取样装置以及取样系统的制作方法

1.本实用新型涉及深地工程中的井下流体保真取样技术领域，具体地涉及一种取样装置以及取样系统，其适用于各种复杂情况的钻井尤其是超低渗透地层钻井多相取样的地层流体保真取样。


背景技术：

2.深部地层流体的保真取样一直都是，地热、co2地质封存、地下能源与废弃物地下储存、深部地质科研等地深工程的重点工作，但由于地层深度的增加，保真取样工作变得越来越困难，现有的地下流体取样技术主要为人工使用的取样器(如bailer取样器、不连续间隔取样器、地下水取样泵及直接推进原位地下水取样用裸露过滤网型取样器、密闭过滤网型取样器、waterloo取样器等)；u型管取样技术是一种经历了较长时间发展的井下流体取样技术，并开展多次现场实验，实验结果表明改进后的u型管取样技术亦在井下各个确定深度开展流体取样的效果良好，技术方案已经成熟可应用于井下各个深度流体的取样效果良好；当前，深地工程中的井下流体保真取样的方法主要是基于u型管取样技术(u
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tube)的ui结构取样方式，其中，u型管主要取液体样品，i型管主要取气体样品。
3.虽然现有的ui结构取样方式已经可以较为有效的对井下多相流体进行取样，但是，u型管与i型管的取样还是存在一定的误差：由于取样时注入地层中的流体无法对地层中的样品有效地进行混合，样品不能准确的判定井下流体中的各组分真实含量，这可能导致取样的样品缺乏足够的代表性，对i型管的取样效果影响尤为明显；因此ui结构仍然无法解决地层中样品包真取样的实际问题，如何在对地层扰动情况较小的情况下让地下流体样品进行充分混合提高样品代表性进行包真取样，是目前的井下流体取样装置需要改进的方向。


技术实现要素：

4.本实用新型的目的是为了克服现有技术存在的问题，提供一种取样装置以及取样系统，该取样装置能够解决现有的取样方法无法有效地对多相流体与固体颗粒物进行保真取样的问题，装置的取样保真度高，长期监测的高频率取样与成本优于其他类型的定深取样设备，适用范围广，适用于各种油气、地矿、水文等地深工程科技领域各种深度的流体保真取样与环境监测领域。
5.为了实现上述目的，本实用新型提供一种取样装置；所述取样装置包括卜型管结构，所述卜型管结构包括控制脉冲管路和气体取样管路；所述气体取样管路的一端用于与取样容器总成连通，另一端用于设置在地层中以进行气体取样；所述控制脉冲管路的一端与所述气体取样管路连通，另一端用于设置在所述地层中以向所述地层输入气体和/或液体；其中，所述控制脉冲管路和所述气体取样管路之间呈锐角设置。
6.可选的，所述卜型管结构包括设置于所述控制脉冲管路的控制脉冲单向阀，所述控制脉冲单向阀配置为允许气体和/或液体流向所述地层中。
7.可选的，所述卜型管结构包括控制脉冲过滤器，所述控制脉冲过滤器设置在所述控制脉冲管路的用于设置在所述地层中的一端。
8.可选的，所述卜型管结构包括设置于所述气体取样管路的气体取样单向阀，所述气体取样单向阀配置为允许气体从所述地层流向所述取样容器总成。
9.可选的，所述卜型管结构包括气体取样过滤器，所述气体取样过滤器设置在所述气体取样管路的用于设置在所述地层中的一端。
10.可选的，所述取样装置包括u型管结构，所述u型管结构包括控制管路、固液取样管路以及进样管总成；所述固液取样管路的一端用于与取样容器总成连通，所述控制管路的一端用于与压力源连通，所述固液取样管路的另一端以及所述控制管路的另一端相互连通并且与所述进样管总成的一端连通，所述进样管总成的另一端用于设置在所述地层中。
11.可选的，所述u型管结构包括设置在所述进样管总成上的进样单向阀，所述进样单向阀配置为允许固液样品从所述地层流向所述取样容器总成。
