专利名称：用于地下流体取样的方法和装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及用于从地下地层采集流体样品的装置和方法。
背景技术：
对地下地层内包含的地下流体进行采集和取样的技术是公知技术。例如，在石油勘探和开采工业中，采集并分析地层流体样品的目的有很多，例如象用于确定地下烃流体油藏的存在、成分和生产率。这些勘探和开采方法对于研究钻井策略来说是非常重要的，并且对财务支出和节约有着重要的影响。
为了进行有效的流体分析，从地下地层获取的流体必须具有足够的纯度或者必须为原始流体，以能够足够地代表地层内包含的流体。正如在这里和本专利其他部分所使用的那样，术语“原始流体”、“可接受的原始流体”及其各种变化称呼是指一种地下流体，该流体是纯净的、清洁的、原始状态的、未受污染的，或者就流体取样和分析领域来说，该流体作为对于一个给定地层进行有效的烃取样分析和/评价的代表流体而言是足够的或可接受的。
在从地下地层获取原始流体的过程中有很多困难。例如，就与石油相关的工业来说，进行流体取样的井眼周围的地层通常包含污染物，例如象钻井眼时使用的泥浆溶液。当原始流体穿过井眼时这些材料经常污染原始流体，导致流体对于进行烃流体取样和/或评价而言通常是不可接受的。这些流体被称为“污染流体”。因为流体取样要穿过井眼、泥饼、水泥和/或其他层，取样时当流体从地层流动并进入到井下工具中时避免污染流体样品是非常困难的。因此困难就在于使从地层抽取流体时对原始流体的污染最小化。
图1描述了一个被一个井眼14穿过的地下地层16。一个泥饼层15位于井眼14的侧壁17。由于钻井时泥浆滤液侵入到地层内，井眼周围是一个作为侵入区已知的19圆柱形层，该侵入区19包含污染流体20，该污染流体20可能或者可能没有与原始流体混和。在井眼侧壁和周围污染流体外侧，原始流体22位于地层16内。如图1所示，污染倾向于靠近侵入区19的井壁处。
图2表示当地层流体从地下地层16流动到一个井下工具1中时的典型地层流体流动方式。井下工具1靠近地层放置，一个探头2从井下工具1穿过泥饼15进入到井眼14的侧壁17内。探头2与地层16形成流体连通，因此地层流体进入到井下工具1中。如图1所示，侵入区19最初是包围侧壁17并且包含污染物的。当流体开始进入探头2时，来自侵入区19的污染流体20随着地层流体被吸入到探头内，因此使得流体不再适合取样。然而，如图2所示，在一定量的流体穿过探头2后，原始流体22穿过并开始进入探头2。换句话说，流动到探头2内的流体的较靠中央的部分让位给原始流体，而流体的其余部分是来自侵入区的污染流体。仍然存在的困难是适应流体的流动以在取样时原始流体被收集于井下工具中。
人们提出了各种方法和装置用于获取地下流体以进行取样和评价。例如授权给Ciglenec以及其他人的美国专利6230557、授权给Jones的美国专利6223822、授权给Wilson的美国专利4416152、授权给Davis的美国专利3611799和国际专利申请公开WO96/30628已经开发了一些探头和有关的方法来改进取样。人们也开发出其他的用于在取样时分离原始流体的技术。例如授权给Hrametz以及其他人的美国专利6310959公开了一种取样探头，该探头具有两个液压管线，以从井眼的两个区采集地层流体。井眼流体被与吸入到探头区的流体互相隔离地吸入到一个保护区。尽管在取样上有这些改进，还是需要开发流体取样技术，以优化样品的质量和取样过程的效率。
在考虑现在的用于采集地下流体的取样和评价技术时，还需要提供一些装置和方法，它们具有下面的一种或者多种性质有选择地去除污染流体而采集原始流体的能力，将原始流体与污染流体分离的能力，优化从取样地层抽取的原始流体的数量和/或质量，根据取样的需要调节流体流动的能力，手动和/或自动和/或实时控制取样操作的能力。为此，本发明寻求优化取样的方法。
发明内容
一方面，本发明涉及一种探头，该探头可以从一个井下工具伸展而定位在一个由一层污染流体包围的井眼内。井眼穿过一个地下地层，该地下地层含有位于污染流体外侧的原始流体。取样探头包括一个壳体和一个取样入口。壳体可以与井壁的侧壁接合。壳体还与地下地层形成流体连通，从而使得地下地层内的流体穿过壳体流动到井下工具内。取样入口定位在所述的壳体内，不与井眼的侧壁接合。取样入口适合于接收流过壳体的至少一部分原始流体。
根据本发明的另一个方面，本发明涉及一种用于从地下地层抽取流体的井下工具，所述的地层被一个井眼穿过，而所述的井眼被一层污染流体包围，所述的地下地层具有在该污染流体层外侧的原始流体。井下工具包括一个由井下工具携带的探头。探头可以定位成与地层形成流体连通，从而来自地下地层的流体穿过壳体并进入到井下工具内。探头内具有一个壁，该壁形成一个第一通道和一个第二通道。壁可调节地定位在探头内，从而优化原始流体穿过第一通道并进入到井下工具内的流动。
