地层流体采样设备和方法 本发明总体涉及地层流体采样，特别涉及一种改进的储层流体采样模块，所述采样模块用于将一种高质量储层流体样品带回地面进行分析。
长期以来，石油公司已经认识到获取井下地层流体样品进行化学和物理分析的重要性，本发明的受让人Schlumberger多年来已经进行了这样的采样。地层流体(也被称为储层流体)样品通常在储层使用期限中被尽早地收集在地面进行分析，特别是在特定的实验室中进行分析。分析结果对于碳氢化合物储油层开采以及探明储油层的储量和性能是非常重要的。
钻井采样的方法包括将采样设备(诸如属于Schlumberger和由Schlumberger提供的MDTTM地层测试设备)下放到井眼中以利用所述采样设备的一个探头元件和井壁之间的接合来收集一个或多个地层流体样品。所述采样设备在穿过这种接合方向上产生一个压力差以使地层流体流入到所述采样设备内的一个或多个样品腔室中。这个方法和类似的方法披露在美国专利No.4,860,581；No.4,936,139(都受让给Schlumberger)；No.5,303,775；No.5,377,755(都受让给WesternAtlas)；和No.5,934,374(受让给Halliburton)中。
在“样品模块”内设置至少一个(通常为多个)这样的样品腔室、相关联的阀和流体管路连接部件的重要性是已知地，并且在Schlumberger的MDT设备中具有特定的优点。近年来，Schlumberger具有几种类型的这种样品模块和样品腔室，每一种都在特定的环境下提供了优势。但是，没有一种这样的样品模块/腔室的结合具有下列所有的特性：使一种充填气体作用在所收集的样品上以更好地控制样品压力；可在高达25000磅/平方英寸的内部压力下加热到高达400°F的温度以促使样品流体成分回复成溶液；其容积能够保证从井位直接输送到实验室而无需转移所收集的样品；以及可用作一个储放容器。也并不得知在采样过程中使死角容积最小化以减少所述样品被一种预先充填的流体(诸如水)污染的样品模块/腔室。
为了克服上述缺点，本发明的一个主要目的在于，提供一种能够将一种高质量地层流体样品带到地面进行分析的设备和方法。
本发明的另一个目的在于，提供一种能够在地面处在高达25000磅/平方英寸的内部压力下可被安全加热到至少400°F温度的样品腔室。
本发明的另一个目的在于，提供一种样品腔室，所述样品腔室可被加压以使一个样品保持在“单相”状态，即，当所述样品冷却时必须保持一定的压力以使诸如气体和沥青烯的样品成分保持溶液状态，所述诸如气体和沥青烯的样品成分在由于样品混合物的冷却而导致的压力降低过程中通常会从混合物中分离出来。对于当样品冷却时通过保持压力而不能处于溶液状态的成分诸如石蜡可利用在地面为所述腔室提供热量来使其重新结合。本发明的另一个目的在于，提供一种能够保证输送的样品腔室，以便如果需要的话，可直接将所述样品输送到实验室用于分析而无需在井位处从样品腔室中转移样品。
本发明的另一个目的在于，提供一种样品腔室，所述样品腔室适于用作一种储存容器，即，所述样品成分不会通过含有样品腔室内样品的密封件泄露。
本发明的另一个目的在于，提供一种样品腔室，所述样品腔室的容积适于标准的PVT采样，但不会太大以致在需要时不能被输送到一个单独的可输送的样品瓶中，大多数样品腔室的容积为600毫升或更小。
本发明的另一个目的在于，提供一种独立的确认样品腔室，所述确认样品腔室的容积大大小于所述样品腔室，但是在加热方面更安全并且更易于使分离的样品成分在地面重新结合以便在井位处确认所述样品的质量。
上述目的以及其它各个目的和优点是通过一个用于一井下设备中的样品模块来达到的，所述井下设备用于从由一个井眼所穿透的地下岩层获取流体。所述样品模块包括一个由所述模块所附带的样品腔室以及一个由所述模块所附带的确认腔室(validation chamber)，所述样品腔室用于收集利用所述井下设备从地层所获取的流体样品，所述确认腔室用于收集一个大大小于所述样品腔室的地层流体样品。所述确认腔室可在不防碍所述样品腔室的情况下在地面从所述样品模块上取下。
所述样品腔室和确认腔室是以一种并联或串联的方式与所述井下设备中的一个样品流体管路相连通以使所述腔室可根据需要同时或顺序地被流体充填。
当所述样品模块随着所述井下设备从井眼中被抽出时，所述样品腔室最好能够使储放在其中的样品保持在一种单相状态下。这里所用的“单相”一词指的是，一个腔室内的样品压力被保持或控制到这样一个程度，即，仅利用压力使诸如气体和沥青烯的样品成分保持溶液状态，所述诸如气体和沥青烯的样品成分在由于从井眼中抽出而产生的样品混合物的冷却通常会致使该样品成分从混合物中分离出来。所述样品可在地面处被再次加热以使由于冷却而从溶液中分离出来的样品成分(诸如石蜡)重新结合。或者，当所述样品模块从井眼中被抽出时，所述确认腔室能够使储放在其中的流体样品保持在一种单相状态下。
在收集样品和将所述样品模块从井眼中抽出后，所述样品腔室在地面最好能够安全地经受加热，并且能够被加热到促使所述腔室内的在抽取过程中由于冷却而被分离的样品成分重新结合所需的温度。
所述样品腔室最好被牢固地安装以保证输送。
希望所述样品腔室适于在基本上不使收集在其中的样品降解的情况下使样品储放一段不确定的时间。达到这个目的的一种解决方案是所述样品腔室包括金属对金属的密封件，其中的金属对金属的密封件可作为用于使收集在所述腔室中的样品被隔离的最终截止密封件。
