之类天然气的地质储藏场地的监控领域。
特别地，本发明涉及流体采样装置，以及更特别地，涉及采样井、管子、导管等内的高压流体的装置。
井中的流体通常需要采样，以便确定井中流体的成分，从而表征钻孔所达到的地质储层。这对于地质天然气储藏场地的监控尤其是如此的情形。
背景技术
工业家已经开发了许多技术，这些技术允许注入到多孔介质内的流体进展到受监控。
例如，大家都知道，基于对挥发性物种的研究，获得对于地质CO2储藏场地的地质监控方法。这些方法在FR-2,972,758以及FR-2,974,358(6297)中有描述。
这些方法基本上适用于两种隔间：
-在储层/含盐蓄水层中，那里，主要目的是量化溶解的和沉淀的CO2，因此，建立起真实的质量平衡，
-在叠加在冠岩上方的蓄水层中，那里，主要目的是尽可能早地诊断出泄漏。
为了实施这些方法，因此必须要有在通过地质地层钻探出的井中采样高压流体的装置。如此的装置被称作采样器。
大家知道被称作为FTS(流通采样器)的采样器，其允许从通过地质地层钻探出的井中获得流体采样。如此的装置由每端处带有弹簧加载阀的采样腔室组成。闭锁机构将诸阀连接在一起，并使它们保持打开。时钟用来编程关闭时间和触发机构来释放阀门，该时钟布置在腔室上方。下端设置有允许流体进入的装置。用来附连缆绳的绳头扣紧座布置在顶部。
专利US-5,945,611披露了用来采样管道、管子、导管等内的高压流体的装置。该装置包括多个活塞、具有公共通道的本体(其中可滑动地安装了所述活塞)、位于所述通道内并与管道连通的侧向入口和侧向出口端口，所述入口和出口端口布置成使活塞的运动可覆盖和打开所述入口和出口端口。
专利US-5,896,926披露了一种装置，该装置就地采样静态下的地下水，而不扰乱环境但包括封隔器来使采样系统与位于上方的区域隔绝，以及位于所述采样器内的就地泵送系统，用来将流体“抽吸”到采样腔室内。
本发明的目的涉及从井中采样高压流体的装置，其通过对采样腔室提供完全的填充来采样高压的流体，在控制压力的同时将流体传输出腔室外。
因此，该装置一方面包括受弹簧控制的活塞，该弹簧浸没在用来采样流体的油腔室内，另一方面包括第二活塞，一旦进行传输其就逐出流体。
通过容纳在充满油的腔室内的压缩弹簧，该装置被保持在打开或关闭位置中。盛装在弹簧腔室内的油允许减慢减压的效应并达到流畅的采样。
该装置能够利用实心活塞通过手动阀的机械作用回收采样的流体。该设计允许避免采样系统或活塞流体系统，并在压力受控的条件下回收全部的或一部分的流体。此外，该设计允许避免使用如几乎所有现有技术采样器所采用的波动腔室和油腔室。
发明内容
一般地说，本发明涉及从井中采样高压流体的装置，其包括限定所要接纳流体的内部体积的采样腔室(01)、位于所述采样腔室上方的本体(10、03、08)、在所述腔室内循环流体的循环装置、将流体保持在所述腔室内的装置，以及将流体传输出所述腔室外的装置。根据本发明：
-保持装置包括第一活塞(05)，其适于允许或阻止流体流入腔室(01)的下部内，第一活塞借助于装置发生位移，该装置包括布置在填充有油的腔室内的弹性元件(20)；
-传输装置包括控制装置，该装置控制第二活塞(02)从腔室上部下降到下部，从而使流体在腔室(01)内保持恒定的压力。
根据本发明，第一活塞(05)可以如此的方式借助于直线元件(04、07)连接到弹性元件(20)：当弹性元件(20)受压缩时，该直线元件驱动第一活塞(05)跑出采样腔室(01)外，因此，允许流体流入采样腔室(01)内。当弹性元件(20)松弛时，直线元件与第二活塞(02)合作，以便紧紧地关闭其上部端口内的采样腔室(01)，且直线元件驱动第一活塞(05)，以便紧紧地关闭其下部端口内的采样腔室(01)。
根据一个实施例，直线元件包括杆(04)，第二活塞(02)设置有中央端口，其允许杆(04)的上部滑动，并提供与杆(04)的下部的密封的关闭，杆(04)的下部的直径大于上部的直径。
