单相流体采样装置及其使用方法

专利名称：单相流体采样装置及其使用方法
技术领域：
本发明主要涉及地层流体的检验与评估，尤其涉及一种单相流体(single phase fluid)采样装置，该装置用于获取多个流体样品，并在样品从井筒中 取出以及在地面上存储期间通过公共压力源使所述样品保持在接近贮藏压 力(reservoirpressure)。
背景技术：
在不限制本发明的范围的情况下，参照油气层的检验作为实例来说明本 发明的背景。在地下钻井和完井(completion)领域中，对井筒贯穿的地层进行检验 是公知的。典型地，进行这类检验是为了确定地层和其中包含的流体的地质 或其他物理特性。例如，可确定例如渗透率、孔隙率、流体阻力系数(fluid resistivity)、温度、压力以及泡点(bubblepoint)等参数。在完井之前，通 过对地层进行检验，可确定地层及其所包含的流体的这些以及其他的特性。一般进行的一种检验过程是从地层中获取流体样品，确定地层流体的成 分。在此过程中，重要的是获取代表存在于地层中的流体的地层流体的样品。 在典型的采样过程中，地层流体样品可通过将运载工具上的、具有采样室的 采样工具降低到井筒内而获得，所述运载工具例如为钢丝绳、滑线(slick line)、盘管、接合管等。当采样工具到达期望的深度时，开启一个或多个 开口以便能够采集地层流体。所述开口可以通过例如电动、液压或机械手段5等多种方式致动。开口一旦开启，地层流体就流经所述开口，从而将地层流 体样品收集到采样工具的采样室中。当收集了样品后，从井筒中将采样工具 收回，以便可以分析地层流体样品。然而，人们已发现，当流体样品被收回到地面时，流体样品的温度下降 会导致流体样品收縮和流体样品压力减小。这些变化将导致流体样品接近或达到饱和压力，而可能造成沥青质沉积(asphaltene deposition)和流体样品 中夹带的气体的急骤蒸发(flashing)。 一旦此类过程发生，将导致流体样品 不再代表地层中存在的流体。因此，需要一种用于从地层中获取流体样品而 不使样品在采样工具从井筒中取回期间退化的装置和方法，这类装置和方法 还需要在流体样品储存在地面时能够保持流体样品的完整性。发明内容这里公开的本发明提供一种单相流体采样装置和方法，用于从地层中获 取流体样品而不使流体样品在采集期间或从井筒中收回采样装置期间发生 相变退化(phase change degradation)。另外，本发明的采样装置和方法能够 在流体样品在地面上存储期间保持流体样品的完整性。在一个方案中，本发明涉及一种用于在地下井中获取多个流体样品的装 置，该装置包括运载装置、多个采样室和压力源。在一个实施例中，压力源 选择性地与至少两个采样室流体连通(fluid communication)，由此作为公共 压力源以向至少两个采样室中所获取的流体样品加压。在另一个实施例中， 运载装置具有纵向延伸的、形成为光滑孔的内部流体通道以及多个外部设置 的室容置槽。每一个采样室位于运载装置的其中一个室容置槽中。压力源选择性地与每一采样室流体连通，以便在采样室获取流体样品之后操作压力源 对每一个采样室加压。在另一个方案中，本发明涉及一种用于在地下井中获取多个流体样品的 方法。该方法包括步骤将流体采样装置定位在井中，将流体样品获取到流 体采样装置的多个采样室中的每一个中，并使用流体采样装置的、与每一个 采样室流体连通的压力源对各流体样品加压。在又一个方案中，本发明涉及一种用于在地下井中获取流体样品的装 置。该装置包括壳体，该壳体中限定有样品室。该样品室选择性地与壳体的外部流体连通，并可操作以能够容纳来自壳体外部的流体样品。沉砂活塞(debris trap piston)可滑动地设置在该壳体内，该沉砂活塞包括砂室，并且 响应于流体样品进入样品室，该沉砂活塞将流体样品的第一部分容纳在砂室 中，然后相对于该壳体移位，以扩展该样品室。在一个实施例中，沉砂活塞包括截面面积小于砂室的截面面积的通道， 在该实施例中，流体样品的第一部分从样品室经过该通道进入砂室。同样在 此实施例中，由于压力从样品室经过该通道施加到砂室，该流体样品的第一 部分保留在该砂室内。可选地或附加地，可在该沉砂活塞的入口部中设置单 向阀，以将所述流体样品的第一部分保留在该砂室中。在另一个实施例中，沉砂活塞可以包括第一活塞部以及第二活塞部，第 二活塞部可相对于该第一活塞部滑动以使该砂室能够响应于流体样品进入 该砂室而扩展。在此实施例中，由于可在第一活塞部和第二活塞部之间设置 接合装置，当将砂室扩展到预定容积之后，可以防止第一活塞部相对于第二 活塞部产生额外的运动。在另一个方案中，本发明涉及一种用于在地下井中获取流体样品的方 法。该方法包括步骤将采样室设置在该地下井中；致动该采样室，使该采 样室中的样品室与该采样室的外部流体连通；将流体样品的第一部分容纳在 沉砂活塞的砂室中，该沉砂活塞可滑动地设置在该采样室中；使该沉砂活塞 在该采样室内发生移位以扩展该样品室，并将其余的流体样品容纳在该样品 室中。