CN110439552B - 一种基于钻井的多相流保真取样装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于钻井的多相流保真取样方法及装置，包括地面控制系统、U型取液管、封隔器系统、I型取气管、多孔管井下液体进样系统、温控系统、自动多通阀门；该取样装置依托多孔管为核心，可通过井下装置对井下静置平衡后的多相混合流体同时分离取样。通过地面控制系统与温控系统控制取样条件取样量、深度等，保证取样量为多孔管内容积量，实现全段取样与保真取样。适用于钻井内不易区分气、水、油、多相混合流体的实时保真定深取样，亦可适用于多地层多相流体的取样。本装置结构简单、长期使用成本低廉、耐久性优越、适用地层范围广，适合油‑水‑气体系多相流体保真取样，具有广泛的应用前景。

Description

一种基于钻井的多相流保真取样装置及方法

技术领域

本发明属于深地工程中的混合流体保真取样与油气等资源开采技术领域，更具体涉及一种地层多相流体取样方法，同时还涉及一种地层多相流体取样的装置，它适用于基于多孔管取样容器与静置平衡的地下多相取样与地表分离于一体的地层多相流体保真取样。

背景技术

随着油气田开发进入中后期，采出液的含水量越来越高,油井开采成本越来越大，大部分油气田为高含水率油气田；部分油气田开始其采用新工艺，包括气驱、气水交替驱替开采等工艺，油田井下流体环境随着开采过程与各种新开采工艺的使用变得更加复杂。油气行业对于勘探开采油气田样品状态与真实性越来越重视，取得原位保真油气样品资料对油气田行业至关重要，至少包含气-液(油水)等多相成分的保真取样。因而对井下流体进行保真取样，具体研究油品物性不管是对于环保还是油田自身效益来说都是紧要目的，然而随着采油开发的进行，多相流体的同时取样变的越来越困难。另外，地热、CO₂地质封存、地下能源与废弃物地下储存、深部地质科研等工程同样面临复杂地质条件下的原位保真多相取样难的问题，迫切需要一种能对多相流体同时保真取样的技术，准确地了解井下流体性质与成分分析和研究井下流体状态的变化。

世界各国对井下流体取样技术都有深入研究，目前有各种各样的取样设备：Bailer取样器、不连续间隔取样器、地下水取样泵及直接推进原位地下水取样用裸露过滤网型取样器、密闭过滤网型取样器、Waterloo取样器等。它们各有特点，但总的来说不能精确控制取样速率与取样量；在井下进行流体取样的U型管取样技术(U-tube)是美国伯克利实验室的Barry Freifeld研发的采样系统(美国发明专利“Device useful as a boreholefluid sampler(US9863245B2)”)，已在美国Frio咸水层、澳大利亚Otway、德国Ketzin等示范工程率先应用，达到了预期的效果。U型管地下流体取样技术已经被大幅度改进(如“井内分层气液两相流体保真取样装置”、“基于压力脉冲的分层流体监测及取样装置”)并开展多次现场实验，实验结果表明改进后的U型管取样技术在井下各个确定深度开展流体取样的效果良好，技术方案已经成熟可应用于井下各个深度流体的取样。不过这些基于U型取样管的取样技术只针对一个确定深度取样(单相液相流体)，但如何进行多相液体与气体混合样品的保真取样还需要进一步的改进，如：轻质油、水、重质油、添加流体等存在界面的多相液体。特别是多相流体由于重力分离，在底层内呈层状分布，就需要多相流体的全段保真取样技术。

目前的井下分离取样技术为通过与取样泵(潜水电泵、螺杆泵、机抽泵等)连接的多相流分离取样器取样；取样器分离的工作方式为通过多相流重力分异与离心运动，因泵体的存在需要定时检修，部分泵(如潜水电泵)使用深度浅、机械寿命低、持续使用能力差，存在一定的制约性。而油田的井下取样技术主要使用老式机械取样器，取样过程中取样筒始终保持打开状态，无法保证样品为预定层位样品所取的样品；既不能确保取样层位样品的代表性，又无法保证样品的真实性。定深取样虽然为保真取样，但是由于其每次取样需要采用专业设备并打开采油井或其他钻井井口，由此取样频率低且成本高。油田使用的油水分离方式为油水分离器等分离设备，在井下依靠重力沉降与离心分异在井下直接进行油水分离，将水回注到地下。虽然能在指定深度的地层工作，但样品采取过程中，降压降温明显，流体成分含量较之于原始地层内已有明显改变，依靠油水分离设备进行取样也无法保证保真取样。

现阶段井下油水分离器主要分两种：重力式与水力旋流器式井下油水分离器，重力式井下分离器是利用密度分异和自然沉降的原理进行井下油水分离的装置，其成本较低但分离效率低，不能准确判断油水分离界面，且由于依靠重力分离过程十分缓慢，需要严格控制单个沉降杯中流体的流速与分离量。当所分离量加大时需要多个分离单元进行工作才能保证油水分离的有效性，造成分离器体积过大且难以适应大部分的油田井下环境，因此其实用性差。井下旋流器式分离器是离心分离装置的典型代表，利用油水密度差与高速旋流运动的油水混合物中的两种流体受到离心力的不同促使油水分离，整个分离过程持续时间短，分离器体积小，但是需要大功率马达或多级旋流才能保证分离效率，分离过程中压力变化非常大，对场地适应性要求高，部分油田需要化学助剂造成油层污染；另外其有他不确定性的影响因素(如温度与压力的变化等)限制旋流器的分离效果，使用成本高，持续能力差，保真程度也差。因此需要对现有的井下油水分离进行改进，更好地研究各油田地下流体特征与自然条件、流体的成分、浓度、分布范围及其在地下环境中的传输状况与变化趋势，需要一种大小适中，结构简单的井下油水分离取样装置。

发明专利“井内分层气液两相流体保真取样装置”(CN 102108861 A)提供了一种基于井下气液两相取样的技术方法，其取样方法虽然能够达到保真取样的要求，其中液相为混合液体，但无法对静置重力分离的多相混合流体保真取样(只能气-液两相，液体只能为单相液体或混合状态的液体)，每个取样层内的气液相的取样点只能是确定的深度，不能考虑取样段内不同深度的样品取样，亦不能考虑不同相液体在地下的比例(深度范围)等信息。同时地面设备需要增加地面油水分离装置，也不适用更加复杂的地下环境，包含气-水-油-添加剂等多相、气-液等多相样品取样分析。目前气液两相流体取样装置中科院武汉岩土所已包含有多项专利，而超过气水两相的多相流体的全段保真取样技术仍然属于空白，因此需要一款能保真取样的多相流体取样(气-水-油等多相流体且分层条件)的装置及方法。如何做到让取样器成本低廉、维护简单，如何克服场地限制，如何减小分离器体积，如何进行多相分离，如何提高分离效率如何多相流体取样，保真取样这是现阶段多相流体取样器需要解决的问题。

发明内容

本发明改进现有取样设备的缺陷克服以上方法的技术困难，本发明的目的是在于提供了一种钻井多相流体保真取样方法，方法易行，操作简便，在不同深度单井实现井下多相静置沉积分离，包含水-油-气-多相体系的同步取样；样品真实性、代表性强，实现示范与监测场地内的高频率与长期地保真取样。

本发明的另一个目的是在于提供了一种钻井多相流保真取样的装置，与原取样装置相比能保障取样时样品流体的稳定性，确保样品的真实性同时，结构简单，安装与操作便捷，维护简单；本装置主要采用U+I型取样管为基本控制单元，部分驱动流体取样过程中可反复使用，长期监测的高频率取样与成本优于其他类型的定深取样设备，适用范围广，适用于各种油气、地矿、水文等领域各种深度与环境的多相流体保真取样与环境监测领域。

为了实现上述的目的，本发明采用以下技术方案：

其技术构思是：在钻井内封隔器系统坐封的多层位目标取样地层中，可以同时在不同深度上进行气-油-水等多相组分按照流体成分的等比例取样，并可以判别不同流体的比例和深度。取样方式为保真(保温保压)取样，取样方法采用本发明的提供取样方式配合地面控制系统进行多相混合流体进量控制与定容保真取样，在井下流体到达地面后进行最后的多相分离。按照本发明制造对应的取样装置，依据目标地层的深度、地层流体、单次取样量确定整套装置的规格大小与具体参数，下井后首次取样前用清水清洗取样装置管路，并用高压驱动流体排出杂物填充满取样装置后即可开始取样。待多相流体混合物样品填充完满多孔管井下液体进样系统内腔，并静置平衡结束进样过程以后(时间根据钻井下地层环境与多孔管的体积有关)，通过地面控制系统，先对U型取液管进行排空作业，再进行取样作业。

一种钻井多相混合流体取样方法，包括以下步骤：

1)取样前依次开启流体减压阀、第一液体驱动管阀门、第二液体驱动管阀门、第一液体取样管阀门，释放压力源内的高压驱动流体注入到U型取液管；驱动管内上次取样残留的液体样品，收集部分不含残留液体的高压驱动流体到液体取样容器中，进行排空环节(约15分钟)，待残留样品排空完毕且高压驱动流体填充满U型取液管后，即可依次关闭其他所有阀门结束排空环节。