根据本发明的另外一个方面，提供一种用于从地下地层抽取原始流体的井下工具，所述的地层被一个井眼穿过，而所述的井眼被污染流体包围。井下工具包括一个探头、第一流动管线和第二流动管线以及至少一个泵。探头可以定位成与地层形成流体连通，探头还具有一个壁，该壁形成一个第一通道和一个第二通道。壁可调节地定位在探头内从而优化原始流体进入第一通道的流动。第一流动管线与第一通道形成流体连通。第二流动管线与第二通道形成流体连通。泵把流体从地层吸入到流动管线内。
根据本发明的另外一个方面，本发明涉及一种用于从地下地层取样原始流体的方法，所述的地层被一个井眼穿过，而所述的井眼被污染流体包围，所述的地下地层具有原始流体。所述的方法包括将一个井下工具定位在井眼内靠近地下地层的位置，井下工具具有一个适合于吸入流体的探头；定位探头从而与地层形成流体连通，所述的探头具有一个壁，该壁形成第一通道和第二通道；穿过第一通道吸入至少一部分原始流体并进入到井下工具内；有选择地调节探头内的壁，从而优化原始流体到井下工具的流动。
根据本发明的另外一个方面，本发明涉及一种用于从地下地层取样原始流体的方法，所述的地层被一个井眼穿过，而所述的井眼被污染流体包围，所述的地下地层具有原始流体。所述的方法包括将一个井下工具定位在井眼内靠近地下地层的位置，井下工具具有一个适合于吸入流体的探头；定位探头从而与地层形成流体连通，所述的探头具有一个壁，该壁形成第一通道和第二通道；吸入至少一部分原始流体而进入到探头内的第一通道；以及有选择地调节进入该通道的流体流，从而优化原始流体到探头的流动。
根据本发明的另外一个方面，本发明涉及一种用于从地下地层抽取原始流体的井下工具，所述的地层被一个井眼穿过，而所述的井眼被污染流体包围。所述的设备包括一个探头、一个污染物监测器和一个控制器。探头可以定位成与地层形成流体连通并适于使流体从地层流入井下工具内。探头具有一个壁，该壁形成一个第一通道和一个第二通道。污染物监测器适合于测量至少一个通道内的流体参数。控制器适合于接收来自污染物监视器的数据并根据该数据发送命令信号，从而有选择地调节探头内的壁，以优化原始流体穿过第一通道并进入到井下工具内的流动。
根据本发明的另外一个方面，本发明涉及一种用于从地下地层抽取原始流体的井下工具，所述的地层被一个井眼穿过，而所述的井眼被污染流体包围。井下工具包括一个探头、第一流动管线和第二流动管线、至少一个泵、一个监测器和一个控制器。探头可以定位成与地层形成流体连通，并适合于使得流体从地层流动到井下工具内。探头具有一个壁，该壁形成一个第一通道和一个第二通道。第一流动管线与第一通道形成流体连通。第二流动管线与第二通道形成流体连通。泵从地层吸出流体。污染物监测器适合于测量在至少一个通道内的流体参数。控制器适合于接收来自污染物监视器的数据并根据该数据发送命令信号，从而有选择地起动泵以将流体吸入流动管线内，以优化原始流体穿过第一通道并进入到井下工具内的流动。
根据本发明的另外一个方面，本发明涉及一种用于从地下地层取样原始流体的方法，所述的地层被一个井眼穿过，而所述的井眼被污染流体包围，所述的地下地层具有原始流体。所述的方法包括定位一个与地层形成流体连通的探头，该探头由井下工具携带并具有一个壁，该壁形成第一通道和第二通道；使得流体穿过探头并进入到井下工具内；监测穿过探头的流体的流体参数；根据流体参数有选择地调节进入探头内的流体的流动，从而优化原始流体穿过第一通道以及到井下工具的流动。
本发明涉及一种用于分离从地下地层中抽取的原始流体和污染流体的井下装置。井下装置包括一个流体取样探头和用于分离原始流体的机构。流体取样探头具有第一和第二通道，所述通道互相流体连通并与地下地层连通。所述的机构能够分离从地下地层中抽取的原始流体和从地下地层中抽取的污染流体，从而使得原始流体和污染流体的分离发生在所述的流体取样探头内，并且使得污染流体通过所述的第一通道被抽取，原始流体通过所述的第二通道被抽取。
参照下面的描述和所附的权利要求书，本发明的其他方面和优点将会更加清楚。
结合附图对本发明的优选的实施例进行详细描述，这些附图包括图1是被一个内衬有一层泥饼的井眼穿过的一个地下地层的示意图，描述了地下地层内的原始流体。
图2是一个定位在井眼内的一个井下工具的示意图，一个探头伸入到地层，描述了污染流体和原始流体流动到井下取样工具内。
图3是一个具有一个流体取样工具的井下缆绳工具的示意图。
