專利名稱：井下采樣設(shè)備及其使用方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般涉及對由井眼穿透的地層的評估。更具體地，本發(fā)明涉及一 種能夠從地下地層收集流體樣品的井下采樣工具。
背景技術(shù)：
石油公司長期以來一直期望獲得井下地層流體樣品用于化學(xué)和物理分 析，并且如此的采樣已由本發(fā)明的受讓人斯倫貝謝公司執(zhí)行了許多年。地層 流體的樣品也稱為儲層流體，其典型地在儲層的周期中盡可能早地被收集， 用于在地面且特別地在專門實驗室分析。此分析提供的信息在烴儲層的計劃 和開發(fā)中以及在儲層的容量和性能的評估中至關(guān)重要。
井眼采樣的過程包括使井下采樣工具降低進(jìn)入到井眼中，以通過工具的 探頭部件和井眼的壁之間的接合收集地層流體的樣品(或多種樣品)，該采
樣工具例如由斯倫貝謝擁有和提供的MDT⑧線纜式地層測試工具。該采樣工 具建立穿過這樣的接合的壓力差，以引導(dǎo)地層流體流入采樣工具內(nèi)的一個或 多個樣品室。該過程和類似的過程被描述于美國專利Nos. 4860581、 4936139
(兩者都已轉(zhuǎn)讓給斯倫貝謝);美國專利Nos. 5303775、 5377755 (兩者都已 轉(zhuǎn)讓給Western Atlas );以及美國專利No. 5934374 (已轉(zhuǎn)讓給Halliburton )。 在從地下地層獲得流體樣品的過程中可能遇到各種挑戰(zhàn)。再參考石油相 關(guān)的產(chǎn)業(yè)，例如，流體樣品從井眼中尋求，而井眼周圍的泥土典型地具有污 染，例如來自在鉆井中使用的泥漿的濾液(filtrate )。當(dāng)從泥土中取出時，該 原料通常會污染容納在地下地層內(nèi)的干凈的或"原生的"流體，這導(dǎo)致通常 對于烴流體采樣和/或評估不可接受的流體。當(dāng)流體被抽入井下工具中時，來
自鉆井過程和/或井眼周圍的污染物有時會與來自周圍地層的流體一起進(jìn)入 該工具。
為了進(jìn)行地層的有效流體分析，流體采樣優(yōu)選地具有足夠的純度，以充 分地代表容納在地層中的流體(也就是"原生的"流體)。換句話說，流體 優(yōu)選地具有最少量的污染，以足夠地或可接受地代表給定地層，用于有效的
烴采樣和/或評估。因為流體采樣穿過井眼、泥餅、混凝土和/或其它層，因 而在采樣期間，當(dāng)流體樣品從地層流出并流入到井下工具中時，很難避免流 體樣品受到污染。
已經(jīng)提出了各種方法和裝置用于獲得地下流體，用于采樣和評估。例如，
Ciglenec等的美國專利No. 6230557、 Jones的美國專利No. 6223822、 Wilson 的美國專利No. 4416152、 Davis的美國專利No. 3611799和國際專利申請No. WO 96/30628已經(jīng)開發(fā)了 一些探頭和相關(guān)技術(shù)以改善采樣。其它技術(shù)已經(jīng)開 發(fā)以在采樣期間分離出原生流體。例如，Hrametz等的美國專利No. 6301959， 公開了具有兩個液壓管線的采樣探頭，以從井眼中的兩個區(qū)域中取回地層流 體。井眼流體被提取到保護(hù)區(qū)域，與提取到保護(hù)區(qū)域中的流體分開。在公開 的國際申請WO 03/100219 A1中，公開了使用具有改變的流動面積比的內(nèi)探 頭和外探頭的采樣裝置。
盡管采樣有所進(jìn)步，但對于重油和瀝青，仍需要開發(fā)用于流體采樣優(yōu)化 的技術(shù)。這類烴流體的高粘度通常給代表性流體的采樣帶來具有巨大的挑 戰(zhàn)。因而必需有效地現(xiàn)場減少重油的粘度而不用引入相和/或成分改變，以獲
得具有代表性的樣品。
