Пробоотборник текучей среды под давлением для мониторинга геологического газохранилища - RU2603646C1

Чертежи

Показать все 10 чертежа(ей)

Описание

Изобретение относится к технической области разработки подземных недр, как-то разработки газоносного пласта-коллектора (хранение/откачка газа, добыча газа) и мониторингу этих работ (загрязнение водоносных пластов при реализации работ). Конкретно, изобретение относится к области мониторинга геологического объекта хранилища газа, такого как диоксид углерода (СО₂) или метан.

В частности, изобретение относится к устройствам отбора проб флюидов и, в частности, к устройству отбора флюидов под давлением в скважине, трубопроводе, трубе или в аналогичных местах.

Флюиды, находящиеся в скважинах, часто необходимо отбирать, для определения их состава с целью выделения геологических коллекторов, в частности, для мониторинга геологического объекта хранилища газа.

Чтобы проследить изменение флюидов, закаченных в пористую среду, предпринимателями разработаны многочисленные методы.

Известны, например, методы геохимического мониторинга объектов геологического хранилища СО₂, основанных на исследовании летучих видов (especes volatiles). Эти методы описаны в патентных документах FR 2.972.758 (6283) и FR 2.974.358 (6297).

Эти методы применяются, главным образом, на уровне двух блоков:

- на уровне пласта-коллектора/соляных водоносных пластов, где главная цель состоит в количественном определении растворенного СО₂ и осевшего и, следовательно, установить фактический баланс массы;

- на уровне водоносных пластов, лежащих поверх породного слоя (cap-rock), где главная цель состоит в том, чтобы возможно раньше диагностировать утечку.

Чтобы претворить на практике эти методы, необходимо располагать устройством отбора проб флюидов под давлением в скважине, пробуренной сквозь геологическую формацию. Такое устройство называется пробоотборником.

Известны устройства для отбора проб, так называемые FTS (Flow Through Sampler), которые позволяют получить образцы флюида из скважины, пробуренной сквозь геологическую формацию. Такое устройство состоит из камеры пробоотборника с пружинным клапаном на каждом конце. Блокировочный механизм соединяет затворы и удерживает их вместе открытыми. Выше камеры находится часовой механизм, который программирует время закрытия, и механизм выключения, который освобождает затворы. На нижнем конце находятся средства, которые обеспечивают проникновение флюида. Наверху находится разъем кабеля для фиксации кабеля.

Из патента US 5945611 А известно устройство отбора образцов флюидов под давлением в трубопроводе, трубе или аналогичных местах. Это устройство содержит множество поршней, корпус, содержащий общий проход, в котором указанные поршни монтируются с возможностью перемещения скольжением, боковой вход и боковое выходное отверстие, расположенное внутри указанного прохода и которое сообщается с трубопроводом, причем указанные входное и выходное отверстия расположены таким образом, что движение поршней может закрывать и открывать указанные входное и выходное отверстия.

Из патента US 5896926 известно устройство для отбора на месте образцов флюидов подземного водоносного пласта в статическом состоянии, без пертурбации окружающей среды, но содержащее «пакер», чтобы изолировать систему отбора проб относительно зоны, расположенной выше над ней, а также систему откачки непосредственно в указанном пробоотборнике для «засоса» флюида в камеру пробоотборника.

Изобретение имеет задачей разработку устройства отбора проб флюидов под давлением из скважины, которое позволяет отбирать образцы флюида под давлением, обеспечивая полное наполнение камеры пробоотборника и передачу флюида за пределы камеры при контроле давления.

Для решения этой задачи устройство содержит, с одной стороны, поршень, контролируемый пружиной, который погружен в камеру с маслом, для отбора образца флюида и, с другой стороны, второй поршень для выталкивания флюида при передаче.

Устройство удерживается в открытом или закрытом положении сжатой пружиной, помещенной в наполненной маслом камере. Содержащееся в камере пружины масло позволяет амортизировать эффект декомпрессии и производить отбор проб без рывков.

