專利名稱：鉆探時的巖層評價的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于評價地下巖層的技術(shù)。更特別而言，本發(fā)明涉及用于收集和/或存儲從地下巖層獲得的流體樣品的技術(shù)。
背景技術(shù)：
鉆探井眼以便定位和生產(chǎn)烴類。帶有位于其一端的鉆頭的井下鉆探工具被推進入地面以便形成井眼。當(dāng)鉆探工具推進時，鉆探泥漿被通棺晏焦ぞ哌從地面泥漿池抽出并抽出鉆頭以便冷茸晏焦ぞ哌并運走切屑。流體流出鉆頭并回流直至地面以便通過工具再循環(huán)。鉆探泥漿還用于形成濾餅以便為井眼加襯。
在鉆探作業(yè)期間，理想的做法是對通過井眼穿透的巖層進行各種評價。在某些情況中，鉆探工具可以設(shè)置有用于對周圍巖層進行試驗和/或采樣的裝置。在某些情況中時，鉆探工具可以被除去并且將鋼絲繩工具部署于井眼中以便對巖層進行試驗和/或采樣。例如，請看美國專利No.4,860,581和4,936,139。在其它情況下，可以使用鉆探工具進行試驗和/或采樣。例如，請看美國專利/申請No.5,233,866；。6,230,557；20050109538和20040160858。例如，可以使用這些樣品和/或試驗來定位有價值的烴類。
巖層評價通常要求將流體從巖層吸入井下工具以便試驗和/或采樣。各種流體連通裝置如探頭通常從井下工具延伸并放置成井眼壁接觸以便與井眼周圍的巖層建立流體連通并將流體吸入井下工具中。典型的探頭為從井下工具延伸并靠著井眼的側(cè)壁放置的圓形元件。位于探頭端部的橡膠封隔器用來形成與井眼側(cè)壁的密封。
用于與井眼側(cè)壁形成密封的另一裝置被稱作雙管封隔器。利用雙管封隔器，兩個彈性體環(huán)繞著工具沿徑向膨脹以便隔離其間的井眼的一部分。環(huán)與井眼壁形成密封并且容許流體被吸入井眼的隔離部分中與井下工具中的入口中的。
為井眼加襯的濾餅通常用于幫助探頭和/或雙管封隔器與井眼壁形成密封。一旦形成密封，通過降低井下工具中的壓力將來自巖層的流體通過入口吸入井下工具。用于井下工具的探頭和/或封隔器的實例在美國專利No.6,301,959；4,860,581；4,936,139；6,585,045；6,609,568和6,719,049與美國專利申請No.2004/0000433中進行了描述。
如果需要吸入工具中的流體樣品，則樣品可以收集在一個或多個樣品室中或者置于井下工具中的瓶子中。用于鋼絲繩工具的此類樣品室和采樣技術(shù)的實例在美國專利No.6688390、6659177和5303775中進行了描述。用于鉆探工具的此類樣品室和采樣技術(shù)的實例在美國專利申請No.5233866和2005/0115716中進行了描述。通常，樣品室可從井下工具拆除，例如如美國專利/申請No.6837314、4856585和6688390中所示。
盡管采樣技術(shù)中存在這些進展，仍然需要提供能夠在惡劣的鉆探環(huán)境中提供更有效采樣的樣品室和/或采樣技術(shù)。理想的是，此類技術(shù)可用于井下鉆探工具的有限空間中并且容易接近樣品。尤其，此類技術(shù)優(yōu)選地提供了以下特征中的一個或多個通向樣品室和/或用于除去樣品室的選擇性出入口；用于固定樣品室的鎖定機構(gòu)；隔離沖擊、振動、周期性變形和/或其它井下應(yīng)力；保護樣品室密封機構(gòu)；控制與樣品室有關(guān)的熱應(yīng)力而不會引起應(yīng)力集中或犧牲實用性；多余的樣品室保持器和/或保護器；以及樣品室的模塊化。此類技術(shù)還優(yōu)選地在無需使用高成本材料來實現(xiàn)所需操作性的情況下實現(xiàn)。
定義在本說明書全文中，當(dāng)某些術(shù)語首次使用時對其進行定義，同時本說明書中使用的某些其它術(shù)語定義如下“電”、“電子”和“電氣”指的是用于傳遞電子信號的連接和/或線路。
“電子信號”是指能夠傳遞電能和/或數(shù)據(jù)(例如二進制數(shù)據(jù))的信號。
“模塊”是指井下工具特別是具有兩個或多個互連模塊的多功能或集成井下工具的一部分，用于進行分離的或個別的功能。
“模塊化”是指適于連接(互連)模塊和/或工具，并且可能利用標(biāo)準(zhǔn)化單元或尺寸構(gòu)造以便在使用時具有靈活性和多樣性。
“單相”指的是保存在樣品室中的流體樣品，以及是指腔室的壓力得到保持或控制以便使得僅通過壓力保持在溶液中的樣品成分，如氣體和瀝青烯，在從井眼取回腔室時不應(yīng)從溶液中析出。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)至少一個方面，本發(fā)明涉及可置于穿透地下巖層的井眼中的用于鉆探時采樣工具的采樣模塊。這種工具包括鉆環(huán)、至少一個樣品室、至少一個流管線以及至少一個蓋。鉆環(huán)可操作連接于鉆探時采樣工具的鉆柱。鉆環(huán)具有至少一個延伸穿過其外表面與進入空腔的開口。鉆環(huán)中具有用于使泥漿通過其中的通路。樣品室可置于鉆環(huán)的空腔中。鉆環(huán)中的流管線、至少一個流管線可操作連接于樣品室以便將井下流體傳送至其。蓋可置于鉆環(huán)的至少一個開口周圍，由此樣品室被可拆地固定于其中。
根據(jù)另一方面，本發(fā)明涉及通過可置于穿透地下巖層的井眼中的鉆探時采樣工具進行鉆探時采樣的方法。這種方法包括將樣品室穿過鉆探時采樣工具的鉆環(huán)的外表面中的開口放置并放入其中的空腔中，將蓋放置在鉆環(huán)的開口上方，將井下鉆探時采樣工具部署入井眼中，在鉆探時采樣工具和巖層之間建立流體連通，將巖層流體經(jīng)由鉆探時采樣工具中的入口吸入鉆探時采樣工具以及將巖層流體從入口傳送至樣品室。然而，可以根據(jù)說明書認(rèn)識到本發(fā)明的其它方面。