另一方面，本发明提供一种用于一个井下设备中的改进的样品腔室，所述井下设备用于从由一个井眼所穿透的地下岩层获取流体。所述改进的样品腔室包括，一个基本上为圆筒形的主体，所述腔室主体能够在通过井下设备收集地层流体样品和将所述样品腔室从钻井中抽出后在地面安全地经受加热，并且能够被加热到促使所述腔室内的样品成分重新结合所需的温度。另外，所述主体被牢固地安装以保证输送。至少一个可滑动的浮动活塞位于所述主体内，所述浮动活塞能够限定一个流体收集腔和一个加压腔，所述加压腔可被加载以控制收集在所述收集腔中的样品压力。可设置另一个这样的活塞以形成第三个腔，在样品收集过程中可利用其中的一种缓冲流体。金属对金属的密封件用作一个使收集在所述主体收集腔中的样品被隔离的最终截止密封件。
另一方面，本发明提供一种用于从由一个井眼所穿透的地下岩层获取流体的设备。所述设备包括：一个探头组件，当所述设备位于所述井眼内时用于在所述设备和地层之间建立流通关系；以及一个用于将流体从地层抽到所述设备中的泵组件。设置一个样品腔室以收集由所述泵组件从地层抽取的地层流体的一个样品，以及设置一个确认腔室以收集一个明显小于样品腔室的地层流体样品。所述确认腔室可在不防碍所述样品腔室或其中物质的情况下在地面处从所述设备上取下。
当所述井下设备从井眼中被抽出时，最好使储放在所述样品腔室中的样品保持在一种单相状态下。在这个方面，所述样品腔室可包括至少一个位于其中的可滑动的浮动活塞，所述浮动活塞限定了一个流体收集腔和一个加压腔。在所述设备中的一个流体管路在所述探头组件、泵组件以及所述样品腔室的流体收集腔之间建立一个相互流通的关系。所述设备中的一个加压系统为所述加压腔加载以利用所述浮动活塞控制收集在所述收集腔内的样品压力。所述加压系统最好包括一个与所述样品腔室的加压腔相连通的阀，所述阀可在使所述加压腔与一个流体源断开和流通的位置之间移动，该流体源的压力高于输送到所述收集腔中的地层流体的压力。
所述加压系统可在从地层收集所述样品的过程中或在将所述设备从井眼返回地面的过程中或者在这两个过程中控制收集在所述收集腔中的样品压力。为了使所述加压系统可在从地层收集所述样品的过程中控制收集在所述收集腔中的样品压力，压力高于所收集样品流体压力的流体源可以是钻井流体。为了使所述加压系统在将所述设备从井眼返回地面的过程中控制收集在所述收集腔中的样品压力，压力高于所收集样品流体压力的流体源可以是一个所述设备所附带的惰性气体源，诸如氮气。
所述设备可是一种利用钢丝绳输送的地层测试设备，但也不必受此限制。
另一方面，本发明提供了一种用于从由一个井眼所穿透的地下岩层获取流体的方法，所述方法包括将一个设备置于所述钻井内、在所述设备和地层之间建立流通关系以及使地层中的流体移动到所述设备中的步骤。移动到所述设备中的地层流体的一个样品被输送到一个用于将所述样品收集在其中的样品腔室内，并且移动到所述设备中的地层流体的一个明显较小的样品被输送到一个用于将所述明显较小的样品收集在其中的确认腔室内。在将所述设备从井眼中抽出以取出所收集的样品后，所述很小的样品可被检验并且与储放在所述样品腔室中的样品无关。
下面将参照附图对本发明的优选实施例进行详细地描述，从中可以容易地理解本发明的上述特征、优点和目的。
但是，应该注意的是，这些附图仅是用于描述本发明的实施例，因此不是对本发明保护范围的限定，本发明允许其它效果等同的实施例。
在附图中：
图1和图2示出了现有技术所涉及的地层测试设备和其各个模块部件；
图3示出了本发明所涉及的用于一个地层测试设备中的样品模块；
图3A是本发明所涉及的一个样品腔室的截面图；
图4示出了本发明所涉及的一个样品腔室中所包含的一个基本气体充填系统；
图5A和图5B示出了本发明所涉及的一个样品模块中所包含的另两种气体充填系统；
图6A-图6C是样品腔室/样品模块结构的各种实施例的截面图；
图7示出了本发明所涉及的一个样品腔室中用于充填一种缓冲流体的装置；
图8示出了死角容积(dead volume)的概念，希望使其最小化；
图9A和图9B示出了本发明所涉及的以顺序的方式充填一个样品腔室和确认腔室的两种结构；
图10A和图10B示出了本发明所涉及的同时充填一个样品腔室和确认腔室的两种结构；
图11A至图11C示出了本发明所涉及的利用流经确认腔室的地层流体以顺序的方式充填一个样品腔室和确认腔室的三种结构；
图12示出了本发明所涉及的与一个确认腔室进行同时充填的多个样品腔室；
图13A-图13D示出了下列步骤，这些步骤包括充填一个样品腔室，关闭所述样品腔室，利用一个单独的气体充填腔室从所述样品腔室中将一部分样品抽到所述确认腔室，以及关闭样品腔室和确认腔室。
图14A-图14D示出了下列步骤，这些步骤包括利用一个样品模块流体管路冲洗地层流体，同时将地层流体的样品收集在所述样品模块的一个样品腔室和确认腔室中，封闭所收集的样品并利用所述两个腔室中的一种缓冲流体为它们充填气体，以及在将所述样品模块抽出到地面的过程中保持所收集的样品压力；
图15示出了一个带有一个气体充填腔室的样品模块，其中为样品腔室和确认腔室中的缓冲流体进行的加压不取决于所述样品模块中的流体管路。
