Узел зонда (варианты) и способ отбора пробы текучей среды из подземного пласта с использованием узла зонда

Изобретение относится к способам оценки подземного пласта с помощью узла зонда, транспортируемого на скважинном инструменте, находящемся в стволе скважины, проходящем через подземный пласт. Техническим результатом является обеспечение приемлемого уплотнения с пластом, увеличение потока чистой текучей среды в инструмент, оптимизация потока текучей среды в скважинный инструмент. Предложенный узел зонда отбирает пробы текучей среды из ствола скважины, проходящего через подземный пласт, имеющий природную текучую среду, расположенную вне слоя загрязненной текучей среды, окружающей ствол скважины. Узел зонда содержит корпус зонда, выполненный с возможностью выдвижения из скважинного инструмента, и пакер, расположенный на корпусе зонда и имеющий дистальную поверхность, приспособленную для введения в плотный контакт с участком ствола скважины. Пакер имеет внешнюю и внутреннюю периферию, при этом внутренняя периферия ограничена каналом, проходящим через пакер. Пакер дополнительно снабжен каналом (каналами), выполненным (выполненными) в дистальной поверхности и расположенным (расположенными) с возможностью ограничения кольцевого прочистного заборника между внутренней и внешней перифериями. Через пакер проходит перепускной канал для пропускания природной текучей среды и/или загрязненной текучей среды между каналами. В этом канале пакера плотно установлена пробоотборная трубка для пропускания природной текучей среды ко второму впускному отверстию в корпусе зонда и скважинному инструменту. 3 н. и 23 з.п. ф-лы, 42 ил.

 

Настоящее изобретение относится к способам оценки подземного пласта с помощью узла зонда, транспортируемого на скважинном инструменте, находящемся в стволе скважины, проходящем через подземный пласт. Более конкретно, настоящее изобретение относится к способам уменьшения загрязнения пластовых текучих сред, всасываемых в скважинный инструмент и/или оцениваемых скважинным инструментом посредством узла зонда.

Для локализации и добычи углеводородов бурят стволы скважин. Для формирования ствола скважины, проходящего через интересующий подземный пласт (или направляемого к этому пласту, чтобы проходить через него), в грунт опускают колонну скважинных труб и инструментов с буровым долотом не ее конце, обычно называемую в данной области техники «бурильной колонной». По мере продвижения бурильной колонны, вниз по этой бурильной колонне прокачивают буровой раствор, выходящий у бурового долота для охлаждения этого бурового долота, удаления выбуренной породы и управления давлением в скважине. Буровой раствор, уходящий от бурового долота, течет обратно вверх, к поверхности, через кольцевое пространство, образованное между бурильной колонной и стенкой ствола скважины, и фильтруется в колодце на поверхности для повторного использования посредством бурильной колонны. Буровой раствор используют также для формирования фильтрационной корки с целью облицовки ствола скважины.

Часто желательно осуществлять различные оценки пластов, через которые проходит ствол скважины, во время буровых операций, например, в течение периодов, когда бурение фактически временно прекращено. В некоторых случаях, бурильная колонна может быть оснащена одним или несколькими буровыми инструментами для тестирования и/или отбора проб подземного пласта. В других случаях, бурильную колонну можно извлекать из ствола скважины (это называется «рейсом»), и опускать в этот ствол скважины инструмент, спускаемый на тросе, для тестирования и/или отбора проб пласта. Такие буровые инструменты и инструменты, спускаемые в скважину на тросе, а также другие инструменты для ствола скважины, транспортируемые на трубах, сворачиваемых в бухты, также называются в нижеследующем тексте просто «скважинными инструментами». Отборы проб или тесты, проводимые такими скважинными инструментами, можно использовать, например, для локализации значимых углеводородов и управления их добычей.

Оценка пласта часто требует всасывания текучей среды из пласта в скважинный инструмент для тестирования и/или отбора проб. Из скважинного инструмента выступают различные устройства, такие как зонды и/или пакеры, для изоляции области стенки ствола скважины и установления тем самым связи посредством текучей среды с пластом, окружающим ствол скважины. После этого текучую среду можно всасывать в скважинный инструмент с помощью зонда и/или пакера.

В типичном зонде используется корпус, который выдвигается из скважинного инструмента и несет на своем внешнем конце пакер, предназначенный для расположения у боковой стенки ствола скважины. Конфигурация таких пакеров в типичном случае предусматривает один относительно крупный элемент, который может легко деформироваться, вступая в контакт с неровной стенкой ствола скважины (в случае оценки части ствола скважины, не закрепленной обсадными трубами) и сохраняя при этом прочность и достаточную целостность для того, чтобы выдержать прогнозируемые перепады давления. Эти пакеры можно опускать в ствол скважины на различных скважинных инструментах.

Еще одно устройство, используемое для формирования уплотнений с боковой стенкой ствола скважины, называют двойным пакером. При наличии двойного пакера вокруг скважинного инструмента в радиальном направлении проходят два эластомерных кольца, изолируя заключенный между ними участок ствола скважины. Эти кольца образуют уплотнение со стволом скважины и допускают всасывание текучей среды в скважинный инструмент через изолированный участок ствола скважины.

Созданную в виде фильтрационной корки облицовку ствола скважины часто используют для того, чтобы способствовать зонду и/или пакеру в создании надлежащего уплотнения со стенкой ствола скважины. Сразу же после создания уплотнения текучая среда из пласта всасывается в скважинный инструмент через имеющееся в нем впускное отверстие за счет понижения давления в скважинном инструменте. Примеры зондов и/или пакеров, используемых в скважинных инструментах, описаны в патентах США №№6301959, 4860581, 4936139, 6585045, 6609568 и 6719049, а также в заявке №2004/0000433 на патент США.

В настоящее время есть способы проведения различных измерений, предварительного тестирования и/или отбора проб текучих сред, которые попадают в скважинный инструмент. Вместе с тем, обнаружено, что когда пластовая текучая среда проходит в скважинный инструмент, различные загрязняющие вещества, такие как текучие среды ствола скважины и/или буровой раствор, могут попасть - и часто попадают - в инструмент вместе с пластовыми текучими средами. Эта проблема иллюстрируется на фиг.1, где изображен подземный пласт 16, пронизанный стволом 14 скважины и содержащий природную текучую среду 22. Слой фильтрационной корки 15 облицовывает боковую стенку 17 ствола 14 скважины. Из-за вторжения фильтрата бурового раствора в пласт во время бурения, ствол скважины окружен цилиндрическим слоем, который называют зоной 19 проникновения, содержащей загрязненную текучую среду 20, которая может смешиваться или не смешиваться с желаемой природной текучей средой 22, заключенной в пласте за боковой стенкой ствола скважины, и окружает загрязненную текучую среду 20. Поскольку загрязненная текучая среда 20 склонна располагаться около стенки 17 ствола скважины в зоне 19 проникновения, она может оказывать негативное влияние на качество измерений и/или проб пластовых текучих сред. Кроме того, загрязнение может вызывать дорогостоящие задержки в операциях в стволе скважины ввиду необходимости затрачивать дополнительное время на больший объем тестирования или отбора проб. Помимо этого, такие проблемы могут приводить к ложным результатам, которые оказываются ошибочными и/или бесполезными.

На фиг.2А показаны типичные режимы течения пластовых текучих сред во время их прохождения из подземного пласта 16 в скважинный инструмент 1а, транспортируемый на тросе. Скважинный инструмент 1а располагают рядом с пластом 16, и из этого скважинного инструмента выпускают зонд 2а, проходящий через фильтрационную корку 15 и вступающий в плотный контакт с боковой стенкой 17 ствола 14 скважины. Таким образом, зонд 2а сообщается посредством текучей среды с пластом 16, вследствие чего и оказывается возможным пропускание пластовой текучей среды в скважинный инструмент 1а. Сначала, как показано на фиг.1, зона 19 проникновения окружает боковую стенку 17 и содержит загрязненную текучую среду 20. По мере создания перепада давления скважинным инструментом 1а для всасывания текучей среды из пласта 16 загрязненная текучая среда 20 из зоны 19 проникновения сначала всасывается (этот конкретный момент не показан на фиг.1 или 2А) в зонд, что дает текучую среду, непригодную для отбора проб. Однако после прохождения некоторого количества текучей среды 20 через зонд 2а природная текучая среда 22 прорывается через зону 19 проникновения и начинает попадать в скважинный инструмент 1а через зонд 2а. Более конкретно, как показано на фиг.2А, центральная часть загрязненной текучей среды 20, текущей из зоны 19 проникновения в зонд, создает путь для природной текучей среды 22, а остальная часть добываемой текучей среды представляет собой загрязненную текучую среду 20. Задача состоит в том, как приспособиться к потоку пластовых сред таким образом, чтобы можно было надежно собирать природную текучую среду в скважинном инструменте 1а во время отбора проб.

На фиг.2А показаны типичные режимы течения пластовых сред, когда они проходят из подземного пласта 16 в скважинный инструмент 1b, транспортируемый на бурильной колонне. Скважинный инструмент 1b транспортируется среди одного или нескольких буровых инструментов для скважинных исследований во время бурения (СИВБ), каротажа во время бурения (КВБ) или других таких инструментов, известных специалистам в данной области техники (либо сам может быть таким инструментом). Скважинный инструмент 1b использует зонд 2b для введения в плотный контакт с пластом 16 и всасывания текучей среды из него аналогично тому, как это происходит в случае скважинного инструмента 1а и зонда 2а, описанных выше.

