专利名称：一种深井井内原位流体取样装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种井下流体取样技术，尤其是一种深井、狭小空间条件下采取井内原位流体的装置。
背景技术：
深部地层流体样品能够提供地下流体化学特征、同位素组分、溶解气体和微生物特征等，具有深部空间物理、化学和生物信息，对深井设计开发以及深部流体监测具有重要意义，是深井工程的重要组成部分。然而，采集地下原状流体具备相当大的困难，首先，钻探及成井过程中钻井液会对地层流体产生污染；其次，取样过程中的工艺手段会对地层流体产生扰动，影响其原状性；第三，井下空间狭小，且存在很高的液柱压力，深部流体取样对取样设备需要合理的结构设计和很高的性能要求。目前，国内还没有深度超过500米的井下流体气动取样技术与设备。发明内容
本发明的目的是提供一种深井井内原位流体取样装置，其能够方便、快捷的提取深井井内原位流体样品。
为实现上述目的，本发明采取以下设计方案:
一种深井井内原位流体取样装置，由井下取样单元和井上单元两部分组成，所述井上单元包括一组由空气调节器实施控制的供气源和一组用于收集取样的容器；
所述井下取样单元依次由上至下设置一具有双逆止功能的进水窗口、一上封隔器、一过滤网单元和一下封隔器；所述具有双逆止功能的进水窗口包括一基座，在基座上开设三通通道:其一为开口向下的入水通道，该入水通道由一下单向阀控制单向流入取样流液；其二为开口向上的出水通道，该出水通道由一上单向阀控制单向流出取样流液，其通过取样管接至用于收集取样的容器；其三亦为开口向上的供气通道，该供气通道通过供气管与井上单元的供气源连通。
所述深井井内原位流体取样装置中，所述上封隔器和下封隔分别采用遇水膨胀式封隔器、充气膨胀式封隔器或机械膨胀式封隔器中的一种。
所述深井井内原位流体取样装置的上封隔器采用充气膨胀式封隔器，该充气膨胀式封隔器采用偏心过管线封隔器为佳，包括一胶筒，胶筒两端分别密封连接一胶筒套；一心管置于胶筒内且偏心所置，该心管通过一对端盖与胶筒两端的胶筒套密闭接合并固位。
所述深井井内原位流体取样装置中，所述胶筒两端固定有螺纹，与胶筒套采用螺纹连接密封。该螺纹可以是整体浇筑后与胶筒成一体式的金属螺纹。
所述偏心过管线封隔器中，所述的胶筒和各胶筒套的接合面为非单平面接合。
所述深井井内原位流体取样装置中，将所述的取样管和供气管采用高压软管。
所述深井井内原位流体取样装置中，所述的取样管和供气管的直径均小于12.5mm,进水窗口厚度小于25mm,进水窗口宽度小于35mm。
所述深井井内原位流体取样装置中，所述供气源为一组由空气调节器实施控制出气量的高压N2气瓶。该高压N2气瓶内的高压气源压力大于30Mpa，供气压力小于20Mpa。
所述深井井内原位流体取样装置中，所述过滤网单元采用两层不锈钢过滤网，过滤网的目数为20-50目。
本发明深井井内原位流体取样装置具有广阔应用领域和应用空间，如在二氧化碳地质储存方面，用于监测井下二氧化碳流体储藏、扩散、运移规律，监测二氧化碳泄漏风险和泄漏途径。在地下核废料污染监测方面，用于监测深部地层核废料的储藏、扩散和运移情况，以及核废料的污染控制监测等，可以为保护深部地质环境提供帮助。
本发明的优点是:
1.取样深度可达到2000m，填补了国内小直径深井气动取样领域技术空白。
2.封隔器封隔取样目的层流体，取样点位置精确，获取的样品代表性好。惰性气体驱动取样，取样过程中采集的样品无污染。
3.取样装置体积小，可以和其它监测系统和技术整合在一起，实现一口井中多层独立监测和取样的目的。
4.取样量大，取样深度500m时，单次取样量可达20L-25L，取样深度2000m时，单次取样量可达80L-100L。
5.在取样完成后，井下取样装置能够安全提出并能重复使用。
6.取样装置技术先进、结构简单、性能稳定、操作方便和成本低廉，适于国内推广。
图1为本发明深井井内原位流体取样装置结构示意图。
图2为本发明深井井内原位流体取样装置的进水窗口结构示意图(主视)。
图3为本发明深井井内原位流体取样装置的偏心过管线封隔器结构示意图(主视)。
图4为本发明深井井内原位流体取样装置的偏心过管线封隔器结构示意图(侧视)。