為了增加儲層的開采(recovery)系數(shù)而減小重油和瀝青的粘度，許多 年來一直是石油工業(yè)關(guān)注的主題。 一些用于減小粘度的方法已知，并且如今 在本領(lǐng)域中使用。很久以前已經(jīng)確定加熱重油和瀝青將顯著地減少流體的粘 度，從而增加了流體流動性。較小的熱學(xué)改變將導(dǎo)致石油的粘度的相對較大 的下降。例如，AOSTRA技術(shù)才艮告#2, "The Thermodynamic and Transport Properties of Bitumens and Heavy Oils, Alberta Oil Sands Technology and ResearchAuthority, July 1984"中已知，來自加拿大的典型的Athabasca瀝青 的粘度可通過將溫度從50。C增加到100。C而減小兩個數(shù)量級。圖1中的曲 線就是基于AOSTRA報告。粘度的如此降低將便于增加需要用于采樣的粘 性石油或瀝青的流動性。
現(xiàn)有概念上試驗并測試過的方法的許多文獻(xiàn)，以在儲層中現(xiàn)場加熱粘性 流體從而幫助開采。如下面參考已知的增強(qiáng)開采(recovery-enhancing)技術(shù) 的例子更詳細(xì)地描述，這些技術(shù)通常不能直接地適于采樣。
當(dāng)前，用于重油開采的主要熱方法是蒸汽輔助重力開采(SAG-D)。該 過程使用超熱蒸汽的注入以改善石油的流動性。此過程主要依賴于從蒸汽到
石油的熱傳導(dǎo)。有效的熱傳導(dǎo)需要石油和蒸汽的充分混合。在此熱交換期間， 一部分蒸汽將轉(zhuǎn)變成液態(tài)水，該液態(tài)水通常以懸浮于石油中毫米或微米大小 水滴的形式存在。雖然其取決于石油源，但此過程通常導(dǎo)致穩(wěn)定的油包水乳 狀液的形成。包含石油的乳狀液的樣品不能夠不去除乳狀液而在實驗室環(huán)境 中用于特性檢定，并且大多數(shù)抗乳化作用的方案導(dǎo)致對于石油的化學(xué)成分的 不可逆的或不期望的改變。
降低石油粘度的可替換方法是使用溶劑或氣體稀釋石油，從而形成具有 較低粘度的混合物。取決于濃度，石油的稀釋可導(dǎo)致高階種類從混合物中沉 淀，這也可幫助減小粘度。然而，用于采樣的該減小粘度的方法導(dǎo)致石油的 成分不期望的改變，這妨礙了對石油的化學(xué)和物理特性的合適的檢定。
現(xiàn)場加熱石油而不會改變石油的成分的方法有限。這些方法可分成兩 類，焦耳(或歐姆)加熱和電磁加熱。歐姆加熱依賴于施加電流通過電阻元
件而產(chǎn)生熱的原理。最近的一個美國公開的專利申請US 2005/0006097 Al 公開了一種可能的方法，該方法使用井下加熱器，從而可給電阻器施加可變 頻率，以調(diào)制并控制加熱。該方法需要加熱元件良好地放置于地層中，因為 需要優(yōu)化傳導(dǎo)。
電磁加熱使用高頻輻射以穿透儲層并加熱地層。已經(jīng)報道了用于重油開 采的這類技術(shù)的許多例子。，在Abernethy, E.R.， Production increase of heavy oils by electromagnetic heating, Journal of Canadian Petroleum Technology, 1976, 91中，Abemethy發(fā)展了一種穩(wěn)態(tài)模型，該模型表明了輻射的穿透深 度和其用于石油的加熱潛能。于是此參數(shù)用于確定石油中粘度的減小以及隨 后的流動性的改善。盡管該模型可能是相當(dāng)粗糙的，但其公開表明了許多形 式的電》茲加熱可用于局部加熱石油以用于采樣。，在Fanchi, J.R., Feasibility of reservoir heating by electromagnetic radiation, SPE20438, 1990, 189中， Fanchi設(shè)計了 一種算法，該算法用于確定由于電磁加熱導(dǎo)致的石油溫度的增 加，該文還描述了實施其中的一些裝置的現(xiàn)場嘗試。
用于加熱原狀石油的微波和射頻的使用已經(jīng)被廣泛研究。大部分已經(jīng)開 展的微波工作使用2.45GHz的標(biāo)準(zhǔn)微波頻率并具有可變功率輸入。用于重油 開采6々孩吏;皮力口^;的"i平4古在Brealy， N.， Evaluation of microwave methods for UKCS heavy oil recovery, SHARP IOR newsletter, 2004, 7 —文中已經(jīng)才皮露， 該文表明了此技術(shù)的廣泛現(xiàn)場應(yīng)用可能不經(jīng)濟(jì)。