Поэтому для достоверного тестирования желательно выделять достаточно «чистую» или «природную» текучую среду или отделять ее от загрязненной текучей среды. Иными словами, содержание загрязнений в пластовой текучей среде должно быть малым либо их не должно быть вообще. Были предприняты попытки воспрепятствовать попаданию загрязнений в скважинный инструмент вместе с пластовой текучей средой. Например, как показано в патенте США №4951749, располагали фильтры в зондах, чтобы блокировать попадание загрязнений в скважинный инструмент вместе с пластовой текучей средой.

Другие способы, направленные на то, чтобы воспрепятствовать проникновению загрязнений во время отбора проб, предложены в публикованной заявке №2004/0000433 на патент США, авторы Hill и др., и в патенте США №6301959, авторы Hrametz и др. На фиг.3 и 4 приведены схематические иллюстрации решения, предусматривающего использование зонда в соответствии с патентом Hrametz. Hrametz описывает подушку 13 для отбора проб, механически прижатую к стенке ствола скважины. Из центра подушки выступает трубка 18 зонда, которая соединена проточной трубой 23а с камерой 27а для проб. Зонд окружен защитным кольцом 12, имеющим отверстия, сообщенные с его собственными проточной трубой 23b и камерой 27b для проб. Эта конфигурация предназначена для создания зон таким образом, что текучая среда, текущая в зонд, по существу, не содержит загрязняющую текучую среду ствола скважины.

Несмотря на такие достижения в сборе проб текучей среды, сохраняется потребность в уменьшении загрязнения при оценке пласта. В некоторых случаях, перекрестный поток между соседними проточными трубами может вызвать загрязнение между ними. Желательно разработать способы, помогающие уменьшить поток загрязнения текучей среды, попадающий в скважинный инструмент, и/или изолировать чистую пластовую среду от загрязнений, когда чистая текучая среда попадает в скважинный инструмент. Желательно также выполнить такую систему обеспечивающей достижение - помимо прочих - одной или нескольких из нижеследующих целей: обеспечение приемлемого уплотнения с пластом; увеличение потока чистой текучей среды в инструмент; оптимизация потока текучей среды в скважинный инструмент; предотвращение загрязнения чистой текучей среды, когда она попадает в скважинный инструмент; отделение загрязненной текучей среды от чистой текучей среды; оптимизация потока текучей среды в скважинный инструмент с уменьшением загрязнения чистой текучей среды, текущей в скважинный инструмент; и/или обеспечение гибкости при манипулировании текучими средами, текущими в скважинный инструмент.

Определения

Определения некоторых терминов, употребляемых по всему этому описанию, приводятся при их первом употреблении, а определения некоторых другие терминов, употребляемых в этом описании, приводятся ниже.

Термин «кольцевая» («кольцевой», «кольцевое») означает нечто, образующее кольцо или относящееся к нему, т.е. трубу, полосу или конструкцию в форме замкнутой кривой, такой как окружность или эллипс.

Термин «загрязненная текучая среда» означает текучую среду, которая в целом неприемлема для отбора проб и/или оценки углеводородной текучей среды, потому что эта текучая среда содержит загрязняющие вещества, такие как фильтрат бурового раствора, используемого при бурении ствола скважины.

Термин «скважинный инструмент» обозначает инструменты, опускаемые в ствол скважины с помощью таких средств, как бурильная колонна, трос и трубы, свертываемые в бухты, для проведения скважинных операций, связанных с оценкой, добычей и/или управлением разработкой в одном или нескольких интересующих подземных пластах.

Термин «оперативно соединенный» («оперативно соединенная») означает нечто, прямо или косвенно соединенное с целью передачи или переноса информации, силы, энергии или веществ (включая текучие среды).

Термин «природная текучая среда» означает текучую среду, которая является достаточно чистой, нетронутой, первородной, незагрязненной или иной, рассматриваемой при сборе проб текучей среды и анализе месторождения как приемлемый представитель некоторого заданного пласта для осуществления отбора достоверных проб углеводородов и/или их достоверной оценки.

Краткое изложение сущности изобретения

По меньшей мере, в одном своем аспекте, настоящее изобретение относится к узлу зонда, предназначенному для применения со скважинным инструментом, расположенным в стволе скважины, окруженном слоем загрязненной текучей среды. Ствол скважины проходит через подземный пласт, имеющий природную текучую среду, расположенную вне слоя загрязненной текучей среды. Узел зонда включает корпус зонда, выполненный с возможностью выдвижения из скважинного инструмента. Корпус зонда несет пакер, который имеет дистальную поверхность, приспособленную для введения в плотный контакт с участком ствола скважины. Пакер имеет внешний диаметр и внутренний диаметр (или периферию), при этом внутренний диаметр ограничен каналом, проходящим через пакер. Пакер предпочтительно выполнен эластомерным, например из резины, пригодной для условий ствола скважины. Пакер также снабжен одним или несколькими каналами, выполненными в дистальной поверхности и расположенными с возможностью ограничения кольцевого прочистного заборника между внутренним и внешним диаметрами. В упомянутом одном или нескольких каналах расположено множество распорок, которые оперативно соединены, ограничивая гибкое распорное кольцо. Через пакер проходит, по меньшей мере, один перепускной канал для пропускания одной из природной текучей среды, загрязненной текучей среды и их комбинаций между упомянутым одним или несколькими каналами и первым впускным отверстием в корпусе зонда. Первое впускное отверстие в корпусе зонда сообщается посредством текучей среды со скважинным инструментом. В канале, проходящем через пакер, плотно установлена пробоотборная трубка для пропускания природной текучей среды ко второму впускному отверстию в корпусе зонда. Второе впускное отверстие в корпусе зонда также сообщается посредством текучей среды со скважинным инструментом.

В конкретном варианте осуществления, корпус зонда выполнен с возможностью выдвижения под действием гидравлического давления, прикладываемого со стороны скважинного инструмента. Пробоотборная трубка также может быть выполнена с возможностью выдвижения из корпуса зонда под действием гидравлического давления, прикладываемого со стороны скважинного инструмента.

Пробоотборная трубка предпочтительно снабжена фильтром для фильтрации частиц из природной пластовой текучей среды, поступающей в пробоотборную трубку. В предпочтительном варианте, пробоотборная трубка также оснащена поршнем, который выполнен с возможностью выдвижения из корпуса зонда для выброса частиц из пробоотборной трубки при выдвижении поршня относительно пробоотборной трубки. Такой поршень может включать, например, выполненный в нем осевой перепускной канал и одно или более перфорационных отверстий в его боковой стенке для пропускания природной текучей среды, допускаемой в пробоотборную трубку, в этот осевой перепускной канал. Осевой перепускной канал сообщается посредством текучей среды с корпусом зонда.

Распорки пакера могут быть выполнены как единое целое с пакером, или, если они достаточно гибкие, распорки могут быть запрессованы в один или несколько каналов пакера. Соответственно, пакер может быть снабжен одним непрерывным кольцевым каналом, выполненным в дистальной поверхности между внутренним и внешним диаметрами пакера, либо снабжен множеством каналов, выполненных в дистальной поверхности и расположенных с возможностью ограничения кольцевого прочистного заборника между внутренним и внешним диаметрами пакера. В последнем случае, пакер снабжен множеством перепускных каналов, каждый из которых проходит через него для пропускания одной из природной текучей среды, загрязненной текучей среды и их комбинаций между одним из каналов и первым впускным отверстием в корпусе зонда.

В конкретном варианте осуществления, каждый из перепускных каналов в пакере облицован трубкой, например, для распирания перепускных каналов под действием сжимающей нагрузки на пакер. Такие трубки могут быть выполнены как единое целое с пакером, например, путем заливки пакера вокруг этих трубок.

Кольцевой прочистной заборник, ограниченный одним или несколькими каналами в пакере, предпочтительно является круглым. Желательны определенные отношения размеров, характеризующие кольцевой прочистной заборник. В частности, внутренний диаметр кольцевого прочистного заборника в предпочтительном варианте приблизительно в 2-2,5 раза больше, чем внутренний диаметр пробоотборной трубки. Кроме того, внешний диаметр кольцевого прочистного заборника в предпочтительном варианте приблизительно 2,5-3 раза превышает внутренний диаметр пробоотборной трубки. Помимо этого, внешний диаметр кольцевого прочистного заборника приблизительно в 1,2 раза больше, чем внутренний диаметр кольцевого прочистного заборника.

В еще одном аспекте, в настоящем изобретении предложен альтернативный узел зонда, включающий корпус зонда, выполненный с возможностью выдвижения из скважинного инструмента, и внешний пакер, несомый корпусом зонда, для введения в плотный контакт с первым кольцевым участком ствола скважины. Внешний пакер имеет сквозной канал. В сквозном канале внешнего пакера расположена пробоотборная трубка, образующая между ними кольцевое пространство. Пробоотборная трубка выполнена с возможностью выдвижения из корпуса зонда и несет внутренний пакер на своем дистальном конце для введения в плотный контакт со вторым кольцевым участком ствола скважины в пределах первого кольцевого участка. Первое впускное отверстие в корпусе зонда сообщается посредством текучей среды с кольцевым пространством для допуска одной из природной текучей среды, загрязненной текучей среды и их комбинаций в скважинный инструмент. Второе впускное отверстие в корпусе зонда сообщается посредством текучей среды с пробоотборной трубкой для прохождения природной текучей среды в скважинный инструмент.