Устройство позволяет сохранять отобранный флюид благодаря механическому действию твердого поршня сквозь ручной затвор. Эта конструкция позволяет исключить ртутные системы или системы с флюидным поршнем и позволяет сохранить весь или часть флюида в условиях контролируемого давления. Более того, эта конструкция позволяет исключить компенсационную камеру и камеру с маслом по типу используемой практически всеми известными пробоотборниками.

Устройство согласно изобретению

В общем плане, изобретение относится к устройству отбора проб флюидов под давлением из скважины, содержащему камеру пробоотборника (01), определяющую внутренний объем для приема флюида, корпус (10, 03, 08), расположенный сверху на камере пробоотборника, средства циркуляции флюида в указанной камере, средства удержания флюида в указанной камере и средства перекачки флюида за пределы указанной камеры. Согласно изобретению:

- средства удержания содержат первый поршень (05), выполненный с возможностью открывать или преграждать вход флюида в нижнюю часть камеры (01), причем первый поршень перемещается средствами, содержащими упругий элемент (20), расположенный в камере, наполненной маслом;

- средства перекачки, содержащие средства контроля опускания второго поршня (02) с верхней части в направлении нижней части камеры, так что флюид остается под постоянным давлением в камере (01).

Согласно изобретению, первый поршень (05) может быть связан с упругим элементом (20) посредством прямолинейного элемента (04, 07), так что когда упругий элемент (20) сжат, прямолинейный элемент выталкивает первый поршень (05) из камеры пробоотборника (01) и позволяет флюиду войти в камеру пробоотборника (01). Когда же упругий элемент (20) не нагружен, прямолинейный элемент взаимодействует со вторым поршнем (02) и герметично закрывает камеру пробоотборника (01) в ее верхней части, и прямолинейный элемент поднимает первый поршень (05) и герметично закрывает камеру пробоотборника (01) в ее нижней части.

Согласно форме осуществления, прямолинейный элемент содержит шток (04), второй поршень (02) имеет центральное отверстие, что позволяет верхней части штока (04) скользить и обеспечивает герметичное запирание нижней частью штока (04), причем диаметр нижней части штока (04) больше, чем диаметр верхней части.

Камера пробоотборника (01) может быть закрыта в своей нижней части наконечником (06), который снабжен, по меньшей мере, одним первым отверстием, причем наконечник (06) имеет длину, которая позволяет первому поршню (05) впустить флюид в камеру пробоотборника (01) через первое отверстие, когда упругий элемент (20) сжат.

Согласно изобретению, средства циркуляции могут содержать, по меньшей мере, одно первое выходное отверстие флюида в верхней части камеры и, по меньшей мере, одно второе отверстие на наконечнике (06).

Корпус (10, 03, 08) может содержать, по меньшей мере, одну трубу (10, 03, 08), причем корпус содержит упругий элемент (20) и средства (07, 22, 09, 23) для снятия натяжения или для сжатия упругого элемента (20).

Средства (07, 22, 09, 23) для снятия натяжения или для сжатия упругого элемента (20) могут содержать кольцо с прорезью (09), которое монтируют с возможностью скольжения в корпусе (10, 03, 08) и которое взаимодействует с ручкой (23) для сжатия и снятия натяжения упругого элемента (20).

Средства (07, 22, 09, 23) для снятия натяжения или для сжатия упругого элемента (20) могут быть соединены с электрическим двигателем или с часовым механизмом (24).

Электрический двигатель или часовой механизм (24) могут быть позиционированы в трубе (11), содержащей игольчатый затвор (26) и фитинг высокого давления для наполнения маслом камеры упругого элемента (20).

Упругий элемент (20) может представлять собой пружину или набор пружинных шайб типа Belleville.

Согласно изобретению, поршень перекачки (12) может монтироваться таким образом, что толкает второй поршень (02), причем поршень перекачки (12) полый внутри и выполнен так, что штырь (04) скольжением перемещается внутрь.

