CN208918526U - 一种稠油井下取样装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种稠油井下取样装置，其样筒盛放井内流体样品，首端接头轴向设有进样孔，控制短接的轴向有中心内孔、侧向有四个进样口，控制短接的中心内孔的上段安装丝杠，下段安装密封柱塞，丝杠的上端连接于微型电机，微型电机在电路模块的控制下，带动丝杠正向或反向转动，丝杠的正、反向转动带动密封柱塞上下移动，丝杠正向转动时，密封柱塞向上移动至极限位置，其下端面远离进样孔的上端面，此时流体样品经过所述四个进样口、该进样孔进入到样筒的内腔，丝杠反向转动时，密封柱塞则向下移动至极限位置，封闭样筒内的流体样品。该稠油井下取样装置原理新颖，结构独特，工作稳定，操作简单，加工难度小、成本费用低，安全环保，效益显著。

Description

一种稠油井下取样装置

技术领域

本实用新型涉及油气田地层流体高压物性实验技术领域，尤其是一种稠油井下取样装置。

背景技术

地层流体高压物性实验需要采集井下高压流体样品，现用的井下取样装置主要有刮壁式取样器、机械时钟式取样器和电子时钟式取样器，都是采用上下凡尔封闭样筒的方式，基本工作原理是样筒预先在地面打开上、下凡尔，敞口下放至井下设定深度，井内流体由于在样筒上下两端存在流动压力差，一部分会穿过取样筒，从下口进入、上口流出、不断置换更新，当触发机构控制上、下凡尔同时关闭，这段流体就被封闭在样筒内，最后提出地面送至高压物性实验室分析。存在的问题是，当井内流体粘度较大时，流动阻力增大，样筒两端的流动压力差不足以使其穿过样筒建立流动，这样获取的流体样品不是设定井下深度的有代表性的流体样品，不合格的样品无法获得正确的分析结果；另外即使井下成功取样，在将样筒内流体样品转移至高压实验釜过程中仍存在问题，饱和盐水驱替液与稠油粘度比大，极易出现水窜现象，不能将样筒中的稠油样品有效驱替转移，导致实验分析样品量不足，甚至一旦驱替液混入样品，会造成实验样品报废。因此，这类直通式井下取样装置虽然结构简单，成本低廉，但是无法应用于稠油井，特别是二氧化碳驱油藏，原油轻质组份被二氧化碳萃取后粘度增大的情况，井下PVT取样和地面转样十分困难。为此我们发明了一种新的稠油井下取样装置，解决了以上技术问题。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种有效解决稠油取样成功率低和转样样品残留及污染的难题的稠油井下取样装置。

本实用新型的目的可通过如下技术措施来实现：

该稠油井下取样装置包括样筒、首端接头、控制短接、密封柱塞、丝杠、微型电机和电路模块，该样筒盛放井内流体样品，该首端接头轴向设有进样孔，该首端接头的下端连接于该样筒、上端连接于该控制短接，该控制短接的轴向有中心内孔、侧向有四个进样口，该控制短接的中心内孔的上段安装该丝杠，下段安装该密封柱塞，该丝杠的上端连接于该微型电机，该微型电机连接于该电路模块，并在该电路模块的控制下，带动该丝杠正向或反向转动，该丝杠的正、反向转动带动该密封柱塞上下移动，该丝杠正向转动时，该密封柱塞向上移动至极限位置，其下端面远离该进样孔的上端面，此时流体样品经过所述四个进样口、该进样孔进入到该样筒的内腔，该丝杠反向转动时，该密封柱塞则向下移动至极限位置，封闭该样筒内的流体样品。

本实用新型的目的还可通过如下技术措施来实现：

该密封柱塞设有中心通孔，用以平衡其上下端的压力差，最大限度减小其上下移动的阻力，该中心通孔内有梯形内螺纹与该丝杠连接，该丝杠由推力轴承与该控制短接固定，实现该丝杠轴向旋转带动该密封柱塞上下移动，该丝杠由密封圈与该控制短接接触密封，该密封柱塞的上段为光滑密封柱面，该密封柱面与该控制短接的中心内孔壁之间安装密封环，该密封柱塞的下端有两道密封沟槽并安装橡胶密封圈，该密封柱塞的中段轴向双侧设有定位凸棱，由定位套限定，不能转动。

该首端接头侧向对称设有转样口和针阀，该转样口外接高压管线，用于在取样前对样筒内腔抽真空、在取样后将流体样品转样排出，该针阀用于关闭该转样口，该针阀的阀杆的直径远小于该进样孔的直径，不构成对进样孔的阻塞。

