CN104919133B - 具有压力自均衡器的双流路测试工具 - Google Patents

Abstract

提供了用在井下工具上的流路压力均衡器系统、方法和/或设备。压力均衡器可设置成与两个流路连通。压力均衡器可使用均衡腔室和均衡活塞来调节一个或两个流路中的压力。而且，一个或多个流导引模块可以是可互换的，以进一步改变流路之间的流动安排。不同的塞可容纳各种流导引结构，使得塞可自动地或由用户安装在下井仪器串中和/或从下井仪器串移除。

Description

具有压力自均衡器的双流路测试工具

技术领域

多个方面总体上涉及评价分析地下地层。更具体地讲，多个方面涉及一种用于利用均衡器完成地层流体采样的井下地层流体采样技术设备。

背景技术

地下地层测试在钻井和地下地层的地球技术勘查过程中执行。这种地下地层的测试是重要的，因为这种检查的结果可例如决定钻机是继续钻和/或撤出。由于钻井操作是昂贵的，过多钻井会影响钻井项目的总经济生存能力。因此，需要最小化钻井的量和从地下地层获得精确的信息。

不同类型的信息可以从地下地层获得。主要信息形式中的一种形式是使用地面之下的流体形式的实际样本获得。这些样本当它们被获得时被分析，以确定地下地层的组分。

确定地下流体组分对开采截留的烃储藏是重要的。在世界上许多地方确定油、气或油气混合物是非常重要的，且正确地确定组分的存在性是有价值的。

从地层获得流体样本需要非常精确。该精确采样称为聚集采样。聚集采样技术详细描述于授予Milkovisch等人的美国专利No.8,210,260和授予Corre等人的美国专利公开No.2010/0071898中，它们的内容通过引用结合在此。在聚焦采样中，流体通过井眼壁的周围区域和/或中心区域被从地层泵送。流体被抽吸和/或泵送到井下测试器的一个或多个流路中。通常，泵送压力相对于中心或样本区域处的流体的泵送压力期望在周围或防护区域处被调节。然而，调节泵送压力导致井下测试器的复杂性、重量和成本增加。增加的重量和复杂性是由于第二泵的存在，因为每个流路均需要连接到一个泵。

发明内容

本发明内容不应认为是限制性，而是提供了一种用于完成所述方面的配置。描述了一种工具，具有：被构造成能从第一外径扩展到第二外径的本体；位于所述本体中的被构造成在一种环境下接收流体的至少一个样本端口；位于所述本体中的被构造成在所述环境下接收流体的至少一个防护端口；被构造成能从所述样本端口和防护端口中的每个延伸以传输流体的至少一个流路；和被构造在至少两个流路之间的压力均衡器。

附图说明

图1示出了在地质技术地下环境下准备井眼的钻机系统的侧视图。

图2示出了可在地质技术环境下用于执行本公开的实施例的井下工具的示意图。

图3示出了根据本公开的一个或多个方面的位于两个流路之间的压力均衡器的剖视图。

图4和5示出了根据本公开的一个或多个方面的位于两个流路之间的压力均衡器的剖视图。

图6示出了根据本公开的一个或多个方面的位于两个流路之间的可互换的流导引阀模块的示意图。

图7示出了可用在图6的可互换的流导引阀系统上的阀塞的透视图。

图8A、8B、9A、9B、10A、10B、11A、11B、12A、12B、13A、13B、14A、14B、15A和15B示出了图6和7的流导引模块和塞可使用的各种流导引结构的示意图。

具体实施方式

以上附图中示出了某些实例，且下面将详细描述这些实例。在描述这些实例时，相同的附图标记用于表示相同的特征。附图不是必须按比例绘制，且为了清楚起见和/或简明起见，附图的某些特征和某些视图可夸大比例地或示意性地示出。

在此描述的示例性压力均衡器设备、系统和/或方法可用在井下测试器、例如封隔器上，以对地下地层中的流体进行采样。更具体地讲，在此描述的示例性压力均衡器可通过控制流路中的至少一个中的流体流调整和/或调节井下测试器的流路中的压力。在从压力均衡器流动之后，流动可被具有可调节的导引构件的流导引模块进一步转向。