Наконечник (06) может быть демонтирован с указанной камеры пробоотборника (01) и заменен наконечником (13) без отверстия, что позволяет удерживать указанный первый поршень (05) внутри указанной камеры.

Наконец, согласно изобретению, первый поршень (05) может быть снабжен игольчатым затвором (25) и фитингом высокого давления, что обеспечивает удаление флюида из камеры пробоотборника (01).

Изобретение относится также к использованию устройства по одному из предыдущих требований, в котором реализуется мониторинг разработки подземного геологического объекта путем отбора проб флюида под давлением посредством контролируемой скважины, отличающемуся тем, что реализуются следующие этапы:

- активируют ручку, так что сжимается упругий элемент;

- опускают устройство в положении «открыто» в контролируемую скважину посредством кабеля, закрепленного на верхней части устройства;

- на определенной глубине устройство оставляют в положении «открыто» в течение определенного промежутка времени;

- активируют ручку, так что снимается натяжение упругого элемента и устройство переходит в положение «закрыто»;

- поднимают устройство на поверхность;

- указанный флюид перекачивают за пределы камеры устройства давлением на верхний поршень, сохраняя при этом давление под контролем посредством датчика давления, так что давление в камере остается постоянным;

- осуществляют анализы отобранного флюида.

Разработка подземного геологического объекта может состоять в мониторинге геологического объекта СО₂, или в мониторинге объекта хранения/откачки природного газа, или в мониторинге объекта разработки сланцевого газа.

Другие признаки и преимущества устройства согласно изобретению станут очевидными из нижеследующего описания неограничивающих примеров осуществления изобретения, приводимых со ссылкой на прилагаемые чертежи.

Краткое описание чертежей

Фиг. 1 изображает устройство в положении «открыто». Фигура справа представляет разрез по оси А-А с фигуры слева;

Фиг. 2 - нижнюю часть устройства;

Фиг. 3 - устройство в положении «закрыто». Фигура в центре представляет разрез по оси В-В с фигуры слева, а фигура справа - разрез по оси С-С с фигуры в центре;

Фиг. 4 - центральную часть устройства;

Фиг. 5 - верхнюю часть устройства;

Фиг. 6 - распределение флюида, отобранного в нижней части устройства;

Фиг. 7 - положение в форме «передача». Фигура в центре представляет разрез по оси А-А с фигуры слева с наполненной флюидом камерой, а фигура справа - разрез по оси А-А с фигуры слева с опустошенной камерой;

Фиг. 8, 9 и 10 иллюстрируют трехмерные изображения устройства.

Детальное описание устройства

Устройство согласно изобретению для отбора проб флюида под давлением основано на принципе так называемых пробоотборников FTS (Flow Through Sampler), в которых жидкость скважины свободно циркулирует внутрь устройства.

На фиг. 1-10 иллюстрируется устройство согласно изобретению для отбора проб флюида под давлением. На этих фигурах используются одинаковые позиции. Устройство содержит, по меньшей мере:

1 - камеру пробоотборника (01);

2 - корпус (10, 03, 08), расположенный сверху над указанной камерой пробоотборника;

3 - средства циркуляции флюида в указанной камере;

4 - средства поддержания флюида в указанной камере, и

5 - средства перекачки флюида за пределы указанной камеры.

Согласно изобретению, средства поддержания содержат один первый поршень (05), выполненный с возможностью открывать или преграждать вход флюида в нижнюю часть камеры (01), причем указанный первый поршень перемещается средствами, содержащими упругий элемент (20), который расположен в камере, наполненной маслом, внутри указанного корпуса и связан с указанным поршнем посредством штыря (04).

Средства перекачки, содержащие средства контроля опускания второго поршня (02) с верхней части в нижнюю часть указанной камеры, так что указанный флюид остается под постоянным давлением в указанной камере (01).