12.可选的，所述u型管结构包括进样过滤器，所述进样过滤器设置在通过多通阀门组件与所述进样管总成连接的用于设置在所述封隔器组件封隔的取样地层中的进样管路流体进样入口一端。
13.本实用新型还提供一种取样系统，所述取样系统包括地面控制组件、封隔组件、温控组件、多通阀门组件以及上述的取样装置；所述地面控制组件配置为能够提供压力源并能够接收气体、固液的取样；所述封隔组件包括所述地层沿深度方向分隔为多个取样地层的多个封隔器；所述取样装置包括控制取样总管，所述控制取样总管的一端与所述地面控制组件连接，另一端与所述多通阀门组件连接；所述u型管结构的控制管路和固液取样管路分别与所述地面控制组件连接，所述u型管结构的进样管总成包括进样总管以及多个进样管路，所述进样总管的一端与所述固液取样管路的另一端以及所述控制管路的另一端连通，所述进样总管的另一端与所述多通阀门组件连接；多个所述进样管路的一端均通过所述多通阀门组件与所述进样总管连通，另一端分别伸入不同的取样地层中；所述取样装置包括多个所述卜型管结构，多个所述卜型管结构的一端均通过所述多通阀门组件与所述控制取样总管连通，另一端分别伸入不同的取样地层中。
14.可选的，所述取样系统包括作用于所述控制取样总管、所述控制管路和所述固液取样管路的温控组件。
15.通过上述技术方案，取样时会先释放地面控制组件中压力源内的高压驱动流体，排空u型管结构内残留样品并使高压驱动流体继续填充慢u型管结构此时u型管结构的压力高于地层压力，然后通过卜型管结构对取样地层加压，同时让卜型管结构内的压力高于地层压力，待取样地层实时压力略高于原始地层压力后，u型管结构控制管路与固液取样管内的高压驱动流体在地面控制组件的控制下交替进行泄压，使u型管结构的压力慢慢小于地层压力，在u型管结构泄压过程中地层中的流体无法通过气体取样管路进入到卜型管结构，液体样品在压差的作用下通过进样管总成进入到固液取样管路中，u型管结构泄压完毕后进样随即完成，通过地面控制组件驱动u型管结构内的样品到达取样总成内，液体样品取样完毕后关闭与u型管结构相关的阀门，打开卜型管结构的相关阀门进行地层泄压，这时，地层中的气体样品会以注入加压地层的高压驱动流体为载体，通过卜型管结构的气体取样管路进入地面控制组件的取样容器总成。本实用新型的取样装置以及取样系统能够解决现有
的取样方法无法有效地对多相流体与固体颗粒物进行保真取样的问题。
16.本装置与以往的取样装置相比具有以下优势：
17.1、样品代表性高：通过卜型管结构与u型管结构所取的样品其有效性，代表性与原有的取样装置均得到提高，能更准确的反映取样地层内各流体的组分与含量；
18.2、结构简单，维护便捷：取样装置由功能不同的原件组成，各部位结构简单易于组装，取样装置长期取样监测价格较低；
19.3、泛用性强：取样装置适用于油气、地矿、水文等领域各种复杂井况的保真井下取样与环境监测，尤其是深井与超深井复杂井况的井下取样与环境监测，例如：
20.a)地下能源资源开采领域(如：矿床地浸法开采，二氧化碳驱替增采煤层气co2‑
ecbm、増采原油co2‑
eor、増采咸水co2‑
ewr、増采页岩气co2‑
esg，地下流体、溶质迁移与资源成矿机理及演化的科学与工程的系统监测与评估)；
21.b)地下水动态监测领域(水坝、工厂、采油区等工程区域地下水污染评估、污染源追踪、微生物群落分析、污染土地流转评估等)；
22.c)地下储库、地质调查等区域工程或质监站的长期监测维护，具有良好的应用前景和商业价值。
23.本实用新型的其它特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。
附图说明
24.图1是本实用新型的取样系统的一种实施方式的示意图；
25.图2是本实用新型的取样装置的卜型管结构的示意图；
