NO841934L - Fremgangsmaate og anordning for innhenting av fluidproever - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse angår en anordning for undersøkelse av jordformasjoner, og mer bestemt en anordning for bruk til prøve-taking i et borehull, ved å trenge sideveis inn i de aktuelle jordformajsoner som omgir borehullet og ta prøver av de fluider som befinner seg i disse formasjoner.

Den vanlige metode for innsamling av fluidprøver i formasjonene rundt et borehull går ut på å nedsenke et spesielt verk-tøy i borehullet hengende i en vaier eller lignende befordrings-anordning. Dette verktøy omfatter prøvesamlingsorganer som beskrevet i US-patent 3.530.933, hvis innhold det her henvises til, og hvor et spesielt utspring på verktøyet utskyves til kontakt med en tilgrensende jordformasjon for å opprette kommunikasjon med eventuelle formasjonsfluider. Prøvesamlingsorganene innbefatter også ett eller flere prøvekammere innrettet til å oppta separate prøver av det innsamlede formasjonsfluid. Disse prøve-kammere er typisk ved atmosfæretrykk som er vesentlig mindre enn trykket i formasjonsfluidene. Formasjonsfluidene bringes derfor til å strømme inn i prøvekamrene så lenge der foreligger en åpen kanal mellom kamrene og formasjonene, der slike fluider kan strøm-me. Trykket i prøvefluidet i hvert kammer blir generelt målt,

og utspringet trekkes så tilbake fra formasjonen og fluidprøven blir enten utskilt eller ført til overflaten med verktøyet.

Selv om slike verktøy stort sett er effektive, er der i

visse jordformasjoner fortsatt et problem forbundet med løse eller ukonsolliderte formasjonsmaterialer som kan erroderes ved forholdsvis hurtigstrømmende fluider som opptrer under prøve-takingsprosessen. Errosjonen av disse løst konsolliderte materialer fører ikke bare til at de erroderte materialer følger med i den prøve som innhentes, og derved gir mulighet for tilstopping av prøvetakeranordningens fluidkanaler, men den forstyrrer også tetningsinngrepet som utspringet på verktøyet danner mot borehull-veggen. Ettersom forskjellige gasser også er tilstede i borehullet, vil enhver lekkasje i inngrepet mellom verktøyet og formasjonen innebære fare for at slik gass innføres i de prøver som blir tatt. Innblanding av denne gass kan forurense prøven og dessuten innføre feil i de utførte trykkmålinger.

For å bringe forekomsten av errosjon til et minimum, har man tidligere gjort modifikasjoner på verktøyet for å styre fluidets strømningshastighet under innhenting av prøven. Den konvensjo- nelle metode for styring av strømningshastigheten er å anvende et vannputesystem i verktøyet. Denne vannpute omfatter et for-skyvbart stempel som er påvirkbart anordnet i kammeret som mot-tar prøven slik at dette prøvekammer deles i to avdelinger.

Før verktøyet brukes forskyves dette stempel til enden av prøve-kammeret som grenser til prøveinnløpet i prøvekammeret. Avde-lingen som dannes på den andre side av stempelet blir så fylt med vann. Den motsatte ende av kammeret inneholder en kanal med en dyse med forutbestemt diameter, som fører inn i et tilgrensende kammer som er blitt holdt ved atmosfæretrykk. Under innhenting av prøven beveges det forskyvbare stempelet i prøvekam-meret og bevirker utdriving av vannet gjennom dysen og inn i det tilstøtende atmosfærekammer. Ettersom vannets strømningshastig-het gjennom dysen er forutbestemt ved størrelsen av den valgte dyse, kan den hastighet hvormed prøven innføres reguleres.

Selv om bruken av vannpute har minsket problemet med errosjon under innhenting av prøven, er der fremdeles visse vanske-ligheter. Ved slike høye trykk som forekommer i et borehull er der f.eks. en endelig komprimering av vannet i vannputen under de innledende faser av prøvetakingsprosessen. Denne kompresjon er tilstrekkelig til å bevirke en innledende errosjon av det løst konsolliderte materiale som grenser til prøvetakerkanalen. Dessuten nødvendiggjør rommet som opptas av vannputesystemet et lengre verktøy. Denne ytterligere lengde kan føre til problemer ved nedsenking eller fjerning av verktøyet inn i eller ut av borehullet.

