CN1250862C - 下井取样工具及操作方法 - Google Patents

Abstract

一种用于钻井中的下井工具串，包括一取样装置(16)，该取样装置有一接收该钻井的一环形区(18)中的压力的孔(22)。一升高压力传到该孔中的一安全膜组件(102)破裂该安全膜组件。该升高压力然后经通道(116A-116F)传到取样装置的开动机构。该开动机构可打开一控制该取样装置的一个或多个孔中的流量的流量控制装置(510)。在另一种结构中，取样装置的开动机构可包括一接收压力脉冲信号的压力传感器(500)。该压力传感器可响应振幅和宽度预定的压力脉冲信号，可对开动器产生一个开动信号来来操纵该流量控制装置。另一种结构包括一开动取样装置的定时器(208)。该定时器可由一升高压力开动。但是，一安全膜组件(202)在该安全膜组件破裂前隔开流体压力与该定时器。

Description

下井取样工具及操作方法

技术领域

本发明涉及钻井中下井装置的开动，包括下井取样装置的开动。

背景技术

当钻成一井后，要求对该钻井周围的岩层进行测试。可进行测井试验，也可收集岩层流体进行化学、物理分析。从测井试验收集和流体样本特性分析的信息可用来计划和发展钻井以及确定钻井的可用性和潜在功能。

可用单相取样装置之类的下井取样装置收集一钻井中的流体样本。可用电缆或其他运载线(例如钢丝或管子)把一取样装置降入钻井中。在取样装置达到预定深度时可通过电缆开动这类取样装置。一旦开动，取样装置能收集井底流体。取样完成后，取样装置的供电切断后退回地面，然后对所收集的井底流体进行分析。

在某些试验管柱中，取样装置可装在钢丝之类非电缆线的端部上。为开动这类取样装置，可使用一包括一定时器的开动机构。可在地面上对该定时器进行设定，使其在一定时间后自动开动取样装置。该预定时间可比把测试钻具下降到预定深度所化时间长。

但是，受定时器控制的开动机构不能提供所需的控制要求。在某些情况下，定时器在包括取样装置的试验管柱下降到预定地点前过早走完其设定时间。在钻井中装配试验管柱发生的无法预料的延误就会造成这种情况。如过早开动，一般把取样装置收回到地面上重新操作试验管柱，从而造成成本提高和工作延误。

发明内容

因此需要对一钻井中的取样装置和其它下井装置和工具的开动方法作出改进。

为此，本发明提供一种用于钻井中的取样工具，包括：

第一取样装置，该取样装置包括一个或多个孔、控制该一个或多个孔中的流量的流量控制装置和一控制该流量控制装置的开动机构；以及

组件，该组件包括一安全膜机构和在该安全膜机构与该开动机构之间的一流路，该安全膜机构可防止流体压力作用在该开动机构上，

其特征在于，该组件包括一部件以及一壳体和一心轴，其中该安全膜机构和流路位于该部件中，该部件界定一内孔，该壳体和心轴界定一可在其中设置一个或多个取样装置的环形区。

按照一实施例，一用于一钻井中的工具包括一个或多个取样装置和与一个或多个取样装置连接的一个或多个开动机构。每一个开动机构包括一接收压力脉冲信号的压力传感器。

本发明还提供、一种用于钻井中的下井工具串，包括：

钢丝；

装在该钢丝上、包括多个开动机构的装置，其特征在于；

所述装置包括一个或多个接受流体压力的孔和多个装在该一个或多个孔中以将流体压力与该开动机构隔离的安全膜组件，

该安全膜组件可由该钻井中的各流体压力破裂。

另外，本发明还提供一种操纵用于钻井中的取样装置的方法，包括：

把下井工具串上的取样装置降入该钻井中；

在该钻井中施加第一压力使第一安全膜组件破裂；

向第一取样装置中的第一流量控制装置的第一开动机构提供第一压力，该第一流量控制装置关闭时使得流体无法流过该第一取样装置中的一个或多个孔，第一压力开动该第一开动机构，从而打开该第一流量控制装置；

在该钻井中施加不同的第二压力使第二安全膜组件破裂；

向第二取样装置中的第二流量控制装置的第二开动机构提供第二压力，该第二流量控制装置关闭时使得流体无法流过该第二取样装置中的一个或多个孔，第二压力开动该第二开动机构，从而打开该第二流量控制装置。

