CN1374511A - 带有死容积冲洗的样品室 - Google Patents

Abstract

一种用在井下工具内的样品模式单元,包含一接收和储存已增压流体的样品室。一活塞可滑动地设置在室内,限定了一个样品空腔和一缓冲空腔,这些空腔具有由活塞运动决定的可变化的容积。所设置的第一流送管穿过样品模式单元连通从地下地层中得到的流体。第二流送管将第一流送管连接到样品空腔,以及,第三流送管将样品空腔连接到第一流送管和出口中的一个上。第一阀设置在第二流送管内,以控制从第一流送管到样品空腔的流体的流量,以及,第二阀设置在第三流送管内,用于控制流出样品空腔的流体的流量,因此,利用在第一流送管和第一、第二阀内的地层流体可以将在样品空腔内预先加载的流体冲洗掉。这一冲洗过程增大了获得无污染样品的可能性。

Description

带有死容积冲洗的样品室

本发明的背景技术

1.本发明的技术领域

本发明涉及地层流体取样，更确切地讲是涉及改善地层流体取样的模式单元，其目的是将高质量的地层液体样品引导到地面以便分析之用，实现这一目的时，有一部分是通过消除存在于样品室和密封探测模式单元内的样品室的阀之间的“死容积”实现的。

2.现有技术

石油公司早已认为提取井下地层流体样品进行化学和物理分析是他们的愿望，这种取样方法已经由本发明的受让与人(Schlumberger)使用多年。对于地层流体的样品例如公知的水库中的水而言，通常应该尽可能早的在进行分析的容器的使用期内、在其表面上进行收集，更确切地讲应该在特别指定的实验室内进行。这种分析所提供的信息，除了在水库容量和质量的评估中具有重要性外，在含烃水库的计划和发展中也是及其重要的。

井内取样的工作过程涉及到将例如由Schlumberger拥有和提供的MDT^TM地层检测工具的取样工具下降到井内，通过取样工具的探测件和井壁之间的接合收集地层流体的一个样品或者多个样品。取样工具在横跨该接合部上产生一个压差，该压差引导地层流体流入在取样工具内的一个或者多个样品室内。该工艺以及类似的工艺过程在美国专利US4,860,581；US4,936,139(两个专利都授予Schlumberger)；US5,303,775；US5,377,755(两个专利都授予Western Atlas)；以及5,934,374(该专利授予Halliburton)中已说明。

在“样品模式单元”内包含至少一个、通常是多个样品室，它们带有相连的阀系和流送管连接件，这种要求的结构是公知的，而且这一技术已经特别有优势地应用在Schlumberger的MDT工具中。目前，Schlumberger有几种型式的这种样品模式单元和样品室，每种型式在某个条件下都具有其优势。

“死容积”是指在样品室的样品空腔入口处的密封阀和样品空腔本身之间存在的容积的惯用语。在工作中，该容积与一个样品室或者多个样品室内的流动系统的其余部分一起，充满液体、气体或者真空(通常是低于大气压力的空气)，尽管这种真空状态在很多情况下是不希望发生的，这是因为当密封阀被打开时会提供一个大的压降。因此，现在提取的很多高质量的样品，是利用其死容积几乎总是充满通常是水的流体的“低振动”技术实现的。总之，无论用什么充满该死容积，都会在收集样品时将其冲入和收集到地层流体样品内，因而污染该样品。

这一问题如图1所示，该图表示出样品室10通过第二管路14与流送管12连接。从流送管12流到第二管路14内的流体，由手动截止阀18和表面控制密封阀16控制。在包含样品室10的工具下降到井孔(图1中未视出)内部之前，手动截止阀18在其表面处通常是打开的；而后，在包含样品室10的工具从井孔取出之后，手动截止阀在其表面处关闭而确定地密封住收集的流体样品。因此，使地层流体从流送管12进入样品室10的操作，实际上通过从穿过作为现有技术已知“电缆”的铠装电缆的表面传送的电信号命令，利用打开和关闭密封阀16进行控制的。这种样品流体收集的问题在于：死容积流体DV随着通过流送管12输送的地层流体被收集到样品室10内，因此，会污染流体样品。到目前为止，还没有发现有样品室或者模式单元能够克服由于死容积内流体收集在一个流体样品内而引起的污染问题。

为了克服这一缺陷，本发明的主要目的是提供一种将高质量的地层流体样品带到用于分析的表面的装置和方法。

本发明的再一个目的是提供一种在将流体样品收集到样品模式单元的样品室内之前，从样品模式单元冲洗死容积流体的方法和装置。

本发明的再一个目的是利用一种可控制的流动地连接到样品模式单元的样品空腔的入口和出口，以实现死容积冲洗。

本发明的技术方案

上述目的以及其它目的和特点可以通过一种用于适于插入地下井内以从中得到流体样品的的工具的样品模式单元实现。该样品模式单元包含：一样品室，用于接收和存储增压流体；一活塞，可滑动地设置在所说样品室内，限定出一个样品空腔和一缓冲空腔，这些空腔由活塞的运动决定其具有的不同容积；一第一流送管，用于输导通过样品模式单元从地下地层中得到的流体；一第二流送管，将第一流送管连接到样品空腔；一第三流送管，将样品空腔连接到第一流送管或者出口上；一第一阀，设置在第二流送管内，用于控制从第一流送管到样品空腔的流体的流量；以及一第二阀，设置在第三流送管内，用于控制流出样品室的流体的流量，因此，利用在第一流送管和所说第一和第二阀内的地层流体，可以将任何预先加载到样品空腔内的流体冲洗掉。

在本发明的特殊实施例中，样品模式单元还包含一设置在第一流送管内的第三阀，用于控制流入第二流送管的流体的流量。本实施例的第二流送管与第三阀上游的第一流送管连接。第三流送管与样品空腔和第一流送管连接，后者的连接点在第三阀的下游。