26.图3是本实用新型的取样系统的地面控制组件的示意图；
27.图4是本实用新型的取样系统的温控组件的示意图。
具体实施方式
28.以下结合附图对本实用新型的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本实用新型，并不用于限制本实用新型。
29.本实用新型提供一种以卜型管结构为核心的取样装置，利用卜型管脉冲混合井下多相流体后进行取样的保真取样，区别于现有市场的深井取样工具(如井下定深取样、取样桶取样、电动泵取样、bailer取样器、密闭过滤网型取样器、waterloo取样器等)能在井下对气、水、固等多相流体样品进行保真取样与分析，解决了以往的钻井取样装置保真取样度低的技术问题与难点，确保井下流体在整个取样过程中与原始地层温度条件基本一致，压力变化在进样时保持在可接受范围内不超过地层压力一定压力(例如：0.1～5％地层压力)的情况下，通过本专利增加的地面控制组件、卜型管结构、温控组件、与采用的保真取样方法，达到了井下多相流体高保真取样与的技术效果。本发明区别现有的钻井取样技术在保真取样上性能优越与原技术有了长足的进步，样品的各组分含量更加均匀，降低了取样对地层压力的扰动，特别是低渗地层(地层压力的波动均有效控制在了地层压力<1％以内)。与现有技术的区别在于：更加有效地控制流体的进样取样的速度与压力，对取样地层造成的扰动较小，特别是低渗地层。在深井中不同深度的温压条件差别较大，在取样过程中压力、温度的快速变化可能导致近饱和样品成分发生相变，样品的成分也会发生改变，影响到保真
取样的实现。
30.如图1至图4所示，本实用新型的取样系统包括地面控制组件1、封隔组件2、u型管结构3、卜型管结构4、温控组件5和多通阀门组件6。
31.地面控制组件1包括压力源10(高压的惰性类驱动流体)、第一驱动管11、流体减压阀12、控制面板13和取样容器总成14，压力源10通过安装有流体减压阀12的第一驱动管11连接控制面板13。
32.其中，控制面板13包括一号驱动管1101、一号驱动管阀门1201、二号驱动管1102、二号驱动管阀门1202、三号驱动管1103、三号驱动管阀门1203、四号驱动管1104、四号驱动管阀门1204、一号取样管1111、一号取样管阀门1211、二号取样管1112、二号取样管阀门1212、三号取样管1113、四号取样管1114、四号取样管阀门1214、五号取样管1115、五号取样管阀门1215、驱动压力表p0、一号压力表p1、二号压力表p2以及三号压力表p3。地面控制组件中的各部件均使用耐腐蚀材料，各管路与控制面板采用耐腐蚀的316l材料制作，阀门、压力表均使用标准工业产品。取样容器总成14包括气体取样容器1401、液体取样容器(亦可作为固定取样容器)1402。与压力源10与流通减压阀12相连的第一驱动管11在控制面板13内连通驱动压力表p0并与一号驱动管1101、三号驱动管1103连接，一号驱动管1101一端(左部)连接第一驱动管11与三号驱动管11，另一端(右部)分别于二号驱动管1102、二号取样管1112连接；二号驱动管1102安装二号驱动管阀门1202、一号压力表p1后与取样系统u型管结构3的控制管路31一端(上方)连接，安装二号取样管阀门的1212的二号取样管一端(左部)连接一号驱动管1101与二号驱动管1102连接，二号取样管1112另一端(右部)分别连接三号取样管1113与一号取样管1111，安装一号取样管阀门1211与二号压力表p2的一号取样管1111一端(左部)与二号取样管1112连接，另一端(右部)与取样装置u型管结构3的固液取样管32连接，三号取样管1113一端连通二号取样管1112与一号取样管1111后又与取样总成14连接；在控制面板13中三号驱动管1103一端(上方)连接第一驱动管11与一号驱动管1101，另一端(下方与)四号驱动管1104与五号取样管1115连接，安装五号取样管阀门1215的五号取样管1115与取样总成14连接，安装四号驱动管阀门1204与三号压力表p3的四号驱动管1104与取样装置卜型结构4的控制取样总管41连接，地面控制组件中各管路的管径为1/4英寸地面控制组件1在取样时能够有效控制地层的压力，并完成整个取样过程。