首先参见现有技术的图1和图2，其中示出了一种本发明待改进的优选设备。图1和图2的设备A最好是模块式结构，但也可采用一种整体式设备。所述设备A是一个井下设备，可利用一个钢丝绳(未示出)将该设备放入到井眼(未示出)中以进行地层性能测试。为了清楚起见，图中未示出与所述设备相连的钢丝绳、电源以及相关的电子通信设备。输电线和通信线贯穿所述设备的整个长度，由附图标记8表示。这些电源和通信部件对于本领域普通技术人员是已知的并且过去已应用于商业中。这种类型的控制装置通常安装在所述设备的最上端并靠近与所述设备相连的钢丝绳连接件，所述控制装置具有贯穿所述设备与各个部件相连的电线。
如图1中所示，所述设备A具有一个液压模块C、一个封隔器模块P和一个探头模块E。所示的探头模块E具有一个探头组件10，所述探头组件10可用于渗透性试验或流体采样。当按照已有技术使用该设备确定各向异性渗透率和立式储油构造时，如图1中所示，可在所述探头模块E上附加一个多探头模块F。多探头模块F具有水平探头组件12和沉降探头(sink probe)组件14。
所述液压模块C包括泵16、储液器18和用于控制所述泵操作的马达20。低压油开关(low oil switch)22也构成了所述控制系统的一部分并用于调节泵16的操作。应该注意的是，可利用气动或液压装置控制所述泵的操作。
液压流体管路24与所述泵16的排出口相连并且贯穿所述液压模块C进入到用作一个液压源的相邻模块中。在图1所示的实施例中，液压流体管路24穿过液压模块C并经过探头模块E和/或F(取决于所用的结构)进入到封隔器模块P中。利用液压流体回流管路26使所述液压回路闭合，在图1中，所述液压流体回流管路26从探头模块E延伸回到液压模块C并终止于所述液压模块C中的储液器18处。
从图2中可以看出，可利用所述泵出模块M将流体经过流体管路54泵入所述井眼中以排出多余的样品，或者可利用所述泵出模块M将流体从所述井眼泵入到流体管路54中以使跨式封隔器28和30膨胀。另外，可利用所述泵出模块M将地层流体从所述井眼中抽出并使之经过探头模块E或F，接着将所述地层流体泵入到样品腔室模块S中以与其中的一种缓冲流体接触。下面将对这个过程进行进一步描述。
利用来自泵91的液压流体进行驱动的双向活塞泵92可用于从流体管路54抽出流体并通过流体管路95排出多余的样品或者用于将流体从所述井眼(经过流体管路95)泵送到流体管路54。所述泵出模块M具有必要的控制装置以调节泵92并使流体管路54和流体管路95对齐，从而完成所述泵出过程。应该注意的是，在这里，所述泵92可用于将样品泵入到一个或多个样品腔室模块S中，并按照需要为所述样品加压，利用泵出模块M将样品从所述一个或多个样品腔室模块S泵出。如果需要的话，泵出模块M还可用于完成恒压喷射或以恒定流量喷射。如果具有足够的动力，所述泵出模块可以足够大的流量喷射流体以便能够形成用于地层应力测量的微裂缝。
或者，可利用来自泵16的液压流体使如图1中所示的跨式封隔器28和30膨胀和收缩。可以看出，以可选择的方式驱动所述用于驱动泵92的泵出模块M与以可选择的方式操作控制阀96及膨胀和收缩阀I相结合能够以可选择的方式使封隔器28和30膨胀或收缩。封隔器28和30安装在所述设备A的外周边32，并且最好是由一种与井下流体和井下温度相容的弹性材料制成。封隔器28和30中具有一个腔。当泵92在工作并且膨胀阀I设置适当时，从流体管路54流出的流体经过膨胀/收缩装置I和流体管路38流入到封隔器28和30。
如图1中所示，所述探头模块E具有探头组件10，所述探头组件10可相对于所述设备A以可选择的方式移动。探头组件10的移动是由探头驱动器40的操作启动的，所述探头驱动器40可使液压流体管路24和26与流体管路42和44对齐。探头46安装在一个框架48上，所述框架48相对于所述设备A是可移动的，所述探头46相对于框架48是可移动的。这些相对移动是由控制器40启动的，通过以可选择的方式将流体从流体管路24和26引入到流体管路42和44中使所述框架48开始向外移动并与井壁(未示出)接触。在使用过程中，框架48的延伸有助于使所述设备稳定以及使探头46与钻井邻接。由于一个目的是获得地层中压力的精确读数，所述压力反映在探头46处，因此希望使探头46进一步插入到所形成的泥饼中并与地层接触。这样，探头46相对于框架48的移动使液压流体管路24和流体管路44对齐，从而使探头46相对移动到地层中。探头12和14的操作与探头10类似，这里就不再分开描述。
在封隔器28和30膨胀和/或设置探头46和/或探头12和14以后，可开始进行地层的开采试验。样品流体管路54从探头模块E的探头46经过相邻模块向下延伸到所述外周边32的处在封隔器28和30之间的一个位置处、并进入样品模块S中。这样，立式探头46和沉降探头12和14使地层流体根据所需结构经过电阻率测量单元56、压力测量装置58和预测试结构59中的一个或多个而进入到样品流体管路54中。当使用模块E或多个模块E和F时，隔离阀62安装在电阻率传感器56的下游。在关闭位置，隔离阀62限制内部流体管路的容量，提高由压力计58所完成的动态测量的精度。在进行了初始压力试验后，可打开隔离阀62以使流体流到其它模块。
当得到了初始样品时，初始获得的地层流体通常夹杂有泥饼和过滤液。需要在收集一个或多个样品之前从样品液流中去除这种杂质。因此，所述泵出模块M用于在设备A中对通过跨式封隔器28、30的输入口64或立式探头46或沉降探头12或14进入到流体管路54的地层流体样品进行净化。