附图说明

图1示出一试验管柱的实施例，包括位于一钻井中的取样工具。

图2A-2B为按照一实施例的一取样工具的纵向剖面图。

图3和4为图2A-2B取样工具的横截面图。

图5示出图2A-2B取样工具中的一套筒阀组件。

图6-7示出按照另一实施例的一有一开动机构的取样工具。

图8示出按照另一实施例用于图2A-2B取样工具的开动机构。

图9示出工作在钢丝上的又一实施例的取样工具。

具体实施方式

在下述说明中，为理解本发明给出种种细节。但本领域普通技术人员不难看出，可不用这些细节实施本发明，而对所述实施例作出种种改动或修正。例如，虽然说明的是取样装置的开动，但其他实施例也可使用其他类型下井装置。

在本文中，表示某点或某部件上方或下方的相对位置的“上”和“下”；“上部”和“下部”；“向上”和“向下”在本说明书中用来更清楚说明本发明某些实施例。但是，当用于斜向或水平方向钻井中的设备和方法时，它们也可指从左到右、从右到左或其他恰当关系。

如图1所示，一试验管柱(例如钻杆试验管柱)包括一取样工具16，该取样工具可包括一个或多个装在一位于钻井10中的管子14端部上的取样装置。在所示实施例中，钻井10中衬有套管12。套管12内壁与管子14外壁之间界定一环形区18。一封隔器20隔开环形区18与封隔器20下方的流体。

按照某些实施例，取样工具16包括一接收从地面向下作用在环形区18上的流体压力的孔22。该流体压力在升高到预定大小以上时可用来开动取样工具16中的一个或多个取样装置。其他实施例也可使用其他开动机构，例如压力脉冲信号开动机构和定时器机构。取样工具的其它实施例可包括具有不止一种开动机构的取样装置。

如图2A-2B所示，按照升高压力开动的实施例的取样工具16包括一载体，该载体包括一顶部100、一底部150和连接在顶部100与底部150之间的壳体部120。该取样工具载体中的一内孔106包括顶部100的一内部通道、一心轴117的内部通道和底部150的内部通道。按照一实施例，取样工具16包括一安全膜机构，该安全膜机构包括一装在一安全膜护圈104中的安全膜102。该安全膜机构位于取样工具16的孔22中，使得流体无法从环形区18(图1)流入顶部100中纵向导管108中。该纵向导管108伸展到一界定在顶部100圆周上的圆周凹槽110。该凹槽110被壳体部120盖住，用O形密封环112A和112B密封。

壳体部120和心轴117在取样工具16内部界定一可在其中设置一个或多个取样装置的环形区。在所示实施例中，在该环形区中设置6个取样装置130。圆周凹槽110布置成使得纵向导管108与适配器114A-114F(图3)中的通道116A-116F连通。适配器114A-114F与各取样装置130A-130F(图4)连接。取样装置130A-130F用一定中心装置132布置在壳体部120内壁与取样工具16的心轴117外壁之间。安全膜102破裂前，导管108、凹槽110和通道116A-116F中可充满空气(或其他合适流体)。

如图2B所示，每一取样装置130包括由一个或多个进口孔134A-134F(图4)构成的对应组。降入钻井中时，这些进口孔用可为套筒阀或盘阀的对应流量控制装置关闭。套筒阀的一个例子见图5，盘阀的例子见作为参考材料包括在此的美国专利申请No.09/243,401，该专利申请的申请日为1999年2月1日，题目为“Valves for Use inWell”。可驱动这些阀而打开孔134，使得内孔106中的井中流体流入取样装置130中。

工作时，按照一实施例，把包括取样工具16的试验管柱降入钻井10中，此时取样工具16的孔关闭，防止井中流体流入取样工具16的各室中。其上有取样工具16的试验管柱一旦下降到预定位置，作用在环形区18(图1)中的流体压力升高到破裂安全膜102所需阈值以上。安全膜102一旦破裂，环形区流体压力传到纵向导管108，然后经圆周凹槽110和通道116A-116F传到各取样装置130A-130F。该升高的环形区流体压力传到取样装置130A-130F时开动各取样装置130A-130F中的一取样器开动机构，打开与孔134A-134F对应的各阀，从而内孔106中的流体流入各取样装置中。

在另一实施例中，可用多个安全膜组件操纵取样装置。这多个安全膜组件可在不同压力下破裂。

图5示出取样装置130在一个或多个孔134近旁的部分。取样装置130包括一壳体402，壳体中可有一纵向导管404。流体压力可从孔L22经导管108和116(图2A)传到该纵向导管404。纵向导管404通到一活塞406的一边。活塞406的另一边与一低压室408(例如一大气室)连通。室410中还可有一弹簧410。

活塞406是一套筒阀组件的一部分，该组件包括套筒412，该套筒有在垂直方向上相间距的两O形密封环416和418。在图5所示位置上，O形环416和418位于一个或多个孔134的两边，使得取样装置130的外部与取样装置130的内室414不连通。

