用于对地下地层中的重油进行采样的方法和设备的制作方法

专利名称：用于对地下地层中的重油进行采样的方法和设备的制作方法
技术领域：
本发明披露的内容主要涉及地下地层流体采样，而更具体地，涉及对 在地下地层中的重油进行采样的方法和设备。
背景技术：
用于勘探地下地层的一种技术涉及获得井下地层流体的样本。诸如 MDT和CHDT (Schlumberger的商标)等工具对于获得和分析这种流体样 本极其有用。诸如MDT (见例如授予Urbanosky的美国专利No.3，859,851 以及授予齐默曼(Zimmerman)等的美国专利No. 4,860,581，其以引用的 方式整体并入本文中)等的工具典型地包括地层接口，例如协同设置有一 个或多个壁接合封隔器的流体进口或管状探针，所述壁接合封隔器将地层 接口 (例如进口或采样探针)与井内流体和/或其他污染物隔离开。这种 工具也典型地包括一个或多个采样室、用于控制地层压力和采样室压力之 间的压降的装置、以及用于获得与采样到的流体相关的信息的各种传感器 (例如压力传感器、温度传感器和/或光学传感器)，所述采样室通过输油 管(具有其中所设置的一个或多个控制阀)连接到地层接口。光学传感器可以采用例如OFA、 CFA或LFA (所有都是Schlumberger 的商标)模块(见例如，授予Safmya等的美国专利No.4，994，671、授予 Mullins的美国专利No. 5， 266， 800和授予Mullins的美国专利No. 5， 939, 717，所有这些专利以引用的方式整体并入本文中)以确定采样 流体的成分。CHDT在许多方面与MDT相类似，但是还包括用于对套管穿 孔(perforating a casing)的机构(例如钻削机构)。这种钻削机构的示例 可以在文献"Formation Testing and Sampling through Casing," &7/7e7Q^ei^eK Spring 2002中找到，所述文献以引用的方式整体并入 本文。然而，诸如MDT和CHDT等工具典型地被用于获得具有相对低的粘性 (例如通常达到30mPa.s)的地层石油的样本。尽管这种工具已经被用于 对更高粘度的流体进行采样，但是采样过程经常需要多次适配和许多小 时。由于轻原油的全球储量减少，重油和沥青的勘探对于维持全球供给己 经变得更为重要。当评估重油或沥青地层时，获得该地层的代表性的样本 来确定合适的生产方法是有利的。然而，由于重油和沥青的低流动性，采 用许多公知的轻原油采样技术对这些地层进行采样可能是困难的或不可 能的。例如试图在不首先增加这些流体的流动性的情况下对重油或沥青进 行采样，可能导致过大的水位降低压力，所述过大的水位降低压力可以造 成用于抽取流体的泵或泵送(pumpout)单元的失效、地层的失效(例如， 断裂、压裂和/或塌陷)禾B/或相变，并因此采样得到的流体的成分改变。 进而，这种过大的水位降低压力可能导致沙层的产生，这可能使采样工具 密封失效。尽管增加采样口或探针的面积可以一定程度上降低水位降低压 力，但是在不对采样工具的总体尺寸以及在采样口或探针周围进行有效密 封的能力构成负面影响的情况下可能很难获得增大的采样口或探针面积。有助于重油和沥青地层的低流动性的一个因素是这些流体的高粘度。 因此，基本降低地层中重油和沥青的粘度可以帮助增加流动性以足以获得 样本。 一些用于增加地层流体的流动性的公知的方法涉及通过各种装置加热地层，所述装置将稀释剂注入地层，或将溶剂注入地层。加热地层通常采用加热元件、地层中的一些石油的现场燃烧和热流进 入地层的循环，通过热传导实现。然而，这些公知的方法主要依赖于地层 的热传导，于是，必须被加热的地层的体积经常比釆样得到的体积大得多， 导致长的采样时间以及采样工具被陷于井筒中的概率更大。发明内容用于对地下地层中的流体进行采样的示例的方法涉及通过欧姆加热 和电介质加热中的一种方式在地下地层的一部分中产生热量。所述示例的方法也通过将顶替流体经由多个地层接口 (formation interface)中的至少 一个注入地下地层的被加热部分，来给地下地层的被加热部分增压，并从 地下地层的被加热部分，经由多个地层接口中的至少一个，收集被顶替流 体造成的流动的流体的样本。用于对来自地下地层的流体进行采样的示例设备包括地层接口，用 于以液压的方式连接到地下地层；多个电极以及线圈中的至少一个，用于 通过欧姆加热和电介质加热中的一种方式在地下地层的一部分中产生热 量；和收集容器，用于保持从地下地层中提取的流体样本。所述示例设备 还包括增压装置，所述增压装置用于将至少一些顶替流体注入地下地层， 以朝向收集容器推进流体样本。用于对地下地层中的流体进行采样的另一个示例方法，包括加热地下 地层的一部分、通过将顶替流体注入地下地层给地下地层的被加热部分增 压，以及收集由顶替流体造成的流动的流体的样本。用于对来自地下地层的流体进行采样的另一个示例设备包括地层接 口，地层接口以液压的方式连接到地下地层；加热器，配置用于将热量提 供给地下地层的一部分；收集容器，用于保持从地下地层经由地层接口提 取的流体样本；以及增压装置，用于将顶替流体注入地下地层，以朝向收 集容器推进流体样本。用于对地下的流体进行采样的另一个示例方法涉及降低地下地层的 一部分中的流体的粘度；通过将顶替流体注入地下地层给具有被降低了粘 度的流体的地下地层的所述部分增压；以及收集由顶替流体增压的流体的 样本。


图1A示出从钻井机配备进井筒的示例的井下钻削工具； 图1B示出从钻井机配备进井筒的示例的井下钢索工具；图2是可以用于实现图1A和1B的示例工具的示例的采样工具的示意 性框图；图3示出可以由在此所述的示例的设备用于从地下地层中提取流体， 例如重油或沥青的示例方法；图4是与图1A和1B的井筒壁的一部分连接的图2的示例的采样工具的局部侧视图；图5是图2的示例的采样工具的另一个局部侧视图，所述采样工具将顶 替流体的一部分从顶替流体容器经由地层接口注入地下地层的被加热的 部分；图6是与图1A和1B的井筒壁连接的图2的示例的采样工具的另一个局 部侧视图；图7和8是可以用于实现图2的示例工具的示例的采样工具的电气构造 的示意性框图；图9是可以用于实现在此所述的示例的采样设备的示例的地层接口的图10A-D示出电源和电极配置的示例的示意性框图，所述配置可以用 于实现在此所述的示例的方法和设备；图11A-D示出四个示例的电极的排列或布局，所述排列或布局可以用 于实现在此所述的示例的方法和设备；图12是配备在图1A和1B中的井筒中的另一个示例的采样工具的侧视图；图13是包括用于加热地层的感应线圈的另一个示例的采样工具的侧 视图；图14A是包括用于加热地层的微波天线的另一个示例的采样工具的 侧视图；图14B是图14A的示例的釆样工具的局部主视图。