Описание устройства

Фиг. 1 иллюстрирует устройство в положении «открыто». Фигура справа - это разрез по оси А-А с фигуры слева. На фиг. 2 показана нижняя часть устройства. Фиг. 3 иллюстрирует устройство в положении «закрыто». Фигура по центру представляет разрез по оси В-В с фигуры слева, а фигура справа - разрез по оси С-С с фигуры по центру. Фиг. 4 показывает центральную часть устройства. Устройство согласно изобретению содержит также (фиг. 1) камеру пробоотборника (01). Эта камера служит для приема флюида под давлением (при условии дна). Камера пробоотборника может содержать кольцо (01), которое определяет внутренний объем для приема флюида. Нижняя часть камеры (01) может быть ввинчена в нижний наконечник (06), который содержит, по меньшей мере, одно отверстие для входа флюида. Что касается верхней части камеры (01), то она ввинчена в корпус (10, 03, 08). Камера содержит также отверстие в ее верхней части, так что позволяет флюиду циркулировать внутрь камеры: флюид проникает через нижнее отверстие камеры или через нижнее отверстие наконечника (06) и выходит на уровне отверстия камеры в ее верхней части.

Корпус содержит камеру, наполненную маслом, в которое погружен упругий элемент (20). Этот упругий элемент может быть представлен пружиной или набором шайб типа Belleville. Посредством распорки (07) и штока (04) он соединен с нижним поршнем (05).

Этот поршень (05) выполнен с возможностью открывать или преграждать вход флюида под давлением в нижнюю часть камеры (01). С этой целью в верхнем положении поршень (05) помещен, по меньшей мере, частично в камере (01), в ее нижней части, он герметично отсекает вход в нее (поршень содержит, например, уплотнения). В нижнем положении поршень выходит из камеры (01), открывая проход флюиду. Когда камера (01) снабжена нижним наконечником (06), этот наконечник (06) имеет длину, которая позволяет нижнему поршню (5) выйти из камеры и, следовательно, открывает проход флюиду в камеру пробоотборника (01) через отверстие.

Таким образом, когда упругий элемент (20) сжат (фиг. 1 и 2), шток (04) при помощи распорки (07) выталкивает нижний поршень (05) из камеры пробоотборника (01), так что позволяет флюиду войти в камеру. Наоборот, когда упругий элемент (20) не нагружен (фиг. 3 и 4), шток (04) поднимает нижний поршень (05), чтобы герметично закрыть камеру пробоотборника (01) в ее нижней части.

Как иллюстрируют фиг. 1 и 2, нижний поршень (05) может быть оборудован игольчатым клапаном (25) и фитингом высокого давления, который позволяет удалять флюид из камеры пробоотборника (01), когда устройство поднято, и образец флюида должен анализироваться.

Второй поршень (02), так называемый верхний поршень, позиционируют в камере (01), на ее верхнем конце, когда флюид не перекачивается за пределами камеры. Этот верхний поршень (2) выполнен с возможностью перемещения скольжением в камере с одного конца в другой. Он имеет центральное отверстие, что позволяет верхней части штока (04) скользить и обеспечивает герметичное запирание нижней частью штока (04), причем диаметр нижней части штока (04) больше, чем диаметр верхней части. Таким образом, когда упругий элемент (20) не нагружен, шток (04) взаимодействует с верхним поршнем (02), чтобы герметично закрыть указанную камеру пробоотборника (01) в ее верхней части. С этой целью шток (04) имеет заплечик, который запирает отверстие верхнего поршня (02). Этот верхний поршень (02) может быть заблокирован подогнанными блокировочными винтами (27).

Камера может быть закрыта на уровне ее верхней части одним элементом корпуса (10, 03, 08), который называется соединительным патрубком (10). Этот соединительный патрубок соединен с верхней трубой (08) посредством другой трубы (03).

Верхняя труба (08) содержит упругий элемент (20) и средства (07, 22, 09, 23) для снятия его натяжения или сжатия. Эти средства содержат:

- распорку для упора пружины (07) со шпилькой (21) и ее гайками (22);

- кольцо с прорезью (09), которое снимает натяжение или блокирует пружину в натяжении;

- ручку (23), которая удерживает пружину в натяжении.