图4是一个井下钻井工具的示意图，其具有图3中的流体取样装置的另外一个实施例。
图5是图3中的流体取样装置的详细视图，描述了一个吸入段和一个流体流动段。
图6A是图5中的吸入段的详细视图，描述了流体流动到一个探头中，该探头的一个壁形成一个内部通道，所述的壁凹入到该探头内。
图6B是图6A中的探头的另外一个实施例，其具有一形成一个内部通道的壁，所述的壁与探头齐平。
图6C是图6A中的探头的另外一个实施例，其具有一个分级器，该分级器能够减少内部通道的尺寸。
图6D是图6C中的探头的横截面图。
图6E是图6A中的探头的另外一个实施例，其具有一个分级器，该分级器能够增加内部通道的尺寸。
图6F是图6E中的探头的横截面图。
图6G是图6A中的探头的另外一个实施例，其具有一个可以调节探头内的内部通道的位置的枢转器。
图6H是图6G中的探头的横截面图。
图6I是图6A中的探头的另外一个实施例，其具有一个可以调节探头和/或内部通道的形状的定形器。
图6J是图6I中的探头的横截面图。
图7A是图6A中的探头的一个示意图，来自地层内的流体进入到探头内，在内部流动通道和外部流动通道之间维持压力和/或流量平衡，以使得流体基本上线形地流入到探头内。
图7B是图7A中的探头的一个示意图，内部通道的流量大于外部通道的流量。
图8A是井下工具和流体流动系统的另一个实施例的示意图，该系统具有双封隔器和壁。
图8B是图8A中的井下工具的一个示意图，所述的壁对流体流动的变化作出响应而移动到一起。
图8C是图8A中的井下工具的流动段的示意图。
图9是图5中的流体取样装置的示意图，该装置包括具有各自的泵的流动管线。
图10是以给定容积进入到探头内的流体的光学密度信号的曲线图。
图11A是图10中的以给定容积取样中发生偏移的光学密度信号的曲线图。
图11B是对应图11A中光学密度的给定容积的流量比例的曲线图。
具体实施例方式
本发明的最佳实施例在上述的各个附图中示出并在下面进行详细描述。在描述这些最佳实施例时，类似或者相同的附图标记用于表示相同或者类似的部件。这些附图不一定成比例，为清楚和简洁起见，某些技术特征和附图的某些视图以放大的比例示出。
参考图3，表示使用本发明的一个环境的例子。在所述的例子中，本发明由一个井下工具10所支持。作为例子的商用的工具10是Schlumberger公司的模式地层动态测试器(MDT)，该公司是本申请和后面描述的美国专利US4936139和US4860581的受让人。
正如本领域的普通技术人员所公知的那样，井下工具10可以伸展到井眼14内，通过一个常规的缆绳18或者导管或者常规的管件或者可卷曲的管件悬挂在钻机5的下方。所述的工具10具有多个模块和/或部件12，包括但不限于一个用于从地下地层16内获取样品的流体取样装置26。流体取样装置26具有一个探头28，该探头可以穿过泥饼15进入到井眼14的侧壁17内用于进行取样。这些样品穿过探头28进入到井下工具10内。
尽管图3描述了根据本发明一个用于采集样品的模块缆绳取样工具，本领域的普通技术人员应该能够理解，这种系统可以用于任何井下工具。例如，图4表示另外一个具有流体取样系统26a的井下工具10a。在这个例子中，井下工具10a是一个钻井工具，该工具包括一个钻柱28和一个钻头30。井下钻井工具10a可以是各种类型的钻井工具，例如象随钻测量工具(MWD)、随钻测井工具(LWD)或者其他钻井系统。图3和4中的工具10和10a可以分别具有其他结构，例如象模块式、一体化、缆绳式、可卷曲管件式、自发式、钻井式或者其他类型的井下工具。
参考附图5，更详细地描述图3中的流体取样系统26。取样系统26包括一个吸入段25和一个流动段27，用于有选择地把流体吸入到井下工具所需的部分内。
吸入段25包括一个探头28，该探头安装在一个可伸出的基部30上，基部30具有一个密封件31，例如象封隔器，用于与探头28周围的井壁17密封式配合。借助于一个伸展活塞33，吸入段25可以从井下工具10有选择地扩展。探头28具有一个内部通道32和一个外部通道34，两个通道由壁36分隔开。壁36最好与探头28同心。然而，探头和对应的壁的几何形状可以是任何几何形状。另外，探头内的一个或者多个壁36可以具有多种结构。
流动段27包括由一个或者多个泵35驱动的流动管线38和40。第一流动管线38与内部通道32流体连通，第二流动管线40与外部通道34流体连通。所描述的流动段可以包括一个或者多个流动控制装置，例如象泵35和阀44、45、47和49，如图5所示，用于有选择地把流体吸入到流动段27的各个部分内。从地层抽取的流体穿过内部通道和外部通道，并进入到它们各个对应的流动管线中。
