DE102005048332A1

DE102005048332A1 - Vorrichtung und Verfahren zur Formationsbewertung

Info

Publication number: DE102005048332A1
Application number: DE102005048332A
Authority: DE
Inventors: Raymond V. Beasley Nold III; Alexander F. Houston Zazovsky; Steve Brookshire Ervin; Christopher S. Houston Del Campo; Stephane Houston Briquet
Original assignee: Schlumberger Technology BV
Current assignee: Schlumberger Technology BV
Priority date: 2004-10-07
Filing date: 2005-10-07
Publication date: 2006-04-13
Also published as: GB2435283B; AU2005218568B8; NO20054600L; CN101892839B; US20100218943A1; RU2005131002A; RU2379506C2; US20090283266A1; FR2876409A1; GB2435283A; US7584786B2; NO20054600D0; BRPI0504579B1; MXPA05010723A; GB0709766D0; SA05260313B1; GB0519409D0; US20070209793A1; GB2418938A; US8215389B2

Abstract

Eine Sondenbaugruppe (525; 525a), die aus einem Bohrloch (514), das eine unterirdische Formation (516) durchdringt, die jenseits einer das Bohrloch umgebenden Schicht aus verschmutztem Fluid (520) jungfräuliches Fluid (522) enthält, Fluidproben entnimmt. Die Sondenbaugruppe umfasst einen Sondenkörper (530; 530a), der von einem Bohrlochwerkzeug (510) ausfahrbar ist, und ein Dichtungsstück (531; 531a), das durch den Sondenkörper getragen wird und eine distale Oberfläche (531s) aufweist, die für einen abdichtenden Eingriff mit dem Bohrloch geeignet ist. Das Dichtungsstück (531; 531a) besitzt einen Außenumfang und einen Innenumfang, wobei der Innenumfang durch eine durch das Dichtungsstück (531: 531a) verlaufende Bohrung definiert ist. Das Dichtungsstück (531; 531a) ist ferner mit einem oder mehreren Kanälen (534c) versehen, die in der distalen Oberfläche (531s) ausgebildet und so angeordnet sind, dass sie einen ringförmigen Reinigungseinlass (534i) zwischen dem Innen- und dem Außenumfang definieren. Durch das Dichtungsstück (531; 531a) erstrecken sich ein oder mehrere Durchgänge (528), um jungfräuliches Fluid und/oder verschmutztes Fluid zwischen den ein oder mehreren Kanälen (534c) zu leiten. In der Bohrung des Dichtungsstücks (531; 531a) ist ein Probenahmerohr (527) in dichter Weise angeordnet, um jungfräuliches Fluid in einen zweiten Einlass (538) im Sondenkörper (530a) und in das Bohrlochwerkzeug zu leiten.

