基于u形管技术的地下流体分层取样装置与方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及地下流体取样领域，具体涉及基于U形管技术的地下流体分层取样装置，还具体涉及基于U形管技术的地下流体分层取样方法，及实现不同地层深度地下流体分层取样的系列装置。
【背景技术】
[0002]地下流体是关系到地球演化和地表生物生存的重要因素。地下流体取样，通过同位素追踪、地层残余气分析、化学成分测试、微生物群落特征等分析方法能连续提供大量关于地层的物理、化学和微生物信息，是对工程开展和环境安全评估有重要指导意义的监测手段之一。
[0003]要对地下流体进行分析，首先要获得地下流体样品。根据工作原理分类，国内外开发的各式各样地下流体取样技术主要分为三种:下井式定深取样-Wireline fluidsamplers、栗式多级监测取样-Pumps samplers和气体推动式取样技术-Gas-operatedsamplers。由于下井式定深取样技术不能进行连续取样；栗式多级监测井取样技术对地层流体扰动过大，且不能很好适应野外场地(如无220V交流电源)。因此，结合工程实际的需求，有必要开发气体推动式地下流体取样的系列装置。
[0004]气体推动式地下流体取样目前的主流技术为U形管取样技术-the U-tubesampling technology。该技术部分源于早期的多孔杯取样器-Porous ceramic cupsamplers (Wagner, 1962)，也称吸入式取样器-Suct1n lysimeter (Patrick，1970)，用于浅部地层土壤中的流体取样。Wood于1973改进该取样方法，首次引入核心元件一单向阀，将当时的取样技术应用深度从地下10m (受限于真空栗的吸力，1个大气压或10m水柱)扩展到理论上的任何深度。2004年美国劳伦斯伯克利实验室的Barry Freifeld首次成功开发了能实际应用于深部流体取样的U形管技术(美国发明专利“Device useful as aborehole fluid sampler”)包括美国Fr1咸水层C02封存示范工程(深度为1513.9m，单层取样)、澳大利亚C02CRC的Otway枯竭油气田C02封存示范工程(取样最大深度为2046.9m，
3层取样)、加拿大Nunuvut的块状硫化物矿床监测工程(深度350m)和美国Nevada地区Amargosa山谷(深度400m，4层取样)其中Otway场地取样最大深度达2046.9m。
[0005]U形管技术作为新型地下流体取样技术近几年在国内取得较大进展。2007-2010年中国科学院武汉岩土力学研究所李小春团队在内蒙古通辽现场开展自主性co2注入和U形管地下流体取样的场地测试，应用深度280m。2013年中国地质调查局的潘德元、李小杰等在河南临颍县开展深井U形管井下取样测试，分三个递进阶段进行单次循环取样试验，取样深度分别为270m、370m和500m。2014年中国科学院武汉岩土力学研究所李小春团队开发了应用于浅部地层的U形管取样设备，全球首次采用全塑料材质，成本极具竞争力，经湖北武汉佛祖岭现场3 口深10m的井测试示范成功，已在山东东营的胜利油田C02-E0R工程、内蒙古鄂尔多斯的神华CCUS示范工程(3层取样，井深21m)、吉林省松原市的吉林油田等多处实证。
[0006]团队在原有技术的基础上，进一步技术研发和产品创新，开发了地下流体分层取样的系列技术，对应取样深度-20m级、-200m级、-2000m级的不同地层条件和性能要求，在地下流体取样领域的竞争性优势显著扩大。
【发明内容】
[0007]本发明的目的是在于针对现有技术存在的上述问题，提供基于U形管技术的地下流体分层取样装置，还提供基于U形管技术的地下流体分层取样方法。
[0008]基于U形管技术的地下流体分层取样装置设计新颖，克服了若干技术难点，较原技术产品在工作性能、适用范围、经济可行性、系统稳定性等方面有较大幅度提升，具有良好的竞争力、应用前景和商业价值。
[0009]基于U形管技术的地下流体分层取样装置包括地下流体进样子系统、封隔器子系统、链接子系统、地面取样子系统和土壤气取样子系统五个功能模块。
[0010]基于U形管技术的地下流体分层取样装置，包括地下流体进样子系统，地下流体进样子系统包括驱动管、出样管、储流容器、液相单向阀和滤芯，驱动管一端延伸出地面并依次通过球阀、减压阀与压力源连接，驱动管另一端延伸至指定地层深度的被取样地下流体的上方且与储流容器一端连接，驱动管延伸至指定地层深度的被取样地下流体的上方的部分为U型部，U型部通过液相单向阀与滤芯连接进而与被取样地下流体导通，储流容器另一端与出样管一端连接，出样管另一端延伸出地面并通过球阀与取样瓶连接。
[0011]基于U形管技术的地下流体分层取样装置，还包括土壤气取样子系统，土壤气取样子系统包括设置在设定位置的气相单向阀，气相单向阀依次通过气动球阀、气体取样袋与手动栗接。