流体分析模块D包括光学流体分析器99，所述光学流体分析器99特别适用于显示流体管路54中的流体的位置，所述流体分析模块D适于收集一个高质量样品。光学流体分析器99能够识别各种油、气体和水。都受让于Schlumberger的美国专利No.4,994,671；No.5,166,747；No.5,939,717；和No.5,956,132以及其它已知的专利详细地描述了分析器99，这里不再重复，这些文献都作为本发明的参考。
当将设备A中的杂质冲净时，地层流体可连续地流经样品流体管路54，所述样品流体管路54贯通相邻的模块，诸如精确压力模块B、流体分析模块D、泵出模块M(图2)、流动控制模块N以及可连接的任意数量的样品腔室模块S。本领域普通技术人员可认识到，利用一个沿着各个模块长度的样品流体管路54，无需增大所述设备的总直径即可将多个样品腔室模块S堆叠在一起。或者，如下面将描述的，一个单独的样品模块S可装有多个小直径样品腔室，例如可并排设置这样的腔室并且使这些腔室相对于所述样品模块的轴线是等距的(见图6C)。因此，所述设备在被拉到地面之前可取到更多的样品并且可用于较小的井中。
参见图1和图2，流动控制模块N包括一个流动传感器66、一个流动控制器68和一个可选择调节的限制装置(诸如一个阀70)。利用上述设备与储液器72、73和74结合能够以一定的流量获得一个预定样品体积。利用活塞71以及使储液器73的直径小于储液器74的直径来使储液器74的压力保持在大约1/3井眼压力。这是钻井流体用作一种缓冲流体以控制流体管路54中的流体压力以及所获取样品压力的一个示例。
接着，可利用样品腔室模块S收集通过流体管路54输送的一个流体样品，其中，利用来自由流动控制模块N所调节的活塞非采样侧的缓冲流体来控制所述活塞运动，这种方式对于流体采样是有利的但不是必需的。参见图2中的上部样品腔室模块S，打开一个阀80并使阀62、62A和62B保持关闭状态，这样就将流体管路54中的地层流体引入到样品腔室模块S的腔室84中的样品收集腔84C中，接着关闭阀80以使样品被隔离。然后，所述设备可移动到各个位置并重复上述过程。所取到的其它样品可被储放在任意数量的其它样品腔室模块S中，所述任意数量的其它样品腔室模块S可利用对阀的适当调节而被连接在一起。例如，图2中示出了两个样品腔室S。在利用截止阀80的操作而使上部腔室被流体充填以后，通过打开与腔室90的样品收集腔90C相连的截止阀88而使下一个样品被储放在最下部的样品腔室模块S中。应该注意的是，每一个样品腔室模块都具有自己的控制组件，如图2中的附图标记100和94所示。在特定的所述设备结构中使用任意数量的样品腔室模块S或不使用样品腔室模块，这取决于所要进行的测试性质。另外，样品模块S可以是一种多样品模块，如上述和下面将描述的，所述多样品模块具有多个样品腔室。
还应该注意的是，呈全压力井眼流体形式的缓冲流体可被施加到腔室80和90中的活塞背面以便进一步控制被输送到样品模块S处的地层流体的压力。为此，打开阀81和83，并且必须使泵出模块M的泵92对流体管路54中的流体施加的泵送压力超过井眼压力。可以发现，这种操作方式可阻抑或减小在压降试井(drawdown)过程中所经受的压力脉冲或压力“冲击”。对于从疏松地层获得流体样品，采用这种低冲击采样方法是特别有利的。
人们已知，设备A所采用的各种结构取决于所需完成的目的。对于基本采样，液压模块C可与电源模块L、探头模块E和多个样品腔室模块S结合使用。对于储层压力的确定，液压模块C可与电源模块L、探头模块E和精确压力模块B结合使用。对于在储层环境下的未受污染的采样，液压模块C可与电源模块L、探头模块E、流体分析模块D、泵出模块M和多个样品腔室模块S结合使用。对于一个模拟钻杆测试(DST)试验，电源模块L可与封隔器模块P、精确压力模块B和样品腔室模块S结合使用。也可采用其它结构并且这些结构的采用也取决于所述设备所需完成的目的。所述设备可是整体式结构和模块式结构，但是对于不需要具有所有特性的使用者来说，模块式结构具有更大的适应性和较低的成本。
如上所述，样品流体管路54还贯通一个精确压力模块B。模块B的精确压力计98最好近可能地靠近探头12、14或46安装以缩短内部流体管路的长度，这是因为流体的可压缩性可能会影响压力测量的响应性。为了使压力相对于时间的测量更精确，精确压力计98应比应变仪58更敏感。精确压力计98最好是一种石英压力计，石英压力计可通过一种石英晶体的与温度和压力相关的频率特性进行压力测量，人们已知，石英压力计的测量精度高于应变仪的单一应变测量精度。还可通过为控制机构装上适当的阀以交叉的方式操作精确压力计98和应变仪58，从而可使它们在承受不同压力时发挥不同的敏感性和性能。
设备A的单个模块应该能够快速地连接在一起。最好利用凸/凹式连接件取代在这些模块之间的平齐式连接件，以避开通常在井下环境中可能聚集杂质的部位。
在样品收集过程中的流动控制允许使用不同的流速。流动控制对于近可能快地获取有意义的地层流体样品是有用的，这样可在高渗透率的情况下减小由于泥浆渗入到地层中而粘住钢丝绳和/或所述设备的可能性。在低渗透率的情况下，流动控制非常有助于防止在压力低于起泡点或沥青烯沉淀点(asphaltene ptecipitation point)的情况下抽出地层流体样品。