在某一实施例中，本发明还可以装配有第四流送管，其连接到样品室的缓冲空腔，以使缓冲流体流入和排出缓冲空腔。第四流送管还与第一流送管连接，从而在样品空腔内收集的流体样品使缓冲流体从缓冲空腔排出，经过所说第四流送管进入第一流送管。

在本发明的一些实施例中，第五流送管与第四流送管和第一流送管连接，后者的连接点在第一和第二流送管的连接点的上游，第五流送管对缓冲流体进行控制，产生一个横跨活塞的压差，以便有选择地将流体样品抽入样品空腔内。因此，第四和第五流送管使缓冲空腔与在第三阀上游和下游的第一流送管连接。当本发明装配有第四和第五流送管时，无论缓冲流体是与第三阀上游的第一流送管连通，还是与第三阀下游的第一流送管连通，手动阀最好都固定在这些流送管内，选择成沿井身向上的方式。

本发明还限定了一种从由井孔穿透的地下地层获得流体的装置，包含：一探测组件，当将装置安装在井孔内时，建立起装置和地层之间的流通关系；一泵组件，用于通过探测组件从地层抽取流体到装置中。设置一样品模式单元用于收集由泵组件从地层中抽取的地层流体的样品。该样品模式单元包含：一室，用于收集和存储流体；一活塞，可滑动地设置在所说室内，限定了一个样品空腔和一个缓冲/加压空腔，这些空腔具有由活塞运动限定的可变化的容积。一与泵组件流体连通的第一流送管通过样品模式单元连通从地层得到的流体。一第二流送管将第一流送管连接到样品空腔，以及一第三流送管将样品空腔连接到第一流送管和出口中的一个上。一第一阀，设置在第二流送管内，用于控制从第一流送管到样品空腔的流体的流量；以及一第二阀设置在第三流送管内，用于控制流出样品空腔的流体的流量。以这种方式，利用地层流体和第一以及第二阀，可以将任何预先加载到样品空腔内的流体冲洗掉。

本发明装置的一个特殊实施例还包含一个增压系统，用于填充缓冲/增压空腔，从而通过浮动活塞控制收集在样品空腔内的样品流体的压力。增压系统最好包含一个设定在使流体与样品室的缓冲/增压空腔连通的增压流送管内的阀。该阀可以在关闭缓冲/增压空腔的位置和打开缓冲/增压空腔的位置之间移动，到达其压力比传送到样品空腔的地层流体的压力大的流体源。

在本实施例的一个应用中，增压系统在从地层收集样品过程中，控制收集在样品空腔内的样品流体的压力，并且增压系统利用井内流体达到该目的。

在本实施例的另一个应用中，增压系统在将装置从井孔收到地面的过程中，控制在收集空腔内收集的样品流体的压力，增压系统利用由装置上安装的惰性气源达到该目的。

本发明的装置最好是一个电缆传导的地层检测工具，尽管本发明的优势还在于可以使用随钻测井(LWD)工具，例如钻杆组承担的地层检测。

本发明还提供一种从由井孔穿透的地下地层获得流体的方法，该方法包含的步骤有：将地层检测装置定位在井孔内；以及建立装置和地层之间的流体连通。一旦建立起流体连通关系，就可以将流体从地层引入装置。然后，就可以将地层流体样品传送到装置上装配的样品室的样品空腔，至少使传送的地层流体一部分流过样品空腔，冲洗掉至少一部分、最好是全部预先充入样品空腔的流体(典型的是水)。在该冲洗步骤之后，将一个地层流体样品收集在样品空腔内。在一些情况下，在地层流体样品收集之后，将装置从井孔取出装置，使收集的样品或者是多样品模式单元、多个样品复原。

在本发明的特定实施例的方法中，冲洗步骤是随着流送管导入和引出样品空腔完成的，每个流送管都装配有从地面接收命令、控制流体流动的密封阀。流体预先加载到样品空腔以及样品空腔和控制开口的密封阀之间的流送管内，该预先加载的流体可以直接被冲到井孔内或者可以被冲入在装置内的初始流送管内，以便用于后面的其它模式单元或者最后排到井孔内。

优选的是，本发明的方法还包含在将装置从井孔内取出时，使收集在样品空腔内的样品保持在单一相位状态(single phase condition)下的步骤。

本发明优选的方法是样品室包含一个可滑动定位在其中的浮动活塞，从而限定出样品空腔和缓冲/增压空腔，其中，这一结构使缓冲/增压空腔被加载，以控制样品空腔内样品的压力。

在一个应用中，用缓冲流体充入缓冲/增压空腔。在该应用中，当地层流体被传输和收集到样品空腔内时，通过活塞的运动，将缓冲流体从缓冲/增压空腔排出。在本发明优选实施例的方法中，排出的缓冲流体传输到装置内的初始流送管，以便后面的其它模式单元使用或者最后排到井孔内。

流体从地层流入装置的操作是通过使一探测组件与地层壁接合以及泵送组件与探测组件流体连通而实现的，两个组件都在装置内。在特定实施例中，泵组件流动地连接在探测组件和样品空腔之间，因此，泵组件通过探测组件抽取地层流体并将地层流体传送到样品空腔。

在其它实施例中样品室包含一可滑动地安装在其中的浮动活塞，从而限定了样品空腔和缓冲/增压空腔，缓冲/增压空腔可以用缓冲流体预加载，泵组件流动地连接在缓冲/增压空腔和装置内的流送管之间。以这种方式，该装置从缓冲/增压空腔抽取缓冲流体，产生横跨活塞的压差，因而将地层流体抽到样品空腔内。

本发明提供的另一种方法是：通过使样品模式单元的缓冲空腔通过初始流送管连接到另一个空腔或者模式单元，引导地层流体进入样品室，其中另一个空腔或者模式单元保持在低于地层压力(通常是大气压力)下。