33.封隔组件2包括并联在钻井中、上下分布放置深度依次加深的第一封隔器21、第二封隔器22、第三封隔器23和第四封隔器24。封隔器可采用目前油田中行业的标准封隔器，封隔组件2可以有效封隔不同深度的多个取样地层，每个地层均可单独进行取样达到多层取样的目的。
34.应当理解的是，上述封隔器的数量可以是任意多个，即能够将地层分隔为任意数量的多个取样地层，在下述的实施方式中，以三个取样地层为例进行解释说明。
35.u型管结构3包括控制管路31、固液取样管路32、进样管总成、进样单向阀34(方向为从下往上)和进样过滤器35。进样过滤器35安装于封隔组件2坐封的取样地层中，进样管总成包括进样总管33、第一层进样管路331、第二层进样管路332和第三层进样管路333，进样过滤器35包括第一层进样过滤器351、第二层进样过滤器352和第三层进样过滤器353，u型管结构3主要的取样对向是取样地层中的液体与部分细小固体样品，u型管结构3管壁涂覆疏液层便于自洁，取样前通过地面控制组件1在提前在管路内加压填充满高压驱动流体
并使u型管结构3的压力大于取样地层压力，取样时先通过地面控制组件1控制压力源10内的高压驱动流体经过卜型管结构3到达取样地层内，混合好取样地层中高区驱动流体与其他各流体组分含量后对u型管结构3固液取样管路32与控制管路31进行缓慢交替泄压，当u型管结构内压力低于地层压力时取样地层中的样品进过进样过滤器与进样单向阀34到达控制管路31与固液取样管32中，因泄压进样地层的原始压力也会随之下降，为保持样品相态的稳定泄压过程中亦通过卜型管结构3对地层进行加压，使真个泄压进样过程压力保持稳定，泄压完毕样品进入u型管结构3并填充满后再通过地面控制组件1中控制面板13释放压力源10内的高压驱动流体驱动u型管内流体样品到达地面，取样时控制组件1取样总成14只收集地下流体样品中间段，样品刚到达地面时的初样与样品的取样快结束时的尾样不收集。
36.卜型管结构4包括控制取样总管41、控制脉冲管路42、气体取样管路43、控制脉冲单向阀44(方向为从上往下)、气体取样单向阀45(方向为从下往上)、控制脉冲过滤器46和气体取样过滤器47。控制取样总管41通过多通阀门组件6与气体取样管路43连接，气体取样管路43安装有气体取样单向阀45和气体取样过滤器47，气体取样管路43与安装有控制脉冲单向阀44以及控制脉冲过滤器46的控制脉冲管路42呈锐角连接，使得卜型管结构4呈“卜”形。控制脉冲单向阀阀体内流体流通方向为从上到下，配置为仅允许高压驱动流体(气体和/或液体，一般为气体也可以根据所需的流体样品相态决定)流向地层中，可防止封隔组件封隔的取样地层内流体样品通过控制脉冲管路进入卜型管结构，控制脉冲管路根据取样需求可在同一钻井中依据深度上下分布的多个封隔器的不同取样地层中设置。控制脉冲过滤器设置在控制脉冲管路的流体出口处用于设置在与封隔组件封隔的目标取样地层中接触的一端，作用是防止取样地层中的大颗粒状固体堵塞控制脉冲管路，控制脉冲过滤器根据取样需求可在同一钻井中依据深度上下分布的多个封隔器的不同取样地层中的控制脉冲管路上设置。气体取样单向阀阀体内流体流通方向为从下到上，配置为仅允许以高压驱动流体为载体的取样地层样品(气体和/或液体，一般也可以根据所需的流体样品相态决定)从封隔器组件封隔的取样地层通过气体取样管路、气体取样总管、流向地面控制组件中取样容器总成，气体取样管路根据取样需求可在同一钻井中依据深度上下分布的多个封隔器的不同取样地层中设置。气体取样过滤器设置在气体取样管路的样品入口处用于设置在与封隔组件封隔的目标取样地层中的一端，作用是防止取样地层中的大颗粒状固体堵塞气体取样管路，气体取样过滤器根据取样需求可在同一钻井中依据深度上下分布的多个封隔器的不同取样地层中的气体取样管路上设置。