该方法还可以包括流体样品进入砂室之前，使流体样品的第一部分经 过样品室以及沉砂活塞的通道，并通过从样品室经过该通道向砂室内施加压 力而将流体样品的第一部分保留在该砂室内。附加地或可选地，可以使用设 置在沉砂活塞的入口部分中的单向阀将流体样品的第一部分保留在砂室内。在某些实施例中，该方法可以包括响应于所述流体样品进入该砂室， 通过使该第一活塞部相对于该第二活塞部滑动而扩展该砂室，并当该砂室扩 展到预定容积之后，防止该第一活塞部相对于该第二活塞部产生额外的运 动。在又一个方案中，本发明涉及一种井下工具，该井下工具包括壳体， 其具有纵向通道；活塞，其设置在该纵向通道内，该活塞包括穿刺组件；该纵向通道内还设置有阀调节组件(valving assembly)，该阀调节组件包括破 裂盘(rupture disk)，该破裂盘可初始地操作以维持其两端(thereacross)的压差，通过使该活塞相对于该阀调节组件纵向移位而致动该阀调节组件，以 使穿刺组件的至少一部分穿过该压力盘，从而使流体从其中流过。在一个实施例中，该穿刺组件包括穿刺组件本体和针，该针压紧保持在 该穿刺组件本体内。在该实施例中，该针具有穿过破裂盘的尖端。另外，该 针可以具有光滑的外表面、有凹槽的外表面、有沟道的外表面或有滚花的外 表面。在某些实施例中，该阀调节组件可以包括单向阀， 一旦该阀调节组件 被穿刺组件致动，该单向阀就使所述流体沿第一方向流动并防止所述流体沿 第二方向流过该阀调节组件。


为了更完整地理解本发明，包括其特征和优点，现在结合附图参考本发明的详细说明，在附图中，相同的附图标记标识相同的部件，其中 图1是体现本发明原理的流体采样系统的示意图；图2A—图2H是体现本发明原理的采样装置的采样部的一个实施例的连 续的轴向部分的截面图；图3A—图3E是体现本发明原理的采样装置的致动器部、运载装置部和 压力源部的连续的轴向部分的截面图；图4是图3C的压力源部沿线4_4的截面图；图5是图3A的致动器部沿线5 — 5的截面图；图6是用于体现本发明原理的采样装置的可选致动方法的示意图；图7是体现本发明原理的流体采样装置的可选实施例的示意图；图8是图7的流体采样装置沿线8 — 8的截面图；以及 图9A—图9G是体现本发明原理的采样装置的采样部的另一实施例的连 续的轴向部分的截面图。
具体实施方式
当下面详细论述本发明的多种实施例的制造及使用时，应当理解的是本 发明提供了许多可应用的发明设想，所述设想能够在多种特定背景中体现。这里论述的具体实施例仅说明本发明的制造及使用的特定方式，并非限定本 发明的范围。首先参见图1，其中典型地示出了体现本发明原理的流体采样系统10和有关的方法。例如钻杆检验钻具(drill stem test string)的管状钻具(tubular string) 12定位于井筒14内。内部流动通道16纵向延伸贯穿管状钻具12。流体采样装置18连接到管状钻具12内内部连接。同样，优选地在管状 钻具12内还可包括循环阀20、制流阀(tester valve) 22和阻流装置24。循 环阀20、制流阀22和阻流装置24可以是常规的设计。然而应当注意的是， 对本领域的技术人员而言，管状钻具12并非必须包括这里所描述的设备的 特定的组合或配置。采样装置18也并非必须包括在管状钻具12内，例如采 样装置18可改为应用钢丝绳、滑线、盘管、井下机器人(downhole robot) 或类似工具通过流动通道16传送。尽管井筒14被装箱(case)及粘牢，但 井筒也可以是非装箱的或者是裸井(openhole)。在地层检验操作中，制流阀22用于选择性地允许和阻止经过通道16的 流动。循环阀20用于选择性地允许和阻止在通道16和环状间隙26之间的 流动，该环状间隙26径向地形成在管状钻具12和井筒14之间。阻流装置 24用于选择性地限制经过管状钻具12的流动。可通过操纵环状间隙26内的 压力从地面操作阀20、 22和阻流装置24。或者如需要的话，它们中的任一 个可以通过其他方法来操作。可致动阻流装置24以限制经过通道16的流动，从而最小化由于采样装 置18上方的管状钻具12的大容积而造成的井筒存储效应(storage effect)。 当阻流装置24限制经过通道16的流动时，在通道16内产生压差，由此维 持采样装置18的通道16内的压力并降低开启制流阀22的压降效果 (drawdown effect)。以此方式，当将流体样品采集到采样装置18中时，通 过限制经过阻流装置24的流动，可防止流体样品的压力低于其泡点，艮P， 低于此压力时在液相中开始形成气相。循环阀20使管状钻具12内的碳氢化 合物在收回管状钻具12之前循环到外部。如下文更充分地描述的，循环阀 20还使重量增大的流体循环到井筒14中。尽管图l示出了竖直井，但本领域技术人员应注意，本发明的流体采样 装置同样适合应用于偏斜井、倾斜井或水平井。