參考附圖中所示的以上概述的本發(fā)明的實施例對本發(fā)明進行更詳細(xì)地說明。然而，應(yīng)當(dāng)指出，附圖只示出了本發(fā)明的典型實施例，因此并不會被看作對本發(fā)明的范圍的限制，因為本發(fā)明可容許其它等效的實施例。
圖1為具有置于穿透地下巖層的井眼中的井下工具的井場的示意圖，該井下工具具有鉆探時采樣(“SWD”)系統(tǒng)。
圖2A為圖1的井下工具的一部分的縱向剖面圖，更詳細(xì)地示出了SWD系統(tǒng)的采樣模塊，該采樣模塊中具有流體流動系統(tǒng)和多個樣品室。
圖2B為圖2A的采樣模塊沿著剖面線2B-2B剖開的水平剖面圖。
圖3是圖2A和2B的流體流動系統(tǒng)的示意圖。
圖4A為圖2A的采樣模塊的局部剖視圖，其具有通過雙片式蓋保持于其中的可拆式樣品室。
圖4B為一種替代采樣模塊的局部剖視圖，其具有通過多片式蓋保持于其中的可拆式樣品室。
圖5A為圖4A的采樣模塊的一部分的詳細(xì)剖視圖，更詳細(xì)地示出了其接口。
圖5B為替代采樣模塊和接口的局部剖開的等距視圖。
圖6A-6D為圖4A的采樣模塊的一部分的詳細(xì)剖視圖，更詳細(xì)地示出了減震器。
圖7為一種替代減震器的等距視圖，其具有可用于圖4A的采樣模塊的保持器。
圖8A為置于鉆環(huán)中的圖7的減震器的替代視圖。
圖8B為一種替代減震器和鉆環(huán)的部件分解圖。
圖8C為替代減震器和鉆環(huán)的局部剖開的等距視圖。
具體實施例方式
為了能夠詳細(xì)地理解本發(fā)明的上述特征和優(yōu)點，可以參考附圖中所示的實施例對以上簡短概述的本發(fā)明進行更特別的說明。然而，應(yīng)當(dāng)指出，附圖只示出了本發(fā)明的典型實施例，因此并不會被看作對本發(fā)明的范圍的限制，因為本發(fā)明可容許其它等效的實施例。
圖1示出了井場1，其包括鉆塔10，鉆塔10帶有通過鉆柱12從其懸掛并進入井眼11的井下工具100。井下工具100具有位于其下端的鉆頭1 5，該鉆頭15用于將井下工具推進至巖層中并形成井眼。
鉆柱12通過轉(zhuǎn)盤16作用下旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)盤16由未示出的裝置供能，接合著鉆柱的上端的鉆桿17。鉆柱12通過鉆桿17和連接至游動滑車(也未示出)的轉(zhuǎn)環(huán)19懸掛于鉤18上，該轉(zhuǎn)環(huán)容許鉆柱相對于鉤旋轉(zhuǎn)。
所示出的鉆塔為陸基平臺和井架裝置10，用于按照眾所周知的方式通過旋轉(zhuǎn)鉆進形成井眼11。然而，通過本公開內(nèi)容，本發(fā)明所屬領(lǐng)域的普通技術(shù)人員將會理解本發(fā)明也適用于其它井下應(yīng)用，如旋轉(zhuǎn)鉆探，并且并不限于陸基鉆塔。
鉆探流體或泥漿26存儲于在井場處形成的凹陷27中。泵29通過轉(zhuǎn)環(huán)19中的端口將鉆探流體26輸送至鉆柱12內(nèi)部，引起鉆探流體如有向箭頭9所示通過鉆柱12向下流動。鉆探流體通過鉆頭15中的端口退出鉆柱12，然后如方向箭頭32所示向上循環(huán)通過位于鉆柱的外面和井眼的壁之間的，被稱為環(huán)狀空間的區(qū)域。按照這種方式，當(dāng)鉆探流體返回至凹陷27以便再循環(huán)時，鉆探流體潤滑鉆頭15并將巖屑運送直至地面。
井下工具100有時被稱作井底鉆探工具組合(“BHA”)，優(yōu)選地置于鉆頭15附近(換句話說，置于離開鉆頭的若干鉆鋌長度內(nèi))井底鉆探工具組合包括具有各種能力如測量、處理和存儲信息以及與地面通訊的各個部件。還優(yōu)選地設(shè)置了遙測裝置(未示出)以便與底面裝置(未示出)通訊。
BHA 100還包括在鉆探時采樣(“SWD”)系統(tǒng)230，其包括流體連通模塊210和采樣模塊220。這些模塊優(yōu)選地容放在鉆鋌中以便執(zhí)行各種巖層評價功能(在下文詳細(xì)描述)。如圖1中所示，流體連通模塊210優(yōu)選地置于采樣模塊220鄰近。所示的流體連通模塊具有探頭，探頭具有用于接收巖層流體的入口。還可設(shè)置另外的裝置，如泵、量規(guī)、傳感器、監(jiān)視器或其它可用于井下采樣和/或試驗的裝置。盡管圖1示出為具有帶有位于特定模塊中的特殊部件的模塊化構(gòu)造，該工具可為整體式或其選擇部分可以模塊化。模塊和/或其中的部件可以貫穿井下工具置于各種構(gòu)型。
流體連通模塊210具有優(yōu)選地置于支腳或肋212中的流體連通裝置214，例如探頭?？梢允褂玫氖纠粤黧w連通裝置示出于美國專利申請No.20050109538中，其全部內(nèi)容在此引入作為參考。流體連通裝置設(shè)置有用于接收井下流體的入口和用于使流體經(jīng)過其中的延伸至井下工具中的流管路(未示出)。流體連通裝置優(yōu)選地可在延伸和縮回位置之間運動，以便選擇性地接合井眼11的壁和從巖層F獲得多個流體樣品。如所示，可以設(shè)置背撐活塞250以便幫助將流體連通裝置靠著井眼壁放置。
可以使用的流體連通裝置的實例，例如探頭或封隔器，在美國專利/申請No.US 2005/0109538和5803186中進行了更詳細(xì)地描述。
各種流體連通裝置可以單獨使用，或者與突起的裝置如支腳或肋結(jié)合使用。
圖2A和2B示出了井下工具100的一部分，其中圖1采樣模塊220的更詳細(xì)地示出。圖2A為探頭模塊210和采樣模塊220的一部分的縱向剖面。圖2B為采樣模塊220沿著圖2A的剖面線2B-2B剖開的水平剖面。