Наконец, фиг. 5 изображает верхнюю часть устройства. Средства (07, 22, 09, 23) для снятия натяжения или для сжатия указанного упругого элемента (20) связаны с электрическим двигателем или часовым механизмом (24). Эта моторная часть расположена в несущей трубе (11), которая закреплена на корпусе (10, 03, 08) на уровне верхней трубы (08). Эта моторная часть установлена на подвесной детали (14), чтобы закрепить устройство на кабеле и опустить его в скважину.

Двигатель или часовой механизм взаимодействуют с ручкой посредством оси.

Кроме того, несущая труба (11) оснащена игольчатым клапаном (26) и фитингом высокого давления для наполнения маслом камеры пружины.

Далее, устройство согласно изобретению содержит вспомогательные запорные средства (не показаны), которые позволяют освободить камеру (01) от части отобранного флюида при подъеме нижнего поршня (05), чтобы масло не мешало закрытию.

Функционирование устройства

Устройство в положении «открыто» (фиг. 1, 2 и 6)

В открытом положении флюид под давлением свободно циркулирует внутри камеры пробоотборника (01). В этом положении пружина (20) нагружена и удерживается на определенном уровне сжатия (например, 80%) ручкой (23), соединенной с осью двигателя (или часового механизма).

В этой конфигурации нижний поршень (05) находится в нижнем положении. Следовательно, флюид из скважины свободно проходит через камеру пробоотборника (например, при опускании пробоотборника в скважину). В нижней части камеры флюид проходит через отверстия наконечника (06), флюид поднимается в камеру и проходит между штоком (04) и верхним поршнем (02). Сочетание перфораций и отверстий позволяет флюиду циркулировать через продолговатые отверстия кольца (01). Затемненные зоны на фиг. 6 указывают на присутствие флюида.

Согласно форме осуществления, продолговатые отверстия камеры (01) и наконечника (06) оснащены сеткой (например, с ячейками 80 мкм), чтобы процеживать твердые частицы флюида.

Устройство в положении «закрыто»: блокировка камеры пробоотборника (фиг. 3)

Чтобы отключить отбор пробы, пружина (20) разгружается. С этой целью ручку (23) поворачивают и, совершив 1/4 оборота, она находится напротив отверстия кольца (09). При этом пружина (20) освобождается и теряет натяжение, увлекая с собой распорку (07), шток (04) и нижний поршень (05). Поскольку камера пружины наполнена маслом, подъем осуществляется без рывков и не создает пертурбации в отношении отобранного флюида.

После разгрузки пружины поршень (05) находится в нижней части кольца (01) и обеспечивается герметичность в нижней части камеры пробоотборника. В верхней части шток (04) обеспечивает герметичность на верхнем поршне (02) за счет более широкого диаметра в основании штока. Образец флюида изолируется и герметизируется. Пробоотборник может быть поднят на поверхность.

Для поворота ручки описаны две формы осуществления:

- оператор на поверхности активирует электрический двигатель (24) в подходящий момент. Этот двигатель поворачивает ручку (23);

- часовой механизм устройства автономно активирует ручку (23) в запрограммированный день и час.

Устройство в положении «перекачки» (фиг. 7)

Фиг. 7 иллюстрирует положение на стадии «перекачки». Фигура в центре представляет разрез по оси А-А фигуры слева камеры, наполненной флюидом, и фигура справа - разрез по оси А-А с фигуры слева опустошенной камеры. После подъема устройства на поверхность образец флюида может быть перекачен. С этой целью необходимо:

- отвинтить наконечник (06) и заменить его наконечником (13), который позволяет блокировать нижний поршень (05) в его положении внутри камеры (01);

- сцедить масло из камеры пружины через игольчатый клапан (26) и собрать масло за счет подсоединения к фитингу высокого давления НР;

- демонтировать «моторную и подвесную» часть, вывинтив соединительный патрубок (11);

- вывинтить трубу (8);

- отвинтить гайки (22) и шпильку (21);

- вывинтить соединительный патрубок (03) и демонтировать его вместе с распоркой для упора (07) и пружиной (20);

- вставить поршень перекачки (12) до упора с верхним поршнем (02);

- вывинтить блокировочные винты (27);

- подсоединиться к фитингу высокого давления НР нижнего поршня (05);

- выполнить движение перекачки поршня (12) на верхний поршень (02) и открыть игольчатый клапан (25);

- перекачка завершена, как только верхний поршень (02) стыкуется с нижним поршнем (05).