Et aspekt ved foreliggende oppfinnelse er rettet mot et apparat for innhenting av prøver av fluider fra jordformasjoner som er beliggende rundt et borehull, omfattende: prøveoppsamlings-organer for opprettelse av kommunikasjon mellom apparatet og en omliggende jordformasjon, hvilke prøveoppsamlingsorganer innbefatter minst én styreventil som regulerer innstrømningen av fluider fra jordformasjonen inn i prøveapparatet, organer for anvendelse av trykket i fluidene i formasjonen forut for oppsamlingen av en prøve for å trykke styreventilen mot dens stengte stilling der den søker å begrense innstrømningen av fluider i prøveapparatet, organer for anvendelse av trykket i formasjonsfluidene når en prøve blir tatt for å trykke styreventilen mot dens åpne stilling, samt organer for tilsetting av en differen sialkraft på styreventilen, hvorved styreventilen vil åpne og forbli åpen så lenge kraften fra trykket i formasjonsfluidene under oppsamlingen av en prøve overskrider en brøkdel av kraften på grunn av for-oppsamlingstrykket, for derved å tilveiebringe regulert innstrømning av formasjonsfluider i prøveapparatet.

Et annet aspekt ved foreliggende oppfinnelse er rettet mot en fremgangsmåte for innhenting av prøver av fluider fra jordformasjonen som er beliggende rundt et borehull, omfattende: opprettelse av kommunikasjon mellom et apparat som er innrettet til å innhente slike fluidprøver og en omliggende jordformasjon, anvendelse av trykket i fluidene i slik formasjon forut for oppsamling av en prøve på en måte som begrenser innstrømningen av fluider i apparatet, anvendelse av trykket i fluidene i slik formasjon når en prøve blir tatt på en måte som motvirker nevnte innsnevring av tilstrømningen av fluider inn i apparatet, og tilsetting av differensialkraft på en måte som påvirker innstrøm-ningen av fluider i apparatet, hvorved fluider vil strømme inn i apparatet så lenge kraften fra trykket i formasjonsfluidene under oppsamlingen av en prøve overskrider en brøkdel av kraften på grunn av for-oppsamlingstrykket, for derved å tilveiebringe regulert innstrømning av formasjonsfluider i prøveapparatet.

Formasjons-prøvetakerapparatet ifølge foreliggende oppfinnelse fremskaffer følgelig en regulering av strømmen av formasjonsfluider inn i prøvetakerapparatet basert på endringen av trykket i formasjonsfluidene under prøvetakingprosessen. Denne oppfinnelse reduserer ytterligere problemet med errosjon av tilgrensende formasjoner så vel som de mange tilknyttede vanske-ligheter. Videre reduserer foreliggende oppfinnelse errosjons-problemet uten vesentlig forlengelse av verktøyet.

Foreliggende oppfinnelse skal beskrives nærmere i det føl-gende under henvisning til tegningen hvor: Figur 1 viser et fluidprøvetakerapparat ifølge foreliggende oppfinnelse slik det kan fremstå i borehullet; Figur 2 er en delvis skjematisk fremstilling av fluidprøve-takerapparatet ifølge foreliggende oppfinnelse.

Et fluidprøvetakerapparat 10 ifølge foreliggende oppfinnelse er vist i figur 1 slik det fremtrer i et borehull 12. Fluid-prøvetakerapparatet 10 er opphengt i en flerlederkabel 11 som ikke bare bærer apparatet 10, men som også inneholder de forskjellige elektriske ledninger som er nødvendige for drift av fluidprøvetakerapparatet 10. (Kabelen 11 betegnes ofte som "wireline".) Apparatet 10 nedsenkes i et borehull 12 opphengt i kabelen 11 inntil den er beliggende nær et spesielt formasjons-parti 13 der det er ønskelig å oppsamle en prøve av de fluider som forefinnes i denne formasjon 13. Kabelens 11 motsatte ende er i sin tur oppviklet på vanlig måte og henger ned fra en vinsj 14 ved jordoverflaten. Noen av ledningene i kabelen 11 er kop-let til en bryter 15 for selektiv tilkopling av apparatet 10 til en kraftkilde 16. Andre ledninger i kabelen 11 er forbundet med et konvensjonelt indikerings- og registreringsapparat 17 som brukes til å overvåke driften av apparatet 10. Med sikte på et antall tester som skal utføres under en enkelt tripp ned i borehullet 12 omfatter fluidprøvetakerapparatet 10 typisk et til-svarende antall virkårlig anordnete prøveoppsamlingsorganer 20. Hvert av disse prøveoppsamlingsorganer 20 er generelt i stand til å arbeide uavhengig for innhenting av så mange prøver som er ønskelig. Noen av standardkomponentene samt driften av slike prøveoppsamlingsorganer 20 er allerede omtalt i søknadsbeskrivel-sens generelle del. For eksempel er det bemerket at prøve opp-samlingsorganene 20 innbefatter et utskyvbart utspring 18 som er i stand til å opprette en avtettet grenseflate med formasjonen 13, det vil si for å unngå at der tas prøver av borehull- (i mot-setning til formasjons-)fluider og -gasser i tillegg til eller istedenfor fluidene i formasjonen 13. Som tidligere omtalt er det viktig at prøven tas på en måte som reduserer errosjonen av formasjonen 13 nær prøveoppsamlingsorganene 20 for å opprettholde denne avtettede grenseflate mellom utspringet 18 og formasjonen 13. De komponenter ifølge foreliggende oppfinnelse som gjør denne kontrollerte oppsamling av en prøve mulig, er skjematisk vist i figur 2.