为向下推动套筒412，一升高的流体压力向下作用在纵向导管404上，从而对大气室408和弹簧410产生一作用力。升高的流体压力向下推动活塞406和套筒412。O形环416一旦移过一个或多个孔134，套筒412中对应的一个或多个孔420与孔134位于同一直线上，使得取样装置外部(含有钻井流体)与取样装置的室414连通。在收集所需流体样本后，可撤销导管404中的高压，从而弹簧410把套筒412向上推回关闭位置。

在其他实施例中，可用一个或多个盘阀代替使用同样开动器的套筒阀412。

在其他实施例中可使用其他类型的取样装置开动机构。例如，不使用可由升高流体压力开动的安全膜组件，按照另一实施例的取样装置可包括一对环形区18中生成的一低压脉冲信号作出响应的取样装置开动机构。这种取样装置开动机构可包括一对一定大小和周期的压力脉冲作出响应的压力脉冲传感器。这种压力脉冲开动机构见作为参考材料包括在此的美国专利US 4,896,722；US 4,915,168和再审证书B14,915,168；4,856,595；4,796,699；4,971,160和5,050,675。

可用一个压力传感器开动多个取样装置，也可用多个压力传感器开动多个取样装置。

图6-7示出一有一压力脉冲信号开动机构的取样工具16A。取样工具16A包括一孔22A，其中没有隔离环形区18中的流体压力的安全膜机构。(从地面)在环形区18中传播的(图7所示之类)压力脉冲信号经孔22A在导管108A中向下传到一压力脉冲指令传感器(或压力传感器)500。所传感的信号传给一控制器502(例如微处理器、微控制器或其他集成电路芯片或其他类型的装置或系统)。作为响应，控制器502经电线504向取样装置506发出指令信号。每一取样装置506包括一可开动一流量控制装置510(例如套筒阀或盘阀)的螺线管开动器508，该流量控制装置510控制一个或多个孔514中的流量。

如取样工具16A包括多个取样装置506，各取样装置可包括对不同振幅或频率的压力脉冲信号作出响应的指令传感器。传感器500、控制器502和螺线管开动器508可由一电源(未示出)供电。

在另一实施例中，每一取样装置中的开动机构可包括一定时器(电定时器或机械定时器)。各取样装置130中的定时器的定时可相同，也可不同。在该实施例中，各取样装置130中的定时器可以“空转方式”(即钝化)降入钻井中。为此比方说可使用一安全膜(例如图2A中的安全膜102)隔离流体压力与定时器。为启动定时器，可用升高压力破裂安全膜102，使得升高压力经导管108、凹槽110、通道116A-116F(图2A)传到定时器与取样装置的开动机构。升高压力可传到(一机械定时器的)一压力开关或(一电定时器的)一电接头启动定时器。定时器走完其定时后，开动各取样装置的对应开动机构。

如图8所示，在一例子中，一取样工具16可包括具有不同类型开动机构的取样装置130A、130B和130C。取样装置130A可由响应环形区18(如图2A-2B所示)中的升高流体压力的一开动机构204开动。升高的压力破裂安全膜102，使得流体压力经路径P1(例如包括图2A所示导管108、凹槽110和通道134)传到开动机构204。

第二取样装置130B的开动机构206装在一接收从环形区18经孔122和路径P2传来的低压脉冲的压力传感器205上。第三取样装置130C可由一与一定时器208连接的机构210开动。定时器208在安全膜202破裂前钝化。随着压力升高(该压力可小于、等于或大于用来破裂安全膜102的升高压力)，安全膜202破裂，压力经孔222和路径P3传到定时器208而启动定时器208。

在图8实施例的一变种中，各路径P1、P2和P3可与另外的取样装置130连接。

如图9所示，在另一实施例中，一取样工具316可在钢丝314上降入一钻井310中。取样工具316可包括一与钻井流体连通的孔322。取样工具316可包括一与一定时器304连接的开动机构306。该定时器304与一流路P4连接，流路P4起初用孔322中的一安全膜302与钻井流体隔开。安全膜302可设定成在预定深度处出现的预定压力下(例如流体静压)破裂。安全膜302一旦破裂，钻井流体压力经孔322和路径P4传到定时器304而启动定时器304。定时器304走完其定时时开动开动机构306。

