УСТРОЙСТВО ОТБОРА ГЛУБИННЫХ ПРОБ ИЗ СКВАЖИНЫ
DEVICE FOR SAMPLING DEEP WELLS

Изобретение относится к нефтяной и газовой промышленности, в частности к технике отбора глубинных проб.
Пластовые флюиды в нефтяных или газовых скважинах обычно представляют собой смесь нефти, газа и воды. Фазовое соотношение компонентов смеси определяется давлением, температурой и объемом пластовых флюидов, заключенных в ограниченном пространстве. При поднятии устройства отбора проб на поверхность происходят физические изменения непосредственно в пробе, что приводит к выделению газовой фазы и возможному образованию химических соединений, искажающих результаты лабораторного анализа пробы.
Известен ряд методов анализа скважинных флюидов в условиях скважины (пат. США №№6467544, 5329811).
Так, известно устройство (пат РФ 2344290), состоящее из цилиндрического корпуса, в котором размещены пробоприемная камера всасывающего типа с разделительным поршнем, балластная камера, модуль управления и интерфейса обмена информацией. В цилиндрический корпус между пробоприемной и балластной камерами, герметично от внешней среды, введены последовательно подключенные, следующие от пробоприемной камеры, неуправляемый настраиваемый редуктор давления жидкости и гидрореле, управляемое электрическим током, поступающим из модуля управления и интерфейса обмена информацией, использующего упругие механические колебания, возбуждаемые на корпусе устройства, и помехоустойчивое кодирование информации для управления работой устройства.
Другие методы предусматривают отбор пробы скважинных флюидов для ее извлечения на поверхность (пат США №№4583595, 4903765).
В глубоких скважинах температура часто превышает 150°C. При извлечении горячей пробы пластового флюида на поверхность, где температура составляет 20°C, из-за падения температуры проба пластового флюида стремится сократиться в размерах. Если объем пробы остается неизменным, такое сокращение приводит к существенному уменьшению давления пробы. Падение давления приводит к изменениям параметров, присущих пластовому флюиду в естественном залегании, что может обусловить фазовое разделение жидкостей и газов, поглощенных пробой пластового флюида. Разделение фаз влечет за собой существенное изменение характеристик пластового флюида и уменьшает реальные возможности оценки реальных свойств пластового флюида.
Для преодоления этого недостатка были разработаны различные методы, направленные на поддержание пробы пластового флюида под давлением; например, необходимо обеспечивать непрерывное поджатие пробы во время подъема. Существует необходимость в контроле целостности пробы, начиная с подъема пробы на поверхность и до ее доставки в лабораторию для анализа.
Например, известно устройство для контроля интересующего параметра пробы пластового флюида (пат. РФ 2348806), содержащее скважинную пробоотборную камеру для размещения пробы пластового флюида и модуль контроля, сообщающийся посредством канала для флюида с частью пробы пластового флюида в скважинной пробоотборной камере и предназначенный для контроля интересующего параметра пробы пластового флюида. Устройство содержит клапан, связанный с каналом для подачи части пробы пластового флюида в модуль контроля, вторичный клапан, связанный с каналом для выборочного удержания части пробы флюида в канале. При этом первичный и вторичный клапаны взаимодействуют для изолирования части пробы флюида в канале. Кроме того, устройство содержит датчик температуры для контроля температуры пробы флюида или датчик давления для контроля давления пробы флюида, регистратор для регистрации интересующего параметра пробы флюида и аналитический модуль для выполнения анализа пробы флюида с определением первого интересующего параметра пробы флюида. Техническим результатом известного устройства является непрерывный контроль герметичности пробы, начиная с подъема пробы на поверхность и до ее доставки в лабораторию для анализа, но при этом не исключается возможность изменения химического состава пробы вследствие изменения давления и температуры внутри глубинной пробы.
