地层流体取样装置和方法

专利名称：地层流体取样装置和方法
技术领域：
本发明主要涉及对地下地层的研究，尤其是涉及降低引入井下地 层测试和取样工具内的地层流体的污染的装置和方法.背景技术通常将井钻入地下或海床中以获取围闭在地壳的地质地层内的石 油、天然气以及其它所需物质的天然矿藏。通常利用连接在"钻柱" 下端的钻头进行钻井.通常通过钻柱将钻井液或"泥浆"向下泵送到 钻头.钻井液润滑和冷却钻头，并且在钻柱和井壁之间的环空中将钻 屑携回地面。为了成功地进行油气勘探，必须具有关于井筒所穿透的地下地层 的信息。例如，标准地层评价的一个方面涉及对地层压力和地层渗透 率的测量。这些测量对于预测地下地层的产能和开采期限是非常关键 的，用于测量地层和流体性质的一种技术包括将"钢缆"起下工具下 入到井中以测量地层性质。钢缆起下工具为一种悬桂在钢缆上的测量 工具，其与设置在地面上的控制系统电连接。将所述工具下入到井中以便测量所期望深度处的地层性质， 一种典型的钢缆起下工具可包括 能够挤靠在井壁上以与地层建立流体连通的探测器.这种类型的钢缆 起下工具常常被称为"地层测试器"。利用所述探测器，地层测试器 测量地层流体的压力，产生压力脉冲，该压力脉冲决定了地层渗透率。 地层测试器工具通常还能够取回地层流体样品，该地层流体样品基本 上被传送至地面进行分析或在井下被分析.为了使用任意钢缆起下工具，无论所述工具为电阻率、孔隙度测 试工具还是地层测试工具，必须将钻柱从井中收回以便将所述工具下入到井中。这被称为向上"起出"("trip" uphole),此外，还必 须将所述钢缆起下工具下入到目的层，通常在井底处或附近。将钻柱 收回并将钢缆起下工具下入的组合是耗时的措施并且需要花费数小 时，花费的时间取决于井筒的深度，由于"起出"钻管和将钢缆起下 工具下入井筒需要大量的花费和钻井时间，因此仅仅在所述信息绝对
必要或由于其它原因需要将钻柱起出如更换钻头时一般才使用钢缆起 下工具.钢缆地层测试器在一些专利文献中进行了描述，如美国专利US3, 934， 468 、 US4， 860， 581 、 US4， 893， 505 、 US4， 936，139 和 US5， 622， 223。为了避免或将与起出钻柱相关的停工时间降到最小，已研发出另 一种测量地层性质的技术，其中将工具和设备布置在钻井系统的钻头 附近。因此，在钻井操作期间就可进行地层测量.本领域常用的术语 为"MWD"(随钻测量)和"LWD"(随钻测井)。各种井下MWD和LWD 钻井工具被大量应用。MWD通常指的是测量钻头轨迹以及井筒温度和压力，而LWD指的是 测量地层参数或性质，如电阻率、孔隙度、渗透率、声速及其它。实 时数据如地层压力允许钻井公司在钻井操作期间对钻井泥浆的重量和 组分作出决定，以及对钻速和钻压作出决定.虽然LWD和MWD对于本 领域普通技术人员而言具有不同的意思，但是它们之间的区别对于本 公开并没有什么密切关系，因此本公开不区分这两个术语之间的差别。无论是在钢缆操作期间还是在钻井期间，地层评价常常需要将地 层流体引入到井下工具中以进行测试和/或取样。各种取样设备，典型 地被称为探测器，从井下工具伸出以与井筒周围的地层建立流体连通 并将流体引入井下工具。 一种典型的探测器为圆形元件，其从井下工具伸出并靠在井壁上。探测器端部的橡胶封隔器用于与井壁产生密封。用于与井壁形成密封的另一种设备被称为双管封隔器。利用双管封隔 器，两个弹性体环关于所述工具径向膨胀从而在部分井筒之间产生封隔，所述环与井壁形成密封并允许将流体被引入到分隔的井筒部分内 和被引入到井下工具内。村在井筒上的泥饼常常对于帮助探测器和/或双管封隔器与井壁形 成密封是有用的。 一旦密封形成，通过降低井下工具内的压力，地层 流体就会通过入口而被引入到井下工具中。用在井下工具内的探测器 和/或封隔器的实例在美国专利US6，301， 959 、 US4， 860，581、 US4， 936, 139、 US6， 585， 045、 US6， 609， 568和US6， 719， 049和美国专利 申请US2004/0000433中进行了描述，当所迷工具保持在井下时可对引入井下工具的流体进行油藏评 价。目前存在多种技术用于进行各种测量、预测试和/或对进入井下工 具的流体的样品收集。然而已经发现，当地层流体进入井下工具时， 各种污染物如主要以来自地层"侵入带(invaded zone)"的泥浆滤 液形式存在的井筒流体和/或钻井泥浆可随着地层流体进入所述工具。 侵入带为衬在井筒上泥饼层径向之外的部分地层，在侵入带处泥浆滤 液已经穿透泥饼层后面的地层.