獲得井下樣品的設備和方法
2023-06-27 21:36:31
專利名稱：獲得井下樣品的設備和方法
技術領域：
本發明涉及在穿入地下地層的井眼中對井下流體進行取樣。本發明尤其涉及採集井下流體樣品並將樣品收回至地面位置的技術。
背景技術：
鑽出也稱為井孔的井眼，用於碳氫化合物的勘探和生產。這經常是所需要的在鑽井操作的過程中，例如在臨時停止實際鑽井的期間，對井眼穿入的地層進行各種評價。在一些情形中，鑽柱配備有一個或多個鑽井工具，以對周圍地層進行測試和/或取樣。在另一些情形中，可以以稱為「起鑽」的順序從井眼中移走鑽柱，並將測井電纜(wireline)工具伸入井眼，以便對地層進行測試和/或取樣。例如，可以使用這樣的井下工具所進行的取樣或測試，來找到有價值的生產碳氫化合物的地層的位置，並處理碳氫化合物從其中的生產。
這樣的鑽井工具和測井電纜工具以及其他的在盤管、鑽管、套管或其他傳送器上傳送的井眼工具，這兒也簡稱為「井下工具」。這樣的井下工具自身可包括多個集成模塊，每個模塊進行獨立的功能，並且可以單獨使用井下工具，或與井下工具組中的其他井下工具共同使用。
更具體說，地層評價經常要求流體從地層吸入至井下工具或其模塊內，以便就地測試和/或取樣。例如探測器和/或封隔器的各種裝置從井下工具延伸，以便隔離井眼壁的區域，並由此與圍繞井眼的地層建立流體連通。隨後可使用探測器和/或封隔器將流體吸入至井下工具內。
典型的探測器使用主體，其可從井下工具延伸，並在其外端部處帶有用於靠著井眼側壁而定位的封隔器。這種封隔器典型地構造為具有一個相對大的元件，其能夠容易地變形，以接觸不平坦的井眼壁(在裸眼評價的情形下)，但保持強度和足夠的完整性，以抵抗預期的壓差。這些封隔器可放置在裸眼或套管井中。它們可以在各種井下工具上進入井眼。
用來與井眼側壁形成密封的另一個裝置稱為雙封隔器。對於雙封隔器，兩個彈性體環圍繞井下工具徑向擴張，以隔離其之間的井眼壁的部分。環與井眼壁形成密封，並允許流體通過井眼的隔離部分吸入至井下工具內。
對於輔助探測器和/或雙封隔器與井眼壁構成適當的密封，井眼的泥餅襯套經常是有用的。一旦構成密封，通過降低井下工具內的壓力，來自地層的流體通過井下工具中的入口吸入至井下工具內。在美國專利6,301,959、4,860,581、4,936,139、6,585,045、6,609,568和6,719,049中以及美國專利申請公布2004/0000433中，描述了在各種井下工具中使用的探測器和/封隔器的例子，這些專利在此作為參考。
流體通過探測器或封隔器中的入口吸入至井下工具內。流體流入流送管內，並選擇性地輸送到在其中收集的樣品室或瓶。在美國專利6,745,835、6,688,390、6,659,177、5,803,186、5,233,866、5,303,775和5,377,755以及其他專利中，描述了在井下工具中使用的樣品室的例子和相關技術。樣品室是容器，典型地配備有在壓力下保持所收集流體的內活塞。一旦流體收集在樣品室中，工具收回到地面，移走樣品室以便進一步分析。在一些情形下，在地面處移走樣品室，以便評價。在另一些情形下，樣品室被帶到工地外的設施，以便進一步測試。
儘管取樣技術進步了，仍然有不中斷由井下工具所進行的井下操作而獲得樣品的需要。在一些例子中，樣品室可能在操作中變得有缺陷、充滿了或另外地不能工作了。仍然有用來更迅速地和/或無須移走工具而獲得樣品的技術的需要。在這些情形下，不撤回工具而從井下工具收回一個或多個樣品室是理想的。