Prøveoppsamlingsorganene 20 omfatter en kanal 21 som fører fra utspringet 18 til to ventiler. Én av disse ventiler er en referansetrykkventil 22 og den andre er en strømledningsventil 23. Prøveoppsamlingsorganene 20 omfatter også en styreventil 26 som er tilkoplet ventilene 22 og 23 via kanaler henholdsvis 24 og 28, og minst ett prøvekammer 35 som er forbundet med styreventilen 26 via en kanal 33. Styreventilen 26 har tre kammere 25, 29 og 32. Kanalen 24 fra referanstrykkventilen 22 munner ut i kammeret 25. Kanalen 28 fra strømledningsventilen 23 munner ut i kammeret 29 og kanalen 33 som fører til prøvekammeret 35 munner ut i kammer 32. Skillevegger mellom de forskjellige kammere25, 29 og 32 hindrer fluidstrømning mellom disse. For eksempel kan kammeret 25 anvendes til å innesperre referansetryk-ket i formasjonen slik det skal beskrives. Skilleveggen mellom kamrene 29 og 32 omfatter imidlertid en liten åpning 31 som i åpen tilstand tillater fluidstrømning mellom disse kammere. Åpningen 31 kan stenges ved bevegelse av en sleide 30 som er montert i styreventilen 26. Sleiden 30 og de forskjellige kam.^" mere 25, 29 og 32 er driftsmessig anordnet i styreventilen 26 slik at eventuelt fluidtrykk i kammeret 25 vil søke å tvinge sleiden 30 i en retning som stenger åpningen 31. Derimot vil eventuelt fluidtrykk i kammeret 29 søke å tvinge sleiden 30 i en retning som åpner åpningen 31. Styreventilen 26 inneholder også en fjær 34 som er anordnet for å presse sleiden 30 i en retning der den søker å åpne åpningen 31.

Når verktøyet 10 er nedsenket i borehullet 12, og utspringet 18 har opprettet kontakt med formasjonen 13, åpnes referansetrykkventilen 22. Derved tillates en liten mengde formasjonsfluid å strømme gjennom ledningen 21, ventilen 22, ledningen 24, og inn i kammeret 25 i styreventilen 26. Dimensjonene til ledningen 21, ventilen 22, ledningen 24 og kammeret 25 er slik valgt at volumet av formasjonsfluid som faktisk strømmer mens denne innledende trykkmåling utføres blir minst mulig, samtidig som den likevel skaffer tilstrekkelig kompressibelt fluidvolum til å bevirke bevegelse av sleiden 30. En trykkføler 27 er også i kommunikasjon med ledningen 21. Denne trykkføler 27 er i stand til å avføle det statiske trykk i fluidene i formasjonen 13 som foreligger forut for innhenting av en prøve av disse fluider. Det trykk som avføles av føleren 27 kommuniseres til registre-ringsapparatet 17 på overflaten gjennom kabelen 11. Dette innledende statiske eller for-innsamlingstrykk virker også som et referansetrykk for foreliggende oppfinnelse.