附图说明

通过参照附图说明的优选实施例，可以更清楚地理解实现本发明上述特点、优点和目的方法。

但是，必须注意到，附图所表示的仅是本发明的典型实施例，不是用来限制本发明的范围，因此，本发明还可以有其它的等效实施例。

在图中：

图1是说明死容积污染问题的现有技术中的样品模式单元的简化示意图；

图2和3是表示现有技术中地层检测装置以及其各种模式单元元件的示意图；

图4A-D是说明本发明中含有死容积冲洗的样品模式单元的顺序示意图；

图5A-B是说明本发明中具有相反流动方向的样品模式单元的示意图；

图6A-D是说明本发明样品模式单元的顺序示意图，其中，当一个样品被收集到样品室内时，就将缓冲流体排入最初流送管的后面；

图7A-D是说明本发明中样品模式单元的顺序示意图，其中，利用一泵来抽出缓冲流体，从而引导地层流体进入样品室内；以及

图8A-D是装配有一充气模式单元的本发明的样品模式单元的顺序示意图。

具体实施方式

现在看图2和3所示的现有技术中装有在使用中具有优势的本发明优选装置的示意性视图。尽管整体工具也是有用的，图2和3所示的装置A最好是模式单元结构。装置A是一种井下工具，该工具可以下降到井(未视出)内，利用一根导线(未视出)实现传导地层特性检测的目的。目前这种工具的优选实施例是MDT(商标是Schlumberger)工具。为了达到清楚的目的，与工具A连接的导线以及电源和相互连接的电子设备都没有表示出来。电源和贯通工具整个长度延伸的连线通常用8表示。这些电源和连接元件是本领域技术人员公知的并且早已在商业上供应。这种型式的控制设备通常安装在工具的最上端，该最上端邻近与工具相连的电缆，电缆利用遍布工具通到各种元件的电线与工具连接。

如图2所示的实施例，装置A带有一个液压动力模式单元C、一打包模式单元P和一探测模式单元E。所表示的探测模式单元E带有一个可用作渗透性试验或者液体取样的探测组件10。当根据已知技术利用工具确定非均质渗透性和垂直容器结构时，如图2所示，在探测模式单元E上附加多个探测模式单元F。多个探测模式单元F带有嵌入探测组件12和14。

液体动力模式单元C包含泵16、容器18和控制泵操作的马达20。下部油开关22也构成控制系统的一部分并用于调节泵16的操作。

液压流送管24与泵16的排出口连接并穿过液压动力模式单元C进入相邻的模式单元，作为液压动力源使用。在图2所示的实施例中，液压流送管24穿过液压动力模式单元C、延伸到根据其采用的结构而确定的探测模式单元E和/或F中。液压回路借助于液压流体返回管路26而封闭，在图2中，该液压流体返回管路从探测模式单元E回到液压动力模式单元C、在容器18处终止。

图3所示的排空模式单元M，可以利用通过流送管54进入井孔的泵送液体处理不想要的样品，或者可以从井孔泵送流体进入流送管54而使跨立式打包机28和30膨胀。而且，排空模式单元M可用于通过探测模式单元E或F从井孔抽取地层流体，然后克服其中的缓冲流体，泵送地层流体进入样品室模式单元S内。下面进一步说明这一过程。

利用来自泵91的液压流体驱动的双向活塞泵92，可以对准流送管54从中抽取流体并通过流送管95处理掉不想要的样品，或者可以对齐的从井孔(通过流送管95)泵送流体到流送管54。排空模式单元也可以是流送管95连接到流送管54的结构，这样就可以从流送管54的下游抽取流体并从上游泵送，反之亦然。排空模式单元M带有必要的控制装置，用来调节活塞泵92和使流送管54与流送管95对齐，从而完成排空工序。此时可以注意到，活塞泵92可用于泵送样品进入样品室模式单元(组)S，包括按要求使该样品增压，以及利用排空模式单元M将样品泵送出样品室模式单元(组)S。如果需要，排空模式单元M还可以实现恒压或者恒速喷射。在具有足够动力的情况下，排空模式单元能够以足够高的速度喷射液体，从而产生用于地层应力测量的微粒。

另一种方案是，利用活塞泵92，图2所示的跨立式打包机28和30随着井内流体胀大和缩小。容易看到，选择性的驱动排空模式单元M而启动活塞泵92与控制阀96和膨胀阀、收缩阀I的选择性操作相结合，其结果是可以有选择的使打包机28和30胀大和缩小。打包机28和30安装在装置A的外圆周32上，打包机最好由适应于井孔流体和温度的弹性材料构成。打包机28和30中具有一个空腔。当活塞泵92可以运转且适当设置膨胀阀I时，流体从流送管54通过胀大/缩小装置I、穿过流送管38到达打包机28和30。

仍然参照附图2，探测模式单元E带有探测组件10，该探测组件可选择性地相对装置A运动。探测组件10的运动是通过探测致动器40的操作启动的，该探测致动器使液压流送管24和26与流送管42和44对齐。探测器46安装在框架48上，该框架可相对装置A运动，探测器可相对框架48运动。这些相对运动是利用控制器40通过从流送管24和26可选择地引导流体进入流送管42和44而启动，其结果是框架48开始向外移动到与井孔壁(未视出)接触。框架48的延伸有助于在使用当中稳定工具和使探测器46接近井壁。由于本发明目的之一是精确地读取反映在探测器46处的地层内的压力，理想的情况是，进一步使探测器46插入泥浆层与地层接触。因此，液压流送管24与流送管44对齐的结果是通过探测器46相对于框架48的相对运动而使探测器46相对移动进入地层。探测器12和14的操作过程与探测器10相似，在此不再分别说明。