特别地，上述“低冲击采样”方法能够使地层流体中的压降在压降试井过程中降至最小，从而使得对地层的”冲击“达到最小。在所能够达到最小压降的情况下采样还可提高使地层流体压力保持在沥青烯沉淀点以上和起泡点以上的可能性。在一个能够达到使所述压降最小的目的的方法中，样品腔室保持在上述井眼流体静压力处，并且通过监测经过应变仪58的所述设备的输入流体管路压力且调整经过泵92和/或流动控制模块N的地层流体流速来控制原生流体抽入到所述设备中的速度以便仅使能从地层中形成流体流动的所监测压力中的压降达到最小。这样，通过调整地层流体流速使所述压降达到最小。
现参见图3，图3以适用于诸如上述地层测试设备A的一个井下设备中的样品模块SM的形式示出了本发明的一个方面。应该注意的是，尽管利用钢丝绳输送的设备是目前优选使用的，但是本发明是用于井下设备中而不是用于一个利用钢丝绳输送的地层测试设备中、诸如用于钻杆和挠形油管中。样品模块SM包括样品腔室110，所述样品腔室110用于收集一个经过根据以上设备和方法所述的井下设备所获得的地层流体的满容量PVT样品。
从图3A中更详细示出的样品腔室110是对现有技术中的样品腔室进行的改进，它包括一个基本上为圆筒形的合金钢主体110b，所述合金钢主体110b能够安全地承受当将所述样品腔室从钻井中抽出后在地面处对所述样品腔室再次加热到促使所述腔室内的样品成分重新结合所需的温度。这样的温度通常不高于150°F，但是在一些情况下可高达400°F，诸如当从非常深的井中获取样品时。地面再加热通常是利用将加热带施加到所述样品腔室的外部或将所述腔室浸入到一个温度控制容器或池中来完成的。在这样的加热过程中，通过使一个压力计与设置在所述样品腔室中的一个密封端口相连来监测压力。能够使所述样品腔室安全地承受这种温度的主要方法是为所述腔室主体安装一个用于使收集在所述腔室中的样品与所述腔室隔离开的金属对金属的密封件110s，并且为诸如一个安全阀或与样品流体或缓冲流体相连的连接器设置一个用于排出当在地面对所述样品腔室再次加热时所述腔室主体内可能升高的过大压力的压力控制装置。
另外，所述样品腔室主体110b应该被牢固地安装以保证输送。实质上，这要求所述样品容积被限制在600毫升并且在所述腔室主体内存在最少为百分之十的气顶以便在所述腔室主体受到撞击的情况下防止收集在其中的碳氢化合物成分潜在挥发。下面将对充填气顶的用途进行描述。
另外，人们希望样品腔室110能够在基本上不使收集在其中的样品降解的情况下使样品储放一段不确定的时间。达到这种目的的一种解决方案是使样品腔室中所包括的金属对金属的密封件110s作为上述在所述样品腔室中所收集样品的最终截止密封件。这样，对于样品腔室110，采用金属对金属的密封件代替弹性密封件能够提供一些优点。
参见图3A，样品模块SM还包括确认腔室112，所述确认腔室112实质上是一个较小的样品腔室110，所述确认腔室112用于收集显著小于较大的满容积样品腔室的地层流体样品。对于这方面，收集在样品腔室110中的样品容积在500至600毫升左右，而在确认腔室112中的样品容积最好在50至60毫升左右，因此，所述确认腔室的重量大大地被降低并且与样品腔室相比，对其在井位处的再次加热也是更安全的。所述确认腔室的另一个特别的优点是可在不防碍样品腔室的情况下在地面将所述确认腔室从样品模块上拆下，特别是在不防碍收集在样品腔室中的样品的情况下。所述确认腔室还可被加热以促使在从井眼抽取过程中可能被分离的样品流体成分的重新结合，但是由于所述确认腔室中的样品将在井位处被检验以确认收集在样品腔室110中的满容积样品，因此所述确认腔室是不可输送的。
可顺序地或同时随着所述较大的“PVT”样品一起从井眼中获取较小的确认样品，也可从所述满容积样品排出并以分离的方式从所述满容积样品中获取所述较小的确认样品。但是，重要的是，在获取PVT样品的同时获取所述确认样品可使两种样品之间的差异最小化。与比较大的满容积PVT样品相比，所述确认样品在再次加热方面除了更安全和容易以外，还更易于促使其成分通过地面上的这种加热而重新结合。通常，在地面处的确认无需一个完全的PVT分析，这主要是因为发现存在杂质。由于这个原因，所述确认样品可维持在单相下(另一方面，意味着压力补偿)或不维持在单相下。
本领域普通技术人员会认识到，样品模块SM可与井下设备(诸如地层测试设备A)结合以提高这种设备的流体采样能力。在这个方面，本发明提出了一种与改进样品模块SM相结合的用于获得可靠且高质量的地层流体样品的改进的井下设备，该设备包括一个用于在该设备和地下岩层之间建立流通关系的探头组件(例如，上述探头模块E、F)和一个用于将流体从地层抽到所述设备中的泵组件(例如，上述泵出模块M)。
存在几种不同的用于获得一种高质量(PVT)样品和一个确认样品的方法。最重要的是从获取样品(至少所述PVT样品)到分析样品的时间内保持一个单相样品。这最好通过为所述样品充填一种惰性气体来达到，在从井眼抽出所述样品腔室的过程中，当样品温度下降时，所述惰性气体由于其特性会损失很小的压力。充气系统可包含在所述样品腔室本身中或可包含在样品模块中，最好将氮气用作充填气体。
图4和图5示出了两种充气方法。图中示出了在一个所收集的样品的背部上维持一个气顶的概念以使由于样品冷却而导致的压力降低最小化并且增大保持一种“单相”样品的可能性。除了有利于样品成分在加热条件下重新结合以外，在需要转移样品的情况下，一种单相样品可使样品转移对于样品完整性而言是更可靠的。为一种所收集的流体样品充填气体的概念是已知的并且在受让给0i1Phase SamplingServices(Schlumberger的一个部门)的美国专利No.5,337,822中被详细描述，这篇专利的内容在这里作为参考。
