CN109667579B - 一种超低渗地层内深井气液流体取样装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种超低渗地层内深井气液流体取样装置，利用地面阀组设计、地下取样管变径组合设计与变径管亲液/厌液相涂层设计实现气液流体进样与取样过程的精确控制。其中地面阀组设计控制流体尤其是液体的进样速率和进样量，减少了取样过程导致的压力下降过快、样品失真等问题；地下取样管变径组合设计与变径管内厌液相涂层设计增加了样品的有效比例。本发明装置操作方便，操作方法简单易行，大幅度降低取样量及对地层的影响，适用于低渗与超低渗地层内的深井取样与监测，解决了在低渗、超低渗地层深井内流体取样后可能引起的地层压力大幅度降低、样品失真、压力恢复慢、取样间隔时间长与取样频率低的问题。

Description

一种超低渗地层内深井气液流体取样装置

技术领域

本发明属于深部超低渗地层内液体和气体取样领域，更具体涉及一种超低渗地层深层井内分层气液流体取样装置。本发明适用于低渗、超低渗地层的地下工程的气液两相流体取样，也适用于深部地层的地下工程的气液流体取样，例如鄂尔多斯盆地低渗、超低渗地层的二氧化碳地质封存与利用及煤、石油、天然气、煤层气和页岩气等资源开采所需的气液流体取样与环境监测。

背景技术

随着对深部地层研究和人类深部地下活动影响的增加，如：石油天然气开采、地热开采、深部环境监测、二氧化碳地质封存等技术，监测与研究深部地层内部的气液流体的物理化学状态及地下环境变化趋势变得极为重要。深井气液流体取样装置可以满足一定特定条件下的取样要求，如分析地下气液流体的成分、浓度、分布、pH、温度、压力等。国内外学者已经对深井气液流体取样技术与装置做了大量的研究，开发了基于不同对象、不同用途、不同深度的地下流体取样器。取样方式包括密闭过滤网取样器、Bailer取样器、地下取样泵、Waterloo取样器、U形管取样等。目前应用最多的是U形管取样，对超低渗地层存在取样量大、压力降幅大，对储层影响明显的问题，这些取样装置在超低渗地层中应用具有一定的局限性。

按照油田常规分类，低渗地层的渗透率为1～10mD，超低渗地层的渗透率为0.1～1mD，具有渗透率低、孔喉细小、束缚水高、渗流存在非达西渗流特征。深井取样是指在深度超过800m的地层中取气液流体样品。发明专利“井内分层气液两相流体保真取样装置”(申请号：201110063499.7)、和“基于深井取样的室内保真取样、存样与分析装置及方法”(申请号：201410000457.2)公开了深井保真取样的方法与装置。这些装置基于U形管取样技术，如果在超低渗地层内使用，取样后地层压力降幅大、可引起地层流体变质；同时压力恢复较慢，从而导致取样间隔时间长，取样频率低，取样保真程度低，不利于对地下环境的分析与监测。而且由于取样深度较深，每次取样后，U型管内将存留大量的样品，导致单次取样量大，对不能大量取样的超低渗地层扰动较大，下次取样样品的有效度降低。因此常规的深井气液流体取样装置在大多情况下不能满足超低渗地层的取样频率及样品有效性的要求，需要开发一种适于超低渗地层的深井气液流体取样装置，控制进样量和进样速率，提高样品的有效度。

本专利在原有深井取样技术与装置的基础上进一步技术创新与应用，开发了适于超低渗地层的深井气液流体取样装置，扩展了地下流体取样技术的应用领域。

发明内容

本发明的目的是在于提供了一种超低渗地层深井气液流体取样装置，该装置结构简单，使用方便，可以控制气液流体的进样量和取样速率，适用于低渗、超低渗地层深井取样。

本发明的另一个目的是在于提供了一种超低渗地层深井气液流体取样方法，取样方法简单易行，解决在低渗、超低渗地层深层井内流体取样地层压力恢复慢、取样时间间隔长、样品有效率低的等问题。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

本发明的技术构思为：A、利用地面阀门组设计控制流体尤其是液体的进样速率和进样量：深层井内的流体取样(液体或气样)的取样量较大，取样后压力降低。而对于低渗、超低渗地层，由于渗透率较低，每次取样后，地层压力恢复得较慢，取样间隔时间较长，导致取样频率低，不利于对地下环境的分析与监测。地面阀门组设计可以降低流体的进样速率、减少取样量，从而减慢地层压力的降低速度，给压力恢复留下足够的时间。B、进样取样管径采用变径设计，并对变径管涂加厌液相(油或水)涂层，提高样品的有效比例：将常规使用的单一管径调整为变径组合管径，例如：1/4”管径设计为1/8”+1/4”的组合管径，从而减少进样量。而且由于取样深度较深，每次取样后，U型管内将存留大量的样品，下次取样样品的有效度降低，管径减小后，可以提高样品的有效率。在变径管内涂加不同厌液相涂层，减少液相在取样管内的附着，减低取样过程中的新旧样品混合，提高样品的保真程度与有效性。

