ПРОБООТБОРНИК СРЕДЫ ПОД ДАВЛЕНИЕМ ДЛЯ МОНИТОРИНГА ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ГЕОЛОГИЧЕСКИХ ОБЪЕКТОВ Российский патент 2018 года по МПК G01N1/02 E21B49/08 

Изобретение относится к области техники использования подземной среды, такой как использование газового резервуара (хранение/отбор газа) и мониторинг этих операций (загрязнение при операциях на водоносных пластах). Изобретение касается, в частности, области мониторинга геологического объекта для хранения газа, такого как двуокись углерода (СО₂) или метана. Другие области, такие как добыча при поддержании давления углеводородов путем, например, нагнетания СО₂, или добыча сланцевого газа, также затрагиваются этим изобретением.

В частности, изобретение касается устройств отбора проб сред, в особенности, устройства для отбора проб сред под давлением из скважин, трубопроводной сети, труб, трубопроводов, резервуара и тому подобного.

Из сред, находящихся в скважинах, необходимо отбирать пробы для определения их состава с целью определения характеристик геологических хранилищ, в которые доходят скважины, и их состояние во времени в процессе промышленного хранения и/или добычи.

Для отслеживания состояния сред, нагнетаемых в толщу пористой породы, промышленностью разработаны многие технологии.

Известны, например, способы геохимического мониторинга геологических объектов хранения СО₂, основанные на исследовании летучих веществ. Примеры этих способов описаны в заявках на патент FR 2.972.758 FR 2.974.358.

Эти способы используются, главным образом, на двух уровнях:

- на уровне хранилище/солончаковые водоносные пласты, где основной целью является определение количества растворенного и осажденного СО₂ и установление реального массового равновесия;

- на уровне водоносных слоев, вышележащих относительно покрывающей породы (“cap-rock”), где основной целью является наиболее раннее определение утечки.

Для реализации этих способов необходимо располагать устройством для отбора сред под давлением в скважине, пробуренной через геологическое образование. Такое устройство называется пробоотборником или устройством отбора проб.

Известны пробоотборники, называемые FTS (на англ. яз. Flow Through Sampler), позволяющие получить пробы среды из скважины, пробуренной через геологическое образование. Такое устройство состоит из камеры для взятия пробы с пружинным клапаном с каждого конца. Запирающий механизм связывает клапаны и удерживает открытой их совокупность. Над камерой находится часовой механизм для программирования времени закрывания, и механизм освобождения клапанов. Нижний торец снабжен средствами для обеспечения проникновения среды. Сверху имеется кабельная часть для крепления кабеля.

Из патента US5945611 известно устройство для отбора проб сред под давлением из трубопроводной сети, труб, каналов и тому подобного. Это устройство содержит несколько поршней, корпус с общим проходом, в котором упомянутые поршни установлены с возможностью скольжения, боковой вход и боковое выходное отверстие, расположенное внутри упомянутого прохода и сообщающееся с трубопроводом, при этом упомянутые входное и выходное отверстия расположены таким образом, что перемещение поршней может закрывать и открывать упомянутые входное и выходное отверстия.

Из патента US5896926 известно устройство для отбора проб сред подземных водоносных слоев в естественной среде в статических условиях без нарушения окружающей среды, но содержащее пакер для изоляции системы отбора от зоны, расположенной над ним, а также насосную систему в естественной среде в упомянутом пробоотборнике для забора среды в камеру отбора проб.

Из французской заявки на патент под номером FR 12/03.329 (FR2999224) известно также устройство для отбора проб, содержащее с одной стороны поршень, управляемый пружиной, находящейся в масляной камере для отбора проб среды, и с другой стороны - второй поршень для удаления среды в процессе перемещения. Устройство удерживается в открытом или закрытом положении сжатой пружиной, расположенной в камере, заполненной маслом. Масло, содержащееся в пружинной камере, позволяет ослабить эффект декомпрессии и плавно осуществить отбор пробы. Устройство позволяет извлечь пробу среды благодаря механическому воздействию твердого поршня через ручной клапан. Такая конструкция позволяет избавиться от ртутных систем или системы жидкотекучего поршня и позволяет собрать всю часть среды в условиях контролируемого давления. Кроме того, эта конструкция позволяет избавиться от уравновешивающей камеры и масляной камеры, которые используются почти во всех известных пробоотборниках. Преимуществом этого устройства является также возможность его опускания в открытом положении в подземную среду, чтобы избавиться от проблем открывания, и для обеспечения полного заполнения камеры отбора проб. Однако устройство, описанное в этой заявке на патент, может создавать проблемы при закрывании пробоотборника вследствие объемной упругости среды, которая может помешать подъему первого поршня.

Изобретение касается устройства для отбора проб среды, содержащего камеру отбора проб, включающую нижний поршень, верхний поршень и промежуточный поршень. Промежуточный поршень перемещается таким образом, чтобы обеспечить, по существу, постоянный объем камеры при закрывании камеры для исключения проблем, связанных с объемной упругостью отобранной среды.