同样地，所用的诸如上方、下方、上部、下部、向上、向下等方向术语是相对于图示的说明性实施例的， 向上的方向是朝向对应的图的上部，而向下的方向是朝向对应的图的底部。现在参见图2A—图2H以及图3A—图3E，图中典型地示出了体现本发 明原理的流体采样装置，并总体上以附图标记100标示。该流体采样装置包 括示例性的流体采样室和示例性的其上连接有压力源的运载装置，以用于获 取多个流体样品。流体采样装置100包括多个采样室，例如图2A—图2H中 所示的采样室102。如图3A—图3E所示，每一个采样室102均连接到运载 装置104上，该运载装置104还包括致动器106和压力源108。如下文更充分地论述的，当使用致动器106起动流体采样操作时，位于 采样室102的上部内的通道110 (参见图2A)设置为与纵向延伸的、完全贯 穿流体采样装置100而形成的内部流体通道112连通(参见图3 A—图3E)。 当流体采样装置100连接到管状钻具12中时，通道112成为管状钻具12中 的通道16的一部分(参见图1)。同样地，内部流体通道112提供了贯穿流 体采样装置100的光滑孔。采样室102上部中的通道110经由单向阀116与 样品室114连通。单向阀116使流体从通道110流入样品室114中，但防止 流体从样品室114流入通道110。沉砂活塞118将样品室114与计量(meter)流体室120隔开。当流体样 品容纳在样品室114中时，活塞118向下移位。然而，在活塞118的这一向 下移位之前，活塞部122相对于活塞部124向下移位。在所示的实施例中， 当流体流入样品室114中时，可选择的单向阀128允许流体流入砂室126。 所造成的活塞部122两端的压差导致活塞部122向下移位，由此扩展了砂室 126。最后，活塞部122将向下移位足够远，以使卡环、C型环、弹簧承载的 耳件、卡抓或其他类型的接合装置130接合在形成于活塞部124上的槽132 上。 一旦接合装置130与槽132接合，活塞部122、 124 —起向下移位以扩 展样品室114。在包括单向阀128的实施例中，通过单向阀128防止容纳在 砂室126中的流体漏回到样品室114内。以此方式，最初容纳在样品室114 中的流体被截取到砂室126中。这些最初容纳的流体通常充满砂，或者是不 期望采样的一种流体(例如泥浆)。因而砂室126将这些最初容纳的流体与 后来容纳在样品室114中的流体样品隔离。计量流体室120最初容纳计量流体，例如液压流体、硅油等。限流器134 和单向阀136控制计量流体室120和常压室138之间的流动，该常压室138 最初包含相对低压的气体，例如处于常压下的空气。室138中可收縮的活塞 (collapsible piston)组件140包括尖头(prong) 142，该尖头142最初保持 另一个单向阀144脱离阀座，以便允许经过室120和室138之间的单向阀144 进行双向流动。然而，如下文更充分地描述的，当对室138加压时，活塞组 件140轴向收縮，从而尖头142不再保持单向阀144脱离阀座，由此防止从 室120到室138的流动。浮动活塞146将室138与另一个常压室148隔开，该常压室148最初包 含相对低压的气体，例如处于常压下的空气。间隔件150连接到浮动活塞146 上，并限制活塞146向下移位。间隔件150还用于接触阀154的杆件152以 开启阀154。阀154最初防止室148和采样室102下部内的通道156之间的 连通。另外，单向阀158允许流体从通道156流向室148，但阻止流体从室 148流向通道156。如上所述， 一个或多个采样室102且优选地9个采样室102安装在外部 设置的室容置槽159内，室容置槽159包围运载装置104的内部流体通道 112。运载装置104中设置密封孔160 (参见图3B)，用以容置采样室102 的上部，并且设置另一个密封孔162 (参见图3C)，用以容置采样室102的 下部。以此方式，采样室102上部中的通道110与运载装置104中的通道164 密封性地连通，且采样室102下部中的通道156与运载装置104中的通道166 密封性地连通。除了安装在运载装置104内的9个采样室102之外，还可以在运载装置 104内以类似的方式容置本领域技术人员所知类型的压力和温度测量/记录 仪(图未示)。例如，运载装置104中的密封孔168、 170可以用于连通该 测量/记录仪与内部流体通道112。注意，尽管图3C中示出的密封孔170与 通道172连通，但优选地，如果密封孔170用于容置测量/记录仪，则使用插 塞来隔离该测量/记录仪和通道172。然而，通道172与通道166以及安装在 密封孔162中的每个采样室102的下部连通，因此用作流体采样装置100的 支管。如果不在密封孔160、 162、 168、 170中的一个或多个中安装采样室 102或测量/记录仪，则将安装插塞以阻止经过其中的流动。通道172与压力源108的室174连通。