37.控制脉冲管路42包括第一层控制脉冲管路421、第二层控制脉冲管路422和第三层控制脉冲管路423，气体取样管路43包括第一层气体取样管路431、第二层气体取样管路432和第三层气体取样管路433，控制脉冲单向阀44包括第一层控制脉冲单向阀441、第二层控制脉冲单向阀442和第三层控制脉冲单向阀443，气体取样单向阀45包括第一层气体取样单向阀451、第二层气体取样单向阀452和第三层气体取样单向阀453，控制脉冲过滤器46包括第一层控制脉冲过滤器461、第二层控制脉冲过滤器462和第三层控制脉冲过滤器463，气体取样过滤器47包括第一层气体取样过滤器471、第二层气体取样过滤器472和第三层气体取样过滤器473。卜型管结构4在取样时通过地面控制组件1与控制脉冲管路42向取样地层注入高压驱动流体混合取样地层中各流体，使流体样品与驱动流体组分含量均匀，最后地面
控制组件1对取样地层进行泄压，取样地层内的气体样品以注入的驱动流体为载体通过气体取样管路43和控制取样总管41到达地面组件1内的取样总成内。
38.温控组件5包括保温层51、分布式温控原件52、一号温度传感器53和二号温度传感器54；保温层51包裹着分布式温控原件52、一号温度传感器53、二号温度传感器54与取样装置u型管结构3的控制管路31固液取样管32，卜型管结构4的控制取样总管41，分布温控原件52安装在控制管路31固液取样管32，控制取样总管41旁，一号温度传感器53与固液取样管32相连，二号温度传感器53余控制取样总管41相连，温控组件5外部在钻井下可进行金属铠装，主要作用为防止取样过程中温度变化导致样品失真。
39.多通阀门组件6用于连接控制不同取样地层的u型管结构3与卜型管结构4。
40.卜型管结构4的控制脉冲管路42、气体取样管路43与u型管结构3中的进样管路33放置于封隔组件2坐封的不同深度的取样地层中，控制取样总管41与进样总管33安装于封隔组件2上部，控制取样总管41的上部与地面控制组件1连接，控制取样总管41的下部与多通阀门组件6连接，进样总管33的上部与控制管路31以及气体取样管路32连接，进样总管33的下部与多通阀门组件6连接进而与不同取样地层中的第一层进样管路331、第二层进样管路332、第三层进样管路333、第一层进样过滤器351、第二层进样过滤器352和第三层进样过滤器353连接，控制取样总管41通过多通阀门组件6与各取样地层中的控制脉冲管路42、气体取样管路43、控制脉冲单向阀44、气体取样单向阀45、控制脉冲过滤器46和气体取样过滤器47并联。在封隔组件2座封的各取样地层中，气体取样管路43的上部与多通阀门组件6连接，气体取样管路43与控制脉冲管路42的下部分别安装有气体取样单向阀45、气体取样过滤器47、控制脉冲单向阀44和控制脉冲过滤器46。