2)先打开第一取气管阀门与加压泵，通过I型取样管向取样地层注入加压后液体取样容器内收集的高压驱动流体(不低于取样压力)，后关闭第一取气管阀门与加压泵，打开流体减压阀、第一气体驱动管阀门，通过I型取样管进行地层加压环节，向取样地层注入压力源内高压驱动流体提高取样时的地层压力至最高取样压力，略比取样时地层平衡压力P高ΔP(控制|ΔP/P|＜10％范围内，具体的取样压力与原始地层压力有关。例如：原始地层压力P_tn-sita＝17.0MPa左右，小扰动取|ΔP/P|＜5％，选取ΔP＝0.5MPa)，提升完地层压力后即可关闭流体减压阀、第一气体驱动管阀门。

3)打开第一液体取样管阀门关闭其他所有阀门，控制并缓慢释放U型取液管右部取样管路内的高压驱动流体到液体取样容器中，降低管内压力；使取样地层多相流体进入到U型取液管内，开始U型取液管的进样环节。待地层压力下降至最低取样压力P-ΔP，(例如：16.0MPa，最低取样压力值低于原始地层压力约0.5Mpa)时，重复地层加压环节，加压至取样压力(取样压力确保U型取液管压力高于地层压力)后，U型取液管右部降压结束，开始对U型取液管左部控制管路降压，并再次使用液体取样容器收集排放的高压驱动流体，待地层压力(例如：本案例中16.0-17.0MPa与地层深度有关)略微下降时结束U型取液管控制管路降压，多次(3-6次)重复(次数还由地层压力的稳定情况与U型取液管内高压驱动流体的地下等效体积决定)地层加压环节，让地层地层压力稳定在取样前地层压力P±ΔP之间，维持压差ΔP稳定以保证样品不会失真，交替进行U型取液管左右两部降压，直至U型取液管内的高压驱动流体完全排空，结束进样环节并关闭其他所有阀门。

4)先打开第二液体驱动管阀门、第二液体取样管阀门、加压泵，向U型取液管完全排空注入加压后液体取样容器内高压驱动流体，后关闭第二液体取样管阀门、加压泵、打开流体减压阀、第一液体驱动管阀门、第一液体取样管阀门，开始进行取样环节，向U型取液管控制管路入压力源内高压驱动流体，驱动U型取液管内多相流体样品(油水等)到达地面，油水样品取到地面以后在地面进行多相分离与多相物性分析，对分离后的样品进行取样，地层压力条件下取样总量与多孔管的内体积大致相等，由于多孔管孔径适中侧壁外多相流不会在取样过程中快速渗透进入多孔管内增加部分流体的比例，从而保证了进样与取样为全段取样，取样过程中U型取液管中的驱动流体压力需要地面控制系统精准控制，待流体排空后，关闭所有阀门锁住管内高压驱动流体，并检查管路有无漏气。

5)打开第一取气管阀门，释放管内高压相低密度流体降低地层压力ΔP，取样地层地下气体样品以注入地层的高压低密度流体为载体通过I型取气管一起到达地面的气体取样装置中，由于多孔管孔径适中取样过程中侧壁不会有筛选后的多相流快速渗透进入管内增加油的含量保证了取样为全段取样。

6)取样完毕后，通过地面控制系统向U型取液管内注入高压低密度驱动流体填充满U型取液管后，关闭所有阀门检查取样装置是否泄漏，保持U型管内压力不低于P+ΔP的状态直到下个取样周期。

区别于传统的井底基于流体自重分离的多相流体取样技术与井下多相流体取样技术，提供一种涉及重力分异原理与多孔管静置平衡多相流体分离方法为基础的井下地层多相流体保真取样装置及方法。与传统取样技术相比，本发明装置可实现多相流体的全段取样，适用范围更广、工作效率更高。整套装置通过常规连接方法(如：油管、钢丝绳、修井螺杆等连接方式)，安装于钻井内，是一种能对井下多相流体环境进行长期保真取样的监测技术。若进入多孔管的部分流体样品偏少，如:油成分，可采用具有对少量样品具有表面亲和性的材料制作多孔管，有利于少量样品的进样便于后续分析。对多相混合流体进样、静置平衡与取样后，可分析流体比例进而预测地下流体的分布状况，包含不同流体界面的深度。

按照取样的层位深度的不同，本装置或方法在不同层位使用封隔器串联后封隔多套地层，实现多个层位同时运作的分层保真取样，亦可仅使用单套封隔器进行单一地层保真取样。

所述的一种钻井多相混合流体取样方法克服现有的方法缺陷与其他技术难点，结构简单、系统稳定、经济实用、适宜多相流体保真取样与分析，具有良好的实用价值与行业前景。

本发明在传统深井取样技术的基础上，利用多相流体的重力分异和亲疏性多孔材料相结合的井下多相流体一次统取与地表分离的保真取样方法，区别于现有市场的取样与分离技术(如井下定深取样、取样桶取样、电动泵取样Bailer取样器、密闭过滤网型取样器、Waterloo取样器、旋流式井下油水分离取样器、重力式井下油水分离取样器)能在井下对气、油、水等多相混合物进行一次保真取样与分析。

通过以上的技术措施，解决了以往的钻井取样装置保真取样难、多相流分离效率低的技术问题与难点，确保井下流体在整个取样过程中与原始地层温度条件基本一致，压力变化在进样时保持在可接受范围内不超过地层压力一定压力(例如：0.1～10％地层压力)的情况下，通过本发明装置增加的地面控制系统、温度温控系统、多孔管井下液体进样系统与采用的保真取样方法，达到了井下多相流体保真取样与分离的技术效果。本发明区别现有的钻井取样技术在保真取样上性能优越与原技术有了长足的进步，降低了取样对地层压力的扰动，特别是低渗地层(地层压力的波动均有效控制在了地层压力<1％以内)。与原技术的区别在于：更加有效地控制流体的进样取样的速度与压力，对取样地层造成的扰动较小，特别是低渗地层。取样过程中压力、温度的快速变化可能导致近饱和样品成分发生相变，成分也会发生改变，影响到保真取样过程。由此，一种基于钻井的多相流保真取样装置，它由地面控制系统、U型取液管、封隔器系统、I型取气管、多孔管井下液体进样系统、温控系统、自动多通阀门等功能模块部件组成；地面控制系统还包括压力源、流体减压阀、控制面板、加压泵；U型取液管包括控制管路、取样管路、液体单向阀、液体进样管；液体进样管还包括由自动多通阀门连通的第一层液体进样管、第二层液体进样管、第三层液体进样管(等数字依次类推)；封隔器系统包括第一封隔器、第二封隔器、第三封隔器、第四封隔器(等数字依次类推)；I型取气管包括第一层气体控制取样管、第一层气体过滤取样器、第二层气体控制取样管、第二层气体过滤取样器、第三层气体控制取样管、第三层气体过滤取样器(等数字依次类推)。气体控制取样管与气体过滤取样器上下连接；多孔管井下液体进样系统包括第一层多孔管进样装置、第二层多孔管进样装置、第三层多孔管进样装置(等数字依次类推)；温控系统包括保温层、分布式温控元件、液体温度传感器、气体温度传感器。其特征在于：封隔器系统中的第一封隔器、第二封隔器、第三封隔器、第四封隔器彼此并联。地面控制系统中的压力源与控制面板通过第一驱动管连接，控制面板分别通过第一液体取样管、第二液体驱动管和第二气体驱动管与U型取液管以及I型取气管连接，其中第一液体取样管、第二液体驱动管连接U型取液管，第二气体驱动管连接I型取气管。U型取液管中的取样管路与控制管路上部分别通过第一液体取样管、第二液体驱动管与地面控制系统连接，取样管路、控制管路下部与液体进样管连接；液体进样管安装液体单向阀后通过自动多通阀门分别连接第一层液体进样管、第二层液体进样管、第三层液体进样管；第一层液体进样管、第二层液体进样管、第三层液体进样管穿过封隔器系统与包括第一层多孔管进样装置、第二层多孔管进样装置、第三层多孔管进样装置在内的多孔管井下液体进样系统连接；其中第一层液体进样管穿过第一封隔器与第一层多孔管进样装置连接，第二层液体进样管穿过第一封隔器、第二封隔器与第二层多孔管进样装置连接，第三层液体进样管穿过第一封隔器、第二封隔器、第三封隔器与第三层多孔管进样装置连接。I型取气管中的气体控制取样管上端连接地面控制系统，下端通过自动多通阀门分别连接第一层气体控制取样管、第二层气体控制取样管、第三层气体控制取样管；第一层气体控制取样管、第二层气体控制取样管、第三层气体控制取样管穿过封隔器系统与包括第一层气体过滤取样器、第二层气体过滤取样器、第三层气体过滤取样器在内的气体过滤取样器连接；其中第一层气体控制取样管穿过第一封隔器与第一层气体过滤取样器连接，第二层气体控制取样管穿过第一封隔器、第二封隔器与第二层气体过滤取样器连接，第三层气体控制取样管穿过第一封隔器、第二封隔器、第三封隔器与第三层气体过滤取样器连接。多孔管井下液体进样系统中第一层多孔管进样装置、第二层多孔管进样装置、第三层多孔管进样装置与I型取气管气体过滤取样器中的第一层气体过滤取样器、第二层气体过滤取样器、第三层气体过滤取样器依次放置在第一封隔器、第二封隔器、第三封隔器、第四封隔器坐封的不同深度独立取样层位中，其中第一层多孔管进样装置、第一层气体过滤取样器放置在第一封隔器、第二封隔器坐封的取样层位中，第二层多孔管进样装置、第二层气体过滤取样器放置在第二封隔器、第三封隔器坐封的取样层位中，第三层多孔管进样装置、第三层气体过滤取样器放置在第三封隔器、第四封隔器坐封的取样层位中；温控系统中的保温层包裹控制管路、取样管路、气体控制取样管、分布式温控元件、液体温度传感器、气体温度传感器，其中分布式温控元件与控制管路、取样管路、气体控制取样管相连(紧贴)，液体温度传感器、气体温度传感器分别与U型取液管的取样管路和I型取气管的气体控制取样管相连(紧贴)，其中液体温度传感器连接取样管路，气体温度传感器连接气体控制取样管；自动多通阀门并联第一层多孔管进样装置、第一层气体过滤取样器、第二层多孔管进样装置、第二层气体过滤取样器、第三层多孔管进样装置、第三层气体过滤取样器。所述的多孔管井下液体进样系统包含通过自动多通阀门并联的第一层多孔管进样装置、第二层多孔管进样装置、第三层多孔管进样装置，第一层多孔管进样装置包括上下连接的第一层上部转接头、第一层多孔管进样部，第二层多孔管进样装置包括上下连接的第二层上部转接头、第二层多孔管进样部，第三层多孔管进样装置包括上下连接的第三层上部转接头、第三层多孔管进样部。