作为一种优选方式，污染流体从地层穿过外部通道34进入到流动管线40内，并排入到井眼14内。作为一种优选方式，来自地层的流体进入到内部通道32，穿过流动管线38，然后分流到一个或者多个样品腔室42内或者排出到井眼内。一旦确定流入到流动管线38内的流体是原始流体，借助于手动和/或自动操作利用公知的控制技术启动一个阀44和/或49，以将流体分流到样品腔室内。
流体取样系统26最好具有一个或者多个流体监测系统53，用于在流体进入到探头28内时分析流体。流体监测系统53可以具有多个监测装置，例如象光学流体分析装置，这在下面还要进行详细描述。
上面描述的流体取样系统26的各种结构和部件以及流体取样系统26的其他结构和部件的具体细节对本领域的普通技术人员来说是显而易见的，并且也见于其他的专利和印刷公开物，例如本文所讨论的那些文献中。而且，井下流体取样系统26的具体结构和部件可根据每一个具体的设计或用途、状态因素的不同而不同。因此，系统26和本发明都不限于上述的结构和部件，可以包括任何合适的结构和部件。例如，各种流动管线、泵位置和阀的设置可以根据不同的结构而进行调整。类似地，井下工具10的结构和部件也可以根据每一个具体的设计或用途、状态、因素的不同而不同。应用本发明的流体取样系统26的工具10的上述的作为示例的部件和使用环境只是说明性的，并不是对本发明的限制。
继续参考附图5，描述流体进入井下工具10的流动方式。最初，如图1所示，一个侵入区19包围井壁17。原始流体22位于地层16内侵入区19的后方。在过程的某个时刻，当流体被从地层16抽吸到探头28内时，原始流体穿过并进入探头28，如图5所示。当流体进入到探头内时，在靠近内部通道32的侵入区19内的污染流体22最终被去除，并让位给原始流体22。因此，只有原始流体22被吸入到内部通道32，而污染流体20流入到探头28的外部通道34内。为了产生这种结果，可以改变流动方式、压力或者探头的尺寸以实现所需的流动通道，这在下面还要更完整地进行描述。
现在参考图6A-6J，详细描述了探头28的各个实施例。在图6A中，示出基部30支撑密封件31，而密封件与井壁17密封接合。探头28最好伸出超过密封件31而穿过泥饼15。探头28与地层16之间构成流体连通。
壁36最好凹入探头28内一定距离。在这种结构中，沿着地层壁的压力在内部通道和外部通道中自动平衡。探头28和壁36最好是同心圆，但是根据应用或者操作的需要也可以具有其他几何形状。不同的结构还可以包括附加的壁、通道和/或流动管线，以进一步优化取样操作。
壁36最好是可以调节的，以优化原始流体到探头的流动。由于变化流动条件，需要调节壁36的位置从而以最大效率采集最大数量的原始流体。例如，壁36可以相对于探头28移动或者调节到不同深度。如图6B所示，壁36可以与探头齐平。在这种结构中，沿着地层的内部通道中的压力可能不同于沿着地层的外部通道中的压力。
参考图6C-6H，壁36最好能够改变内部通道32的尺寸和/或方向。如图6C到6F所示，壁36的全部或者部分的直径最好可以进行调节，以与来自侵入区19的污染流体20和/或来自地层16的原始流体20到探头28的流动对齐。壁36可以具有一个接口41和导向件40，其适合于允许改变内部通道的大小和/或尺寸。接口41可有选择地沿着壁36在一个膨胀和一个收缩位置之间移动。在图6C和图6D中，与原始流体22的较窄的流动对应，导向件40包围接口41并将接口41保持在收缩位置，以减少内部通道的尺寸。在图6E和6F中，与原始流体22的较宽的流动对应，导向件41回缩，因此接口41膨胀以增加内部通道的尺寸。
图6C-6F中描述的接口可以是一个折叠的金属弹簧、一个圆柱形的波纹管、一个金属强化的弹性件、一个密封件或者能够按照需要有选择地膨胀或者伸展壁的装置。人们能够预见其他的能够膨胀壁36的横截面积的装置。例如，也可以使用一个一端被钉住的可膨胀的弹簧缸体。
如图6G和6H所示，探头28可以具有一个壁36a，它具有一个第一部分42、一个第二部分43和位于这两个部分之间的密封轴承45，以允许有选择地在探头内调节壁36a的定向。第二部分43可以根据需要在探头28内移动，以与原始流体20的流动实现最优对齐。
此外，如图6I和6J所示，也可提供一个或者多个定形器44以使得探头28和/或壁36变形为所需的形状。定形器44具有两个以上的指形件50，适合于把力施加到探头28和/或壁36的各个位置以产生变形。当探头40和/或壁36伸长时，如图6E所示，定形器44可以伸出接口41的至少一部分，以有选择地把该接口41变形为所需的形状。根据需要，定形器可以把压力施加到探头和/或壁周围的各个位置以产生所需的形状。