Description

Die Erfindung betrifft eine Sondenbaugruppe gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und 14 und ein Verfahren zum Erlangen einer Probe eines jungfräulichen Fluids aus einer unterirdischen Formation gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 24.
Bohrlöcher werden gebohrt, um Kohlenwasserstoffe zu lokalisieren und zu fördern. Um ein Bohrloch zu bilden, das eine interessierende Formation durchdringt (oder durchdringen soll), wird ein Bohrrohr- und Werkzeugstrang, an dessen Ende sich eine Bohrkrone befindet, in die Erde vorgetrieben. Beim Vortreiben des Bohrstrangs wird Bohrschlamm durch den Bohrstrang und aus der Bohrkrone heraus gepumpt, um die Bohrkrone zu kühlen, Bohrabfälle abzutransportieren und den Bohrlochdruck zu steuern. Der Bohrschlamm, der die Bohrkrone verlässt, fließt über den zwischen dem Bohrstrang und der Bohrlochwand gebildeten Ringraum zurück an die Oberfläche und wird in einer Grube an der Oberfläche gefiltert, um erneut durch den Bohrstrang umgewälzt zu werden. Der Bohrschlamm wird auch dazu verwendet, einen Schlammkuchen zur Auskleidung des Bohrlochs zu bilden.
Bei Bohrvorgängen, beispielsweise in Perioden, in denen das eigentliche Bohren vorübergehend unterbrochen ist, ist es häufig wünschenswert, verschiedene Bewertungen der vom Bohrloch durchdrungenen Formationen durchzuführen. In manchen Fällen kann der Bohrstrang zur Prüfung der umgebenden Formation und/oder Probenahme aus dieser mit einem oder mehreren Bohrwerkzeugen versehen sein. In anderen Fällen kann dieser Bohrstrang (in einer so genannten "Fahrt") aus dem Bohrloch entfernt und ein Drahtleitungswerkzeug in das Bohrloch eingesetzt werden, um die Formation zu prüfen und/oder dieser Proben zu entnehmen. Solche Bohrwerkzeuge und Drahtleitungswerkzeuge sowie weitere Bohrlochwerkzeuge, die an einer Rohrwendel (coiled tubing) befördert werden, werden hier einfach als "Bohrlochwerkzeuge" bezeichnet. Die von solchen Bohrlochwerkzeugen durchgeführten Probenahmen oder Prüfungen können beispielsweise dazu verwendet werden, wertvolle Kohlenwasserstoffe zu lokalisieren und deren Förderung zu lenken.
Die Formationsbewertung erfordert häufig, dass zum Prüfen und/oder Probenehmen Fluid aus der Formation in ein Bohrlochwerkzeug angesaugt wird. Aus dem Bohrlochwerkzeug werden verschiedene Vorrichtungen wie etwa Sonden und/oder Dichtungsstücke ausgefahren, um einen Bereich der Bohrlochwand zu isolieren und dabei eine Fluidverbindung mit der das Bohrloch umgebenden Formation herzustellen. Danach kann mittels der Sonde und/oder des Dichtungsstücks Fluid in das Bohrlochwerkzeug angesaugt werden.
Eine typische Sonde verwendet einen Körper, der vom Bohrlochwerkzeug ausfahrbar ist und an einem äußeren Ende ein Dichtungsstück, das gegen die Seitenwand des Bohrlochs positioniert wird, trägt. Solche Dichtungsstücke sind typischerweise mit einem relativ großen Element gestaltet, das sich für den Kontakt mit der unebenen Bohrlochwand (im Fall einer Bewertung im unverrohrten Loch) leicht verformen lässt und dennoch eine Festigkeit und eine hinreichende Unversehrtheit bewahrt, um den erwarteten Differenzdrücken zu widerstehen.
Diese Dichtungsstücke können in unverrohrten Löchern oder in verrohrten Löchern eingesetzt werden. Sie können an verschiedenen Bohrlochwerkzeugen in das Bohrloch gefahren werden.
Eine weitere Vorrichtung, die verwendet wird, um eine Abdichtung an der Bohrlochseitenwand zu bilden, wird als Zweifach-Dichtungsstück (dual packer) bezeichnet. Bei einem Zweifach-Dichtungsstück werden zwei elastomere Ringe radial um das Werkzeug ausgedehnt, um einen Abschnitt der Bohrlochwand dazwischen zu isolieren. Die Ringe bilden eine Abdichtung an der Bohrlochwand und ermöglichen das Ansaugen von Fluid in das Bohrlochwerkzeug über den isolierten Abschnitt des Bohrlochs.

Der das Bohrloch auskleidende Schlammkuchen wird häufig dazu genutzt, das Herstellen der Abdichtung an der Bohrlochwand durch die Sonde und/oder die Zweifach-Dichtungsstücke zu unterstützen. Sobald die Abdichtung hergestellt ist, wird Fluid aus der Formation durch einen Einlass in das Bohrlochwerkzeug angesaugt, indem der Druck im Bohrlochwerkzeug abgesenkt wird. Beispiele von Sonden und/oder Dichtungsstücken, die in Bohrlochwerkzeugen verwendet werden, sind in US 6 301 959 , US 4 860 581 , US 4 936 139 , US 6 585 045 , US 6 609 568 und US 6 719 049 sowie in US 2004/0000433 beschrieben.