一种超低渗地层内深井气液流体取样装置，它由液体进样/取样地面控制系统、液体进样/取样地下系统、气体进样/取样地面控制系统、气体进样/取样地下系统、封隔器、和高压驱动气源共同组成。其连接关系是：液体进样/取样地面控制系统分别与高压驱动气源和液体进样/取样地下系统连接；气体进样/取样地面控制系统分别与高压驱动气源和气体进样/取样地下系统连接；液体进样/取样地下系统和气体进样/取样地下系统都要穿过封隔器。液体进样/取样地面控制系统包括第一液体进样控制器、第二液体进样控制器、第一液体取样控制器和第二液体取样控制器。其连接关系是：第一液体进样控制器和第二液体进样控制器并联，它们与高压驱动气源和液体进样/取样地下系统中的液体驱动管路连接；第一液体取样控制器和第二液体取样控制器并联，它们与第二液体取样控制器中的液体取样容器和液体进样/取样地下系统中的第一液体进样管路连接。第一液体进样控制器由阀门、单向阀和三通组成，其连接关系是：阀门连接单向阀，单向阀连接液体进样/取样地下系统中的液体驱动管路，三通分别与第一液体进样控制器、第二液体进样控制器和高压驱动气源连接。第二液体进样控制器由阀门、压力表、背压阀、单向阀和三通组成，其连接关系是：阀门分别与压力表、背压阀、单向阀连接，单向阀通过三通与液体进样/取样地下系统出中的液体驱动管路连接。第一液体取样控制器由第一三通、第一阀门、第二三通、第二阀门、阻尼器、压力表和背压阀组成，其连接关系是：第一阀门分别与液体进样/取样地下系统中的液体驱动管路和第一液体进样管路连接；第二阀门分别与阻尼器、压力表、背压阀连接；背压阀与第二液体取样控制器中的液体取样容器连接；第一三通分别与液体进样/取样地下系统中的液体驱动管路、第一液体进样控制器中的单向阀和第一液体取样控制器中的第一阀门连接；第二三通分别与液体进样/取样地下系统中的第一液体进样管路、第一液体取样控制器中的第一阀门和第二阀门连接。第二液体取样控制器包括三通、阀门、液体取样容器，其连接关系是：阀门与液体取样容器连接，阀门通过三通与液体进样/取样地下系统中的第一液体进样管路连接。

一种超低渗地层内深井气液流体取样装置，包括液体进样/取样地下系统。液体进样/取样地下系统由液体驱动管路、变径管路、第一液体进样管路、第二液体进样管路、三通、单向阀、和液体过滤器组成。其连接关系是：液体驱动管路分别与变径管路、第一液体进样管路、第二液体进样管路连接，并通过三通与单向阀连接，第一液体进样管路穿至封隔器下部，第一液体进样管路穿过封隔器后与液体过滤器连接。

一种超低渗地层深井气液流体取样装置，包括气体进样/取样地面控制系统。气体进样/取样地面控制系统由气体进样控制器和气体取样控制器组成，其连接关系是：气体进样控制器分别与高压驱动气源和气体进样/取样地下系统连接，气体取样控制器通过三通分别与气体进样控制器和气体进样/取样地下系统连接。气体进样控制器由三通、阀门、压力表、背压阀、单向阀组成，其连接关系是：阀门分别与压力表、背压阀和单向阀连接，三通分别与阀门和高压驱动气源连接，单向阀与气体进样/取样地下系统中的气体进/取样管路连接。气体取样控制器由三通、阀门和气体取样容器组成，其连接关系是：阀门与气体取样容器连接，三通分别与气体进样控制器、气体取样控制器和气体进样/取样地下系统中的气体进/取样管路连接。

一种超低渗地层深井气液流体取样装置，包括气体进样/取样地下系统。气体进样/取样地下系统与气体取样/进样管路和气体过滤器组成，其连接关系是：气体进/取样管路上端与气体进样控制器和气体取样控制器连接，气体进/取样管路下端穿过封隔器与气体过滤器连接。

一种超低渗地层深井气液流体取样装置，包括封隔器。封隔器为穿孔封隔器，液体进样管路与气体进样管路穿过封隔器至下部层位。封隔器起到隔离地层的作用，封隔器的坐封、解封等操作方式与传统封隔器相同。

一种超低渗地层深井气液流体取样装置，包括高压驱动气源。高压驱动气源60与液体进样/取样地面控制系统和气体进样/取样地面控制系统连接，常用低密度和化学性质较为惰性的气体，如氮气、氦气、氪气等。