这些泥浆滤液污染物可影响测量和/或 地层流体样品的质量.此外，由于需要另外的时间来获得测试结果和/ 或代表地层流体的样品，污染物可在井筒操作中产生昂贵的时间耽搁。 另外，这些问题可产生错误的和/或无用的虚假结果。因此，需要进入 井下工具的地层流体足够'清洁，或'纯净，以进行有效测试。换句 话说，地层流体应当具有^艮少或没有污染物.人们试图将随着地层流体进入井下工具的污染物消除.例如，如US4，951， 749中所述，将过滤器设置在探测器内以阻止污染物随着地层 流体进入井下工具。另外，如US6, 301, 959所示，探测器具有护團以 在污染物进入探测器时使被污染的流体转移远离清洁流体.最近，美 国专利申请US2006/0042793中描述了一种中心取样探测器，其具有在 取样探测器外圆周周围伸出的环形"防护"探测器，从而力图使被污 染的流体转移远离取样探测器。尽管存在进行地层评价和试图处理污染物的技术，但是仍然存在 当流体进入和/或穿过井下工具时控制穿过井下工具的流体的流动以降 低污染物的需要。所希望的是这种技术能够使污染物转移远离清洁流 体.此外，在随钻应用中，测量装置暴露于钻井操作期间存在的极限 力中。横向穿过钻柱结构的壁而延伸的任意装置如探测器同样会消弱 所述结构.因此，所希望的是设计探测器装置，以便不仅仅使随钻力 最小和/或经受得起随钻力，而且使由探测器装置的存在而在钻柱内产 生的任何结构消弱降至最小程度.发明内容提供一种用于从地层中获取地层流体样品的流体取样系统，所述 地层围绕沿着井筒轴线延伸的井筒，并且所述地层内具有原始 (virgin)流体和受污染的流体。所述系统包括样品入口、设置在样 品入口附近并且在沿井筒轴线的第一方向上同样品入口隔开的第一防 护入口、设置在样品入口附近并且在沿井筒轴线的第二相对的方向上 同样品入口隔开的笫二防护入口 .至少一根清除管线流体地连接到第 一和笫二防护入口上以输送受污染的流体，且评价管线流体地连接到 样品入口上以收集原始流体。在一种改进型中，样品入口设置在包括样品入口伸出机构的样品
探测器组件上，所述笫 一 防护入口设置在具有笫 一防护入口伸出机构 的第一防护探测器组件上，并且所述第二防护入口设置在具有第二防 护入口伸出机构的第二防护探测器组件上，其中样品入口、第一防护 入口和第二防护入口伸出机构相互之间可独立操作.在一个相关的改进型中，样品探测器组件包括完全围绕样品入口 外围的样品入口封隔器，第一防护探测器组件包括完全围绕第一防护 入口外围的第一防护入口封隔器，第二防护探测器组件包括完全围绕 第二防护入口外闺的第二防护入口封隔器。在另一改进型中，样品入口封隔器、笫一防护入口封隔器和笫二 防护入口封隔器被成形为具有大致连续外闺的复合封隔器的区段。在一个改进型中，样品探测器组件、第一防护探测器组件和第二 防护探测器组件设置在钻具的稳定刀翼上，在另一改进型中，样品入口、笫一防护入口和笫二防护入口整体 设置在具有入口伸出机构的单探测器组件上，在又一改进型中，入口封隔器包括设置在样品入口与笫一防护入 口之间的第一封隔器区段和设置在样品入口与第二防护入口之间的第 二封隔器区段。在相关的改进型中，第一和笫二封隔器区段还包括加强材料。 在一个改进型中，入口封隔器的外表面具有防护通道。 在另一改进型中，所述系统与钢缆起下的工具共用， 在另一改进型中，所述系统与钻具共用。还公开了 一种与从地层中获取地层流体样品的流体取样系统共同 应用的探测器组件，所述地层围绕沿着井筒轴线延伸的井筒，所述地 层内具有原始流体和已受污染的流体。探测器组件包括入口伸出机构 和连接到入口伸出机构上的样品入口 .笫一防护入口连接到入口伸出 机构上，所述第一防护入口与样品入口相邻设置并在平行于井筒轴线 的第一方向上同样品入口隔开.第二防护入口连接到入口伸出机构上， 所述第二防护入口与样品入口相邻设置并在平行于井筒轴线的第二相 对方向上同样品入口隔开。入口封隔器完全围绕样品入口、第一防护 入口和笫二防护入口的外围.在相关的改进型中，探测器封隔器包括设置在样品探测器与第一 防护探测器之间的第一封隔器区段和设置在样品探测器与笫二防护探 测器之间的笫二封隔器区段，其中所述第一和笫二封隔器区段还包括 加强材料.在另一改进型中，探测器封隔器的外表面具有防护通道，