该稠油井下取样装置还包括尾端接头，该尾端接头安装在该样筒的下端，在侧向设有加压阀和接口与该样筒的内腔连通，该接口外接高压管线，用于在取样后转样时注入高压驱替液，该加压阀用于关闭该接口。

该稠油井下取样装置还包括游动柱塞，该游动柱塞位于该样筒内最尾端，在该样筒内轴向滑动并与该样筒的内壁接触密封，转样时从该尾端接头的该接口注入高压驱替液驱动该游动柱塞从该样筒的尾端移动至首端，该游动柱塞驱赶该样筒内的流体样品从该转样口全部排出。

该稠油井下取样装置还包括轴承压套、霍尔传感器和骨架，该控制短接的内螺纹连接该轴承压套，该轴承压套侧面开孔安装该霍尔传感器，该骨架套接在该轴承压套上，该电路模块和该微型电机固定安装在该骨架上。

该电路模块采用单片机PIC16F688，该单片机PIC16F688通过外接该霍尔传感器的HR端对该微型电机轴旋转计数。

该稠油井下取样装置还包括无磁联轴器和柱形磁钢，该丝杠的上端由该无磁联轴器与该微型电机的转动轴连接，该无磁联轴器侧面横向对应该霍尔传感器安装该柱形磁钢。

该稠油井下取样装置还包括电池组和电池筒，该控制短接的上端外螺纹密封连接该电池筒，该电池组位于该电池筒内上方空间与该电路模块连接，为该电路模块和该微型电机提供电力供应。

本实用新型与现有技术相比具有以下有益效果：

本实用新型的稠油井下取样装置采用电子时钟精确控制样筒打开与关闭，易于实现在设定井下深度进行取样；密封柱塞采用中心通孔设计，能够有效平衡密封柱塞两端面的压差，使电机仅需很小扭力就能把样筒打开与关闭；利用筒内真空和筒外高压的原理，确保高粘度流体也能够充满样筒；样筒内增设游动柱塞驱替转样，有效解决了稠油转样样品残留和污染的难题。该稠油井下取样装置原理新颖，结构独特，工作稳定，操作简单，加工难度小、成本费用低，安全环保，效益显著。

附图说明

图1为本实用新型实施例的结构示意图；

图2为本实用新型实施例内部电路模块的电路图；

图3为本实用新型实施例中电路模块运行流程图；

图4为本实用新型实施例中地面转样实验流程图。

图1中：1、样筒，2、首端接头，3、尾端接头，4、游动柱塞，5、控制短接，6、密封柱塞，7、丝杠，8、微型电机，9、电路模块，10、电池筒，11、加压阀，12、接口，13、转样口，14、针阀，15、推力轴承，16、轴承压套，17、密封环，18、定位套，19、骨架，20、密封圈，21、螺钉，22、进样口，23、进样孔，24、中心通孔，25、滤网，26、霍尔传感器，27、螺丝，28、电池组，29、无磁联轴器，30、电机轴，31、磁钢。

图4中：401、样筒，402、加热套，403、转样泵，404、高压实验釜，405、压力表，406、进样阀，407、地面转样台，408、高压管线，409、高压管线，410、游动柱塞，411、加压阀，412、接口，413、转样口，414、针阀，415、泄压阀。

具体实施方式

为使本实用新型的上述和其他目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举出较佳实施例，并配合附图所示，作详细说明如下。