在封隔组件2座封的取样地层中，第一层进样管路331穿过第一封隔器21与第一层进样过滤器351连接，第二层进样管路332穿过第一封隔器21、第二封隔器22与第一层进样过滤器352连接，第三层进样管路333穿过第一封隔器21、第二封隔器22、第三封隔器23与第三层进样过滤器353连接；第一层气体取样管路431穿过第一封隔器21与第一层气体取样单向阀451、第一层气体取样过滤器471连接，并于安装有第一层控制脉冲单向阀441、第一层控制脉冲过滤器461的第一层控制脉冲管路421呈“卜”形连接，第二层气体取样管路432穿过第一封隔器21、第二封隔器22与第二层气体取样单向阀452、第二层气体取样过滤器472连接，并于安装有第二层控制脉冲单向阀442、第二层控制脉冲过滤器462的第二层控制脉冲管路422呈“卜”形连接，第三层气体取样管路433穿过第一封隔器21、第二封隔器22、第三封隔器23与第三层气体取样单向阀453、第三层气体取样过滤器473连接，并于安装有第三层控制脉冲单向阀443、第三层控制脉冲过滤器463的第三层控制脉冲管路423呈“卜”形连接。
41.在本实用新型的取样系统的一种实施方式中，其操作过程如下：
42.1、封隔组件2座封完成首次安装清洗管路后，通过地面控制组件1填充满高压驱动流体于u型管结构3内，关闭所有阀门进行取样。
43.2、开启流体减压阀12和三号驱动管阀门1203，观察三号压力表p3，不要让注入流体压力高于地层压力5％，高压驱动流体通过控制脉冲管路42、控制脉冲单向阀43、脉冲进入封隔组件2坐封取样地层内混合地层的样品并略微提高取样地层内的压力，脉冲混合持续约1min后关闭三号驱动管阀门1203；
44.3、打开一号取样管阀门1211，释放u型管结构3右部固液取样管路32内的高压驱动
流体，因u型管结构3的固液取样管路32的泄压，取样地层中的固液样品开始进入到u型管结构3中，固液取样管路32泄压约1min后关闭一号取样管阀门1211重复进行步骤2；
45.4、打开一号取样管阀门1211和二号取样管阀门1212，释放u型管结构3的控制管路31内的高压驱动流体，因控制管路31的泄压，取样地层中的固液样品开始进入到u型管结构3的固液取样管路32中，控制管路31泄压约1min后关闭一号取样管阀门1211和二号取样管阀门1212，此时步骤2至4完成一个进样循环；
46.5、重复5
‑
6次进样循环，待地面控制组件1的控制面板13内的一号压力表p1和二号压力表p2的压力均为0时，u型管结构3泄压完毕，即可开启一号驱动管阀门1201、二号驱动管阀门1202和一号取样管阀门1211，压力源10内的高压驱动流体驱动u型管结构3内的固液混合流体样品到达地面的液体取样容器1402中，取末尾段的样品，待三号取样管1113无样品流体流出后先关闭一号取样管阀门1211，加压u型管结构3内的压力，待一号压力表p1和二号压力表p2压力均为驱动压力表p0的压力值后，关闭所有阀门；
47.6、打开五号取样管阀门1215释放注入到地层中充分与样品混合后的高压驱动流体，地层中的气体样品以高压驱动流体为载体通过五号取样管1115到达气体取样容器1401中，待五号取样管1115无气体排出后结束本次取样。
48.在上述工作过程中，取样时会先通过卜型管结构4加压，同时让卜型管结构4内的压力高于地层压力，使u型管结构3的压力小于地层压力，地层中的流体无法通过气体取样管路43进入到卜型管结构4，液体样品在压差的作用下通过进样管总成33进入到固液取样管路32中，液体样品取样完毕后关闭与u型管结构3相关的阀门，打开卜型管结构4的相关阀门进行地层泄压，这时，地层中的气体样品会以注入加压地层的高压驱动流体为载体，通过卜型管结构4的气体取样管路43进入地面控制组件1的取样容器总成。
49.本实用新型的取样系统可以有效对同一钻井多地层进行保真取样，样品真实度高，取样环境要求低，多次取样成本较低。
50.以上结合附图详细描述了本实用新型的优选实施方式，但是，本实用新型并不限于此。在本实用新型的技术构思范围内，可以对本实用新型的技术方案进行多种简单变型，为了避免不必要的重复，本实用新型对各种可能的组合方式不再另行说明。但这些简单变型和组合同样应当视为本实用新型所公开的内容，均属于本实用新型的保护范围。