在带有膨胀打包机28和30和/或设定探测器和/或探测器12和14时，地层的流体抽取试验可以开始。样品流送管54从探测模式单元E内的探测器46向下延伸到打包机28和30之间一点处的外圆周32，穿过邻近的模式单元进入样品模式单元S。因此，竖直探测器10和嵌入探测器12和14根据想要的结构，允许地层流体通过一个或者多个稳定性测量室56、压力测量装置58和预先检验机构59进入样品流送管54。而且，流送管32允许地层流体进入样品流送管54。当使用模式单元E或者多个模式单元E和F时，将隔离阀62安装在稳定性传感器56的下游。在关闭位置，隔离阀62限制内部流送管的容量，改善由压力表58产生的模拟测量的精确度。在初始压力检测做完之后，可以打开隔离阀62，使流体通过流送管54流入其它模式单元。

当开始提取样品时，开始得到的地层流体很可能会被泥饼和渗入物污染。理想的情况是，在收集样品(组)之前从样品液流中清除这些污染物。因此，排空模式单元M用于在开始时将通过跨立式打包机28、30或者竖直探测器10或者嵌入探测器12或14提取而进入流送管54的地层流体的样品从装置A中清除。

流体分析模式单元D包含光学流体分析仪99，该分析仪尤其适用于指示出在流送管54中哪部分的流体是可以收集的高质量的样品。所装配的光学流体分析仪能够区分各种油、气体和水。除了其它已知的专利外，已经授权于Schlumberger的美国专利第4,994,671；5,166,747；5,939,717和5,956,132号详细地说明了分析仪99，这一点在此不再重复，但是在此引用其整个内容，作为参考。

在从装置A中冲走污染物的同时，地层流体可以继续流过样品流送管54，该流送管穿过邻近的模式单元延伸，所述模式单元例如精确压力模式单元B、流体分析模式单元D、排空模式单元M、流量控制模式单元N和任何数量的可以如图3所示连接的样品室模式单元S。本领域的技术人员可以理解：通过使样品流送管54沿各种模式单元的长度延伸，可以叠加多个样品室模式单元S，而无需增大工具的整个直径。另一方面，如下所述，单个样品模式单元S可以设置有多个小直径样品室，例如使这些样品室沿样品模式单元的轴线并列和等距离地固定。因此，在将工具拉到表面之前可以提取更多的样品，并且可以在较小的孔中使用该工具。

再次参照附图2和3，流量控制模式单元N包含一流动传感器66、一流量控制器68和一可选择的可调节限制装置，例如阀70。通过使用上述装置，可以在某一特定流量下获得预定的样品量。

然后，可以用样品室模式单元S收集通过流送管54传输且由流体控制模式单元N进行调节的流体的样品，这一过程是非常有益的，但对于流体取样而言并不是必需的。首先，参照附图3内的上部样品室模式单元S，打开阀80，且阀62、62A和62B被保持关闭，因而引导流送管54内的地层流体进入在样品室模式单元S的室84内的样品收集空腔84C内，之后，将阀80关闭而隔离样品。然后，可以将工具移动到不同的位置，并且重复进行这一过程。提取的额外的样品可以储存在由阀适当对齐连接的任何数量的附加样品室模式单元S内。例如，图3中表示出两个。在利用截止阀80的操作将上腔充满之后，通过打开与室90的样品收集空腔90C连接的截止阀88，使下一个样品储存在最低的样品室模式单元S内。可以注意到，每个样品室模式单元都带有其自己的控制组件，如图3所示的100和94。在根据进行检测的性质确定的工具的特殊结构中，可以采用任何数量的样品室模式单元S或者不采用样品室模式单元。而且，样品模式单元S可以是如上所述的包含多个样品室的多个样品模式单元。

还可以注意到，可以将全压井内流体形式的缓冲流体施加到室84和90内的活塞的背面，以进一步控制输送到样品模式单元S的地层流体的压力。为了达到这一目的，将阀81和83打开，同时排空模式单元M的活塞泵92必需将在流送管54内的流体增压到一个超过井内压力的压力。已经发现，这一操作产生的作用是：可以缓冲和降低在降落过程中受到的压力脉冲或者“振动”。这种低振动取样方法特别适用于从未固结的地层中得到流体样品，加之其允许通过活塞泵92的样品流体增压。

众所周知，装置A所采用的各种结构取决于将要实现的目的。对于基本的取样而言，液压动力模式单元C可以与电力模式单元I、探测模式单元E和多个样品室模式单元S结合使用。为了确定容器压力，液压动力模式单元C可以与电力模式单元L、探测模式单元E和精确压力模式单元B一起使用。对于在容器内未固结取样的情况而言，液压动力模式单元C可以与电力模式单元I、探测模式单元E连同流体分析模式单元D、排空模式单元M和多个样品室模式单元S一起使用。模拟钻井杆试验(DST)检测可以通过将电力模式单元L与打包机模式单元P、精确压力模式单元B和样品室模式单元S结合进行。也能够采用其它的结构和构建这些结构，这也取决于工具所要实现的目的。工具可以是一个如模式单元单体结构，然而，模式单元结构具有较大的灵活性，并且可以降低不要求具有所有特征的使用者的成本。

正如上面所描述的，样品流送管54还延伸穿过精确压力模式单元B。由于流体的可压缩性会影响压力测量的灵敏性，因此，最好在接近探测器12、14或46和/或接近入口流送管32处安装模式单元B的精密仪表98，以便尽可能的减小内部流送管的长度。精密仪表98在与时间对应的更精确的测量方面比应变仪表58更灵敏。仪表98最好是一种石英压力表，该压力表通过与石英晶体频率特性有关的温度和压力完成压力测量操作，这样的测量比采用应变仪表进行简单比较的应变测量更精确。还可以采用控制机构适当调节流量，错开表98和表58之间的操作过程，利用它们在灵敏度和技能方面的差别来承受压差。