[0012]基于U形管技术的地下流体分层取样装置，还包括封隔器子系统，封隔器子系统包括用于封隔各个指定地层深度的被取样地下流体的封隔器装置，封隔器装置包括分别设置在指定地层深度的被取样地下流体上方和下方的上方封隔器和下方封隔器，滤芯设置在上方封隔器和下方封隔器之间，最底层的封隔器装置的下方封隔器的下部为圆锥形。
[0013]基于U形管技术的地下流体分层取样装置，还包括链接子系统，链接子系统包括用于连接上方封隔器与下方封隔器的链接管，上方封隔器与下方封隔器之间的链接管内设置滤芯且链接管的管壁开设有进水孔，链接子系统还包括用于连接上方封隔器与上一层的下方封隔器的链接管。
[0014]基于U形管技术的地下流体分层取样装置，还包括封隔器子系统，封隔器子系统包括用于封隔各个指定地层深度的被取样地下流体的封隔器装置，封隔器装置包括分别设置在指定地层深度的被取样地下流体上方和下方的上方喷浆堵头和下方喷浆堵头，上方喷浆堵头和下方喷浆堵头的侧部均设置有注浆孔，上方喷浆堵头和下方喷浆堵头上的注浆孔均与注浆管连通，注浆管通过自力式分段压力控制阀与注浆中继容器连接，最下层的封隔器装置的下方喷浆堵头的下方连接有锥形头。
[0015]如上所述的上方喷浆堵头和下方喷浆堵头上分别开设有周向槽，注浆孔开设在周向槽的槽壁，方喷浆堵头的周向槽和下方喷浆堵头的周向槽内分别设置有导液海绵。
[0016]基于U形管技术的地下流体分层取样装置，还包括链接子系统，链接子系统包括用于连接上方喷浆堵头和下方喷浆堵头的空心连接管，上方喷浆堵头和下方喷浆堵头之间的空心连接管内设置滤芯且空心连接管的孔壁开设有进水孔，链接子系统还包括用于连接上方喷浆堵头和上一层的下方喷浆堵头的实心连接杆。
[0017]如上所述的出样管延伸出地面的一端通过球阀、多相流取样高压容器、高压背压阀、汽水分离器与取样瓶连接，取样瓶包括气体取样容器和液体取样容器。
[0018]基于U形管技术的地下流体分层取样装置，还包括封隔器子系统和链接子系统，封隔器子系统包括用于封隔各个指定地层深度的被取样地下流体的封隔器装置，封隔器装置包括分别设置在指定地层深度的被取样地下流体上方和下方的上方液压封隔器和下方液压封隔器，滤芯设置在上方液压封隔器和下方液压封隔器之间；
链接子系统包括用于连接上方液压封隔器和上一层的下方液压封隔器的套管；链接子系统还包括连接在上方液压封隔器和下方液压封隔器之间的进水多孔器，进水多孔器内设置滤芯且进水多孔器的周壁开设有多个进水小孔。
[0019]其工作原理为:井下地层流体在滤芯的过滤作用下通过单向阀进入地下流体进样子系统的储流容器。地面取样子系统中通过压缩氮气驱替井头U形管中的“驱动管”，将储流容器中的地下流体从U形管另一端的“出样管”驱替出，并流入取样瓶，从而实现地下流体取样。封隔器子系统在井下对不同深度的含水层进行封隔密封，避免一井多层取样时的层间串水影响。链接子系统起链接作用。土壤气取样子系统通过手动栗在地面抽取位于地下水位线以上的土壤气样品进入气囊，完成取气功能。
[0020]基于U形管技术的地下流体分层取样装置，针对应用地层深度的不同选取合适的技术组合:
1)针对浅层地层20m级，其应用总体深度推荐为0-30m，其技术方案为U形管地下流体进样子系统、刚性的链接子系统(PVC-U排水管)、氮气瓶(8L );
2)针对中层地层200m级，其应用总体深度推荐为20-200m，其技术方案为U形管地下流体进样子系统、柔性的链接子系统(钢缆绳)、化学注浆式封隔器子系统、氮气瓶(20L)等;
3)针对深层地层2000m级，理论上应用总体深度不限，实际应用受限于适应地层温度、压力、腐蚀条件的材料和配套元件，其技术方案为U形管地下流体进样子系统、刚性的链接子系统(标准油管)、液压式封隔器子系统、压缩气罐等。其中地面取样子系统更复杂和完备，超过地下200m深的工程因所处的温度压力条件不能沿用上述20m级、200m级的全塑料材质，而需要采用不锈钢材质，对于腐蚀环境需要316L、超级十三铬甚至哈氏合金。
[0021]所述的地下流体进样子系统，其功能在于井下收集储存地下流体。其单向阀是市场上购置的隔膜式、弹簧式、伞式单向阀产品；其滤芯是自行加工的定制件，35微米或更小；其中浅层、中层地层时压力源可采用氮气瓶，过程控制性阀门可选用塑料材质的气动手阀；深层地层时压力源可采用压缩气罐，过程控制性阀门可采用316L材质的高压球阀和背压阀。
[0022]所述的封隔器子系统，其功能在于封隔指定深度的地层流体，防止层间串水，浅层、中层地层可以采用化学注浆式封隔器；深层地层时，选择液压式封隔器。
[0023]所述的链接子系统，其功能在于链接固定不同深度的封隔器子系统和地下流体进样子系统，根据单口井封隔器的数量和重量，以及封隔器永久埋存或回收利用与否，可以灵活选择不同构型，如浅层地层采用PVC-U直径75的排水管链接，中层地层采用尼龙绳、缆绳、拼接式空心铁杆等，深层地层采用标准的钻井套管。
[0024]所述的土壤气取样子系统，其功能在于获得土壤气样品。浅层、中层地层地层深度时主要获得井下地下水位线以上的土壤气，为独立的子系统；深层地层时通过对所取的多相流样品进行气水分离而得到气体样品。
[0025]基于U形管技术的地下流体分层取样方法，包括以下步骤::
1、按照本发明组装基于U形管技术的地下流体分层取样装