具体实施方式
一些示例在上述附图中示出，并在下文中被详细地描述。在描述这些 示例时，相似的或相同的附图标记用于表示相似或相同的元件。所述附图不一定按照比例绘制，为了清晰和简明起见，所述附图的一些特征和一些 视图可以在比例上或示意性地进行夸张。在此所述的示例的方法和设备可以用于对地下地层中的流体进行采 样。更具体地，在此所述的示例的方法和设备可特别用于对相对粘度较大 的地下地层流体(例如重油和沥青)进行采样。如上所述，对重油、沥青、 和/或其他相对粘度较大的地下地层流体进行采样的一些公知的方法主要 依赖于样本所被提取的地下地层的传导加热。然而，主要依赖于传导加热 的情况可能导致不得不加热比所需的样本流体的体积大许多倍的地层体 积。进而，这种基于传导加热的途径耗时相对较多，且可能需要多个小时 以充分地加热待采样的地层体积。于是，在此所述的示例的方法和设备可 以优选地，但不是必须地用于通过直接在地层中生成或产生热量来加热待 采样的地下地层的一部分。因此，待采样的地层的给定体积可以比上述基 于传导加热的公知的途径加热得基本上更迅速。然而，也可以使用其他的加热方法，包括但不限于，对地层应用热垫(hotpad)，提供井下热流体等。更具体地，通过使电流在地层的一部分中流动可以在地层中产生热 量，由此直接地加热地层部分。换句话说，在此所述的示例的方法和设备 可以主要依赖于欧姆或焦耳加热(所生成的电流以地层的电阻率作为热量 耗散电能)来加热待采样的地下地层的一部分。电流可以通过静电的或电 流的过程经由多个电极产生或通过以至少一个线圈的感应或磁过程产生 电流。替代地，可以通过电介质加热或微波加热地层中的分子在地层中产 生热量。另外，在此所述的示例的方法和设备可以采用缓冲剂(buffer)或顶 替流体(也可以用作溶剂或稀释剂)促进在地下地层的被加热部分中待采 样的流体的流动性。更具体地，在此所述的示例的方法和设备可以首先使 电流在样本流体所被提取的地下地层的一部分中流动，由此加热并降低地 层的所述部分中的地层流体的粘度。当待采样的流体己经被充分地加热时 (例如，基于检测到的被加热的流体的粘度、与地层的被加热部分相关联 的流动性改变的检测等)，示例的方法和设备可以将缓冲剂或顶替流体注 入地层的被加热部分。被注入的缓冲剂或顶替流体透过地层的被加热部分，并给其中的被加热的地层流体增压，以促进被加热的地层流体的流动 和朝向对地层流体进行采样的地层接口推进流体。采样过程可以在任何缓 冲剂或顶替流体进入地层接口 (例如，采样口或探针)之前结束，所述地 层接口提取被加热的地层流体的样本。使用缓冲剂或顶替流体给被加热的地层流体增压，与主要基于传导地 层加热的公知的地层流体采样技术相比，实质上降低了提取地层流体样本 所需的水位降低压力(即，能够使用更高的采样压力)。因此，在此所述 的示例的地层流体采样设备和方法实质上降低了改变被采样的流体的相 和/或成分的可能性。用于在此所述的示例的采样方法和设备的被降低的 水位降低压力也降低了地层塌陷或其他地层毁坏和/或对于用于提取地层 流体样本的泵送装置的毁坏的可能性。在此所述的一些示例中，用于建立与地下地层的流体连通并从此对流 体进行采样的设备包括热源，所述热源用于增加地下地层的一部分的温 度。所述热源可以采用多个电极或至少一个感应线圈实现，所述多个电极 与地下地层进行电气连接。在一些示例中，电极透过井筒壁的泥饼衬里(mudcake lining),使得与地层进行电接触，且将交流或直流电压施加到 电极上以使电流在地层的所述部分中流动。然而，如果井筒流体和泥饼的 导电性足够好，就不需要穿透泥饼。所生成的电流在地层的电阻率上为热 量耗散能量。在一些示例的实施方式中，生成电流的电极与用于釆样或产生地层流 体的地层接口和/或用于将缓冲剂或顶替流体注入地下地层的被加热部分 的地层接口成一体。在其他的示例的实施方式中，电流生成电极与地层接 口是分立的，并可以设置在地层接口之间。可以采用诸如例如同心环、多 边形等的各种电极的几何形貌将电极聚焦以在待加热的地层的所述部分 中获得所需的电流通路和/或分布。在此所述的示例的地层接口可以包括与待采样的地层流体连接的第 一出油管或流送管(flowline)、采样探针或筒，和/或其他装置，以及与待 采样的地层流体连接的第二出油管或流送管、注入探针或筒，和/或其他 装置。泵、泵送装置等和收集容器可以与第一出油管、采样探针或筒等流 体连接，以提取和保持从地层的被加热部分获得的流体样本。增压装置(例如泵、活塞等)以及用于保持缓冲剂或顶替流体的流体容器可以与第二出 油管、注入探针或筒和/或其他装置流体连接，使得至少一些顶替流体被 注入地下地层的被加热部分，以朝向第一出油管推进被加热的地层流体的 样本，并将所述样本推进到收集容器内。在此所述的示例的方法和设备也可以采用控制器，所述控制器用于响应于检测到地下地层的所述部分的被加热体积融合(merging),开始将缓 冲剂或顶替流体注入地下地层的被加热部分。可以基于穿过地层的被加热 部分的压力脉冲传递的改变，检测这种融合。例如，穿过地层的被加热部 分的压力干扰测试可以表征被加热的体积的融合。替代地或附加地，示例 的方法和设备可以采用诸如例如核磁共振单元或模块的粘度测量单元，来 检测在地层的被加热部分中的流体的粘度。因此，当检测到的粘度到达足 够低的值时，缓冲剂或顶替流体可以被注入以促进被加热地层流体的流 动。控制器可以附加地或替代地用于控制电极用于加热地层的一部分以 防止对地层的加热过度所采用的方式，所述对地层的过度加热可能毁坏待 采样的地层流体。