已經開發了從井下鑽井工具收回隨鑽測量和隨鑽記錄工具(MWD，LWD)的技術。這些MWD和LWD工具通常通過測井電纜或鋼絲(slickline)裝置來伸入井下鑽井工具和從井下鑽井工具收回。在這些情形下，部件通過延伸穿過井下鑽井工具的泥漿管路送至井下，並操作性地插入井下鑽井工具的底部鑽具組件內。在美國專利6,577,244中描述了這些裝置和相關技術的例子。然而，不存在已知的從井下裝置或工具收回樣品室的技術。困難在於將樣品保持在理想的壓力下、以及在提取和/或輸送過程中防止樣品汙染。
因此，對於能夠收集樣品並輸送樣品至地面而不用移走井下工具的系統和方法的需要是存在的。這是理想的該系統甚至能在例如鑽補償井的狀況的苛刻鑽井環境下操作。這是進一步理想的在輸送至地面的過程中，該系統能夠將樣品與汙染和/或損壞隔離。在此提出本發明的這些和其他特徵。
發明內容
在一方面，本發明涉及一種可定位在穿入地下地層的井眼中的井下鑽井工具。該工具包括具有固定和可收回部分的地層評價工具。固定部分操作性地連接到井下工具的鑽鋌上。固定部分用於與地下地層建立流體連通。可收回部分流體地連接到固定部分上，並可從其收回至地面位置。可收回部分用於從地下地層接收地層流體。
在另一方面，本發明涉及地層評價隨鑽工具，其可定位在穿入地下地層的井眼中。該工具包括流體連通裝置，其可從鑽井工具延伸，以便與地下地層建立流體連通。流體連通裝置具有用於從地下地層接收地層流體的入口和至少一個用於接收地層流體的樣品室。樣品室通過至少一個流送管操作性地連接到流體連通裝置上。樣品室也定位在鑽鋌中，並可從其收回至地面。
在再一個方面，本發明涉及通過井下鑽井工具來進行地層評價的方法，該井下鑽井工具可定位在穿入地下地層的井眼中。該方法包括在井下鑽井工具的固定部分和地層之間建立流體連通，從地層吸取地層流體且吸入至固定部分內，將地層流體從固定部分傳遞到井下鑽井工具的可收回部分，及將井下鑽井工具的可收回部分收回至地面位置。
為了能夠詳細理解以上敘述的本發明的特徵和優點，通過參考其在附圖中說明的實施例，可對以上簡述的本發明給出更詳細的描述。然而，應當注意附圖只是說明了本發明的典型實施例，因此不應認為是其範圍的限定，因為本發明可容許其他同樣有效的實施例。
圖1是示意圖，部分為具有井下鑽井工具的鑽機的截面，鑽井工具通過鑽柱前進入井眼內，該井下鑽井工具包括在其中的地層評價組件。
圖2A是圖1的地層評價組件的示意圖，包括可收回取樣工具。
圖2B是替代的地層評價組件的示意圖，包括替代的可收回取樣工具。
圖2C是替代的地層評價組件的示意圖，包括可收回樣品室。
圖3A是圖2C的可收回樣品室的示意圖。
圖3B是替代的可收回樣品室的示意圖。
具體實施例方式
現在參考圖1，顯示了傳統的鑽機和鑽柱，其中基於地面的平臺和塔架組件10定位在穿入地下地層F的井眼11上方。在所說明的實施例中，以公知的方式通過旋轉鑽井來形成井眼11。然而，本領域的普通技術人員在本披露的幫助下將理解本發明也應用在定向鑽井應用以及旋轉鑽井中，並且不限於基於地面的鑽機。
鑽柱12懸掛在井眼11內，並在其下端包括鑽頭15。鑽柱12由鑽臺16旋轉，鑽臺由圖中未示的裝置供電，其在鑽柱12上端接合方鑽杆17。鑽柱12從吊鉤18通過方鑽杆17和旋轉接頭19而懸掛，吊鉤接附於移動塊(圖中未示)上，旋轉接頭允許鑽柱12相對於吊鉤18旋轉。
