КОМПЛЕКС ДЛЯ ОТБОРА ПРОБ ГАЗА
GAS SAMPLING SYSTEM

Изобретение относится к гидрогеохимическим исследованиям скважин и предназначено для отбора спонтанного и растворенного в воде газа, выделяемого в различных генетически разнородных слоях торфа с различных фиксированных по глубине горизонтов торфяной залежи.
Известно устройство для отбора проб газа из скважин герметическая грунтовая трубка-скважина (патент RU №2125158, МПК Е21В 49/02, от 20.01. 1999 г.), включающая цилиндрический корпус с хвостовым стабилизатором. В корпусе размещены камера с вкладышем, вибратор и газосборный баллон. Для герметизации нижней части корпуса установлено приспособление, выполненное в виде гидропневматического резинотканевого клапана, соединенного с баллоном невысокого рабочего давления, заполненный инертной газожидкостной смесью. Приспособление для герметизации верхней части трубки выполнено в виде подпружиненного электромагнитного клапана. Изобретение позволяет осуществлять количественную оценку природной либо техногенной газонасыщенности данных отложений и водной толщи за счет подъема отобранных проб в герметизированной приемной камере.
Недостаток устройства - сложность конструкции, наличие большого количества технологически сложных деталей, требующих высокой точности изготовления.
Известно устройство контейнер-пробоотборник (патент RU №2249693, МПК Е21В 49/08, от 10.04. 2005 г.). Изобретение относится к отбору проб пластовой жидкости и газа, включающий корпус в виде калиброванного цилиндра с присоединенными крышками. Внутри корпуса расположены разделительный поршень и шар для перемешивания пробы, гидросопротивление для медленного впуска пробы. Золотниковый вентиль служит для безопасных впуска, герметизации и разгерметизации отобранного флюида, прикреплен к крышке и состоит из штока с каналами и втулки с буртом. Бурт зажат между соединенных резьбой гаек, одна из которых соединена резьбой со штоком. Игольчатый клапан служит для стравливания давления из замкнутого пространства над золотниковым вентилем перед отсоединением контейнера-пробоотборника от испытательного оборудования пластов.
Недостаток устройства - сложность конструкции, обусловленная наличием большого количества узлов и технически сложных деталей, что снижает надежность его работы.
Известен вакуумный многокамерный пробоотборник (RU 2080580, МПК G01N 1/10, от 27.05.1997), для отбора проб жидкости и растворенного в ней газа из скважин и водоемов. Он содержит вакуумные камеры, которые объединены в общем корпусе в секции по три камеры в каждой. В нижней крышке корпуса смонтированы разъемы, три из которых расположены под углом 120° для присоединения вакуумных камер. Четвертый разъем установлен по центру пробоотборника для присоединения с помощью отрезка кабеля с кабельными наконечниками следующей секции из трех вакуумных камер.
Недостаток устройства - сложность конструкции, в связи с чем снижается надежность работы пробоотборника.
Известны глубинные пробоотборники (В.С. Самарина. Гидрохимическое опробование подземных вод, Изд-во Ленинградского Университета, 1958, с. 66-69).
Наиболее близкой по технической сущности и достигаемому результату является установка для отбора проб воды и газа на химический анализ, состоящая из перфорированной обсадной трубы-скважины, телескопического пробоотборника Симонова и бутылью Савченко.
Телескопическим пробоотборником Симонова производят отбор проб газа с заданной глубины из скважины по вертикали водоносного слоя. Пробоотборник состоит из 3 цилиндрических сосудов, вставленных один в другой, по принципу телескопической трубы. Внутренний и промежуточный цилиндры снабжены поршнями, которые при изменении давления на них позволяют сосудам передвигаться. По оси внутреннего цилиндра проходит труба с трехходовым краном снизу. Наружный цилиндр снабжен в верхней части оголовком с собачками, удерживающими поршень промежуточного цилиндра. В оголовке пробоотборника имеется выходное отверстие для отвода газа.
Недостаток устройства - сложность конструкции, наличие большого количества технологически сложных деталей, требующих высокой точности изготовления.
Поставлена задача - создать комплекс для обеспечения периодического отбора проб газа с фиксированных глубин, расположенных по высоте торфяной залежи.
Комплекс для отбора проб газа содержит обсадную трубу-скважину, цилиндрический пробоотборник, состоящий из трех основных частей. Верхняя часть пробоотборника - камера-коллектор. Средняя - соединительная муфта с внутренней резьбой и проточкой, соединяющая нижнюю и верхнюю части пробоотборника. Нижняя часть - камера-приемник для накопления в ней газа, поступающего через боковые отверстия обсадной трубы-скважины. Камеры приемника и коллектора закрыты крышками.