Gegenwärtig gibt es Techniken zum Durchführen verschiedener Messungen und Vorprüfungen von Fluiden und/oder zum Sammeln von Proben von Fluiden, die in das Bohrlochwerkzeug eindringen. Jedoch ist entdeckt worden, dass dann, wenn das Formationsfluid in das Bohrlochwerkzeug strömt, verschiedene Schmutzstoffe wie etwa Bohrlochfluide und/oder Bohrschlamm mit den Formationsfluiden in das Werkzeug eindringen können und dies auch häufig tun. Das Problem ist in 1, die eine unterirdische Formation 16 zeigt, die von einem Bohrloch 14 durchdrungen ist und ein jungfräuliches Fluid 22 enthält, veranschaulicht. Eine Schicht aus Schlammkuchen 15 kleidet eine Seitenwand 17 des Bohrlochs 14 aus. Infolge des Eindringens von Schlammfiltrat in die Formation während des Bohrens ist das Bohrloch von einer als Eindringzone 19 bekannten zylindrischen Schicht, die verschmutztes Fluid 20 enthält, umgeben, wobei das verschmutzte Fluid 20 gegebenenfalls mit dem erwünschten jungfräulichen Fluid 22, das jenseits der Seitenwand 17 des Bohrlochs 14 in der Formation 16 liegt und das verschmutzte Fluid 20 umgibt, vermischt sein kann. Da sich die Verunreinigungen 20 zumeist in der Nähe der Bohrlochwand 17 in der Eindringzone 19 befinden, können sie die Qualität von Messungen und/oder Probenahmen der Formationsfluide beeinflussen. Zudem kann eine Kontamination zu teuren Verzögerungen der Bohrlochvorgänge führen, da sie zusätzliche Zeit für ein weiteres Prüfen und/oder Probenehmen erfordern. Außerdem können solche Probleme schlechte Ergebnisse erbringen, die fehlerbehaftet und/oder unbrauchbar sind.

2A zeigt die typischen Strömungsmuster von Formationsfluiden, wenn sie aus einer unterirdischen Formation 16 in ein an einer Drahtleitung befördertes Bohrlochwerkzeug 1a strömen. Das Bohrlochwerkzeug 1a ist in der Nähe der Formation 16 positioniert, wobei eine Sonde 2a vom Bohrlochwerkzeug 1a durch den Schlammkuchen 15 ausgefahren ist, um mit der Seitenwand 17 des Bohrlochs 14 in einen abdichtenden Eingriff zu gelangen. Die Sonde 2a wird dadurch in eine Fluidverbindung mit der Formation 16 gebracht, so dass Formationsfluid in das Bohrlochwerkzeug 1a geleitet werden kann. Anfänglich, wie in 1 gezeigt ist, umgibt die Eindringzone 19 die Seitenwand 17 und enthält Verschmutzungen 20. Wenn durch das Bohrlochwerkzeug 1a ein Differenzdruck erzeugt wird, um Fluid aus der Formation 16 anzusaugen, wird das verschmutzte Fluid 20 aus der Eindringzone 19 zuerst in die Sonde 2a angesaugt (was in den 1 und 2A nicht speziell gezeigt ist), wodurch zur Probenahme ungeeignetes Fluid entsteht. Nachdem jedoch eine bestimmte Menge an verschmutztem Fluid 20 durch die Sonde 2a geströmt ist, bricht das jungfräuliche Fluid 22 durch die Eindringzone 19 und beginnt, über die Sonde 2a in das Bohrlochwerkzeug 1a einzudringen. Genauer, wie in 2A gezeigt ist, gibt ein Mittelabschnitt des aus der Eindringzone 19 in die Sonde 2a strömenden verschmutzten Fluids 20 den Weg für das jungfräuliche Fluid 22 frei, während der restliche Abschnitt des gebildeten Fluids verschmutztes Fluid 20 ist. Die Herausforderung bleibt das Anpassen der Strömung der Formationsfluide in der Weise, dass während der Probenahme zuverlässig jungfräuliches Fluid 22 im Bohrlochwerkzeug 1a gesammelt wird.