采样腔室(01)可通过设置有至少一个第一端口的端部块(06)被关闭在其下部内，端部块(06)具有一定的长度，该长度能让第一活塞(05)通过流体，当弹性元件(20)受压缩时，流体通过第一端口流入采样腔室(01)内。
根据本发明，循环装置可包括至少一个第一端口，其允许流体从腔室的上部和端部块(06)上的至少第二端口流出。
本体(10、03、08)可包括至少一个管子(10、03、08)，本体包括弹性元件(20)和用来松弛或压缩弹性元件(20)的装置(07、22、09、23)。
用来松弛或压缩弹性元件(20)的装置(07、22、09、23)可包括开裂的夹头(09)，其可滑动地安装在本体(10、03、08)内，并与手柄(23)合作，用以压缩或释放弹性元件(20)。
用来松弛或压缩弹性元件(20)的装置(07、22、09、23)可连接到电动机或时钟(24)。
电动机或时钟(24)可定位在管子(11)内，该管子包括针阀(26)和用来将油填充到弹性元件(20)腔室的高压连接器。
弹性元件(20)可以是弹簧或一组Belleville垫圈。
根据本发明，传输活塞(12)可安装成推动第二活塞(02)，传输活塞(12)是中空的，于是，适于杆(04)在其内滑动。
端部块(06)可从所述采样腔室(01)移去，并被不带端口的端部块(13)替换，允许所述第一活塞(05)被保持在所述腔室内。
最后，根据本发明，第一活塞(05)可装备有针阀(25)和高压连接器，以允许流体从采样腔室(01)排出。
本发明还涉及根据本发明装置的使用，其中，通过借助于监控井来采样高压流体，来监控地下地质场地的开发，其特征在于，执行如下的阶段：
-启动手柄来压缩弹性元件，
-使用附连到该装置上部的缆绳，在“打开位置”中，将该装置下降到监控井内，
-在预定深度处，将该装置留在“打开”位置中，持续预定的时间周期，
-启动手柄从而释放弹性元件，该装置因此进入到“关闭”位置中，
-使该装置返回到地面，
-通过推动上部活塞，同时，借助于压力探测器来控制压力，使得腔室内压力保持恒定，由此，将所述流体传输出该装置的腔室外，以及
-对采样的流体实施分析。
地下地质场地的开发可在于：监控地质CO2储藏场地，或监控天然气储藏/提取场地，或监控页岩气体开发场地。
附图说明
参照附图，阅读下文中借助于非限制性实例给出的实施例，将会明白根据本发明的装置的其它特征和优点，附图中：
图1示出处于“打开”位置中的装置。右手边的图是沿着左手边图的轴线A-A截取的剖视图，
图2示出装置的下部，
图3示出处于“关闭”位置中的装置。中间的图是沿着左手边图的轴线截取的剖视图，而右手边的图是沿中间图的轴线截取的剖视图，
图4示出装置的中央部分，
图5示出装置的上部分，
图6示出采样流体在装置下部分的分布，
图7示出“传送”模式中的位置。中间的图是沿左手边图的轴线A-A截取的剖视图，其中流体充满腔室，而右手边的图是沿左手边图的轴线A-A截取的剖视图，其中腔室放空，以及
图8、9和10示出装置的三维图。
具体实施方式
用来采样高压流体的根据本发明的装置是基于被称作为FTS(流通采样器)的采样器的原理，其中，来自井中的液体在装置内自由地循环。
图1至10在这些图中示出了用来采样高压流体的根据本发明的装置，已经采用了相同的附图标记。该装置至少包括：
1.采样腔室01，
2.定位在所述采样腔室上方的本体10、03、08，
3.在所述腔室内循环流体的循环装置，
4.将流体保持在所述腔室内的装置，以及
5.用来将流体传输出所述腔室外的传输装置。
根据本发明，保持装置包括适于允许或阻止流体流入所述腔室01下部内的第一活塞05，所述第一活塞通过包括弹性元件20的装置位移，该弹性元件20布置在所述本体内的充满油的腔室内并通过杆04连接到所述活塞。
传输装置包括控制装置，其控制第二活塞02从所述腔室的上部到下部的下降，这样，所述流体在所述腔室01内保持在恒定压力下。