采樣模塊220優(yōu)選地容放在鉆環(huán)302中，該鉆環(huán)302可通過螺紋連接于BHA如圖1的探頭模塊210的相鄰鉆環(huán)。鉆環(huán)具有支承于其中的芯軸326。通路323在芯軸和鉆環(huán)之間延伸以便容許泥漿如箭頭所示經(jīng)過其中。
樣品室、鉆環(huán)和相關(guān)部件可以由高強度材料如不銹鋼、鈦或鉻鎳鐵合金制造。然而，可以選擇材料以便實現(xiàn)在部件之間匹配的所需熱膨脹。特別是，可能希望使用一組低成本、高強度和熱膨脹有限的材料，如皮克(peek)或凱夫拉爾(Kevlar)。
接口322設(shè)置于其端部處以便提供與相鄰鉆環(huán)的液壓和/或電連接。如果需要的話，另外的接口324可設(shè)置于另一端以便操作地連接至相鄰的鉆環(huán)。按照這種方式，流體和/或信號可如例如美國專利申請序號11/160,240中所述那樣在采樣模塊和其它模塊之間傳送。在這種情況下，優(yōu)選地設(shè)置這樣一個接口以便在流體連通模塊和采樣模塊之間建立流體連通，從而將由流體連通模塊接收的巖層流體傳送至采樣模塊。
所示的接口322位于采樣模塊220的井口端處以便與相鄰的流體連通模塊210操作連接。然而，應(yīng)當(dāng)理解，一個或多個流體連通模塊和/或探頭模塊可置于井下工具中，其中一個或多個接口位于其任一端或兩端以便與相鄰的模塊操作連接。在某些情況中，一個或更多插入模塊可置于流體連通模塊和探頭模塊之間。
采樣模塊具有流體流動系統(tǒng)301，用于使流體經(jīng)過鉆環(huán)302。流體流動系統(tǒng)包括從接口延伸入井下工具中的主流動管線310。流管線優(yōu)選地通過用于接收由此接收的流體的接口與流體連通模塊的流管線保持流體連通。如所示，流管線置于芯軸326中并且將由流體連通模塊接收的流體傳過采樣模塊。
如所示，流體流動系統(tǒng)301還具有次級流管線311和傾倒流管線260。次級流管線將來自主流管線310的流體分流至一個或多個樣品室314以便收集于其中。還可設(shè)置另外的流管線如傾倒流管線260以便將流分流至井眼或井下工具中的其它位置。如所示，設(shè)置了分流器332以便選擇性地將流體分流至各個位置?？梢栽O(shè)置一個或多個這種分流器以便將流體分流至預(yù)定位置。
樣品室可以設(shè)置有各種裝置裝置如閥、活塞、壓力室或用于幫助操縱流體的獲取和/或保持這種流體的質(zhì)量的其它裝置。樣品室314各自適于通過主流管線310和相應(yīng)的次級流管線311接收通過探頭214(請看圖1)獲得的一種巖層流體的樣品。
如所示，樣品室優(yōu)選地可拆地置于鉆環(huán)302中的孔303內(nèi)。蓋342置于樣品室和鉆環(huán)302周圍以便將樣品室保持于其中。
從沿著圖2A的線2B-2B剖開的水平剖面可以看到，并且如圖2B中所示，采樣模塊設(shè)置有三個樣品室314。樣品室314優(yōu)選地在主體內(nèi)以120度間隔均勻地隔開。然而，應(yīng)當(dāng)理解，呈各種構(gòu)型的一個或多個樣品室可以置于鉆環(huán)周圍。另外的樣品室還可置于模塊和/或井下工具周圍的附加豎直位置。
腔室優(yōu)選地置于鉆環(huán)302的周邊周圍。如所示，樣品室優(yōu)選地可拆地置于鉆環(huán)302中的孔303內(nèi)?？妆粯?gòu)置成適于接收樣品室。優(yōu)選地，樣品室適配于孔中以便在曝露于惡劣的井眼條件時防止受損壞。
通路318延伸通過井下工具。通路優(yōu)選地限定了多個沿徑向突出的葉突320。葉突320的數(shù)量優(yōu)選地等于樣品室314的數(shù)量，即圖2B中的三個。如所示，葉突320以大約60度的間隔在樣品室314之間從其突出。優(yōu)選地，葉突使得繞著樣品室的通路的尺寸膨脹以便容許鉆探流體穿過其中傳送。
有突出部分的軸承318優(yōu)選地構(gòu)置成適于為要通過鉆柱傳送經(jīng)過樣品室314的鉆探流體提供適當(dāng)?shù)牧魍娣e。另外優(yōu)選地，腔室和/或容器被置于平衡結(jié)構(gòu)，該平衡構(gòu)型減少了鉆孔旋轉(zhuǎn)引起的不穩(wěn)定運動趨向，減少了對井下工具的腐蝕并且簡化了制造。理想的是提供這種構(gòu)型以便優(yōu)化采樣模塊的機械強度，同時便于穿過其中的流體流動。這種構(gòu)型受到理想地調(diào)節(jié)以便增強井下工具和鉆探時采樣系統(tǒng)的可操作性。
圖3是圖2A-2B的采樣模塊220的流體流動系統(tǒng)301的示意圖。如上所述，流體流動系統(tǒng)301包括分流器332以便選擇性地將流分流通過采樣模塊和多個樣品室314。分流器選擇性地將流體從主流管線310分流至通向樣品室314的次級流管線311和/或通向井眼的傾倒流管線260。
可以提供一個或多個流管線閥以便選擇性地將流體貫穿井下工具分流至預(yù)定位置。在某些情況中，流體被分流至樣品室以便收集。在其它情況下，流體可以依照要求被分流至井眼、通路318或其它位置。
次級流管線311從主流管線310分叉并且延伸至樣品室314。樣品室可為本領(lǐng)域中已知的用于獲取井下流體樣品的任意類型的樣品室。如所示，樣品室優(yōu)選地包括可滑動活塞360，限定了可變?nèi)莘e樣品空腔307和可變?nèi)莘e緩沖空腔309。樣品空腔適于接收和容放流體樣品。緩沖空腔通常包含緩沖流體，該緩沖流體對活塞施加壓力以便在空腔之間保持壓力差，該壓力差在樣品流入樣品空腔中時足以保持樣品的壓力。根據(jù)需要，附加特征如壓力補償器、壓力室傳感器和其它部件可以與樣品室一起使用。