尤其，控制器可检测到地层的温度，并响应于检测到超 过预定的阈值温度的温度，控制器可以停止加热地层，直至所检测到的温 度降到阈值以下为止。尽管示例的方法和设备示出具有用于液压连接到地层的地层接口，所 述地层接口以探针或筒实现，但是可以替代地采用围绕进口的可膨胀跨隔 封隔器(straddle packer)实现一个或更多个地层接口 。进而， 一个或更多 个地层接口可以选择性地包括穿孔机构。在此回到图1A，示出从钻井机配备进井筒102的示例的井下钻削工具 100。示例的井下钻削工具100可以配置用于实现在此所述的示例的地层流 体采样方法和设备。钻削工具100被配备在钻柱104上，并具有钻头106，所 述钻头106用于钻入地中和钻入地下地层108中，以形成井筒102。随着钻 削工具100更深地穿入地下地层108，钻探泥浆(未示出)衬在井筒102的 壁上，以形成泥饼IIO。附加地， 一些钻探泥浆通过井筒102的壁穿入地下 地层108，以形成侵入带112，污染一些包含在地下地层108内的纯净流体。如图1 A所示，钻削工具IOO设置有采样工具I 14,所述采样工具114包括一个或更多个接口118,所述接口H8可以从钻削工具100延伸，并以泥饼110 建立密封。备用活塞116可以从钻削工具100延伸，以通过提供用于将接口 118推靠在泥饼110上的力而辅助建立该密封。当密封形成时，来自地下地 层108的流体可以经由采样工具114流入钻削工具100。如下更详细所述，示例的一个或更多个地层接口118以地层流体可以 从地层108中采样或产生的方式进行配置。地层接口118也可以配置用于将 缓冲剂或顶替流体注入地层108以促进其中的地层流体的位移。亦如下文 更详细地所述，示例的采样工具114也可以包括用于加热地层108的一部分 的热源(未示出)。尤其， 一个或更多个电极(未示出)可以设置用于使 电流在地层108中流动，以对地层108进行欧姆加热并且因此对其中的地层 流体进行欧姆加热。图1B示出从钻井机配备进井筒102的示例的井下钢丝绳工具(wire linetool) 120。钢丝绳工具120可以用于替代图1A的钻削工具100或除了图 1A的钻削工具100之外再采用钢丝绳工具120，以实现在此所述的示例的流 体采样方法和设备。在一些情况下，钢丝绳工具120可以在去除钻柱104 之后被降低到井筒102中。钢丝绳工具120可以包括采样工具122,所述采样 工具122包括类似于如图1A所示的钻削工具的接口和备用活塞的一个或更 多个接口128以及备用活塞124。采样工具122被推进衬在井筒102的壁上的 泥饼110中，以采用如下文更详细地描述的示例的方法和设备收集来自地 下地层108的流体样本。除去如图1A和1B所示的运输工具之外，其他的工 具或运输工具(例如盘管、套管钻井(casing drilling)以及井下工具的其 他变体)都可以用于实现在此所述的示例的地层流体采样方法和设备。图2是可以用于实现图1A和1B的示例工具100和120的示例的采样工 具200的示意性框图。如图2所示，示例的采样工具200包括示出为探针或 筒的多个地层接口202和204，但是可以替代地以用于通过衬在井筒壁(例 如，井筒102)上的泥饼通过界面连接或流体连接到地下地层(例如，图 1A和1B的地层108)的任何其他所需的方式配置。地层接口202和204被封 隔器206 (例如弹性体垫)围绕以便以常规的方式促进工具200靠在井筒壁 上的密封。如下文更详细所述，地层接口202配置用于从地下地层产生或提取地层流体，以经由出油管或流送管210将流体样本收集到样本流体容器或器 皿208中。地层接口204也配置用于将顶替流体从顶替流体容器或器皿212 经由出油管或流送管214注入地下地层，以促进由工具200收集的流体样本 的流动。各种类型的缓冲剂或顶替流体可以被用于示例工具200中。例如， 氮气、二氧化碳、二溴乙垸(dibromethane)、和/或由化学反应在井下生 成的蒸汽，可以被用于顶替流体容器212中。替代地，井筒流体可以被用 作顶替流体。为了提供用于加热被采样的地下地层的一部分的热源，示例工具200 包括一个或多个电源216,所述电源216例如通过接口202和204与地层进行 电气连接，以使得地层接口202和204也用作电极。以这样的方式，电源216 可以将交流电或直流电能传递给地层接口202和204，所述接口202和204 又与地下地层的一部分电气和流体连接。尤其，电流可以在地层接口202 和204之间(即在电极202和204之间)的地层中流动，以通过接口202和204 之间的地层的所述部分的电阻率将电能作为热量耗散，由此对接口202和 204之间的地层的所述部分进行欧姆加热。随着接口202和204之间的地下 地层的所述部分被加热，其中的任何地层流体的粘度可以被降低，以促迸 其经由接口202的产生或提取。示例工具200包括增压装置或泵218，所述增压装置或泵218用于将顶 替流体从容器212经由接口204 (例如，探针或筒)注入地下地层。示例工 具200还包括泵送装置或泵220，所述泵送装置或泵220用于从地下地层产 生或提取地层流体，并将其存储在样本流体容器208中，以供后续分析(例 如井上和/或井下分析)，或将其倾倒入井筒(未示出)。为了测量或检测 与被采样的地层的所述部分相关联的压力，采样工具200包括压力传感器 222和224，所述压力传感器222和224分别被连接到出油管214和210。示例 的采样工具200也可以包括用于测量或检测被加热和被采样的地层的所述 部分的温度的温度传感器226。尽管一个温度传感器被示出与出油管210 相关联，但是温度传感器226可以位于其他位置，和/或可以使用多个温度 传感器。示例工具200还包括用于控制工具200的操作的控制器228，以加热地 下地层的一部分，将顶替流体注入地层的被加热的部分，并提取被加热的地层流体的样本。尤其，控制器228以可操作的方式连接到电源216、泵218 和220、压力传感器222和224以及温度传感器226,以控制其操作以实现在 此所述的示例的流体采样方法。