28 zeigt die typischen Strömungsmuster von Formationsfluiden, wenn sie aus einer unterirdischen Formation 16 in ein an einem Bohrstrang befördertes Bohrlochwerkzeug 1b strömen. Das Bohrlochwerkzeug 1b wird neben einem oder mehreren Bohrwerkzeugen für das Messen während des Bohrens (MWD, measurement-while-drilling) oder Protokollieren während des Bohrens (LWD, logging-while-drilling), wobei es selbst ein solches sein kann, oder anderen Bohrwerkzeugen, die dem Fachmann bekannt sind, befördert. Das Bohrlochwerkzeug 1b verwendet eine Sonde 2b, um in ähnlicher Weise wie das Bohrlochwerkzeug 1a und die Sonde 2a, die oben beschrieben worden sind, in einen abdichtenden Eingriff zu gelangen und Fluid aus der Formation 16 anzusaugen.

Daher ist es für ein gültiges Prüfen wünschenswert, hinreichend "sauberes" oder "jungfräuliches" Fluid aus dem verschmutzten Fluid zu extrahieren oder von diesem zu trennen. Mit anderen Worten, das entnommene Formationsfluid sollte wenig oder keine Verschmutzung aufweisen. Es sind Versuche gemacht worden, um Schmutzstoffe daran zu hindern, mit dem Formationsfluid in das Bohrlochwerkzeug einzudringen. Wie in US 4 951 749 gezeigt ist, sind beispielsweise Filter in Sonden positioniert worden, um Schmutzstoffe daran zu hindern, mit dem Formationsfluid in das Bohrlochwerkzeug einzudringen.

Weitere Techniken, die auf das Beseitigen von Schmutzstoffen während der Probenahme gerichtet sind, sind in US 2004/0000433 und in US 6 301 959 vorgesehen. Die 3 und 4 sind schematische Darstellungen der in US 6 301 959 offenbarten Sondenlösung. US 6 301 959 beschreibt ein Fluidprobenahme-Druckstück 13, das gegen die Bohrlochwand gedrückt wird. Ein Sondenrohr 18 erstreckt sich von der Mitte des Druckstücks und ist durch eine Fließlinie 23a mit einer Probenkammer 27a verbunden. Die Sonde ist von einem Schutzring 12 umgeben, der Öffnungen aufweist, die mit seiner eigenen Fließlinie 23b und mit der Probenkammer 27b verbunden sind. Diese Konfiguration ist dazu gedacht, Zonen derart zu schaffen, dass Fluid, das in die Sonde strömt, im Wesentlichen frei von verschmutztem Bohrlochfluid ist.

Trotz solcher Fortschritte bei der Fluidprobenahme besteht noch immer ein Bedarf, die Kontamination während der Formationsbewertung zu verringern. In manchen Fällen kann eine Querströmung zwischen benachbarten Fließlinien eine gegenseitige Verschmutzung hervorrufen. Es sollten Techniken bereitgestellt sein, die zur Reduktion des Kontaminationsflusses von Formationsfluid, das in das Bohrlochwerkzeug eintritt, und/oder zur Trennung von sauberem Formationsfluid und Verschmutzungen beim Eindringen von sauberem Fluid in das Bohrlochwerkzeug beitragen. Ferner sollte ein solches System unter anderem wenigstens zum Teil zu Folgendem fähig sein: Schaffen einer guten Abdichtung an der Formation, Verstärken des Flusses von sauberem Fluid in das Werkzeug, Optimieren des Fluidflusses in das Bohrlochwerkzeug, Verhindern einer Kontamination von sauberem Fluid beim Eindringen in das Bohrlochwerkzeug, Trennen von verschmutztem Fluid und sauberem Fluid, Optimieren des Fluidflusses in das Bohrlochwerkzeug, um die Kontamination von sauberem Fluid, das in das Bohrlochwerkzeug fließt, zu verringern, und Schaffen einer Flexibilität beim Transport von Fluiden, die in das Bohrlochwerkzeug fließen.

Die Aufgabe der Erfindung ist es daher, Vorrichtungen und Verfahren zur Formationsbewertung zu schaffen, bei denen die oben genannten Probleme nicht bestehen.

Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 14 bzw. durch ein Verfahren nach Anspruch 24. Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.