УСТРОЙСТВО ПО ИЗОБРЕТЕНИЮ

Изобретение относится к устройству для отбора проб, по меньшей мере, среды под давлением, содержащему камеру отбора проб, внутренний объем которой предназначен для приема упомянутой среды. Упомянутое устройство содержит нижний поршень, расположенный в нижней части упомянутой камеры, верхний поршень, размещенный в верхней части камеры, промежуточный поршень, расположенный между упомянутыми нижним и верхним поршнями, средства закрывания и открывания упомянутой камеры путем перемещения упомянутого нижнего поршня, и средства перемещения упомянутого промежуточного поршня, позволяющие обеспечить, по существу, постоянный объем упомянутой камеры при закрывании упомянутой камеры.

В соответствии с вариантом воплощения изобретения объем упомянутой камеры определяется упомянутым промежуточным поршнем и упомянутым нижним поршнем.

Предпочтительно, упомянутый промежуточный поршень расположен, по существу, на постоянном расстоянии от упомянутого нижнего поршня в открытом положении и в закрытом положении упомянутой камеры, причем упомянутый промежуточный поршень находится в состоянии упора в упомянутый верхний стержень, когда упомянутая камера закрыта. Кроме того, упомянутое устройство может содержать средства перемещения среды за пределы камеры, при этом упомянутые средства перемещения содержат средства контроля совместного опускания упомянутого верхнего поршня и упомянутого промежуточного поршня от верхней части к нижней части упомянутой камеры.

В соответствии с другим вариантом воплощения изобретения объем упомянутой камеры определяется упомянутым промежуточным поршнем и упомянутым верхним поршнем.

Предпочтительно, упомянутый промежуточный поршень находится, по существу, на постоянном расстоянии от упомянутого верхнего поршня в открытом состоянии и в закрытом положении упомянутой камеры, причем упомянутый промежуточный поршень находится в состоянии упора в упомянутый нижний поршень в открытом положении и в закрытом положении упомянутой камеры.

Предпочтительно, упомянутые верхний и нижний поршни связаны соединительной тягой, по которой скользит упомянутый промежуточный поршень.

Предпочтительно, в упомянутом верхнем поршне выполнено отверстие, обеспечивающее выход среды из упомянутой камеры, причем упомянутое отверстие может быть закрыто игольчатым клапаном.

Упомянутое отверстие может содержать, кроме того, средства перемещения среды наружу камеры, причем упомянутые средства перемещения содержат средства движения упомянутого промежуточного поршня от нижнего поршня к верхнему поршню упомянутой камеры.

Согласно изобретению средства открывания и закрывания упомянутой камеры содержат прямолинейный элемент, связанный с нижним поршнем и с пружинным элементом так, что в открытом положении упомянутый пружинный элемент сжат.

Предпочтительно, упомянутый нижний поршень снабжен игольчатым клапаном и соединением высокого давления, позволяющим удалять упомянутую среду из упомянутой камеры отбора проб.

Кроме того, изобретение касается использования устройства по изобретению, в соответствии с которым осуществляют мониторинг использования подземного геологического объекта путем отбора пробы среды из контролируемой скважины. В соответствии с этим способом осуществляют следующие этапы:

а) приводят в действие упомянутые средства закрывания и открывания упомянутой камеры упомянутого устройства отбора проб для его приведения в положение «открыто»;

b) опускают устройство в положении «открыто» в исследуемую камеру;

с) удерживают упомянутое устройство в положении «открыто» в заданном положении;

d) приводят в действие упомянутые средства закрывания и открывания упомянутого устройства отбора проб для его перевода в положение «закрыто»; и

е) поднимают упомянутое устройство на поверхность.

Кроме того, можно осуществить следующие этапы:

f) перемещают упомянутую среду наружу упомянутой камеры устройства, приводя в действие средства перемещения среды; и

g) осуществляют, по меньшей мере, анализ пробы среды.

Предпочтительно, использование подземного геологического объекта состоит в мониторинге геологического объекта хранения СО₂ или в мониторинге геологического объекта хранения/откачки природного газа, или в мониторинге объекта добычи сланцевого газа, или в мониторинге объекта добычи углеводородов при поддержании давления нагнетанием газа, в частности, СО₂.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

В дальнейшем изобретение поясняется нижеследующим описанием, не являющимся ограничительным, со ссылками на сопровождающие чертежи, на которых:

- Фиг. 1 изображает устройство из известного уровня техники (FR 12/03.329) в положении «открыто». Чертеж справа представляет разрез по оси А-А левого чертежа.

- Фиг. 2 представляет нижнюю часть устройства из известного уровня техники (FR 12/03.329).