樣品室還優(yōu)選地設(shè)置有置于樣品室中的攪拌器362。攪拌器可為旋轉(zhuǎn)葉片或能夠使流體在樣品室中運動以便保持其質(zhì)量的其它混合裝置。
所示的每個樣品室314具有容器閥330a、330b。容器閥330a優(yōu)選地設(shè)置成選擇性地將樣品室的樣品空腔流動地連接至流管線311。腔室閥330b選擇性地將樣品室的緩沖空腔流動地連接至壓力源如井眼、充氮氣腔室或其它壓力源。
每個樣品室314還與一組位于分流器/路由器332內(nèi)部的流管線閥328a、328b，以便控制流入樣品室的流體。一個或多個流管線閥可以選擇性地被致動以便容許流體從流管線310進入一個或多個樣品室的樣品空腔?？梢栽谝粋€或多個流管線中使用止回閥以便限制穿過其中的流。
另外的閥可以繞著流管線設(shè)置于各種位置以便容許在多個位置之間選擇性地保持流體連通。例如，閥334，如安全閥或止回閥，優(yōu)選地設(shè)置于傾倒流管線260中以便容許選擇性地與井眼保持流體連通。這樣容許巖層流體選擇性地將流體從流管線260噴出。這種流體通常被傾倒出傾倒流管線260和工具主體側(cè)壁329。閥334還可優(yōu)選地以給定差壓設(shè)置通至井眼。閥334可為安全閥或密封閥，其被動地、主動地或由預(yù)定的釋放壓力控制。安全閥334可用來在采樣之前沖洗流管線310和/或防止注入相應(yīng)樣品室314中的流體樣品過壓。安全閥還可用作防止在地面截留高壓的安全措施。
還可根據(jù)需要設(shè)置另外的流管線和閥以便操縱通過工具的流體的流動。例如，優(yōu)選地設(shè)置井眼流管線315以便在緩沖空腔309和井眼之間建立流體連通。閥330b容許與緩沖腔室選擇性地保持流體連通。
在多個采樣模塊220在工具串中運行的情況下，舉例來說，當(dāng)每個相應(yīng)模塊220的樣品室正被填充時，相應(yīng)的安全閥334可以選擇性地操作以便起作用。因此，在流體樣品被送往第一采樣模塊220時，其相應(yīng)安全閥334可以可操作。一旦第一采樣模塊220的所有樣品室314被充滿，其安全閥就被停用。于是可啟動另外的采樣模塊的安全閥以便容許在獲采樣品(和/或過壓保護)之前沖洗另外的采樣模塊中的流動管線。這些閥的位置和起動可以手動或自動致動以便實現(xiàn)所需操作。
閥328a、328b優(yōu)選地設(shè)置于流管線311中以便容許選擇性地在主流管線310和樣品空腔307之間保持流體連通。這些閥可以選擇性地致動以便順序地或獨立地打開和關(guān)閉次級流管線311。
閥328a、b優(yōu)選地為適于選擇性地容許流體連通的電動閥。這些閥還優(yōu)選地選擇性地致動。這些閥可以設(shè)置有彈簧加載的桿(未示出)，該彈簧加載的桿將閥偏置至任一打開或關(guān)閉位置。在某些情況中，閥可為市場上可買到的排氣閥或密封閥。
為了操作閥，電流被施加于排氣閥墊圈，引起墊圈失效，這又松開彈簧以便推動其相應(yīng)的桿至其它正常位置。因此可以通過將閥328a從移位的關(guān)閉位置致動至正常打開位置而實現(xiàn)流體樣品存儲，該正常打開位置容許流體樣品進入和充滿樣品室314。收集的樣品可以通過將(第二)閥328b從移位的打開位置致動至正常關(guān)閉位置而得以密封。
優(yōu)選地選擇性地操作閥以便促進流體通過流管線的流動。閥還可用來密封樣品室中的流體。一旦樣品室被密封，它們就可以移開以便試驗、評價和/或運輸。閥330a(閥330b可保持打開以便使容器活塞360的背面暴露至井內(nèi)流體壓力)優(yōu)選地在采樣模塊220被從井眼取回以后由地面的操作人員致動以便提供物理通路。相應(yīng)地，覆蓋保護層(如下所述)可以裝備有窗口以便快速訪問可手動操作的閥——即使當(dāng)蓋被移至關(guān)閉樣品室孔313的位置(圖4)。
可以例如通過使用標(biāo)準(zhǔn)泥漿脈沖遙測技術(shù)或其它適當(dāng)遙測裝置(例如有線鉆桿)從地面遙控一個或多個閥。采樣模塊220可以裝備有其自身的調(diào)制解調(diào)器和電子設(shè)備(未示出)以便譯解和執(zhí)行遙測信號。替代地，可以手動致動一個或多個閥。還可提供井下處理器以便用于這種致動。
本發(fā)明所屬領(lǐng)域的普通技術(shù)人員將會理解可使用各種閥。本發(fā)明所屬領(lǐng)域的普通技術(shù)人員將會理解可以使用替代的樣品室設(shè)計。本發(fā)明所屬領(lǐng)域的普通技術(shù)人員將會理解可以使用替代的流體流動系統(tǒng)設(shè)計。
圖4A和4B示出了用于將樣品室可拆地定位于井下工具中的技術(shù)。圖4A示出了通過蓋與井下工具保持在一起的樣品室，該蓋如環(huán)或套筒可以可滑動地定位于鉆環(huán)的外表面周圍以便覆蓋其中的一個或多個開口。圖4B示出了可置于鉆環(huán)中的開口上方的蓋，如板或蓋子。
圖4A為采樣模塊220的局部剖視圖，示出了保持于其中的樣品室314。樣品室置于鉆環(huán)302中的孔303內(nèi)。鉆環(huán)具有用于使泥漿通過其中的通路318。
蓋342置于鉆環(huán)周圍以便將樣品室保持于井下工具中。樣品室314置于鉆環(huán)302中的孔303內(nèi)。蓋342優(yōu)選地為可滑動地置于鉆環(huán)302周圍以便提供通向樣品室314的出入口的環(huán)。這種出入口容許將樣品室314插入鉆環(huán)302和從鉆環(huán)302退出。