Пробоотборная трубка предпочтительно снабжена фильтром для фильтрации частиц из природной текучей среды, проходящей в пробоотборную трубку. В конкретном варианте осуществления, фильтр представляет собой перфорированный участок пробоотборной трубки. Пробоотборная трубка также предпочтительно оснащена внешним фланцем для выброса частиц из пробоотборной трубки при выдвижении пробоотборной трубки относительно внешнего пакера.

В конкретном варианте осуществления, внутри пробоотборной трубки может быть расположен поршень, который выполнен с возможностью выдвижения из корпуса зонда для выброса частиц из пробоотборной трубки при выдвижении поршня относительно пробоотборной трубки. Поршень может включать, например, выполненный в нем осевой перепускной канал и одно или несколько перфорационных отверстий в его боковой стенке для пропускания природной текучей среды, проходящей в пробоотборную трубку, в этот осевой перепускной канал. Осевой перепускной канал сообщается посредством текучей среды с корпусом зонда.

На своем дистальном конце пробоотборная трубка предпочтительно имеет пакер.

В конкретном варианте осуществления, соответствующем этому аспекту настоящего изобретения, узел зонда может включать трубчатую распорку, расположенную в кольцевом пространстве, для придания опоры внешнему пакеру. Трубчатая распорка может быть снабжена фильтром для фильтрации частиц из природной текучей среды, загрязненной текучей среды, или их загрязнений, проходящих в кольцевое пространство. Фильтр может включать перфорированный участок трубчатой распорки. Более конкретно, трубчатая распорка и пробоотборная трубка могут быть снабжены фильтрами, которые взаимодействуют, фильтруя природную текучую среду, загрязненную текучую среду или их комбинации, допускаемые в кольцевое пространство.

Аналогично пробоотборной трубке, трубчатая распорка может быть выполнена с возможностью выдвижения из корпуса зонда под гидравлическим давлением, прикладываемым со стороны скважинного инструмента. Пробоотборная трубка в предпочтительном варианте выполнена с возможностью выдвижения в большей степени, чем трубчатая распорка, для компенсации эрозии ствола скважины, в частности у пробоотборной трубки или около нее.

В дополнительном аспекте, в настоящем изобретении предложен способ отбора пробы природной текучей среды из подземного пласта, пронизанного стволом скважины, окруженным слоем загрязненной текучей среды. Предлагаемый способ включает этапы, на которых создают уплотнение у первого кольцевого участка ствола скважины и создают уплотнение у второго кольцевого участка ствола скважины в пределах первого кольцевого участка. Эти этапы приводят к изоляции кольцевого участка ствола скважины между первым и вторым кольцевыми участками, а также к изоляции кругового участка ствола скважины в пределах первого кольцевого участка. После этого осуществляют всасывание текучей среды, включая одну из природной текучей среды, загрязненной текучей среды и их комбинаций, через изолированный кольцевой участок ствола скважины. Кроме того, осуществляют всасывание природной текучей среды через изолированный круговой участок ствола скважины. Предлагаемый способ предпочтительно включает дополнительный этап сбора природной текучей среды через изолированный круговой участок ствола скважины.

В конкретном варианте осуществления, соответствующем предлагаемому способу, создают уплотнение у первого кольцевого участка с помощью выдвигаемого внешнего пакера, а также создают уплотнение у второго кольцевого участка с помощью выдвигаемого внутреннего пакера. Внутренний пакер выполнен с возможностью выдвижения за пределы внешнего пакера. Внешний и внутренний пакеры являются компонентами узла зонда, транспортируемого на скважинном инструменте, расположенном в стволе скважины. В этом варианте осуществления, этапы всасывания и сбора текучей среды осуществляют с помощью узла зонда и скважинного инструмента.

В дополнительном аспекте, в настоящем изобретении предложено устройство для характеристики подземного пласта, пронизанного стволом скважины, окруженным слоем загрязненной текучей среды. Подземный пласт имеет природную текучую среду, расположенную вне слоя загрязненной текучей среды. Устройство включает скважинный инструмент, выполненный с возможностью транспортировки внутри ствола скважины, и узел зонда, несомый скважинным инструментом, для отбора проб текучей среды. Узел зонда предпочтительно оснащен так, как описано выше, т.е. узел зонда включает корпус зонда, внешний пакер и пробоотборную трубку, расположенную в расточенном канале внешнего пакера и несущую внутренний пакер на своем дистальном конце. Предусмотрен также исполнительный механизм для перемещения корпуса пакера между отведенным положением для транспортировки скважинного инструмента и выдвинутым положением для отбора проб текучей среды. Исполнительный механизм предпочтительно задействуется также для перемещения пробоотборной трубки между отведенным положением и выдвинутым положением таким образом, что внутренний пакер вступает в плотный контакт со вторым кольцевым участком ствола скважины.

В конкретном варианте осуществления, предлагаемое устройство дополнительно включает проточную трубу, проходящую через участок скважинного инструмента и сообщающуюся посредством текучей среды с первым и вторым впускными отверстиями узла зонда для поступления одной из природной текучей среды, загрязненной текучей среды и их комбинаций в скважинный инструмент. Внутри скважинного инструмента установлен один или несколько насосов для всасывания одной из природной текучей среды, загрязненной текучей среды и их комбинаций в скважинный инструмент через проточную трубу. Внутри скважинного инструмента также предпочтительно имеется камера для проб, в которую попадает одна из природной текучей среды, загрязненной текучей среды и их комбинаций из насоса (насосов), а также инструмент для анализа текучей среды, всасываемой в скважинный инструмент через проточную трубу и насос (насосы). Скважинный инструмент может быть выполнен с возможностью транспортировки внутри ствола скважины с помощью троса, бурильной колонны или труб, сворачиваемых в бухты.

В еще одном аспекте, в настоящем изобретении предложен пакер для применения с узлом зонда, несомого на скважинном инструменте, транспортируемом в стволе скважины, пронизывающем подземный пласт, окруженный слоем загрязненной текучей среды, причем подземный пласт имеет природную текучую среду, заключенную в нем вне слоя загрязненной текучей среды. Пакер включает эластомерный корпус пакера, имеющий дистальную поверхность, приспособленную для введения в плотный контакт с участком ствола скважины. Корпус пакера имеет внешний диаметр и внутренний диаметр, причем внутренний диаметр ограничен расточенным каналом, проходящим через корпус пакера. Корпус пакера также снабжен одним или несколькими каналами, выполненными в дистальной поверхности и расположенными в кольцевом прочистном заборнике между внутренним и внешним диаметрами. В одном или нескольких каналах корпуса пакера расположено множество каналов, которые оперативно соединены, ограничивая гибкое распорное кольцо. Через корпус пакера простирается, по меньшей мере, один перепускной канал для пропускания одной из природной текучей среды, загрязненной текучей среды и их комбинаций через корпус пакера.

Для подробного изучения вышеуказанных признаков и преимуществ настоящего изобретения, более конкретное описание изобретения, вкратце изложенное выше, можно привести со ссылками на конкретные варианты его осуществления, которые проиллюстрированы на прилагаемых чертежах. Вместе с тем, следует отметить, что прилагаемые чертежи иллюстрируют только типичные варианты осуществления этого изобретения, так что их не нужно считать ограничивающими объем притязаний, потому что изобретение может принимать и другие, столь же эффективные конкретные формы.

Фиг.1 представляет схематический вид в вертикальном разрезе подземного пласта, пронизанного стволом скважины, облицованным фильтрационной коркой.

Фиг.2А-2В представляют схематические виды в вертикальном разрезе соответствующих скважинных инструментов, транспортируемых на тросе и транспортируемых на бурильной колонне, причем каждый из этих инструментов расположен в стволе скважины, показанном на фиг.1, вместе с зондом, введенным в контакт с пластом, а также изображено течение загрязненной и природной текучей среды в скважинный инструмент.

Фиг.3 представляет схематический вид в вертикальном разрезе известного скважинного инструмента, в котором применяется пакер с защитным кольцом для изоляции пластовой текучей среды, текущей в пробоотборную трубку.

Фиг.4 представляет сечение на виде сбоку пакера согласно фиг.3.

Фиг.5 представляет схематический вид в вертикальном разрезе участка скважинного инструмента, имеющего систему для отбора проб текучей среды и узел зонда.

Фиг.5А показывает сечение узла зонда по линии 5А-5А на фиг.5.

Фиг.6 представляет подробный схематический вид узла зонда, альтернативного тому, который показан на фиг.5.

Фиг.7А-7F иллюстрируют различные конфигурации кольцевого прочистного заборника, который применяется в узле зонда.

Фиг.8А-8G иллюстрируют виды с торца для различных распорок или распорных элементов, которые применяются в кольцевом прочистном заборнике узла зонда.

Фиг.8Н-8N иллюстрируют виды в плане для различных распорок или распорных элементов, которые применяются в кольцевом прочистном заборнике узла зонда.

На фиг.9А-9В иллюстрируют дополнительные конфигурации распорок, которые применяются в кольцевом прочистном заборнике узла зонда.