在图9实施例的一变种中，可不使用定时器，而用在一定深度出现的预定钻井流体压力开动开动机构306。

本发明的某些实施例具有如下一个或多个优点。可用远程、非电开动机构开动下井取样装置。可在不同时间用独立的开动机构开动下井取样装置。可用独立开动的多个取样装置提高井底流体取样的冗余性。本发明某些实施例的取样装置可使用在高压、高温钻井中，而高压、高温对在电缆上运行的电开动取样装置来说太严酷。由于必须先出现某一事件(例如压力升高、施加压力脉冲或出现在预定深度的钻井流体压力)取样装置的开动机构才被启动，因此开动取样装置的可靠性提高。

尽管以上结合一些实施例说明了本发明，但本领域普通技术人员可在由后附权利要求书限定的本发明的真正精神和范围内作出种种修正和改动。

Claims (20)

1、一种用于钻井中的取样工具，包括：

第一取样装置，该取样装置包括一个或多个孔、控制该一个或多个孔中的流量的流量控制装置和一控制该流量控制装置的开动机构；以及

组件，该组件包括一安全膜机构和在该安全膜机构与该开动机构之间的一流路，该安全膜机构可防止流体压力作用在该开动机构上，

其特征在于，该组件包括一部件以及一壳体和一心轴，其中该安全膜机构和流路位于该部件中，该部件界定一内孔，该壳体和心轴界定一可在其中设置一个或多个取样装置的环形区。

2、按权利要求1所述的工具，其特征在于，该心轴界定一与上述部件的内孔同轴的内孔。

3、按权利要求1所述的工具，其特征在于，包括多个取样装置。

4、按权利要求1所述的工具，其特征在于，进一步包括一个或多个连接该流路与一个或多个取样装置的适配器。

5、按权利要求1所述的工具，其特征在于，该安全膜机构可由一升高流体压力破裂。

6、按权利要求5所述的工具，其特征在于，该安全膜机构一旦破裂，流体压力沿该流路向下传到取样装置。

7、按权利要求1所述的工具，其特征在于，该流量控制装置包括一个或多个套筒阀。

8、按权利要求1所述的工具，其特征在于，还包括：

装有第二开动机构的第二取样装置，所述组件还包括第二安全膜机构和在第二安全膜机构与第二开动机构之间的第二流路。

9、按权利要求8所述的工具，其特征在于，第一和第二安全膜组件在不同压力下破裂。

10、按权利要求1所述的工具，其特征在于，还包括：

第二取样装置，该装置包括第二开动机构；

接受流体压力的第一孔；

第一孔与第一取样装置的开动机构之间的一安全膜组件；以及

接收压力脉冲信号的第二孔，

第二取样装置的开动机构与第二孔连通开可由该压力脉冲信号开动。

11、按权利要求10所述的工具，其特征在于，第一取样装置的开动机构包括一定时器。

12、按权利要求1所述的工具，其特征在于，还包括：

与该开动机构连接的定时器；以及

让流体压力与该定时器隔离并保持定时器不作用的孔组件，该孔组件包括安全膜，该安全膜可由一大于预定大小的流体压力破裂，从而该流体压力启动所述定时器。

13、按权利要求1所述的工具，其特征在于，该流量控制装置包括一盘阀和一套筒阀中的至少一个。

14、一种用于钻井中的下井工具串，包括：

钢丝；

装在该钢丝上、包括多个开动机构的装置，其特征在于；

所述装置包括一个或多个接受流体压力的孔和多个装在该一个或多个孔中以将流体压力与该开动机构隔离的安全膜组件，

该安全膜组件可由该钻井中的各流体压力破裂。

15.按权利要求14所述的下井工具串，其特征在于，该装置还包括分别连接各安全膜组件与开动机构的流路。

16.按权利要求14所述的下井工具串，其特征在于，该开动机构可由不同的压力开动。

17.按权利要求16所述的下井工具串，其特征在于，该装置还包括由各开动机构开动的多个取样器。

18.按权利要求17所述的下井工具串，其特征在于，每个取样装置包括一孔和一由各开动机构开动的流量控制装置。

19.按权利要求14所述的下井工具串，其特征在于，该装置还包括由各开动机构开动的多个取样器。

20、一种操纵用于钻井中的取样装置的方法，包括：

把下井工具串上的取样装置降入该钻井中；

在该钻井中施加第一压力使第一安全膜组件破裂；

向第一取样装置中的第一流量控制装置的第一开动机构提供第一压力，该第一流量控制装置关闭时使得流体无法流过该第一取样装置中的一个或多个孔，第一压力开动该第一开动机构，从而打开该第一流量控制装置；

在该钻井中施加不同的第二压力使第二安全膜组件破裂；

向第二取样装置中的第二流量控制装置的第二开动机构提供第二压力，该第二流量控制装置关闭时使得流体无法流过该第二取样装置中的一个或多个孔，第二压力开动该第二开动机构，从而打开该第二流量控制装置。

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