如图1所示，图1为本实用新型的结构示意图。

该稠油井下取样装置由样筒1、首端接头2、尾端接头3、游动柱塞4、控制短接5、密封柱塞6、丝杠7、以及微型电机8、电路模块9、电池筒10等组成。样筒1为内壁光滑的金属圆筒，内外部均能够承受高温和高压，样筒1两端分别与首端接头2、尾端接头3以螺纹连接、以橡胶圈密封，构成封闭的内腔用于盛放井内流体样品，游动柱塞4位于样筒1内尾端极限位置，其能够在样筒1内轴向滑动并与样筒1的内壁接触密封。首端接头2轴向设有进样孔23并在其上端扩径设有密封面，首端接头2侧向对称设有转样口13和针阀14，针阀14的阀杆的直径远小于进样孔23的直径，不构成对进样孔23的阻塞，转样口13和针阀14用于取样前对样筒1抽真空及取样后转出流体样品，其它时间针阀14关闭转样口13。尾端接头3侧向设有加压阀11和接口12与样筒1的内腔连通，加压阀11和接口12用于转样时注入高压驱替液，平时加压阀11关闭接口12，尾端接头3的下端有螺纹用于连接导锥或其它下井工具。首端接头2上端与控制短接5螺纹连接由螺钉21锁定，控制短接5轴向有中心内孔、侧向有四个进样口22，控制短接5中心内孔的上部细径段安装丝杠7，丝杠7由推力轴承15和轴承压套16轴向固定、并以密封圈20与控制短接5的壳体保持接触密封，丝杠7向上通过无磁联轴器29与微型电机的转动轴30连接，丝杠7的下段设有梯形外螺纹，控制短接5中心内孔的下部粗径段安装密封柱塞6，密封柱塞6设有中心通孔24并有梯形内螺纹与丝杠7连接，密封柱塞6的上段为光滑密封柱面，上述密封柱面与控制短接5内孔壁之间安装密封环17，密封柱塞6的下段有两道密封沟槽并安装橡胶密封圈，密封柱塞6的中段轴向双侧设有定位凸棱，被定位套18限定、不能转动，丝杠7正、反向转动则带动密封柱塞6上下移动，控制短接5上端内螺纹连接轴承压套16，骨架19套接在轴承压套16上并由多个螺钉27固定，微型电机8和电路模块9固定安装在骨架19上，轴承压套16侧面开孔安装霍尔传感器26，对应霍尔传感器26在无磁联轴器29的侧面横向安装有柱形磁钢31，控制短接5上端外螺纹密封连接电池筒10，电池组28位于电池筒10内上方空间与电路模块9连接。电池组28为电路模块9和微型电机8供电，电路模块9执行预定程序适时控制微型电机8正、反向旋转并通过霍尔传感器26监测无磁联轴器29的转动情况，微型电机8驱动丝杠7正、反向转动从而带动密封柱塞6上下移动，当丝杠7正向转动，密封柱塞6则向上移动直至极限位置，其下端面远离进样孔23的上端面，此时样品流体经过进样口22、进样孔23进入到样筒1的内腔；当丝杠7反向转动，密封柱塞6则向下移动至极限位置，其下段的密封沟槽及密封圈完全插入进样孔23上段的扩径密封面，封闭样筒1内的高压流体样品。上述密封柱塞6的中心通孔24十分必要，中心通孔24用以平衡密封柱塞6上下端的压力差，由于密封柱塞6与丝杠7的螺纹连接存在间隙，因此密封柱塞6的上端面与下端面之间是相通的，如果有较高压力作用在密封柱塞6的单端端面上则密封柱塞6很难轴向移动，正是由于中心通孔24的存在平衡了密封柱塞6上下端的压力差，井内高压不会在密封柱塞6的横截面上产生较大阻力，丝杠7上只需较小的扭矩就能驱动密封柱塞6轴向移动。

上述电路模块的电路原理如图2所示，电池组或者通讯接口通过插座CN6与电路模块的内部线路进行连接，电池组正极12v输出端VDD经二极管D0后VDD1为微型电机供电，VDD1经稳压电路模块U5(TPS76350)5v输出VCC为单片机U1(PIC16F688)和霍尔传感器(89s31)供电，单片机U1内部设有定时、存储、运算、接口等功能，其COM接口(RX、TX)通过插座CN6与上位机通讯进行程序设置，按照预定程序定时在控制端k1、k2输出控制电平，控制微型电机正、反向转动或者停止，当k1高电平k2低电平时，场效应管M2M3导通、M1M4截止，微型电机正转，当k1低电平k2高电平时，场效应管M1M4导通、M2M3截止，微型电机反转，当k1、k2同为高电瓶或低电平时微型电机停止转动，微型电机供电通路里对地串联一个大功率限流电阻R7，单片机U1通过限流电阻R7的AD_VIN端电压感知微型电机是否堵转，单片机U1通过外接霍尔传感器的HR端对电机轴旋转计数，单片机U1通过LED端识别插座CN6连接的是电池组或者通讯接口。上述电路模块的单片机U1内置程序的流程图如图3所示，通电启动后先进行模式识别，如果检测为通讯模式，则与上位机建立讯号连接，通过上位机设置“开启等待”时间和“持续进样”时间两个延时参数，如果检测到连接电池组即工作模式，则进入“开启等待”延时，延时参数倒计数结束后启动电机正转，持续记录转动圈数并检测是否电机堵转，当达到设计圈数或电机堵转，判定密封柱塞完全打开进样孔，电机停转，经过预设的“持续进样”时间延时、进样完成，启动电机反转，持续记录转动圈数并检测是否电机堵转，当达到设计圈数或电机堵转，判定密封柱塞完全关闭进样孔，电机停转，程序结束。