其特征在于：所述的地面控制系统由压力源、流体减压阀与控制面板、加压泵组成；压力源连接安装有流体减压阀的第一驱动管与控制面板连接，控制面板取样端与加压泵连接；压力源的驱动流体对井下样品物性的分析影响在可接受的范围内时，可以选择高压的低密度惰性类气体(如N₂、Ar、Kr等)与非混溶的低密度液体(如：轻质油)。减压阀根据钻井取样深度与取样要求来控制压力源提供的最大输出压力值(0-100MPa)，本发明装置驱动动力使用高压流体压力源的优点是：被取样流体取样时与驱动流体在同一装置内受到直接影响且不会互相改变物性；取样驱动效果良好，场地适应性强；本发明装置体积适中可运用于各种钻井取样，无需使用特别电源和动力，也可保证取样工作的正常进行；取样深度影响低，在本发明装置内高压驱动流体的有效工作深度高、操作简单、压力源配合地面控制效果驱动流体的压力易于控制。控制面板为地面控制系统控制井下取样压力流速的主要设施集成安装各驱动管路、取样管路、控制阀门与压力表，驱动管路包括第一驱动管、第一液体驱动管、第二液体驱动管、第一气体驱动管、第二气体驱动管，取样管路包括第一液体取样管、第二液体取样管、第三液体取样管、第一气体取样管，控制阀门包括第一液体驱动管阀门、第二液体驱动管阀门、第一气体驱动管阀门、第一液体取样管阀门、第二液体取样管阀门、第一气体取气管阀门，压力表包括压力源压力表、液体驱动压力表、液体取样压力表、气体取样压力表；控制面板一端通过第一液体取样管、第二液体驱动管、第二气体驱动管、分别与U型取液管的取样管路、控制管路与I型取气管的气体控制取样管连接，控制面板另一端通过第三液体取样管、第一气体取样管连接加压泵并分别与液体取样容器、气体取样容器连接；加压泵与其连接的额定容量的液体取样容器、气体取样容器准确的控制排放量，确保取样量与多孔管液体进样系统内腔体积大致相等实现全段取样，并可加压降压取样时排出到额定容器的流体重新脉冲注入到取样地层内，重复使用驱动流体；地面控制系统可以精确控制取样过程中U型取液管与I型取气管管内流体的流速、压力与井下流体样品进样体积；取样装置内流体压力略高于进样层位的地层压力，保证稳定的进样压力与精确的取样体积，取样过程中，地面控制系统与U型取液管、I型取气管相连接组成完整取样装置系统部分；取样装置外部包裹保温层或者温控系统，地面控制系统控制取样系统内流体的压力、流速，温控系统控制取样系统内的温度。地面控制装置与温控系统共同确保取样的稳定性，确保样品温压条件与原始地层近似，使取样过程中样本不会因为压力、温度的突然变化而导致的流体相变或者流体中溶解物的离析/解吸等变化而造成样品性质的变化，保证取样顺利进行与所取样品的真实代表性；

所述的U型取液管包括控制管路、取样管路、液体进样管、液体单向阀；控制管路、取样管路上端分别与井外地面控制系统中控制面板内的第二液体驱动管、第一液体取样管连接；控制管路下端通过三通与取样管路、液体进样管连接；液体进样管安装液体单向阀后通过自动多通阀门连接第一层液体进样管、第二层液体进样管、第三层液体进样管；第一层液体进样管、第二层液体进样管、第三层液体进样管分别穿至第一封隔器、第二封隔器、第三封隔器下部，与封隔器系统坐封的地下多相流体目标取样地层中的第一层多孔管进样装置、第二层多孔管进样装置、第三层多孔管进样装置在内的多孔管井下液体进样系统连接，进而与被取样地下流体导通；液体单向阀流体流通方向仅为从下往上，保障了多孔管井下液体进样系统只能单向进样，防止地下液体层间串流影响取样品质量。液体样品取样时采用本发明提供的取样方法驱动通过多孔管井下液体进样系统进入到U型取液管内静置平衡的多相流体样品，并抬升到地面进入液体取样容器中。考虑到井下的流体的腐蚀与高温高压环境，U型取液管整体管路材料选择采用耐腐蚀的316L不锈钢等材质，在钻井取样深度大于1000m时管路材料可以进一步更换成哈式合金；U型取液管内腔体积与多孔管井下液体进样系统内腔体积大致相同，保证取样时多相混合流体井下分离后能完全取出到地面，因样品在地面先后分离U管路内部可涂覆疏液物质避免静置平衡后的多相流液体在管壁附着再次混合，使样品失真；

所述的封隔器系统包括第一封隔器、第二封隔器、第三封隔器、第四封隔器根据需要放置在井下指定深度坐封，封隔器系统预留有液体进样管与气体控制取样管孔位，使用时让管路先穿插过封隔器后再坐封，其功能在于封隔指定深度的地层流体形成相对密封的地层，防止层间串水。浅层、中层地层可以采用与水膨胀式封隔器与气体膨胀式封隔器等；深层地层时，可选择液压式封隔器也可采用石油地矿部门的标准封隔器，根据取样层位需要的不同设置所需封隔器的数量，以在不同的井下深度分层同时进行多相混合流体保真取样，亦可进行井下单一地层的保真取样。

所述的I型取气管包括上下连通的气体控制取样管、气体过滤取样器；气体控制取样管包括通过自动多通阀门连通的第一层控制取样管、第二层控制取样管、第三层控制取样管；气体过滤取样器包括第一层气体过滤取样器、第二层气体过滤取样器、第三层气体过滤取样器；第一层控制取样管、第二层控制取样管、第三层控制取样管分别穿至第一封隔器、第二封隔器、第三封隔器下部，与封隔器系统坐封的地下多相流体目标取样地层中的包括第一层气体过滤取样器、第二层气体过滤取样器、第三层气体过滤取样器连接。气体控制取样管上端连接地面控制系统控制面板内的第一气体取样管，通过控制面板连接加压泵与气体取样容器；气体过滤取样器过滤杂质，防止固体悬浮物或颗粒淤堵取样管。取气方法为直接降压取气体样品，若气体样品非常少，可通过地面控制系统先向气体控制取样管内注入压力源释放的高压低密度驱动流体或载气到目标取样地层中，增容并稀释地层内的气体样品，然后直接降压取气体样品；另外载气也提高了地层压力配合U型取液管内的取样过程。待液体样品取样完毕后，通过地面控制系统释放目标取样地层之前注入的高压低密度驱动流体，降低封隔器系统坐封的取样地层内压力，让钻井壁外的流体进入到钻井内补充，方便进行下次取样，目标取样地层中的地下气体样品以注入高压驱动流体为载体一起通过I型取气管到达地面。