鑽井液或泥漿26存儲在在井場處形成的坑27內。泵29通過接頭19內的埠將鑽井液26輸送到鑽柱12內部，導致鑽井液26穿過鑽柱12向下流動，如方向箭頭9所示。鑽井液26通過鑽頭15內的埠離開鑽柱12，並隨後通過稱為環部的鑽柱12外部和井眼11的壁之間的區域向上循環，如方向箭頭32所示。以此方式，鑽井液潤滑鑽頭15，並當鑽井液返回至坑27進行再循環時，將地層切屑帶到地面上。
鑽柱12進一步包括鑽頭15附近的井下工具或底部鑽具組件(BHA)，通常稱為100。BHA 100包括鑽鋌150，其容納能夠測量、處理和存儲信息以及與地面通信的各種部件。一個這樣的部件是測量和局部通信設備200，用於確定並傳達井眼11周圍的地層F的電阻率。另一個部件是地層評價組件300。地層評價組件300包括穩定器或肋314以及定位於穩定器中的探測器316。
現在參考圖2A，地層評價組件300定位在鑽鋌150中。地層評價組件300包括固定段或部分403和可收回段或部分400。鑽鋌150具有貫穿其中延伸的環部401，以便泥漿或鑽井液通過。如已知的，固定部分403定位在鑽鋌150中，具有貫穿其中所限定並延伸的通道。可收回部分400在中心定位於環部401內。然而，將理解可以以便於地層評價和/或泥漿流動操作的方式，在鑽鋌內定位和/或支承工具。部分可以在一個或多個鑽鋌內。部分可以是相鄰的，或穿過井下工具延伸一定距離。
探測器316定位在固定部分403中，並從其延伸，以接觸井眼11的壁並與相鄰地層建立流體連通。固定部分403包括預測試部分404和壓力計406。也可以提供其他裝置，例如傳感器、流體分析裝置、液壓裝置、電子儀器等。
可收回部分400在其井下端部處具有閉鎖機構408，在其井上端部處具有接線/測井電纜頭410。閉鎖機構408可移動地將可收回取樣工具(或可收回部分400)連接到鑽鋌150上。接線頭410優選地適合連接到測井電纜411上。作為另一種選擇，可以使用鋼絲或其他收回機構來有助於收回至地面。可收回部分400也可以使用牽引器、泥漿流動、重力或其他輸送器來伸入井下工具或地層評價組件300內。隨後可收回部分400使用閉鎖機構408固定在適當位置。
可以使用測井電纜411來為可收回和/或固定部分以及井下工具的其他部分提供動力。在這些情形下，可以使用來自測井電纜411的動力來操作井下工具，以補充或替代來自泥漿流的動力。因此井下工具能夠在LWD模式或在測井電纜模式下操作。在LWD模式，井下工具通過井下發電機(圖中未示)接收來自泥漿流動的動力。在測井電纜模式，測井電纜411電傳送動力至井下工具。當泥漿不能穿過井下工具時，例如當工具『斷開』時，測井電纜模式允許進行操作。
閉鎖機構408適合於構成可收回部分400和固定部分403之間的流送管402的流體連接。閉鎖機構408包括自密封機構(圖中未示)，以便當可收回部分400分離時，密封固定部分403並防止在其中的流體流動。該自密封機構優選地足夠堅固，以便在移走可收回部分400之後抵擋泥漿管路中的高泥漿流率。
可收回部分400包括泵412和樣品室或瓶414。可使用一個或多個理想尺寸的樣品瓶。樣品室優選地為細長的，以允許泥漿通過。可使用比鑽鋌長的樣品瓶，且延伸穿過可收回部分400。流送管402延伸穿過固定部分403和可收回部分400。流送管402將探測器316流體地連接到可收回部分400中的樣品室414上。在取樣組件中可提供另外的閥、樣品室、泵、離開埠、裝料室和其他裝置，以有助於地層評價過程。雖然泵412描述在取樣工具或可收回部分400中，且預測試和計量器描述在地層評價工具的鑽鋌部分或固定部分403中，這些裝置可以定位在關於地層評價工具的多個位置。