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在Kiamanesh的美國專利No. 5082054中披露了 一種用于加熱儲層的系 統(tǒng)，該系統(tǒng)使用可調(diào)諧微波用于石油開采。數(shù)據(jù)表明此過程可導(dǎo)致石油裂化， 并且多項聲明支撐此觀察。這種類型的加熱技術(shù)已用于現(xiàn)場環(huán)境用于改變石 油的粘度，如下面的才艮道Ovalles. C., Fonseca. A., Lara. A., Alvarado. V.， Urrechega. K., Ranson. A.牙口 Mendoza. H., Opportunities of downhole dielectric heating in Venezuela: Three case studies involving medium, heavy and extra heavy crude oil reservoirs, SPE 78980， 2002。該石油類型是中等的、重的和超 重的，以及對應(yīng)于輻射后增加的流動性的所有類型。其中沒有提及這些石油 的組成和由加熱過程導(dǎo)致的改變。
射頻加熱已經(jīng)應(yīng)用于包含重油的儲層，，如下面的描述Kasevich. R.S., Price. S.L.， Faust, D.L.禾口 Fontaine. M.F., Pilot testing of a radio frequency heating system for enhanced oil recovery from diatomaceous earth， SPE 28619， 1994，并用于輔助從含瀝青砂巖中采集瀝青。這些報道表明，關(guān)于石油的流 動性，在13MHz左右的輻射下觀察到積極的響應(yīng)。在第一案例中，以此方 式250K瓦特功率被有效地傳送。
在所有上述案例中，沒有提及石油的成分的改變，除了在出現(xiàn)升級 (upgrading)時。高溫和輻射可導(dǎo)致石油的組成裂解和異構(gòu)。對植物性油的 研究表明未飽和和雜原子由于長期暴露于微波源中而受影響。這可能由于在 石油中的過熱點(diǎn)或局部加熱。
使用加熱作為改善地層的特性檢定的方式已經(jīng)在S. Chen和D.T. Georgi 的公開的美國專利申請No.2004/0188140中被提出。描述的方法提議加熱石 油以增加系統(tǒng)的T2 ;^弛時間。這導(dǎo)致更加精確的NMR測量。沒有給出此 過程的監(jiān)控和控制信息。
根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的描述，當(dāng)提及加熱方法和重油特性時所延伸的對現(xiàn)有技 術(shù)的描述合并于此，仍需要開發(fā)設(shè)備和方法，用于對具有重油或瀝青儲層的 儲層采樣。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明通過提供一種儲層采樣設(shè)備而實現(xiàn)其目的，該儲層采樣設(shè)備具有 至少 一個探頭，該探頭適合于提供地層和設(shè)備的內(nèi)部之間的流體流動路徑， 該流動路徑與來自井眼環(huán)面的流體的直接流動隔離，其中該設(shè)備包括熱發(fā)射
器和控制器，該熱發(fā)射器適合于將熱發(fā)射到探頭周圍的地層內(nèi)，該控制器限 制地層內(nèi)的溫度的上升在閾值以下。
該設(shè)備優(yōu)選地在線纜式電纜、連續(xù)油管或生產(chǎn)管道上傳送到井眼中。
該探頭優(yōu)選地包括至少 一個內(nèi)探頭和一個外探頭。
優(yōu)選地?zé)岚l(fā)射器包括基于焦耳(或歐姆)加熱和/或電磁加熱的熱源。