Фиг.10А и 10В иллюстрируют различные формы перепускных каналов текучей среды, применяемые в узле зонда.

Фиг.11 представлен схематический вид в вертикальном разрезе узла зонда, альтернативного тому, который показан на фиг.5 и 6.

Фиг.12А-Е представляют подробные схематические виды в соответствующих рабочих последовательностях узла зонда, альтернативного тому, который показан на фиг.11.

Фиг.13 представляет схематический вид в вертикальном разрезе альтернативного узла зонда, имеющего трубчатый делитель.

Фиг.14 представляет поперечное сечение узла, показанного на фиг.13, проведенное вдоль секущей линии 14-14.

Фиг.15 представляет схематический вид в вертикальном разрезе узла зонда, показанного на фиг.23, с внутренним фланцем.

Фиг.16 представляет график, изображающий зависимость между перепадами давления и распределением долей производительности при отборе проб между заборником для проб и прочистным заборником.

На вышеуказанных чертежах показаны предпочтительные в настоящее время варианты осуществления настоящего изобретения, которые будут подробно описаны ниже. При описании предпочтительных вариантов осуществления сходные или идентичные позиции используются для обозначения общих или аналогичных элементов. Чертежи не обязательно выполнены в масштабе, а некоторые признаки и некоторые виды чертежей могут быть преднамеренно показаны в увеличенном масштабе или условно в целях ясности и выразительности изображения.

На фиг.5 показана система 526 для отбора проб текучей среды скважинного инструмента 510, содержащая узел 525 зонда и проточную секцию 521 для избирательного всасывания пластовой текучей среды в желаемый участок скважинного инструмента. Скважинный инструмент 510 транспортируется в стволе 514 скважины, окруженном зоной 519 проникновения, содержащей слой загрязненной текучей среды 520. Ствол 514 скважины проходит через подземный пласт 516, имеющий природную текучую среду 522, расположенную вне слоя загрязненной текучей среды 520.

Узел 525 зонда включает корпус 530 зонда, выполненный с возможностью избирательного выдвижения из скважинного инструмента 510 с помощью поршней 533 для выдвижения или другого подходящего исполнительного механизма для перемещения корпуса зонда между отведенным положением для транспортировки скважинного инструмента и выдвинутым положением для отбора проб текучей среды (причем последнее положение показано на фиг.5). Корпус 530 зонда несет цилиндрический пакер 531, который имеет дистальную поверхность 531s, приспособленную для введения в плотный контакт с фильтрационной коркой 515 и введения в плотный контакт с участком стенки 517 ствола скважины. Эта дистальная поверхность может быть выполнена с кривизной, как показано посредством поверхности 531s' в варианте осуществления пакера согласно фиг.6, для согласования с прогнозируемой кривизной стенки 517 ствола скважины с целью создания более надежного уплотнения с нею.

Показанный на фиг.5А пакер 531 выполнен из подходящего материала (хорошо известного в данной области техники), такого как резина, и имеет внешний диаметр d₁ и внутренний диаметр d₂, при этом внутренний диаметр d₂ ограничен расточенным каналом (не обозначенным позицией), проходящим через пакер. Пакер 531 также снабжен каналом 534с, выполненным в его дистальной поверхности 531s и расположенным так, что он ограничивает кольцевой прочистной заборник 534i между внутренним и внешним диаметрами d₁, d₂. Пакер 531 может быть выполнен путем заливки материала пакера вокруг пробоотборной трубки 527 (также поясняемой ниже), что обеспечивает формирование как единого целого этих компонентов узла 525 пакера. Затем в дистальной поверхности 531s пакера (т.е. в его лицевой поверхности) выполняют заборный канал (или каналы, что тоже может быть) для создания области 534i кольцевого прочистного заборника.

Различные аспекты зонда, отображающие подробности, касающиеся распорок 534u₂, прочистного заборника 534i и связанных с ними каналов 534с согласно фиг.5, показаны на фиг.7А-9В. Хотя в варианте осуществления согласно фиг.5 и 5А показано наличие одного непрерывного канала 534с, изобретение охватывает и варианты осуществления пакера, предусматривающие наличие множеств дискретных каналов, которые расположены с возможностью ограничения кольцевого прочистного заборника 534i. Как показано на фиг.7А-7F, в пакере 531 можно использовать множество конфигураций, таких как единственный непрерывный канал 534с₁, множество отстоящих друг от друга трапецеидальных каналов 534с₂, отстоящих друг от друга круглых каналов 534с₃, отстоящих друг от друга прямоугольных каналов 534с₄, смежных трапецеидальных каналов 534с₅ и удлиненных каналов 534с₆. Канал и/или прочистные заборники могут быть расположены, образуя окружность, как показано на фиг.7А, и овал, как показано на фиг.7F, либо другие геометрии.

Фиг.7А-7F также иллюстрируют множество распорок 535 (также называемых распорными элементами), расположенных в одном или нескольких каналах. Эти распорки, а также другие конфигурации распорок проиллюстрированы подробнее на фиг.8H-8N. В распорках воплощаются различные формы, дополняющие формы каналов, а также возможно использование множества поперечных сечений, включая различные U-, V-, X- и Ω-образные сечения, воплощаемые в распорках 535u₁-535u₇ (показанных на фиг.8А-8G), и различные симметричные и несимметричные профили (показанные на фиг.8Н-8N).

Дополнительные альтернативные варианты осуществления распорок 535u_8-9 изображены на фиг.9А-9В. Так, в распорках может применяться множество параллельных линейных компонентов 534u, которые оперативно соединены (у верхних сторон распорок 535u₈ на фиг.9А; в центральных частях распорок 535u₉ на фиг.9В), образуя различные узлы в форме решеток или сит. Обычные специалисты в данной области техники поймут, что точно также можно применять множество разных других конфигураций для оперативного соединения множества распорок, вследствие чего возникает возможность достичь повышенной деформируемости пакера 531. Далее приведено пояснение преимуществ такой повышенной деформируемости.

Как показано на фиг.7А-F, распорки 535u в предпочтительном варианте оперативно соединены, ограничивая гибкое распорное кольцо, например, в форме звеньев цепи, и им придана форма замкнутой кривой, согласующейся с одним или несколькими каналами 534с. Фиг.8Н также демонстрирует, то что распорки 535 могут быть снабжены выполненным в них первым отверстием 556 для пропускания текучей среды в перепускные каналы 528 пакера (описываемые ниже) и вторым отверстием 558 для связывания распорок друг с другом и/или для крепления распорок внутри материала пакера. Эти отверстия могут иметь различные формы, размеры и конфигурации в соответствующих распорках. Специалисты в данной области техники поймут, что распорки облегчают желательное перемещение узла 525 зонда, в частности пакера 531, во время операций отбора проб (см., например, фиг.5). Причиной является то, что уплотнение, формируемое вдоль дистальной поверхности 531s пакера, зависит от деформируемости пакера вдоль его лицевой поверхности (в частности, это справедливо в приложениях, связанных с частями стволов скважин, не закрепленных обсадными трубами). Обычный пакер склонен перемещаться как твердый элемент. Это также справедливо до некоторой степени в тех обычных пакерах, где применяются твердые защитные кольца. Использование дискретных, но оперативно соединенных распорок в соответствии с настоящим изобретением придает пакеру 531 повышенную упругую деформируемость. Так, например, участки поверхности 531s пакера в пределах кольцевого прочистного заборника 534i обладают большей свободой деформации независимо от участков поверхности 531s пакера вне пределов кольцевого прочистного заборника 534i.

Распорки 535 пакера могут быть выполнены как единое целое с пакером 531, например, посредством вулканизации, или, если они достаточно гибкие, распорки могут быть запрессованы в один или несколько каналов 534с пакера. В любом случае, распорки должны иметь достаточную жесткость и/или пружинистость, чтобы сопротивляться смятию материала пакера, когда пакер прижимается к стенке 517 ствола скважины. Этой жесткости можно достичь путем выбора надлежащего материала и геометрии. Так, например, некоторые из вариантов 535u₁ осуществления распорок, показанных на фиг.6 и 8А, имеют U-образные поперечные сечения с отверстиями, ограниченными углом α, предпочтительно составляющим 7° или более.

Как показано на фиг.5, по меньшей мере, один перепускной канал 528 проходит через пакер 531 для пропускания природной текучей среды 522, загрязненной текучей среды 520 и их комбинаций между одним или несколькими каналами 534с и первым впускным отверстием 540 в корпусе 530 зонда. Первое впускное отверстие 540 выполнено в корпусе 530 зонда. Отверстие 540 сообщается посредством текучей среды со скважинным инструментом 510 нижеописанным образом. В вариантах осуществления, предусматривающих наличие множества каналов, образующих кольцевой прочистной заборник 534i, пакер 531 снабжен множеством соответствующих перепускных каналов 528, каждый из которых проходит через пакер для пропускания одной из природной текучей среды 522, загрязненной текучей среды 520 и их комбинаций между одним из каналов 534с и первым впускным отверстием 540 в корпусе 530 зонда.