所述的多孔管井下液体进样系统，包括第一层多孔管进样装置、第二层多孔管进样装置、第三层多孔管进样装置；整体为筒状，分为上部转接头与多孔管进样部两个部分，二者通过螺母、卡瓦、螺纹、焊接等方式连接在一起。多孔管进样部由多孔材料制成，可具有特殊表面湿润亲和性，亦可筛选能够通过地下流体的多孔管；若部分流体比例较小，可以根据使用环境与使用目的选取不同的亲疏性材料增加小比例流体的进样量，多孔管底部直径开口，若井下固体杂质较多可在底部开口安装高渗透率滤芯防止管路堵塞。亲疏性材可采用疏水/亲油性、亲油/疏水性、疏液性等特殊亲性材料；多孔管进样部可采用金属多孔管、塑料多孔管、排水板、陶瓷管等(长期进样，一次取样)，也可以使用金属作为骨架缠绕纤维尼龙等材料作为替代方法。

在油田领域油水分离取样应用时多孔管选取亲水/疏油性材料，亲疏材料可以明显改进少量液体样品的进样速度，例如：钻孔内水多油少，可以采用亲油材料的管路，提高油成分的进样速度。进样时，目标取样地层内的井下多相混合液中一部分油水混合液直接从多孔管进样分离装置下端开口流入到多孔管装置内腔，由于油水比例与多孔管外不一致，造成压力差异，从而地层内的油水多相成分会逐步通过多孔管进入或排出，多孔管内流体比例随时间逐步与钻井内的流体比例一致达到静置平衡。同时多相流体在多孔管内因重力差异实现多相液体的分离。

由于多孔管进样装置与填充满高压低密度驱动流体的U取液型管二者之间存在压差，井下多相流体在进样时多孔管内腔液面不会与顶部转接头接触，使得多孔管内腔上部会形成一定体积的空腔。在进样时，井下多相流体中的油通过侧壁渗入多孔管进样装置中的速度相比从下部直接进入静置分离于液面顶部的油更快，会使多孔管进样装置内上部油的聚集量达到峰值时间更短，提高油水分离速度。整个进样过程中U型取液管与取样地层的压差需要通过地面控制系统维持稳定，以保证取样前与取样过程中样品不会因压力的突然变化而失真同时也保障进样的顺利完成；整个进样取样过程为长期进样一次取样，取样周期根据多相流体的取样量与取样钻井的井下环境制定的取样方案决定。

多孔管管壁的亲疏性质改进；固体表面浸润性是分析油水分离性能的重要因素之一，对于进样量较少的流体，可以通过多孔管管壁的亲疏性质提高。例如：油多水少环境下，多孔管可以采用疏水性质材料改造多孔管管壁，提高油的进样量，降低了水的进样量。

进样量的设定，假设取样的速率v较小，不会导致多相流体的化学分异，多相混合流体在取样管管壁内孔隙与进样孔内的流动为层流，满足达西定律：v＝KJ

J＝(P₁-P₂)/(ρ·g·D)(kPa/m或MPa/m单位) (1)

ΔP＝P₁-P₂(kPa或者MPa)所以

ΔP＝v·ρ·g·D/K(3)

其中，ΔP是流体压差；v是多相流体在取样管中的等效流速，即取样速率；K是多孔管管壁的等效渗透系数，与孔壁结构和管壁材料有关；J是水力梯度；p是流体密度；g是流体重力加速度；D是渗流路径即管壁厚度；P₁、P₂分别是多孔取样管内外的压力差。

由此可见多孔管管内外流体压差ΔP与取样速率v和渗透系数K相关，流体压差ΔP与取样速率成正比，与渗透系数K成反比。所述的多孔管孔径范围应该适中(1um～10mm级别)，以保证取样方式为全段取样，多孔材料具体的材料选择与孔径大小、渗透率、表面的亲和性情况应根据实际使用情况来确定。温控系统：温控部分包括液体温度传感器、气体温度传感器、分布式温控元件(如：分布式电阻丝、加热管路)、保温层、外部温度控制部件和电源共同组成，温度传感器为点式温度传感器或分布式传感；通过温控系统保障取样系统管路内的温度与原始取样地层的温度保持一致，或使取样系统内温度保持为预定的温度。温控系统保持了U型取液管与I型取气管内流体温度条件的稳定，与地面控制系统共同为取样系统提供了稳定的取样环境保障了取样方法为保真取样。

自动控制多通阀门：自动控制多通阀门为电路控制的多联通阀门，产品为标准工业产品，例如：自动六通阀、自动八通阀等阀门，其主要作用为控制不同的液体进样管(如液体进样管、第一层液体进样管、第二层液体进样管)与不同气体控制取样管路(如气体控制取样管、第一层气体控制取样管、第二层气体控制取样管、第三层气体控制取样管)对接。自动控制多通阀门的控制电缆采用石油、天然气工业用的电缆，自动控制多通阀门、液体进样管、气体控制取样管共同控制进入取样系统样品的层位和气液流体种类；同时减少了取样装置以上管路数量。

外部防护：若需要保护装置，可在整个装置外设置铠甲层，保护内部元件和保温层。铠甲可采用一般金属管、塑料、橡胶、多层防护、内嵌钢丝网的塑料复合层等材料制作。所述的多相混合流体取样方法井下分离的样品到达地面后只需按照顺序选取对应的样品进行取样作业。

通过U型取液管有效的对于深井多套地层不易区分多相混合流体进行等比例保真取样，亦可适用于单一地层取样系统。通过I型取气管实现对多套地层内的气体样品进行保真取样。通过地面控制系统、温控系统有效控制取样装置管路内温度、压力等条件，以保证取样过程中及取样结束后样品的压力高于地层压力，温度与地层温度大体一致，从而确保所取样品的保真性。多相流体样品在井下多孔管内静置平衡后，无需其他额外地面分离设施即可在地面按取样顺序进行分离，本装置原理和结构简单，装配简单，系统可靠度好，体积适中适合井下使用。部分驱动流体取样过程中可反复使用，长期监测的高频率取样与成本优于其他类型的定深取样设备，适用范围广，适用于各种油气、地矿、水文等领域各种深度与环境的多相流体保真取样与环境监测领域。

通过地面控制系统、U型取液管、封隔器系统、I型取气管，多孔管井下液体进样系统、温控系统、自动多通阀门等相连功能模块的技术措施，尤其是地面控制系统与温控系统的连接，有效的控制了取样装置在取样过程中管路内温压条件的稳定，温度在整个取样过程中基本不变，压力在进样时变化不超过ΔP(例如：1MPa)，达到了保真取样的技术效果,解决了深部地层保真取样困难的技术问题。

本发明与现有技术相比，具有以下优点和效果：

本发明在传统深井取样技术的基础上，利用多孔管内多相流体的井下重力分异和亲疏性多孔材料相结合的井下全段多相流体一次统取与地表分离的保真取样方法，区别于现有市场的取样与分离技术(如井下定深取样、取样桶取样、电动泵取样Bailer取样器、密闭过滤网型取样器、Waterloo取样器、旋流式井下油水分离取样器，重力式井下油水分离取样器)能在井下对一定深度范围内的气、油、水等多相混合物进行一次保真取样与分析。具有以下优点和效果：

1.多相取样：能在不同深度单井实现井下多相静置重力分离，包含取样段内的水-油-气等多相体系的同步取样；

2.全段取样：获取取样段(多孔管深度范围)内所有流体样品，避免传统的特定取样深度取单种样品；

3.小扰动样品代表性强：该取样技术基于U型取样管原理，设计上能实现进样压力小扰动，取样全过程的压力过压状况，取样速率与取样量可控(单次样品量为多孔管内容积量)，可对地层多相流体实现小扰动取样，保证了样品的真实代表性同时的存在提高了保证液体的取样量；封隔器系统层间密封，能够保证地下流体混合取样的实时性和定深取样的代表性；

4.结构简单操作方便：结构简单对工作环境无特别要求如不需要特别电源，安装与操作便捷，维护简单；部分驱动流体取样过程中可反复使用，长期监测的高频率取样与成本优于其他类型的定深取样设备；

5.适用范围广：适用于各种油气、地矿、水文等领域各种深度与环境的多相流体保真取样与环境监测领域，可以实现示范与监测场地内的高频率与长期地保真取样。

a)地下能源资源开采领域(如：矿床地浸法开采，二氧化碳驱替增采煤层气CO₂-ECBM、増采原油CO₂-EOR、増采咸水CO₂-EWR、増采页岩气CO₂-ESG，地下流体、溶质迁移与资源成矿机理及演化的科学与工程的系统监测与评估)；

b)地下水动态监测领域(水坝、工厂、采油区等工程区域地下水污染评估、污染源追踪、微生物群落分析、污染土地流转评估等)；

c)地下储库、地质调查等区域工程或质监站的长期监测维护，具有良好的应用前景和商业价值。

附图说明

图1为一种基于钻井的多相流保真取样装置结构示意图。

图2为一种基于钻井的多相流保真取样装置的地面控制系统结构示意图。

图3为一种基于钻井的多相流保真取样装置的温控系统结构示意图。

图4为一种基于钻井的多相流保真取样装置的取样系统结构示意图。

图5为一种基于钻井的多相流保真取样装置的多孔管进样装置。

图6为一种基于钻井的多相流保真取样装置的气体进样系统与多孔管井下液体进样系统结构示意图。

图7为一种基于钻井的多相流保真取样装置的封隔器系统结构示意图。

图8为一种使用原钻井取样技术取样的井下压力随取样时间变化示意图。

图9、图10为一种使用本发明装置技术取样的井下压力随取样时间变化示意图。

其中：

1：地面控制系统；(包含以下部件)