Сверху соединительной муфты расположена нагнетательная трубка, снизу - приемная трубка, над которой помещен шарик-клапан.
Верхняя нагнетательная трубка проходит через камеру-коллектор, крышку и выведена наружу. На ней расположены впускной ниппель-клапан для нагнетания воздуха в камеру-коллектор и предохранительный ниппель-клапан - для сброса избыточного давления воздуха. Пневматические камеры расположены одна выше, другая - ниже приемных отверстий в корпусе пробоотборника. В верхней крышке пробоотборника установлен выпускной клапан. Обсадная труба выполнена из n-го количества труб, соединенных между собой наружными резьбовыми муфтами в одну, с боковыми отверстиями одинакового диаметра, равномерно расположенными по длине обсадной трубы-скважины.
Комплекс содержит обсадную трубу-скважину 25 и пробоотборник (фиг.2). Обсадная труба-скважина 25 состоит из отдельных труб, соединенных между собой наружными резьбовыми муфтами.
На фиг.1 изображен комплекс для отбора проб газа в продольном разрезе.
На фиг.2 изображен пробоотборник в разрезе.
На фиг.3 изображен пробоотборник.
Комплекс для отбора проб воды состоит из обсадной трубы-скважины и цилиндрического пробоотборника.
Пробоотборник (фиг.2) содержит три основные части. Верхняя часть - камера-коллектор 1 предназначена для распределения создаваемого в ней давления воздуха в две пневматические камеры 2. Между камерой-коллектором 1 и камерой-приемником 3 расположена соединительная муфта 4. Камера-приемник 3 - для накопления газа, поступающего через боковые отверстия 5.
Камера-коллектор 1 закрыта крышкой 6, а камера-приемник - крышкой 7. Крышки уплотнены резиновыми уплотнительными кольцами 8.
В середине соединительной муфты 4 сделана проточка для уплотнительного резинового кольца 9, обеспечивающего герметичность.
В соединительную муфту 4 с внутренней резьбой вкручены сверху - нагнетательная 10, снизу - приемная 11 трубки. Между ними расположен шарик-клапан 12, под давлением воздуха создающий герметичность, прижимая его к седлу приемной трубки 13. Верхняя нагнетательная трубка 10 проходит через камеру-коллектор 1 и крышку 6.
В верхней нагнетательной трубке 10 расположены впускной ниппель-клапан 14 - для нагнетания воздуха в камеру-коллектор 1, поступающего через отверстия 15 пробоотборника и предохранительный ниппель-клапан 16, находящийся снаружи пробоотборника (фиг.2) для сброса избыточного давления воздуха в пневматических камерах 2, регулируя в них давление.
Пневматические камеры 2 расположены одна - выше, а другая - ниже приемных отверстий 5 в корпусе пробоотборника (фиг.2) и соединены между собой трубкой 17, соединяющей между собой приемные отверстия 15.
Пневматические камеры 2 выполняют задачу фиксатора пробоотборника в скважине и блокируют поступление газа из выше и ниже равномерно расположенных боковых отверстий 26 по длине обсадной трубы-скважины 25.
Выпускной клапан 18, шток 19 которого проходит через крышку 6 пробоотборника и под действием пружины 20 прижимает выпускной клапан 18 к седлу 21.
Пружина 20 зафиксирована на штоке гайкой 22. Сверху выпускного клапана 18 выполнено кольцо 23, для подъема пробоотборника. Нагнетательная трубка 10 фиксируется на верхней крышке 6 гайкой 24.
Обсадная труба-скважина 25 - это соединенные между собой наружными резьбовыми муфтами в одну N - количество труб. По длине труб равномерно расположены боковые отверстия 26 с одинаковым диаметром, по которым газ поступает в скважину. Нижняя часть трубы (первая) оснащена конусом - наконечником 27, облегчающим ее вхождение в грунт. Труба-скважина 25 принимает поступающий через боковые отверстия 26 газ. Оптимальный для условий исследования диаметр боковых отверстий 26 определяется опытным путем. Интервал расположенных по длине трубы боковых отверстий 26 определяют размерами пробоотборника (фиг.2), а также сопоставлением с существующими методиками.
Отбираемые пробы газа по мере его накопления в камере-приемнике 3 через приемную трубку 11 и верхнюю нагнетательную трубку 10 по силиконовому армированному шлангу 28 поднимают на поверхность с последующей транспортировкой.