在另外的優(yōu)選實施例中，至少一個探頭被加熱。在本發(fā)明的更加優(yōu)選的 變式中，至少一個探頭被使用，以將熱從熱源傳導(dǎo)至地層內(nèi)。
在另一優(yōu)選的實施例中，設(shè)備包括諸如熱電偶這樣的溫度傳感器，以監(jiān) 控采樣流體的溫度，和/或現(xiàn)場粘度計。在本發(fā)明的優(yōu)選變式中，表示采樣流 體的溫度的信號反饋回控制器。在此實施例的另一變式中，溫度計沿采樣設(shè) 備的主體或內(nèi)部外的流動路徑設(shè)置。
在本發(fā)明的優(yōu)選實施例中，控制器保持地層內(nèi)的溫度增加的上極限，該 極限使用地層內(nèi)的流體的成分和/或特征的現(xiàn)有認(rèn)識而確定。在本發(fā)明的此變 式的優(yōu)選實施例中，溫度范圍設(shè)置成避免相位分離或地層流體的"逸出
(flashing out )，，。
本發(fā)明的這些和其它特征、本發(fā)明的優(yōu)選實施例和變式、可能的應(yīng)用和 優(yōu)點(diǎn)將由本領(lǐng)域技術(shù)人員從隨后的詳細(xì)描述和附圖中意識到并理解。


圖1示出了來自加拿大的典型的Athabasca瀝青的粘度(對數(shù)刻度)隨 溫度(線性刻度)的視步的細(xì)節(jié)；
圖3A和3B示出了傳統(tǒng)采樣裝置上的重油的效果； 圖4示出了根據(jù)本發(fā)明例子的流體采樣裝置的細(xì)節(jié)； 圖5圖示了有效溫度控制的范圍；
圖6示出了示意性的壓力-溫度圖，該圖顯示了不同類型烴流體的典型 飽和曲線，其中C表示各自流體的臨界點(diǎn)； 圖7示出了根據(jù)本發(fā)明例子的步驟；和 圖8圖示了在本發(fā)明的變式中發(fā)生的相變效應(yīng)。
具體實施例方式
參考圖2A,示出了示例性的本發(fā)明可使用的環(huán)境。在示出的例子中， 本發(fā)明由井下工具10實施。市場上可得到的工具10的例子是本發(fā)明的受讓
人斯倫貝謝公司的模塊化地層動態(tài)測試儀(MDT )，并且進(jìn)一步描述于例 如美國專利Nos. 4936139和4860581中，其整個內(nèi)容在此引入以作參考。
井下工具IO可部署到井眼14中，懸桂在井下工具中的是傳統(tǒng)的線纜18、 或?qū)Ч?conductor )、或傳統(tǒng)管道、或連續(xù)油管，如本領(lǐng)域的技術(shù)人員可意 識到的其位于相配的鉆塔5或線纜供應(yīng)器的下面。圖示的工具10設(shè)置有各 種模塊和/或部件12，包括但不限于流體采樣系統(tǒng)20。該流體采樣系統(tǒng)20 描述為具有探頭，該探頭用于在井下工具和地下地層16之間建立流體連通。 探頭26可穿過濾餅15延伸到井眼14的側(cè)壁17,用于收集樣品。樣品通過 探頭26抽取到井下工具10中。
雖然圖2A描述了根據(jù)本發(fā)明的用于收集樣品的模塊化線纜式采樣工 具，本領(lǐng)域技術(shù)人員將意識到該系統(tǒng)可用于任何井下工具。例如，該井下工 具可以是包括鉆柱和鉆頭的鉆孔工具。該井下工具可以是多種工具，例如隨 鉆測量(MWD)、隨鉆測井(LWD)、連續(xù)油管或其它井下系統(tǒng)。另外，井 下工具可具有替換結(jié)構(gòu)，例如井下工具的模塊化、整體化、線纜式、連續(xù)油
管、自發(fā)式、鉆孔或其它變式。
現(xiàn)在參考圖2B，其更加詳細(xì)地示出了圖2A中的流體采樣系統(tǒng)20。該 采樣系統(tǒng)20包括探頭26、流動管線27、樣品室28A和28B、泵30和流體 分析儀32。示出的探頭26包括外探頭261和內(nèi)探頭262,該探頭26連接到 入口 25,該入口 25與流動管線27的第一部分27A流體連通，用于選擇性 地將流體吸入到井下工具。內(nèi)和外保護(hù)探頭的結(jié)合可基于探頭的合適的結(jié) 構(gòu)，該結(jié)構(gòu)披露于先前并入本文的WO 03/100219 Al中。替換地，可使用單 個探頭或一對封隔器(packer)(未示出)代替雙探頭26。使用探頭和封隔 器的流體采樣系統(tǒng)的例子披露于先前并入于此的美國專利Nos. 4936139和 4860581中。