控制器228也可以经由通信连接装置或总 线230被以通信方式和/或可操作的方式连接到地面计算机(未示出)等。 因此，控制器228可以接收来自地面上的操作员的命令，和/或可以将原始 数据、分析结果等传送到地面计算机。尽管示例工具200的地层接口202和204被示出为一体的电极和探针或 筒(即，生产探针/筒和注入探针/筒)，但是也可以替代地采用单独的电极 和出油管或流送管。这种非一体的地层接口在下文将结合图9和12进行更 详细的描述。图3示出可以由在此所述的示例的设备从地下地层中提取流体，例如 相对粘性较大的流体(诸如重油或沥青)，的示例方法300。示例的方法300 被示出为多个框或操作，所述操作可以采用例如由机器可读代码和指令等 组成的、存储在有形介质(例如光盘、软盘、半导体存储器等)上的以及 可由处理器或其他处理单元(例如，图2的控制器228)执行的软件或程序 实现。然而，软件和/或硬件的任意组合可以被用于实现图3的示例的框。 例如，专用的数字和/或模拟电路(例如，特定用途集成电路、离散半导 体器件、无源部件等)可以用于实现与图3的框相关联的操作。进而，可 以改变框的次序，且可以手动执行一个或更多个与框相关联的操作，或者 在不偏离所述示例的精神的情况下去除一个或多个与框相关联的操作。在此，回到图3的示例的方法300,采样工具(例如图2的采样工具200) 被降低进入井筒(框302)。这种降低可以经由钢索或钢丝绳、钻柱、盘管 等实现。当采样工具被定位到待采样的地层附近或与之紧接时，地层接口 (例如接口202和204)被连接到地层(框304)。在框304中的地层接口的 连接可以包括出油管或流送管(例如探针或筒)的流体连接以及电极到待 采样的地层的电气连接。地层接口可以从采样工具延伸，而备用活塞等可 以用于将地层接口推进衬在井筒壁上的泥饼中，并形成与该下面的地层的 流体和电气接触。应当理解，在导电的井筒流体中，电接触是不需要的。然后通过例如将电能(例如经由电源216的交流电压或直流电压)施 加到电极(例如接口202和204)上，以使得电流流经所述电极之间的地层的一部分来加热地层(框306)。因为地层的电阻率，所以随着电流流经地层，电能被耗散为热量，所述热量进一步通过地层被传导或扩散。替代地， 地层可以采用电介质加热进行加热。地层的温度可以被监测(例如通过控制器228和温度传感器226)并与 预定的阈值相比较以确定是否已经超过安全的地层温度(框308)。阈值温 度可以选择用于确保地层温度不超过地层流体可以被分解或被以其他形 式毁坏的温度。如果在框308中超过安全的地层温度，地层加热可以被中 断或停止(框310)。例如，在图2的示例工具200中，控制器228可以使得 电源216从电极(例如地层接口202和204)中去除电能。 一旦加热被中断， 则监测地层温度以确定何时温度回到安全水平(框312)。当地层温度已经 到达安全水平时，如果需要，则示例的方法300回到框306以继续或重新开 始地层的加热。测量到的温度可以被用于确定待采样的地层流体的粘度。在压力下，粘度il。对温度的依赖性可以由等式(1)中的沃格尔(Vogel)的经验法则描述如下<formula>formula see original document page 15</formula> (1)其中参数e、 f^卩g可以由对测量到的值的调整确定。更普遍地，地层流体的粘度T1(T， p)可以由沃格尔-富尔彻-塔曼(Vogel-Fulcher-Tammann， VFT)经验等式(2)表示如下<formula>formula see original document page 15</formula> (2)其中6个参数a、 b、 c、 d、 e和T。可以通过对测量到的粘度进行回归而获得。 在加热过程中。地层温度可以显现出梯度，以使得地层温度并且因此 其中的地层流体的温度在更接近地层接口或电极的位置上初始最高，并随 着与电极的距离的增加而降低。因此，在加热过程中，地层的多个被加热 的体积初始被较低温度的体积分隔，并由此不交叠。然而，随着加热过程 的进行，这些初始分隔的加热体积或区域可以融合或交叠，以形成地层流 体粘度比周围的非交叠体积或区域低的区域。在加热过程中，示例的方法300确定是否地层准备好采样(框314)。 在框314的确定可以通过监测地层接口处的压力(例如压差、在一个接口处的压力、在接口之间的压力脉冲的传播等)和检测被采样的地层的被加热的体积的融合来实现。在图2的示例的实施方式中，控制器228可以采用 压力传感器222和224检测地层接口202和204处的压力变化，所述压力变化 表示被采样的地层的被加热的区域或体积的融合。可能对于实现框314的 操作有用的一些公知技术可以基于例如在美国专利No. 4， 742， 459中所述 的技术，美国专利No. 4，742,459以引用的方式整体并入本文。如果在框 314中，地层没准备好采样，则控制回到框306以继续加热过程。如果在框314中地层准备好采样，则顶替或缓冲流体可以被注入地层 的被加热部分以促进被加热的地层流体的流动(框316)。在图2的示例中， 控制器228可以操作泵218以将顶替流体从顶替流体容器212经由出油管或 流送管214和接口或探针204注入地层的被加热部分。以这种方式注入增压的顶替流体进一步降低了从地层中提取流体所需的水位降低压力(drawdown pressure),并因此，降低或消除改变流体样本的状态(即形 成气相)和/或毁坏地层等的可能性。随着顶替流体给被加热的地层流体增压，示例的方法300对地层流体 进行采样(框31S)。在图2的示例中，控制器228可以操作泵220经由接口 202和出油管210抽取、提取或产生被加热的地层流体，并将提取的地层流 体存储在样本流体容器208中。在框318中的流体采样操作优选在任何顶替 流体到达地层接口202之前完成。 一旦在框318中的流体采样操作完成，则 示例的方法300结束。图4是连接到井筒102 (图1A)的壁的一部分400的图2的示例的采样工 具200的局部侧视图。