本公开示出了用于通过井下工具的两个或更多个端口聚焦收集地层流体的设备、系统和/或方法。井下工具可以例如是封隔器。当用封隔器采样时，收集的地层流体可沿着封隔器的外层被传导到流路，然后被引导到期望的收集位置。

封隔器可在伸展区域上伸展，以便从沿着伸展区域的某一位置收集地层流体，即，在外密封层的轴向端部之间收集地层流体。地层流体可通过封隔器中的一个或多个端口或具有流体开口的排放结构收集，以将地层流体接收到封隔器的内部中。排放结构可被定位在不同的径向和纵向距离处。例如，分离的排放结构可沿着封隔器的长度布置，以建立能够在多个收集间隔位置(例如，两个或三个收集间隔位置)处聚焦采样的收集间隔位置或区域。

收集的地层流体可沿着具有足够的内径的流路被引导，以传送地层流体。分离的流路可连接到不同的排放结构，以便能够收集独特的地层流体样本。不同的流路可服务不同的端口。例如，样本端口可被一个流路服务，防护端口可被一个单独的流路服务。根据采样的流体的成分和条件，流路中的压力可被期望进行调整。压力均衡器可被提供成与两个流路连通。压力均衡器可使用均衡腔室和均衡活塞。而且，一个或多个压力均衡器可以是互换的，以改变流路之间的流动安排。不同的塞可容纳各种压力均衡器结构，使得塞可由技术人员或用户在井下工具中被改变。

根据本公开，将描述具有相关的井眼110和设备的井场，以展示典型的、但非限制性的可安装该申请的实施例的环境。为此，井场处的设备在需要时可由于井场考虑因素被改变。所述设备可使用各种随后描述的技术安装。

下面参看相同的附图标记表示相同的部件的附图，图1示出了部署在井眼110中的钻机101的一个实施例。钻机/井系统101具有用于将至少一个封隔器200(以下称为“封隔器”或“聚焦采样模块”)传送到井眼110中的传送装置105。在许多应用中，封隔器200用在通过成缆线形式的传送装置105(以下称为“传送装置”或“下井仪器串”)部署的模块化动态地层测试器(MDT)工具上。然而，传送装置105也可具有其他形式，包括油管柱，例如连续油管、下井仪器串、生产管、套管或根据所需的应用的其他类型的传送装置。在图1所示的实施例中，封隔器200是可用于从周围地层115收集地层流体的可膨胀封隔器或可伸展封隔器。封隔器200被选择性地在径向向外的方向上伸展，以在伸展区域上密封。例如，封隔器200可通过流体、例如井眼流体、液压流体或其他流体膨胀。当封隔器200伸展而密封在井眼110上时，地层流体可流入封隔器200。地层流体然后可被引导到工具流路，并被生产到收集位置，例如井场地面处的位置。

如图1所示，传送装置105可从钻机/井系统101伸到地层115的区域中。在一个实施例中，封隔器200可以是多个工具125的一部分，例如形成模块化动态地层测试器的多个工具的一部分。所述工具125可收集地层流体，测试地层流体的特性，获得井眼、井眼周围的地层或传送装置105的测量结果或执行本领域的技术人员可以理解的其他操作。工具125可以是随钻测量(“MWD”)和/或随钻测井(“LWD”)工具，例如由附图标记6a、6b示出的。在一个实施例中，井下工具6a和6b可以是地层压力MWD工具。

在一个实施例中，工具125可包括具有通常称为钻铤的厚壁壳体的LWD工具，且可包括多个测井装置中的一个或多个。所述LWD工具可测量、处理和/或存储信息，以及与设置在井场的地面处的设备通信。作为另一个例子，MWD工具可包括以下测量器件中的一个或多个：调制器、钻压测量装置、扭矩测量装置、振动测量装置、冲击测量装置、粘滑测量装置、方向测量装置、倾斜测量装置和/或任何其他装置。作为又一实例，工具125可包括地层捕获装置170、伽马射线测量装置175和可包括地层压力测量装置6A和/或6B的地层流体采样工具61、71、81。信号可沿着传送装置105向着地面传送。