本实用新型的稠油井下取样装置主要包括样筒、首端接头、尾端接头、游动柱塞、控制短接、密封柱塞、丝杠、微型电机和电路模块，该样筒盛放井内流体样品，其两端分别与首端接头和尾端接头密封连接，下井取样前需要将封闭的样筒内腔抽真空，该首端接头轴向设有进样孔，首端接头上端连接该控制短接，该控制短接的轴向有中心内孔、侧向有四个进样口，该控制短接的中心内孔的上段安装该丝杠，下段安装该密封柱塞，丝杠与密封柱塞由梯形螺纹连接，该丝杠上端连接于该微型电机，该微型电机连接于该电路模块，并在该电路模块的控制下，带动该丝杠正向或反向转动，该丝杠的正、反向转动带动该密封柱塞上下移动，该丝杠正向转动时，该密封柱塞向上移动至极限位置，其下端面远离该进样孔的上端面，开启进样孔，流体样品经过所述四个进样口、该进样孔进入到事先抽真空的该样筒内腔，该丝杠反向转动时，该密封柱塞则向下移动至极限位置，关闭进样孔，封闭该样筒内的流体样品。该首端接头侧向对称设有针阀和转样口，是取样前对样筒内腔抽真空、取样后转出流体样品的通道；该游动柱塞置于该样筒内最尾端，能够在该样筒内轴向滑动并与样筒内壁接触密封；该尾端接头在侧向设有加压阀和接口与该样筒内腔连通，转样时通过该接口外接高压管线和转样泵，注入高压驱替液驱动该游动柱塞从该样筒尾端滑动至首端，该游动柱塞驱赶流体样品从上述转样口全部排出。其工作过程是，取样前密封柱塞下行关闭进样孔，从转样口对样筒的内腔抽真空后关闭针阀，电路模块编程、通电、下井至目的深度；电路模块定时控制电机正转，驱动密封柱塞上行开启进样孔，井内高压流体涌入进样孔很快充满事先抽真空的样筒内腔，设定延时结束后电机反转，密封柱塞下行关闭进样孔封闭样筒内高压流体样品；出井后从尾端接头的接口注入高压驱替液，驱动游动柱塞从样筒尾端滑动至首端，驱赶样品流体从转样口全部排出至转样容器。

本实用新型的稠油井下取样装置的操作分为取样准备、井下取样、地面转样三个步骤。

一、取样准备

按照附图1所示完成各个部件组装(电池筒、电池组除外)，注意让密封柱塞6处于下极限位置关闭进样孔23，将游动柱塞4置于样筒1的尾端，先从接口12连接管线抽真空后关闭加压阀11，再从转样口13连接管线抽真空后关闭针阀14，拆除抽真空的管线、旋入接口保护螺丝，此时游动柱塞4位于样筒1的最尾端，游动柱塞上下两侧的样筒1内所有密封空间以及进样孔23、中心通孔24、密封柱塞6与丝杠7的间隙都处于真空状态。连接上位机，按照施工方案对本实用新型装置的电路模块进行程序设置，设置“开启等待”时间和“持续进样”时间两个延时参数。

二、井下取样

下井前连接电池组、安装电池筒，利用钢丝绞车等设备将本实用新型装置下放至井内预定深度。如附图1所示，本实用新型装置电路模块设定的“开启等待”延时结束后，电机正向转动电路接通，电机传动轴通过联轴器带动丝杠7正向转动，丝杠7驱动密封柱塞6上行打开进样通道23，井内样品流体通过进样口22、滤网25、进样通道23进入样筒1内腔，经过预设的“持续进样”时间延时，样筒1内腔全部充满样品流体，同时样品流体经过中心通孔24充满螺纹及丝杠上端间隙，密封柱塞6的上下端面承受压力平衡，然后电机反向转动，电机传动轴通过联轴器带动丝杠7反向转动，丝杠7驱动密封柱塞6下行关闭进样通道23，井下取样完成。随后本实用新型装置被取出至地面，高压流体样品被封闭在样筒1内的密闭空间里。电路模块安装霍尔传感器和电机堵转检测功能，既能保证密封柱塞6能够驱动到位，又保护电机不过载损坏。取样完成后游动柱塞4仍位于样筒1的尾端位置。