Работа комплекса для отбора газа в доступных диапазонах основана на поступлении выделяемого торфяной залежью газа в скважину через боковые отверстия 26 в стенке обсадной трубы-скважины и транспортировке его на поверхность по шлангу 28. Пробоотборник (фиг.2) принимает поступающий в скважину газ только из одного бокового отверстия 26, изолируя другие боковые отверстия, расположенные равномерно по всей длине обсадной трубы-скважины 25. Обсадную трубу-скважину 25, имеющую конусный наконечник 27, устанавливают в торфяную залежь без предварительного бурения методом ударного вдавливания в грунт и фиксируют вхождением в грунт подстилающего дна болота на 50-60 см. Это делают для предотвращения нарушения структуры торфа, для наиболее плотного ее облегания торфяной залежи и придания скважине постоянного высотного положения.
В установленную в торфяную залежь трубу-скважину 25 помещают пробоотборник (фиг.2). При необходимости производят откачку воды измеряемого интервала скважины. На металлическом, имеющем разметку подъемном металлическом тросе, прикрепленном к кольцу 23 выпускного клапана 18 - пробоотборник опускают в трубу-скважину 25 и фиксируют на нужной глубине. Любым известным устройством, создающим давление - насос, компрессор, подсоединенным через силиконовый армированный шланг 28 к верхней нагнетательной трубке 10 пробоотборника, нагнетают воздух через впускной ниппель-клапан 14 в камеру-коллектор 1, а затем - через отверстие 15 и соединительную трубку 17 - в пневматические камеры 2.
При создании избыточного давления в пневматических камерах 2 через впускной ниппель-клапан 16 происходит сброс воздуха наружу. Это ограничивает давление пневматических камер 2.
Пневматические камеры 2 расположены одна выше, а другая ниже приемных отверстий 5 в корпусе пробоотборника (фиг.2), через которые происходит наполнение газом приемной камеры 3 пробоотборника. Камеры 2 выполняют при этом задачу фиксатора пробоотборника в скважине и блокируют поступление газа из выше- и нижерасположенных отверстий 23 по всей длине обсадной трубы-скважины 25.
При создании давления в верхней нагнетательной трубке 10 шарик-клапан 12, находящийся в соединительной муфте 4, прижат созданным давлением воздуха к седлу приемной трубки 13 и закрывает нижнюю приемную трубку 11, предотвращая поступление воздуха в камеру-приемник 3.
После установки пробоотборника на нужный интервал устье скважины закрывают для предотвращения попадания мусора, пыли, дождевой воды и т.п. Глубину опускания пробоотборника определяют по разметкам, нанесенным на подъемном тросе. Газ с измеряемого интервала торфяной залежи в течение требуемого времени нахождения поступает в камеру-приемник 3 через боковые отверстия 5 корпуса пробоотборника.
После того как пневматические камеры наполнены воздухом и пробоотборник зафиксирован в скважине, подачу давления воздуха в пробоотборник прекращают.
При этом в верхней нагнетательной трубке 10 ниппель-клапан 14 и ниппель-клапан 16 закрываются, а газ, накапливаемый в камере-приемнике 3 через отверстие нижней трубки 11, поднимается к седлу приемной трубки 13, поднимает шарик-клапан 12 и поступает в верхнюю нагнетательную трубку 10 по силиконовому армированному шлангу 28 и поднимается на поверхность.
Для последующего изменения интервала отбора проб газа или вывода пробоотборника из трубы-скважины 25, производят натяжение подъемного металлического троса. При этом выпускной клапан 18, установленный в верхней крышке 6 пробоотборника, под действием натянутого подъемного металлического троса, преодолевающего усилие пружины 20, открывается и воздух, находящийся в пневматических камерах 2, через клапан 18 стравливается наружу.
Пробоотборник опускают на следующую глубину в трубу-скважину 25, фиксируют аналогичным образом, и производят отбор пробы газа с последующего интервала торфяной залежи.
Подобный комплекс позволит производить отбор проб с постоянных в пространстве интервалов торфяной залежи, что дает возможность проводить мониторинг интенсивности выделения газа и изменчивости его химического состава.
Комплекс для отбора проб газа, показанный на фигурах 1, 2 и 3, надежен, поскольку ограничивает контакт отбираемой пробы от внешних факторов, способных оказать воздействие, ведущее к изменению физико-химических свойств отбираемого газа. Комплекс позволяет:
- отбирать газ, выделяемый торфом, с заданного интервала по вертикали торфяной залежи;
- определять относительную интенсивность газоотдачи и измерение давления газа;
- определять объем выделяемого газа с заданного интервала по вертикали торфяной залежи;
- определять герметичность между боковыми отверстиями 26 обсадной трубы-скважины 25, расположенной в вертикальном интервале торфяной залежи, с которой производится отбор проб;
- конструкция комплекса не позволяет поступать в приемник газу из выше- и нижерасположенных боковых отверстий 26 и обеспечивает поступление газа только с одного вертикального интервала непосредственно в приемник;
- отбирать пробы газа, минимизируя его взаимодействия с внешними условиями.