Каждый из перепускных каналов 528 в пакере 531 предпочтительно облицован трубкой 529, например, для распирания материала пакера с предотвращением его смятия, когда перепускной канал подвергается воздействию сжимающих нагрузок. Трубки предпочтительно прикреплены на своем верхнем конце к соответствующей распорке 535u₂ канала и до некоторой степени сохраняют подвижность на своем нижнем конце внутри одной или нескольких канавок 530g в корпусе 530 зонда (фиг.6), обеспечивая возможность сжатия материала пакера под нагрузкой. Такие трубки могут быть выполнены как единое целое с пакером 531, например, методом заливки пакера вокруг трубок, причем сам этот процесс обуславливает приспособляемость к использованию трубок и получаемых перепускных каналов 528, имеющих различные формы и конфигурации. В перепускной канал 528 и/или трубку 527 можно вставлять пружину или последовательность колец, чтобы способствовать предотвращению смятия перепускного канала.

Фиг.10А иллюстрирует еще один узел 1025 зонда, имеющий проходящие через него перепускные каналы 529. Этот узел зонда является, в сущности, таким же, как узел зонда, показанный на фиг.5, за исключением того, что он имеет перепускные каналы различных конфигураций, проходящие через пакер 531. Форма перепускных каналов ограничена спиралеобразной трубкой 529'. Фиг.10 В иллюстрирует пакер 531, в котором применяются трубки разных форм, например трубки 529'' в форме спиралевидных витков, S-образной трубки 529''', и дополняющие перепускные каналы внутри пакера. Эти различные дугообразные трубки не обязательно имеют подвижный один из концов (как на фиг.6), поскольку в своем вертикальном перемещении трубки будут подвергаться воздействию сжимающих нагрузок со стороны материала пакера, вследствие чего такое перемещение будет ограничиваться главным образом поперечно проходящими участками трубок. Фиг.10В также демонстрирует, что концы трубок могут оканчиваться в корпусе зонда (например, в плите 530b основания) в различных ориентациях, например перпендикулярно (см. трубку 529''') или параллельно (см. трубку 529'''') лицевой поверхности плиты основания.

Как показано на фиг.5, отмечаем, что в канале, проходящем через пакер 531, расположена с обеспечением уплотнения пробоотборная трубка 527 для пропускания природной текучей среды 522 во второе впускное отверстие 538 в корпусе 530 зонда. Второе впускное отверстие 538 в корпусе зонда также сообщается посредством текучей среды со скважинным инструментом, а его дальнейшее описание приведено ниже.

Пробоотборная трубка 527 ограничивает заборник 532 для проб и взаимодействует с внутренним участком пакера 531, ограничивая барьер (не обозначен позицией), изолирующий кольцевой прочистной заборник 534i от заборника 532 для проб. Хотя пробоотборная трубка 527 предпочтительно концентрична с пакером 531, возможно успешное применение и других геометрий и конфигураций пакера и/или зонда.

На фиг.6 изображен узел 525а зонда. Этот узел зонда аналогичен узлу 525 зонда, показанному на фиг.5, с некоторыми изменениями. Например, пакер 531а расположен на узле 530а зонда и имеет проходящий через него поршень 536. Перепускной канал 528 также имеет кольцевой прочистной заборник 534 с каналами 534 с₂ и распорками 534u₁ каналов. Пробоотборная трубка 527 может сама быть выполнена с возможностью выдвижения из корпуса 530а зонда под гидравлическим давлением, прикладываемым со стороны скважинного инструмента к ножкам 527р поршня, расположенным с возможностью скольжения внутри камеры 555, способствуя изоляции заборника 532 для проб от кольцевого прочистного заборника 534i. Эта особенность выгодна, в частности, когда приходится сталкиваться с эрозией стенки ствола скважины напротив заборника 532 для проб.

Пробоотборная трубка 527 предпочтительно снабжена фильтром для фильтрации природной пластовой текучей среды, допускаемой в заборник 532 для проб пробоотборной трубки 527. Такое фильтрующее действие будет обеспечиваться множеством перфорационных отверстий 536р в боковой стенке поршня 536, расположенного с возможностью скольжения в пробоотборной трубке 527. Поршень 536 выполнен с возможностью выдвижения под действием гидравлического давления, прикладываемого со стороны корпуса 530а зонда, и включает в себя головку 530h поршня, имеющую увеличенный диаметр, для забора и выброса частиц (например, скопления частиц бурового раствора) из пробоотборной трубки 532 при выдвижении поршня 536 относительно пробоотборной трубки 527. Поршень дополнительно включает, например, выполненный в нем осевой перепускной канал 557, сообщающийся посредством текучей среды с перфорационными отверстиями 536р в боковой стенке поршня, для пропускания природной текучей среды, допускаемой в пробоотборную трубку 532, в этот осевой перепускной канал. Осевой перепускной канал сообщается посредством текучей среды со вторым впускным отверстием 538 (фиг.5) в корпусе зонда.

На фиг.11 схематически показан альтернативный вариант осуществления узла 1125 зонда. В этом варианте осуществления, (внешний) пакер 1131 не включает прочистной заборник как таковой, а взаимодействует с внутренним пакером 1159, ограничивая кольцевой прочистной заборник 1134i. Таким образом, корпус 1130 зонда несет внешний пакер 1131 для введения в плотный контакт с первым кольцевым участком 1160 стенки 1117 ствола скважины. Стенка 1117 ствола скважины ограничивает ствол 1114 скважины и облицована глинистой коркой 1115. Зона 1119 проникновения окружает стенку ствола скважины и заходит в участок подземного пласта 1116, имеющего заключенную в нем природную текучую среду 1122.

Внешний пакер 1131 имеет проходящий через него канал 1131b. В канале 1131b внешнего пакера расположена пробоотборная трубка 1127, образующая кольцевое пространство 1152 между ними. Пробоотборная трубка 1127 выполнена с возможностью выдвижения из корпуса 1130 зонда с помощью гидравлического давления, прикладываемого со стороны скважинного инструмента для возбуждения одного или нескольких исполнительных механизмов (хорошо известных в данной области техники, см., например, патент США №3924463), и несет внутренний пакер 1159 на своем дистальном конце для введения в плотный контакт со вторым кольцевым участком 1164 ствола 1114 скважины в пределах первого кольцевого участка 1160. Дистальный конец пробоотборной трубки предпочтительно содержит кольцевой канал (не обозначен позицией), а внутренний пакер 1159 имеет тороидальную форму и установлен в кольцевом канале дистального конца пробоотборной трубки для введения в контакт со стенкой 1117 ствола скважины.

Пробоотборная трубка 1127 предпочтительно снабжена цилиндрическим фильтром 1170 для фильтрации частиц из природной текучей среды 1122 (а также других текучих сред), допускаемой в пробоотборную трубку 1127. Кольцевое пространство 1152 тоже снабжено фильтром 1172 для фильтрации частиц из одной из загрязненной текучей среды 1120, природной текучей среды 1122 и их комбинаций, допускаемых в кольцевое пространство 1152.

Эта особенность регулируемой пробоотборной трубки 1127 обеспечивает некоторые возможности реакции на силы, действующие на внутренний пакер 1159. В частности, эта особенность полезна при установке внутреннего пакера 1159 у слабой породы (т.е. слабой стенки ствола скважины), а также обеспечивает регулирование положения внутреннего пакера, если добыча текучей среды из пласта сопровождается эрозией пористой породы пласта-коллектора на поверхности раздела «пакер-пласт». Это иллюстрируется выдвижением внутреннего пакера 1159 к эродированному участку стенки ствола скважины в окрестности второго кольцевого участка 1164.

Корпус 1130 зонда дополнительно снабжен первым впускным отверстием 1140, которое сообщается посредством текучей среды с кольцевым пространством 1152 для допуска одной из природной текучей среды 1122, загрязненной текучей среды 1120 и их комбинаций в скважинный инструмент (не показан на фиг.11). Вдоль внутренней поверхности одного или нескольких пакеров можно расположить опору (не показана) для предотвращения вторжения материала пакера в первое впускное отверстие 1140. Второе впускное отверстие 1138 в корпусе 1130 зонда сообщается посредством текучей среды с пробоотборной трубкой 1127 для допуска природной текучей среды 1122 в скважинный инструмент.

На фиг.12А-12Е показан еще один вариант осуществления узла 1225 зонда. Фиг.12А-12Е иллюстрируют работу узла 1225 зонда, когда он введен в контакт со стенкой ствола скважины (фиг.12А), начинает забор текучей среды (фиг.12В), продвигается, поддерживая уплотнение со стенкой ствола скважины, во время забора (фиг.12С), всасывает текучую среду в скважинный инструмент (фиг.12D) и отводится, выходя из контакта со стенкой ствола скважины (фиг.12Е).

Узел 1225 зонда аналогичен узлу 1125, показанному на фиг.11, а отличие заключается главным образом в средствах фильтрации текучей среды. Соответственно, подвижная пробоотборная трубка 1227 снабжена фильтром для фильтрации частиц из природной текучей среды 1122 (или другой текучей среды), допускаемой в пробоотборную трубку 1227, причем фильтр выполнен в форме перфорационных отверстий 1227р в боковой стенке пробоотборной трубки 1227. Пробоотборная трубка предпочтительно снабжена также внешним фланцем 1227f для выброса частиц из кольцевого пространства 1252 при выдвижении пробоотборной трубки 1227 относительно трубчатой распорки 1272, расположенной в кольцевом пространстве 1252, с целью придания опоры внешнему пакеру 1231.