10：压力源；(N₂、Ar、Kr等相对化学惰性的高压气体或低密度液体)

11：第一驱动管；1101：第一液体驱动管；1102：第二液体驱动管；1103：第一气体驱动管；1104：第二气体驱动管；1111：第一液体取样管；1112：第二液体取样管；1113：第三液体取样管；1114：第一气体取样管；

12：流体减压阀；1201：第一液体驱动管阀门；1202：第二液体驱动管阀门；1203：第一气体驱动管阀门；1211：第一液体取样管阀门；1212：第二液体取样管阀门；1214：第一取气管阀门；13：控制面板；(集成压力控制及取样管路、阀门、压力表)

14：加压泵：1401：气体取样容器；(气体取样袋、气体取样瓶等)1402：液体取样容器(塑料取样瓶或者金属取样瓶等)P₀：压力源压力表；(标准压力表)；P₁：液体驱动压力表；(标准压力表)；P₂：液体取样压力表；(标准压力表)；P₃：气体取样压力表；(标准压力表)；

2：U型取液管(包含以下部件)：21：控制管路；22：取样管路；23：液体进样管；231：第一层液体进样管；232：第二层液体进样管；233：第三层液体进样管；20：液体单向阀(耐腐蚀性的弹簧式金属单向阀)。

3：封隔器系统；(气体膨胀式或液压式封隔器)：31：第一封隔器；32：第二封隔器；33：第三封隔器；34：第四封隔器；

4：I型取气管：41：气体控制取样管；411：第一层气体控制取样管；412：第二层气体控制取样管；413：第三层气体控制取样管；42：气体过滤取样器；(过滤非气态流体)；421第一层气体过滤取样器；422第二层气体过滤取样器；423第三层气体过滤取样器；

5：多孔管井下液体进样系统；510上部转接头；520多孔管进样部；51：第一层多孔管进样装置；511：第一层上部转接头；512：第一层多孔管进样部；52：第二层多孔管进样装置；521：第二层上部转接头；522：第二层多孔管进样部；53：第三层多孔管进样装置；531：第三层上部转接头；532：第三层多孔管进样部；

6：温控系统：61：保温层；62：分布式温控元件；63：液体温度传感器；64：气体温度传感器。

7：自动多通阀门。

以上部件材料均可以从市场采购买。

具体实施方式

实例1：

以中联煤长子县CO₂驱替煤层气现场为例(井下液体无油水混合物，所取的气体样品未收集进行相关实验)，所有装置检查完毕后进入排空降压取样流程，一种地层多相混合流体取样方法，其步骤是：

一、打开压力源10释放高压相对惰性类气体，调节流体减压阀12至最大输出压力(一般压力为12Mpa左右，与钻井深度有关)，打开第一液体驱动管阀门1201、第二液体驱动管阀门1202、第一液体取样管阀门1211向U型取液管2内注入高压相对惰性类气体；高压相对惰性类气体离开压力源10经过第一驱动管11、第一液体驱动管1101、第二液体驱动管1102后注入到U型取液管2井下控制管路21、取样管路22中，在高压相对惰性类气体的驱动下U型取液管2内残余的液体样品经过取样管路22、第一液体取样管1111、第三液体取样管1113被排空到地面，并收集部分不含残留液体的高压惰性类气体到液体取样容器1402内待下步使用，待第三液体取样管1113没有水雾水滴等液体样品排出后即可关闭所有阀门完成排空工作。

二、调节流体减压阀12控制压力源10输出压力(一般为7.5Mpa左右)，根据取样地层压力确定，减压阀输出压力略高于地层压力1MPa，先开启加压泵14与第一取气管阀门1214，加压液体取样容器1402中收集的高压相对惰性类气体压力至压力源10输出压力，经过第一气体取样管1114、第二气体驱动管1104，气体控制取样管41脉冲注入到封隔器系统3坐封的目标取样地层中，后关闭加压泵14、第一取气管阀门1214，打开第一气体驱动管阀门1203，压力源10中的高压相对惰性类气体经过第一驱动管11、第一气体驱动管1103、第二气体驱动管1104、气体控制取样管41注入到封隔器系统3坐封的目标取样地层中使地层压力升高(升值与注入的气体压力有关)；观察压力源压力表P₀、气体取样压力表P₃确定读数为稳定值(稳定值比减压阀的输出压力小约0.5MPa左右，压力表配合配套使用的NI系统实现)观察记录取样地层原始压力6.5Mpa左右与实时压力6.0-7.0Mpa，待实时压力与升高至7.0MPa为近似值后即可关闭流体减压阀12、第一气体驱动管阀门1203。

三、打开第一液体取样管阀门1211关闭其他所有阀门，控制释放U型取液管2右部取样管路22内高压相对惰性类气体，使静置平衡后的多相流体样品缓慢进入到U型取液管2内；高压相对惰性类气体经取样管路22、第一液体取样管1111、第三液体取样管1113排出到地面控制系统1内的液体取样容器1402中，待地层加压时通过加压泵14重新注入到取样地层中。前期向封隔器系统3坐封的取样地层内注入的高压相对惰性类气体会提高取样地层压力，加速多孔管井下液体进样系统5进样过程；观察地层压力(6.0-7.0Mpa)(配合NI系统与井下压力传感器)待其降低至原始地层压力值后关闭第一液体取样管阀门1211并留意液体取样压力表P₂压力数据。

四、重复步骤二1次，加压地层后打开第二液体驱动管阀门1202、第二液体取样管阀门1212关闭其他所有阀门，控制释放U型取液管2左部控制管路21内高压相对惰性类气体，使多相流体样品进入到U型取液管2内；高压相对惰性类气体经控制管路21、第二液体驱动管1102、第二液体取样管1112、第三液体取样管1113排出到液体取样容器1402内收集，待地层加压时，通过加压泵14注入到取样地层中重复使用；以此操作进行U型取液管左部控制管路21降压。同时观察地层压力，待其降低至原始压力值后关闭第二液体驱动管阀门1202、第二液体取样管阀门1212，并留意液体驱动压力表P₁压力数据。

五、重复步骤一、步骤二、步骤三各二次(共六次)，(次数与U型取液管内腔总体积有关)彻底排空U型取样高压惰性内气体，观察液体驱动压力表P₁、液体取样压力表P₂，直至其压力数据均为0且第三液体取样管1113无气体排出，即代表U型取液管内部高压相对惰性类气体已排空；U型取液管2降压完毕。U型取液管2降压过程中井下多相流体混合物在多孔管井下液体进样系统5完成静置平衡后的样品通过液体进样管23持续渗入到U型取液管2内；U型取液管2降压进样步骤完成后可以进行下步分离后的多相流体取样工作。

六、打开第二液体取样管阀门1212、第二液体驱动管阀门1202、加压泵14，先加压脉冲注入排空液体取样容器1402内收集的高压相对惰性类气体到U型取液管内，排空后关闭第二液体取样管阀门1212、加压泵14，打开流体减压阀12与第一液体驱动管阀门1201、第一液体取样管阀门1211，注入压力源10内高压相对惰性类气体；调节流体减压阀12输出压力为最大值12MPa，向U型取液管2内注入高压驱动气体抬升进样到U型取液管2内的多相流体样品到地面；高压相对惰性类气体在控制面板13内经过第一驱动管11、第一液体驱动管1101、第二液体驱动管1102进入到U型取液管2内；高压相对惰性类气体通过U型取液管左部控制管路21开始驱替U型取液管2内渗入的通过多孔管井下液体进样系统5静置平衡的多相流体样品；样品经过取样管路22、第一液体取样管1111、第三液体取样管1113到达地面，在第三液体取样管1113进入液体取样容器1402；在地面按照油-水-气(少部分地下气体随液体样品到达地面)的取样顺序完全分离多相流体样品；待取样步骤完成后即可开始向U型取液管2加压填充高压相对惰性类气体提高U型取液管2内压力，恢复其与多孔管井下液体进样系统5之间的压差。

七、第三液体取样管1113没有液体样品出现时关闭第一液体取样管阀门1211，继续向U型取液管2内注入高压相对惰性类气体，待液体驱动压力表P₁、液体取样压力表P₂压力数据与压力源相同时，表明高压相对惰性类气体在U型取液管2内左右两部控制管路21、取样管路22已经完全填充完毕，此时关闭压力源10流体减压阀12与其他所有阀门，并检查有无漏气现象。