获得的或收集的测量结果可经由遥测系统传送到计算系统185进行分析。遥测系统可包括有线遥测、有线钻杆遥测、泥浆脉冲遥测、光纤遥测、声学遥测、电磁遥测或其他任何从第一位置到第二位置的遥测传送数据的形式。计算系统185可被构造成存储或访问多个模型，例如储层模型、流体分析模型和流体分析映射函数。

钻机101或类似的功能装置可用于移动传送装置105。邻近钻机101设置的多个器件可用于操作总系统的多个器件。例如，钻头116可用于增大井眼的深度。在传送装置105是缆线的实施例中，钻头116可以不存在或可被其他工具所替换。泵130可用于从罐140或池提升钻井泥浆135。泥浆135可在压力下通过立管145、挠性管道150或软管、通过顶部驱动装置155排放到传送装置105内的内部通道中。可以是水基的或油基的泥浆135通过钻头116中的通道或喷嘴(未示出)退出传送装置105。泥浆135可冷却和/或润滑钻头116，且将由钻头116产生的钻屑通过环空结构提升到地面。

在井眼110已经钻到选定深度之后，工具125可定位在传送装置105的下端处(如果之前没有被安装)。工具125可连接到传送装置105的端部处的适配器接头(未示出)，且可例如在所示的实施例中被移动通过井眼110的高度倾斜部分165。

在测井操作过程中，泵130可提供流体流，以操作工具125中的一个或多个涡轮，从而提供操作工具125中的某些装置的电力。当在井眼110中起、下钻时，泵130可被开启和关闭，以提供流体流。这样，可以以其他方式向工具125提供电力。例如，可使用电池向工具125提供电力。在一个实施例中，电池可以是可充电电池，且可在流体流动过程中通过涡轮充电。电池可定位在工具125中的一个或多个的壳体内。也可使用向工具125提供电力的其他方式，包括但不限于一次性电池。

用于从传送装置105向地面计算机185或被构造成接收、分析和/或传送数据的其他器件通信的设备和系统可包括第二适配器接头190，其可连接在传送装置105的一端与顶部驱动装置155之间。顶部驱动装置155可用于提供与接收单元195的通信通道，以用于从工具125接收的信号。接收单元195可连接到地面计算机185，以在它们之间提供可以是双向数据路径的数据路径。

传送装置105可经由方钻杆替代性地连接到转台(未示出)，且可悬置于游车或钩(未示出)和转环(未示出)上。所述转环可通过钩悬置于钻机101，且方钻杆可连接到转环，使得方钻杆可相对于转环转动。方钻杆可以是在外表面上具有与方钻杆衬套配合的一组多边形连接结构或花键的任何杆件，使得钻台的动作可旋转方钻杆。传送装置105的上端部可例如通过将下井仪器串105螺纹再连接到方钻杆而连接到方钻杆。转台可转动方钻杆，以转动与方钻杆连接的下井仪器串105。

图2示出了下井仪器串105的示意图，该下井仪器串可用在地质技术环境中，以执行本公开的实施例。例如，封隔器200可部署在井眼110中作其他用途。封隔器200可用于将井眼110的一部分与井眼110的另一部分流体隔离开。封隔器200传送到期望的井下位置，且在提供的非限制性实施例中膨胀或伸展，以在封隔器200与井100之间提供密封。例如，封隔器系统可通过在圆周方向上伸展或膨胀而抵靠着井眼110来防止井眼110的两个部分之间的流体连通。

封隔器200可具有一个或多个端口或采样排放结构204、206(术语“排放结构”和“端口”在此可互换地使用，且由一个术语的使用可推断出另一个术语的使用)，用于将流体从地层或井眼接收到封隔器200中。在一个实施例中，封隔器200具有一个或多个相对于一个或多个样本端口206在纵向上设置的防护端口204。在示出的实施例中，防护端口204被示为相对从所述一个或多个样本端口206到封隔器系统200的端部的纵向距离而言处于距离封隔器200的端部更近的纵向距离处。端口204、206可绕着封隔器系统200定位在不同的径向位置，使得端口204、206接触井眼的不同径向位置。