图4示出了在样品腔室110内充气的用途。预先通过样品腔室110中的一个端口(未示出)将充填气体引入到加压腔120中并利用活塞121为腔122中的一种缓冲流体加压。腔122中的缓冲流体接着通过活塞123为收集腔124中的样品加压。在这个实施例中，在一个井下设备的样品腔室110进入到井眼中之前根据所预料的井下环境使充填气体达到一个设定压力。样品腔室110还可包括阻挡机构(未示出，但是下面在图14A-14D中示出)，当样品腔室关闭后，所述阻挡机构可使腔120中的充填气体移动活塞121或者使腔122中的缓冲流体移动活塞123。或者，在获取所述样品之后，利用充填气体压力来控制收集腔124中的样品流体压力。活塞123包括弹性密封件(图3A中的附图标记110e)，但是由于缓冲流体和所收集的样品处于相同的压力下，因此在穿过所述弹性密封件的方向上不存在由于压力作用而导致的气体移动。
充气结构可以几种不同的方式重新调整，图5A和图5B中示出了其中两种。在这些图中，充填气体处于样品模块SM(未示出)中，所述样品模块SM内带有样品腔室110。用于释放充填气体的控制机构也在所述样品模块中并且当样品腔室的样品部分在一个或多个截止阀的作用下被关闭时启动所述控制机构。这些结构适用于一种较小且不复杂的样品腔室110，这是因为气体控制机构位于所述腔室的外侧。图5A中示出了将腔120中的充填气体与腔122中的缓冲流体分隔开的活塞121以及将腔122中的缓冲流体与收集腔124中的地层流体分隔开的活塞123。图5B示出了另一种结构，其中氮气N被直接充填到所述加压腔中，因此充填气体与缓冲流体B混合在一起以便按照需要为腔124中的样品流体加载。
还有其它用于在一个样品上保持压力的方法，例如一种通过一个能够检测腔124压力的压力计(未示出)来检测压力并进行动作以使所述压力保持在一个设定限度之上的电动机械系统。这样的方法都在本发明的保护范围内，这里不再进一步描述。
为了使线路和流体管路贯穿所述样品模块，在样品腔室中加入了特定的设计。有两种设计所述样品模块的基本方法。一个模块，称之为SMb，被认为是一种独木舟类型的模块，另一个模块SMa，被认为是一种环形模块。所述两种基本概念分别在图6A和图6B中示出，图6C中示出了具有多个样品腔室的独木舟类型的变型模块SMc的概念。
独木舟类型的模块SMb装有一个用于接收细长圆筒形样品腔室110b的U形通道，并且使样品腔室110b在设计上更简单(实质上是一个管状压力容器)，使所述样品腔室成为一个性价比更高的输送和储放容器。但是，这种独木舟类型的模块由于需要布置如图6B中所示的电源/控制/通信线路通道154b和流体管路54b而形成了一种更为复杂的载体。
另一方面，所述环形模块SMa使线路通道154a和流体管路54a的布置简化，但是使如在图6A中所示的以管套管方式设计的样品腔室110a复杂化。在这个实施例中，样品流体收集在环形腔124a中。
图6C示出了一种独木舟类型样品模块的变型，可使多个样品腔室110在各自的U形通道的区域内。另外，这种独木舟类型的模块由于需要布置线路通道和流体管路(都未示出)而形成了一种更为复杂的载体，但是使样品腔室更简单并且可使样品腔室从样品模块中拆下。
如上所述，样品腔室110必须是可输送的，即，它必须符合诸如theU.S.Department of Transportation和Transport Canada的运输管理代理处的设计要求，以及符合管辖使用所述设备的地区的其它部门的设计要求。所述样品腔室还可被设计成一种可以接收的储放容器。为了达到这些目的，当所述设备到达地面时在一个操作者封闭所述样品腔室后不采用弹性密封件来保持样品压力。这样，本发明需要取消用于保持加压样品的弹性密封件或使它们的数量达到最少。在获取样品后在井下或地面启动的最终截止密封件应该都是金属对金属的，以使气体不能穿过密封件移动，从而不会破坏实际的样品成分。尽管例如通过使样品与缓冲流体接触可使弹性密封件保持压力平衡，但是由于弹性密封件不适于长加热/加压周期，因此使弹性密封件最少化还能使对所述容器的加热更安全。
除了可被输送和可储放以外，样品腔室110还必须可被加热到以符合储放条件，并且设计安全性因素必须能够使所述容器在高达25000磅/平方英寸的压力下被加热到高达400°F的温度。如果需要的话，可安装一个压力安全系统(例如，图9B中所示的安全阀)以减轻一个压力过大的腔室潜在的危险。用于这样一个系统的优选方法是监测所述样品腔室内的压力并能够利用所述样品腔室上的一个连接件以人工的方式排出流体压力。
所述样品腔室还使得能在一个恰恰低于储层压力的最小压降下获取一个地层流体样品，接着提高压力以使压力处在储层压力或高于储层压力，在一些情况下，使之大大高于储层压力，甚至高于井眼压力。在要求压力高于井眼压力的情况下，如上面根据地层测试设备A所描述的内容，需要使一种处在储层压力或高于储层压力的缓冲流体与需要被泵送的样品接触。所述样品腔室还可使所述缓冲流体与一个能够控制流体流动的装置连通以使获取样品的流速可被控制，因此使缓冲流体必须流回到流体管路中。
图7示出了样品模块SM和样品腔室110，所述样品腔室110的腔122中具有一种缓冲流体，利用活塞123使腔124中所收集的样品与所述缓冲流体保持压力连通以使所述样品上的压力降达到最小。这可通过下列方式来达到，即，使缓冲流体与井眼液体静压力相连通(低冲击采样)、将缓冲流体送至一个由样品模块SM所带有的常规流动调节器或将所述流通送至流体管路并利用一个与上述用于设备A的类似模块N的流动控制模块进行调节。