現在參考圖2B，描述了替代的地層評價組件300a。地層評價組件300a類似於圖2A的地層評價組件300，除了固定部分403a包含探測器316、及可收回部分400a包含預測試活塞404、壓力計406、電子儀器502和液壓裝置504。對於該構造，另外的部件定位在可收回部分400a中，並可收回至地面，以便在需要時進行替換或調整。
如圖2B中所描述的，地層評價工具300a沒有樣品室或泵。可使用圖2B的構造來不取樣而進行地層測試。然而，可以可選擇地提供這些和其他部件，以能夠進行取樣操作。
現在參考圖2C，顯示了另一個替代的地層評價組件300b，其具有可收回部分400b和固定部分403b。該構造類似於圖2A的地層評價組件300，除了泵412已經從可收回部分400b中移走並定位在固定部分403b中。
圖3A和3B描述了用於井下地層評價組件的流送管構造。如圖3A所示，流送管402分叉為流送管602和604內。閥606選擇性地允許流體從流送管402流入樣品室614內。當閥606關閉時，流送管402可繞過流送管604和樣品室614，並前進到井下工具的其他樣品室或部分。這使得單一流送管能夠進入和離開瓶，其將允許多個瓶串聯放置。
如圖3B所示，流送管402分叉為流送管620和622。閥624和626允許流體選擇性地分別通過進入流送管620、622內。在該情形下，閥遠離瓶而定位，例如在固定部分或閉鎖段內。在該構造中，閥624和626允許不使用瓶中的電操作閥來操作。該構造避免了需要導線。為每個串聯的樣品室提供了單獨的流送管622。
現在參考圖3A和3B，樣品室614包括可滑動定位在其中的活塞628。活塞限定樣品腔630和緩衝腔632。緩衝腔632具有與井眼流體連通的離開埠634。也可以使用其他流送管構造、閥和另外的裝置，例如氮室。
顯示於圖2C中的泵412優選地定位在樣品室附近，以循環閥624和626附近的地層流體。泵412可定位為使停滯的、受汙染的流體的量最少，在閥打開時，該流體將進入樣品室。
從上述描述中應理解可以對本發明的優選的和替代的實施例進行各種變動和改變，而不偏離其真正的精神實質。此外，本描述只是出於說明的目的，不應以限制的意義來解釋。本發明的範圍只應當由下面的權利要求書的語言來確定。權利要求裡的術語「包括」意指「至少包括」，使得權利要求中列舉的元件清單是開集或開組。類似的，術語「包含」、「具有」和「包括」都意指元件的開集或開組。除非明確地排除，「a」、「an」和其他單數術語有意包括其複數形式。
權利要求
1.一種可定位在穿入地下地層的井眼中的井下鑽井工具，其包括地層評價工具，其包括操作性地連接到井下工具的鑽鋌上的固定部分，該固定部分用於與地下地層建立流體連通；及流體地連接到固定部分上，並可從其收回至地面位置的可收回部分，該可收回部分用於從地下地層接收地層流體。
2.根據權利要求1所述的井下鑽井工具，其中，可收回部分包括至少一個用於收集地層流體的樣品室。
3.根據權利要求1所述的井下鑽井工具，其中，可收回部分包括用於導致穿過其的地層流體流動的泵。
4.根據權利要求1所述的井下鑽井工具，其中，可收回部分包括至少一個閥，用於選擇性地使穿過其的地層流體轉向。