在另一改进型中，防护通道包括完全围绕样品探测器外围的中心 环状部分、完全围绕第一防护探测器外闺的笫一护團部分、完全围绕 笫二防护探测器外闺的第二护围部分、在中心环状部分与第一护圏部 分之间延伸的笫一连接部分、以及在中心环状部分与第二护團部分之 间延伸的笫二连接部分.在另一改进型中，防护通道包括完全闺绕第一防护探测器外围的 护團部分和连接到护團部分并从其上延伸的至少 一个笫 一翼部分。在又一改进型中，防护通道还包括连接到护圏部分并从其上延伸 的第二翼部分.在一个改进型中，笫二防护通道包括完全围绕第二防护探测器外 围的护围部分和连接到护闺部分并从其上延伸的至少一个笫一翼部 分。在相关的改进型中，防护通道由连接到探测器封隔器上的通道嵌 入部限定。在另一改进型中，通道嵌入部机械地连接到探测器封隔器上。 在另一改进型中，样品入口、笫一防护入口和笫二防护入口可枢 转地连接到入口伸出机构上.所公开的井下工具连接到设置在井筒内的钻柱上，所述井筒沿着 井筒轴线穿过地下地层。所迷工具包括具有至少一个限定刀翼轴线的 稳定刀翼、装在稳定刀翼内的入口伸出机构和连接到入口伸出机构上 的探測器组件的钻铤.所述探测器组件包括具有口部的样品入口，所 迷口部具有平行于刀翼轴线的第一轮廓尺寸和垂直于刀翼轴线的第二轮廓尺寸，其中笫一轮廓尺寸大于笫二轮廓尺寸。内封隔器完全围绕样品入口外围，防护入口完全围绕内封隔器外闺延伸，外封隔器完全围绕防护入口外围.在一个改进型中，探测器組件可枢转地连接到入口伸出机构上。 在另一改进型中，所迷口部具有大致椭圃形的剖面轮廓，所述剖面轮廓具有包括长轴的笫 一轮廓尺寸和包括短轴的笫二轮廓尺寸.在又一改进型中，第二轮廓尺寸小于约3.5英寸.


为了更加全面地理解所公开的方法和装置，结合附图对实施例进行更加详尽地描述，其中图1为具有本发明探测器組件的井下工具的部分剖面示意图，其中所述井下工具为井下钻具；
图2为具有本发明探测器组件的井下工具的部分剖面示意图，其中所述井下工具为钢缆起下工具；图3为根据本公开制作的地层流体取样系统的一个实施例；图4为图3所示地层流体取样系统的示意剖面图；图5和6示意性地示出了用于与图3所类似的地层流体取样系统的可选择的探测器布置；图7示出了可选择的地层流体取样系统；图8示意性地示出了利用图7所示的地层流体取样系统期间的流 体流动；图9示出了另一可选择的地层流体取样系统； 图IO为用在图9所示地层流体取样系统中的封隔器的详细视图； 图11为根据本公开制作的地层流体取样系统的另一实施例的平面 视图；图12为沿着图11中的线A-A所作的地层流体取样系统的剖面视图；图13为根据本公开制作的地层流体取样系统的又一实施例的平面 视图；图14为装在倾斜的钻铤稳定刀翼内的地层流体取样系统的示意图；图15示意性地示出了装在垂直的钻铤稳定刀翼内的类似于图14 所示的可选择的地层流体取样系统；图16为图15所示地层流体取样系统的放大平面视图；图17A和17B示意性地示出了根据本公开制作的具有可枢转的探 测器组件的地层流体取样系统；以及图18示意性地示出了探测器组件的另一实施例，其中所述入口是 细长的以适于用在钻铤的稳定刀翼上，应当理解，所述附图未必按比例进行绘制，并且所公开的实施例 有时为示意性地示出和局部视图。在特定情况下，对于理解所公开的 方法和装置不必要的详细内容或提供难于想象的其它细节的详细内容 ,已经被省略.当然应当理解，本公开并不局限于所示的特定的实施例。
具体实施方式
本公开涉及下述的探测器组件和结构，该探测器组件和结构可在 钻井环境或钢缆环境中与井下工具一同使用.这里所公开的装置和方 ;法降低了地层流体样品的污染.在一些改进型中，本公开涉及多个独 立可操作的探测器组件的相对位置.在一个或更多个其它改进型中， 流体取样系统包括具有多个探测器的单个组件.此外，本发明公开了一种尤其适用于随钻应用的探测器结构.术语"随钻地层评价"指的是可在钻井过程中进行的各种取样和 测试操作，如样品收集、流体抽空、预测试、压力测试、流体分析、 电阻率测试以及其它，应当指出，"随钻地层评价"不是一定指在钻 头实际穿过地层时进行测量.例如，样品的收集和抽空常常是在钻井 过程中的短暂停歇期间进行的.也就是说，转头的旋转暂且停止以便 进行所述测量。 一旦所述测量完成可以继续钻井。即使在某些实施例 中所述测量仅仅在钻井停止之后进行，所述测量仍可在不将钻柱起出 的情况下进行.在示例性的实施例中，根据本公开的探测器组件由井下工具携带，如图1中的钻具10或图2中的钢缆起下工具10，.探测器组件还可用 在其它适于将流体引入其内的井下工具中，如挠性油管、钻井套管 (casing drilling)和其它各种井下工具。图1示出了从钻机5伸出并进入地层中从而形成井筒14的井下钻 具10。井筒穿入含有地层流体21的地下地层F。井下钻具通过一根或 多根构成钻柱28的钻铤11悬桂在钻机上，"泥浆"被泵送通过钻柱28 并从钻具10的钻头30中流出。