分级器、枢转器和/或定形器可以是任何能够按照这里所述可选择地移动壁36的电子机构。一个或者多个装置可以被用于执行一个或者多个调节。这些装置可以包括一个可选择的可控滑动接箍、一个褶皱管、或圆柱形波纹管或者弹簧、一个具有内嵌弹簧偏压金属指形件的弹性圈、一个张开的弹性管、一个弹簧缸体和/或具有合适功能的任何合适构件，并可以用操作提供任何所需的变化。
这些和其它的调节装置可以被用于改变通道以进行流体流动。因此，通过结合上述调节结构中的一个或者多个可以产生各种各样的结构。
现在参考图7A和图7B，详细描述流动特性。探头28的各种流动特性可进行调节。例如，如图7A所示，探头28可以被设计为允许原始流体22流入到内部通道32，污染流体20流入到外部通道34的流动分离。例如，希望这样有助于减少在可以接受的原始流体流入到内部通道32之前所需的取样时间，和/或优化或者增加流入到内部通道32的原始流体的量，或者其它情形。
当污染流体20和/或原始流体22的量随着时间推移而变化时，可以调节内部通道32和外部通道34的流体流量的比例以优化或者增加吸入到内部通道32内的原始流体的容积。根据井眼和/或地层条件，流入到探头内的原始流体的区域的直径d增加或者降低。在直径d增加的情况下，需要增加流入到内部通道的流体量。这可以通过如前所述改变壁36来实现。各个通道的流量可以交替地或同时的被改变以进一步增加原始流体进入到内部通道的流动。
流入探头28的通道32和34的相对流量可以用流量比Q1/Q2表示。进入内部通道32的流量用Q1表示，而进入外部通道34的流量用Q2表示。内部通道32内的流量Q1可以有选择地增加并且/或者外部通道34内的流量Q2可以降低，以允许更多的流体被吸入到内部通道32内。作为另外一种方式，内部通道32内的流量Q1可以有选择地降低并且/或者外部通道34内的流量Q2可以增加，以允许较少的流体被吸入到内部通道32内。
如图7A所示，Q1和Q2表示穿过探头28的流体的流动。进入内部通道32的流体的流动可以通过增加或者降低内部通道32和/或外部通道34内的流量来改变。例如，如图7B所示，通过增加穿过内部通道32的流量Q1和/或降低穿过外部通道34的流量Q2，可增加进入到内部通道32的流体的流动。如图中的箭头所示，比值Q1/Q2的变化使得更大数量的流体流入内部通道32，因此增加了吸入到井下工具中的原始流体的量(图5)。
在通道32和34内的流量可以按照任何所需方式和借助于任何合适的部件有选择地进行控制。例如，一个或者多个流动控制装置35与每一个流动管线38和40流体连通，并且可以启动以调节进入各个通道的流体的流动(图5)。根据需要，这个例子中的流动控制装置35和阀45、47和49可以实时启动以在生产和取样过程中改变内部通道32和外部通道34内的流量。
可以改变流量以影响流体的流动和优化原始流体到井下工具的吸入量。可以使用各种装置来测量和调节流量以优化进入井下工具的流体的流动。最初，当污染流体量高时可能需要增加进入到外部通道的流动，然后一旦进入探头的原始流体的量增加时就需要调节流量以增加进入到内部通道32的流体流量。通过这种方式，可以控制流体取样以增加取样过程的效率和样品的质量。
参考图8A和图8B，描述使用一个流体取样系统2 6b的本发明的另外一个实施例。可卷曲管件58上的一个井下工具10b被伸展到井眼14内。双封隔器60从井下工具10b伸出与井眼14的侧壁17密封接合。井眼14衬有泥饼15并被一个侵入区19包围。一对圆柱形壁或者环36b最好定位在用于与井眼14的其它部分隔离的双封隔器60之间。双封隔器60可以是任何能够密封探头使其不暴露在井眼内的装置，例如象封隔器或者任何其它合适的装置。
壁36b能够使从地层16抽取的流体分离地进入到至少两个流动通道32b和34b中。工具10b包括一个主体64，该主体64具有至少一个流体入口68，该入口与双封隔器60之间的井眼流体连通。壁36b绕主体64定位。如图中的箭头所示，壁36b可以沿着工具轴向移动。位于壁36之间的入口最好获取原始流体22，而在壁36b外侧的入口最好吸入污染流体20。
壁36b根据需要进行调节以优化取样过程。壁36b的形状和方向可以有选择地变化以改变取样区。壁36b和井眼壁17之间的距离可以通过例如有选择地从主体64伸出和回缩壁36b而改变。壁36b可沿主体64就位。根据地层的流体特性，壁沿着主体64的位置可以向着互相分开的方向移动以增加吸入原始流体的入口68的数量或者向着互相靠近的方向移动以减少吸入原始流体的入口68的数量。壁36b也可以以沿工具10b和/或者井眼14的一部分的一个给定的位置点为中心，以使得某些入口68与进入到双封隔器60之间的井眼14的原始流体22的流动对齐。