- Фиг. 3 изображает устройство из известного уровня техники (FR 12/03.329) в положении «закрыто». Чертеж в центре изображает разрез по оси В-В левого чертежа, а правый чертеж изображает разрез по оси С-С центрального чертежа.

Фиг. 4 изображает устройство по первому варианту воплощения изобретения в положении «открыто». Правый чертеж изображает разрез по оси А-А левого чертежа.

Фиг. 5 изображает устройство по первому варианту воплощения изобретения в положении «закрыто». Правый чертеж изображает разрез по оси С-С левого чертежа.

Фиг. 6 изображает камеру устройства по второму варианту воплощения изобретения в положении «открыто».

Фиг. 7 изображает детальный вид внутренней части камеры устройства по второму варианту изобретения в положении «открыто».

Фиг. 8 изображает детальный вид верхней части камеры устройства по второму варианту воплощения изобретения в положении «открыто».

Фиг. 9 изображает камеру устройства по второму варианту воплощения изобретения в положении «закрыто».

Фиг. 10 изображает детальный вид верхней части камеры устройства по второму варианту воплощения в положении «закрыто».

Фиг. 11 изображает детальный вид верхней части камеры устройства по второму варианту воплощения в положении перемещения.

Фиг. 12 изображает центральную часть устройства по изобретению.

Фиг. 13 изображает верхнюю часть устройства по изобретению.

Фиг. 14 изображает положение устройства из известного уровня техники в положении «перемещение». Чертеж в центре изображает разрез по оси А-А левого чертежа с камерой, заполненной средой, а чертеж справа изображает разрез по оси А-А левого чертежа с опорожненной камерой.

Фиг. 15 изображает устройство по второму варианту воплощения изобретения в положении «открыто». Чертеж справа изображает разрез по оси А-А левого чертежа.

Фиг. 16 изображает устройство по второму варианту воплощения изобретения в положении «закрыто». Правый чертеж изображает разрез по оси В-В левого чертежа.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Устройство для отбора проб сред под давлением по изобретению основано на принципе пробоотборников, называемых FTS (Flow Through Sampler), в которых жидкость из скважин свободно циркулирует внутри устройства.

Фиг. 1-3 изображают устройство из известного уровня техники (такое, как описано в заявке на французский патент под номером заявки FR 12/03/329) для отбора сред под давлением. На этих чертежах использованы одинаковые позиции. Устройство, по меньшей мере, содержит:

- камеру отбора проб (01)

- корпус (10, 03, 08), размещенный над упомянутой камерой отбора проб

- средства осуществления циркуляции среды в упомянутой камере,

- средства удержания среды в упомянутой камере, и

- средства перемещения среды из упомянутой камеры.

Для отбора проб в соответствии с известным уровнем техники средства удержания содержат нижний поршень (05) для разрешения или запрета поступления среды в нижнюю часть упомянутой камеры (01), при этом упомянутый нижний поршень (05) перемещается с помощью средств, содержащих эластичный элемент (20), размещенный в камере, заполненной маслом внутри упомянутого корпуса, и соединенный с упомянутым поршнем прямолинейным элементом (04), например, штоком (04).

Средства передачи включают средства контроля опускания верхнего поршня (02) из верхней части в нижнюю часть упомянутой камеры, так что упомянутая среда остается под постоянным давлением в упомянутой камере (01).

Фиг. 1 изображает устройство из известного уровня техники в положении «открыто». Правый чертеж представляет разрез левого чертежа по оси А-А. Фиг. 2 представляет нижнюю часть устройства из известного уровня техники. Фиг. 3 изображает устройство из известного уровня техники в положении «закрыто». Средний чертеж представляет разрез по оси В-В левого чертежа, а правый чертеж является разрезом по оси С-С среднего чертежа. Таким образом, устройство из известного уровня техники содержит (фиг. 1) камеру отбора проб (01). Функцией этой камеры является получение среды под давлением (на уровне дна). Камера отбора проб может содержать кольцо , ограничивающее внутренний объем при приеме среды. Нижняя часть камеры (01) может быть ввинчена в нижний наконечник (06), содержащий, по меньшей мере, отверстие для обеспечения входа среды. Что касается верхней части камеры (01), то она ввинчена в корпус (10, 03, 08). Камера также содержит отверстие в своей верхней части для того, чтобы обеспечить циркуляцию среды внутри камеры (01): среда проникает в нижнее отверстие камеры или в отверстие нижнего наконечника (06) и поднимается на уровень отверстия камеры (01) в ее верхней части.

Корпус содержит камеру, заполненную маслом, омывающим упругий элемент (20). Этот упругий элемент может быть пружиной или системой пружинных шайб. Он может быть связан соединительной стойкой (07) и штоком (04) с нижним поршнем (05).