探頭還包括熱發(fā)射器(heatprojector) 251和溫度傳感器252。在工具的 主體內(nèi)具有溫度控制器253,其連接到熱發(fā)射器251和溫度傳感器252。在 操作狀態(tài)下，控制器253提供受控制的電量給加熱器251?？刂破?53和溫 度傳感器252連接，使得溫度測量可用于加熱器251的精確控制。
在工具10中，流動管線27將入口 25連接到樣品室、泵和流體分析儀。 通過致動泵30以產(chǎn)生壓力差并將流體抽取到井下工具中而將流體通過入口 25選擇性地抽取到工具中。當(dāng)流體流入工具中時，流體優(yōu)選地從流動管線 27流過，經(jīng)過流體分析儀32并流入樣品室28B。流動管線27具有第一部 27A和第二部27B。第一部從探頭延伸穿過井下工具。第二部27B將第一部 連接到樣品室27B、 28B。諸如閥29A和29B這樣的閥被設(shè)置，以選擇性地 允許流體流入樣品室27B、 28B。根據(jù)需要可使用附加的閥、限流器或其它 流動控制裝置。
當(dāng)流體流過流體分析儀32時，流體分析儀32能夠檢測流體成分、污染 物、光學(xué)密度、氣油比和其它參數(shù)。例如流體分析儀可以是流體監(jiān)控器，例 如Felling等的美國專利No, 6178815中和/或Safmya等的美國專利No. 4994671中描述的流體監(jiān)控器，兩專利文獻(xiàn)在此引入以作參考。
流體收集到 一個或多個樣品室28B,用于在樣品室中分離(separation )。 一旦實現(xiàn)分離，分離的流體的一部分可經(jīng)由排放流動管線34抽出樣品室， 或傳送到樣品室28A中用于在表層處取回，如將在文中更加全面地描述的那 樣。如果需要，收集的流體也可保留在樣品室28B中。
已知的MDT的過程被優(yōu)化，用于獲得常規(guī)和較輕的石油樣品。由于具 有高于30cp粘度的石油具有較低的流動性，因而這些石油產(chǎn)生一些問題。 在儲層中最有流動性的流體是水和鉆井液。在探頭26具有內(nèi)或采樣探頭261 和外或保護(hù)探頭262的情況下，外探頭設(shè)計成有助于在MDT中采樣以具有 減少的油基泥漿(OBM)污染物。在石油和鉆孔液之間流動性的差異必須較 小，以1更外探頭261將鉆孔液流從入口 25轉(zhuǎn)移。當(dāng)鉆孔液具有高流動性時， 其將使干凈的地層流體可采樣的體積縮小。在粘度差異增加時，采樣體積的 縮小示例性地如圖3所示。
在圖3A中，鉆孔泥漿35和地層流體36之間的流動性差異假定為較低， 導(dǎo)致較寬的地層流體流36進(jìn)入內(nèi)探頭262。在較高流動性差異(圖3B )下， 假定鉆孔泥漿比地層流體(重油)具有更好的流動性，那么未被污染的流體 流變窄，并且鉆孔液被吸取到保護(hù)探頭261和釆樣探頭262兩者的環(huán)面內(nèi)。 結(jié)果是，用于獲得未受污染樣品的采樣時間增加，同時也增加了工具被粘住 或者沒有獲得令人滿意的樣品的風(fēng)險。
根據(jù)本發(fā)明，通過加熱系統(tǒng)251-253，對低流動性地層流體進(jìn)行采樣能 夠?qū)崿F(xiàn)或得到增強(qiáng)，加熱系統(tǒng)設(shè)計成至少局部地加熱井下工具10的探頭26 周圍的地層。加熱受到監(jiān)控以確保石油的流動性足夠地增加，使得其可被采 樣，但不導(dǎo)致石油的化學(xué)成分或物理狀態(tài)改變。
圖2中示出的工具的優(yōu)選變式示例性地顯示于圖4中。 在圖4中，熱源或熱發(fā)射器451安裝為釆樣或內(nèi)探頭462的壁的一部分， 使得大量的熱傳遞到地層中。熱電偶452也結(jié)合到壁中，以監(jiān)控地層流體的 溫度?？墒褂弥T如粘度的更加相關(guān)的參數(shù)來檢定加熱的地層流體的特性。如 果期望確定流體的粘度，那么可通過結(jié)合粘度計(未示出)來替換熱電偶， 該粘度計提供數(shù)據(jù)給控制單元453，該控制單元控制加熱器451的操作。