壁沿着主体的移动位置可以或者也可以不导致壁经过入口。在某些实施例中，入口可以位于主体的特定区域。在这种情况下，壁沿着主体的移动可以改变双封隔器之间给定区域内的流动方向，而不必经过某些入口。壁36b之间的取样区域的尺寸可以在任何数个所需的位置之间或者任何所需的范围内和使用任何合适的构件或者技术有选择地调节。
有选择地将流体吸入到井下工具内的流动控制系统27b的一个例子描述在图8C中。一个流体流动管线70从每一个入口68伸到井下工具10b，并且具有一个对应的阀72，用于有选择地分离流体，使之进入一个样品腔室74或者进入双封隔器60外侧的井眼内。可以使用一个或者多个泵35与阀72配合，从而以不同速度有选择地吸入流体，以控制流体到井下工具的流动。污染流体最好重新排放到井眼内。然而，在已经确定原始流体正在进入给定的入口的情况下，一个与该入口对应的阀72可以启动以将原始流体输送到样品腔室74内。可以使用各种测量装置例如象OFA59来分析评价吸入到工具内的流体。在使用多个入口的情况下，可以启动具体的入口以增加最靠近原始流体中央流动处的流量，而较靠近污染流体区域的入口则降低以有效地控制进入井下工具的用于取样的原始流体的最高浓度。
图3～6J中任何一个所述的一个或者多个探头28也可以与图8A或者图8B中的探头28b组合使用。
参考图9，表示图5中的流体取样系统26的另外一个视图。在图9中，流动管线38和40每一个都具有一个泵35，用于有选择地将流体吸入到探头28的内部通道32和外部通道34内。
在图9中更详细地描述了图5中的流体监测系统53。流动管线38和40每一个穿过流体监测系统53，用于进行分析。流体监测系统53具有一个用于测量流动管线40内的光学密度的光学流体分析仪72和一个用于测量流动管线38内的光学密度的光学流体分析仪74。光学流体分析仪可以是一个装置，例如象授权给Felling等人的美国专利US6178815和授权给Safinya等人的美国专利US4994671中所描述的那种类型。
尽管图9中描述的的流体监测系统53具有一个用于监测流体的光学流体分析仪，应该能够理解，也可以使用其他的流体监测装置例如象监测规、监测计、传感器和/或其他结合进行评价的测量装置或者设备，来确定流体的各种性质，例如象温度、压力、组分、污染度和/或其他的本领域普通技术人员公知的参数。
最好提供一个控制器76来接收光学流体分析仪的信息并根据该信息发送信号以改变流体向探头28的内部通道32和/或外部通道34的流动。如图9所示，控制器是流体监测系统53的一部分；然而，本领域的普通技术人员应该能够理解，控制器可以位于井下工具的任何其他部分和/或地面系统中，用于操作井眼系统内的各个构件。
控制器能够执行整个井眼系统的各种操作。例如，控制器可以启动井下工具中的各个装置，例如象有选择地启动分级器、枢转器、定形和/或其他探头装置，用于改变进入探头的内部和/或外部通道32、34内的流体的流动。控制器可以用于有选择地启动泵35和/或阀44、45、47、49以控制进入通道32、34的流量，可以用于有选择地启动泵35和/或阀44、45、47、49以将流体吸入到样品腔室和/或将流体排出到井眼内，可以用于收集数据和/或发送数据，用于分析仰孔和其他功能以协助取样过程作业。控制器也可以用于控制流体从地层的抽取、提供用于污染监测模型的精确污染参数值、当抽取的流体是足以进行取样的原始流体时增加确定可靠性、能够收集用于取样的改善质量的流体、减少实现上述任何功能或者这些功能的结合所需的时间。然而，污染监测标度功能可以用于任何其他合适的目的。而且，污染监测标度功能的使用或者使用的原因不限于本发明。
由图9中的光学流体分析仪72和74产生的光学密度(OD)信号的示例如图10所示。图10表示当流体进入到探头的内部通道和外部通道时OD和流体的整个体积V之间的关系。穿过内部通道32的流体的OD由线80表示。穿过外部通道34的流体的OD由线82表示。由线80和82表示的结果信号可以用于标定以后的测量结果。
一开始，进入通道的流体流的OD为ODmf。ODmf表示靠近图1所示的井眼的污染流体的OD。一旦进入内部通道的流体的体积达到V1，原始流体开始进入。进入到通道内的流体的OD随着进入到通道内的原始流体的体积的增加而增加。当原始流体进入到内部通道32内时，进入到内部通道32的流体的OD继续增加直到到达一个在V2处由ODvf表示的第二高峰为止。尽管原始流体也进入外部通道34，但大部分是污染流体也继续进入外部通道。因此，外部通道内用线82表示的流体的OD增加，但是由于污染物的存在而通常不会到达ODvf。原始流体的突破和进入内部通道和外部通道的流体的流动已经参照图2进行了描述。