Этот нижний поршень (05) предназначен для разрешения или запрещения входа среды под давлением в нижнюю часть камеры (01). Для этого в верхнем положении поршень (05) размещен, по меньшей мере, частично, в камере (01), при этом его нижний торец герметично перекрывает вход (поршень содержит, например, уплотнения). В нижнем положении поршень выходит из камеры (01) для обеспечения поступления среды. Когда камера (01) снабжена нижним наконечником (06), этот наконечник (06) имеет длину, позволяющую нижнему поршню (05) выйти из камеры и, таким образом, позволить среде войти через отверстие в камеру для отбора проб (01).

Когда упругий элемент (20) сжат (фиг. 1 и 2), шток (04) выводит (с помощью соединительной стойки (07)) нижний поршень (05) из камеры для отбора проб так, чтобы позволить войти среде в камеру. Напротив, когда упругий элемент (20) разжат (фиг. 3 и 4), шток (04) поднимает нижний поршень (05) для герметичного перекрывания камеры для отбора проб (01) в ее нижней части.

Как изображено на фиг. 1 и 2, нижний поршень (05) может быть снабжен игольчатым клапаном (25), а соединение высокого давления позволяет удалить среду из камеры отбора проб (01), когда устройство поднято и когда образец среды должен быть подвергнут анализу.

Второй поршень (02), называемый верхним поршнем, размещен в камере (01) на ее верхнем конце, когда среда не выведена из камеры. Этот верхний поршень (02) выполнен с возможностью скольжения в камере от одного конца до другого. Он имеет центральное отверстие, обеспечивающее скольжение верхней части штока (04) и герметично перекрываемое нижней частью штока (04), при этом диаметр нижней части штока (04) превышает диаметр верхней части. Таким образом, когда упругий элемент (20) не сжат, шток (04) взаимодействует с верхним поршнем (02) для герметичного перекрытия упомянутой камеры отбора проб (01) в ее верхней части. Для этого шток (04) снабжен плечиком, который перекрывает отверстие верхнего поршня (02). Этот верхний поршень (02) может быть зафиксирован соответствующим блокирующим винтом (27).

Камера может быть закрыта на уровне ее верхней части элементом корпуса (10, 03, 08), называемым соединительной трубой (10). Эта соединительная труба сочленяется с верхней трубой (08) с помощью другой трубы (03).

РАБОТА УСТРОЙСТВА ИЗ ИЗВЕСТНОГО УРОВНЯ ТЕХНИКИ

УСТРОЙСТВО В ПОЛОЖЕНИИ «ОТКРЫТО» (ФИГ. 1, 2)

В открытом положении среда под давлением свободно проходит внутрь камеры отбора проб (01). В этом положении пружина (20) сжата и удерживается на определенном уровне (например, 80%) от ее сжатия поворотным упором (23), связанным с осью двигателя (или часового механизма).

В этой конфигурации нижний поршень (05) находится в нижнем положении. Среда из скважины поступает, таким образом, свободно в камеру для отбора проб (например, в процессе опускания пробоотборника скважины). В нижней части камеры среда проходит через отверстия наконечника (06), далее среда поднимается в камеру и проходит между штоком (04) и верхним поршнем (02). Зазор сверлений и отверстий позволяет среде циркулировать через отверстия (продолговатые отверстия) корпуса (01).

В соответствии с вариантом воплощения отверстия (продолговатые отверстия) камеры (01) и наконечника (06) снабжены сеткой (с ячейками, например, в 80 мкм) для отсеивания твердых частиц среды.

УСТРОЙСТВО В ПОЛОЖЕНИИ «ЗАКРЫТО»: БЛОКИРОВАНИЕ КАМЕРЫ ОТБОРА ПРОБ (ФИГ. 3)

Для начала отбора проб образцов пружина (20) освобождается. Для этого можно повернуть поворотный упор (23) и, когда он повернут на четверть оборота, он находится в открытом положении корпуса. Пружина (20) освобождается и разжимается, увлекая за собой: соединительную стойку (07), шток (04) и нижний поршень (05). Так как пружинная камера заполнена маслом, этот подъем осуществляется замедленно и не нарушает нормальной работы при отборе среды.

Как только пружина разжата, поршень (05) переходит в нижнее положение корпуса (01) и обеспечивает герметичность в нижней части камеры отбора проб. В верхней части герметичность верхнего поршня (02) обеспечивает шток (04), благодаря большему диаметру основания штока. Проба среды изолирована и герметична. Пробоотборник может быть поднят на поверхность.

Для поворота упора (23) существуют два варианта:

- Оператор на поверхности включает электрический двигатель (24) в нужный момент. Этот двигатель поворачивает упор (23).

- Автономно установленный на пробоотборнике часовой механизм приводит в действие упор (23) в запрограммированный час и дату.