八、U型取液管2内加压完毕后，打开第一取气管阀门1214排空释放封隔器系统3坐封的不同深度各目标取样地层内注入的高压相对惰性类气体，降低目标取样地层内的地层压力，开始气体取样工作；目标取样地层中的气体样品以I型取气管注入的高压相对惰性类气体为载体，在降压时一起通过气体控制取样管41、第二气体驱动管1104、第一气体取样管1114到达地面，为了保证安全观察气体取样压力表P₃数据待地层压力，待其降压至安全值后再使用气体取样容器1401收集气体样品；气体样品收集完毕后代表取样步骤已经完成，关闭所有阀门等待多孔管井下液体进样系统5继续静置平衡井下多相流体混合物，待下次周期取样后进行取样作业。

通过上述的具体技术措施，减少了对取样地层的扰动，获得了钻井深部地层的保真样品，同时确保下次取样拥有同样的取样效果。

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。

实施例2：

下面结合图1、图2、图3、图4、图5、图6、图7对本发明作进一步描述：一种用于基于钻井的多相流保真取样装置，它包括地面控制系统1、U型取液管2、封隔器系统3、I型取气管4、多孔管井下液体进样系统5、温控系统6、自动多通阀门7。本发明与现有的U型管气液两相取样装置不同，增加了地面控制系统1与多孔管井下液体进样系统5，其特征在于：地面控制系统1中的压力源10与第一驱动管11、流体减压阀12连接；U型取液管2中的控制管路21分别与取样管路22、地面控制系统1、液体进样管23连接，液体进样管23安装液体单向阀20后与自动多通阀门7连同后穿过封隔器系统3中第一封隔器31、第二封隔器32、第三封隔器33与多孔管井下液体进样系统5连接；封隔器系统3中的第一封隔器31、第二封隔器32、第三封隔器33、第四封隔器34互相并联，I型取气管4中的气体控制取样管41上端连接地面控制系统1，下端穿过封隔器系统3中第一封隔器31、第二封隔器32、第三封隔器33与I型取气管4中的气体过滤取样器42连接。多孔管井下液体进样系统5与气体过滤取样器42通过自动多通阀门7并联，多孔管井下液体进样系统5包括通过自动多通阀门7并联的第一层多孔管进样装置51、第二层多孔管进样装置52、第三层多孔管进样装置53，气体过滤取样器42包括通过自动多通阀门7并联的第一层气体过滤取样器421、第二层气体过滤取样器422、第三层气体过滤取样器423，多孔管井下液体进样系统5与气体过滤取样器42依次放置在第一封隔器31、第二封隔器32、第三封隔器33、第四封隔器34坐封的不同深度独立取样层位中，温控系统6中的液体温度传感器63、气体温度传感器64分别与U型取液管2的取样管路22和I型取气管4的气体控制取样管41相连(紧贴)。所述的多孔管井下液体进样系统5包含第一层多孔管进样装置51、第二层多孔管进样装置52、第三层多孔管进样装置53，第一层多孔管进样装置51包括上下连接的第一层上部转接头511、第一层多孔管进样部512，第二层多孔管进样装置52包括上下连接的第二层上部转接头521、第二层多孔管进样部522，第三层多孔管进样装置53包括上下连接第三层上部转接头531、第三层多孔管进样部532。

各另部件功能及连接方式具体描述如下：

根据图1可知，U型取液管2包括控制管路21、取样管路22、下部安装液体单向阀20的液体进样管23；液体进样管23还包括通过自动多通阀门7连接的第一层液体进样管231、第二层液体进样管232、第三层液体进样管233等；控制管路21、取样管路22为U型取液管2的U型部是静置沉积的多相流体样品储存单元，也是高压低密度驱动流体的主要流动场所。其特征在于：控制管路21与取样管路22与地面控制系统1连接，由地面控制系统1控制U型取液管2内流体压力、流速、取样进程，U型取液管2下部液体进样管23为目标取样层位地下流体进入U型取液管2内的唯一通道管路上安装有液体单向阀20防止液体层间串流，液体单向阀20流体流通方向为从下至上，液体进样管23穿过封隔器系统3与多孔管井下液体进样系统(5)连接。

根据图2可知，地面控制系统1包括压力源10、第一驱动管11、流体减压阀12、控制面板13、加压泵14，压力源10使用高压的低密度惰性类气体容器(如N₂、Ar、Kr等)，其特征在于：压力源10与第一驱动管11连接，在第一驱动管11上装有流体减压阀12，第一驱动管11与控制面板13连接；第一驱动管11在控制面板13内分别连接压力源压力表P₀、第一液体驱动管1101、第一气体驱动管1103，驱动管路与控制面板均为耐腐蚀材质制成。第一驱动管11为总驱动管路，通过连接各分支驱动管路驱动U型取液管2与I型取气管4的保真取样；第一气体驱动管1103安装第一气体驱动管阀门1203后末端分别与安装有气体取样压力表P₃的第二气体驱动管1104、安装有第一取气管阀门1214的第一气体取样管1114连接；第一气体驱动管1103、第一气体取样管1114与其上的阀门等组件作用为：控制取样过程中I型取气管4在取样时加压协助进样或是降压协助流体取样的进程；第二气体驱动管1104连接I型取气管4中的气体控制取样管41。气体控制取样管41的作用：在取样过程中对封隔器系统3坐封的取样地层输送或排放高压相对惰性类气体(N₂、Ar、Kr等)，控制地层压力，协助U型取液管的液体取样并直接进行气体取样；第一气体取样管1114末端连通加压泵后14与气体取样容器1401、液体取样容器1402，加压泵14与连接的取样容器作用为：在有需要时连通第三液体取样管、第一气体取样管1114与体取样容器1401、液体取样容器1402四者，在液体进样工作时，液体取样容器1402定容收集U型取液管2内排空释放的高压惰性类气体，并在地层加压时将收集的气体经加压泵14返注到取样地层中重复使用，液体取样时也可提供收集的高压惰性类气体返注到U型取液管2内为部分驱动力，直至液体取样结束时以气体取样容器1401收集以高压惰性类气体为载体的气体样品，最后进行气体取样；第一液体驱动管1101安装有第一液体驱动管阀门1201，其末端在取样过程中对U型取液管2内输送与排放与高压相对惰性类的驱动气体，第一液体驱动管1101分别与安装有第二液体驱动管阀门1202、液体驱动压力表P₁的第二液体驱动管1102，安装有第二液体取样管阀门1212的第二液体取样管1112连接；第二液体驱动管1102通过其安装的阀门与压力表控制U型取液管2内降压排空与加压取样时驱动流体的压力与流速；第二液体驱动管1102和第二液体取样管1112相配合，控制与第二液体驱动管1102末端连接的U型取液管2左部控制管路21进样降压时，管内驱动流体的压力与流速；安装第二液体取样管阀门1212的第二液体取样管1112左端分别连接安装有第一液体驱动管阀门1201的第一液体驱动管1101，安装有第二液体驱动管阀门1202、液体驱动压力表P₁的第二液体驱动管1102；第二液体取样管1112右端分别连接安装有第一液体取样管阀门1211、液体取样压力表P₂的第一液体取样管1111与第三液体取样管1113；第一液体取样管1111、第三液体取样管1113与其安装的阀门与压力表，功能上控制U型取液管2内降压进样时管内高压驱动流体的排空与取样时液体的出样工作；第三液体取样管1113末端连通加压泵14与液体取样容器1402、第一气体取样管1114连接；液体取样容器1402定容收集与第一液体取样管1111末端连接的U型取液管2内降压进样时排出释放的高压类惰性气体，并在地层加压时通过加压泵14与第一气体取样管1114返注到取样地层中，在液体取样时通过加压泵14与第三液体取样管1113、第二液体取样管1112返注到U型取液管2中驱动取样重复使用，并在液体取样时按顺序定容收集经多孔管井下液体进样系统5渗入到U型取液管2的静置平衡的多相流体样品；地面控制系统1为控制取样时U型取液管2与I型取气管4的取样压力流速控制主设施；压力源10在不对样品物性分析影响接受范围内亦可使用其他高压低密度流体为驱动力(驱动压力100MPa以上)驱动管取样管管路使用耐腐蚀直径为1/8的316L不锈钢管材料，控制面板13与阀门、压力表等部件由于在地面材料选择标准在不影响正常的工作性能前提下可以适当放宽(手动控制阀与自动控制阀均可)。

根据图7可知，封隔器系统3包括并联在钻井内部的第一封隔器31、第二封隔器32、第三封隔器33、第四封隔器34等(可根据需求继续并联)；其特征在于：封隔器系统3中的第一封隔器31、第二封隔器32、第三封隔器33、第四封隔器34并联，取样时封隔器系统3坐封于井下使不同深度的目标取样层位形成相对稳定的密闭环境，封隔器的选取可分层串连的产品如：的Y241、Y341等地矿石油部门标准产品封隔器。