室174经由通道178与压力源108 的室176连通。室174、 176最初包含加压流体，例如压縮空气或液体。优 选地，使用大约7000psi —12000 psi之间的压縮氮气对室174、 176进行预加 压，但是如果需要，也可以使用其他流体或流体的组合、和/或其他的或高或 底的压力。尽管图3A—图3E示出了具有两个压縮流体室174、 176的压力 源108，但本领域技术人员应当理解的是，压力源108可以具有大于或小于 2的任何数量的室，所述室彼此连通以提供所需的压力源。最优地参见图4， 其示出了压力源108的截面图，该截面图示出了注入阀180和从注入阀180 延伸到室174的通道182，该通道182用于在运行井下的流体采样装置100 之前将加压流体供给到地面上的室174、 176。最优地参见图3A和图5，致动器106包括多个阀184、 186、 188以及 各自的破裂盘190、 192、 194，以提供多组采样室102的独立致动。在所示 的实施例中，可以使用9个采样室102，并分成每组三个的三组采样室。每 组采样室可称为一个采样室组件。因此，阀184、 186、 188以及各自的破裂 盘190、 192、 194用于致动三个一组的采样室102。为清楚起见，下面只描 述关于阀184、 186、 188及其各自的破裂盘190、 192、 194的其中一个的致 动器106的操作。关于其他阀和破裂盘的致动器106的操作与下文的描述类 似。阀184最初使通道164与流体采样装置100的内部流体通道112隔离， 该通道164经由通道196与三个采样室102中的通道110连通。这使得三个 采样室102的每一个中的样品室114与通道112隔离。当想将流体样品容纳 到三个采样室102的每一个样品室114中时，将环状间隙26中的压力增大 足够的量以使破裂盘190裂开，这使环状间隙26中的压力向上移动阀184， 由此开启阀184并使通道112和通道196、 164之间连通。然后，流体从通道112进入三个采样室102的每一个的上部的通道110 中。为清楚起见，下文仅说明采样室102中的一个在容纳了流体样品后的操 作。流体从通道110经过单向阀116流到样品室114中。如上所述，初始体 积的流体被截取到活塞118的砂室126中。活塞部122向下移位以及随后的 组合的活塞部122、 124的向下移位通过流经限流器134的、室120中的计 量流体减速。这防止容纳在样品室114的流体样品的压力降低到其泡点以下。当活塞118向下移位时，室120中的计量流体流经限流器134进入室 138。这时，尖头142保持单向阀144脱离阀座。容纳在室138中的计量流 体导致活塞146向下移位。最后，间隔件150接触阀154的杆件152，开启 阀154。阀154的开启使压力源108中的压力施加到室148。室148的加压 也导致压力施加到室138、 120，从而施加到样品室114。这是由于通道156 与通道166、 172连通(参见图3C)、从而与来自压力源108的加压流体连 通的缘故。当来自压力源108的压力施加到室138时，活塞组件140收縮，并且尖 头142不再保持单向阀144脱离阀座。因此单向阀144防止压力从室120和 样品室114泄漏。单向阀116还防止压力从样品室114泄漏。以此方式给容 纳在样品室114中的流体样品加压。在示出的流体采样装置100的实施例中，由于阀184用于在通道U2和 多个采样室102的上部中的通道IIO之间提供选择性连接，所以多个采样室 102通过破裂盘190致动。因此，多个采样室102同时将流体样品从通道112 容纳到其中。以类似的方式，当破裂盘192裂开时，另外一组多个采样室102中将容 纳流体样品，并且当破裂盘194裂开时，又一组多个采样室102中将容纳流 体样品。可以选择破裂盘190、 192、 194以使其在环状间隙26中的不同压 力下顺次裂开，或可以选择破裂盘以使其在环状间隙26内的同一压力下同 时裂开。流体采样装置100的另一重要特征是所述多个采样室102 (在所示的实 例中为9个)共用同一个压力源108。 S卩，压力源108与多个采样室102中 的每一个连通。这一特征增强了流体采样操作中的速度、便利性、经济性和 安全性。除了共用井下的公共压力源之外，流体采样装置100的多个采样室 102也可以共用地面上的公共压力源。具体地， 一旦在井下获取了所有的样 品并将其加压时，流体采样装置100就被收回到地面。尽管样品会在一定程 度上冷却，但公共压力源会使样品保持在适当的压力下以防止任何相变退 化。 一旦上到地面，样品将在多个采样室102中保留相当长的时间，在此期 间温度条件可能变动。因此，可以使用例如压縮机或泵的地面压力源对采样 室102增压(supercharge)。当采样室102保留在运载装置104中时或当采样室102已从运载装置104移开之后，这一增压过程使多个采样室102被进一步加压。