泥浆被泵送穿过井筒并返回到地面以 进行过滤和循环再利用。在泥浆通过井筒时，其沿着井筒17形成了泥 浆层或泥饼15 。部分泥浆渗入地层从而形成地层F的侵入带25。在如图所示的实施例中，钻具10具有探测器26，探测器26用于 与地层F建立流体连通并按照箭头所示的方向将流体21引入井下工 具，如图1所示，探测器位于钻具的稳定器刀翼(stabilizer blade) 23内并由此延伸从而与井壁接合.稳定器刀翼23包括一个或多个刀 翼，所述刀翼与井壁接触以限制钻头30晃动。钻柱在旋转时易于"晃 动"从而偏离井筒17的轴线并使钻头改变方向。有利地是，稳定器刀 翼已经与井壁接触，因而如果探测器设置在稳定器刀翼23内，那么探 测器需要较少的延伸就能与地层流体建立流体连通.可对利用探测器26引入井下工具的流体进行测量以确定某些参 数，如预测试和/或压力参数，此外，井下工具可具有如样品室之类的 设备以便收集在地面取回的流体样品，备用活塞88还可用于协助施加 力以推动钻具和/或探测器靠在井壁上。钻具可为各种钻具，如随钻测 量("MWD")、随钻测井("LWD")、套管钻井或其它系统。 一种 可用于进行各种井下测试的示例性钻具在申请号为10/707, 152、申请
日为2003年11月24日的美国专利申请中进行了描述，该申请的全部 内容引入这里作为参考。井下钻具10可从井筒中取出并且利用钢缆18将钢缆起下工具10， (图2)下入到井筒中. 一种能够进行取样和/或测试的示例性钢缆起 下工具在美国专利US4， 936，139和US4， 860，581中进行了描述，这两 篇专利的全部内容引入这里作为参考。井下工具IO，被布置到井筒14 中并利用钻机5下方的常规钢缆18、或导管或常规油管或挠性油管悬 挂在井筒内。所示的钻具10，具有各种模块和/或部件12，包括但不局 限于探测器26，，探测器26，用于与地层F建立流体连通并按照箭头所 示方向将流体21引入所述井下工具.备用活塞8可用于进一步推动井 下工具使其靠在井壁上并协助探测器与井壁接合，图1和图2所示的 钻具可是模块化的(如图2所示)或者是一体式的(如图1所示)， 或者是它们的组合.参见图3，探测器组件30凹陷在钻铤34的稳定刀翼32内。探测 器组件30包括样品入口 36、第一防护入口 38和笫二防护入口 40。每 一入口 36, 38, 40在横切于钻铤34的纵向轴线的方向上排列并通常处 于缩回位置以便入口 36,38,40装在稳定刀翼32中的一个或多个空穴 内。 一种专用探测器伸出机构(如美国专利US6， 230， 557、 US4， 860. 581 和US4， 936，139中所描述的液压机构，这些专利共同转让给本申请的 受让人，并且这些专利的全部内容引入这里作为参考)可操作地连接 到每一入口 36, 38, 40上以便选择性地和独立地将相关入口移动到伸出 位置。在伸出位置，入口 36, 38,40可伸出空穴外以便使所述入口处于 接触井壁17的最佳位置.备用活塞42a-c是可伸出的以便朝向地层F 移动探测器组件30。虽然示例性的实施例描述了可伸出的入口，可以理解，所述入口 可以是不可伸出的因而关于钻铤34的位置相对固定，此外，探测器组 件30可包括保护器，该保护器在钻井和/或起钻操作期间向入口提供 机械保护并向泥饼提供机械保护从而防止泥浆受到流动泥浆的冲蚀。 一种这样的保护器在美国专利US6, 729, 399中进行了描述，该专利通 常受让给本申请的受让人，其全部内容引入这里作为参考。如图4所示，连接到入口上的流体管线用于使废弃流体或清洁流 体通过。在所示的实施例中，样品入口 36通过入口管线流体地连 接到评价管线52。旁路管线56a在样品探测器38与清洁管线58之间 流体连通.第一防护入口 38也分别通过入口管线54b和旁路管线56b 流体地连接到评价和清洁管线52, 58,类似地是，笫二防护入口 40通
过入口管线54c和旁路管线56c与评价和清洁管线52, 58流体连通. 阀60a-f设置在入口和旁路管线54, 56内以按照需要引导流体流向评 价和清洁管线52, 58。流体传感器，如光学流体分析仪46a，46b，与管 线52， 58相连以提供特征反馈或关于穿过管线的流体的其它信息。泵62流体地连到评价和清洁管线52， 58上。样品储存组件(未示 出)在评价管线52和清洁管线58的连接点处的上游与评价管线52流 体连通，以便提供收集清洁流体样品的装置。泵排出管线64可在泵和 井筒14之间连通以便排出受污染的地层流体。