蓋342用作門口，呈圓筒形保護蓋的形式，優(yōu)選地緊密安裝在鉆環(huán)302的一部分周圍。蓋342可在關(guān)閉鉆環(huán)中的一個或多個孔303的位置(請看圖4A)和打開鉆環(huán)中的一個或多個孔303的位置(未示出)之間運動。因此蓋提供了選擇性的通向樣品室314的出入口。當(dāng)處于關(guān)閉位置時，蓋還優(yōu)選地防止較大顆粒如切屑從井眼進入孔中。
蓋342可包括一個或多個可沿著鉆環(huán)302滑動的部件。蓋優(yōu)選地具有適于提供機械保護免受鉆探環(huán)境影響的外表面。蓋還優(yōu)選地適配于樣品室周圍以便密封開口和/或?qū)悠肥夜潭ň臀徊⑶曳乐褂捎趷毫拥臈l件如沖擊、外部磨損力和振動而致的損壞。
蓋342操作地連接至鉆環(huán)302以便選擇性地提供通向樣品室的出入口。如所示，蓋具有第一蓋部分342a和第二蓋部分342b。第一蓋部分342a通過連接裝置如接合螺紋344在鉆環(huán)302周圍固定就位，以便操作連接第一蓋部分342a的內(nèi)表面和鉆環(huán)302的外表面。
蓋可以形成單件式，或者其可以包括兩個或多個互補的部分。例如，圖4A示出了具有第一和第二蓋部分342a、342b的二片式蓋342。第一蓋部分342a和第二蓋部分342b優(yōu)選地都可滑動地置于工具主體302的開口305周圍。第一蓋部分342b(？)可以在鉆環(huán)周圍滑動直到其依靠在主體的向下的肩部347上為止。墊片345，或波紋管、彈簧墊圈疊或能夠?qū)ζ孔虞S向加載以便將其固定就位的其它裝置，可以置于肩部347和第一蓋部分342b之間。第二蓋部分342a還可可滑動地置于鉆環(huán)302周圍。蓋部分具有適于操作連接于其間的互補的擋塊(標(biāo)為348)。第二蓋部分可以在將蓋部分置于鉆環(huán)周圍之前或之后操作連接至第一蓋部分。第一蓋部分還以螺紋連接344擰于鉆環(huán)上。
蓋部分于是可相對于鉆環(huán)302旋轉(zhuǎn)以便擰緊螺紋連接344并將蓋部分固定就位。優(yōu)選地，在鉆探期間，蓋牢固地放置以便對蓋部分預(yù)加載并且減少(或除去)蓋部分和工具主體302之間的相對運動。
蓋342可以從鉆環(huán)302除去以便出入樣品室。例如，蓋342可以旋轉(zhuǎn)以便擰開螺紋連接344從而容許出入樣品室。蓋342可以設(shè)置有一個或多個窗口346。可以使用蓋342的窗口346來出入樣品室314?？梢允褂么翱趤斫咏鼧悠肥?14上的閥330a、330b。窗口346容許在地面接近手動閥330a而不需要移開蓋342。另外，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解窗口覆蓋物可以栓接或者相反操作連接至工具主體302，而不是通過螺紋接合于其。一個或多個這種窗口和/或蓋可以設(shè)置在鉆環(huán)周圍以便選擇性地提供通向鉆環(huán)中的樣品室的出入口和/或固定鉆環(huán)中的樣品室。
樣品室優(yōu)選地可拆地支承于鉆環(huán)中。樣品室在其一端由減震器552支承。接口550設(shè)置在鄰近流管線311的相對一端以便將樣品室操作連接于其。接口550還優(yōu)選地適于可松開地固定鉆環(huán)中的樣品室?？梢允褂媒涌诤蜏p震器來幫助固定工具主體中的樣品室。除了蓋342之外，這些裝置可用來為樣品室提供多余的保持機構(gòu)。
圖4B示出了一種替代的采樣模塊220’。除了樣品室314’由蓋342’、接口550’和減震器552保持于鉆環(huán)302中以外，采樣模塊220’與圖4A的采樣模塊220相同。蓋342’包括多個蓋部分342c和342d。
蓋342d可滑動地置于鉆環(huán)302的開口305中。蓋342’優(yōu)選地為沿著其邊緣具有懸垂部分385的矩形板。蓋可以插入鉆環(huán)中以便使得懸垂部分385接合鉆環(huán)的內(nèi)表面400。懸垂部分容許蓋滑動地接合鉆環(huán)的內(nèi)表面并被保持于其中。一個或多個蓋342d通常被構(gòu)置成使得它們可以落入開口305中并且沿著腔室空腔開口在樣品室314(未示出)上方滑動至所需放置。蓋可以設(shè)置有埋頭孔374以便幫助除去蓋342d。蓋342d可以構(gòu)置成帶有一個或多個窗口，如圖4A的窗口346。
蓋342c優(yōu)選地為可連接至開口305周圍的鉆環(huán)302的矩形板。蓋優(yōu)選地通過螺栓、螺釘或其它緊固件可拆地連接至鉆環(huán)。蓋可以可滑動地沿著鉆環(huán)放置并且固定就位。蓋可以設(shè)置有從其側(cè)面延伸并具有穿過其中的孔的插座381，以便連接穿過其中的緊固件。
當(dāng)此處設(shè)置了蓋時，蓋優(yōu)選地構(gòu)置成具有適當(dāng)?shù)膶挾纫员阗N切地適配于鉆環(huán)的開口305內(nèi)?？梢允褂靡粋€或多個這種蓋或者類似的或不同的構(gòu)型。蓋可以設(shè)置有用于防止對其造成損壞的設(shè)備，如圖4B的蓋342中的應(yīng)變消除切口390。按照這種方式，蓋可以用作防護罩。
圖5A為圖4A的采樣模塊的一部分的詳圖，更詳細(xì)地示出了接口550。接口包括將設(shè)置于其中的樣品室314流體地連接至次級流管線311之一的液壓桿狀采樣器340。樣品室314具有錐形頸部315，該錐形頸部315具有用于使流體穿過其中的入口。液壓桿狀采樣器340的上部流體密封地與樣品室314的錐形頸部315接合，而液壓桿狀采樣器的下部流體密封地與鉆環(huán)302的次級流管線311接合。
這種保持器機構(gòu)優(yōu)選地放置于樣品室的每一個端部處以便可松開地保持住樣品室。樣品室314的第一端可以例如通過樣品室頸部315側(cè)向固定。相對的一端通常也可設(shè)置有保持器機構(gòu)。替代地，相對的端部可以通過減震器552(圖4A)保持就位。這些保持器機構(gòu)可以顛倒或者可以使用不同組合的保持器機構(gòu)。