注意，虽然致动器106在上面被描述为构造成允许三组采样室102独立 致动，同时每一组包括三个采样室102，但可以理解的是可以使用任意数量 的采样室102，采样室102可以被包括在任意数量的组(包括一组)中，每 一组中可包括任意数量的采样室102 (包括一个)，不同的组可包括不同数 量的采样室102，并且对采样室102来说根本不是必须要分组。现在参见图6，图中典型地、示意性地示出了用于流体采样装置100的 另一种致动方法。流体采样装置100中包括的控制模块198可以用来致动阀 184、 186、 188，而不是使用环状间隙26中增大的压力来致动阀184、 186、 188。例如，遥测接收机199可以连接到控制模块198上。接收机199可以 是任意类型的遥测接收机，例如能够接收声信号、压力脉冲信号、电磁信号、 机械信号等的接收机。同样地，可以使用任意类型的遥测技术向接收机199 传递信号。当控制模块198确定接收机199已接收到了适当的信号时，控制模块198 使阀184、 186、 188中选定的一个或多个开启，从而导致多个流体样品被采 集到流体采样装置100中。阀184、 186、 188可构造为响应于电流、流体压 力、偏压、温度等的施加或解除而开启。现在参见图7和图8，图中典型地示出了体现本发明的原理的、用于获 取多个流体样品的流体采样装置的另一个实施例，并总体上以附图标记200 标示。流体采样装置200包括上部连接装置202，该上部连接装置202用于 将流体采样装置200连接到采样装置钻具中的其它井工具上。流体采样装置 200还包括致动器204，致动器204以类似于上述致动器106的方式操作。 致动器204下方是运载装置206，运载装置206的结构类似于上述的运载装 置104。流体采样装置200还包括用于分配流体压力的支管208。支管208 下方是下部连接装置210，该下部连接装置210用于将流体采样装置200连 接到采样装置钻具中的其它井工具(well tool)上。流体采样装置200具有纵向延伸的内部流体通道212，该流体通道212 完全贯穿流体采样装置200而形成。当流体采样装置200连接于管状钻具12 中时，通道212成为管状钻具12内的通道16的一部分(参见图l)。在所示的实施例中，运载装置206具有10个外部设置的室容置槽，所述室容置 槽包围内部流体通道212。如上所述，可以在运载装置206内、例如槽214 的室容置槽之一中容置本领域技术人员所知类型的压力和温度测量/记录仪 (图未示)。其余的槽用于容置采样室和压力源室。在所示的实施例中，采样室216、 218、 220、 222、 224、 226分别容置 在槽228、 230、 232、 234、 236、 238中。采样室216、 218、 220、 222、 224、 226的构造和操作方式参照上述的采样室102。压力源室240、 242、 244分 别以类似于上述参照采样室102描述的方式容置在槽246， 248， 250中。压 力源室240、 242、 244最初包含加压流体，例如压縮气体或液体。优选地， 使用大约10000 psi—20000 psi之间的压縮氮气对室240、 242、 244进行预 加压，但是如果需要的话，也可以使用其他流体或流体组合、和/或其他的或 高或低的压力。致动器204包括三个阀，所述三个阀以类似于致动器106的阀184、 186、 188的方式操作。致动器204具有三个破裂盘，每一个破裂盘以类似于致动 器106的破裂盘190、 192、 194的方式连接到每一个阀。其中一个破裂盘在 图上绘出并标示为破裂盘252。如上所述，每一个破裂盘提供一组采样室的 独立致动。在所示的实施例中使用六个采样室，且所述六个采样室被分成三 组，每组两个采样室。与每组的两个采样室连接的是一个压力源室。具体地， 破裂盘252与采样室216、 218连接，而采样室216、 218还通过支管208与 压力源室240连接。以类似的方式，第二破裂盘与采样室220、 222连接， 而采样室220、 222还通过支管208与压力源室242连接。另外，第三破裂 盘与采样室224、 226连接，而采样室224、 226还通过支管208与压力源室 244连接。在所示的实施例中，每一个破裂盘、阀、每一对采样室、压力源 室以及支管部可称为一个釆样室组件。三个采样室组件中的每一个的操作独 立于另外两个采样室组件。为清楚起见，下文描述一个采样室组件的操作。 另外两个采样室组件的操作与下文描述的类似。与破裂盘252连接的阀最初将采样室216、 218的样品室与流体采样装 置200的内部流体通道212隔开。当要将流体样品容纳进采样室216、 218 的样品室时，环状间隙26内的压力增大足够的量以裂开破裂盘252。这使环 状间隙26中的压力以上述的方式向上移动相连的阀，由此开启阀并使通道212和采样室216、 218的各样品室之间连通。