一种超低渗地层深井气液流体取样装置，通过液体进样/取样地面控制系统和液体进样/取样地下系统实现低渗、超低渗地层深井内液体取样，气体进样/取样地面控制系统和气体进样/取样地下系统实现低渗、超低渗地层深井内气体取样。液体进样/取样地面控制系统是这样实现液体进样量和取样速率控制的：第一液体进样控制器的功能是：快速驱动、快速排空，单向阀防止进样时液体进入；第二液体进样控制器的功能是：通过压力表和背压阀控制进样量与取样速率，单向阀防止进样时液体进入；第一液体取样控制器的功能是：通过阻尼器、压力表和背压阀控制进样量和进样速率；第二液体取样控制器的功能是：快速排空，快速取样。当打开第一液体取样控制器时，通过设定背压阀的压力，减小进样量、减慢进样速率；当打开第二液体进样控制器时，通过设定背压阀的压力，减慢取样速率，实现低渗、超低渗地层的液体取样。

所述的液体进样/取样地下系统是这样实现液体进样量、取样速率控制的：液体驱动管路采用1/8”管径的不锈钢钢管，管径较小，进样速率减慢；变径管采用1/4”管径的不锈钢钢管，管径增大有利于样品储存，控制进样量在mL～L量级范围内；第一液体进样管路与液体驱动管路采用相同材质，第二液体进样管路采用具有厌液相(油或气)涂层的管路(如特氟龙管)，降低取样压力。液体进样/取样地下系统的液体驱动管路和液体进样管路的管径较常规深井取样装置的管路小，管径由1/4”减小为1/8”，降低了单次的取样量，增加了样品的有效度。

所述的气体进样/取样地面控制系统是通过压力表和背压阀实现气体进样量控制的，单向阀阻止进样时气体进入气体进样控制。气体进样控制器控制气体进样驱动压力、和气体进样量；气体进样/取样地下系统采用1/8”管径的不锈钢管。

按照本发明加工制造超低渗地层深井气液流体取样装置；按照取样地层深度配置相应长度的液体驱动/进样管路、变径管路和气体进样管路，并配置相应体量的高压驱动源；按照取样地层的深度与厚度调整封隔器的位置，采用石油、天然气、地矿等部门的标准方法(钢丝绳下井、油管下井等方法)将取样装置放入钻孔内；将液体驱动/进样管路、变径管路和气体进样管路固定，防止缠绕打结阻塞；将封隔器放入设定的深度并坐封封隔器。

一种超低渗地层深井气液流体取样方法，其步骤如下：

(1)快速排空保压：在地下流体取样之前，首先将液体进样/取样地下系统中进入的或上次残留的地下流体排出(原留液体)，以免影响样品的质量。排空为快速排空，排空的步骤为：首先打开第一液体进样控制器的阀门，高压驱动气源的压力大于原始地层压力(例如10MPa左右，根据地层条件确定)，氮气进入液体进样/取样地下系统的管路；其次是打开第二液体取样控制器的阀门，氮气将残留液体全部排入液体取样容器后，充满液体进样/取样地下系统的管路中，然后关闭第二液体取样控制器的阀门和第一液体进样控制器的第一阀门。

(2)液体进样与进样量控制：打开第一液体取样控制器的第一阀门，将液体驱动管路和第一液体进样管路连通，打开第一液体取样控制器的第二阀门，管路中的氮气排出，地下液体缓慢进入液体进样/取样地下系统的管路中。进样过程，地下流体压力降低，由于是低渗或超低渗地层，流体压力恢复非常慢，因此要控制进样量。进样量控制的步骤为：设定第一液体取样控制器的背压阀的压力为所需进样量的压力(例如3MPa左右，根据取样量需求确定)，且该压力小于原始地层压力(例如10MPa左右)，当进样压力达到设定压力(例如3MPa左右)时，背压阀关闭，进样停止；然后关闭第一液体取样控制器的第一阀门和第二阀门。由于阻尼器和背压阀的控制，液体进样速率会减慢。

(3)液体取样与取样速率控制：打开第二液体进样控制器的阀门，打开第一液体取样控制器的第二阀门，将第二液体进样控制器的背压阀、第一液体取样控制器的背压阀的压力设定为所需取样量的压力(例如2MPa左右)，压力小于原始地层压力(例如8MPa左右)。当样品压力达到设定压力(例如2MPa左右)时，第一液体取样控制器的背压阀关闭，取样结束，关闭第二液体进样控制器的阀门和第一液体取样控制器的第二阀门。如果取样量不够，则重复步骤(2)和步骤(3)二至四次。

(4)液体取样后，超低渗地层的压力恢复较慢，取样时间间隔(例如12天左右)较长，为了提高取样频率，在地下流体取样过程中，可以由气体进/取样管路向地层加压。

(5)液体快速进样取样控制：如果不需要控制进样量和取样速率，则步骤(1)快速排空保压后，打开第一液体取样控制器的第一阀门将液体驱动管路和液体进样管路连通，打开第二液体取样控制器的阀门将管内的氮气排出，地下流体快速进入液体进样/取样地下系统的管路。然后关闭第一液体取样控制器的第一阀门，打开第一液体进样控制器的阀门，液体进入液体取样容器，得到所需的样品量后结束取样，关闭所有阀门。快速进样取样，液体进样/取样地下系统的管路中的原留液体会非常多，影响下次取样的质量；而且由于没有限制进样量和取样速率，地下压力下降的较快，低渗或超低渗地层压力恢复的较慢，取样周期将会变长。