泵62和阀60a-f可以 以各种方式进行操作以便将受污染的地层流体从探测器邻近区域 36, 38, 40中清除和将清洁地层流体引入评价管线52，如申请号为 2006-0042793的美国公开专利申请中所描述的方法，该专利申请中的 全部内容引入这里作为参考.探测器组件30的每一入口 36, 38, 40包括用于与井壁17进行密封 的封隔器。如图3和4所示，提供了样品入口封隔器80，该封隔器完 全闺绕样品入口 36的外闺，类似地是，第一和第二防护入口封隔器 82, 84分别完全闺绕第一和笫二防护入口 38, 40的外围.入口 36, 38, 40相互相对设置以降低到达样品入口 36的污染物的 量。在所示的实施例中，第一防护入口 38位于样品入口 36的附近和 上方，而笫二防护入口 40位于样品入口 36的附近和下方。这种入口 布置使进入样品入口 36的侵入带流体降至最低或防止了侵入带流体进 入样品入口 36,侵入带25为泥浆滤液进入井筒14径向之外的地层F 区域，泥饼层村在井壁17上 一旦来自侵入带的含有滤液的地层流体 已经被从入口 36, 38, 40周围的周向区域去除，笫一和笫二防护入口 38，40防止了泥浆滤液和受污染流体朝向样品入口 36轴向运移.因此， 样品入口 36取回了含有少量或不含滤液污染物的地层流体。入口 36, 38, 40之间的距离必须平衡性能和结构之间的考虑。 一方 面，希望入口 36, 38, 40相互尽可能地靠近，从而使起始必须在在样品 入口 36处获得清洁的流体流动之前从地层泵出的流体的体积最小。另 一方面，每一入口 36, 38，40需要穿过钻具外部的小孔，在随钻应用中，携带探测器组件的钻铤必须在结构上能够承受钻井操作期间所受到的 力。此外，间隔的入口 36, 38, 40还降低了进入每一入口的液流之间交 叉污染的机会。因此实际上优选每一相邻对入口之间的间距为至少一 个入口直径'在不偏离本公开范围的情况下可应用各种可选择的入口结构和组 合。例如，不用提供垂向排列的入口 (如图3和4所示)，样品入口 36
偏离第一和第二防护入口 38, 40而水平排列(如图5所示)。在该实 施例中，样品入口 36从钻铤11的第一侧伸出，而第一和二防护入口 38,40从钻铤11的第二相对侧伸出.这种结构对于防止滤液到达样品 入口 36仍然是有效的，这是因为第一和笫二防护入口 38，40将流体从 每一入口周围环形带内的地层区域中去除.可选择地是，可提供另外 的防护入口 86，如图6所示.图7和8示出了一种可选择的探测器組件实施例，其具有多个由 单伸出机构驱动的入口。图中示出探测器组件100凹陷在钻铤103的 稳定器刀翼101内。探测器组件100包括样品入口 102、第一防护入口 104、第二防护入口 106。入口 102,104, 106可操作地连接到单伸出机 构上，所述单伸出机构同时推出和收回探测器，或者可选择地是，所 述入口可为不可伸出的.所述探测器组件IOO还包括单封隔器110，其 完全围绕在样品入口 102、第一防护入口 104和第二防护入口 106的外 围.入口 102, 104, 106通常与笫一和笫二防护入口 104, 106之间的样 品入口 102对齐.备用活塞107用于将组件IOO定位在井壁17附近。在操作中，携带探测器组件100的钻铤101被定位在井筒14中， 如图8所示。为了执行测试，通过将102, 104, 106伸出钻铤101或将 备用活塞107伸出或者将两者都伸出直到封隔器110接触井壁117或 与泥饼15形成密封为止，从而将探测器组件IOO设置在井壁17附近. 如上所述，钻井泥浆通穿过井壁17渗入地层并在井壁14周围形成侵 入带25,并留下村在井壁17上的泥饼15层。侵入带25含有泥浆和其 它污染周闺地层(包括含有清洁地层流体114的地层F)的井筒流体， 如图8所示，对探测器组件100的操作将会将受污染的地层流体从紧 围入口 102,104,106的区域中去除，在操作期间，滤液可继续穿过侵 入带25向上或向下轴向运移.在到达样品入口 102之前，通过第一和 第二防护入口 104, 106可将这种任意运移的滤液去除，从而使得样品 入口 102获取基本上清洁的地层流体样品.图9和图10示出了具有多个入口的单探测器组件的可选择实施 例。所示的探测器组件120连接到钻铤122上。探测器组件120包括 样品入口 124、第一防护入口 126、第二防护入口 128。当封隔器130 具有设置在样品入口 124、第一防护入口 126和第二防护入口 l"外部 的外部部分132。封隔器130还包括在样品入口 124与笫一防护入口 126 之间延伸的第一内部区段134和在样品入口 124与第二防护入口 128 之间延伸的笫二内部区段136.