装置A的各个模式单元是单独构建的，因此，它们可以迅速地彼此连接起来。可取的是，在模式单元之间用平头连接件取代外螺纹/内螺纹连接，可以避免出现通常在井场周围的污染物的集聚的情况。

在样品收集过程中的流量控制可以允许使用不同的流量。由于泥浆会以高渗透状态慢慢渗入地层内，因此，流量控制对于尽可能快的提取有用的地层流体样品是非常有用的，这减少了流送管和/或工具粘合的机会。在低渗透状态下，流量控制对防止抽取的地层流体样品压力低于其起泡点或者沥青烯沉淀点是非常有帮助的。

更确切地讲，上述“低振动取样”方法对于在下降过程中将地层流体内的压力降减小到一个最小值，从而减小地层的“振动”是很有用的。通过在最小的可获得的压降下取样，既可以保持地层流体压力高于沥青烯沉淀反应点压力，又可以使其高于已经升高了的起泡点压力。在实现上述最小压降目的的一种方法中，样品室如上所述保持井孔处的流体静压，对抽入工具的天然流体流量的控制，是利用仪表58监测工具入口流送管的压力和通过泵92和/或流量控制模式单元N调节地层流体的流量，从而只引发产生地层流体流动的监测压力的最小压降。在这种方法中，通过调节地层流体流量，使压降减到最小。

下面看图4A-D，图中示意性地表示出本发明的一个样品模式单元SM。样品模式单元包含一个接收和储存加压地层流体的样品室110。活塞112可滑动地设置在室110内，限定了一个样品收集空腔110c和一个增压/缓冲空腔110p，这些空腔具有由活塞112在室110内的运动决定的可变化的容积。第一流送管54通过样品模式单元SM与从地下地层中得到的流体连通(如与图2和3相关的上述说明)。第二流送管114将第一流送管54与样品空腔110c连接，并且第三流送管116将样品空腔110c与在样品模式单元SM内的第一流送管54或者出口(未示出)连接。

第一密封阀118设置在第二流送管114内，以控制从第一流送管54流到样品空腔110c的流体的流量。第二密封阀120设置在第三流送管116内，以控制流出样品空腔的流体流量。给定这一结构后，任何在由样品空腔110c和分别由密封阀118和120封住的流送管114和116的部分限定的“死容积”内的预加载流体，都可以利用在第一流送管54和密封阀118和120内的地层流体进行冲洗。

图4A表示出阀118和120在开始时都被关闭，因而，地层流体经过上述模式单元贯通工具A的第一流送管54，该第一流送管包含经过样品模式单元SM、在样品室110旁边的第一流送管54的一部分。该旁路操作使在新导入的地层流体内的污染物通过工具A被冲洗掉，直到流体内污染物的含量下降到一个可以接受的水平。上述操作结合光学流体分析仪99进行。

通常，将例如水这样的流体充入在密封阀118和120之间的死容积空间内，以便在密封阀打开时使地层流体所承受的压降最小。当希望将地层流体的样品收集到样品室110的样品空腔110c内时，分析仪99指示出流体基本上不含污染物，第一步就是要把水(尽管可以使用其它流体，但是后面只说明用水的情况)排出死容积空间。如图4B所示，这一过程是通过打开两个密封阀118和120以及用在工具A的另一个模式单元X内的截止阀122堵住第一流送管54而实现的。这一操作使地层流体穿过第一密封阀118转向“流入”样品空腔110c，并通过第二密封阀120“流出”传送到井孔。利用这种方法，储存在密封阀118和120之间的死容积内的额外的水会由无污染物的地层流体冲洗出来。

在经过短时间的冲洗操作之后，如图4C所示将第二密封阀120关闭，使地层流体充满样品空腔110c。当样品室被充满时，在缓冲/增压空腔110p内的缓冲流体通过活塞112的运动被排到井孔内。

一旦样品空腔110c被充的足够满，向样品空腔内收集地层流体样品的第一密封阀118就被关闭。因为本发明实施例中的空腔110p内的缓冲流体与井孔接触，为了移动活塞112，必须将地层流体提高到一个高于静压力的压力并充满样品空腔110c。这就是上面说明的低振动取样方法。当活塞112到达其最大行程之后，在关闭第一封闭阀118之前，泵模式单元M使在样品空腔110c内流体的压力提高到高于上述静压力的某个理想值，从而，在高于上述静压力的压力下收集地层流体的样品。该“收集”位置如图4D所示。

工具A的各种模式单元具有可以放置在与地层接合的模式单元(例如图2所示的模式单元E、F和/或P)的上面和下面的性能。这一接合发生在已知的取样点处。图5A-B描述了将流送管截止阀122固定在样品模式单元SM自身内部、同时具有将样品模式单元放置在高于和低于取样点位置的能力的结构。截止阀122用于使液流转向从图5A所示的低于样品室110的取样点和从图5B所示的高于样品室110的取样点流入样品室。两个图表示出借助于截止或者第三阀122，使地层流体从第一流送管54转向，通过第一密封阀118流入第二流送管114。该流体通过样品空腔110c并流过第三流送管116和第二密封阀120流回第一流送管54。由此，流送管54内的地层流体可以被传送到工具A的其它模式单元或者存积在井内。

在图4A-D和5A-B的实施例中，置于缓冲空腔110p内的缓冲流体直接与井孔流体接触。同样，这一结果就是上面说明的取样低振动方法。样品室110还可以是在活塞后面没有缓冲流体的结构，而仅在缓冲空腔110p内充满空气。这种情况是标准空气垫取样方法。但是，为了利用工具A的各种模式单元的其它一些性能(下面将说明)，由于在缓冲空腔110p内的缓冲流体必须回到流送管，因此在这些情况下使用空气是不理想的。