“死角容积”指的是当获取样品时不能被抽出的在流体管路和样品腔室内所包含的流体或气体的容积。换言之，在样品收集过程中留在样品中的多余的容积。因此，死角容积中的流体或气体混合在样品流体中并污染所述样品。在所述的设计中，存在一些死角容积是不可避免的，但是希望使这些死角容积最小化以保证一个PVT质量的样品。
本发明的样品模块和样品腔室还可使“死角容积”最小化并当所述样品腔室被封闭时防止气体损失。死角容积的流体通常包括空气以及诸如水的其它流体，所述诸如水的其它流体通常用于预先充填样品模块SM中的流体管路。死角容积的最小化主要通过限制在隔离阅和样品腔室和确认腔室之间的流体管路长度以及使这些腔室之间的流体管路长度最小化来实现的。图8示出了由在截止阀130和132之间的流体管路长度所限制的死角容积流体的跨度，在本发明中，使在截止阀130和132之间的流体管路长度最小化可避免样品被污染。下面将示出使死角容积最小化的各种实施例。
当采样时，如果不能在同一区域同时获取三个PVT质量样品，通常希望能够获取至少两个。因此，样品模块SM应该使多个样品腔室110在同一采样深度下被充填。所述样品模块最好包括至少两个用于在每一个采样点处被地层流体充填的PVT样品腔室110。这些腔室可被顺序地(一个接着另一个)充填或同时充填。它们的入口之间的距离应该到达最小以保证进入每一个腔室的流体的相似性并使死角容积最小化。
图9至图12中示出了PVT样品腔室和确认样品腔室的几种可能的结合方式。图9A和图9B示出了两个用于以顺序或连续的方式进行充填的样品腔室110和确认腔室112的排列方式实施例。顺序充填指的是一个样品腔室在另一个样品腔室之前被充填。
图9A示出的是，一个输出口140被设置在样品活塞123冲程的端部附近以使样品腔室110的收集腔124在打开输出口140以利用流体管路54提供流体压力以及所述样品开始充填确认腔室112之前被完全充填。
图9B示出了放置在确认腔室112的缓冲流体输出管路144中的安全阀142。安全阀142是保持关闭的以防止流体流入到确认样品收集腔124v中，直至样品腔室110的腔124中的样品压力高于安全阀的安全压力时安全阀142才打开。这样可使满容积样品腔室110在较小的确认腔室112之前被样品充填。应该注意的是，在图9B中的实施例中由于增加了流体管路长度，因此图9B中的顺序充填结构使死角容积大于图9A中所示的结构，在图9A中所示的结构中死角容积被最小化。
图10A和图10B示出了两个用于同时充填样品的样品腔室110和确认腔室112的实施例。同时充填指的是两个腔室同时被样品充填的充填方式。
在图10A中，通过打开密封阀150和截止阀146和148使流体管路54中的流体充填各自的收集腔124和124v，从而使腔室110和112被同时充填。缓冲流体腔122和122v通向具有基本上相同压力的缓冲流体或相同的缓冲流体源，从而使腔室110和112基本上同时被充填。
图10B示出了另一种同时充填的结构，这种结构与图10A的实施例相比能够减小死角容积，这是因为流体管路和阀150、146和148的布置比较紧凑。在所示的特定结构中，确认腔室112的取向与图10A中的取向是颠倒的以使截止阀146和148布置在中部。
实际上，同时充填结构很可能会导致一个腔室在另一个腔室之前被充填，这是由于摩擦力的不同所引起的。因此，这种方法在技术上被认为是顺序充填，但是腔室充填的顺序与图9A和图9B中所示的纯粹的顺序充填方式是不同的。
大多数样品腔室设计基于以下几个原因采用了至少一个活塞，这些原因包括使死角容积最小化，控制样品上的压降，易于抽取用于分析的样品以及简化设计。图11A-图11C中示出了一种样品模块的布置，其中确认腔室112中没有设置活塞。图11A示出的是，样品腔室110通过流体管路54与确认腔室112是串联布置的。截止阀152、148和146都是打开的，调整密封阀150和151以使流体流经确认腔室112和密封阀150，这样流体不会被导入到样品腔室110中。
在图11B中，调整密封阀150将流经确认腔室112的流体引入样品腔室110的流体收集腔124中。在该图中，活塞123在样品腔室110的底部移动到大约为所述腔室内部容积一半的高度，排出腔122中的缓冲流体。
当活塞123在样品腔室110内向上移动到其最大行程后，调整密封阀152使流体绕过确认腔室112和样品腔室110被引入到流体管路54中。如图11C中所示，这种操作具有将收集在腔室112和110内的样品加以封闭的效果。根据需要，此时也可关闭截止阀152、148和146。
图12示出了可由一个流体管路54充填多个样品腔室以便在一个采样点同时收集多个储层流体样品。该结构包括三个满容积样品腔室110和一个确认腔室112，所述这些腔室与适合的流体管路和阀并联。本领域普通技术人员将认识到，这样一种多个腔室的结构也可串联在一起。
还可认识到，为了简化，图9至图12中未示出气体充填的装置。实际上，尽管所述确认腔室可具有或不具有一个气体充填系统，但是PVT样品腔室110应设有一个气体充填加压系统以控制所收集样品的压力。