Наиболее близким техническим решением к заявляемому устройству отбора глубинных проб из скважин является устройство, состоящее из цилиндрического корпуса, в котором размещены пробоприемная камера всасывающего типа с разделительным поршнем, балластная камера, обратный клапан и седло обратного клапана, модуль управления и обмена информацией, устройство поджатия пробы при подъеме, состоящее из полости сжатого газа, полости жидкости для поджатия, клапана предела и распределительного клапана, соединенных между собой, и поршня сжатия (пат США 5337822). Устройство содержит контейнер, обеспечивающий герметичность пробы во время транспортировки к аналитической лаборатории, при этом в пробе не происходит разделение фаз скважинного флюида углеводорода. Недостатком конструкции является сложность подготовки глубинной пробы к лабораторному анализу, для чего используют сложный механизм перевода глубинной пробы из пробоприемной камеры в контейнер с помощью насоса.
Как правило, пробоприемные камеры с глубинной пробой без механизма поджатия готовы к применению в лабораторном анализе после проведения ряда подготовительных процедур, связанных с приведением пробы к пластовым условиям, в том числе нагрев пробы до пластовой температуры. Механизм поджатия пробы использует сжатый газ, нагрев которого в комплексе с пробоприемной камерой может вызвать дополнительные нагрузки на герметичные соединения. В пластовых условиях это компенсировалось внешними барическими условиями. Кроме того, отсоединение механизма поджатия пробы немедленно приведет к падению ее давления. Поэтому для безопасности работ при сохранении кондиционности глубинной пробы требуется ее перевод в контейнер.
При переводе не должно произойти падения давления в системе насос - пробоприемная камера - контейнер - вентиль. Для этого приходится манипулировать одновременно несколькими органами управления (вентили, подача насоса), что повышает вероятность ошибки, результатом которой может быть падение давления глубинной пробы до атмосферного давления или перегрузка герметичных резьбовых соединений.
Целью данного изобретения является упрощение механизма поджатия пробы за счет выполнения его съемным, что позволит исключить операции перевода в промежуточную емкость и производить подготовку глубинной пробы непосредственно в пробоприемной камере или вообще не устанавливать механизм поджатия пробы на оборудование, если условия и требования к глубинной пробе не требуют ее поджатия.
Поставленная цель достигается за счет использования устройства отбора глубинных проб из скважины, состоящего из пробоприемной камеры всасывающего типа с разделительным поршнем, обратным клапаном и седлом обратного клапана, балластной камеры с регулятором давления, механизма поджатия пробы с полостью сжатого газа, полостью жидкости поджатия и поршнем поджатия, модуля управления и обмена информацией, канала ввода глубинной пробы и вентиля. Механизм поджатия пробы расположен между пробоприемной и балластной камерами и снабжен отцепом, содержащим поршень отцепа и держатель отцепа, при этом пробоприемная камера снабжена дополнительным подвижным поршнем с обратным клапаном.
На рис.1-6 показаны разные этапы работы устройства.
На рис.1 показано устройство в готовом для работы положении.
На рис.2 показан момент подготовки к окончанию процесса отбора глубинной пробы. Давление балластной жидкости еще не начало падать, но пробоприемная камера уже заполнена.
На рис.3 показано окончание процесса отбора глубинной пробы. Давление балластной жидкости равно нулю. Глубинная проба поджата сжатым газом.
На рис.4 показано отключение механизма поджатия пробы от пробоприемной камеры.
На рис.5 показана пробоприемная камера, готовая для подключения вентилей с трубопроводами для последующего лабораторного анализа.
На рис.6 показан общий вид глубинного пробоотборника в сборе.
Конструкция, представленная на рис.1-6, состоит из следующих элементов: 1 - канал балластной жидкости, 2 - балластная камера, 3 - обратный клапан сжатого газа, 4 - корпус механизма поджатия пробы, 5 - демпфер, 6 - полость сжатого газа, 7 - поршень поджатия, 8 - поршень отцепа, 9 - отцеп, 10 - держатель отцепа, 11 - полость жидкости поджатия, 12 - направляющая трубка, 13 - канал, 14 - отсекатель, 15 - герметичный шлюз, 16 - полость А, 17 - опорная втулка, 18 - полость Б, 19 - герметичная посадка подвижного поршня, 20 - подвижный поршень, 21 - обратный клапан подвижного поршня, 22 - полость В, 23 - разделительный поршень, 24 - обратный клапан, 25 - полость глубинной пробы, 26 - седло обратного клапана, 27 - канал ввода глубинной пробы, 28 - вентиль, 29 - трубопровод, 30 - емкость, 31 - канал направляющей трубки, 32 - боковое отверстие, 33 - модуль управления и обмена информацией, 34 - регулятор давления, 35 - гидравлическое реле.