本发明还可以安装在图6A-D所示的实施例中，该实施例带有与样品室110的缓冲空腔110p连接的第四流送管124，以使缓冲流体流入和流出缓冲空腔。第四流送管124还连接到截止阀122下游的第一流送管54上，因而在样品空腔110c收集流体样品时，就会使缓冲流体从缓冲空腔110p经过第四流送管124排入流送管54内。

第五流送管126与第四流送管124连接并连到第一流送管54，后面的连接点是在第一流送管54和第二流送管114的之间连接点的上游。第四流送管124和第五流送管126可以对缓冲流体进行控制，产生一个横跨活塞112的压差，从而选择性地将流体样品抽入样品空腔110c内。下面，将参照图7A-D进一步说明该工作过程。

缓冲流体通过流送管124和126流向高于流送管密封阀122和低于流送管密封阀的第一流送管54上。根据地层流体是从上流到下(如图6A-D所示)还是从下流到上，使在缓冲流体流送管内的手动阀128、130中的一个打开且使另一个关闭。在图6A-D中，液流从样品模式单元SM的上部流入并从样品模式单元的下部流出，因此，上部手动阀130是关闭的，下部手动阀128是打开的。样品模式单元开始是如图6A所示的第一和第二密封阀118和120关闭，第三流送管密封阀122打开的结构。

当地层流体样品满足要求时，第一步就是要再冲洗掉第一和第二密封阀118和120之间的死容积内的流体。这一步骤如图6B所示，其中，密封阀118和120打开，流送管密封阀122关闭。这些阀使地层流体转向通过样品空腔110c并冲洗死容积。

经过短时间的冲洗之后，如图6C所示，第二密封阀120关闭。而后地层流体充入样品空腔110c，同时在缓冲空腔110p内的缓冲流体通过活塞112的作用经过第四流送管124和打开手动阀128流入流送管54。因为缓冲流体现在流过第一流送管54，因而缓冲流体会与工具A的其它模式单元连通。当缓冲流体流出样品室110时，流量控制模式单元N可以用于控制缓冲流体的流量。另一方面，通过将泵模式单元M放在样品模式单元SM的下面，可用于将缓冲流体抽出样品室，从而减小样品空腔110c内的压力并使地层流体抽入样品空腔(下面将进一步说明)内。还有，带有空气垫的标准样品室可以作为泵模式单元操作失败时的缓冲流体的出口。而且，第一流送管54可以与井孔连通，因而，重新建立起上述低振动取样方法。

一旦取样室110c如图6D所示已被充满同时活塞112到达其上限位置，收集的样品就会在关闭第一和第二密封阀118和120和重新打开第三流送管密封阀122之前增压(如上所述)。

已经建立的低振动取样方法是一种在将这种流体的样品收集起来时使地层流体上的压降量最小的方法。正如上面所说明的，通常所用的方法是使样品室110成为：在静压力下的井孔流体通过缓冲空腔110p直接与活塞112连通。一些种类的泵用来降低与容器连通的开口的压力，例如泵模式单元M的活塞泵92，因而可以将地层流或者地层流体引入工具A。泵模式单元M置于容器取样点和样品模式单元SM之间。当需要提取样品时，就使地层流体转向流入样品室。由于样品室的活塞112受到静压力的作用，泵必须将地层流体的压力至少升高到静压力，才能使地层流体充满样品空腔110c。在样品空腔被充满之后，泵可用来使地层流体的压力增加到甚至高于静压力，以便减少地层流体到达表面时通过地层流体冷却产生的压力损失的影响。

因此，在低振动取样方法中，泵模式单元M必须低于容器接触面的压力，然后将泵排出口或出口的压力至少升高到静压力。然而，地层流体必须通过泵模式单元才能完成这一操作。这一点需要注意，这是因为由于截止阀、溢流阀、气门以及类似物的存在，泵模式单元具有在井孔壁处看不到的额外的压降。这些额外的压降对样品的整体会产生不利的影响，特别是如果下降的压力接近地层流体的起泡点或者沥青烯分离点的情况。

因为存在上述需要注意的问题，本发明现在提出一种具有优势的新的取样方法。这一方法涉及上面说到的利用泵模式单元M降低容器接触面的压力的操作。但是，样品模式单元SM仍置于取样点和泵模式单元之间。图7A-D描述了这一结构。如图7A所示，泵模式单元M通过工具A、经过第一流送管54并打开第三密封阀122泵送地层流体，直到确定样品是理想的为止。如图7B所示，样品模式单元SM的第一密封阀118和第二密封阀120随后都打开，同时第三流送管密封阀122关闭。这就使在流送管54内的地层流体流向样品空腔110c，同时将在阀118和120内的死容积液体冲出来。在经过短时间的冲洗之后，第二密封阀120关闭。然后，泵模式单元M仅与缓冲空腔110p内的缓冲流体连通。缓冲流体压力通过泵模式单元被减小，泵模式单元的出口通到在静压力下的井孔。因为缓冲流体压力下降到低于容器压力，样品空腔110c内的活塞112后面的压力减小，因此，如图7C所示，将地层流体抽入样品空腔内。当样品空腔110c充满时，通过关闭第一密封阀118(密封阀120已经关闭)就可以得到样品。这种方法的有益之处在于：由于存在泵模式单元，地层流体不会有任何额外的压降。而且，设置在接近探测器或者打包机模式单元的取样点处的压力表，会指示出进入样品空腔110c的容器压力下的实际压力(加/减静压水头差)。

图8A-D表示出与图7A-D相似的结构和方法，除了前者图中表示出用加压气体使缓冲流体空腔110p增压以保持样品空腔110c内的地层流体的压力高于容器压力的装置。正如前面所说的，该装置消除了用泵模式单元使收集的样品压力升高的需要/愿望。在本实施例中的两个附加物是：一个额外的密封阀132和一个充气模式单元GM，额外的密封阀132在第四流送管124内，控制从缓冲空腔110p排出的缓冲流体，充气模式单元GM包含第五密封阀134，该阀在气体室140的空腔140c的加压流体与缓冲流体连通时进行控制。