УСТРОЙСТВО В ПОЛОЖЕНИИ «ПЕРЕДАЧА»

Фиг. 14 изображает устройство в варианте «перемещение». Средний чертеж изображает разрез по оси А-А левого чертежа с пустой камерой. Когда устройство поднято на поверхность, можно осуществить перемещение пробы среды. Для этого можно:

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

- выпустить масло из пружинной камеры через игольчатый клапан (26) и собрать его через соединение высокого давления,

- демонтировать часть «двигатель и зацепляющий элемент» путем отвинчивания соединительной трубы (11),

- отвинтить трубу (08),

- удалить гайки (22) и отвинтить штырь (21),

- отвинтить соединительную трубу (03), затем вынуть ее вместе с соединительной стойкой (07) и пружиной (20),

- вставить передающий поршень (12) до упора в верхний поршень (02),

- отвинтить блокирующий винт (27),

- подключиться к соединению высокого давления нижнего поршня (05),

- приложить движение перемещения поршня (12) к верхнему поршню (02) и открыть игольчатый клапан (25), и

- перемещение будет закончено, как только верхний поршень (02) упрется в нижний поршень (05).

Пробоотборник по изобретению представляет собой усовершенствование описанного выше со ссылками на фиг. 1 - 3 устройство отбора проб.

Таким образом, устройство по изобретению, по меньшей мере, содержит:

- камеру отбора проб (01),

- корпус (10, 03, 08), образующий упомянутую камеру отбора проб,

- средства обеспечения циркуляции для забора среды в упомянутую камеру,

- удерживающие средства для удержания среды в упомянутой камере,

- передающие средства для передачи среды из упомянутой камеры.

Пробоотборник по изобретению отличается от устройства из известного уровня техники использованием третьего поршня, называемого промежуточным поршнем, расположенным между нижним и верхним поршнями. Промежуточный поршень предназначен для поддержания, по существу, постоянного объема камеры в процессе поступления и удержания среды внутри камеры, то есть при закрывании камеры нижним поршнем. Для этого промежуточный поршень удерживается, по существу, на постоянном расстоянии от одного из двух других поршней (нижнего и верхнего) для ограничения объема камеры. Вспомним, что поршень является жесткой или перемещаемой механической деталью, передвигающейся в камере для обеспечения изменения объема камеры; поршень позволяет преобразовать напор в механическую энергию и наоборот.

Пробоотборник по изобретению содержит, кроме того, средства для закрывания и открывания камеры путем перемещения нижнего поршня и средства перемещения промежуточного поршня, позволяющие обеспечить, по существу, постоянный объем камеры в процессе закрывания камеры.

Устройство по изобретению, кроме того, может содержать другие элементы пробоотборника из известного уровня техники, например: средства открывания и закрывания упомянутой камеры, которые перемещают нижний поршень, средства сжатия и отпускания упругого элемента, средства циркуляции жидкости (наконечник).

В соответствии с первым вариантом воплощения изобретения объем камеры определяется промежуточным поршнем и нижним поршнем, то есть промежуточный поршень находится, по существу, на одинаковом расстоянии от нижнего поршня. Промежуточный поршень перемещается одновременно с нижним поршнем в процессе отбора пробы (положение «открыто») и удержания (положение «закрыто») среды, и перемещается одновременно с верхним поршнем в процессе передачи среды. Таким образом, в процессе отбора проб (положение «открыто») формируют при отборе проб миникамеру с объемом, изменяемым между промежуточным поршнем и верхним поршнем, и камеру отбора проб, по существу, с постоянным объемом между промежуточным поршнем и нижним поршнем.

Фиг. 4 и 5 изображают первый вариант воплощения соответственно в положении «открыто» и в положении «закрыто». На этих чертежах используемые позиции идентичны обозначениям позиций на фиг. 1-3. Промежуточный поршень (28) может скользить по штоку (04).

В положении «открыто» промежуточный поршень (28) опускается и отдаляется от верхнего поршня (02), нижний поршень (05) опускается в наконечник (06), чтобы пропустить среду, а верхний поршень (02) находится в верхнем положении. Среда проникает через нижнюю часть заполняемой камеры, часть среды может циркулировать к миникамере с изменяемым объемом через промежуточный поршень (28), в частности в его центре на уровне прохода штока (04) и может перетекать вверх пробоотборника через разрезное звено (09).

В положении «закрыто» промежуточный поршень (28) перемещен к верхнему поршню (02) и упирается в верхний поршень (02), при этом оба поршня находятся в верхнем положении, а нижний поршень поднимается и перекрывает проход среды. Между положением «открыто» и положением «закрыто» перемещения нижнего (05) и промежуточного (28) поршней, по существу, идентичны при сохранении, по существу, постоянного расстояния перемещения.

Для перемещения среды в соответствии с первым вариантом воплощения верхний (02) и промежуточный (28) поршни опускаются одновременно из верхней части камеры (01) в нижнюю часть камеры (01) так, что среда остается при постоянном давлении в камере в процессе перемещения. В соответствии со вторым вариантом воплощения только промежуточный поршень (28) опускается от верхней части камеры (01) к нижней части камеры (01).