(6)气体取样与进样量控制：打开气体进样控制器的阀门，高压驱动气源向气体进/取样管路加压，气体进样控制器的背压阀控制进样压力(例如3MPa左右)，当气体进/取样管路充满气体后关闭气体进样控制器的阀门；打开气体取样控制器的阀门，氮气排出，气体样品缓慢进入气体进样管，最终进入气体取样容器。如果取样量不够，则重复气体取样操作。气体取样完毕后关闭气体取样控制阀门。气体过滤器只允许气体进入，可以过滤大颗粒固体，防止阻塞管路。

(7)取样完毕后，检查关闭取样装置，保持安置状态直到下个取样周期。

通过上述七个步骤的技术措施，完成低渗、超低渗地层或是普通地层的深井气液取样，其中步骤(2)和步骤(3)是低渗、超低渗地层深井液体取样的关键技术方法，步骤(6)是低渗、超低渗地层深井气体取样的关键技术方法。这些关键技术方法可以控制液体、气体的进样量和取样速率，在低渗、超低渗地层内减少取样量、降低取样速率，解决取样后压力恢复得慢的问题，从而提高取样频率。

本发明与现有技术相比，具有以下优点和积极效果：

(1)适于低渗、超低渗地层内的深井分层气液流体取样，保证在低渗、超低渗地层内深井取样的周期和频率。

(2)液体进样地面控制阀组设计，控制液体进样量和进样速率，增加进样有效比；

(3)液体取样地面控制阀组设计，控制液体取样量，降低取样对地层压力的影响；

(4)气体取样系统的地面控制阀组设计，控制取样压力、流量；

(5)液体进样管采用变径设计，控制进样管内液体量，实现进样量mL～L的控制；

(6)第二液体进样管路采用具有厌水属性的材料，降低取样压力；

(7)同时原理结构简单、操作方便。

总之，本发明适用于低渗、超低渗地层的深井分层气液流体取样，解决了低渗、超低渗地层每次取样后地层压力恢复较慢，取样间隔时间长，取样频率低等问题。

附图说明

图1为一种超低渗地层内深井气液流体取样装置结构示意图；

图2为一种取样装置的液体进样/取样地面控制系统示意图；

图3为一种取样装置的气体进样/取样地面控制系统示意图

图4为一种取样装置的液体和气体进样/取样地下系统示意图。

图5为低渗煤层深井液体取样后的压力恢复对比图，图中蓝色线是低渗煤层采用常规深井取样装置取样后的压力变化曲线，红线是采用超低渗深井取样装置进行取样后的压力变化曲线。

其中：

10——液体进样/取样地面控制系统；11——第一液体进样控制器(液体进样地面控制，阀门、单向阀等的统称，普通)：111——阀门(针阀或球阀，控制开关，普通)；112——单向阀(控制流向，防止地下流体通过，普通)；113——三通(普通)；12——第二液体进样控制器(液体进样地面控制，阀门、压力表、背压阀、单向阀等的统称，普通)：121——阀门(针阀或球阀，控制开关，普通)；122——压力表(普通)；123——背压阀(普通)；124——单向阀(控制流向，普通)；125——三通(普通)；13——第一液体取样控制器(液体取样地面控制，阀门、阻尼器、压力表、背压阀等的统称，普通)：131——第一三通(普通)；132——第一阀门(针阀或球阀，控制开关，普通)；133——第二三通(普通)；134——第二阀门(针阀或球阀，控制开关，普通)；135——阻尼器(低CV值，普通)；136——压力表(普通)；137——背压阀(普通)；14——第二液体取样控制器(液体取样地面控制，阀门、取样容器等的统称，普通)：141——三通(普通)；142——阀门(针阀或球阀，控制开关，普通)；143——液体取样容器(普通)；20——液体进样/取样地下系统：21——液体驱动管路(1/8”管径、316L)；22——变径管路(变径管，1/4”管径、316L)；23——第一液体进样管路(1/8”管径、316L)；24——第二液体进样管路(具有厌液相(油或气)涂层的管路)；25——三通(普通)；26——单向阀(控制流向，耐高温高压，普通)；27——液体过滤器(耐高温高压，普通)；30——气体进样/取样地面控制系统：31——气体进样控制器(气体进样地面控制，阀门、压力表、背压阀、单向阀等的统称，普通)；311——三通(普通)；312——阀门(针阀或球阀，控制开关，普通)；313——压力表(普通)；314——背压阀(普通)；315——单向阀(控制流向，普通)；32——气体取样控制器(气体取样地面控制，阀门、气体取样容器等的统称，普通)；321——三通(普通)；322——阀门(针阀或球阀，控制开关，普通)；323——气体取样容器(普通)；40——气体进样/取样地下系统：41——气体进/取样管路(1/8”管径、316L)；42——气体过滤器(耐高温高压)；50——封隔器(穿管封隔器，普通)；60——高压驱动气源(N₂瓶)。