同時，取決于熱源的特性也就是熱源基于電還是基于輻射、探頭的長度 和其它需考慮事項，探頭內(nèi)熱源的優(yōu)化位置是設(shè)計的要素。如果期望加熱周
圍地層的較大部分，那么熱源還可位于工具的主體內(nèi)。使用電磁輻射(伽馬 射線、X-射線、UV、 IR、微波和無線電頻率)或焦耳加熱或兩者的組合， 可加熱儲層流體。在例子中，熱源441是結(jié)合到外探頭中的微波源。
有利的是在操作期間還監(jiān)控壓力分布圖，例如通過與溫度傳感器452共 同設(shè)置的固態(tài)或MEMS類型的壓力傳感器(未示出)，以記錄采樣過程中完 全的分布圖。在采樣流體被加熱并被引導(dǎo)到采樣工具中時，在上述參考圖2 描述的過程之后，采樣流體被分析，并被排出或抽入到樣品室。
在釆樣過程期間，受控加熱繼續(xù)，直至樣品具有使其可被收集的流動性。 使用溫度傳感器452，地層內(nèi)流體溫度的上升受到監(jiān)控。當(dāng)傳感器表明 已經(jīng)達(dá)到期望的溫度時，使用保護(hù)探頭461、 462取出樣品。內(nèi)探頭462被 加熱以確保在提取過程期間流體的連續(xù)流動。流動確保這方面很重要，以確
保在合適的時間內(nèi)采取樣品，并且樣品代表儲層中的流體。
在采樣之前使用地層評估設(shè)置期望的溫度。典型地，使用的地層評估是 線纜式測井操作的結(jié)果?，F(xiàn)場石油的粘度例如可經(jīng)由通過NMR測井獲得的 T2松弛時間的相互關(guān)系而被確定。在現(xiàn)有知識下，例如使用如圖1、 5和6 中示出的實驗數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)庫，可確定需要的溫度或其最大值。
如上所述，任何采樣操作的關(guān)4定要求是獲得來自儲層的烴流體的"代表 性的，，樣品。"代表性的"樣品是，化學(xué)成分和物理狀態(tài)沒有被組成、溫度 和壓力的改變而改變的樣品，理想地，當(dāng)儲層的壓力高于流體的飽和壓力(也 就是起泡點(diǎn)或露點(diǎn))時，將被采樣的儲層流體在儲層內(nèi)以單一相流體存在。
圖5是示例性的壓力-溫度曲線，該曲線示出了各種類型的烴流體的飽和曲 線，這些烴流體包括干燥的氣體、潮濕的氣體、冷凝物、揮發(fā)性的石油、黑 油禾口重油。
在采樣過程期間，流體必須從儲層中抽出，穿過采樣探頭(保護(hù)探頭或
其它的)并進(jìn)入采樣工具(例如MDT)內(nèi)的樣品儲存室。因而，必須建立 從儲層到儲存室降低的壓力梯度，使得可以引導(dǎo)石油流入到室中。此過程的 關(guān)鍵是防止壓力下降到飽和曲線以下，從而導(dǎo)致流體逸出成氣體和液體的混 合物。然而，兩相的存在使得難于獲得代表性的樣品。
要防止逸出(flash),要求由于采樣導(dǎo)致的等溫壓力降小于儲層壓力和 飽和壓力之間的差別。除了重油之外，烴流體的粘度相對較低，因而壓力降 的幅度可以通過流速容易地控制。然而，重油和瀝青的高粘度導(dǎo)致適用現(xiàn)有 技術(shù)的采樣期間將產(chǎn)生較大的壓力降，并且反過來極大地增加石油逸出的風(fēng) 險。為了減小此風(fēng)險需要的較慢的采樣流速增加了工具卡到井內(nèi)的機(jī)會。此 外，由于重油相對于鉆井泥漿和地層水具有較低的流動性，因而較慢釆樣流 速不能防止樣品的顯著污染。
通過改善重油相對于鉆井泥漿和地層水的流動性，加熱的采樣探頭(保 護(hù)的或其它的)可提供一種降低粘度、較小壓力降低并減少污染的方法。如 圖6所示，以受控的方式加熱地層，流體可從初始的儲層溫度TO加熱到溫 度T1，在溫度T1處，壓力下的粘度(實線)極大地被減小，并且儲層壓力 和飽和壓力之間的差別足以產(chǎn)生足夠的壓力降低，從而以相對較快的流速對
重油采樣。使用溫度控制以保持溫度在T1附近，因而避免溫度T2太靠近起 泡點(diǎn)曲線(虛線)。