Скольжение промежуточного поршня (28) осуществляется посредством сжимаемости среды, забираемой в нижней части камеры (01) и поступающей «с напором» на уровень промежуточного сопряжения шток-уплотнение. Перемещение промежуточного поршня (28) осуществляется до его поступления на уровень верхнего поршня (02). Это пройденное расстояние эквивалентно расстоянию, необходимому для закрывания пробоотборника, то есть для того, чтобы нижний поршень (05) вышел за пределы систем циркуляции среды в нижней части для получения хорошей герметичности.

В соответствии со вторым вариантом воплощения изобретения объем камеры определяется промежуточным поршнем и верхним поршнем, то есть расстояние между промежуточным поршнем и верхним поршнем является, по существу, постоянным. Промежуточный поршень перемещается одновременно с верхним поршнем в процессе отбора пробы (положение «открыто») и удержания (положение «закрыто») среды, и перемещается при передаче среды. Таким образом, при отборе пробы и удержании в процессе отбора пробы камеру отбора проб формируют, по существу, с постоянным объемом между промежуточным поршнем и верхним поршнем.

Фиг. 6-11, 15 и 16 изображают второй вариант воплощения в положении «открыто», в положении «закрыто» и в положении «перемещение». На этих чертежах используемые обозначения позиций идентичны соответствующим позициям на фиг. 1-5.

Камера (01) содержит два поршня (02, 05), связанных соединительной тягой (29), могущим скользить в камере (01), и промежуточным поршнем (28), скользящим по соединительной тяге (29). Перемещение подвижного узла (нижний (05) и верхний (02) поршни и соединительная тяга (29)) в камере (01) может обеспечиваться осью (30) с винтовой резьбой, снабженной игольчатым клапаном на одном конце. Эта ось (30) может приводиться во вращение электродвигателем. Верхний поршень (02) снабжен отверстием (31), обеспечивающим циркуляцию среды в камере (01). Игольчатый клапан служит для перекрытия камеры после осуществления отбора пробы путем закрывания отверстия (31) верхнего поршня.

Перед взятием пробы (положение «открыто») промежуточный поршень жестко соединяется с нижним поршнем (02) созданием разрежения между этими поршнями. Узел поршни-соединительная тяга (02, 05, 28, 29) приходит в нижнее положение так, что нижний поршень (05) и промежуточный поршень (28) выходят из трубы, открывая, таким образом, нижнюю часть камеры (01) и обеспечивая поступление среды, при этом отверстие в верхнем поршне (05) освобождается от закрывающего клапана (30), что обеспечивает циркуляцию среды в камере.

В процессе перемещения пробоотборника (в положении «открыто») до глубины отбора проб (фиг. 6-8 и 15) среда, входящая через нижнюю часть камеры (01), поступает в камеру (01) и выходит через отверстие (31), предусмотренное для этого в верхнем поршне (02), затем выходит через отверстия, расположенные в верней части камеры (01).

В процессе взятия пробы в положении «закрыто» (фиг. 9, 10 и 16) подвижный узел (02, 28, 05, 29) переходит в камеру (01), что позволяет закрыть нижнюю часть камеры (01), закрыть отверстие (31) верхнего поршня игольчатым клапаном, расположенным на конце винтовой оси (30), обеспечивая перемещение и запирание предназначенной для анализа среды в герметичной камере постоянного объема (01).

Как только пробоотборник поднят на поверхность (фиг. 12), закрывание вспомогательного запорного клапана позволяет разобрать ось (30), обеспечивающую перемещение с ее игольчатым клапаном, и ввинтить на его место передающий клапан (32). В закрытом положении игольчатый клапан герметизирует камеру. Вспомогательный запорный клапан может, поэтому, быть открытым. После соединения средства анализа текучей среды с центральным трубопроводом клапана достаточно ослабить последний для открывания камеры (01) и позволить ее содержимому выйти через трубопровод. Все содержимое камеры (01) может быть перемещено путем повышения давления между нижним поршнем (05) и промежуточным поршнем (28) с помощью клапана, следствием чего является перемещение промежуточного поршня (28) к верхнему поршню (02) и опорожнение камеры.

Фиг. 12 изображает центральную часть устройства по изобретению. Верхняя труба (08) содержит пружинный элемент (20) и средства (07, 22, 09, 23) для его ослабления или сжатия. Эти средства, обеспечивающие перемещение, по меньшей мере, нижнего поршня (05), могут содержать:

- опорную стойку пружины (07) со штырем (21) и его гайками (22),

- разрезное звено (09), которое освобождает или блокирует пружину в сжатом состоянии, и

- упор (23), который удерживает сжатую пружину.