端口204、206可径向嵌入封隔器200的外层的密封元件中。作为示例，密封元件可以是圆柱形，且由针对烃基应用所选的弹性材料、例如丁腈橡胶(NBR)、氢化丁腈橡胶(HNBR)和碳氟化合物橡胶(FKM)形成。封隔器200可例如通过使用井眼流体、液压流体、机械装置伸展或膨胀，或以其他方式定位成使样本端口206中的一个或多个或防护端口204中的一个或多个可抵靠着待采样的地层115的壁。封隔器200可从第一位置伸展或膨胀到第二位置，使得封隔器200的外径在第二位置大于第一位置。在一个实施例中，第二位置可以是端口204、206抵靠地层的位置，第一位置可以是未伸展或未膨胀的位置。封隔器200可移动到第一位置与第二位置之间的多个位置。封隔器200可在绕着所述一个或多个防护端口204和所述一个或多个样本端口206的相对区域伸展。可在封隔器200的外部与井眼、套管或封隔器200外部的其他物质之间实现紧密密封。

在操作时，封隔器200在井眼110内定位到采样位置。封隔器200通过封隔器200的本体的伸展而膨胀或伸展到地层，直到封隔器200抵靠着地层115。泵231可用于从端口204、206抽吸流体和/或在封隔器200内传送流体或将流体从封隔器200传送出。流路201、202可以将从排放结构204、206抽吸的流体传递到封隔器200和/或井下工具的其他部分。泵231可被结合到封隔器200中，可位于封隔器200外和/或可结合到各个排放结构204、206中的每个中。例如，通过样本排放结构206和/或防护排放结构204去除的流体然后可通过封隔器200传送到井下工具、例如图1所示的工具125。

下井仪器串可以以“反向低冲击”的模式构造有单个泵231，该泵231从聚焦采样模块泵送流体。聚焦采样模块可以是如图2所示的单个封隔器模块。为了实现泥浆滤出液与防护端口204和样本端口206中相应的地层流体高效分离，防护端口204处的压力可小于或等于样本端口206中的压力。尽管流路201、202中的压力在流导引模块220中和/或附近可能是类似的，但未确保防护端口204和样本端口206处的压力水平是相同的。例如，流路201、202中流动的流体的流率和/或粘度的差异可引起沿着流路201、202的压力下降。而且，在采样过程中，压力在防护端口204处比样本端口206处高。在替代性结构中，也可使用替代性聚焦采样工具，包括被构造成与上述系统和器件交互作用的聚焦探针或四封隔器(quadpacker)。

为了调节防护端口204和样本端口206处的压力，压力均衡器210可设置在两个流路201、202之间。压力均衡器210可比流导引模块220中的流路201、202的并合点222更靠近聚焦采样模块200。例如，压力均衡器210可实施在聚焦采样模块200与下一模块之间的安装接头中，例如如图2所示。然而，压力均衡器210也可被实施为聚焦采样模块200的一部分和/或传送装置105中的其他位置处。所述下一模块例如可以是用于测量被抽吸到流路201、202中的地层流体的特性的流体分析器模块230。流体分析器模块230可具有第一光学流体分析器231和第二光学流体分析器232。在一个替代性结构中，压力均衡器210可以是主动限流器、例如节流阀。

第一流路201可与流体压力均衡器210的均衡腔室213的第一进入阀211流体连通。第二流路202可以与均衡腔室213的第二进入阀212流体连通。第二流路202可具有在均衡腔室212的第二进入阀212之前设置在第二流路202上的先导式溢流阀215。泵216可与均衡腔室213的第二进入阀212连通。泵216可被构造成通过将流体泵送通过先导式溢流阀215而对均衡腔室213加压。

图3示出了根据本公开的一个或多个方面的位于流路201、202之间的压力均衡器模块210的剖视图。第一流路201可与聚焦采样模块200的样本端口206中的一个或多个连通。第二流路202可与聚焦采样模块200的防护端口204中的一个或多个连通。压力均衡器210可具有致动器。压力均衡器210的位置取决于防护流路202和样本流路201中的压力。致动器可以是活塞214、隔膜(未示出)或其他任何压力诱发机构。在图2所示的示例中，致动器是尺寸适合于在均衡腔室213中滑动的均衡活塞214。均衡活塞214可具有绕着其圆周设置的O形环219。