图1示出处于“打开”位置中的装置。右手边的图是沿着左手边图的轴线A-A截取的剖视图。图2示出装置的下部。图3示出处于“关闭”位置中的装置。中间的图是沿着左手边图的轴线截取的剖视图，而右手边的图是沿中间图的轴线截取的剖视图。图4示出装置的中央部分。因此，根据本发明的装置包括(图1)采样腔室01。该腔室的用途是接纳高压流体(在向下钻进状态下)。采样腔室可包括限定所要接纳流体的内部体积的壳体01。采样腔室01的下部可旋入到下端块06上，该下端块包括至少一个允许流体通过的端口。采样腔室01的上部旋入到本体10、03、08上。腔室还包括位于其上部内的端口，以便在腔室内循环流体：流体流过腔室下部端口，或流过下端块06的端口，以及流体流出通过腔室上部内的端口。
本体包括填满油的腔室，弹性元件20浸没在其中。该弹性元件可以是弹簧或一组Belleville垫圈。弹性元件通过支柱07或杆04连接到下部活塞05。
该活塞05适于允许或阻止高压流体流入采样腔室01下部内。因此，在高位内，活塞05至少部分地定位在腔室01内，即在其下端处，紧紧地关闭腔室入口(例如，活塞设置有接头)。在低位内，活塞移出采样腔室01外，因此，允许流体流入。当采样腔室01设置有下端块06时，该下端块06具有一定的程度，其允许下部活塞05移出腔室外，因此，允许流体通过端口流入采样腔室01内。
因此，当弹性元件20受压缩时(图1和2)，杆04驱动(由支柱07帮助)下部活塞05移出采样腔室01外，以便允许流体流入腔室内。另一方面，当弹性元件20松弛时(图3和4)，杆04向上驱动下部活塞05，以便紧紧地关闭其下部内的采样腔室01。
如图1和2所示，下部活塞05可装备有针阀25和高压连接，以在装置已经返回到地面且流体试样待要被分析时，允许流体排放到采样腔室01外。
当流体未传输出腔室外时，被称作为上部活塞的第二活塞02定位在采样腔室01内的其上部处。该上部活塞02适于在腔室内从一端滑动到另一端。它具有中央端口，其允许杆04的上部滑动并提供与杆04下部的密封，杆04下部的直径大于上部的直径。因此，当弹性元件20松弛时，杆04与上部活塞02合作，以便紧紧地关闭其上部内的所述采样腔室01。杆04因此设置有堵塞上部活塞02的孔的台肩。该上部活塞02可用合适的锁定螺钉27锁定。
腔室可通过本体10、03、08的元件(被称作连接器管10)被关闭在其上部内。该连接器管利用另一管03紧固到上部管08。
上部管08包括弹性元件20和松弛或压缩该弹性元件的装置07、22、09、23。这些装置包括：
-带有螺栓21和其螺母22的用于弹簧的支承支柱07，
-开裂夹头09，其释放弹簧或将弹簧锁定在压缩中，以及
-固定受压缩的弹簧的手柄23。
最后，图5示出该装置的上部。用来松弛或压缩所述弹性元件20的装置07、22、09、23连接到电动机或时钟24。该电动机部分布置在外壳管11内，该外壳管紧固到本体10、03、08，位于上部管08的水平上。该电动机部分顶上有闭锁部分14，允许该装置紧固到缆绳上并允许下降到井中。
电动机或时钟借助于轴与手柄合作。
此外，外壳管11设置有针阀26以及用油来填充弹簧腔室的高压连接管。
而且，根据本发明的装置包括关闭辅助装置(未示出)，在下部活塞05上升过程中，其允许从采样腔室01中排出部分的采样的流体，使得流体不阻碍腔室的关闭。
装置的操作
处于“打开”位置中的装置(图1、2和6)
在打开位置中，高压流体在采样腔室01内自由地循环。在该位置中，连接到电动机轴(或时钟)的手柄23，使弹簧20压紧并保持一定的压缩水平(例如，80％)。
在该构造中，下部活塞05处于下部位置中。井中流体因此自由地循环通过采样腔室(例如，同时采样器下降到井中)。在腔室的下部内，流体流过下端块06的端口，然后流体向上流入腔室内以及杆04和上部活塞02之间。一系列钻孔和开口允许流体循环通过壳体01的端口(瘦长开口)。图6中阴影区域显示流体的存在。
根据一实施例，采样腔室01和下端块06的端口(瘦长开口)装备有栅格(例如，80μm网格)，用以筛出流体中的固体颗粒。
处于“关闭”位置中的装置：采样腔室锁定(图3)
为了开始采样，释放弹簧20。手柄23因此转动，在转过四分之一圈后，手柄23面向夹头09的开口。弹簧20然后被释放和松弛开，因此，沿着支柱07、杆04和下部活塞05驱动。由于弹簧腔室填充有油，所以，该向上运动顺利地发生且不扰乱采样的流体。