在缓冲流体上的密封阀132可以确保在样品室110内的活塞112在样品空腔冲洗过程中不会运动。在图7A-D所示的实施例中，没有正向地使活塞112不动的装置。在死容积冲洗过程中，样品空腔110c内的压力与缓冲腔110p内的压力相等，因此，由于活塞密封(未视出)的摩擦力的作用，活塞112不会移动。为了确保活塞不运动，希望有一种将其锁定在缓冲流体内的可靠的方法，例如密封阀132。还可以采用另一种方法，例如使用一具有低启开压力的溢流装置，其可以保证排出缓冲流体所需的压力比冲洗死容积所需的压力更大。密封阀132的有益之处还在于：在利用增压氮向空腔140c充入流体后，可用于收集缓冲流体。

图8A-D所示的实施例中的取样方法与上述其它实施例的方法非常相似。如图8A所示，当地层流体被泵送流过流送管54、穿过各个模式单元以减少流体内的污染物时，将第三密封阀122打开，同时第一和第二密封阀118和120以及缓冲密封阀132和排出模式单元密封阀134全部都关闭。当得到理想的样品时，第一和第二密封阀118和120都打开，第三流送管密封阀122关闭，以及缓冲流体密封阀132保持关闭。因此，如图8B所示，地层流体被泵送通过样品空腔110c，将水冲出阀118和120之间的死容积空间。在短时间的冲洗之后，如图8C所示，缓冲密封阀132打开，第二密封阀120关闭(第一密封阀118保持打开状态)，同时地层流体开始充入样品空腔110c。一旦样品空腔110c被充满，第一密封阀118关闭，缓冲密封阀132关闭，第三流送管密封阀122打开，因而泵送和流过流送管54的操作可以继续进行。为了用充气模式单元GM给地层流体增压，第五密封阀134打开，因而使排出流体与缓冲空腔110p连通。当将工具拿到地面时，阀134保持打开状态，因此，即使在样品室110冷却时，也能保持地层流体处于较高的压力状态。另一种已经由Oilphase开发的、Schlumberger的分案申请US5,337,822号专利公开的工具和方法，用第五密封阀134致动气体模式单元GM内的排出流体，上述工具和方法在此引用，作为参考。在该工具和方法中，通过在流体容器110自身的样品室内安装阀门，关闭缓冲和取样口，然后，打开通向排出流体的开口，而使样品增压。

即使在图8A-D所示的实施例中不设置排气模式单元，还可以采用图7A-D所示的另一种低振动取样方法。而且，因为存在一个在地层流体已经收集在样品空腔内之后收集缓冲流体的密封阀132，泵模式单元M可以反过来沿另一方向泵送。换句话讲，泵模式单元可作用在活塞112上使缓冲空腔110p内的缓冲流体增压，因而使收集在样品空腔110c内的地层流体增压。实际上，这一操作过程和上述标准低振动方法完全相同。然后，将在缓冲流体上的第四密封阀132关闭，从而收集适当增压的样品。

根据上述内容，可以证明本发明能够很好地实现上面陈述的目的和特点以及这里公开的装置所具有的其它目的和特点。

本领域技术人员很明显地看到，本发明可以很容易地产生其它型式，这些型式都不偏离本发明的精神或者本质特征。因此，本发明中的实施例仅为说明之用而不是进行限制。本发明的保护范围由下面的权利要求书而不是上述说明书表示出来，在权利要求书等同方案的意图和范围内的所有变化，都包含在该保护范围内。

Claims (36)

1.一种样品模式单元，该样品模式单元用于适于插入地下井内以从中得到流体样品的的工具，所说样品模式单元包含：

一样品室，用于接收和存储增压流体；

一活塞，可滑动地设置在所说样品室内，限定出一个样品空腔和一缓冲空腔，这些空腔具有由所说活塞的运动决定的不同容积；

一第一流送管，用于输导通过样品模式单元从地下地层中得到的流体；

一第二流送管，将所说第一流送管连接到样品空腔；

一第三流送管，将样品空腔连接到所说第一流送管和出口中的一个上；

一第一阀，设置在所说第二流送管内，用于控制从所说第一流送管到样品空腔的流体的流量；以及

一第二阀，设置在所说第三流送管内，用于控制流出样品空腔的流体的流量，因此，利用在所说第一流送管和所说第一和第二阀内的地层流体，可以将任何预先加载到样品空腔内的流体冲洗掉。

2.根据权利要求1所述的样品模式单元，还包含一设置在所说第一流送管内的第三阀，用于控制流入所说第二流送管的流体的流量。

3.根据权利要求2所述的样品模式单元，其特性是：第二流送管与在所说第三阀上游的所说第一流送管连接。

4.根据权利要求3所述的样品模式单元，其特征是：所说第三流送管与样品空腔和所说第一流送管连接，后者的连接点在所说第三阀的下游。

5.根据权利要求1所述的样品模式单元，还包含一第四流送管，其连接到所说样品室的缓冲空腔，以使缓冲流体流入和排出缓冲空腔。

6.根据权利要求5所述的样品模式单元，其特征是：所说第四流送管还与所说第一流送管连接，从而在样品空腔内收集的流体样品使缓冲流体从缓冲空腔排出，经过所说第四流送管进入所说第一流送管。

7.根据权利要求6所述的样品模式单元，还包含设置在所说第一流送管内的第三阀，用于控制流入第二流送管的流体的流量。

8.根据权利要求7所述的样品模式单元，其特征是：第二流送管与所说第三阀上游的第一流送管连接。

9.根据权利要求8所述的样品模式单元，其特征是：所说第三流送管与样品空腔和所说第一流送管连接，后者的连接点在所说第三阀的下游，并且所说第四流送管与在第一和第三流送管之间的连接点下游的所说第一流送管连接。