Фиг. 8, 9 и 10 иллюстрируют трехмерные изображения устройства.

Использование устройства

Изобретение относится также к способу мониторинга разработки подземного геологического объекта. Речь может идти о:

- мониторинге объекта геологического хранилища СО₂;

- мониторинге объекта хранения/откачки природного газа;

- мониторинге объекта геотермии; или

- мониторинге объекта разработки сланцевого газа.

Использование устройства согласно изобретению для реализации мониторинга разработки подземного геологического объекта путем отбора проб флюида под давлением посредством контролируемой скважины содержит следующие этапы:

- активируют ручку, так что сжимают упругий элемент;

- опускают устройство в положении «открыто» в контролируемую скважину посредством кабеля, закрепленного на верхней части устройства;

- на определенной глубине устройство оставляют в положении «открыто» в течение определенного промежутка времени;

- активируют ручку, так что освобождают упругий элемент и устройство переходит в положение «закрыто»;

- поднимают устройство на поверхность;

- указанный флюид перекачивают за переделы камеры устройства давлением на верхний поршень, сохраняя при этом давление под контролем посредством датчика давления, так что давление в камере остается постоянным;

- осуществляют анализы отобранного флюида, такие как анализ водосодержащих катионных и анионных видов (especes), анализ элементов так называемых «следов», анализы органического и неорганического растворенного углерода, анализы растворенных газов (основных и инертных газов).

Это устройство имеет преимущество в том, что может быть опущено в открытом положении в подземную среду, так что устраняются проблемы, связанные с открытием внутри подземной среды и возможностью полного наполнения камеры отбора проб.

Все анализы анализируются и позволяют фактически определить, имеется ли утечка СО₂ на уровне объекта хранения, и о какой утечке идет речь.

Для поворота ручки возможны две формы осуществления:

- оператор на поверхности активирует электрический двигатель (24) в подходящий момент. Этот двигатель поворачивает ручку (23);

- часовой механизм устройства автономно активирует ручку (23) в запрограммированный день и час.

Реферат

Изобретение относится к технической области разработки подземных недр, разработки газоносного пласта-коллектора, к области мониторинга геологического объекта хранилища газа. Техническим результатом является повышение эффективности отбора образца флюида под давлением, обеспечение полного наполнения камеры пробоотборника и передача флюида за пределы камеры при контроле давления. Устройство отбора проб флюидов под давлением из скважины содержит камеру пробоотборника, определяющую внутренний объем для приема флюида, корпус, расположенный сверху на камере пробоотборника, средства циркуляции флюида в указанной камере, средства удержания флюида в указанной камере и средства перекачки флюида за пределы указанной камеры. Указанный корпус содержит упругий элемент и средства для снятия натяжения или для сжатия упругого элемента, которые содержат кольцо с прорезью, которое взаимодействует с ручкой для сжатия и снятия натяжения упругого элемента. Средства удержания содержат первый поршень, выполненный с возможностью открывать или преграждать вход флюида в нижнюю часть указанной камеры. Также указанный первый поршень перемещается посредством упругого элемента, расположенного в камере, наполненной маслом. Указанные средства перекачки содержат средства контроля опускания второго поршня с верхней части в направлении нижней части указанной камеры, так что указанный флюид остается под постоянным давлением в камере. Способ мониторинга разработки подземного геологического объекта реализуется с использованием указанного устройства и содержит отбор проб флюида под давлением посредством контролируемой скважины, а

Формула