在所示的实施例中，入口 124，l26，128 的外圆周形成了由第一和笫二封隔器区段134,136中断的椭圆形。在 这种布置中，入口 l24，126，128在垂向上更加靠近，这样可提高通过 样品探测器所取回的地层流体样品的清洁度。可加固第一和第二封隔器区段134, 136以提高它们抗压差能力。 一种加固材料，如金属、复合材料或其它高强度材料，可被模压成橡 胶封隔器130的第一和笫二区段134， 136.笫一和笫二区段134， 136防 止了滤液垂向进入样品入口 124,当样品入口 124的左側和右侧部分相 对未受保护时，已经发现一旦在初始阶段被排出，样品入口 124周围 的圆周区域就会保持相对清洁的滤液，并且第一和第二防护入口 126, 128防止了进入地层该区域的垂向运移。此外，图9和10所示的 样品入口 124结构允许这些未受保护侧的部分很小，从而还使由滤液 所污染的滤液或地层流体到达样品入口 124的可能性最小，虽然所示 的入口 124, 126, 128具有适应椭圆形封隔器外部部分132的形状，但 是可以理解，在不偏离本公开范围的情况下可以使用其它形状。图11和12示出了另一种改进型，图中示出了一种具有形成在封 隔器154外表面上的防护通道152的探测器组件150。探测器组件150 包括样品入口 156、第一防护入口 158和第二防护入口 160。封隔器154 完全围绕在入口 156, 158, 160的外围。防护通道152形成为封隔器154 外表面上凹槽。防护通道152包括同样品入口 156外围分隔开并完全 围绕样品入口 156外围的中心环状部分162、与笫一防护入口 158的外 围相邻并完全围绕第一防护入口 158外围的第一护團部分164、与笫二 防护入口 160的外围相邻并完全围绕第二防护入口 160外围的第二护 圈部分166.笫一连接部分168在中心环状部分162和笫一护團部分164 之间延伸，第二连接部分170在中心环状部分162和笫二护團部分1" 之间延伸。在所示的实施例中，防护通道152形成在连接到封隔器154上的 通道嵌入部172内.例如，通道嵌入部172可机械地连接到封隔器154 上，例如通过形成容纳在锚槽176内的突出部174,以便形成燕尾状连 接，最好如图12所示，通道嵌入部172可由低模量材料(如钛合金) 构成以便更好的适应井壁。可以理解，在不脱离本公开范围的情况下 可以使用除了钛合金之外的其它低模量材料。所迷通道可由图12所示 的结构性管道限定，或者可由具有整体流动通道的多孔材料限定。在图13中示出了使用不同防护通道结构的可选择组件。防护探测 器组件180包括样品入口 182、第一防护入口 184、和第二防护入口 186。 封隔器188完全围绕样品入口、第一和第二防护入口 182, 184, 186的 外围 样品入口通道190设置在封隔器188的外表面上，其邻近并完
全围绕样品入口 182的外围。笫一防护通道191包括笫一护團部分192， 其邻近并完全围绕第一防护入口 184的外闺，第一和第二翼193,194 与第一护團部分192流体连通并从第一护圏部分192的相对侧向外侧 向延伸.第一和第二翼部分193, 194弯曲伸向样品入口 182,如图13;所示，第二防护通道195包括笫二护圏部分196，其邻近并完全围绕笫 二防护入口 186的外围，第二防护通道195包括第一和第二翼部分 l97，198，这两个部分与第二护闺部分196流体连通并从其上延伸。笫 一和第二翼197, 198同样弯曲伸向样品入口 182,探测器组件的另外可选择实施例在图14和15中示出。图14示出> 了设置在探测器/钻铤204的稳定器刀翼202上的探测器组件200，钻 铤204还包括稳定器刀翼202a。探测器/稳定器刀翼202与钻铤204的 垂向轴线之间具有某一角度。在图15中，探测器组件210连接到钻铤 214的探测器/稳定器刀翼212上，其中，探测器/稳定器刀翼212基本 上平行于钻铤214的垂向轴线。钻铤214还包括另外的稳定器刀翼 212a,图16更加详细地示出了探测器组件210，探测器组件210包括样 品入口 220、笫一防护入口 222和笫二防护入口 224.与前迷的实施例 类似，入口 220, 222, 224基本上垂向对齐，并且样品入口 220设置在 第一和笫二导引探测器222， 224之间，复合封隔器226完全围绕样品入口 220、笫一防护入口 222和笫二 防护入口 224的外围，复合封隔器226可包括可独立伸出或收回每一 入口 220, 222, 224的区段.