上述的所有阀门、三通、单向阀、背压阀、压力表、液体进样管路、气体进样管路、液体/气体过滤器、封隔器、高压驱动气源等均通过市场采购获得。为应对地下高温高压腐蚀条件，所有金属材料建议采用316/316L不锈钢、哈氏合金等；密封材料为一般密封性好、抗腐蚀能力强的柔性材料，减少装置在地下长期使用中的腐蚀和性能损失，例如：聚四氟乙烯、改性丁晴橡胶、PEEK材料等。装置中的管路采用标准超长钢管，无焊缝；第二液体进样管路24采用具有厌液相(油或气)涂层的管路，如添加聚四氟乙烯涂膜的钢管或PEEK管；除了变径管路22以外，均采用1/8”管径，变径管路22的管径为1/4”；接头均采用1/8”接头，地面控制器的阀门、单向阀、背压阀等采用普通的泄漏率极低的电磁阀门，地下系统的单向阀为耐高温高压不锈钢、哈氏合金材料；液体过滤器27和气体过滤器42采用焊接、卡套连接、螺口接头等方式连接，可参照一般的连接方式。液体过滤器27过滤大颗粒固体，防止阻塞管路；气体过滤器42只允许气体进入，可以过滤大颗粒固体，防止阻塞管路；过滤器根据需求进行采购、加工。封隔器50为穿孔封隔器，型号为Y541型，封隔器第一液体进样管路23与气体进/取样管路41穿过封隔器50至下部层位，封隔器50的坐封、解封、连接方式等参考石油、天然气行业的标准方法。高压驱动气源60常用低密度和化学性质较为惰性的气体，如氮气、氦气等。封隔器50和高压驱动气源60通过市场进行采购。

具体实施方式

实施例1：

根据图1、图2、图3、图4可知，一种超低渗地层深井气液流体取样装置，它由液体进样/取样地面控制系统10、液体进样/取样地下系统20、气体进样/取样地面控制系统30、气体进样/取样地下系统40、封隔器50、和高压驱动气源60共同组成。液体进样/取样地面控制系统10包括第一液体进样控制器11、第二液体进样控制器12、第一液体取样控制器13、和第二液体取样控制器14；液体进样/取样地下系统20包括液体驱动管路21、变径管路22、第一液体进样管路23、第二液体进样管路24、三通25、单向阀26、和液体过滤器27；气体进样/取样地面控制系统30包括气体进样控制器31、气体取样控制器32；气体进样/取样地下系统40包括气体进/取样管路41、气体过滤器42。第一液体进样控制器11包括阀门111、单向阀112和三通113；第二液体进样控制器12包括阀门121、压力表122、背压阀123、单向阀124、三通125；第一液体取样控制器13包括第一三通131、第一阀门132、第二三通133、第二阀门134、阻尼器135、压力表136、背压阀137；第二液体取样控制器14包括三通141、阀门142、液体取样容器143。其特征在于：液体进样/取样地面控制系统10分别与高压驱动气源60和液体进样/取样地下系统20连接；气体进样/取样地面控制系统30分别与高压驱动气源60和气体进样/取样地下系统40连接；液体进样/取样地下系统20和气体进样/取样地下系统40都要穿过封隔器50。液体进样/取样地面控制系统10中的第一液体进样控制器11的连接关系是：阀门111连接单向阀112，单向阀112与液体进样/取样地下系统20中的液体驱动管路21连接，三通113分别与第一液体进样控制器11、第二液体进样控制器12和高压驱动气源60连接；液体进样/取样地面控制系统10中的第二液体进样控制器12的连接关系是：阀门121分别与压力表122、背压阀123、单向阀124连接，单向阀124通过三通125与液体进样/取样地下系统20中的液体驱动管路21连接；液体进样/取样地面控制系统10中的第一液体取样控制器13的连接关系是：第一阀门132连接液体进样/取样地下系统20中的液体驱动管路21和液体进样管路23，第二阀门134分别与和阻尼器135、压力表136、背压阀137连接，背压阀137与第二液体取样控制器14中的液体取样容器143连接，第一三通131分别与液体进样/取样地下系统20中的液体驱动管路21、第一液体进样控制器11中的单向阀112和第一液体取样控制器13中的第一阀门132连接，第二三通133分别与液体进样/取样地下系统20中的第一液体进样管路23、第一液体取样控制器13中的第一阀门132和第二阀门134连接；液体进样/取样地面控制系统10中的第二液体取样控制器14的连接关系是：阀门142与液体取样容器143连接，阀门142通过三通141与液体进样/取样地下系统20中的液体进样管路23连接。液体进样/取样地下系统20的连接关系是：液体驱动管路21分别与变径管路22、第一液体进样管路23、第二液体进样管路24连接，并通过三通25与单向阀26连接，第一液体进样管路23穿至封隔器50下部，第一液体进样管路23穿过封隔器50后与液体过滤器27连接。气体进样/取样地面控制系统30中气体进样控制器31的连接关系是：阀门312分别与压力表313、背压阀314和单向阀315连接，三通311分别与阀门312和高压驱动气源60连接，单向阀315与气体进样/取样地下系统40中的气体进/取样管路41连接。气体进样/取样地面控制系统30中的气体取样控制器32的连接关系是：阀门322与气体取样容器323连接，三通321分别与气体进样控制器31、气体取样控制器32和气体进样/取样地下系统40中的气体进/取样管路41连接。气体进样/取样地下系统40的连接关系是：气体进/取样管路41的上端分别与气体进样控制器31和气体取样控制器32连接，气体进/取样管路41的下端穿过封隔器50与气体过滤器42连接。