图13A至图13D示出了下列步骤，这些步骤包括顺序充填一个样品腔室，关闭所述样品腔室，利用一个单独的气体充填腔室从所述样品腔室中将一部分样品抽到所述确认腔室，以及关闭样品腔室和确认腔室。这些图示出了设置一个用作加压系统的气体充填模块的多种可能采用结构中的一种。这种结构使确认样品直接从所述满容积样品腔室中排出。尽管所示的取向是优选的，但是在这种结构中的腔室可被颠倒以使样品从顶部进入而不是从底部进入。这些结构示出了一个具有相关联的流体管路、密封阀和截止阀的用以利用充填加压气体(诸如氮气)来控制所收集样品压力的实施例。样品腔室110装有一个自关闭机构以减少将样品腔室与流体管路隔离所需的阀的数量在本领域中是已知技术。也可具有加入多向密封阀以便进一步减少所需阀的数量的设计理念。
在图13A中，地层流体流经流体管路54并通过密封阀150和截止阀146进入到收集腔124中。此时关闭阀162。在图13B中，可以看到，通过充分提升活塞123充填样品腔室110，由于腔122中的缓冲流体不再通过输出阀156排出，因此在液压作用下会防止所述提升的活塞进一步移动。此时，关闭输出阀156并且关闭密封阀150以使流体管路54仅通向流体管路部分54a，使流体收集腔124和124v互连。在图13C中，打开阀162和158，使流体管路54中的流体压力充填到气体充填腔室160的腔164中，迫使腔166中的气体通过阀158加入到加压腔120中。这会使活塞121和123向下移动，迫使在收集腔124中的流体通过阀146、150和148加入到确认腔室112的收集腔124v中。接着，在图13D中，关闭阀162和158，将所收集的样品封闭在腔室110和112内。根据需要，阀148此时也可被关闭。
图14A至图14D示出了布置样品腔室110、确认腔室112和气体充填腔室160的另一种结构，其中，样品腔室110和确认腔室112设置在样品模块SM中并且气体充填腔室设置在气体充填模块GM内。在该结构中，两个腔室110和112是通过一种充填气体进行压力控制的并且是同时充填的。应该认识到，这种结构也可被变型为多个满容积腔室和/或确认样品腔室在样品模块SM内同时被充填的结构。
在图14A中，泵出模块M(如上所述)为流体管路54中的地层流体加压。利用探头模块E和/或F从地层中抽取地层流体并且利用输出阀170开始对经过流体管路54进入到井眼中的地层流体进行冲洗。此时，打开阀176、178和180使存在于腔122和122v中的缓冲流体受到井眼压力的作用，从而使活塞121和121v移动到它们最上端的位置并抵靠着挡块174和174v。实际上，井内流体可用作所述缓冲流体。
参见图14B，在将杂质从流体管路54中的流体中被充分地冲净后，关闭阀170并且使流体从流体管路54经过密封阀150和截止阀146流入到样品腔室110的收集腔124中。类似地，同时使流体经过密封阀152和截止阀148流入到确认腔室112的收集腔124v中。为了达到这个目的，泵出模块M必须克服作用在活塞123和123v上的井眼压力。这样，流体管路54中的流体必须以一个高于井眼压力的压力被泵送，从而使收集腔124和124v被充填并且迫使活塞123和123v压靠着各自的挡块172和172v。这还能排出存在于腔122和122v中的缓冲流体。这也是上述的低冲击采样方法。
在图14C中，通过关闭密封阀150、152和178使所收集的样品被封闭。打开阀158、159和161使流体管路54中的流体向下推动气体充填腔室160中的活塞，为腔120和120v充填氮气。这样可向下移动活塞121、123、121v和123v以使收集在腔124和124v中的样品被压缩。
在图14D中，当样品返回地面时由于样品的冷却而使样品被进一步压缩，如活塞121、123、121v和123v的附加向下移动所示。在抽取样品之后，以人工的方式关闭阀158、176、146、148、180和161。在一些情况下，在从模块SM中取出腔室110和112之前还必须关闭阀159。尽管所示的阀159是一个电控密封阀，但是它也可是一个人工控制的截止阀。现在所述样品腔室位于地面，在将样品腔室从井眼中抽出的过程中所述腔124和124v中的样品收缩。加压腔120和120v中的气体膨胀以使所收集样品的压力保持恒定，使样品处于“单相”状态。
图15示出了另一个带有一个气体充填腔室160的样品模块SM，其中为相应样品腔室110和确认腔室112中的缓冲流体122、122v的加压不取决于所述样品模块中的流体管路54。
应该注意的是，所有样品腔室(即PVT样品腔室和确认腔室)都具有一个促使流体搅动的机构以利于样品成分在地面处的重新结合。该机构可以是简单的实心棒或是在样品腔室内的不混溶的粘稠液体，当所述粘稠液体被摇动或倒置时，所述液体进入样品中以促使样品成分混合。该机构还可以是一个与所述腔室相连的搅拌机构或一种磁性搅拌机构。如果开发一个外部系统使其无需与样品接触即可对样品进行搅动，诸如采用超声波，也可不采用这种安装在样品腔室中的机构。
如上所述，本发明显然能够达到前面所述的目的和特征以及在这里所披露的设备中固有的其它目的和特征。
目前的采样设备不能令人满意地将一种高质量的储层样品带到地面。这种新的模块优于目前的模块。这种模块可不受输送设备的限制用于开放式或套管井中。
本领域普通技术人员显然可以在不超出本发明保护范围的情况下对本发明进行改进和变型。因此，本发明的实施例仅仅是为了对本发明进行描述而不是对本发明的限制。本发明的保护范围是由后面的权利要求而不是由上述内容进行限定的，权利要求中所述的内容和权利要求的等同变化都将落入本发明的保护范围内。