在所示的实施例中，复合封隔器226包括 样品入口区段230、第一防护入口区段232和笫二防护入口区段234. 为了独立地驱动每一探测器，样品入口伸出器可操作地连接到样品入 口 220、第一防护入口伸出器可操作地连接到笫一防护入口 222,第二 防护入口伸出器可操作地连接到第二防护入口 224 。所述区段 230， 232， 234被定形以便复合封隔器226具有基本上连续的外围。在所 示的实施例中，所迷外闺为椭圃形。样品入口 220被定形以便在圃周方向上使采出的流体最多而在垂 向方向上从地层采出的流体最少。在所示的实施例中，样品入口 220 为椭圆形，所述椭圃具有在大致水平方向上延伸的长轴和在大致垂向 方向延伸并平行于井筒轴线的短轴.虽然示出的为椭圃形，但是在不 脱离本公开范闺的情况下可使用其它形状，如细长的长方形。图17A和17B示出了样品探测器组件的可选择实施例，其能够旋 转以便符合井壁轮廓，因而在它们之间形成更加可靠的密封，可以理
解，井壁17并不总是平行于井下工具的轴线250。因此，探测器組件 的封隔器可与井筒成一角度，从而降低与井壁形成充分密封的能力， 如图16A所示，探测器组件252通过探测器伸出器256连接到钻铤254 上。探测器组件252包括托板258，托板258具有连接到其上的托架260。 托架260可枢转地连接到探测器伸出器256的端部。托板258带有封 隔器264、样品入口 266、笫一防护入口 268和第二防护入口 270。探 测器伸出器256可被当作驱动缸，其可操作地连接到动力源，如液压 流体源272,在操作中，探测器伸出器256可用于将探测器组件256从收回位 置移动到伸出位置，所迷收回位置为所迷組件同井壁17隔开的位置(如 图17A所示)，所述伸出位置为所述组件与井壁17接合的位置(如图 17B所示)伸出器256与托板258之间的可枢转的连接允许封隔器264 以与井壁17成互补关系倾斜，从而更加可靠地密封井壁.图18示出了探测器組件300的另一实施例。其具有细长的轮廓， 以在与钻具(如钻铤307 )稳定刀翼302共同使用具有尺寸限制时提供 改善的流体流。探测器组件300装在刀翼302内的空腔309内，以便 探测器组件300能够在钻井操作期间被隐藏。伸出机构(未示出)用 于将所述组件300伸出以与井壁接触从而执行取样操作，組件300包括具有扩张的口部306的样品入口 304。 口部306沿着 刀翼302的纵向轴线303延伸，以便提供用于接合地层的加大的连通 面。特别是，口部具有平行于刀翼轴线303的笫一轮廓尺寸和垂直于 刀翼轴线303的笫二轮廓尺寸，其中，笫一轮廓尺寸大于第二轮廓尺 寸。在所示的实施例中，口部具有大致椭圆形的剖面轮廓，并具有包 括长轴的笫一轮廓尺寸和包括短轴的笫二轮廓尺寸。为了满足刀翼稳 定器的空间限制，第二剖面尺寸可约小于3.5英寸.样品入口 304由内封隔器308围绕.椭圆形的防护入口 310完全 围绕内封隔器308和样品入口 304.防护入口 310具有沿着刀翼纵向轴 线延伸的轮廓，其类似于样品入口 304.外封隔器312围绕防护入口 310 的外围，内封隔器和外封隔器308, 312具有某一厚度和/或由能够提供 足够强度以承受探测器组件300操作期间产生的压差的材料构成。图18所示的探测器组件300特别适于在随钻应用中的稳定刀翼302 内使用。如上所述，希望使入口的尺寸最小以保持钻铤的结构完整。 当设置在稳定刀翼内时，入口大小还受到刀翼尺寸的限制，特别是较 窄的刀翼宽度.因此，防护入口必须从4-10英寸或更大(通常用于钢 缆应用)的宽度降低到约3.5英寸或更小的宽度以适合安装在稳定刀
翼内。由于防护入口的大小可与井筒或放置防护入口的工具的椭圆尺寸相适应，本公开并不限制这些特定的尺寸，在为内封隔器308留下 充足的空间之后，仅有较窄的空间留给样品入口 304.然而，样品入口 304必须具有同地层接合的连通区域，地层足够大，能够确保提供充足 的液流，细长的椭圃形口部306增加了样品入口 304的连通区域并且 符合刀翼结构所产生的空间限制。随着口部306所提供的增加了的连通区域，在封隔器308, 312与 地层之间形成足够的密封变得更加困难，这是因为增加了的接触区域 更可能会遇到不平整或其它地层表面偏斜。上面结合图17A和17B所 迷的可枢转探头可使用细长轮廓以使地层表面不规则所产生的影响最 小。尽管在上文中仅仅对特定的实施例进行了描述，但是其它可选实施方式和改进型对于本领域的技术人员而言是显而易见的。这些和其它可选实施方式被认为是与本发明等同的并且落入本公开和所附权利 要求书的主旨和范围之内.