Фиг. 13 изображает верхнюю часть устройства. Средства (07, 22, 09, 23) для отпускания или сжатия упомянутого пружинного элемента (20) могут быть связаны с управляемым с поверхности электродвигателем или с программируемым часовым механизмом (24). Эта приводная часть расположена в трубчатом отсеке (11), который скреплен с корпусом (10, 03, 08) на уровне верхней трубы (08). Над приводной частью расположена подвешивающая деталь (14) для возможности сцепления устройства с тросом и опускания его в скважину.

Двигатель или часовой механизм (24) взаимодействует с упором (23) с помощью оси.

Вместе с тем трубчатый отсек (11) снабжен игольчатым клапаном (26) и соединением высокого давления для заполнения маслом пружинной камеры.

Преимуществом настоящего устройства является также возможность опускания в открытом положении в подземную среду так, чтобы избавиться от проблем открывания в подземной среде, и для возможности полного заполнения камеры отбора проб.

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ УСТРОЙСТВА

Изобретение касается также способа технического обслуживания и эксплуатации подземного геологического объекта. С его помощью можно осуществлять:

- мониторинг геологического объекта хранения СО₂;

- мониторинг геологического объекта хранения/добычи природного газа;

- мониторинг соответствующего геологического объекта сбора углеводородов путем нагнетания газа, в частности, нагнетания СО₂ или

- мониторинг зоны добычи сланцевого газа.

Использование устройства по изобретению для осуществления мониторинга подземного геологического объекта путем отбора пробы среды под давлением в контрольной скважине включает следующие этапы:

- приводят в действие средства циркуляции устройства отбора проб для его установки в положение «открыто» путем привода в движение поворотного упора для сжатия упругого элемента;

- устройство в положении «открыто» опускают в скважину, например, с помощью троса, сцепленного с верхней частью устройства;

- удерживают устройство для отбора проб в положении «открыто» на заданной глубине в течение заданного времени;

- приводят в движение средства удержания устройства для его перевода в положение «закрыто», например, приводя в движение управляемый упор для освобождения упругого элемента;

- поднимают устройство на поверхность, например, с помощью троса;

- перемещают среду из камеры устройства путем воздействия на средства перемещения, например, давлением на верхний поршень при контроле давления датчиком давления так, чтобы давление в камере оставалось постоянным; и

- осуществляют анализы проб среды, такие как: анализ катионных и анионных водных частиц, анализ элементов, называемых «следами», анализы органического и неорганического растворенного углерода, анализы растворенных газов (высшие и инертные газы).

Совокупность анализов интерпретируется и позволяет, в частности, определить, имеет ли место утечка СО₂ на уровне зоны хранения, и о каком типе утечки идет речь.

Для осуществления поворота упора возможны два варианта:

- оператор на поверхности включает электродвигатель (24) в нужный момент. Этот двигатель поворачивает упор (23), или

- встроенный и автономный часовой механизм осуществляет движение упора в запрограммированные дату и время.

Устройство по изобретению может также использоваться для отбора проб сред под давлением в трубопроводной системе, трубе, трубопроводе или тому подобном с целью анализа сред.

Изобретение относится к устройству для отбора проб среды, находящейся под давлением, и применению этого устройства для взятия пробы из контролируемой скважины. Устройство содержит камеру для отбора проб, внутри которой расположен верхний, нижний и промежуточный поршни, средства закрывания и открывания камеры путем перемещения нижнего поршня и средства перемещения промежуточного поршня. Промежуточный поршень находится либо на постоянном расстоянии от нижнего поршня, либо на постоянном расстоянии от верхнего поршня, тем самым задается постоянный объем камеры. Верхний и нижний поршни могут быть связаны соединительной тягой, по которой скользит промежуточный поршень. Применение устройства включает этапы перевода пробоотборника в открытое положение, спуска его в контролируемую скважину, выдерживания в течение заданного времени, перевода в закрытое положение, подъема пробоотборника на поверхность, перемещения среды из камеры отбора проб и анализа пробы. Обеспечивается надежный отбор проб, отсутствие необходимости открывать пробоотборник в скважине, полное заполнение камеры отбора проб и исключение проблем при закрывании камеры, связанных с объемной упругостью среды. 2 н. и 16 з.п. ф-лы, 16 ил.

1. Устройство для отбора пробы, по меньшей мере, среды под давлением, содержащее камеру для отбора проб (01) с внутренним объемом для приема упомянутой среды, отличающееся тем, что оно содержит нижний поршень (05), размещенный в нижней части упомянутой камеры (01), верхний поршень (02), расположенный в верхней части упомянутой камеры (01), промежуточный поршень (28), размещенный между упомянутыми нижним (05) и верхним (02) поршнями, средства закрывания и открывания упомянутой камеры (01) путем перемещения упомянутого нижнего поршня (05), и средства перемещения упомянутого промежуточного поршня (28), позволяющие задать, по существу, постоянный объем упомянутой камере (01) в процессе закрывания упомянутой камеры (01).