樣品室314的錐形頸部315支承于工具主體302中的互補錐形孔317中。圓錐形面的這種接合構(gòu)成了樣品室所用的保持器的一部分。可以使用錐形頸部來為樣品室314提供側(cè)向支承。錐形頸部可以與其它機構(gòu)如軸向加載設(shè)備(如下所述)結(jié)合使用以便將樣品室支承就位。優(yōu)選地，即使有也沒多少力作用于液壓桿狀采樣器340及其O形環(huán)密封341上以便防止桿狀采樣器/密封材料隨著時間的過去發(fā)生磨損和腐蝕。液壓密封341處缺少力優(yōu)選地等效于密封341處即使有也只有最小的相對運動，因此減少了經(jīng)過密封發(fā)生滲漏的可能性。
圖5B為圖4B的采樣模塊220’的一部分的詳圖，其帶有圖4A的接口的替代接口。圖5B的樣品室314’裝備有雙楔形或尖塔狀的頸部315’，該頸部315’接合著工具主體302中的互補尖塔狀孔317’。液壓桿狀采樣器340’置于尖塔狀頸部315’中的入口中的以便插入尖塔狀孔317’中，從而將樣品室流體地聯(lián)接至流管線311。優(yōu)選地設(shè)置液壓密封341’以便使樣品室相對于鉆環(huán)流體地密封。
這種尖塔狀接合為樣品室提供了扭轉(zhuǎn)支承，并且防止其繞著其軸線在樣品室內(nèi)旋轉(zhuǎn)?？赡苄枰@種功能以便保證樣品室314的開口313內(nèi)的手動閥330a’和330b’正確定位。
圖6A-D更詳細(xì)地示出了圖4A的采樣模塊220的一部分。在這些圖中，采樣模塊220設(shè)置有可用作圖4A-4B的減震器552和/或552’的保持器552a-d的替代構(gòu)型。這些保持器幫助支承鉆環(huán)302的孔303內(nèi)的樣品室314。蓋342也幫助將樣品室314保持就位。保持器和/或蓋還優(yōu)選地提供減震作用，并且另外幫助防止損壞樣品室。
如圖6A中所示，保持器552a包括軸向加載裝置1050和墊圈852。在鉆環(huán)302和保持器552a之間還設(shè)置了可調(diào)節(jié)的定位螺釘851以便將樣品室314可調(diào)節(jié)地放置于鉆環(huán)內(nèi)。墊圈可為貝爾維爾(belleville)疊墊圈或其它彈簧機構(gòu)，用于抵消鉆探振擊、樣品室中的內(nèi)部壓力和/或幫助減震。
樣品室優(yōu)選地具有從其一端延伸的頂端815。頂端815優(yōu)選地設(shè)置成用于在樣品室的一端處支承墊圈852和軸向加載裝置1050。
圖6B示出了一種替代的減震器552b。保持器552b基本上與保持器552a相同，但是并不具有定位螺釘851。在這種構(gòu)型中，支承通過蓋342’提供。蓋342’的操作與蓋342相同，但是設(shè)置有階形內(nèi)表面343。階形內(nèi)表面限定了適于將樣品室314支承于鉆環(huán)302內(nèi)的蓋肩部343。
現(xiàn)在參看圖6C，減震器552c與圖6A的減震器552a相同，只是還設(shè)置有液壓千斤頂1051。液壓千斤頂包括液壓缸1152、液壓活塞1154和液壓柱塞1156，它們可操作以便沿軸向加載軸向加載襯墊1050。
當(dāng)蓋342打開(未示出)時，液壓千斤頂可在加壓液壓流體作用下(例如使用地面源)延伸以便充分地壓縮彈簧元件852。軸向鎖定裝置(未示出)隨后插入并且可解除液壓缸1152中的壓力。軸向鎖定裝置的長度優(yōu)選地適于使得抵抗的彈簧元件的彈簧力在采樣模塊操作的完全溫度和/或壓力范圍中保持足夠，即使采樣模塊膨脹多于樣品室也是如此。
當(dāng)蓋342縮回(未示出)時，液壓千斤頂可在加壓液壓流體作用下(例如使用地面源)延伸以便充分地壓縮墊圈852。軸向鎖定裝置1158隨后插入并且解除液壓缸1152中的壓力。軸向鎖定裝置1158的長度優(yōu)選地適于使得抵抗的彈簧元件的彈簧力足夠在各種井眼溫度和壓力中操作。
圖6D示出了帶有替代千斤頂1051’的替代減震器552d。減震器與圖6C的減震器552c相同，只是使用了替代的千斤頂。在這種構(gòu)型中，千斤頂包括相對的絲杠1060a和1060b、旋轉(zhuǎn)鎖定裝置1172和起重螺絲1062。
起重螺絲1062接合于相對的絲杠1060a和1060b中。相對的絲杠1060a和1060b設(shè)置有螺紋連接1061a和1061b以便與起重螺絲1062上的帶螺紋的連接配合。當(dāng)蓋342打開(未示出)時，相對的絲杠1060a和1060b之間的距離可以在應(yīng)用于中心六角形連桿1171上的轉(zhuǎn)矩作用下增加，直到實現(xiàn)對彈簧元件852的所需壓縮為止。隨后，旋轉(zhuǎn)鎖定裝置1172可以插入中心六角形連桿1171周圍以便防止進一步旋轉(zhuǎn)。
圖7示出了可用作如圖4A中所示的樣品室所用的減震器的一種替代保持器552e。保持器552e包括軸向加載襯墊1050’和頭部部件715。優(yōu)選地，軸向加載襯墊具有扁平的側(cè)壁751，用于接合樣品室314的一種端815’的互補扁平側(cè)壁752并且防止在其間發(fā)生相對旋轉(zhuǎn)。頭部部件715可以插入軸向加載襯墊1050’和樣品室中以便提供其間的操作連接。彈簧元件(未示出)可以設(shè)置在樣品室314的頭部部件815上大約軸向加載襯墊和樣品室之間。