一种超低渗地层深井气液流体取样装置通过液体进样/取样地面控制系统10和液体进样/取样地下系统20实现低渗、超低渗地层深井内液体取样，气体进样/取样地面控制系统30和气体进样/取样地下系统40实现低渗、超低渗地层深井内气体取样。液体进样/取样地面控制系统10是这样实现液体进样量和取样速率控制的：第一液体进样控制器11的功能是：快速驱动、快速排空，单向阀112防止进样时液体进入；第二液体进样控制器12的功能是：通过压力表122和背压阀123控制取样速率，单向阀124防止进样时液体进入；第一液体取样控制器13的功能是：通过阻尼器135、压力表136和背压阀137控制进样量和进样速率；第二液体取样控制器14的功能是：快速排空，快速取样。当打开第一液体取样控制器13时，通过设定背压阀137的压力，减小进样量、减慢进样速率；当打开第二液体进样控制器12时，通过设定背压阀123的压力，减慢取样速率，实现低渗、超低渗地层的液体取样。液体进样/取样地下系统20是这样实现液体进样量、取样速率控制的：液体驱动管路21采用1/8”管径的不锈钢钢管，管径较小进样速率减慢；变径管22采用1/4”管径的不锈钢钢管，管径增大有利于样品储存，控制进样量在mL～L范围内；第一液体进样管路23与液体驱动管路21采用相同材质，第二液体进样管路24采用具有厌液相属性(水或油)的材料(如特氟龙管)，降低取样压力。液体进样/取样地下系统20的液体驱动管路21和第一液体进样管路23的管径较常规深井取样装置的管路小，管径由1/4”减小为1/8”，降低了单次的取样量，增加了样品的有效度。

所述的气体进样/取样地面控制系统30是通过气体进样控制器31的压力表313和背压阀314实现气体进样量控制的，单向阀315阻止进样时气体进入气体进样控制器31。气体进样控制器31控制气体进样驱动压力、和气体进样量。气体进样/取样地下系统40的气体进/取样管路41采用1/8”管径的不锈钢管。

通过上述的具体技术措施，形成一套适用于低渗、超低渗地层的深井气液流体取样装置，可以通过液体进样/取样地面控制系统10、液体进样/取样地下系统20、气体进样/取样地面控制系统30、和气体进样/取样地下系统40控制液体或气体的进样量和取样速率，解决取样后低渗、超低渗地层压力恢复慢，取样周期长的问题，实现低渗、超低渗地层深井内气液流体取样。

实施例2：

一种低渗、超低渗地层的深井内液体取样方法，其步骤是：

(1)按照设计加工制造适用于低渗、超低渗地层的深井气液流体取样装置。

(2)按照取样地层深度配置相应长度的液体驱动管路21、变径管路22、第一液体进样管路23、第二液体进样管路24和气体进样管路41，并配置相应体量的高压驱动源60。

(3)取样装置的液体进样/取样地面控制系统10、气体进样/取样地面控制系统30、和高压驱动源60连接安放在地面取样控制室内；检查管路是否通畅。

(4)取样装置的液体进样/取样地下系统20、气体进样/取样地下系统40、和封隔器安装在钻井内壁或套管内壁，按照取样地层的深度与厚度调整封隔器50的位置，采用石油、天然气、地矿等部门的标准方法(钢丝绳下井、油管下井等方法)将取样装置放入钻孔内；将液体进样/取样地下系统20的管路和气体进样管路41固定，防止缠绕打结阻塞；将封隔器50放入设定的深度并坐封封隔器50。

(5)取样装置下井安装完成后，将井口进行保护，准备取样。

(6)快速排空保压：首先打开液体进样第一控制器11的阀门111，高压驱动气源60的压力大于原始地层压力(例如10MPa左右，根据地层条件确定)，氮气进入液体进样/取样地下系统20的液体驱动管路21；同时打开液体取样第二控制器14的阀门142，氮气将残留液体全部排入液体取样容器143后，氮气充满液体进样/取样地下系统20的管路中，然后关闭液体取样第二控制器14的阀门142和液体进样第一控制器11的阀门111。