根据图6可知，多孔管井下液体进样系统5包括通过自动多通阀门7并联的第一层多孔管进样装置51、第二层多孔管进样装置52、第三层多孔管进样装置53；其特征在于：所述的多孔管井下液体进样系统5中第一层多孔管进样装置51、第二层多孔管进样装置52、第三层多孔管进样装置53中放置于被第一封隔器31、第二封隔器32、第三封隔器、33第四封隔器34坐封的不同深度独立取样层位中。多孔管进样装置分为上下连通的上部转接头510与多孔管进样部520；上部转接头510包括第一层上部转接头511、第二层上部转接头521、第三层上部转接头531；多孔管进样部520包括第一层多孔管进样部512、第二层多孔管进样部522、第三层多孔管进样部532；上部转接头510上端通过液体进样管23连接自动多通阀门7，下端连接多孔管进样部520，其中第一层液体进样管231上端连接自动多通阀门7，下端穿过第一封隔器31与第一层上部转接头511连接，第一层上部转接头511下端连接第一层多孔管进样部512；第二层液体进样管232上端连接自动多通阀门7，下端穿过第一封隔器31、第二封隔器32、与第二层上部转接头521连接，第二层上部转接头521下端连接第二层多孔管进样部522；第三层液体进样管233，上端连接自动多通阀门7，下端穿过第一封隔器31、第二封隔器32、第三封隔器33与第三层上部转接头531连接，第三层上部转接头531连接下端连接第三层多孔管进样部532，多孔管井下液体进样系统5是U型取液管2的进样系统与井下多相流体进样分离场所；取样目标地层井下静置分离后的多相流体由连通液体进样管23与自动多通阀门7进入到U型取液管2中。与上部转接头510相连的多孔管进样部520是由多孔材料制成的主要进样设备,，整体为圆筒状下部开口，井下杂质较多时可在开口处安装高渗透滤芯防止管路堵塞，多相流体进样通过下部开口与多孔管管壁进入多孔管内腔中，多孔材料具有特殊的表明湿润性和亲和性在井下能对进入多孔管内腔的多相混合流体进行筛选。在本实例中选取具有疏水亲油性的多孔材料(多孔金属、多孔陶瓷、多孔塑料等)，具有疏水亲油性的多孔管进样系统在井下让多相流体中油通过管壁而阻止水通过，筛选出的油与下部进样口中流入多孔管进样装置中多相流体的油，在管体内腔上部静置沉积达到平衡后完成分离与进样。

根据图6可知，I型取气管4：包括由上下相连的气体控制取样管41与气体过滤取样器42组成；气体控制取样管41还包括通过自动多通阀门7并联的第一层气体控制取样管411、第二层气体控制取样管412、第三层气体控制取样管413，气体过滤取样器42包括第一层气体过滤取样器421、第二层气体过滤取样器422、第三层气体过滤取样器423。其特征在于：气体控制取样管41上端连接地面控制系统1，下端穿过封隔器系统3中第一封隔器31、第二封隔器、第三封隔器坐封的不同深度的取样地层中与气体过滤取样器42连接；其中第一层气体控制取样管411上端连接自动多通阀门7，下端穿过第一封隔器31与第一层气体过滤取样器连接；第二层气体控制取样管412上端连接自动多通阀门7，下端穿过第一封隔器31、第二封隔器32与第二层气体过滤取样器422连接；第三层气体控制取样管413上端连接自动多通阀门7，下端穿过第一封隔器31、第二封隔器32、第三封隔器33与第三层气体过滤取样器423连接。气体过滤取样器42能过滤杂质，防止固体悬浮物或颗粒淤堵取样管，气体取样方法以高压低密度流体先注入到目标取样层位中加压协助U型取液管2液体取样，待液体取样完毕后对取样地层降压释放之前注入的流体，气体样品以高压低密度流体为载体在降压释放时一起到达地面。

根据图3可知，温控系统6中保温层61包裹控制管路21、取样管路22、气体控制取样管41、分布式温控元件62、液体温度传感器63、气体温度传感器64，其中分布式温控元件62与控制管路21、取样管路22、气体控制取样管41相连，液体温度传感器63、气体温度传感器64分别与取样管路22和气体控制取样管41相连。温控系统6的分布式温控元件62采用分布式温控方式，一般地层的温度相对地表温度较高，温度控制主要采用加热，加热元件可以采用分布式电阻丝、水浴管路等加热装置，加热部件均为常规元件，市面上有售。若分布式温控元件起制冷作用，可采用水浴管路等控制U型取液管2中控制管路21和取样管路22与I型取气管4中气体控制取样管41内流体的温度。保温层61采用低导热率的橡胶或塑料构成。温控系统6中的液体温度传感器63、气体温度传感器64分别与取样管路22和气体控制取样管41相连(紧贴)。传感器与U型取液管2控制管路21、取样管路22和I型取气管4气体控制取样管41之间最好涂导热硅胶或其他软接触材料，保证温度传感器的感知的温度与压力容器内的流体温度一致，温度传感器可采用点式温度传感器或分布式传感、FBG光栅传感、光纤传感器、电阻式传感器等，推荐使用光纤光栅温度传感器，可不用电缆、提高传感器数量，提高温度控制精度。

外部控制器根据温度传感器数据控制分布式温控元件进行温度调整，控制方法参照标准温控方法，外部温度控制部件采用标准产品，例如：温度控制器、NI(NationalInstruments)的Labview软件控制和德州仪器的逻辑运算+电加热或制冷器提供热能或冷能；

自动多通阀门：自动多通阀门7为电路控制的多通连接阀门，其主要作用是让不同的液体进样管23、气体控制取样管41对接封隔器系统3坐封的取样地层中任意的多孔管井下液体进样系统5、气体取样过滤器42；自动多通阀门7需要连接的液体多孔管进样装置5与气体进样过滤器42数量较多使用上可以使用多个阀门串联配合使用，产品选择时应使用地矿、石油、天然气部门的标准产品。

通过上述的具体技术措施，使各个发明装置子系统有效的结合在一起，保障了取样装置的顺利运转。有关实验效果情况(请见表1，请见表2)，表1为使用本发明装置技术取样的水样的雷磁测定参数，表2为使用本发明装置技术取样的水样的滴定实验数据。

样品编号	PH	ORP(mv)	电导率(us/cm)	溶解氧(mg/L)	温度(℃)
						1	10.69	-128.3	1349	16.01	22.2
2	10.72	-111.3	1332	29.13	22.1
						3	10.73	-115.9	1404	21.56	22.3
4	10.7	-149.3	1419	24.01	22.1
						5	10.93	-113.1	1297	25.58	22.4
6	10.73	-109.1	1361	24.42	22.3
						7	10.25	-46.8	1310	2.59	29.5
8	10.36	-97.6	1377	0.38	29.7
						9	10.57	-78.8	1374	6.01	29.5
10	10.89	-238.4	1432	2.3	18.5
						11	11.02	-326.2	1156	0.36	18.7
12	11.26	-254.8	1232	0.46	18.2
						13	11.02	-283.6	1363	0.46	18.7

表1

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表2

实施例3：

如图8、图9、图10在1000m深度的钻井(地下温度约30℃)中使用原来的取样方法与本发明装置与取样方法取样，地下流体在取样过程中压力的稳定性有了大幅提升，验证了本方面装置对取样过程流体外部条件的有效控制性。其实施步骤与实施例1相同。

Claims (7)

1.一种钻井多相混合流体取样方法，其步骤是：

1)取样前依次开启流体减压阀(12)、第一液体驱动管阀门(1201)、第二液体驱动管阀门(1202)、第一液体取样管阀门(1211)，释放压力源(10)内的高压驱动流体注入到U型取液管(2)中；驱动管内上次取样残留的液体样品，进行排空环节收集部分不含残留液体的高压驱动流体到液体取样容器(1402)中，待残留样品排空完毕且高压驱动流体填充满U型取液管(2)后，依次关闭所有阀门结束排空环节；

2)先打开第一取气管阀门(1214)与加压泵（14），通过I型取气管(4)向取样地层注入加压后液体取样容器(1402)内收集的高压驱动流体，后关闭第一取气管阀门(1214)与加压泵(14)打开流体减压阀(12)、第一气体驱动管阀门(1203)，通过I型取气管(4)进行地层加压环节，向取样地层注入压力源(10)高压驱动流体提高取样时的地层压力至最高取样压力，提升完地层压力后即可关闭流体减压阀(12)、第一气体驱动管阀门(1203)；

3)打开第一液体取样管阀门(1211)关闭其他所有阀门，控制释放U型取液管(2)内的高压驱动流体到液体取样容器(1402)中，使取样地层多相流体进入到U型取液管(2)内，进行U型取液管(2)右部取样管路(22)降压，开始U型取液管(2)的进样环节，待地层压力下降至最低取样压力，重复地层加压环节，加压至最高取样压力结束U型取液管(2)右部降压工作，对U型取液管(2)左部控制管路(21)降压，并再次使用液体取样容器(1402)收集排放的高压驱动流体，待地层压力下降时结束U型取液管(2)左部降压，3－6次重复地层加压环节，让地层地层压力稳定在最高取样压力与最低取样压力之间，直至U型取液管(2)内的高压驱动流体排空，结束进样环节并关闭其他所有阀门；