权利要求
1.一种用于从地层中获取地层流体样品的流体取样系统，所述地层围绕沿着井筒轴线延伸的井筒，并且所述地层内具有原始流体和受污染的流体，所述系统包括样品入口；设置在样品入口附近并且在沿井筒轴线的第一方向上同样品入口隔开的第一防护入口；设置在样品入口附近并且在沿井筒轴线的第二相对的方向上同样品入口隔开的第二防护入口；至少一根清除管线，其流体地连接到第一和第二防护入口上以输送受污染的流体；和评价管线，其流体地连接到样品入口上以收集原始流体。
2. 如权利要求1所述的流体取样系统，其中所述样品入口设置在 包括样品入口伸出机构的样品入口组件上，笫 一防护入口设置在具有 第一防护入口伸出机构的第一防护入口组件上，并且笫二防护入口设 置在具有第二防护入口伸出机构的第二防护入口组件上，其中所述样 品入口 、第一防护入口和第二防护入口伸出机构相互之间可独立操 作。
3. 如权利要求2所迷的流体取样系统，其中所述样品探测器组件 包括完全围绕样品入口外围的样品入口封隔器，笫一防护入口组件包 括完全围绕第一防护入口外围的笫一防护入口封隔器，第二防护入口 组件包括完全围绕笫二防护入口外围的笫二防护入口封隔器。
4. 如权利要求3所述的流体取样系统，其中所述样品入口封隔 器、笫一防护入口封隔器和第二防护入口封隔器各自作为具有大致连 续外围的复合封隔器的入口封隔器区段、第一防护封隔器区段和第二 防护封隔器区段。
5. 如权利要求2所述的流体取样系统，其中所述样品入口组件具 有一定直径，所迷第 一和笫二防护入口组件同样品入口组件纵向隔开 大致等于或大于所述直径的一段i 巨离。
6. 如权利要求2所述的流体:^#系统，其中防护入口组件中的至 少 一个具有一定直径，并且所述至少 一个防护入口组件同样品入口组 件纵向隔开大致等于或大于所述直径的一段距离。
7. 如权利要求2所述的流体取样系统，其中所迷样品入口组件、 第一防护入口组件和笫二防护入口组件设置在钻具的稳定刀翼上。
8. 如权利要求2所述的流体取样系统，其中所述样品入口呈一定 方位角度地偏离第一和第二防护入口 。
9. 如权利要求1所述的流体取样系统，其中所述样品入口、第一 防护入口和第二防护入口整体设置在具有入口伸出机构的单探测器组 件上。
10. 如权利要求1所述的流体取样系统，其中所述样品入口具有椭圆形的剖面轮廓，所述椭圆形剖面轮廓具有垂直于井筒轴线的长 轴和平行于井筒轴线的短轴。
11. 如权利要求1所述的流体取样系统，其中所述系统与钢缆 起下工具和钻具中的一个共同使用.
12. —种连接到设置在井筒内的钻柱上的井下工具，所述井筒 沿着井筒轴线穿过地下地层，所述工具包括钻铤，其具有至少一个限定刀翼轴线的稳定刀翼； 装在稳定刀翼内的入口伸出机构；和 连接到入口伸出机构上的探测器组件，所述探测器组件包括具有口部的样品入口，所述口部具有平行于刀翼轴线的笫一 轮廓尺寸和垂直于刀翼轴线的第二轮廓尺寸，其中第一轮廓尺 寸大于笫二轮廓尺寸； 内封隔器，其完全围绕样品入口外围； 防护入口，其完全围绕内封隔器外围延伸；以及外封隔器，其完全围绕防护入口外围.
13. 如权利要求12所述的井下工具，其中所述探测器组件可枢 转地连接到入口伸出机构上。
14. 如权利要求12所迷的井下工具，其中所述口部具有大致椭 圓形的剖面轮廓，所述剖面轮廓具有包括长轴的笫 一轮廓尺寸和包括 短轴的第二轮廓尺寸。
15.如权利要求12所述的井下工具，其中所述笫二轮廓尺寸小 于约3,5英寸。
全文摘要
一种流体取样系统用于从地层中获取地层流体样品，所述地层围绕沿着井筒轴线延伸的井筒，并且所述地层内具有原始流体和受污染的流体。所述系统包括样品入口、设置在样品入口附近并且在沿井筒轴线的第一方向上同样品入口隔开的第一防护入口、设置在样品入口附近并且在沿井筒轴线的第二相对的方向上同样品入口隔开的第二防护入口。至少一根清除管线流体地连接到第一和第二防护入口上以输送受污染的流体，评价管线流体地连接到样品入口上以收集原始流体。
文档编号E21B49/10GK101210492SQ20071014962
公开日2008年7月2日 申请日期2007年9月10日 优先权日2006年12月27日
发明者A·F·扎佐夫斯基, C·龙费尔德, J·D·谢尔伍德, J·J·波普, K·A·伯吉斯, T·H·齐默曼 申请人:普拉德研究及开发股份有限公司