如图所示，地层接口 (formation interface) 202 和204用作电极，所述电极被电气连接到地下地层108。电极202和204被连 接到电源216 (图2)以使得电极202和204发出交叠的电场402和404，所述 交叠的电场402和404透过地下地层108并使电流从中流过。所生成的电流 主要在区域406中流动，在所述区域406中，电场402和404交叠并因此对对 应于区域406的地层108的一部分进行欧姆加热。进而，区域406中的任何 地层流体的粘度将随着区域406的温度的增加而降低。另外，示例的采样工具200包括封隔器206，所述封隔器可以被连接到 采样工具200周围的泥饼(未示出)，以形成密封。由封隔器206形成的密封可以防止另外的钻井泥浆透过接口202和204附近的地下地层108。如果 另外的钻井泥浆被允许透过接口202和204附近的地下地层108，则更多纯 净的流体可能被污染，造成更大的侵入区112并降低获得流体的代表性样 本的可能性。图5是示例的采样工具200的另一个局部侧视图，所述采样工具200将 顶替流体500的一部分从顶替流体容器212 (图2)经由地层接口204注入地 下地层108的被加热的部分406。顶替流体500的所述部分给地层108的部分 406增压，并由此将区域406中的任何地层流体朝向生产地层接口202推进。 这降低了在接口202处所需的水位降低压力，以从地层108的区域406提取 被加热的地层流体。如以上结合图3的描述，当注入顶替流体500以增强被 加热的地层流体的流动性时，在地层接口202处的地层流体的收集在顶替 流体500进入地层接口202之前可以被中断，以防止地层流体样本的污染。图6是与井筒102的壁连接的示例的釆样工具200的另一个局部侧视 图。在所示的示例中，出油管210和214被表示为分别流体连接到地层接口 202和204，以将流体传播到采样工具200和地下地层108和从采样工具200 和地下地层108传播流体。另外，压力传感器222和224被分别连接到出油 管214和210，并可以用于通过检测出油管210和214中的压力随着顶替流体 被注入或地层流体被采样而升高或降低，来确定地下地层108的两个或更 多个被加热部分或体积何时融合或汇合。如上所述，地层接口202和204 也用作用于生成电流线(currentline) 600的电极，所述电流线600表示对 地下地层108进行欧姆加热的电流。如以上结合图3进行的描述，地下地层108的部分或体积可以首先开始 加热，最快的加热典型地发生在地层接口202和204附近。当地下地层I08 的这些被加热体积到达一定的阈值温度时，在这些体积内的流体的粘度被 充分降低，使得流体被认为是流动的。因此，在加热开始之后的短暂时间 里，可能存在地下地层108的两个独立的流动部分或体积。随着时间的推 移，随着地下地层108内的更多的流体到达阈值温度并成为流动的，地下 地层108的流动部分可能，大体沿着电流线600进行扩展。随着时间的推移， 热量将以由地下地层108的热传导属性确定的速率被从电流线600向外传 导或扩散。终于，地下地层108的两个单独的流动部分或体积可以随着电流线600附近的流体成为流动的而被融合或合并。在存在地下地层108的两个单独的流动的部分或体积的期间中，压力 传感器222和224可以确定(例如经由图2的控制器228)在地下地层108内 的流体不是充分可流动的。然而，当两个或更多个独立的流动部分合并时， 压力传感器222和224可以确定存在足够的流动性。例如，在流体的独立的 流动部分还没有被合并时，顶替流体500可以在地层接口204处将已知的压 力施加在地下地层108上。当流体的独立的流动部分合并时，压力传感器 222监测该压力并可以检测压力的降低。当压力传感器222检测到压力的降 低时，地层接口204可以将顶替流体500注入地下地层108以促进流体样本 在生产接口202中的产生。在表示地层中的电能耗散的示例的计算中，交流电流/从电导率为。 的均匀介质中的体积K的球状电极发出。从电极以半径r在基本体积d^(LS 中的电能耗散d尸由等式(3)给出-16tt cr a*其中/二lA， a^0.01S'm—1，且Flm, d/M). 6 W.nf3，而对于rO. lm， d/^600W'nT3， 而这足以加热地层和允许地层流体的采样。该示例帮助解释最接近电极的 地下地层的体积的加热更快的趋势。应当注意，在图6的示例中，电流线600的形状或弧可能依赖于与电极 (即，地层接口202和204)连接的电源的频率。例如，电流线600可能具 有弓形的形状，与以1000Hz频率的电流线600的弓形的形状相比，所述弓 形的形状以500Hz的频率从电极延伸得更远。电流线600的形状也可以由地 下地层108的电阻率或阻抗的小变化确定。然而，电流将沿着电阻最小的 路径流动，因此，电流线600的路径可能以难于预见的方式通过地下地层 108变化，并因此，示例的电流线600仅仅为通常电学行为的表示。图7是可以用于实现图2的示例的采样工具200的示例的采样工具的电 气构造700的示意性框图。图7的示例的构造700包括与探针筒706和708流 体连接的出油管或流送管702和704。尤其，探针筒706和708也形成与地层 108电气连接的电极，所述探针筒706和708电气连接到交流电源710,以使 得探针筒706和708中的一个被连接到电源710的一个端子，而端部706和708中的另一个被连接到电源710的另一端子。筒706和708使电流沿着地层 108中的电流线712流动，并经由绝缘层714和716与地层接口的剩余部分、 出油管702和704等电绝缘。环绕筒706和708的是附加的电极718和720，所 述附加的电极718和720可以用作保护电极(或屏蔽电极)或无源聚焦电极 (passive focusing dectrode)。这种聚焦电极可以被用于引导电流712沿着 所需路径通过地下地层108。图8是类似于图7的构造700的构造800的示意性框图。如示例的构造 800所示，绝缘层714和716被实现为形成探针筒的部分的绝缘圆筒部分或 环。