三、地面转样

如图4所示，将本实用新型装置整体固定到地面转样台407上，转样口413外接第二高压管线409连接至高压实验釜404，接口412外接第一高压管线408连接至转样泵403。开启加热套402加热，恒温至取样点温度，加热过程中不断摇摆样筒401，使样筒401内的样品流体均匀复原至地层中的温度和压力状态。打开针阀414、加压阀411，启动转样泵403慢慢打压，压力表405的示值平稳升高然后基本稳定在某值，驱替液经高压管线408、接口412进入样筒1下端驱动游动柱塞410向上滑动，游动柱塞410驱动样筒401内的样品流体经转样口413、高压管线409转入高压实验釜404中。当压力表405示值陡然上升，说明游动柱塞410已经移动至样筒401的上端极限位置，关闭进样阀406，转样完成。后续拆卸各密封部位，清洗残余样品流体，更换密封件，以备下次取样工作。

Claims (9)

1.一种稠油井下取样装置，其特征在于，该稠油井下取样装置包括样筒、首端接头、控制短接、密封柱塞、丝杠、微型电机和电路模块，该样筒盛放井内流体样品，该首端接头轴向设有进样孔，该首端接头的下端连接于该样筒、上端连接于该控制短接，该控制短接的轴向有中心内孔、侧向有四个进样口，该控制短接的中心内孔的上段安装该丝杠，下段安装该密封柱塞，该丝杠的上端连接于该微型电机，该微型电机连接于该电路模块，并在该电路模块的控制下，带动该丝杠正向或反向转动，该丝杠的正、反向转动带动该密封柱塞上下移动，该丝杠正向转动时，该密封柱塞向上移动至极限位置，其下端面远离该进样孔的上端面，此时流体样品经过所述四个进样口、该进样孔进入到该样筒的内腔，该丝杠反向转动时，该密封柱塞则向下移动至极限位置，封闭该样筒内的流体样品。

2.根据权利要求1所述的一种稠油井下取样装置，其特征在于，该密封柱塞设有中心通孔，用以平衡其上下端的压力差，最大限度减小其上下移动的阻力，该中心通孔内有梯形内螺纹与该丝杠连接，该丝杠由推力轴承与该控制短接固定，实现该丝杠轴向旋转带动该密封柱塞上下移动，该丝杠由密封圈与该控制短接接触密封，该密封柱塞的上段为光滑密封柱面，该密封柱面与该控制短接的该中心内孔壁之间安装密封环，该密封柱塞的下端有两道密封沟槽并安装橡胶密封圈，该密封柱塞的中段轴向双侧设有定位凸棱，由定位套限定，不能转动。

3.根据权利要求1所述的一种稠油井下取样装置，其特征在于，该首端接头侧向对称设有转样口和针阀，该转样口外接高压管线，用于在取样前对样筒内腔抽真空、在取样后将流体样品转样排出，该针阀用于关闭该转样口，该针阀的阀杆的直径远小于该进样孔的直径，不构成对进样孔的阻塞。

4.根据权利要求3所述的一种稠油井下取样装置，其特征在于，该稠油井下取样装置还包括尾端接头，该尾端接头安装在该样筒的下端，在侧向设有加压阀和接口与该样筒的内腔连通，该接口外接高压管线，用于在取样后转样时注入高压驱替液，该加压阀用于关闭该接口。

5.根据权利要求4所述的一种稠油井下取样装置，其特征在于，该稠油井下取样装置还包括游动柱塞，该游动柱塞位于该样筒内最尾端，在该样筒内轴向滑动并与该样筒的内壁接触密封，转样时从该尾端接头的该接口注入高压驱替液驱动该游动柱塞从该样筒的尾端移动至首端，该游动柱塞驱赶该样筒内的流体样品从该转样口全部排出。

6.根据权利要求1所述的一种稠油井下取样装置，其特征在于，该稠油井下取样装置还包括轴承压套、霍尔传感器和骨架，该控制短接的内螺纹连接该轴承压套，该轴承压套侧面开孔安装该霍尔传感器，该骨架套接在该轴承压套上，该电路模块和该微型电机固定安装在该骨架上。

7.根据权利要求6所述的一种稠油井下取样装置，其特征在于，该电路模块采用单片机PIC16F688，该单片机PIC16F688通过外接该霍尔传感器的HR端对该微型电机轴旋转计数。

8.根据权利要求6所述的一种稠油井下取样装置，其特征在于，该稠油井下取样装置还包括无磁联轴器和柱形磁钢，该丝杠的上端由该无磁联轴器与该微型电机的转动轴连接，该无磁联轴器侧面横向对应该霍尔传感器安装该柱形磁钢。

9.根据权利要求1所述的一种稠油井下取样装置，其特征在于，该稠油井下取样装置还包括电池组和电池筒，该控制短接的上端外螺纹密封连接该电池筒，该电池组位于该电池筒内上方空间与该电路模块连接，为该电路模块和该微型电机提供电力供应。