如上所述，流体从通道212进入每一个采样室216、 218的上部中的通 道，并流经可选择的单向阀进入样品室。如前所述，初始体积的流体被截取 到砂室中。沉砂活塞的向下移位被另一个室中流过限流器的计量流体减速。 这防止容纳在样品室中的流体样品的压力降低到其泡点以下。当沉砂活塞向下移位时，计量流体流过限流器进入下部的室，引起活塞 向下移位。最后，间隔件接触下部的阀的杆件，开启该阀，并将来自压力源 室240的压力经由支管208施加到下部的室。下部的室的加压还导致压力被 施加到采样室216、 218的样品室。如前所述，当来自压力源室240的压力被施加到下部的室时，活塞组件 收縮，并且尖头不再保持单向阀脱离阀座，这防止压力从样品室泄漏。上部 的单向阀还防止压力从样品室泄漏。容纳在该样品室中的流体样品以此方式 被加压。在所示的流体采样装置200的实施例中，由于所连接的阀用于在通道212 和采样室216、 218的样品室之间提供有选择的连通，所以两个采样室216、 218通过破裂盘252致动。因此，两个采样室216、 218同时从通道212将流 体样品容纳到其中。以类似的方式，当其他破裂盘裂开时，另外两组采样室(采样室220、 222和采样室224、 226)将流体样品容纳在其中，且其中获取的流体样品将 分别通过压力源242、 244加压。可选择破裂盘以使其在环状间隙26中的不 同压力下顺次破裂，或选择破裂盘以使其在环状间隙26中的同一压力下同 时破裂。流体采样装置200的一个重要特征是多个采样室(在所示的实例中为两 个)共用公共的压力源。g卩，每一压力源与多个采样室连通。这一特征加强 了流体采样操作中的速度、便利性、经济性和安全性。除了共用井下的公共 压力源之外，流体采样装置200的多个采样室也可以共用地面上的公共压力 源。具体地， 一旦在井下获取了所有的样品并将其加压时，流体采样装置200 就被收回到地面上。尽管样品会在一定程度上冷却，但公共压力源将样品保 持在适当的压力下以防止任何相变退化。 一旦到达地面，样品将在多个采样 室中保留相当长的时间，在此期间温度条件可能变动。因此，可以使用例如16压縮机或泵的地面压力源对多个采样室增压。当所述釆样室保留在运载装置206中时或采样室已从运载装置206移开之后，这一增压过程使多个采样室 被进一步加压。本领域的技术人员应当理解的是，尽管流体采样装置200被描述为具有 一个通过支管208与两个釆样室连通的压力源室，但其他数量的压力源室连 通其他数量的采样室并不脱离本发明的原理。例如，在某些实施例中， 一个 压力源室可将压力连通到三个、四个或更多的采样室。同样地，两个或更多 的压力源室可作为一个或多个采样室的公共压力源。这些实施例中的每一个 可通过适当地调节支管208使期望的压力源室和期望的采样室合适地相互连 通。现在参见图9A—图9G并参考图3A—图3E，图中典型地示出了体现本 发明的原理的、用在流体采样装置中的流体采样室的另一个实施例，该流体 采样室总体上以附图标记300标示，该流体采样装置包括连接有压力源的示 例性运载工具，用于获取多个流体样品。每一采样室300连接到运载工具104 上，该运载工具还包括如图3 A—图3E中所示的致动器106和压力源108。如下文中更充分地描述的，当使用致动器106启动流体采样操作时，采 样室300上部中的通道310 (参见图9A)设置为与纵向延伸的、完全贯通流 体采样装置而形成的内部流体通道112连通(参见图3A—图3E)。当流体 采样装置内接于管状钻具12中时，通道112成为管状钻具12内的通道16 的一部分(参见图1)。同样地，内部流体通道112提供了贯穿流体采样装 置的光滑孔。采样室300上部的通道310经由单向阀316与样品室314连通。 单向阀316允许流体从通道310流入样品室314，但防止流体从样品室314 漏入通道310。沉砂活塞318设置在壳体302内部，并将样品室314与计量流体室320 隔开。当样品室314中容纳流体样品时，沉砂活塞318相对于壳体302向下 移位以扩展样品室314。然而，在沉砂活塞318向下移位之前，流体流经样 品室314和活塞318中的通道322进入沉砂活塞318的砂室326。由于通道 322和砂室326的相对截面面积以及从样品室314经由通道322保持在砂室 326上的压力，防止容纳在砂室326中的流体回流到样品室314中。如果需 要，可以在通道322中设置可选择的单向阀(图未示)。这种单向阀将以上述的参照图2B中的单向阀128描述的方式操作。以此方式，最初容纳到样 品室314中的流体被截取到砂室326中。由此砂室将所述最初容纳的流体与 随后容纳到样品室314中的流体样品隔开。沉砂活塞318包括磁性定位器 324，该磁性定位器324用作确定沉砂活塞318的移位高度的基准，从而可 以确定获取样品之后样品室314内的容积。计量流体室320最初容纳计量流体，例如液压流体、硅油等。