Преимущества комплекса скважина-пробоотборник для отбора газа:
- отбор пробы газа происходит непосредственно путем его поступления из нужного вертикального интервала торфяной залежи, где газ еще не имел контакта с внешней средой и не изменил своих физико-химических свойств;
- пробоотборник позволяет в заданном рабочем положении изолировать поступление газа от поступления из соседних, по вертикали, глубин торфяной залежи. Появляется возможность проследить - как меняется, в частности, химический состав газа в различных вертикальных интервалах торфяной залежи;
- пробу газа отбирают непосредственно из каждого исследуемого горизонта торфяной залежи. Проба газа по химическому составу однородно-характерна по химическим реакциям, протекающим в данном видовом слое торфяной залежи.
Комплекс обсадная труба - скважина 25 и пробоотборник для отбора газа позволяет исследовать геохимический режим в апробируемых горизонтах торфяной залежи.
Пример конкретного выполнения.
Испытания комплекса обсадная труба - скважина - пробоотборник (фиг.2) проведены на участке Тимирязевского болота в рамках исследований по изучению связи гидродинамического режима болотных вод и их химического состава. В слое торфяной залежи мощностью 5,7 метров установлена наблюдательная обсадная труба-скважина 25. Наружный диаметр труб - 42 мм, толщина стенок - 2,5 мм. Через 50 см по длине труб расположены калиброванные боковые отверстия 26 диаметром 5 мм, по которым вода поступает в скважину. Диаметр отверстий определен опытным путем. Обсадная труба-скважина 25 в нижней части выполнена конусом 27, облегчающим ее вхождение в грунт.
Обсадная труба-скважина 25, имеющая конусный наконечник 27, установлена в торфяную залежь без предварительного бурения методом ударного вдавливания в грунт и зафиксирована вхождением в грунт подстилающего дна болота на 50-60 см. Это сделано для предотвращения нарушения структуры торфа, для наиболее плотного ее облегания торфяной залежи и придания скважине постоянного высотного положения.
Отбор проб газа из обсадной трубы-скважины 25 произведен разработанным пробоотборником (фиг.2) в соответствии с разработанной для этого методикой. В соответствии с предъявляемыми к пробоотборнику требованиями отобраны пробы газа с восьми вертикальных интервалов.
Пробы отбирают интервалом в 0.5 метра по всей высоте торфяной залежи. С установленной в торфяную залежь трубы-скважины 25 производят откачку воды с измеряемого интервала скважины. На имеющем разметку подъемном металлическом тросе, прикрепленном к кольцу 23 выпускного клапана 18 - пробоотборник опускают в трубу-скважину 25 на нужный интервал. Вакуумным насосом через шланг 28 и верхнюю нагнетательную трубку 10 пробоотборника, воздух нагнетают через впускной ниппель-клапан 14, в камеру-коллектор 1, который поступает через отверстия 15 и трубку 17 в пневматические камеры 2. Пневматические камеры 2 выполняют при этом задачу фиксатора пробоотборника в скважине и блокируют поступление газа из выше- и нижерасположенных боковых отверстий 26 по всей длине обсадной трубы-скважины 25.
Газ с измеряемого интервала торфяной залежи в течение требуемого времени нахождения поступает в приемную камеру 3 через боковые отверстия 5 корпуса пробоотборника.
После того как пневматические камеры 2 наполнены воздухом и пробоотборник зафиксирован в скважине, подачу давления воздуха в пробоотборник прекращают.
При этом в верхней нагнетательной трубке 10, ниппель-клапан 14 и ниппель-клапан 16 закрываются, а газ, накапливаемый в камере-приемнике 3 через отверстие нижней трубки 11, поступает к шарику-клапану 12, открывает его и через верхнюю нагнетательную трубку 10 по силиконовому армированному шлангу 28 поднимается на поверхность.
Под действием натянутого подъемного металлического троса, преодолевающего усилие пружины 20, выпускной клапан 18, установленный в верхней крышке 6 пробоотборника, открывается и воздух, находящийся в пневматических камерах 2, через клапан 18 стравливается наружу.
После этого пробоотборник или поднимают на поверхность, или опускают в обсадную трубу-скважину 25 на следующую глубину и аналогичным образом последовательно отбирают пробы газа со следующих интервалов торфяной залежи.