4)先打开第二液体驱动管阀门(1202)、第二液体取样管阀门(1212)、加压泵(14)，向U型取液管(2)完全排空注入加压后液体取样容器(1402)内高压驱动流体，后关闭第二液体取样管阀门(1212)、加压泵(14)、打开流体减压阀(12)、第一液体驱动管阀门(1201)、第一液体取样管阀门(1211)，开始进行取样环节，向U型取液管(2)注入压力源(10)内高压驱动流体，驱动U型取液管(2)内多相流体样品到达地面，在地面进行多相分离与物性分析，对分离后的样品进行取样，取样的总量与多孔管的体积相等，多孔管孔径适中侧壁外多相流不会在取样过程中快速渗透进入多孔管内增加部分流体的比例，取样为全段取样，取样过程中U型取液管(2)中的驱动流体压力与取样量由地面控制系统(1)控制，待流体排空后，关闭所有阀门锁住管内高压驱动流体，并检查管路有无漏气；

5)打开第一取气管阀门(1214)，释放管内高压相对惰性低密度流体，取样地层地下气体样品以注入地层的高压低密度流体为载体通过I型取气管一起到达地面的气体取样装置中；

6)取样完毕后，通过地面控制系统(1)向U型取液管(2)内注入高压低密度驱动流体填充满U型取液管(2)后，关闭所有阀门检查取样装置，保持压力直到下个取样周期。

2.利用权利要求1所述的一种钻井多相混合流体取样方法的装置，它包括地面控制系统(1)、U型取液管(2)、封隔器系统(3)、I型取气管(4)、多孔管井下液体进样系统(5)、温控系统(6)、自动多通阀门(7)，其特征在于：地面控制系统(1)中的压力源(10)通过第一驱动管(11)连接控制面板(13)，U型取液管(2)中的控制管路(21)、取样管路(22)、液体进样管(23)末端互相连接，液体进样管(23)还包括第一层液体进样管(231)、第二层液体进样管(232)、第三层液体进样管(233)，控制管路(21)、取样管路(22)上端与地面控制系统(1)下端与液体进样管(23)连接，液体进样管(23)安装液体单向阀(20)连通自动多通阀门(7)后，穿过封隔器系统(3)与多孔管井下液体进样系统(5)连接，I型取气管(4)中的气体控制取样管(41)上端连接地面控制系统(1),下端连通自动多通阀门(7)后，穿过封隔器系统(3)与I型取气管(4)中的气体过滤取样器(42)连接，气体过滤取样器(42)中第一层气体过滤取样器(421)、第二层气体过滤取样器(422)、第三层气体过滤取样器(423)，分别与多孔管井下液体进样系统(5)中第一层多孔管进样装置(51)、第二层多孔管进样装置(52)、第三层多孔管进样装置(53)彼此通过自动多通阀门(7)并联，依次放置在第一封隔器(31)、第二封隔器(32)、第三封隔器(33)、第四封隔器(34)坐封的不同深度独立取样层位中，温控系统(6)中的液体温度传感器(63)、气体温度传感器(64)分别与U型取液管(2)的取样管路(22)和I型取气管(4)的气体控制取样管(41)相连，所述的多孔管井下液体进样系统(5)包含通过自动多通阀门(7)并联的第一层多孔管进样装置(51)、第二层多孔管进样装置(52)、第三层多孔管进样装置(53)，第一层多孔管进样装置(51)包括上下连接的第一层上部转接头(511)、第一层多孔管进样部(512)，第二层多孔管进样装置(52)包括上下连接的第二层上部转接头(521)、第二层多孔管进样部(522)，第三层多孔管进样装置(53)包括上下连接的第三层上部转接头(531)、第三层多孔管进样部(532)。

3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于：所述的地面控制系统(1)包括压力源(10)、第一驱动管(11)、流体减压阀(12)、控制面板(13)、加压泵(14)；压力源(10)与第一驱动管(11)连接，在第一驱动管(11)上装有流体减压阀(12)，第一驱动管(11)与控制面板(13)连接；第一驱动管(11)在控制面板(13)内分别连接压力源压力表(P₀)、第一液体驱动管(1101)、第一气体驱动管(1103)，第一气体驱动管(1103)安装第一气体驱动管阀门(1203)后末端分别与安装有气体取样压力表(P₃)的第二气体驱动管(1104)、安装第一取气管阀门(1214)的第一气体取样管(1114)连接；第二气体驱动管(1104)连接I型取气管(4)中的气体控制取样管(41)，第一气体取样管(1114)末端连通加压泵(14)后与气体取样容器(1401)、液体取样容器(1402)连接；第一液体驱动管(1101)安装有第一液体驱动管阀门(1201)，第一液体驱动管(1101)分别与安装第二液体驱动管阀门(1202)、液体驱动压力表(P₁)的第二液体驱动管(1102)与安装第二液体取样管阀门(1212)的第二液体取样管(1112)连接，第二液体驱动管(1102)末端连接U型取液管(2)控制管路(21)；安装第二液体取样管阀门(1212)的第二液体取样管(1112)左端分别连接安装第一液体驱动管阀门(1201)的第一液体驱动管(1101)与安装第二液体驱动管阀门(1202)、液体驱动压力表(P₁)的第二液体驱动管(1102)；第二液体取样管(1112)右端分别连接安装第一液体取样管阀门(1211)、液体取样压力表(P₂)的第一液体取样管(1111)与第三液体取样管(1113)；第三液体取样管(1113)末端连通加压泵(14)后与液体取样容器(1402)、气体取样容器(1401)连接；液体取样容器(1402)定容收集与第一液体取样管(1111)末端连接的U型取液管(2)内排空泄压的高压驱动流体与通过多孔管井下液体进样系统(5)进样的流体样品。

4.根据权利要求2所述的装置，其特征在于：所述的封隔器系统(3)中第一封隔器(31)、第二封隔器(32)、第三封隔器(33)、第四封隔器(34)彼此并联。

5.根据权利要求2所述的装置，其特征在于：所述的多孔管井下液体进样系统(5)中第一层多孔管进样装置(51)、第二层多孔管进样装置(52)、第三层多孔管进样装置(53)放置于被第一封隔器(31)、第二封隔器(32)、第三封隔器(33)、第四封隔器(34)坐封的不同深度独立取样层位中，并通过自动多通阀门(7)并联，多孔管进样装置分为上下连通的上部转接头(510)与多孔管进样部(520)；上部转接头(510)包括第一层上部转接头(511)、第二层上部转接头(521)、第三层上部转接头(531)；多孔管进样部(520)包括第一层多孔管进样部(512)、第二层多孔管进样部(522)、第三层多孔管进样部(532)，其中第一层上部转接头(511)上端连接第一层液体进样管(231)穿过第一封隔器(31)与自动多通阀门(7)连接，下端与第一层多孔管进样部(512)连接；第二层上部转接头(521)上端连接第二层液体进样管(232)穿过第二封隔器(32)、第一封隔器(31)与自动多通阀门(7)连接，下端与第二层多孔管进样部(522)连接；第三层上部转接头(531)上端连接第三层液体进样管(233)穿过第三封隔器(33)、第二封隔器(32)、第一封隔器(31)与自动多通阀门(7)连接，下端与第三层多孔管进样部(532)连接；多孔管进样部(520)通过表面亲疏性筛选进入多孔管内腔的流体种类，增加或减少所需取样流体含量，多相流体在多孔管进样部(520)井下静置平衡后由与上部转接头(510)连通的液体进样管(23)与自动多通阀门(7)进入到U型取液管(2)中。

6.根据权利要求2所述的装置，其特征在于：所述的I型取气管(4)由上下相连的气体控制取样管(41)与气体过滤取样器(42)组成；气体控制取样管(41)包括通过自动多通阀门(7)并联的第一层控制取样管(411)、第二层控制取样管(412)、第三层控制取样管(413)，气体过滤取样器(42)包括第一层气体过滤取样器(421)、第二层气体过滤取样器(422)、第三层气体过滤取样器(423)，气体控制取样管(41)上端连接地面控制系统(1)，下端穿过封隔器系统(3)坐封的不同深度的取样地层中的气体过滤取样器(42)连接。

7.根据权利要求2所述的装置，其特征在于：所述的温控系统(6)中保温层(61)包裹控制管路(21)、取样管路(22)、气体控制取样管(41)、分布式温控元件(62)、液体温度传感器(63)、气体温度传感器(64)，其中分布式温控元件(62)与控制管路(21)、取样管路(22)、气体控制取样管(41)相连，液体温度传感器(63)、气体温度传感器(64)分别与取样管路(22)和气体控制取样管(41)相连。