均衡腔室213可具有两个压力通道孔217、218。两个压力通道孔217、218中的每个将流路201、202中的相应的一个连接到均衡腔室213。压力均衡器210还可具有至少一个进入阀，所述进入阀可逐渐阻挡样本流路201或防护流路202中的至少一个，或如图2所示阻止两个流路201、202。进入阀211、212可例如是提升阀、球心阀、蝶形阀或本领域的技术人员所知晓的其他类型的阀。阀211、212可位于压力通道孔217、218的下游。

活塞214可基于流路201、202中的比较压力移位。例如，如果防护流路202中的压力大于样本流路201中的压力，则均衡活塞214被向样本流路201推压，从而关闭设置在样本流路201上的阀211和/或打开设置在防护流路202上的阀212。这样，样本流路201中的流率可减小，或防护流路202中的流率可增大，或同时发生这两种情况。当样本流路201中的流率减小时，端口206处的压力向着地层压力增大。当防护流路202中的流率增大时，样本流路201中的压力降到地层压力以下。因此，活塞214可稳定在确保两个流路201、202中具有相同的压力水平的位置处。

图4示出了可使用的根据本公开的一个或多个方面的位于流路201、202之间的另一压力均衡器400的剖视图。如图所示，压力均衡器400具有均衡腔室413和均衡活塞414。流路201、202具有通到均衡腔室413的相应的入口411、412。活塞414可附连到往复杆415，阀和/或密封机构设置在所述往复杆的每一端部上。在示出的示例中，阳锥阀塞417、418可设置在杆415的端部上。阳锥阀塞417、418可与相应的阴锥阀入口421、422接合。因此，当阳锥阀塞417、418抵靠到相应的阴锥阀入口411、422上时，相应的流路201、202变得堵塞。均衡活塞411可通过弹簧416被向着限制样本流路201和/或打开防护流路202推压。该推压也可通过加压腔室和/或其他任何推压机构提供，所述推压机构可用于在活塞414处于如图所示的中心/中性位置时在均衡活塞414上施加力。因此，所示的均衡器400的活塞414可稳定在确保样本流路201中的压力高于防护流路202中的压力的位置处。均衡器400可更远离聚焦采样模块200地设置在下井仪器串中，且仍可确保防护端口204处的压力小于或等于样本端口206处的压力。

图5示出了根据本公开的一个或多个方面的位于流路201、202之间的另一压力均衡器500的剖视图。均衡器500被向着限制样本流路201和/或打开防护流路202推压。该推压通过设置在均衡腔室513中的台阶式活塞514、516提供。位于样本流路201侧的第一活塞514比位于防护流路202侧的第二活塞516具有更大的表面积。活塞514、516的布置也可根据应用颠倒。流路具有相应的入口511和512。

活塞514、516附连到往复杆515上，所述往复杆515的每端上具有锥阀塞517、518。锥阀塞517、518可插入相应的阴阀入口521、522中，以限制相应流路201、202中的流动。均衡腔室513具有分别与第一流路201和第二流路202对应的第一入口511和第二入口512。

图6示出了根据本公开的一个或多个方面的位于流路201、202之间的可互换的流导引阀模块600的示意图。流导引模块600可用作图2所示的下井仪器串105的流导引模块220。在替代性结构中，流导引模块600可以是结合到钻柱中的工具中的流导引阀。流导引模块600可具有空腔610，流导引塞700可插入所述空腔610中。图7示出了可用在图6的流导引模块600上的塞700的透视图。塞700可具有可适于匹配流导引模块600的空腔610的外部形状。空腔610具有用于流路201、202的入口601、602和流出部603、604。塞700当被插入时导引通过流路201、202的流。塞700可被成形为使塞700可塞入下井仪器串105上的合适位置。塞700中的多个是可互换的，使得塞700中的不同的塞可相对容易地插入模块600中和/或从模块600移除。塞700的改变可自动地或由用户手动地执行。