限流器334 和单向阀336控制计量流体室320和常压室338之间的流动，该常压室338 最初容纳压力相对较低的气体，例如大气压下的空气。可收縮活塞组件340 包括尖头342，该尖头342最初保持单向阀344脱离阀座，以允许经过计量 流体室320和常压室338之间的单向阀344进行双向流动。然而，如下文更 充分地描述的，当对常压室338加压时，活塞组件340沿轴向收縮，并且尖 头342不再保持单向阀344脱离阀座，从而防止从计量流体室320到常压室 338的流动。设置在壳体302内的活塞346将常压室338与纵向延伸的常压室348隔 开。该常压室348最初容纳压力相对较低的气体，例如大气压下的空气。活 塞346包含磁性定位器347，该磁性定位器347用作确定活塞346的移位高 度的基准，从而确定获取样品之后的常压室338内的容积。活塞346的下端 包括穿刺组件350。在所示的实施例中，穿刺组件350螺纹连接到活塞346 上，这在穿刺组件本体352和针354之间产生压紧连接。可选地，针354可 通过螺纹、焊接、摩擦或其他适当的方法连接到穿刺组件本体352上。针354 的下端具有尖端，并且可具有光滑外表面，或者可具有有凹槽的的外表面、 有沟道的的外表面、有滚花的外表面，或其他不规则形状的外表面。如下文 更充分地论述的，当活塞346相对于壳体302充分地移位时，针354用于致 动流体釆样装置的压力传递子系统。在常压室348下方及设置在壳体302的纵向通道内的是阀调节组件356。 阀调节组件356包括其中容置压力盘的压力盘支架358，该压力盘图示为破 裂盘360。然而，还可以使用其他类型的、带有压力盘支架358的、提供例 如金属到金属的密封的压力盘，所述压力盘包括压力膜或其他可穿透的构 件。破裂盘360通过挡环362和压盖364保持在压力盘支架358中，该压盖 螺纹连接到压力盘支架358上。阀调节组件356还包括单向阀366。阀调节组件356最初防止室348与采样室300下部中的通道380之间的连通。通过 针354将压力传递子系统致动之后，单向阀366允许流体从通道380流向室 348，但防止流体从室348流向通道380。如上所述， 一个或多个采样室300且优选地9个采样室300安装在外部 设置的室容置槽159中，所述室容置槽包围运载装置104的内部流体通道 112。在运载装置104中设置密封孔160(参见图3B)，用以容置采样室300 的上部，并且设置另一个密封孔162 (参见图3C)，用以容置采样室300的 下部。以此方式，采样室300上部中的通道310设置为与运载装置104中的 通道164密封性地连通，且采样室300下部中的通道380设置为与运载装置 104中的通道166密封性地连通。如上所述， 一旦流体采样装置具有可行的构造，并定位在井筒内的期望 位置时，通过运行致动器106可以将流体样品获取到一个或多个样品室314 中，于是流体从通道112进入每个期望的采样室300的上部中的通道310。 为清楚起见，下文仅描述采样室300中的一个在容纳了流体样品之后的操作。 流体从通道310经过单向阀316流到样品室314。注意，单向阀316可以包 含限位销368，以防止球状构件370的过量行程和螺旋缠绕压縮弹簧372的 过度压縮或回弹(recoil)。如上所述，流体的初始体积被截取到活塞318 的砂室326中。活塞318的向下移位通过室320中流过限流器334的计量流 体减速。这样防止容纳在样品室314中的流体样品的压力降低到其泡点以下。当活塞318向下移位时，室320中的计量流体流过限流器334进入室 338。这时，尖头342保持单向阀144脱离阀座。容纳在室338中的计量流 体引起活塞346向下移位。最后，针354刺穿破裂盘360，致动阀调节组件 356。阀调节组件356的致动使来自压力源108的压力被施加到室348。具体 地， 一旦破裂盘360被刺穿，来自压力源108的压力经过阀调节组件356， 移动单向阀366脱离阀座。在所示的实施例中，限位销374防止单向阀366 的过量行程和螺旋缠绕压縮弹簧376的过度压縮或回弹。室348的加压还导 致压力被施加到室338、 320，从而施加到样品室314。当来自压力源108的压力被施加到室338时，销378被切断，使活塞组 件340收縮，以使尖头342不再保持单向阀344离开阀座。因此单向阀344 防止压力从室320和样品室314泄漏。单向阀316也防止压力从样品室314泄漏。样品室314中容纳的流体样品以此方式被加压。虽然参照说明性实施例描述了本发明，但这种说明不能解释为有限的含 义。参照本说明书，本发明的说明性实施例以及其他实施例的各种修改和组 合对本领域的技术人员来说是显而易见的。因此，所附的权利要求书旨在包 括任何此类的修改和实施例。
权利要求