Når verktøyet 10 nedsenkes i borehullet 12 er strømlednings-ventilen 23 normalt stengt og forblir stengt under innledende avføling av det statiske trykk i formasjonsfluidene ved hjelp av føleren 27. Ledningen 28 og kammeret 29 i ventilen 26 er derfor ved atmosfæretrykk, hvilket er vesentlig mindre enn det typisk statiske trykk i formasjonsfluidene. Trykket i kammeret 25 er derfor typisk vesentlig større enn trykket i kammeret 29. Selv om sleiden 30 i styreventilen 26 av fjæren 34 trykkes mot sin åpne stilling, er denne fjær 34 slik valgt at den kraft den utøver er ubetydelig sammenlignet med forskjellen mellom det statiske formasjonstrykk og atmosfæretrykket. Av denne grunn vil styreventilen 26 typisk stenge når referansetrykkventilen 22 er åpnet, idet sleiden 30 i styreventilen 26 drives til tet-ningsinngrep med åpningen 31 som foreligger mellom kamrene 29

og 32.

Ved prøvetaking sluttes bryteren 15 og de passende magnet-ventiler (ikke vist) i verktøyet 10 aktiveres av kraftkilden 16 for stengning av referansetrykkventilen 22 og åpning av strøm-ledningsventilen 23. Ved stengning av ventilen 22 blir det statiske referansetrykk avstengt i kammeret 25 i ventilen 26. Åpningen av strømledningsventilen 23 bringer det dynamiske fluidtrykk i formasjonen inn i styreventilens 26 kammer 29. Dette trykk i kombinasjon med kraften som utøves av fjæren 34 er typisk større enn det opprinnelige statiske referanse-fluidtrykk i formasjonen som er innestengt i kammeret 25. Sleiden 30 i ventilen 26 beveges følgelig til sin åpne stilling, under komprimering av fluidet som er innestengt i referansetrykkretsen, og formasjonsfluid tillates å strømme gjennom åpningen 31 og fra kammeret 29 til kammeret 32 og inn i ledningen 33 som fører fra kammeret 32 til prøvekammeret 35. Ettersom volumet i prøvekam-meret 35 er stort sammenlignet med volumet av formasjonsfluider i de forskjellige strømledninger og ventiler som hittil er beskrevet, er der typisk et svakt trykkfall i ventilens 26 kammer 29. Dette trykkfall skjer som følge av strømningen av formasjonsfluider gjennom formasjonen, og i de forskjellige ledninger og ventiler og inn i prøvekammeret 35. Når trykket i kammeret 29 faller i den grad at den samlede kraft fra trykket i kammeret 26 pluss kraften på grunn av fjæren 34 er mindre enn kraften fra det innestengte statiske formasjonstrykk i kammeret 25, vil styreventilen 26 stenge. Styreventilen 26 vil forbli stengt inntil formasjons-fluidtrykket i kammeret 29 øker til det nødvendige minimumtrykk for den samlede kraft fra trykket og fjæren 34 for igjen å åpne ventilen 26.

I praksis vil styreventilen 26 enten forbli åpen i en slik stilling at de motsatte krefter er i balanse eller den vil hurtig veksle mellom sin åpne og stengte stilling inntil prøve-kammeret 35 til slutt er fylt. Fyllingen av prøvekammeret 35 kan avføles for eksempel ved hjelp av en trykkføler 27. Denne trykkinformasjon kan igjen kommuniseres til registreringsutsty-ret 17 på overflaten gjennom kabelen 11. Når prøvekammeret 35 er fylt, åpnes referansetrykkventilen 22 og strømledningsventi-len 23 vil igjen stenge slik at prøven kan frigjøres eller føres til overflaten.

Ved hjelp av foreliggende oppfinnelse er det følgelig mulig å styre strømmen av formasjonsfluider inn i prøvekammeret 35 basert på valg av fjærkraft som utøves av fjæren 34. Denne konstruksjon reduserer de innledende trykkbølger som ellers ville forekomme med vannputen i de eksisterende verktøy. Foreliggende oppfinnelse skaffer også styring av trykkfallet som skjer idet formasjonsfluider strømmer inn i prøvekammeret 35.

Etter at en utføringsform av foreliggende oppfinnelse så-ledes er beskrevet, vil det være klart at endringer kan utføres i størrelsen, formen eller konstruksjonen av enkelte av de

deler eller fluidkretser som her er beskrevet, uten å avvike fra foreliggende oppfinnelse slik den angitt i de etterfølgende krav. En slik modifikasjon vil det for eksempel være å erstatte fjæren 34 og sleiden 30 med en sleide som har et noe større overflateareal frilagt i kammeret 29 enn det som er frilagt i kammeret 25.