图1中:1_丝堵；2_下封隔器；3_过滤网；4_上封隔器；5-进水窗口 ；6_取样管；7-供气管；8_高压N2气瓶；9_空气调节器；10_无菌取样瓶。
图2中:51_基座；52_单向阀上接头；53_单向阀下接头；54_下不锈钢球；55_丝堵；56_垫片；57_过水挡环；58_管接头；59_上不锈钢球。
图3、图4中:41-端盖螺钉；42-端盖；43-电缆塞；44-端盖O型密封圈；45-心管O型密封圈；46_胶筒套；47_胶筒；48_心管；49_金属螺纹。
下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步的说明。
具体实施方式
参见图1所示，为本发明深井井内原位流体取样装置一实施例，该实施例中，深井井内原位流体取样装置由井下单元和井上单元两部分构成，井下单元负责定位取样目的层，隔离非取样流体，允许取样流体进入取样系统等，主要包括丝堵1、下封隔器2、过滤网3、上封隔器4、进水窗口 5、取样管6和供气管7。井上单元负责控制取样和接收采集到地面的取样流体，主要包括高压N2气瓶8、空气调节器9和无菌取样瓶10。
所述进水窗口 5由不锈钢材料加工而成。进水窗口允许取样流体进入取样管6，并防止返流，参见图2，进水窗口由基座51、单向阀上接头52、单向阀下接头53、不锈钢球54、丝堵55、垫片56、过水挡环57和管接头58组成。进水窗口具有双逆止功能。允许取样流体通过单向阀上接头52、单向阀下接头53和下不锈钢球54组成的下单向阀，一部分流体进入供气管7，另一部分流体进入由上不锈钢球59和过水挡环57组成的上单向阀，进入取样管6。在驱气取样过程中，阻止流体返流到取样井中。
所述取样管6采用高压软管，作用是在取样准备阶段，容纳通过进水窗口进入取样系统的流体，在驱气取样阶段，承受取样流体高水柱压力，输送取样流体到地面。取样管6的直径小于12.5mm为佳，耐压应大于20Mpa。
所述供气管7亦采用高压软管，它的作用是在取样准备阶段，容纳通过进水窗口进入取样系统的流体，在驱气取样阶段，承受驱动气体高压力，输送取样流体到取样管。供气管7直径小于12.5mm,耐压亦应大于20Mpa。
所述上(下)封隔器4 (2)采用遇水膨胀式封隔器、充气膨胀式封隔器或机械膨胀式封隔器，作用是封隔井筒中取样层位以上(以下)的流体，上、下封隔器成一对组，将取样流体与非取样流体隔离，获得代表性好的原位流体样品。为实现本发明的发明目的，本发明对该上(下)封隔器做了精心设计，参见图3和图4所示，该充气膨胀式封隔器采用一偏心过管线封隔器，主要包括一外胶筒，一心管48和一对端盖42，心管48置于外胶筒内且固定在偏心位置上，该心管48通过一对端盖42与外胶筒密闭接合并固位，在心管48与端盖42间设有心管O型密封圈45，在外胶筒与端盖42间设有端盖O型密封圈。图示所示的实施例中，外胶筒由胶筒47和两端接合的胶筒套46组合构成，且胶筒47和各胶筒套46的接合面为非单平面接合，该接合面以相互伸入式为佳，并且金属螺纹49与胶筒整体浇筑成一体式。通过该设计，使得上(下)封隔器在深井井内封隔效果亦非常好，不易移位，保证了取样点位置非常精确，以获取代表性好的样品。
所述过滤网3的作用是过滤取样流体中的杂质，防止大颗粒杂质进入破坏取样系统。过滤网可以采用两层不锈钢过滤网，过滤网的目数为20-50目。
为本发明深井井内原位流体取样装置供气的气源用于供给高压气体，高压气体通过空气调节器9进入供气管7，进而进入取样系统。气源可以采用高压惰性气体N2, N2与取样流体接触不发生化学反应，取样流体的代表性得以保证。高压气源压力大于30Mpa，供气压力小于20Mpa，以确保为深井条件下的深井井内原位流体取样装置的正常工作。
所述无菌取样瓶10用于收集取样流体，取样前经过惰性气体N2冲洗，取样后密封。
本发明深井井内原位流体取样装置的工作过程是:
首先进行取样装置安装:
( I)取样准备阶段，参见图1，先在地面上将丝堵丝堵1、下封隔器2、过滤网3、上封隔器4、进水窗口 5、取样管6和供气管7按顺序连接好以完成井下取样单元部分的组装；
(2)将连接好的井下取样单元随同钻杆柱或者油管下放至指定取样层位，钻杆柱或油管和井下取样单元之间均由专用绑丝固定；