2. Устройство по п. 1, в котором объем упомянутой камеры (01) задан упомянутым промежуточным поршнем (28) и упомянутым нижним поршнем (05).

3. Устройство по п. 2, в котором упомянутый промежуточный поршень (28) находится, по существу, на постоянном расстоянии от упомянутого нижнего поршня (05) в открытом положении и в закрытом положении упомянутой камеры (01), при этом упомянутый промежуточный поршень (28) находится в положении упора в упомянутый верхний поршень (02), когда упомянутая камера (01) находится в закрытом положении.

4. Устройство по одному из пп. 2 или 3, в котором упомянутое устройство содержит средства перемещения среды из камеры, при этом упомянутые средства перемещения содержат средства контроля одновременного опускания упомянутого верхнего поршня (02) и упомянутого промежуточного поршня (28) от верхней части к нижней части упомянутой камеры (01).

5. Устройство по п. 1, в котором объем упомянутой камеры задан упомянутым промежуточным поршнем (28) и упомянутым верхним поршнем (02).

6. Устройство по п. 5, в котором упомянутый промежуточный поршень (28) находится, по существу, на постоянном расстоянии от упомянутого верхнего поршня (02) в открытом состоянии и в закрытом состоянии упомянутой камеры (01), при этом упомянутый промежуточный поршень (28) находится в состоянии упора в упомянутый нижний поршень (05) в открытом положении и в закрытом положении упомянутой камеры (01).

7. Устройство по одному из пп. 5 или 6, в котором упомянутые верхний (02) и нижний (05) поршни связаны соединительной тягой (29), по которой скользит упомянутый промежуточный поршень (28).

8. Устройство по одному из пп. 5 или 6, в котором упомянутый верхний поршень (02) снабжен отверстием (31) для перемещения среды из упомянутой камеры (01), при этом упомянутое отверстие (31) может быть закрыто игольчатым клапаном (30).

9. Устройство по одному из пп. 5 или 6, в котором оно содержит средства перемещения среды из камеры, причем упомянутые средства перемещения содержат средства передвижения упомянутого промежуточного поршня (28) от нижнего поршня к верхнему поршню упомянутой камеры (01).

10. Устройство по п.1, в котором средства открывания и закрывания упомянутой камеры содержат прямолинейный элемент, связанный с нижним поршнем и пружинным элементом (20) таким образом, что в открытом положении упомянутый пружинный элемент (20) сжат.

11. Устройство по п.1, в котором упомянутый нижний поршень (05) снабжен игольчатым клапаном (25) и соединением высокого давления, позволяющим перемещать упомянутую среду из упомянутой камеры взятия проб (01).

12. Устройство по п.2, в котором средства открывания и закрывания упомянутой камеры содержат прямолинейный элемент, связанный с нижним поршнем и пружинным элементом (20) таким образом, что в открытом положении упомянутый пружинный элемент (20) сжат.

13. Устройство по п.2, в котором упомянутый нижний поршень (05) снабжен игольчатым клапаном (25) и соединением высокого давления, позволяющим перемещать упомянутую среду из упомянутой камеры взятия проб (01).

14. Устройство по п.5, в котором средства открывания и закрывания упомянутой камеры содержат прямолинейный элемент, связанный с нижним поршнем и пружинным элементом (20) таким образом, что в открытом положении упомянутый пружинный элемент (20) сжат.

15. Устройство по п.5, в котором упомянутый нижний поршень (05) снабжен игольчатым клапаном (25) и соединением высокого давления, позволяющим перемещать упомянутую среду из упомянутой камеры взятия проб (01).

16. Применение устройства по одному из предыдущих пунктов, в соответствии с которым осуществляют мониторинг добычи из подземного геологического пласта путем взятия пробы среды из контролируемой скважины, отличающееся тем, что осуществляют следующие этапы:

а) приводят в действие упомянутые средства закрывания и открывания упомянутой камеры (01) упомянутого устройства для отбора проб для его перевода в положение «открыто»;

b) опускают устройство в положении «открыто» в контролируемую скважину;

с) сохраняют упомянутое устройство в положении «открыто» до заданного положения;

d) приводят в действие упомянутые средства закрывания и открывания упомянутой камеры (01) упомянутого устройства отбора проб для его перевода в положение «закрыто»; и

е) поднимают устройство на поверхность.

17. Применение по п. 16, в котором, также, осуществляют следующие этапы:

f) перемещают упомянутую среду из упомянутой камеры устройства, приводя в движение средства перемещения среды; и

g) осуществляют, по меньшей мере, один анализ пробы среды.

18. Применение по одному из пп. 16 или 17, в котором контроль подземного геологического объекта осуществляют мониторингом геологического объекта хранения СО₂, или мониторингом хранения/добычи природного газа, или мониторингом объекта добычи сланцевого газа, или мониторингом зоны добычи при поддержании давления углеводородов путем нагнетания газа, в частности СО₂.