圖8A-8C示出了可用于圖7的樣品室314的替代保持器。圖8A示出了置于鉆環(huán)302a中的圖7的保持器552e。圖8B示出了一種替代保持器552f，其具有軸向加載襯墊1050”，該軸向加載襯墊1050”具有可以插入鉆環(huán)302b’中的鍵808。圖8C示出了一種替代保持器552g，其具有操作連接至鉆環(huán)302c’的徑向保持器860。這些圖的鉆環(huán)可與前述圖中所示的鉆環(huán)302相同，只是它們適于接收相應(yīng)的保持器。優(yōu)選地，這些保持器和鉆環(huán)適于防止其間的旋轉(zhuǎn)和側(cè)向運動，并且提供扭轉(zhuǎn)支承。
如圖8A中所示，保持器552e的軸向加載襯墊1050’具有分別為圓形和扁平的邊緣部分804和805。鉆環(huán)302具有適于接收軸向加載襯墊1050’的圓形空腔806。
在圖8B中，保持器552e包括具有矩形周邊810和從其延伸的鍵808的軸向加載襯墊1050’。鍵808優(yōu)選地構(gòu)置成使得其可以可拆地插入鉆環(huán)302b’中的空腔812中。如所示，鍵具有在其一端帶有頂端814的延伸部分811。頂端814可以插入空腔812中，只是阻礙從其除去?？涨?12的尺寸優(yōu)選地小于頂端814并且提供了夾緊接合頂端以便阻礙除去的內(nèi)表面(未示出)。在某些情況中，當(dāng)需要時，可能需要斷開頂端814以便使得能夠除去樣品室。任選地，頂端可制造成使得需要預(yù)定的力才容許除去。按照這種方式，理想的做法是在操作期間將樣品室314保持就位于鉆環(huán)中，但是當(dāng)需要時能夠除去。
圖8C的替代保持器552g包括操作連接至鉆環(huán)302c’的臂950。臂950優(yōu)選地通過一個或多個螺釘951連接至鉆環(huán)302c’。優(yōu)選地，臂950可按鉸鏈那樣的方式沿徑向運動。臂950具有適于接合樣品室314并將樣品室314保持就位于鉆環(huán)302c’中的凹形內(nèi)表面955。
優(yōu)選地，此處設(shè)置的保持器容許選擇性地除去樣品室。可以使用一個或多個這種保持器以便將樣品室可拆地固定于鉆環(huán)中。優(yōu)選地，這種保持器幫助將樣品室固定就位并且防止沖擊、振動或其它損壞力影響樣品室。
在操作時，采樣模塊通過螺紋連接至鄰近的鉆環(huán)以便形成BHA和鉆柱。參看圖1，采樣模塊可通過將樣品室314加載入鉆環(huán)302的孔303中而預(yù)先裝配。接口550通過通過將樣品室314的一端鄰近流管線311放置而形成。
接口550(亦稱預(yù)加載機構(gòu))可在地面進行調(diào)節(jié)以便使得應(yīng)用最小的可接受軸向或其它所需負(fù)載以便在采樣模塊220的預(yù)期工作溫度范圍實現(xiàn)所需的容器隔離，從而補償更大的熱膨脹。
保持器552也可操作連接至樣品室的相對端以便將樣品室固定就位。蓋342于是可可滑動地放置在樣品室周圍以便將其固定就位。
位于帶有液壓連接的(較低)端部處的接口550可通過如上所述的錐形接合表面315、317(請看例如圖5A)側(cè)向固定。位于相對(較高)端部處的保持器552通常限制樣品室314的軸向運動(例如請看圖6A-8C)。這兩者一起工作以便將樣品室保持于鉆環(huán)302內(nèi)。蓋342隨后設(shè)置在樣品室周圍以便密封例如如圖4A中所示的樣品室的開口305。
一個或多個蓋、減震器、保持器、樣品室、鉆環(huán)、潤濕桿狀采樣器和其它裝置可以單獨和/或組合使用以便提供用于保護樣品室及其內(nèi)裝物的機構(gòu)。優(yōu)選地，提供多余的機構(gòu)來實現(xiàn)所需構(gòu)型以保護樣品室。如圖4中所示，樣品室可以插入鉆環(huán)302中并且通過接口550、保持器552和蓋342固定就位?？梢允褂酶鞣N構(gòu)型的這些部件來實現(xiàn)所需保護。另外，此類構(gòu)型可以便于從鉆環(huán)除去樣品室。
一旦采樣模塊裝配好，井下工具就被在鉆柱12上部署于井眼中(請看圖1)。于是可通過經(jīng)由探頭模塊210將流體吸入井下工具中來執(zhí)行采樣操作(圖1)。流體從探頭模塊經(jīng)由流管線310到達(dá)采樣模塊(圖2A)。隨后流體可經(jīng)由分流器332分流到一個或多個樣品室(圖3)。
閥330b和/或330a可保持打開。特別是，閥330b可保持打開以便將腔室活塞360的背面暴露至井眼流體壓力。典型的采樣順序?qū)膸r層流體壓力測量開始，然后是泵出操作與現(xiàn)場流體分析(例如使用光學(xué)流體分析器)相結(jié)合。一旦一定量的泥漿濾液已經(jīng)抽出，當(dāng)其開始與濾液一起產(chǎn)生時，還可觀察真正的巖層流體。一旦巖層流體與泥漿濾液的比值達(dá)到可接受的閾值，就可以決定收集樣品。到目前為止，從巖層抽出的液體通常通過探頭工具210經(jīng)由傾倒流管線260抽入井眼中。通常，閥328和335被關(guān)閉而閥334被打開以便將流體流引出傾倒流管線260并引至井眼。
在這種沖洗實現(xiàn)之后，電氣閥328a可選擇性地打開以便將流體樣品引入樣品室314的相應(yīng)的樣品空腔307。通常，閥328和335被關(guān)閉而閥328a、328b被打開以便將流體流引入樣品室中。
一旦樣品室314根據(jù)需要被充滿，就可以將電氣閥328b移至關(guān)閉位置，以便流動地隔離樣品室314并獲采樣品以便取回至地面。電氣閥328a、328b可以手動或自動遙控?？梢岳缡褂脴?biāo)準(zhǔn)泥漿脈沖遙測技術(shù)或其它適當(dāng)遙測裝置(例如有線鉆桿)從地面致動閥，或者可以通過BHA100中的處理器(未示出)控制閥。