尽管在所示的示例中，电极718和720被示出实现为无源聚焦电极，但 是这些电极可以被实现为有源聚焦电极。图9是可以用于实现在此所述的示例的采样设备的示例的地层接口 900的侧视图。与上述示例的地层接口202和204形成对比，示例的地层接 口900包括顶替流体注入探针902、采样探针904和多个电极906、 908、 910 和912，所述电极与探针902和904是非一体的或分开的。电极906-912被设置 在注入探针902和采样探针904之间，以加热地层108的被縮减的体积，这縮短了采样时间，并由此降低了因为太长的停留时间造成采样工具(例如， 采样工具200)变得卡在井筒102中的风险。 一个或更多个电源(未示出) 可以与电极906-912连接，以使电流在地层中沿着例如线或路径914流动。图9的示例的构造卯0还包括与生产筒或接口904连接的生产活塞916 以及与注入筒或接口902连接的注入活塞918。活塞916和918可以用于替代 图2的泵220和218以及容器208和212，以减小与采样工具相关联的采样流 体的寄生体积。采样流体的寄生体积的这种减少使得待加热的地层的数量 相对縮减，并因此收集给定的流体样本的体积所需的时间也减少。在以图9的示例的构造900的操作中，随着电极906-912加热地下地层 108，注入活塞918可以将压力施加给顶替流体920，所述顶替流体920将压 力施加给在地下地层108内的流体。诸如例如图2中所述的压力传感器222 的压力传感器可以监测被顶替流体920施加于地下地层108中的流体上的 压力。随着地下地层108的被加热部分内的流体流动性逐渐增加，顶替流 体920上的压力降低。压力的下降可以通过增加或降低由注入活塞918施加 给顶替流体920的力的量而被补偿。来自顶替流体920的压力使得地下地层108的被加热部分中的流动性的流体的样本流进生产筒904和生产活塞 916。生产活塞916可以通过采用吸力吸入流体样本而辅助流体样本流进生 产活塞916。生产活塞916也可以由生产容器替代，以被动地收集被顶替流 体920推动的流体样本。
具有在地层接口902和904的两侧延伸的封隔器922，所述封隔器922 倚靠井筒壁沿着圆周方向配备。随着注入活塞918将压力施加在顶替流体 920上，顶替流体920被推入地下地层108中，并在每个方向上施加压力。 如果压力使得井筒壁在被加热的地层流体产生流动之前弯曲或屈服，则在 地层接口卯2和井筒102之间可能出现液压短路。封隔器922支撑井筒壁， 并防止在地层接口902和井筒102之间的液压短路。
图10A-D是可以用于在采样工具中配备的多个电极的示例的电源连 接或配置的示意性框图。下面结合图10A-D进行描述的电源可以是交流电 (AC)和/或直流电(DC)的电压源和域电流源的任意组合。另外，在 这些示例中所述的电源可以具有相等或不相等的电压、电流、相移和/或 频率。AC、 DC、电压、电流、相移和/或频率可以基于例如待采样的地层 的电阻率或阻抗测量值进行选择。
图IOA示出示例的配置IOOO，在所述示例的配置1000中，电源1002、 1004和1006以所示的串联或层叠的方式连接到电极1008、 1010、 1012和 1014。电源1002-1006中的每个电源被连接到电极1008-1014的各个电极对 上，以使得在电极1008-1014的每个电极对上所施加的能量可以单个地或 独立地配置或控制。这种单个的可配置性可能尤其对单个地、动态地调整 能量有用，所述能量被传递给由电极1008-1014的对应的电极对加热的地 层的部分以促进地层(例如，地层10S)均匀加热。例如，如果地下地层 的一个部分加热得比其他部分慢(例如，由于更高的电阻率、更高的导热 性等)，则被传递给那个部分附近的或对应于那个部分的电极的电压或能 量可被增加以使所述部分加热得更快。
图10B示出另一个示例的配置1020，在所述配置1020中，电源1022和 1024被连接到各个电极对1026、 1030以及1028、 1032，以形成流经被加热 的地层的交叠电流。换句话说，在电极1026和1030之间流动的电流与在电 极1028和1030之间流动的电流交叠。这可能使得对应于交叠的区域的地下地层的部分比基本上不存在电流交叠的其他部分加热得更快。图10C示出另一个示例的配置1040，在所述配置中，电源1042和1044 被单独连接到各个电极对1046、 1048以及1050、 1052上，以形成在被加热 的地层中不交叠的电流。图10C的配置1040可能对需要在电源1042和1044 之间的电隔离和在被加热区域之间基本没有电流交叠的情况尤其有益。在 配置1040中，因为小电流至零(没有)电流将在电极1048和1050之间流动， 所以在这些电极之间的地层的部分将比在电极1046和1048之间的区域和 在电极1050和1052之间的区域加热得相对慢。图10D示出另一个示例的配置1060，在所述的示例配置1060中，单电 源1062被并联连接到多个源电极(或源极)1064、 1066、 1068和1070。电 流可以从源电极1064-1070流动到返回电极(未示出)，所述返回电极可以 不位于任何地层接口探针或筒之间。例如，返回电极可以与与源电极 1064-1070相对的井筒壁进行电气连接，使得电流围绕井筒在圆周上流动。 在具有几乎均匀的电阻率的地下地层中，图10D的所示示例可以在井筒周 围提供相对均匀或一致的加热，并允许流体样本从井筒中的多个位置被收 集。尽管图10A-D示出示例的电源和电极配置，但是应当注意这些配置并 不是限制性的。所示的示例仅仅是说明性的，而电源配置的特定的实施方 式可以采用示例的配置或其他的配置的任意组合。例如，实施方式可以采 用更多个或更少个电极和/或电源，所述电极和/或电源配置用于基于电阻 率、渗透性和/或其他相关测量值，有效地加热地下地层的一部分。在前面的示例中描述的电极可以以任意数量的方式配置。图11A-D示 出四种示例的几何形貌或布局，其中每一种都采用四个电极。为了尽可能 快地使地下地层内的流体的样本流动，电极布局的选择可以依赖于生产接 口和注入接口的位置。在图11A-D中的每个电极可以具有不同的电势，或 者两个或更多个电极可以具有相同的电势。图11 A-D是用于配备在采样探 针上的多个电极的示例的几何形貌或配置。尽管这些示例的几何形貌和配 置被示出，但是应当注意，可以使用对于使电流在地下地层中流动有益的 任何其他几何形貌或配置。此外，任何电极的几何形状和配置可以适用于 被应用于地下地层的任意数量的电极。图11A示出具有四个互相间隔的椭圆形电极的示例的电极配置。该配置可能对于结合图10A-D所述的任何电源连接有益。例如，在任意电极对 之间的电压可以被单独地配置用于将电流(即热量)集中到地下地层的特 定部分或体积上。尽管图11A示出椭圆形电极，但是电极可以替代地被配 置成任何几何形状的组合。