10.根据权利要求9所述的样品模式单元，还包含一第五流送管，其与所说第四流送管和所说第一流送管连接，后者的连接点在所说第一和第二流送管的连接点的上游，所说第五流送管对缓冲流体进行控制，产生一个横跨所说活塞的压差，以有选择地将流体样品抽入样品空腔内。

11.根据权利要求10所述的样品模式单元，还包含固定在所说第四流送管和所说第五流送管每一个上的手动阀，用于选择第四和第五流送管中的一个将缓冲流体从空腔连通到第一流送管。

12.一种从由井孔穿透的地下地层获得流体的装置，包含：

一探测组件，当将装置安装在井孔内时，建立起装置和地层之间的流通关系；

一泵组件，用于通过所说探测组件从地层抽取流体到装置中；

一样品模式单元，用于收集由泵组件从地层中抽取的地层流体的样品，所说样品模式单元包含：

一室，用于收集和存储流体；

一活塞，可滑动地设置在所说室内，限定了一个样品空腔和一个压力空腔，这些空腔具有由所说活塞的运动限定的可变化的容积；

一与所说泵组件流体连通的第一流送管，用于通过样品模式单元连通从地层得到的流体；

一第二流送管，将所说第一流送管连接到样品空腔；

一第三流送管，将样品空腔连接到所说第一流送管和出口中的一个上；

一第一阀，设置在所说第二流送管内，用于控制从所说第一流送管到样品空腔的流体的流量；以及

一第二阀，设置在所说第三流送管内，用于控制流出样品空腔的流体的流量，因此，利用地层流体和所说第一以及第二阀，可以将任何预先加载到样品空腔内的流体冲洗掉。

13.根据权利要求12所述的装置，还包含一个增压系统，用于填充增压空腔，从而通过浮动活塞控制收集在样品空腔内的样品流体的压力。

14.根据权利要求13所述的装置，其特征是：所说增压系统包含一设定在增压流送管内的阀，用于有选择的使流体与所说样品室的增压空腔连通，使阀可以在关闭增压空腔的位置和打开增压空腔的位置之间移动，到达其压力比传送到样品空腔的地层流体的压力大的流体源。

15.根据权利要求14所述的装置，其特征是：所说增压系统在从地层收集样品过程中，控制收集在样品空腔内的样品流体的压力。

16.根据权利要求15所述的装置，其特征是：在比收集样品的压力高的压力下的流体源是井内流体。

17.根据权利要求14所述的装置，其特征是：所说增压系统在将装置从井孔收到地面的过程中，控制在收集空腔内收集的样品流体的压力。

18.根据权利要求17所述的装置，其特征是：在比收集的样品流体压力高的压力下的流体源是一个由装置输送的惰性气源。

19.根据权利要求12所述的装置，其特征是：装置是一个电缆传导的地层检测工具。

20.一种从由井孔穿透的地下地层获得流体的方法，包含：

将地层检测装置定位在井孔内；

建立装置和地层之间的流体连通；

引导液流从地层流入装置；

输送地层流体的样品进入装置内，到达装置中带有的样品室的样品空腔；

利用引导地层流体的至少一部分通过样品空腔，冲洗掉至少一部分预先充入样品空腔的流体；

在冲洗步骤之后，在样品空腔内收集地层流体的样品；以及从井孔取出装置，使收集的样品复原。

21.根据权利要求20所述的方法，其特征是：随着流送管导入和引出样品空腔完成冲洗步骤。

22.根据权利要求21所述的方法，其特征是：每个流送管都装配有控制流体流动的密封阀。

23.根据权利要求20所述的方法，其特征是：冲洗步骤包含将预先充入的流体冲到井孔。

24.根据权利要求20所述的方法，其特征是：冲洗步骤包含将预先充入的流体冲入装置的初始流送管中。

25.根据权利要求20所述的方法，其特征是：还包含在将装置从井孔内取出时，使收集在样品空腔内的样品保持在单一相位状态(single phase condition)。

26.根据权利要求20所述的方法，其特征是：样品室包含一个可滑动定位在其中的浮动活塞，从而限定出样品空腔和增压空腔，并且该方法还包含加载增压空腔以控制样品空腔内样品的压力的步骤。

27.根据权利要求26所述的方法，其特征是：在从地层收集样品的过程中，向增压空腔内加载以控制收集空腔内的样品流体的压力。

28.根据权利要求27所述的方法，其特征是：增压空腔是由井内流体加载的。

29.根据权利要求27所述的方法，其特征是：增压空腔是由缓冲流体加载的。

30.根据权利要求29所述的方法，其特征是：当地层流体被传输和收集到样品空腔内时，通过活塞的运动，将缓冲流体从增压空腔排出。

31.根据权利要求30所述的方法，其特征是：排出的缓冲流体传输到装置内的初始流送管。

32.根据权利要求26所述的方法，其特征是：在将装置从井孔向表面收回时，对增压空腔加载，以控制收集在样品空腔内的样品流体的压力。

33.根据权利要求32所述的方法，其特征是：增压空腔是由惰性气源加载的。

34.根据权利要求20所述的方法，其特征是：流体从地层流入装置的操作是通过使一探测组件与地层壁接合以及泵送组件与探测组件流体连通而实现的，两个组件都在装置内。

35.根据权利要求34所述的方法，其特征是：泵组件流动地连接在探测组件和样品空腔之间，因此，泵组件通过探测组件抽取地层流体并将地层流体传送到样品空腔。

36.根据权利要求34所述的方法，其特征是：样品室包含一可滑动地安装在其中的浮动活塞，从而限定了样品空腔和增压空腔，增压空腔可以用缓冲流体预加载，泵组件流动地连接在增压空腔和装置内的流送管之间，该装置从增压空腔抽取缓冲流体，产生横跨活塞的压差，因而将地层流体抽到样品空腔内。

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