(7)低渗、超低渗地层的液体进样与进样量控制：打开第一液体取样控制器13的阀门1-132，将液体驱动管路21和第一液体进样管路23连通，设定第一液体取样控制器13的背压阀137的压力为所需进样量的压力(例如3MPa左右，根据取样量需求确定)，且该压力小于原始地层压力(例如10MPa左右)，连通背压阀137和阻尼器135；打开第一液体取样控制器13的第二阀门134，管路中的氮气排出，由于背压阀137的设定和阻尼器135的连通，地下液体缓慢进入液体进样/取样地下系统20的管路中。当进样压力达到设定压力(例如3MPa左右)时，背压阀137关闭，进样停止；然后关闭第一液体取样控制器13的第一阀门132和第二阀门134。

(8)低渗、超低渗地层的液体取样与取样速率控制：打开第二液体进样控制器12的阀门121，打开第一液体取样控制器13的第二阀门134，将第二液体进样控制器12的背压阀123、第一液体取样控制器13的背压阀137的压力设定为所需取样量的压力(例如2MPa左右)，压力小于原始地层压力。当样品压力达到设定压力时(例如2MPa)，第一液体取样控制器13的背压阀137关闭，取样结束，关闭第二液体进样控制器12的阀门121和第一液体取样控制器13的第二阀门134。

(9)取样完毕后，检查关闭取样装置，保持安置状态直到下个取样周期。

通过上述的具体技术措施，完成在低渗、超低渗地层的深井内的液体取样，有效控制液体取样量与取样速率，避免由于取样量过大导致的地层压力恢复慢、有效样品率低的问题。

实验数据：

低渗地层液体取样深度为1000m，常规的深井液体取样装置的取样管径为1/4”，取样量约为17.6L，使用本发明的超低渗深井液体取样装置，取样量约为5.6L。下图中蓝色线是低渗煤层采用常规深井取样装置取样后的压力变化曲线，由曲线可以看出，取样后压力恢复到原地层压力需要16天，时间较长，影响取样频率。红线是采用超低渗深井取样装置进行取样后的压力变化曲线，由于取样量和取样速率的控制，地层压力降低的较少，恢复的较快，预计取样后压力恢复到原地层压力的时间为7天。

实施例3：

一种低渗、超低渗地层的深井气体取样方法，其步骤是：

(1)低渗、超低渗地层的气体取样与进样量控制：打开气体进样控制器31的阀门312，高压驱动气源60给气体进/取样管路41加压，气体进样控制器31的背压阀314控制进样压力，当气体进/取样管路41充满氮气后关闭气体进样控制器31的阀门312；打开气体取样控制器32的阀门322，氮气排出，地下气体样品缓慢进入气体进/取样管路41，最终进入气体取样容器323。气体取样完毕后关闭气体取样控制阀门322。气体过滤器42只允许气体进入，可以过滤大颗粒固体，防止阻塞管路。

(2)本实施例的其它实施步骤与实施例2相同。

通过上述的具体技术措施，完成在低渗、超低渗地层的深井内气体取样，控制气体取样的进样量，保证气体取样的频率。

Claims (5)

1.一种超低渗地层内深井气液流体取样装置，它由液体进样/取样地面控制系统(10)、液体进样/取样地下系统(20)、气体进样/取样地面控制系统(30)、气体进样/取样地下系统(40)、封隔器(50)、和高压驱动气源(60)组成，其特征在于：液体进样/取样地面控制系统(10)分别与高压驱动气源(60)和液体进样/取样地下系统(20)连接，气体进样/取样地面控制系统(30)分别与高压驱动气源(60)和气体进样/取样地下系统(40)连接，液体进样/取样地下系统(20)和气体进样/取样地下系统(40)穿过封隔器(50)，所述的液体进样/取样地面控制系统(10)包括第一液体进样控制器、第二液体进样控制器、第一液体取样控制器和第二液体取样控制器，第一液体进样控制器和第二液体进样控制器并联，并与高压驱动气源(60)和液体进样/取样地下系统(20)中的液体驱动管路连接；第一液体取样控制器和第二液体取样控制器并联，并与第二液体取样控制器中的液体取样容器和液体进样/取样地下系统(20)中的第一液体进样管路连接，所述的第一液体进样控制器由针阀、单向阀和三通组成，针阀连接单向阀，单向阀连接液体进样/取样地下系统(20)中的液体驱动管路，三通分别与第一液体进样控制器、第二液体进样控制器和高压驱动气源(60)连接，所述的第二液体进样控制器由针阀、压力表、背压阀、单向阀和三通组成，第二液体进样控制器的针阀分别与压力表、背压阀、第二液体进样控制器的单向阀连接，第二液体进样控制器的单向阀通过第二液体进样控制器的三通与液体进样/取样地下系统(20)出中的液体驱动管路连接，所述的第一液体取样控制器由第一三通、第一针阀、第二三通、第二针阀、阻尼器、压力表和背压阀组成，第一针阀分别与液体进样/取样地下系统(20)中的液体驱动管路和第一液体进样管路连接，第二针阀分别与阻尼器、第一液体取样控制器的压力表、第一液体取样控制器的背压阀连接，第一液体取样控制器的背压阀与第二液体取样控制器中的液体取样容器连接，第一三通分别与液体进样/取样地下系统(20)中的液体驱动管路、第一液体进样控制器中的单向阀和第一液体取样控制器中的第一针阀连接，第二三通分别与液体进样/取样地下系统(20)中的第一液体进样管路、第一液体取样控制器中的第一针阀和第二针阀连接，所述的第二液体取样控制器包括三通、阀门、液体取样容器，阀门与液体取样容器连接，阀门通过三通与液体进样/取样地下系统(20)中的第一液体进样管路连接；