所提供的塞700中的多个可具有与不同的流导引结构对应的不同的外部形状和/或内部结构。凹槽701、702可绕着用于导引流的阀设置。凹槽701、702实质上形成槽道701A、702A，流体流通过所述槽道被导引。由于塞700在空腔610内充填，因此流体限于流动通过槽道701A、702A。O形环705或橡胶可绕着凹槽701、702设置，以防止流体泄露。空腔610的内部表面被突起凹槽701、702邻接，以限制流体运动。因此，在图7所示的外部结构中，塞700限制来自流路201的流继续从入口601流过流出部604。同样地，凹槽702将来自流路202的流从入口602继续导引通过流出部603。因此，示出的示例性的塞700将流从流路201转向到流路202，将流从流路202转向到流路201。应当指出，在示出的示例中，入口601是从流路201的入流，流出部603是向流路201的出流。同样地，入口602是从流路202的入流，流出部603是向流路201的出流。塞700也可将流转向通过其内部(未示出)。管和/或通道(未示出)可导引进入流。

仍参看图7，适配器端口710可从塞700延伸。端口710可用于将电阻器或其他识别销-连接器附连到塞700。例如，端口710可具有特定电阻的电阻器，使得对电阻的测量能识别塞700的流导引结构。当安装在流导引模块600中时，端口710可连接到电阻测量装置(未示出)。电阻测量装置可解释测量的电阻，识别塞结构和/或将信息传递给用户。而且，符号720可设置在塞700的外部上，以识别流动特性。

图8A、8B、9A、9B、10A、10B、11A、11B、12A、12B、13A、13B、14A、14B、15A和15B示出了图6和7的流导引模块和塞可采用的各种流导引结构的示意图。每个塞可具有两个入口601、602，以分别用于从流路201、202的流入。同样地，每个塞可具有两个出口603、604，以用于向流路201、202的流出。图8A-15A的每个塞具有相应的图8B-15B所示的不同的流导引结构。例如，图10A示出了十字交叉结构，借此，从防护流路202的入流被导引到样本流路201，从样本流路201的入流被导引到防护流路202。图8A和8B示出了分离的结构，其中，流路201、202被关闭。图9A和9B示出了直流结构，其中，流路201、202中的流被保持隔离。图11A和11B示出了回流结构，其中，从流路201的流经由流路202返回。图12A、12B、13A、13B、14A、14B、15A和15B示出了多种结构，其中，两个流路被共同组合成单个流路。

已参看在此提供的实施例提供了以上描述。本公开所属领域的本领域的技术人员将会理解，可在不实质上脱离本公开的原理和范围的情况下对所述结构和操作方法进行更改和变化。相应地，以上描述不应被解读为仅限于所述和附图中所示的精确结构，相反应被解读为与下面的权利要求一致和支持下面的权利要求，权利要求应具有它们最完全和最公平的范围。

尽管以特定于结构特征和/或方法的语言描述了示例性系统和方法，但所附权利要求中限定的主题不必局限于描述的特定特征或操作。相反，特定的特征和操作作为实施所要求保护的系统、方法和结构的示例性形式公开。

Claims (7)

1.一种井下工具，包括：

被构造成能从第一外径扩展到第二外径的本体；

位于所述本体中的被构造成在一种井眼环境下接收流体的至少一个样本端口；

位于所述本体中的被构造成在所述井眼环境下接收流体的至少一个防护端口；

第一流路，其连接到所述至少一个样本端口且被构造成从所述至少一个样本端口传输流体；

第二流路，其连接到所述至少一个防护端口且被构造成从所述至少一个防护端口传输流体；和

被构造在第一和第二流路之间的压力均衡器，其中，所述压力均衡器包括：

均衡腔室；

布置在均衡腔室中的致动器；

第一压力通道孔，其被构造成将第一流路与均衡腔室的第一侧连接；和

第二压力通道孔，其被构造成将第二流路与均衡腔室的第二侧连接。

2.如权利要求1所述的井下工具，其特征在于，压力均衡器定位在安装接头处。

3.如权利要求1所述的井下工具，其特征在于，致动器是活塞。

4.如权利要求1所述的井下工具，其特征在于，致动器是隔膜。

5.如权利要求1所述的井下工具，还包括：

聚焦采样模块。

6.如权利要求5所述的井下工具，还包括：

流体分析器模块。

7.如权利要求6所述的井下工具，其特征在于，所述压力均衡器被构造在聚焦采样模块与流体分析器模块之间。