内部通道32内的OD的显著信号可以用于标定监测系统或者其装置。例如，可以确定参数ODvf，该参数具有原始流体的光学密度特性。这个参数可以作为污染物监测的参考值。流体监测系统产生的数据然后被用于分析目的，并且作为取样过程决策的基础。
通过监测相对于曲线80而在流体监测系统53的各个光学通道上产生的色调，可以确定哪个(些)光学通道提供光学密度ODmf和ODvf的优化对比读数。可以选择这些光学通道用于污染物监测目的。
图11A和11B描述了进入探头的流体的OD和流量之间的关系。图11A表示图10中的OD信号已经在取样过程中进行了调节。如图10所示，线82表示进入内部通道32的流体的OD的信号，并且82表示进入外部通道34的流体的OD信号。然而，图11A还描述了在取样过程中体积分别为V3、V4和V5时OD的发展过程。
图11B表示进入探头的流体的流量比值Q1/Q2与体积之间的关系。如图7A所示，Q1涉及进入探头28的内部通道32的流体流量，Q2涉及进入探头28的外部通道34的流体流量。正如用数学方式由图11B中的线84所描述的那样，流量比值Q1/Q2最初位于给定的水平值(Q1/Q2)i，该值与图7A中的流量比值对应。然而，比值Q1/Q2然后可逐渐增加，如图7B所示，因此使Q1/Q2增加。流量比值的这种逐渐增加以数学方式表示为线84增加到给定体积例如V4处的水平(Q1/Q2)n。如图11B中所述的那样，该比值可以进一步增加到V5。
当流量比值增加时，线80代表的内部通道32的对应的OD变换到斜线81，而线82表示的外部通道34的OD变换到斜线83和85。从体积V1到V5，图11B中所示的流量比值的变化与图11A中所示的OD的变化对应。在V3处流量比值的增加(图11B)，把流入外部通道的流体的OD从其预期的路线82变化到斜线83(图11B)。在V4处由线84所表示的流量比值的进一步增加(图11A)导致线80的OD从其参考水平值ODvf变化到斜线81(图11B)。线81的OD在V4处的倾斜导致线80的OD在V5点返回到其参考水平值Ofvf，而斜线83的OD进一步沿着斜线85下降。还可以进一步调节OD和/或流量比值以改变取样过程中的流动特性。
而且应该能够理解，上述的方法和技术的论述和各个例子不必包括上述的所有细节和特点。另外，上述的方法以及任何可能落入所附的权利要求书范围内的方法都不需要按照任何具体的顺序进行。再其次，本发明的方法不需要使用本说明书所示出和描述的具体的实施例，例如图5中的示例性探头28，本发明同样可以应用于任何其他的合适的结构、形式或者构件构造。
因此，本发明的优选的实施例适合于实现本发明的一个或者多个目标。而且，本发明的方法和设备提供了现有技术所没有的优点和其他的性能、功能、方法、用途和应用，这些并没有在这里进行具体描述，但是参照本说明书、附图和权利要求书它们是显而易见的。
尽管已经演示和描述了本发明的优选的实施例，本发明的装置和方法可以有多种变化、改进和/或改变，例如象构件中的、构造的细节和操作、部件的设置和/或使用的方法；它们被本发明的申请人想到并在所附的权利要求书的范围之内；它们可以由本领域的普通技术人员来实现和使用而不偏离本发明的精神或者教导以及所附的权利要求书的范围。因为许多可能的实施例可以由本发明来构成而不偏离本发明的范围，应该能够理解，这里所述的以及附图中所演示的内容都应该解释为是说明性的而不是限制性的。因此，本发明的范围和所附的权利要求书不限于本文所述的和所演示的实施例。
应该能够理解，在根据本专利说明书对任何设备、系统或者采取任何行动之前，应该就所有合适的规则、安全性、技术、工业或者其他的要求、指南和安全步骤进行咨询并符合这些内容，需要一个合格称职的在相关领域有经验的人员的协助。在制造、处理、组装、使用和拆卸根据本专利说明书使用或者制造的任何装置或者系统时必须谨慎。
权利要求
1.一种井下工具，其可以定位在一个由一层污染流体包围的井眼内，所述的井眼穿过一个地下地层，在该地下地层内具有位于该层污染流体外侧的原始流体，所述的井下工具包括一个探头，其可以与井眼的侧壁接合，所述的探头与地下地层形成流体连通，从而来自地下地层的流体可以穿过探头进入到井下工具内；以及一个取样入口，其位于所述的探头内并且不与井眼的侧壁接合，取样入口适合接收流过探头的至少一部分原始流体。
2.如权利要求1所述的井下工具，还包括一个与所述的入口进行流体连通的第一流动管线和与所述的探头进行流体连通的第二流动管线，每一个管线连接到一个泵，用于把流体吸入到井下工具内。