所述的气体进样/取样地面控制系统(30)由气体进样控制器和气体取样控制器组成，气体进样控制器分别与高压驱动气源(60)和气体进样/取样地下系统(40)连接，气体取样控制器通过三通分别与气体进样控制器和气体进样/取样地下系统(40)连接，气体进样控制器由三通、针阀、压力表、背压阀、单向阀组成，气体进样控制器的针阀分别与气体进样控制器的压力表、气体进样控制器的背压阀和气体进样控制器的单向阀连接，三通分别与针阀和高压驱动气源(60)连接，单向阀与气体进样/取样地下系统(40)中的气体进/取样管路连接，气体取样控制器由三通、针阀和气体取样容器组成，针阀与气体取样容器连接，三通分别与气体进样控制器、气体取样控制器和气体进样/取样地下系统(40)中的气体进/取样管路连接。

2.根据权利要求1所述的一种超低渗地层内深井气液流体取样装置，其特征在于：所述的液体进样/取样地下系统(20)由液体驱动管路、变径管路、第一液体进样管路、第二液体进样管路、三通、单向阀、和液体过滤器组成，液体驱动管路分别与变径管路、第一液体进样管路、第二液体进样管路连接，并通过三通与液体进样/取样地下系统(20)的单向阀连接，第一液体进样管路穿至封隔器(50)下部，第一液体进样管路穿过封隔器(50)后与液体过滤器连接。

3.根据权利要求2所述的一种超低渗地层内深井气液流体取样装置，其特征在于：所述的液体进样/取样地下系统(20)的液体驱动管路采用1/8”管径的不锈钢钢管；液体进样/取样地下系统(20)的变径管路采用1/4”管径的不锈钢钢管，第一液体进样管路与液体驱动管路采用相同材质，第二液体进样管路采用厌液相涂层的管路。

4.根据权利要求1所述的一种超低渗地层内深井气液流体取样装置，其特征在于：所述的气体进样/取样地下系统(40)由气体取样/进样管路和气体过滤器组成，气体取样/进样管路上端与气体进样控制器和气体取样控制器连接，气体取样/进样管路下端穿过封隔器(50)与气体过滤器连接。

5.一种采用如权利要求1至4中任一项所述的装置进行超低渗地层深井气液流体取样方法，其步骤是：(1)快速排空保压：在地下流体取样之前，将液体进样/取样地下系统中进入的或上次残留的地下流体排出，快速排空，排空的步骤是：首先打开第一液体进样控制器的针阀，高压驱动气源的压力大于原始地层压力，氮气进入液体进样/取样地下系统的管路；其次是打开第二液体取样控制器的阀门，氮气将残留液体全部排入液体取样容器，氮气充满液体进样/取样地下系统的管路中；最后是关闭第二液体取样控制器的阀门和第一液体进样控制器的第一针阀；(2)液体进样与进样量控制：打开第一液体取样控制器的第一针阀，将液体驱动管路和第一液体进样管路连通，打开第一液体取样控制器的第二针阀，管路中的氮气排出，地下液体进入液体进样/取样地下系统的管路中，进样过程，地下流体压力降低，进样量控制的步骤是：首先设定第一液体取样控制器的背压阀的压力为所需进样量的压力，且此压力小于原始地层压力；其次当进样压力达到设定压力3MPa，第一液体取样控制器的背压阀关闭，进样停止；最后关闭第一液体取样控制器的第一针阀和第二针阀；(3)液体取样与取样速率控制：首先将第二液体进样控制器的背压阀、第一液体取样控制器的背压阀的压力设定为取样量的压力，且此压力小于原始地层压力，然后打开第二液体进样控制器的针阀，打开第一液体取样控制器的第二针阀，样品进入液体取样容器，样品压力达到设定压力，第一液体取样控制器的背压阀关闭，取样结束；最后关闭第二液体进样控制器的针阀和第一液体取样控制器的第二针阀；(4)气体取样与进样量控制：打开气体进样控制器的针阀，高压驱动气源向气体进/取样管路加压，气体进样控制器的背压阀控制进样压力，气体进/取样管路充满氮气后关闭气体进样控制器的针阀，打开气体取样控制器的针阀，氮气排出，气体样品进入气体进样管，最终进入气体取样容器，气体取样完毕后关闭气体取样控制阀门；(5)取样完毕后，检查关闭取样装置，保持安置状态直到下个取样周期。

Images