因而加熱過程的監(jiān)控和控制是本發(fā)明到重要方面。流體的過熱具有兩方 面的有害效應(yīng)這將導(dǎo)致發(fā)生熱降解或裂化，其將改變石油的成分且因而產(chǎn) 生非代表性的樣品，或者這將導(dǎo)致流體進(jìn)入太靠近流體的飽和曲線的壓力和 溫度狀態(tài)下。因而，對流體采樣需要的壓力降低將導(dǎo)致流體不期望的逸出， 導(dǎo)致不受控的兩相流進(jìn)入到采樣室中。
因而，描述的加熱的采樣探頭將以受控方式加熱地層，使得加熱受到監(jiān) 控以確保不會發(fā)生流體過熱。流體的加熱將減小石油的粘度，允許采樣期間 較低的壓力降低和較快的采樣流速。好處是能夠獲得重油瀝青的代表性的樣 品，該樣品沒有由于顯著的污染、起反應(yīng)、或其它而改變其化學(xué)成分，也沒
有使其物理狀態(tài)從單一相流體變?yōu)閮上嗔黧w或其它。
總的來說，本發(fā)明建議的方法具有三個主要階段，如圖7所示。
階段1(71):在此優(yōu)選的但不是必須的步驟中，首先評估地層，以確定 現(xiàn)場石油的粘度并確定其流動性。這使用NMR或其它合適的諸如聲監(jiān)控的 技術(shù)而完成。當(dāng)已經(jīng)評估地層時，將確定產(chǎn)生良好的樣品所需要的粘度減小 和/或溫度升高。這是通過比較現(xiàn)有數(shù)據(jù)和并使用表格和記錄而完成。有效的 加熱量需要使用諸如圖3中的數(shù)據(jù)而確定。在所示的情況中加熱石油到 120。C將使得流體具有較高流動性。如果要加熱流體到更高的溫度，不會看 到粘度的進(jìn)一步顯著下降，而是流體將接近相變邊界。這表明對石油的進(jìn)一 步加熱沒有i"介值，并潛在地對采樣過程不利，從而驗證了在此步驟中初始測 井和評估過程的重要性。
階段2(72):用熱學(xué)加熱的保護(hù)探頭將被使用，以增加探頭附近中的地 層溫度，從而在需要的地方減小石油的粘度，同時將泥漿流轉(zhuǎn)移到樣品室的 外面。這可結(jié)合其它形式的加熱而使用，例如結(jié)合電磁輻射，其將加熱地層 中更深處的石油。探頭將充當(dāng)波導(dǎo)作用，以將電磁波引導(dǎo)至地層的期望部分， 從而最大化此過程的效率。通過設(shè)置在地層中的聲或IR監(jiān)控、NMR測井(在 t2松弛時間中改變)或熱電偶和/或其組合，石油的溫度和/或粘度的改變將 受到監(jiān)控。
階段3(73):當(dāng)達(dá)到需要的溫度時，(或獲得需要的粘度下降)，通過使 用泵，流體隨后從地層抽出。流體將沿加熱的保護(hù)探頭流動，現(xiàn)在探頭中的 熱對于維持石油的流動并確保樣品全部傳送到樣品室或容器中至關(guān)重要。
在保護(hù)探頭中，熱電偶、熱開關(guān)和/或類似機(jī)構(gòu)被使用，以監(jiān)控石油的溫 度，從而確保良好的流動保證。進(jìn)入和離開保護(hù)探頭的流體的粘度可受到監(jiān) 控，以檢查此過程的執(zhí)行。
由于獲得了樣品，在需要的流體樣品已經(jīng)全部沉淀到樣品容器中時，容 器被密封并可允許冷卻。
此技術(shù)可使用許多不同的加熱地層的方法及其組合，這些方法具有儲層 內(nèi) 一致的加熱深度。優(yōu)選的用熱學(xué)加熱和可調(diào)諧微波的結(jié)合允許儲層內(nèi)近 的、中等和深度加熱，并且使用的能量將控制加熱速度和儲層流體的最終溫度。
實際上，加熱的探頭具有雙重功能。其在過程的第一部分中參與儲層流
體的加熱，其同時確保對儲層流體的采樣將以適時的方式(同時流體仍是熱 的)收集，并且具有最少的(如果不是零)污染。其還配備有設(shè)備使得諸如 粘度和溫度這樣的關(guān)鍵參數(shù)在操作期間受到監(jiān)控。
在變式中，探頭自身可包含熱固性"相變"材料，例如蠟或熱塑性塑料， 其將保持探頭的溫度，特別是在加熱設(shè)備不運(yùn)作時。這將允許探頭沒有較大 的熱損失地從一位置移動到另一位置，從而減少采樣時間并最小化工具卡在 高粘度地層中的可能。圖8A示出了沒有相變的典型材料的冷卻曲線。其指
數(shù)熱損失顯然不同于由圖8B中描述的相變材料顯示的特性。