Указанная цель решается введением в пробоприемную камеру дополнительного разделительного поршня, снабженного обратным клапаном, и включением между пробоприемной и балластной камерами механизма поджатия пробы. Такая компоновка позволяет безопасно отключить механизм поджатия пробы (см. рис 4), не нарушая герметичности, барических условий глубинной пробы, возможности увеличить или снизить давление пробы, и использовать пробоприемную камеру для приведения глубинной пробы к пластовым условиям и переводу ее содержимого непосредственно в аналитическое оборудования, не прибегая к промежуточным контейнерам.
Устройство работает следующим образом.
Перед спуском в скважину устройство выглядит, как показано на рис.1. При этом давление сжатого газа в полости сжатого газа 6 проверяют через обратный клапан сжатого газа 3. Поршень поджатия 7 находится в зацепленном состоянии с держателем отцепа 10 посредством отцепа 9 и поршнем отцепа 8, поскольку давления сверху и снизу от поршня отцепа 8 одинаковы. Для устранения непредсказуемых механических колебаний введен демпфер 5. Полость жидкости поджатия 11, полость А 16, полость Б 18 заполнены балластной жидкостью. Полость А 16 и полость Б 18 являются гидравлически связанными. Разделительный поршень 23, второй подвижный поршень 20 отведены в крайнее нижнее положение. При спуске в скважину давление балластной жидкости возрастает под действием повышения температуры окружающей среды и становится равным или большим пластового давления.
При срабатывании регулятора давления 34 и гидравлического реле 35 балластная жидкость, находящаяся в полости А 16 и полости Б 18, начинает истекать в балластную камеру через боковое отверстие 32 в корпусе механизма поджатия пробы 4, герметизированное резиновыми уплотнениями отсекателя 14, в канал балластной жидкости 1 (рис.2). Этот процесс происходит до момента соприкосновения второго подвижного поршня 20 с опорной втулкой 17. При этом герметичный шлюз 15 оказывается замкнутым с герметичной посадкой второго поршня 19, отсекая полость А 16 от полости Б 18.
В следующие моменты времени происходит падение давления балластной жидкости в полости А 16 и канале балластной жидкости 1. Из-за разницы давлений сверху и снизу поршень отцепа 8 двигается вверх, как показано на рис.3, разгружая отцеп 9 и освобождая поршень поджатия 7, который воздействует на жидкость поджатия, находящуюся в полости жидкости поджатия 11, пропорционально давлению сжатого газа в полости сжатого газа 6. Давление жидкости поджатия проникает через канал 13 отсекателя 14, полость Б 18, обратный клапан второго подвижного поршня 21 в полость В 22. При подъеме устройства на поверхность из-за падения температуры падение давления глубинной пробы компенсируется подачей дополнительных порций жидкости поджатия в полость В 22. Осевая линия канала 13 может быть выполнена отличительно от указанной на рис.3, к примеру в виде спирали для создания гидравлического сопротивления и ликвидации гидравлических ударов.
После доставки в лабораторию пробоприемную камеру отключают от устройства поджатия глубинной пробы, как показано на рис.4. При этом на механизм поджатия глубинной пробы устанавливают вентиль 28, первоначально закрытый, в комплекте с трубопроводом 29 и емкостью 30. В процессе отключения обратный клапан подвижного поршня 21 остается закрытым. Поскольку давление в полости А 16 близко к атмосферному, а соединение герметичного шлюза 15 и герметичной посадки второго поршня 19 имеет малую площадь, прилагаются незначительные усилия. В дальнейшем герметичный шлюз 15 и герметичная посадка второго поршня 19 выходят из зацепления и усилия отсоединения возрастают. Это является сигналом для открытия вентиля 28 и удаления остатков жидкости поджатия через трубопровод 29 в емкость 30. Затем механизм поджатия глубинной пробы окончательно отключают.
Пробоприемная камера (рис.5) готова к подключениям вентилей 28 перевода глубинной пробы в анализатор для последующего лабораторного анализа. При этом в первую очередь, не нарушая барические условия, в полости В 22 открывается обратный клапан второго подвижного поршня 21.