3.如权利要求2或者18所述的井下工具，其中，所述流动管线适合于使得来自探头的至少一部分流体进入到井眼内。
4.如权利要求2或者18所述的井下工具，还包括至少一个阀和至少一个对应的样品腔室，所述的样品腔室连接到第一流动管线，用于有选择地将来自第一流动管线的至少一部分原始流体转移到至少一个样品腔室。
5.如权利要求2或者18所述的井下工具，其中，每一个流动管线连接到相同的泵上。
6.如权利要求2或者18所述的井下工具，其中，每一个流动管线连接到一个独立的泵上。
7.如权利要求1所述的井下工具，还包括一个适合于测量进入到探头内的流体的流体参数的流体监测器。
8.如权利要求7所述的井下工具，其中，所述的流体监测器是一个能够测量流体的光学密度的光学流体分析仪。
9.如权利要求7所述的井下工具，还包括一个适合于接收来自流体监测器的数据并根据该数据发送命令信号的控制器。
10.如权利要求9所述的井下工具，其中，所述的控制器能够响应流体参数而发送用于有选择地调节所述的入口的命令信号。
11.如权利要求1所述的井下工具，其中，所述的入口具有一个适合于有选择地定位探头内的入口的枢转器。
12.如权利要求1所述的井下工具，其中，所述的入口具有一个适合于调节由所述的入口限定的横截面积的尺寸的分级器。
13.如权利要求1所述的井下工具，其中，所述的入口具有一个适用于调节由所述的入口限定的横截面积的形状的定形器。
14.如权利要求9或者10所述的井下工具，其中，所述的控制器能够发送命令信号，用于响应流体参数有选择地调节进入所述的入口的流体的流动。
15.如权利要求1所述的井下工具，其中，所述的探头是一个管状件，而所述的入口是一个管状件。
16.如权利要求1所述的井下工具，其中，所述的探头包括至少两个被所述的井下工具携带的封隔器，所述的封隔器能够与井眼的侧壁密封接合，从而把封隔器之间的井眼内的一个隔离部分与井眼的其余部分隔离开来，其中，多个取样入口沿两个封隔器之间的井下工具安置。
17.如权利要求16所述的井下工具，还包括至少两个壁，所述壁可以从所述的井下工具径向伸出，并且可以沿着工具移动，从而使得流动到井眼的隔离部分内的原始流体有选择地被吸入到位于两个壁之间的多个入口内。
18.如权利要求17所述的井下工具，还包括一个与两个壁之间的入口流体连通的第一流动管线和与两个壁外侧的入口流体连通的第二流动管线，每一个流动管线连接到一个泵，用于把流体吸入到井下工具内。
19.一种从地下地层对原始流体取样的方法，所述的地层被一个井眼穿过，所述井眼被污染流体包围，在所述地下地层内具有原始流体，所述的方法包括将一个井下工具定位在井眼内靠近地下地层的位置，该井下工具具有一个适合于吸入流体的探头；定位所述的探头以与地层形成流体连通，所述的探头具有至少一个取样入口，所述的取样入口不与井眼的侧壁接合；通过至少一个入口吸入至少一部分原始流体；以及有选择地调节流体向所述至少一个入口的流动，从而优化原始流体向井下工具的流动。
20.如权利要求19所述的方法，还包括通过一个第一流动管线吸入原始流体和通过一个第二流动管线吸入污染流体，该第一流动管线可操作地与至少一个取样入口相连，该第二流动管线可操作地与探头相连。
21.如权利要求20所述的方法，还包括监测通过流动管线的流体参数的步骤。
22.如权利要求21所述的方法，还包括根据所述的参数确定流动管线的最优流动的步骤。
23.如权利要求20所述的方法，还包括将至少一个壁定位到探头内的步骤，从而使得原始流体被引向所述至少一个取样入口。
24.如权利要求21或者22所述的方法，还包括响应流体参数发送用于执行井眼功能的命令信号的步骤。
全文摘要
本发明公开了一种用于从地下地层抽取流体的装置和方法。一个井下取样工具具有一个探头，所述的探头具有一个可以有选择地把原始流体分流到一个或者多个流动通道用于取样的内壁，而同时把污染流体分流到一个或者多个污染流动通道以排除掉。使用例如象光学密度技术还可以测量穿过探头的通道的流体的性质，以评价各种流体参数例如象污染水平。取样时产生的数据可被发送给一个能够产生数据、通讯和/或发送命令信号的控制器。通过调节探头中的内壁和/或调节穿过通道的流体流量，流体到井下工具的流动可以被有选择地调节以优化流体到通道的流动。内壁的形状和/或流量可以由控制器自动调节和/或手动进行调节，以进一步优化流体的流动。
文档编号E21B49/08GK1469028SQ0314805
公开日2004年1月21日 申请日期2003年6月27日 优先权日2002年6月28日
发明者B·M·希尔, A·扎佐夫斯基, B M 希尔, 舴蛩够 申请人:施卢默格海外有限公司