本發(fā)明的各種實施例和應(yīng)用已被描述。該描述打算示出本發(fā)明。對于本 領(lǐng)域技術(shù)人員而言，顯然可以在不脫離所述的權(quán)利要求的范圍的前提下，對 所描述的發(fā)明進(jìn)行修改。
權(quán)利要求
1.一種儲層采樣設(shè)備，具有至少一個探頭，該探頭適合于提供地層和所述設(shè)備的內(nèi)部之間的流體流動路徑，該流動路徑與來自井眼環(huán)面的流體的直接流動隔離，其中所述設(shè)備包括熱發(fā)射器和控制器，所述熱發(fā)射器適合于將熱發(fā)射到所述探頭周圍的地層內(nèi)，所述控制器維持地層內(nèi)的流體的溫度在閾值以下。
2. 如權(quán)利要求1所述的設(shè)備，該設(shè)備在線纜式電纜、連續(xù)油管或采油 管道上傳送到井眼中。
3. 如權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中所述探頭包括至少一個內(nèi)探頭和一 個外探頭。
4. 如權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中所述熱發(fā)射器包括使用焦耳(或歐 姆)力口熱和/或電；茲加熱的熱源。
5. 如權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中所述熱源加熱所述探頭的至少一部分。
6. 如權(quán)利要求1所述的設(shè)備，該設(shè)備包括溫度傳感器以監(jiān)控采樣流體 的溫度。
7. 如權(quán)利要求6所述的設(shè)備，該設(shè)備包括溫度傳感器以監(jiān)控地層內(nèi)或 接近地層的采樣流體的溫度。
8. 如權(quán)利要求1所述的設(shè)備，該設(shè)備包括粘度計以監(jiān)控采樣流體的粘度。
9. 如權(quán)利要求6所述的設(shè)備，該設(shè)備包括所述控制器和所述溫度傳感 器之間的信號路徑。
10. 如權(quán)利要求8所述的設(shè)備，該設(shè)備包括所述控制器和所述粘度計之 間的信號路徑。
11. 如權(quán)利要求l所述的設(shè)備，其中所述控制器適合于維持加熱的地層 流體的溫度在上極限以下，該上極限使用地層內(nèi)的流體的成分和/或特性的現(xiàn) 有認(rèn)識而被確定。
12. 如權(quán)利要求l所述的設(shè)備，其中所述控制器適合于維持加熱的地層 流體的溫度在上極限以下，該上極限被設(shè)置以避免相位分離或地層流體的"逸出"。
13. —種從井下位置采樣地層流體的方法，包括以下步驟 使具有探頭的采樣工具降低到井眼中；使用熱發(fā)射器，以增加所述探頭附近的地層溫度，從而降低所述地層流體的粘度；控制溫度以避免或減少所述地層流體的成分改變；和 通過在地層和i殳備的內(nèi)部之間設(shè)置流體流動^各徑，而抽取所述流體進(jìn)入 所述采樣工具，所述流動^4圣與來自井眼環(huán)面的流體的直接流動隔離。
14. 如權(quán)利要求13所述的方法，還包括下述步驟 使用對地層或地層流體的現(xiàn)有認(rèn)識控制所述溫度。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種井下采樣設(shè)備及其使用方法。該儲層采樣設(shè)備具有至少一個探頭(26)，該探頭適合于提供地層和設(shè)備的內(nèi)部之間的流體流動路徑，該流動路徑與來自井眼環(huán)面的流體的直接流動隔離，該設(shè)備還具有熱發(fā)射器(251)和控制器(253)，該熱發(fā)射器適合于將熱發(fā)射到探頭周圍的地層內(nèi)，該控制器維持地層內(nèi)的溫度在閾值以下。
文檔編號E21B49/08GK101351618SQ200680049475
公開日2009年1月21日 申請日期2006年8月18日 優(yōu)先權(quán)日2005年10月26日
發(fā)明者加里·J·塔斯廷, 肖恩·D·泰勒, 阿梅德·哈馬米 申請人:普拉德研究及開發(fā)股份有限公司