图11B示出具有四个同心的多边形的电极的示例的电极配置。该配置 可能对于将电流(即热量)从电极配置的中心径向地集中有益。尽管图11B 示出矩形的电极，但是所述电极可以被配置成任何几何形状的组合。另外， 在图11B中的配置中的一些电极可以被实现为保护电极(或屏蔽电极)或聚焦电极，以更好地控制电流迸入地层的渗透。
图11C和11D示出具有两组同心电极的示例的电极配置。图11C示出具 有同心的矩形电极，而图UD示出具有同心圆或同心环形状的电极。所示 的配置可以用于将电极一体形成到如图2、 4、 6、 7和8所示的探针筒中。 图11C和11D的电极可以采用保护电极(或屏蔽电极)或聚焦电极实现， 以更好地控制电流进入被加热的地层的渗透。尽管图11C-D示出分别具有 大体矩形和圆形几何形状的电极，但是所述电极可以被配置成任意几何形 状的组合，以获得所需的加热效果。
图12是配备在井筒102中的另一个示例的采样工具1200的侧视图。采样工具1200可以通过钻杆、钢索、盘管或任何公知或己经幵发出来的其他 配备工具(未示出)配备。示例的采样工具1200具有电极模块1202和1204, 所述电极模块可以用于通过生成经过地层108的电流或使电流流经地层 108，来加热地下地层108。更具体地，电极模块1202相对于采样探针模块 1206位于井口侧，而另一个电极模块1204相对于采样探针模块1206位于井 底侧。每个电极模块1202和1204由绝缘元件1208与采样探针模块1206电隔 离。通过将采样探针模块1206与电极模块1202和1204隔离，电流被迫使通 过地下地层108而不是通过采样探针模块1206短路。通过包含在电极上的 垂直隔离(未示出)，电流可以被允许优先地在任何所需的方位角的范围 内流经地下地层108。在另一个示例的配置(未示出)中，电流在方位角 上遍及2n的方位角流动。
由电极模块1202和1204提供的加热加热比上述示例的设备更大的地层108的体积。当地下地层108的一部分被充分加热时，采样探针模块1206 可以采用上述示例中所示的技术提取地层流体。除了采用压力测量来确定 地层108何时被充分加热以被采样或作为采用压力测量来确定地层108何 时被充分加热以被采样的替代，示例地采样工具1206可以包括核磁共振 (NMR)单元1210，以检测地层108的被加热部分内的地层流体的粘度。以 这样的方式，当所检测到的粘度足够低时，采样模块可以将顶替流体注入， 并提取如上结合其他示例所述的被加热的地层流体的样本。图13是配备在井筒102中的另一个示例的采样工具1300的侧视图。采 样工具1300可以通过钻杆、钢索、盘管或任何公知或己经开发出来的其他 配备工具(未示出)配备。示例的采样工具1300传送至少一个感应线圈 1304，所述感应线圈1304可以用于通过使电流1310流经地层108或感应经 过地层108的电流13I0,来加热地下地层108。更具体地，感应线圈1304位 于采样模块1320的注入探针1324和采样探针1322之间，且更优选地，但不 是必须地位于井筒壁的附近。任选方式是，铁磁芯1306被置于感应线圈 1304中，用于加强由线圈生成的磁场。在另一个示例的配置(未示出)中， 多个线圈被置于采样模块1320之上，例如在注入探针1324和采样探针1322之间。由感应线圈1304提供的加热可以很好地适用于井筒流体导电性不太 好(例如，新泥、油基泥)的情况。当地下地层108的一部分被充分加热 时，采样探针模块1320可以采用在上述示例中所示的技术提取地层流体。图14A是包括用于加热地层的微波天线的另一个示例的采样工具 1400的侧视图。采样工具1400可以通过钻杆、钢索、盘管或任何公知或已 经开发出来的其他配备工具(未示出)配备。示例的采样工具1400包括采 样模块1440，其主视图在图14B中详细示出。采样模块1440包括具有縮回 位置(未示出)和伸出位置的伸出机构1402。在伸出位置，伸出机构1402 配置用于将封隔器1406应用于穿过地层108的井筒102的壁上，以将井筒壁的一部分密封起来。当在伸出位置时，伸出机构进一步配置用于建立出油 管或流送管1424A-D、 1423和地层108之间的流体连通。如图14A和14B所示，采样模块包括四个注入接口 1454A-D和一个采 样接口1453，所述注入接口1454A-D被置于四个外围注入出油管或流送管1424A-D的末端，所述采样接口1453被置于一个中心采样出油管或流送管 1423的末端。电源1410被电气连接到四个注入接口 1454A-D和采样接口 1453，用于在地层中生成电磁场。尽管四个外围注入接口和一个中心采样 接口在图14A-B中示出，但是可以存在不同数量的采样和/或注入接口。进 而，采样接口可以包括具有样本流送管和清除流送管的保护探针。由电源1410在地层中生成的电磁场用于通过地层中的介质加热或分 子的微波加热，在地层的一部分中产生或生成热量，如下详细所述。由电源1410生成的电磁波在地层中透射。在地层中电磁波的透射深度 可以由等式(4)确定S = l/V^7 (4) 其中o '和u '分别是与采样模块邻接的地层的部分的电导率和导磁率。等 式4示出场的透射深度根据f—"2而降低。于是，在电导率为0.01Snf的地层 中，100MHz频率的电磁波的透射深度是大约0.5m，而10kHz频率的电磁波 的透射深度是大约50ra。