一旦弹簧松弛，下部活塞05处于壳体01的下部内，且密封设置在采样腔室的下部内。在上部内，上部活塞02上的杆04通过杆底部处较大的直径来提供密封。流体试样被隔绝和密封。采样器可向上提升到地面上。
为了转动手柄，现描述两个实施例：
-地面上的操作者在合适时间启动电动机24。该电动机转动手柄23，
-在编程好的日期和时间，机上独立的时钟启动手柄23。
处于“传输”位置中的装置(图7)
图7示出处于“传输”模式中的位置。中间的图是沿着左手边图的轴线A-A截取的剖视图，让腔室填充流体，而右手边图是沿着左手边图的轴线A-A截取的剖视图，让腔室放空。一旦该装置提升到地面上，流体试样可被传送。因此需要如下的阶段：
-旋松下端块06，用端块13更换它，允许下部活塞05锁定在腔室01内的位置中，
-通过针阀26，从弹簧腔室中排放掉油，并通过连接到HP连接器来收集油，
-通过旋松连接器管11来移去“电动机和钩子”部分，
-旋松管子8，
-移去螺母22和旋松螺栓21，
-旋松连接器管03，然后，用支承支柱07和弹簧20来移去连接器管03，
-啮合传输活塞12，直到它搁置在上部活塞02上，
-旋松锁定螺钉27，
-连接到下部活塞05的HP连接器，
-将活塞12的传输运动施加到上部活塞02，并打开针阀25，以及
-一旦上部活塞02搁置在下部活塞05上，则传输就完成。
图8、9和10示出该装置的三维图。
装置的使用
本发明还涉及监控地下地质场地开发的方法。该方法可涉及：
-监控地质的CO2储藏场地
-监控天然气储藏场地
-监控地质场地，或
-监控页岩气开发场地。
通过借助于监控井来采样高压流体，则使用根据本发明的用来监控地下地质场地开发的装置，可包括以下阶段：
-启动手柄来压缩弹性元件，
-借助于紧固到该装置上部的缆绳，在“打开位置”中，将该装置下降到监控井内，
-在预定深度处，将该装置留在“打开”位置中，持续预定的时间周期，
-启动手柄从而释放弹性元件，该装置因此进入到“关闭”位置中，
-使该装置返回到地面，
-通过推动上部活塞，同时，借助于压力探测器来控制压力，使得腔室内压力保持恒定，由此，将所述流体传输出该装置的腔室外，以及
-对采样的流体实施分析，诸如：对阳离子和阴离子的水性物种的分析，对所谓的微量元素的分析，对溶解的有机和无机碳的分析，对溶解气体(主要气体和稀有气体)的分析。
该装置的一个优点在于，它在打开位置中时可下降到地下介质内，以避免在地下介质内的打开问题，并允许完全地填充采样腔室。
所有的分析要得到诠释，并尤其要允许确定储藏场地上是否有CO2泄漏存在，如果存在的话，则属于那种类型的泄漏。
为了转动手柄，有两种可能的实施例：
地面上的操作者在合适时间启动电动机24。该电动机转动手柄23，
在编程好的日期和时间，机上独立的时钟启动手柄23。
Claims (14)
1.一种用于从井中采样高压流体的装置，其包括限定所要接纳流体的内部体积的采样腔室(01)、位于所述采样腔室上方的本体(10、03、08)、用于在所述腔室内循环所述流体的循环装置、用于将所述流体保持在所述腔室内的装置，以及用于将所述流体传输出所述腔室外的装置，其特征在于：
-所述用于将所述流体保持在所述腔室内的装置包括第一活塞(05)，其适于允许或阻止流体流入腔室(01)的下部内，所述第一活塞借助于弹性元件(20)发生位移，所述弹性元件(20)布置在填充有油的腔室内；
-所述用于将所述流体传输出所述腔室外的装置包括控制装置，所述控制装置控制第二活塞(02)从所述腔室上部下降到下部，从而使所述流体在所述腔室(01)内保持恒定的压力，
其中，所述第一活塞(05)以如此的方式借助于直线元件(04、07)连接到所述弹性元件(20)：当所述弹性元件(20)受压缩时，所述直线元件驱动所述第一活塞(05)跑出采样腔室(01)外，因此，允许流体流入所述采样腔室(01)内，并且