In wenigstens einem Aspekt bezieht sich die Erfindung auf eine Sondenbaugruppe, die durch ein Bohrlochwerkzeug, das in einem Bohrloch, das von einer Schicht aus verschmutztem Fluid umgeben ist, angeordnet ist, einsetzbar ist. Das Bohrloch durchdringt eine unterirdische Formation, die jenseits der Schicht aus verschmutztem Fluid ein jungfräuliches Fluid enthält. Die Sondenbaugruppe umfasst einen Sondenkörper, der vom Bohrlochwerkzeug ausfahrbar ist. Durch den Sondenkörper wird ein Dichtungsstück getragen, das eine distale Oberfläche aufweist, die für einen abdichtenden Eingriff mit einem Abschnitt des Bohrlochs geeignet ist. Das Dichtungsstück besitzt einen Außendurchmesser und einen Innendurchmesser (oder einen Außenumfang und einen Innenumfang), wobei der Innendurchmesser durch eine Bohrung durch das Dichtungsstück definiert ist. Das Dichtungsstück ist vorzugsweise elastomerisch wie etwa ein für Bohrlochbedingungen geeignetes Gummimaterial. Das Dichtungsstück ist vorzugsweise mit einem oder mehreren Kanälen, die in der distalen Oberfläche ausgebildet und so angeordnet sind, dass sie einen ringförmigen Reinigungseinlass zwischen dem Innendurchmesser und dem Außendurchmesser definieren, versehen. In dem einen oder den mehreren Kanälen sind mehrere Verstrebungen angeordnet, die wirksam verbunden sind, um einen elastischen Verstrebungsring zu definieren. Durch das Dichtungsstück verläuft wenigstens ein Durchgang, um jungfräuliches Fluid oder verschmutztes Fluid oder Kombinationen davon zwischen dem einen oder den mehreren Kanälen und einem ersten Einlass im Sondenkörper zu leiten. Der erste Einlass im Sondenkörper steht mit dem Bohrlochwerkzeug in Fluidverbindung. In der Bohrung des Dichtungsstücks ist ein Probenahmerohr in dichter Weise angeordnet, um jungfräuliches Fluid in einen zweiten Einlass im Sondenkörper zu leiten. Der zweite Einlass im Bohrlochwerkzeug steht ebenfalls mit dem Bohrlochwerkzeug in Fluidverbindung.

In einer besonderen Ausführungsform ist der Sondenkörper durch Hydraulikdruck, der vom Bohrlochwerkzeug geliefert wird, ausfahrbar. Das Probenahmerohr kann ebenfalls durch Hydraulikdruck, der vom Bohrlochwerkzeug geliefert wird, ausfahrbar sein.

Das Probenahmerohr ist vorzugsweise mit einem Filter versehen, um Teilchen aus dem jungfräulichen Formationsfluid, das zum Probenahmerohr vorgelassen wurde, herauszufiltern. Vorzugsweise ist das Probenahmerohr ferner mit einem Kolben ausgestattet, der vom Sondenkörper ausfahrbar ist, um mit dem Ausfahren des Kolbens relativ zum Probenahmerohr Teilchen aus dem Letzteren auszustoßen. Ein solcher Kolben kann z. B. einen axialen Durchgang enthalten und in seiner Seitenwand mehrere Perforationen aufweisen, um jungfräuliches Fluid, das zum Probenahmerohr vorgelassen wurde, zum axialen Durchgang zu leiten. Der axiale Durchgang steht in Fluidverbindung mit dem zweiten Einlass im Sondenkörper.

Die Dichtungsstückverstrebungen können integral mit dem Dichtungsstück ausgebildet sein oder, sofern sie ausreichend elastisch sind, in den einen oder die mehreren Dichtungsstückkanäle eingepresst sein. Demgemäß kann das Dichtungsstück mit einem durchgehenden ringförmigen Kanal, der in der distalen Oberfläche zwischen ihrem Innendurchmesser und ihrem Außendurchmesser ausgebildet ist, oder mit mehreren Kanälen, die in der distalen Oberfläche ausgebildet und so angeordnet sind, dass sie zwischen ihrem Innendurchmesser und ihrem Außendurchmesser einen ringförmigen Reinigungseinlass definieren, versehen sein. Im letzteren Fall ist das Dichtungsstück mit mehreren Durchgängen versehen, die jeweils hindurch verlaufen, um jungfräuliches Fluid oder verschmutztes Fluid oder Kombinationen davon zwischen einem der Kanäle und dem ersten Einlass im Sondenkörper zu leiten.