Трубчатая распорка 1272 также снабжена фильтром в форме перфорационных отверстий 1272р в боковой стенке трубчатой распорки 1272 для фильтрации частиц из природной текучей среды, загрязненной текучей среды или их комбинаций, допускаемых в кольцевое пространство 1252. Более конкретно, пробоотборная трубка дополнительно снабжена фильтрами в форме перфорационных отверстий 1227q в участке боковой стенки пробоотборной трубки, которая служит опорой фланцу 1272, а эти отверстия взаимодействуют с фильтром 1272р трубчатой распорки, предназначенным для фильтрации природной текучей среды, загрязненной текучей среды или их комбинаций, допускаемых в кольцевое пространство 1252.

Внутри пробоотборной трубки 1227 также расположен поршень 1270, выполненный с возможностью выдвижения из корпуса зонда (не показан на фиг.12А-Е) для выброса частиц из пробоотборной трубки при выдвижении поршня относительно пробоотборной трубки 1227. Поршень может включать, например, расположенный внутри него осевой перепускной канал 1271 и одно или несколько перфорационных отверстий 1270р в его боковой стенке для пропускания природной текучей среды, допускаемой в пробоотборную трубку 1227, в осевой перепускной канал 1271. Осевой перепускной канал 1271 сообщается посредством текучей среды со вторым впускным отверстием (не показано на фиг.12А-Е) в корпусе зонда.

Аналогично пробоотборной трубке 1227, трубчатая распорка 1272 может быть выполнена с возможностью выдвижения из корпуса зонда под гидравлическим давлением, прикладываемым со стороны скважинного инструмента. В предпочтительном варианте, пробоотборная трубка 1227 выполнена с возможностью выдвижения в большей степени, чем трубчатая распорка 1272, для компенсации эрозии ствола скважины, в частности, у пробоотборной трубки или около нее. Способность выдвигаться каждой из таких деталей, как пробоотборная трубка, трубчатая распорка и поршень, делает узел зонда адаптируемым, в частности, для использования в слабых стенках стволов скважин и/или в условиях эродирующих пород. Эти трубчатые элементы «заглубляются» при эффективном преобразовании гидравлического давления, прикладываемого скважинным инструментом, в выдвижение этих элементов по направлению к стенке 1217 ствола скважины или отвод от этой стенки. Таким образом, когда «заданное» гидравлическое давление прикладывается со стороны скважинного инструмента, каждый из внешнего пакера 1231 и внутреннего пакера 1259 может выдвигаться, входя в контакт с соответствующими первым и вторым кольцевыми участками 1260, 1264 стенки 1217 ствола скважины, как показано на фиг.12А.

Показанный на фиг.12В поршень 1270 извлекают, используя давление скважинного инструмента, чтобы раскрыть перфорационные отверстия 1270р в поршне в соответствии с фильтрационными перфорационными отверстиями 1227р пробоотборной трубки 1227. Это оказывает вероятный эффект выталкивания секции глинистой корки 1215 с высвобождением ее из стенки 1217 ствола скважины в пределах первой кольцевой области 1264. Текучая среда проходит в пробоотборную трубку 1227 и движется через фильтрационные перфорационные отверстия 1227р, что проиллюстрировано стрелками.

Как показано на фиг.12С, пластовые текучие среды всасываются через стенку 1217 ствола скважины в кольцевое пространство 1252 и заборник 1232 для проб под действием перепада давления, обеспечиваемого со стороны скважинного инструмента (не показан на фиг.12). Участок стенки 1217 ствола скважины внутри первого кольцевого участка 1260 показан подверженным эрозии, и видно, что давление, приложенное к пробоотборной трубке 1227, вытолкнуло пробоотборную трубку вместе с внутренним пакером 1259 наружу для поддержания контакта со стенкой 1217 ствола скважины по мере эрозии этой стенки.

Порождаемые текучей средой частицы 1275 и 1277 показаны фильтруемыми посредством соответствующих фильтрационных перфорационных отверстий 1272р пробоотборной трубки (последние также взаимодействуют с перфорационными отверстиями 1227q пробоотборной трубки). Текучая среда (одна из загрязненной текучей среды, природной текучей среды и их комбинаций), протекающая через кольцевое пространство 1252, проходя трубчатую распорку 1272, допускается в скважинный инструмент через первое впускное отверстие 1240, как показано стрелками. Текучая среда (сначала - тоже одна из загрязненной текучей среды, природной текучей среды и их комбинаций), протекающая через заборник 1232 для проб, проходя пробоотборную трубку 1227, допускается в скважинный инструмент через второе впускное отверстие 1238, как показано стрелками. Фильтрационные перфорационные отверстия 1227р способствуют фильтрации текучей среды, когда та попадает в инструмент.

Показанные на фиг.12D трубчатая распорка 1272 и пробоотборная трубка 1227 продвинуты под давлением, приложенным со стороны скважинного инструмента, в область дальнейшей эрозии, испытываемой стенкой 1217 ствола скважины. Кроме того, отфильтрованные частицы 1277 показаны как начинающие накапливаться в кольцевом пространстве 1252. Продвижение трубчатой распорки поддерживает барьер между заборником 1232 для проб и кольцевым прочистным заборником 1252 для предотвращения перекрестного потока и/или перекрестного загрязнения между ними по мере эрозии стенки 1217 ствола скважины.

Показанный на фиг.12Е узел 1225 зонда отведен от стенки 1217 ствола скважины, так что скважинный инструмент может отделиться от стенки ствола скважины. Поршень 1270 полностью выдвинут внутри пробоотборной трубки 1227, что способствует выбросу частиц 1275 из пробоотборной трубки. Кроме того, трубчатая распорка 1272 отведена, обеспечивая тем самым выкачивание текучей среды с помощью насоса, находящегося внутри скважинного инструмента (описанного в других местах данной заявки). По выбору, пробоотборную трубку 1227 можно избирательно приводить в действие для перемещения относительно трубчатой распорки 1272. Перемещением пробоотборной трубки и трубчатой распорки можно манипулировать, например, под воздействием гидравлического давления, прикладываемого со стороны скважинного инструмента или собранной пластовой текучей среды, которая вынуждена течь через проточную трубу для текучей среды или впускное отверстие для обеспечения выброса частиц из кольцевого пространства 1252. Пробоотборная трубка 1227 и внутренний пакер 1259 также выведены из контакта со стенкой ствола скважины и отведены в узел зонда.

Еще один вариант осуществления узла 1325 зонда схематически показан на фиг.13-14. На фиг.13 изображен разрез узла зонда. На фиг.14 представлено горизонтальное поперечное сечение узла зонда, показанного на фиг.13, проведенное вдоль секущей линии 14-14. Узел зонда включает в себя пакер 1331, снабженный непрерывным кольцевым каналом (или, в альтернативном варианте, центральным расточенным каналом), ограничивающим кольцевой прочистной заборник 1334. Корпус зонда (не показан на фиг.13-14) несет пробоотборную трубку 1327, показанную в постоянном отведенном положении для предотвращения контакта со стенкой ствола скважины, и ограничивает заборник 1332 для проб. Таким образом, когда корпус зонда выдвинут из скважинного инструмента для введения пакера 1331 в контакт со стволом скважины, пробоотборная трубка 1327 остается отделенной от ствола скважины.

Узел зонда в соответствии с этим вариантом осуществления предпочтительно включает также трубчатый делитель 1335, расположенный в кольцевом прочистном заборнике 1334. Трубчатый делитель 1335 оперативно соединен с пакером 1331 посредством множества радиальных ребер 1335r, расположенных между ними, так что трубчатый делитель контактирует со стенкой ствола скважины посредством пакера (т.е. имеет место одновременный контакт пласта с пакером). Этот вариант осуществления узла зонда может по выбору предусматривать наличие гибкого распорного кольца, описанного выше, но это распорное кольцо (не показано на фиг.13-14) достаточно утоплено внутри кольцевого прочистного заборника 1334 для обеспечения места для трубчатого делителя 1335. Трубчатый делитель 1335 имеет длину, меньшую, чем длина (т.е. толщина) пакера 1331, тем самым ограничивая два кольцевых перепускных канала 1334а и 1334b во внешнем кольцевом участке кольцевого прочистного заборника 1334. Перепускные каналы 1334а и 1334b переходят в единый перепускной канал ниже по течению от трубчатого делителя 1335.

Деление кольцевого прочистного заборника 1334 на две изолированные области трубчатым делителем 1335 препятствует смешиванию текучей среды, добываемой вдоль участков стенки ствола скважины изнутри от трубчатого делителя, с текучей средой, добываемой вдоль участков стенки ствола скважины снаружи от трубчатого делителя. Таким образом, внутренний перепускной канал 1334а будет проявлять тенденцию к заполнению природной текучей средой (после изначального протекания загрязняющих веществ), оставляя «буферную» область между заборником 1332 для проб и внешним перепускным каналом 1334b, который часто может заполняться загрязненной текучей средой. Вместе с тем, поскольку пробоотборная трубка 1327 отведена от стенки ствола скважины, выравнивание давлений между кольцевым прочистным заборником 1334 и заборником 1332 для проб не задерживается. Это должно способствовать смягчению негативного влияния импульсов давления, которые могут создаваться насосом (насосами) скважинного инструмента, перекачивающими текучую среду через впускные отверстия зонда (не показаны на фиг.13-14).