井下工具然后可從井眼11取回。在取回采樣模塊220時，樣品室314的可手動操作的閥330a、b可以通過打開蓋342而關(guān)閉以便(多余地)隔離其中的流體樣品來保護運輸和存儲。然后打開被關(guān)閉的樣品空腔312，并且可以從其除去樣品室314以便將腔室運輸至適當(dāng)?shù)膶嶒炇遥瑥亩梢赃M行對樣品的試驗與評價。在取回時，樣品室和/或模塊可以被一個或多個采樣模塊和/或腔室代替并且部署于井眼中以便獲得更多樣品。
根據(jù)上述說明書應(yīng)當(dāng)理解，在不背離本發(fā)明的真實精神的情況下，可以在本發(fā)明的優(yōu)選并且替代實施例中進行各種改進和改變。
本說明書只是用于示例說明，不應(yīng)被解釋為限制意義。本發(fā)明的范圍應(yīng)當(dāng)僅僅由下述的權(quán)利要求的語言確定。權(quán)利要求中的術(shù)語“包括”用來指“至少包括”，因此權(quán)利要求中的所述列出的元件為開放式的組。類似地，術(shù)語“包含”和“具有”全部用于指開放式的元件組?！啊耙粋€”和其它單數(shù)術(shù)語意欲包括其復(fù)數(shù)形式，除非特別地排除。申請人的明確意圖是除了權(quán)利要求明確將詞“用于...的裝置”與相關(guān)功能一起使用的情況之外，并不援引35 U.S.C.第112節(jié)第6款來對此處的任何權(quán)利要求做出任何限制。
權(quán)利要求
1.一種可置于穿透地下巖層的井眼中的用于鉆探時采樣工具的采樣模塊，包括鉆環(huán)，其可操作連接于鉆探時采樣工具的鉆柱，鉆環(huán)具有至少一個延伸穿過其外表面與進入空腔的開口，鉆環(huán)中具有用于使泥漿通過其中的通路；至少一個樣品室，其可置于鉆環(huán)的空腔中；鉆環(huán)中的至少一個流管線，該至少一個流管線可操作連接于樣品室以便將井下流體傳送至樣品室；以及至少一個蓋，其可置于鉆環(huán)的至少一個開口周圍，由此樣品室被可拆地固定于其中。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的采樣模塊，還包括用于選擇性地引導(dǎo)流體穿過至少一個流管線的分流器。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的采樣模塊，其特征在于該至少一個流管線可選擇性地放置成與巖層和井眼之一保持流體連通。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的采樣模塊，其特征在于該通路具有多個在該至少一個開口的空腔之間延伸的葉突。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的采樣模塊，還包括至少一個適于將樣品室可松開地固定于鉆環(huán)中的保持器。
6.根據(jù)權(quán)利要求8所述的采樣模塊，其特征在于保持器包括減震器。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的采樣模塊，其特征在于至少一個蓋包括至少一個可置于鉆環(huán)外表面周圍的環(huán)。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的采樣模塊，其特征在于該至少一個蓋具有至少一個位于其中的窗口。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的采樣模塊，其中模塊設(shè)置于井下鉆井時采樣工具中，該工具包括流體連通裝置，其可操作連接于鉆井時采樣工具的鉆柱并且可從其上延伸以便與巖層建立流體連通，該流體連通裝置具有用于接收井下流體的入口。
10.一種通過可置于穿透地下巖層的井眼中的井下鉆探時采樣工具進行鉆探時采樣的方法，包括將樣品室穿過鉆探時采樣工具的鉆環(huán)的外表面中的開口放置并放入其中的空腔中；將蓋放置在鉆環(huán)的開口上方；將井下鉆探時采樣工具布置入井眼中；在鉆探時采樣工具和巖層之間建立流體連通；將巖層流體經(jīng)由鉆探時采樣工具中的入口吸入鉆探時采樣工具；以及將巖層流體從入口傳送至樣品室。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，還包括將鉆井時采樣工具取回至表面。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，還包括從鉆環(huán)除去蓋。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，還包括從鉆環(huán)除去樣品室。
14.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，還包括將樣品室可松開地固定于鉆環(huán)中。
全文摘要
提供了可置于穿透地下巖層的井眼中的鉆井時采樣工具。這種工具包括鉆環(huán)、至少一個樣品室、至少一個流管線以及至少一個蓋。鉆環(huán)可操作連接于鉆井時采樣工具的鉆柱。鉆環(huán)具有至少一個延伸穿過其外表面與進入空腔的開口。鉆環(huán)中具有用于使泥漿通過其中的通路。樣品室可置于鉆環(huán)的空腔中。鉆環(huán)中的流管線、至少一個流管線可操作連接于樣品室以便將井下流體傳送至其中。蓋可置于鉆環(huán)的至少一個開口周圍，由此樣品室被可拆地固定于其中。
文檔編號E21B49/08GK1987045SQ20061016938
公開日2007年6月27日 申請日期2006年12月19日 優(yōu)先權(quán)日2005年12月19日
發(fā)明者S·G·維拉里爾, R·奇萊內(nèi)克, M·J·斯塔克, K·杜 申請人:普拉德研究及開發(fā)股份有限公司