(3)在地面上依次完成高压N2气瓶8与空气调节器9连接，空气调节器9和供气管7连接，取样管6和取样桶连接。
取样:
(I)通过控制图1中空气调节器9，将供气管管头和取样管管头与存储有标准大气压的N2气瓶连通，地层流体通过过滤网3、取样窗口 5进入取样管6和供气管7内；
(2)打开高压气源阀门8，从供气管管头注入高压N2气瓶8，进水窗口 5单向阀自动关闭，地层流体缓慢从取样管6流出，将采集到的流体排泄到取样桶；
(3)重复步骤(I)、(2)三次以上(根据需要确定重复次数)，置换地层流体，冲洗取样装置，至取样管6流出的流体达到要求；
(4)重复步骤(I)、(2)将取样流体收集进入无菌取样瓶10 ；
(5 )取样完成后重复步骤(I)、( 2 )，冲洗取样装置，为下一次取样做准备。
上述各实施例可在不脱离本发明的范围下加以若干变化，故以上的说明所包含应视为例示性，而非用以限制本发明申请专利的保护范围。
权利要求
1.一种深井井内原位流体取样装置，由井下取样单元和井上单元两部分组成，所述井上单元包括一组由空气调节器实施控制的供气源和一组用于收集取样的容器；其特征在于: 所述井下取样单元依次由上至下设置一具有双逆止功能的进水窗口、一上封隔器、一过滤网单元和一下封隔器；所述具有双逆止功能的进水窗口包括一基座，在基座上开设三通通道:其一为开口向下的入水通道，该入水通道由一下单向阀控制单向流入取样流液；其二为开口向上的出水通道，该出水通道由一上单向阀控制单向流出取样流液，其通过取样管接至用于收集取样的容器；其三亦为开口向上的供气通道，该供气通道通过供气管与井上单元的供气源连通。
2.根据权利要求1所述的深井井内原位流体取样装置，其特征在于:所述上封隔器和下封隔分别采用遇水膨胀式封隔器、充气膨胀式封隔器或机械膨胀式封隔器中的一种。
3.根据权利要求2所述的深井井内原位流体取样装置，其特征在于:所述的上封隔器采用充气膨胀式封隔器，该充气膨胀式封隔器为偏心过管线封隔器，包括一胶筒，胶筒两端分别密封连接一胶筒套；一心管置于胶筒内且偏心所置，该心管通过一对端盖与胶筒两端的胶筒套密闭接合并固位。
4.根据权利要求3所述的深井井内原位流体取样装置，其特征在于:所述胶筒两端固定有螺纹，与胶筒套采用螺纹连接密封。
5.根据权利要求4所述的深井井内原位流体取样装置，其特征在于:所述胶筒两端固定的螺纹为整体浇筑后与胶筒成一体式的金属螺纹。
6.根据权利要求3所述的深井井内原位流体取样装置，其特征在于:所述偏心过管线封隔器中，所述的胶筒和各胶筒套的接合面为非单平面接合。
7.根据权利要求1所述的深井井内原位流体取样装置，其特征在于:将所述的取样管和供气管采用高压软管。
8.根据权利要求1所述的深井井内原位流体取样装置，其特征在于:所述的取样管和供气管的直径均小于12.5mm,进水窗口厚度小于25mm,进水窗口宽度小于35mm。
9.根据权利要求1所述的深井井内原位流体取样装置，其特征在于:所述供气源为一组由空气调节器实施控制出气量的高压N2气瓶；所述高压N2气瓶内的高压气源压力大于30Mpa，供气压力小于20Mpa。
10.根据权利要求1所述的深井井内原位流体取样装置，其特征在于:所述过滤网单元采用两层不锈钢过滤网，过滤网的目数为20-50目。
全文摘要
本发明公开了一种深井井内原位流体取样装置，由井下取样单元和井上单元两部分组成井上单元包括一组由空气调节器实施控制的供气源和一组用于收集取样的容器；井下取样单元依次由上至下设置一具有双逆止功能的进水窗口、一上封隔器、一过滤网单元和一下封隔器；所述具有双逆止功能的进水窗口包括一基座，在基座上开设三通通道其一为开口向下的入水通道，该入水通道由一下单向阀控制单向流入取样流液；其二为开口向上的出水通道，该出水通道由一上单向阀控制单向流出取样流液，并通过取样管接至用于收集取样的容器；其三亦为开口向上的供气通道，该供气通道通过供气管与井上单元的供气源连通。其能够方便、快捷的提取深井井内原位流体样品。
文档编号E21B49/08GK103174414SQ20131010002
公开日2013年6月26日 申请日期2013年3月26日 优先权日2013年3月26日
发明者李小杰, 潘德元, 郑继天, 叶成明, 李炳平, 王建增, 关晓琳 申请人:中国地质调查局水文地质环境地质调查中心