На фиг.15 показан вариант осуществления, являющийся альтернативой тому, который показан на фиг.13-14, при этом пакер 1331 снабжен в своей горловине внутренним фланцем 1331f, ограничивающим область впуска того кольцевого перепускного канала 1334b, который является крайним снаружи в радиальном направлении из двух кольцевых перепускных каналов, образованными трубчатым делителем. Это ограниченное впускное отверстие простирается в больший перепускной канал 1334b, создавая дополнительное место для загрязненной текучей среды, и помогает избежать перекрестного потока, одновременно способствуя захвату природной пластовой текучей среды пробоотборной трубкой 1327.

На фиг.16 представлен график, изображающий зависимость между перепадами давления и распределением долей производительности при отборе проб между заборником для проб и прочистным заборником в соответствии с еще одним аспектом настоящего изобретения. В частности, этот аспект изобретения относится к тому открытию, что эксплуатационные характеристики узла зонда могут характеризоваться, в частности, тремя физическими параметрами: внутренним диаметром пробоотборной трубки, а также внешним и внутренним диаметрами прочистного кольцевого пространства (также называемого защитным кольцевым пространством). Эти диаметры определяют проточные области заборника для проб и прочистного заборника, а также разделяющую их область материала внутреннего пакера. Это, в свою очередь, влияет на рабочие характеристики течения узла зонда.

Геометрию зонда и/или пакера можно оптимизировать, ограничивая зависимость между отношением потоков и перепадом давления между заборником для проб и прочистным заборником. Эту оптимизацию можно использовать для максимизации потока природной текучей среды в пробоотборную трубку, тем самым уменьшая вероятность попадания загрязненной текучей среды в заборник для отбора проб. Кроме того, этой геометрией также можно манипулировать, понижая перепад давления между этими заборниками при заданном отношении потоков и тем самым понижая напряжение, прикладываемое к внутреннему пакеру. В вариантах осуществления, геометрию можно выбирать так, чтобы обеспечить небольшой перепад давления или отсутствие перепада давления меду упомянутыми заборниками при отношении потоков, близком к единице. Эта конфигурация обеспечивает использование одинаковых или идентичных насосов для сборника для проб и прочистного сборника.

Процесс оптимизации предусматривает изменение геометрии трех упомянутых диаметров до тех пор, пока не будет достигнут желаемый коэффициент (будут достигнуты желаемые коэффициенты) производительности (при сопоставлении прочистного заборника и заборника для проб) при нулевом перепаде давления у стенки ствола скважины. На фиг.16 показана линия 1602, обозначающая поток через прочистной заборник, и линия 1604, обозначающая поток через заборник для проб, при разных перепадах давления между прочистным заборником и заборником для проб. Эти линии представляют собой график для одной геометрии, при которой внутренний диаметр кольцевого прочистного заборника приблизительно в 2-2,5 раза больше, чем внутренний диаметр заборника для проб, а внешний диаметр прочистного заборника приблизительно 2,5-3 раза превышает внутренний диаметр заборника для проб. Это эквивалентно внешнему диаметру прочистного заборника, приблизительно в 1,2 раза большему, чем внутренний диаметр прочистного заборника. Эта конфигурация обеспечивает производительность в заборнике для проб (см. точку Х на графике), которая составляет приблизительно 20% суммарной производительности, и производительность в прочистном заборнике (см. точку Y на графике), которая составляет приблизительно 80% суммарной производительности при нулевом перепаде 1610 давления (между заборником для проб и прочистным заборником). Соответственно, разность давлений может быть увеличена с тем, чтобы обеспечить в заборнике для проб такую производительность, которая составляет приблизительно 50% от суммарной производительности (см. точку Z на графике, в которой пересекаются кривые прочистного заборника и заборника для проб), задолго до спонтанного возникновения нежелательного перекрестного потока из прочистного заборника в заборник для проб (см. линию 1608). Потоком текучей среды в соответствующие заборники можно манипулировать таким образом, что точку Z пересечения можно будет сместить с возможностью появления ее при множестве разных перепадов давления, включая нулевой перепад давления. Точка Q представляет собой точку, где поток через заборник для проб максимизируется непосредственно перед возникновением перекрестного потока 1608 между проточными трубами. Следовательно, манипулирование геометрией проточных труб или зонда можно использовать для определения соответствующих точек на упомянутом графике и генерирования оптимального потока в инструмент.

Далее, со ссылками на фиг.5, будет приведено подробное пояснение операции отбора проб для получения природной пластовой текучей среды в соответствии, по меньшей мере, с одним аспектом настоящего изобретения. Проточная секция 521 включает одно или несколько устройств-регуляторов потока, таких как насос 537, проточную линию 539 и клапаны 544, 545, 547 и 549 для избирательного всасывания текучей среды в различные участки проточной секции 521 через первое впускное отверстие 540 зонда и второе впускное отверстие 538 зонда, имеющиеся в корпусе 525 зонда. Соответственно, загрязненная текучая среда 520 предпочтительно пропускается из пластовой зоны 519 проникновения в кольцевой прочистной заборник 534i, затем - по одному или нескольким перепускным каналам 528 пакера в первое впускное отверстие 540 зонда, а потом выпускается в ствол 514 скважины. Природная текучая среда предпочтительно проходит из пласта 516 в заборник 532 для проб, через второе впускное отверстие 538 зонда, а затем либо отклоняется в одну или несколько камер 542 для проб, предназначенную или предназначенных для сбора или выпуска в ствол 514 скважины. Сразу же после установления, что текучая среда, попадающая в заборник 538 для проб, является природной текучей средой, можно включить клапаны 544 и/или 549 с помощью известных методов регулирования посредством ручной и/или автоматической операции, отклоняя текучую среду в камеру 542 для проб. Обычные специалисты в данной области техники поймут, что для воплощения в проточной секции 521 подходят разные известные средства для допуска текучих сред, например, такие как средства для допуска текучих сред, описанные в патенте США №3924463.

Система 526 для отбора проб также предпочтительно оснащена одной или несколькими системами 553 оперативного контроля текучих сред, предназначенными для анализа текучей среды после ее попадания в проточную секцию 521. Система 553 оперативного контроля текучих сред может быть оснащена различными устройствами оперативного контроля, такими как оптический анализатор 572 текучих сред для измерения оптической плотности текучей среды, допускаемой из впускного отверстия 540 зонда, и оптический анализатор 574 текучих сред для измерения оптической плотности текучей среды, допускаемой из впускного отверстия 538 зонда. Каждый из оптических анализаторов текучих сред может быть таким устройством, как анализатор, описанный в патенте США №6178815, авторы Felling и др., и/или в патенте США №4994671, авторы Safinya и др. Следует также понять, что в таких системах, как системы 553 оперативного контроля текучей среды, можно использовать другие устройства оперативного контроля текучих сред, такие как манометры, измерительные приборы, датчики и/или другая аппаратура для измерений, предусматривающая оценку таких параметров, как температура, давление, состав, загрязнение и/или другие параметры, известные специалистам в данной области техники.

Внутри системы 553 оперативного контроля текучей среды предпочтительно также предусмотрен контроллер 576 для извлечения информации из оптического анализатора (оптических анализаторов) текучих сред и посылки сигналов в ответ на нее с целью изменения перепада давления, который вызывает течение текучей среды в заборник 532 для проб и/или кольцевой прочистной заборник 534i узла 525 зонда. В этом случае специалистам в данной области техники понятно, что контроллер можно расположить в других частях скважинного инструмента 510 и/или системы (не показана), находящейся на поверхности, для обеспечения работы различных компонентов внутри ствола 514 скважины.

Контроллер 576 выполнен с возможностью проведения различных операций по всей системе 526 для отбора проб текучей среды. Например, контроллер выполнен с возможностью включения различных устройств внутри скважинного инструмента 510, например избирательного включения насоса 537 и/или клапанов 544, 545, 547, 549 для регулирования расхода в заборники 532, 534i, избирательного включения насоса 537 и/или клапанов 544, 545, 547, 549 для всасывания текучей среды в камеру (камеры) 542 для проб и/или выпуска текучей среды в ствол 514 скважины, для сбора и/или передачи данных с целью анализа восстающей скважины, а также других функций, способствующих осуществлению процесса отбора проб.

На фиг.5 иллюстрирована структура потока текущей среды, проходящей в скважинный инструмент 510. Сначала, как показано на фиг.1, зона 519 проникновения окружает стенку 517 ствола скважины. Природная текучая среда 522 находится в пласте 516 вне зоны 519 проникновения. Когда текучая среда течет в заборники 532, 534i, загрязненная текучая среда 522, находящаяся в зоне 519 проникновения около заборника 532, в конце концов, удаляется и освобождает путь для природной текучей среды 522. В некоторый момент в ходе процесса, когда текучая среда проходит из пласта 516 в узел 525 зонда, природная текучая среда 522 прорывается и попадает в пробоотборную трубку 527, как показано на фиг.5. Таким образом, с этого момента только природная текучая среда 522 всасывается в заборник 532, а загрязненная текучая среда 520 течет в кольцевой прочистной заборник 534i узла 525 зонда. Чтобы гарантировать такой результат, структуры потоков, давления и размеры зонда можно изменять с целью достижения желаемого пути потока, в частности, для оказания сопротивления возникновению перекрестного потока из кольцевого прочистного заборника 534i в заборник 532 для проб, как описано выше.