其中，所述第一活塞(05)以如此的方式借助于直线元件(04、07)连接到所述弹性元件(20)：当所述弹性元件(20)松弛时，所述直线元件与所述第二活塞(02)合作，以便紧紧地关闭其上部内的采样腔室(01)，且所述直线元件向上驱动所述第一活塞(05)，以便紧紧地关闭其下部内的所述采样腔室(01)。
2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述直线元件包括杆(04)，第二活塞(02)设置有中央端口，其允许杆(04)的上部滑动，并提供与杆(04)的下部的密封的关闭，杆(04)的所述下部的直径大于所述上部的直径。
3.如权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述采样腔室(01)通过设置有至少一个第一端口的端部块(06)被关闭在其所述下部内，端部块(06)具有一定的长度，所述长度能让第一活塞(05)通过流体，当所述弹性元件(20)受压缩时，流体通过所述第一端口流入所述采样腔室(01)内。
4.如权利要求3所述的装置，其特征在于，所述循环装置包括至少一个第一端口，其允许流体从所述腔室的所述上部和所述端部块(06)上的至少第二端口流出。
5.如权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述本体(10、03、08)包括至少一个管子(10、03、08)，所述本体包括所述弹性元件(20)和用来松弛或压缩所述弹性元件(20)的装置(07、22、09、23)。
6.如权利要求5所述的装置，其特征在于，所述用来松弛或压缩所述弹性元件(20)的装置(07、22、09、23)包括开裂的夹头(09)，其可滑动地安装在所述本体(10、03、08)内，并与手柄(23)合作，用以压缩或释放所述弹性元件(20)。
7.如权利要求5所述的装置，其特征在于，所述用来松弛或压缩所述弹性元件(20)的装置(07、22、09、23)连接到电动机或时钟(24)。
8.如权利要求7所述的装置，其特征在于，所述电动机或时钟(24)定位在管子(11)内，所述管子包括针阀(26)和用来将油填充到所述弹性元件(20)腔室的高压连接器。
9.如权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述弹性元件(20)是弹簧或一组Belleville垫圈。
10.如权利要求1所述的装置，其特征在于，传输活塞(12)安装成推动所述第二活塞(02)，所述传输活塞(12)是中空的，于是，适于杆(04)在其内滑动。
11.如权利要求3所述的装置，其特征在于，所述端部块(06)可从所述采样腔室(01)移去，并被不带端口的端部块(13)替换，允许所述第一活塞(05)被保持在所述腔室内。
12.如权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述第一活塞(05)装备有针阀(25)和高压连接器，以允许所述流体从所述采样腔室(01)排出。
13.一种如上述权利要求中任一项所述的装置的使用方法，其中，通过借助于监控井来采样高压流体，来监控地下地质场地的开发，其特征在于，执行如下的阶段：
-启动手柄来压缩所述弹性元件，
-使用附连到所述装置上部的缆绳，在“打开位置”中，将所述装置下降到所述监控井内，
-在预定深度处，将所述装置留在“打开”位置中，持续预定的时间周期，
-启动所述手柄从而释放所述弹性元件，所述装置因此进入到“关闭”位置中，
-使所述装置返回到地面，
-通过推动上部活塞，同时，借助于压力探测器来控制所述压力，使得所述腔室内所述压力保持恒定，由此，将所述流体传输出所述装置的所述腔室外，以及
-对所述采样的流体实施分析。
14.如权利要求13所述的方法，其特征在于，所述地下地质场地的开发在于：监控地质CO2储藏场地，或监控天然气储藏/提取场地，或监控页岩气体开发场地。
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