Claims (11)

1. Apparat for innhenting av prøver av fluider fra jordformasjoner rundt et borehull, karakterisert ved at det omfatter: prøveoppsamlingsorganer for opprettelse av kommunikasjon mellom apparatet og en omliggende jordformasjon, hvilke prøve-oppsamlingsorganer innbefatter minst én styreventil som regulerer innstrømningen av fluider fra jordformasjonen inn i prøve-apparatet, organer for anvendelse av trykket i fluidene i formasjonen forut for oppsamlingen av en prøve for å trykke styreventilen mot dens stengte stilling der den søker å begrense innstrøm-ningen av fluider i prøveapparatet, organer for anvendelse av trykket i formasjonsfluidene når en prøve blir tatt for å trykke styreventilen mot dens åpne stilling, samt organer for tilsetting av en differensialkraft på styreventilen, hvorved styreventilen vil åpne og forbli åpen så lenge kraften fra trykket i formasjonsfluidene under oppsamlingen av en prøve overskrider en brøkdel av kraften på grunn av for-oppsamlingstrykket, for derved å tilveiebringe regulert innstrøm-ning av formasjonsfluider i prøveapparatet.

2. Apparat ifølge krav 1, karakterisert ved at prøveoppsamlingsorganene videre omfatter et utspring som er innrettet til å utskyves fra apparatet til kontakt med formasjonen, hvilket utspring innbefatter i det minste én kanal som oppretter kommunikasjon med formasjonen så snart utspringet er utskj øvet.

3. Apparat ifølge krav 1 , karakterisert ved at styreventilen omfatter et hus og en sleide montert i huset på en måte som bevirker bevegelse av sleiden mellom en åpen stilling som tillater gjennomstrømning av formasjonsfluid gjennom styreventilen og en stengt stilling der gjennomstrømning av fluid er forhindret.

4. Apparat ifølge krav 3, karakterisert ved at styreventilen videre omfatter veggpartier som avgrenser et første kammer i huset som er orientert i styreventilen slik at eventuelt trykk i det første kammer presser styreventil-sleiden mot dens stengte stilling, og at organene for påføring av for-oppsamlingstrykket omfatter en referansetrykkventil i kommunikasjon med kanalen og det første kammer i styreventilen.

5. Apparat ifølge krav 3 eller 4, karakterisert ved at styreventilen videre omfatter veggpartier som danner et annet kammer i huset som er orientert slik at eventuelt trykk i det andre kammer presser styreventilens sleide mot dens åpne stilling, og at organene for tilføring av fluidtrykk under oppsamling av en prøve omfatter en strømledningsventil i kommunikasjon med kanelen og det andre kammer i styreventilen.

6. Apparat ifølge ett av kravene 3, 4 og 5, karakterisert ved at organene for påføring av en differensialkraft omfatter en fjær som er plassert mellom styreventilhuset og sleiden i styreventilen.

7. Apparat ifølge ett av kravene 3, 4 og 5, karakterisert ved at organene for påføring av en differensialkraft omfatter sleide-endepartier av forskjellig overflateareal innbefattet i sleiden.

8. Fremgangsmåte for innhenting av fluidprøver fra jordformasjoner rundt et borehull, karakterisert ved : opprettelse av kommunikasjon mellom et apparat som er innrettet til å innhente slike fluidprøver og en omliggende ford-formasjon, anvendelse av trykket i fluidene i slik formasjon forut for oppsamling av en prøve på en måte som begrenser innstrømningen av fluider i apparatet, anvendelse av trykket i fluidene i slik formasjon når en prøve blir tatt på en måte som motvirker nevnte innsnevring av tilstrømningen av fluider inn i apparatet, og tilsetting av differensialkraft på en måte som påvirker innstrømningen av fluider i apparatet, hvorved fluider vil strømme inn i apparatet så lenge kraften fra trykket i formasjonsfluidene under oppsamlingen av en prøve overskrider en brøkdel av kraften på grunn av for-oppsamlingstrykket, for derved å tilveiebringe regulert innstrømning av formasjonsfluider i prøveapparatet.

9. Fremgangsmåte ifølge krav 8, karakterisert ved at kommunikasjonsopprettelsestrinnet omfatter utskyvning av et utspring fra apparatet til kontakt med den omgivende formasj on.

10. Fremgangsmåte ifølge krav 8, karakterisert ved at trinnet som går ut på å anvende for-oppsamlingstrykket innbefatter innslipping av en liten mengde formasjonsfluid i en del av apparatet forut for oppsamling av en prøve.

11. Fremgangsmåte ifølge krav 10, karakterisert ved at den lille mengde formasjonsfluid innelsuttes i en del av apparatet for derved å utgjøre et referansetrykk.