Подробности некоторых компоновок и компонентов системы для отбора проб, описанной выше, а также альтернативы для этих компоновок и компонентов должны быть известны специалистам в данной области техники и могут быть найдены в других патентах и печатных изданиях, таких как описанные выше. Более того, конкретные компоновки и компоненты системы для отбора проб скважинной текучей среды можно изменять в зависимости от факторов, действующих в каждой конкретной конструкции, приложении или ситуации. Так, ни система для отбора проб текучей среды, ни настоящее изобретение не сводятся к вышеописанным компоновкам и компонентам и могут включать в себя любые подходящие компоненты и компоновки. Например, различные проточные трубы, местоположения насосов можно отрегулировать для обеспечения множества конфигураций. Точно также, компоновку и компоненты ствола скважины и узла зонда можно изменять в зависимости от факторов, действующих в каждой конкретной конструкции, приложении или ситуации. Вышеуказанное описание возможных компонентов и сред, где работает инструмент, в связи с которыми можно использовать узел зонда и другие аспекты настоящего изобретения, приведено исключительно в целях иллюстрации, а не наложения ограничений на настоящее изобретение.

Объем притязаний этого изобретения должен определяться только формулировками пунктов нижеследующей формулы изобретения. Термин «содержащий» в рамках формулы изобретения следует считать означающим «включающий, по меньшей мере …», так что приводимый перечень элементов в пункте формулы изобретения представляет собой открытую группу. Термины, употребляемые в единственном числе, следует считать включающими в себя формы множественного числа, если специально не оговорено иное.

1. Узел зонда, предназначенный для применения со скважинным инструментом, расположенным в стволе скважины, окруженном слоем загрязненной текучей среды, и проходящим в подземном пласте, имеющем природную текучую среду, расположенную вне слоя загрязненной текучей среды, при этом узел зонда содержит корпус зонда, выполненный с возможностью выдвижения из скважинного инструмента, пакер, расположенный на корпусе зонда, содержащий дистальную поверхность, приспособленную для введения в плотный контакт с участком ствола скважины, и имеющий внешний диаметр и внутренний диаметр, при этом внутренний диаметр ограничен каналом, проходящим через пакер, и пакер дополнительно снабжен одним или несколькими каналами, выполненными в дистальной поверхности и расположенными с возможностью ограничения кольцевого прочистного заборника между внутренним и внешним диаметрами, множеством распорок, расположенных в одном или нескольких каналах и оперативно соединенных, ограничивая гибкое распорное кольцо, и по меньшей мере, один перепускной канал, проходящий через пакер, для пропускания одной из природной текучей среды, загрязненной текучей среды и их комбинаций между одним или более каналами и первым впускным отверстием в корпусе зонда, сообщающимся посредством текучей среды со скважинным инструментом, пробоотборную трубку, плотно установленную в канале, проходящем через пакер, для пропускания природной текучей среды ко второму впускному отверстию в корпусе зонда, сообщающемуся посредством текучей среды со скважинным инструментом.

2. Узел зонда по п.1, в котором корпус зонда выполнен с возможностью выдвижения под действием гидравлического давления, прикладываемого со стороны скважинного инструмента.

3. Узел зонда по п.1, в котором пробоотборная трубка выполнена с возможностью выдвижения из корпуса зонда под действием гидравлического давления, прикладываемого со стороны скважинного инструмента.

4. Узел зонда по п.1, в котором пробоотборная трубка снабжена фильтром для фильтрации частиц из природной текучей среды, поступающей в пробоотборную трубку.

5. Узел зонда по п.1, дополнительно содержащий поршень, расположенный внутри пробоотборной трубки и выполненный с возможностью выдвижения из корпуса зонда для выброса частиц из пробоотборной трубки при выдвижении поршня относительно пробоотборной трубки.

6. Узел зонда по п.5, в котором поршень содержит выполненный в нем осевой перепускной канал и одно или несколько перфорационных отверстий в его боковой стенке для пропускания природной текучей среды, поступающей в пробоотборную трубку, в этот осевой перепускной канал, причем осевой перепускной канал сообщен посредством текучей среды с корпусом зонда.

7. Узел зонда по п.1, в котором распорки выполнены как единое целое с пакером.

8. Узел зонда по п.1, в котором распорки являются гибкими и запрессованы в один или несколько каналов.

9. Узел зонда по п.1, в котором пакер снабжен одним непрерывным кольцевым каналом, выполненным в дистальной поверхности между внутренним и внешним диаметрами пакера.

10. Узел зонда по п.1, в котором пакер снабжен множеством каналов, выполненных в дистальной поверхности и расположенных с возможностью ограничения кольцевого прочистного заборника между внутренним и внешним диаметрами пакера.

11. Узел зонда по п.10, в котором пакер снабжен множеством перепускных каналов, проходящих через него для пропускания одной из природной текучей среды, загрязненной текучей среды и их комбинаций между одним из каналов и первым впускным отверстием в корпусе зонда.

12. Узел зонда по п.1, в котором каждый перепускной канал в пакере облицован трубкой.

13. Узел зонда по п.12, в котором каждая трубка перепускного канала выполнена как единое целое с пакером.

14. Узел зонда, предназначенный для применения со скважинным инструментом, расположенным в стволе скважины, окруженном слоем загрязненной текучей среды, проходящем в подземном пласте, имеющем природную текучую среду, расположенную вне слоя загрязненной текучей среды, при этом узел зонда содержит корпус зонда, выполненный с возможностью выдвижения из скважинного инструмента, внешний пакер, расположенный на корпусе зонда, для введения в плотный контакт с первым кольцевым участком ствола скважины, имеющий сквозной канал, пробоотборную трубку, расположенную в канале внешнего пакера, образующую между ними кольцевое пространство, выполненную с возможностью выдвижения из корпуса зонда и несущую внутренний пакер на своем дистальном конце для введения в плотный контакт со вторым кольцевым участком ствола скважины в пределах первого кольцевого участка, первое впускное отверстие в корпусе зонда, сообщающееся посредством текучей среды с кольцевым пространством для допуска одной из природной текучей среды, загрязненной текучей среды и их комбинаций в скважинный инструмент, и второе впускное отверстие в корпусе зонда, сообщающееся посредством текучей среды с пробоотборной трубкой для пропускания природной текучей среды в скважинный инструмент.

15. Узел зонда по п.14, в котором корпус зонда выполнен с возможностью выдвижения под действием гидравлического давления, прикладываемого со стороны скважинного инструмента.

16. Узел зонда по п.14, в котором пробоотборная трубка снабжена фильтром для фильтрации частиц из природной текучей среды, поступающей в пробоотборную трубку.

17. Узел зонда по п.14, в котором дистальный конец пробоотборной трубки содержит кольцевой канал.

18. Узел зонда по п.17, в котором внутренний пакер имеет тороидальную форму и установлен в кольцевом канале дистального конца пробоотборной трубки.

19. Узел зонда по п.14, дополнительно содержащий трубчатую распорку, расположенную в кольцевом пространстве, для обеспечения опоры внешнему пакеру.

20. Узел зонда по п.19, в котором трубчатая распорка снабжена фильтром для фильтрации частиц из природной текучей среды, загрязненной текучей среды, или их загрязнений, поступающих в кольцевое пространство.

21. Узел зонда по п.20, в котором пробоотборная трубка снабжена внешним фланцем для выброса частиц из кольцевого пространства при выдвижении пробоотборной трубки относительно трубчатой распорки.

22. Узел зонда по п.14, дополнительно содержащий поршень, расположенный внутри пробоотборной трубки и выполненный с возможностью выдвижения из корпуса зонда для выброса частиц из пробоотборной трубки при выдвижении поршня относительно пробоотборной трубки.

23. Узел зонда по п.22, в котором поршень содержит выполненный в нем осевой перепускной канал и одно или более перфорационных отверстий в его боковой стенке для пропускания природной текучей среды, допускаемой в пробоотборную трубку, в этот осевой перепускной канал, причем осевой перепускной канал сообщен посредством текучей среды с корпусом зонда.

24. Способ отбора пробы природной текучей среды из подземного пласта, через который проходит ствол скважины, окруженный слоем загрязненной текучей среды, включающий следующие этапы:
создание уплотнения у первого кольцевого участка ствола скважины;
создание уплотнения у второго кольцевого участка ствола скважины в пределах первого кольцевого участка, изолируя тем самым кольцевой участок ствола скважины между первым и вторым кольцевыми участками, и круговой участок ствола скважины в пределах первого кольцевого участка;
осуществление всасывания одной из природной текучей среды, загрязненной текучей среды и их комбинаций через изолированный кольцевой участок ствола скважины;
осуществление всасывания природной текучей среды через изолированный круговой участок ствола скважины.

25. Способ по п.24, дополнительно включающий этап сбора природной текучей среды, всасываемый через изолированный круговой участок ствола скважины.

26. Способ по п.24, в котором создают уплотнение у первого кольцевого участка с помощью выдвигаемого внешнего пакера и создают уплотнение у второго кольцевого участка с помощью выдвигаемого внутреннего пакера, выполненного с возможностью выдвижения за пределы внешнего пакера, при этом внешний и внутренний пакеры являются компонентами узла зонда, транспортируемого на скважинном инструменте, расположенном в стволе скважины.