1.一种用于获取地下井中的流体样品的装置，该装置包括壳体，该壳体具有限定在该壳体中的样品室，该样品室选择性地与该壳体的外部流体连通，并可操作地从该壳体的外部接纳所述流体样品；以及沉砂活塞，其可滑动地设置在该壳体内，该沉砂活塞包括砂室；该沉砂活塞响应于所述流体样品进入该样品室而将所述流体样品的第一部分容纳在该砂室中，然后相对于该壳体移位，以扩展该样品室。
2. 如权利要求1所述的装置，其中该沉砂活塞包括通道，该通道的截 面面积小于该砂室的截面面积，其中所述流体样品的第一部分从该样品室经 过该通道进入该砂室。
3. 如权利要求2所述的装置，其中所述流体样品的第一部分由于从该 样品室经过该通道施加到该砂室的压力而保留在该砂室内。
4. 如权利要求1所述的装置，还包括磁性定位器，该磁性定位器可操 作地与该沉砂活塞连接，该磁性定位器提供用于确定该沉砂活塞的移位程度 的基准。
5. 如权利要求1所述的装置，还包括设置在该沉砂活塞的入口部的单 向阀，该单向阀可操作地使所述流体样品的第一部分保留在该砂室中。
6. 如权利要求1所述的装置，其中该沉砂活塞还包括第一活塞部以及 能相对于该第一活塞部滑动的第二活塞部，以使该砂室能够响应于所述流体 样品进入该砂室而扩展。
7. 如权利要求6所述的装置，还包括接合装置，该接合装置设置在该 第一活塞部和该第二活塞部之间，当将该砂室扩展到预定的容积之后，该接 合装置防止该第一活塞部相对于该第二活塞部产生额外的运动。
8. —种用于获取地下井中的流体样品的方法，该方法包括 将采样室设置在该地下井内；致动该采样室，使该采样室内的样品室与该采样室的外部流体连通； 将所述流体样品的第一部分容纳在沉砂活塞的砂室中，该沉砂活塞可滑 动地设置在该采样室中；将该采样室内的沉砂活塞移位，以扩展该样品室；以及将其余的流体样品容纳在该样品室中。
9. 如权利要求8所述的方法，其中所述的将所述流体样品的第一部分容纳在砂室中的步骤还包括使所述流体样品的第一部分流入该砂室之前流 过该样品室和该沉砂活塞的通道，其中该通道的截面面积小于该砂室的截面面积。
10. 如权利要求9所述的方法，还包括通过从该样品室经由该通道向该砂室施加压力而将所述流体样品的第一部分保留在该砂室内的步骤。
11. 如权利要求8所述的方法，还包括使用设置在该沉砂活塞的入口部中的单向阀将所述流体样品的第一部分保留在该砂室内的步骤。
12. 如权利要求8所述的方法，还包括响应于所述流体样品进入该砂室 通过使一第一活塞部相对于一第二活塞部滑动而扩展该砂室的步骤。
13. 如权利要求12所述的方法，还包括将该砂室扩展到预定的容积之 后防止该第一活塞部相对于该第二活塞部产生额外的运动的步骤。
14. 一种井下工具，包括 壳体，其具有纵向通道；活塞，其设置在该纵向通道内，该活塞包括穿刺组件；以及 阀调节组件，其设置在该纵向通道内，该阀调节组件包括压力盘，该压 力盘最初可操作地维持该阀调节组件两端的压差，其中通过使该活塞相对于 该阀调节组件纵向移位来致动该阔调节组件，以使该穿刺组件的至少一部分 能运行穿过该压力盘，从而使流体能够流过该压力盘。
15. 如权利要求14所述的井下工具，其中该穿刺组件还包括穿刺组件 本体和针，并且其中通过压紧、摩擦、螺纹和焊接方式其中之一将该针保持 在该穿刺组件本体内。
16. 如权利要求15所述的井下工具，其中该针具有能运行穿过该压力 盘的尖端。
17. 如权利要求15所述的井下工具，其中该针的外表面选自光滑外表 面、有凹槽的外表面、有沟道的外表面和有滚花的外表面的其中之一。
18. 如权利要求14所述的井下工具，其中该活塞相对于该阀调节组件 和该壳体被移位。
19. 如权利要求14所述的井下工具，其中该阀调节组件还包括单向阀，一旦该阀调节组件被致动时，该单向阀允许所述流体沿第一方向流过该阀调 节组件，并防止所述流体沿第二方向流过该阀调节组件。
20. 如权利要求14所述的井下工具，其中该井下工具是用于获取地下井中的流体样品的装置。
21. 如权利要求14所述的井下工具，其中该压力盘还包括破裂盘。
22. 如权利要求14所述的井下工具，还包括磁性定位器，该磁性定位 器可操作地与该活塞连接，该磁性定位器提供用于确定该活塞的移位程度的基准。
全文摘要
本发明涉及一种单相流体采样装置及其使用方法，其中，在地下井中获取流体样品的装置(300)包括壳体(302)，该壳体内部限定有样品室(314)。该样品室(314)选择性地与壳体(302)的外部流体连通，并可操作以从壳体外部容纳流体样品。沉砂活塞(318)可滑动地设置在壳体(302)内。沉砂活塞(318)包括砂室(326)。响应于流体样品进入样品室(314)，沉砂活塞(318)在将流体样品的第一部分容纳在砂室(326)中之后相对于壳体(302)移位，以扩展样品室(314)。
文档编号E21B49/08GK101251010SQ20081000486
公开日2008年8月27日 申请日期2008年2月5日 优先权日2007年2月6日
发明者堂·H·帕金斯, 文森特·P·泽勒, 查克·麦克费尔, 赛勒斯·A·伊拉尼 申请人:哈利伯顿能源服务公司