然后，电磁辐射可以被碳氢化合物、原生水或封存水或由偶极子弛豫 (dipole relaxation)注入的流体吸收。电磁吸收随着被辐射的流体的属性 而变化，更具体地随着由Sr = s' -i,给定的被辐射的流体的复数相对介电 常数(complex relative electric permittivity)变化。所述复数相对 介电常数的实部可依赖于频率，为介电常数s'，而虚部s、a/(cos。)考虑在 电导率o的被辐射流体内的电耗散。虚部s"和等式(4)通过等式(5)确 定电磁场的吸收系数ou:2 (2;r/)Vg'这示出吸收系数as可以随着频率的增加而增加。更特别地，吸收系数ou是 透射深度的倒数。假定复数介电常数恒定，则当频率从O. 1GHz降低到10kHz 时，吸收系数as大约变小两个数量级。于是，由等式(4)和(5)所述的模型(或其他任何模型)可以用于 利于选择电源1410的频率。所述选择可以优化透射深度并因此优化由电磁 波加热的体积。所述选择可以替代地或附加地优化吸收系数以及由此优化1 —CT、V2一l(5)24地层中的温度增长的速度。尽管本发明已经在此对示例的制造方法、制造设备和制造产品进行了 描述，但是本发明的覆盖范围并不限于此。相反，本发明覆盖字面地或等 同原则下完全落入所附的权利要求的保护范围中的每种制造方法、制造设备禾口制造产品o
权利要求
1.一种用于对地下地层中的流体进行采样的方法，包括如下步骤通过欧姆加热和电介质加热中的一种方式在地下地层的部分中产生热量；通过将顶替流体注入地下地层的被加热部分，给地下地层的被加热部分增压；以及经由至少一个地层接口，从地下地层的被加热部分，收集由顶替流体移动的流体的样本。
2. 根据权利要求l所述的方法，还包括如下步骤检测地下地层的多 个被加热体积的合并。
3. 根据权利要求2所述的方法，其中所述给地下地层的被加热部分增 压的步骤包括响应于检测到地下地层的多个被加热的体积的合并而对地 下地层的被加热部分增压。
4. 根据权利要求l所述的方法，还包括如下步骤检测在地下地层的 被加热部分中的流体的粘度。
5. 根据权利要求4所述的方法，其中所述检测被加热部分中的流体的粘度的步骤包括进行核磁共振测量。
6. 根据权利要求4所述的方法，其中所述给地下地层的被加热部分增 压的步骤包括响应于对流体粘度的检测，给地下地层的被加热部分增压。
7. 根据权利要求l所述的方法，其中在地下地层的所述部分中产生热 量的步骤包括基于地下地层的所述部分的温度加热地下地层的所述部分。
8. 根据权利要求l所述的方法，其中收集流体的样本的步骤包括在 顶替流体进入所述至少一个地层接口之前收集流体的样本。
9. 根据权利要求l所述的方法，其中所述顶替流体包括氮气、二氧化碳、蒸汽或二溴乙烷中的至少一种。
10. —种用于对来自地下地层的流体进行采样的设备，包括 地层接口，用于以液压的方式连接到地下地层；多个电极以及线圈中的至少一个，用于通过欧姆加热和电介质加热中的一种方式在地下地层的部分中产生热量；收集容器，用于保持经由地层接口从地下地层中提取的流体样本；以及增压装置，用于将顶替流体注入地下地层，以朝向收集容器推进流体 样本。
11. 根据权利要求10所述的设备，其中所述多个电极以及线圈中的至 少一个包括与井下工具的主体电绝缘的多个电极，且其中地层接口被置于 所述电极之间。
12. 根据权利要求10所述的设备，其中所述多个电极以及线圈中的至 少一个与地层接口成一体。
13. 根据权利要求10所述的设备，其中所述电极以及线圈中的至少一个被置于采样探针和注入探针之间。
14. 根据权利要求10所述的设备，还包括用于保持顶替流体的流体容器。
15. 根据权利要求10所述的设备，其中所述电极以及线圈中的至少一 个包括聚焦电极。
16. 根据权利要求10所述的设备，还包括用于检测在地层接口处的压 力的压力传感器。
17. 根据权利要求10所述的设备，还包括用于测量地下地层的所述部 分的温度的温度传感器。
18. 根据权利要求10所述的设备，还包括用于测量在地下地层的被加 热部分中的流体的粘度的粘度测量单元。
19. 根据权利要求18所述的设备，其中所述粘度测量单元包括核磁共振装置。
20. 根据权利要求10所述的设备，其中所述多个电极以及线圈中的至 少一个包括多个电极，所述多个电极设置用于提供在所述电极之间流动的 电流的交叠。
21. 根据权利要求10所述的设备，其中所述顶替流体包括氮气、二氧 化碳、蒸汽或二溴乙垸中的至少一种。
22. 根据权利要求10所述的设备，其中所述收集容器包括采样活塞， 所述采样活塞配置用于减小与地层接口相关联的采样流体的寄生体积。
23. —种用于对地下地层中的流体进行采样的方法，包括如下步骤 加热地下地层的部分；通过将顶替流体注入地下地层给地下地层的被加热部分增压；以及 收集由顶替流体移动的流体的样本。
24. —种用于对来自地下地层的流体进行采样的设备，包括 地层接口，以液压的方式连接到地下地层；加热器，配置用于将热量提供给地下地层的部分； 收集容器，用于保持从地下地层经由地层接口提取的流体样本；以及 增压装置，用于将顶替流体注入地下地层，以朝向收集容器推进流体 样本。
25. —种用于对地下地层中的流体进行采样的方法，包括如下步骤.-降低地下地层的部分中的流体的粘度；通过将顶替流体注入地下地层给具有被降低了粘度的流体的地下地 层的所述部分增压；以及收集由顶替流体增压的流体的样本。
全文摘要
一种用于对地下地层中的流体进行采样的方法，包括步骤降低流体的粘度；给地下地层的一部分增压；以及收集流体样本。具体地，降低地下地层的一部分中的流体的粘度，并通过将顶替流体注入地下地层来给地下地层的一部分增压。然后收集由顶替流体增压的流体的样本。
文档编号E21B49/08GK101225739SQ20081000127
公开日2008年7月23日 申请日期2008年1月17日 优先权日2007年1月17日
发明者亚历山大·F·扎照维斯基, 安东尼·罗伯特·福尔摩斯·古德温, 雅克·R·塔巴努 申请人:普拉德研究及开发股份有限公司