5.根據權利要求1所述的井下鑽井工具，其中，可收回部分包括至少一個用於測量地層流體特性的計量器。
6.根據權利要求1所述的井下鑽井工具，其中，可收回部分包括至少一個預測試活塞。
7.根據權利要求1所述的井下鑽井工具，其中，固定部分包括用於與井眼壁密封的流體連通裝置，該流體連通裝置具有至少一個接收地層流體的入口。
8.根據權利要求1所述的井下鑽井工具，其中，固定部分包括用於導致穿過其的地層流體流動的泵。
9.根據權利要求1所述的井下鑽井工具，其中，固定部分包括至少一個閥，用於選擇性地使穿過其的地層流體轉向。
10.根據權利要求1所述的井下鑽井工具，其中，固定部分包括至少一個用於測量地層流體特性的計量器。
11.根據權利要求1所述的井下鑽井工具，其中，固定部分包括至少一個預測試活塞。
12.根據權利要求1所述的井下鑽井工具，其中，固定部分包括至少一個接收地層流體的樣品室。
13.根據權利要求1所述的井下鑽井工具，進一步包括定位在其井上端部的接線頭。
14.根據權利要求1所述的井下鑽井工具，進一步包括閉鎖機構，用於操作性地將可收回部分固定到固定部分上。
15.一種可定位在穿入地下地層的井眼中的地層評價隨鑽工具，其包括流體連通裝置，其可從鑽井工具延伸，用於與地下地層建立流體連通，該流體連通裝置具有用於從地下地層接收地層流體的入口；及至少一個用於接收地層流體的樣品室，該至少一個樣品室通過至少一個流送管操作性地連接到流體連通裝置上，該至少一個樣品室定位在鑽鋌中，並可從其收回至地面。
16.根據權利要求15所述的地層評價隨鑽工具，進一步包括預測試活塞。
17.根據權利要求15所述的地層評價隨鑽工具，進一步包括至少一個計量器。
18.根據權利要求15所述的地層評價隨鑽工具，進一步包括至少一個閥，用於選擇性地使穿過至少一個流送管的流體轉向。
19.一種通過井下鑽井工具來進行地層評價的方法，該井下鑽井工具可定位在穿入地下地層的井眼中，該方法包括在井下鑽井工具的固定部分和地層之間建立流體連通；從地層吸取地層流體且吸入至固定部分內；將地層流體從固定部分傳遞到井下鑽井工具的可收回部分；及將井下鑽井工具的可收回部分收回至地面位置。
20.根據權利要求19所述的方法，進一步包括測量地層流體的至少一個參數。
21.根據權利要求19所述的方法，進一步包括在樣品室中收集至少部分地層流體。
22.根據權利要求19所述的方法，其中，吸取步驟包括從地層抽吸地層流體並泵入至固定部分內。
23.根據權利要求19所述的方法，進一步包括進行預測試操作。
24.根據權利要求19所述的方法，進一步包括將可收回部分伸入至井下鑽井工具內並將其固定到固定部分上。
25.根據權利要求19所述的方法，其中，收回步驟包括接合可收回部分的接線頭；從固定部分解開可收回部分；及將可收回部分收回至地面。
全文摘要
提供了一種可定位在穿入地下地層的井眼中的井下鑽井工具。該工具包括具有固定和可收回部分的地層評價工具。固定部分操作性地連接到井下工具的鑽梃上。固定部分用於與地下地層建立流體連通。可收回部分流體地連接到固定部分上，並可從其收回至地面位置。可收回部分用於從地下地層接收地層流體。
文檔編號E21B49/08GK1865656SQ20061008476
公開日2006年11月22日 申請日期2006年5月18日 優先權日2005年5月19日
發明者C·朗費爾德 申請人:普拉德研究及開發股份有限公司