In einer besonderen Ausführungsform ist jeder der Durchgänge im Dichtungsstück mit einem Rohr verkleidet, um z. B. die Durchgänge unter Druckbelastungen des Dichtungsstücks zu verstreben. Solche Rohre können, z. B. durch Gießen des Dichtungsstücks um die Rohre, integral mit dem Dichtungsstücken ausgebildet sein.

Der durch den einen oder die mehreren Kanäle im Dichtungsstück definierte ringförmige Reinigungseinlass ist vorzugsweise kreisförmig. Es sind bestimmte Größenverhältnisse, die den ringförmigen Reinigungseinlass kennzeichnen, wünschenswert. Insbesondere ist der Innendurchmesser des ringförmigen Reinigungseinlasses vorzugsweise etwa 2- bis 2,5-mal so weit wie der Innendurchmesser des Probenahmerohrs. Außerdem ist der Außendurchmesser des ringförmigen Reinigungseinlasses vorzugsweise 2,5- bis 3-mal so groß wie der Innendurchmesser des Probenahmerohrs. Ferner ist der Außendurchmesser des ringförmigen Reinigungseinlasses etwa 1,2-mal so weit wie der Innendurchmesser des ringförmigen Reinigungseinlasses.

In einem weiteren Aspekt stellt die Erfindung eine alternative Sondenbaugruppe bereit, die einen Sondenkörper, der vom Bohrlochwerkzeug ausfahrbar ist, und ein äußeres Dichtungsstück umfasst, das durch den Sondenkörper getragen wird, um mit einem ersten ringförmigen Abschnitt des Bohrlochs in einen abdichtenden Eingriff zu gelangen. Das äußere Dichtungsstück weist eine hindurch verlaufende Bohrung auf. In der Bohrung des äußeren Dichtungsstücks ist ein Probenahmerohr angeordnet, das dazwischen einen Ringraum bildet. Das Probenahmerohr ist vom Sondenkörper ausfahrbar und trägt an seinem distalen Ende ein inneres Dichtungsstück, das mit einem zweiten ringförmigen Abschnitt des Bohrlochs innerhalb des ersten ringförmigen Abschnitts in einen abdichtenden Eingriff gelangen kann. Ein erster Einlass im Sondenkörper steht mit dem Ringraum in Fluidverbindung, um jungfräuliches Fluid oder verschmutztes Fluid oder Kombinationen davon in das Bohrlochwerkzeug zu lassen. Ein zweiter Einlass im Sondenkörper steht mit dem Probenahmerohr in Fluidverbindung, um jungfräuliches Fluid in das Bohrlochwerkzeug zu lassen.

Das Probenahmerohr ist vorzugsweise mit einem Filter versehen, um Teilchen aus dem jungfräulichen Formationsfluid, das zum Probenahmerohr vorgelassen wurde, herauszufiltern. In einer besonderen Ausführungsform umfasst das Filter einen perforierten Abschnitt des Probenahmerohrs. Das Probenahmerohr ist ferner vorzugsweise mit einem Außenflansch versehen, um Teilchen mit dem Ausfahren des Probenahmerohrs relativ zum äußeren Dichtungsstück aus dem Ringraum auszustoßen.

In einer besonderen Ausführungsform kann im Probenahmerohr ein Kolben angeordnet sein, der vom Sondenkörper ausfahrbar ist, um beim Ausfahren relativ zum Probenahmerohr Teilchen aus dem Letzteren auszustoßen. Der Kolben kann z. B. einen axialen Durchgang enthalten und eine oder mehrere Perforationen in seiner Seitenwand aufweisen, um jungfräuliches Fluid, das zum Probenahmerohr vorgelassen wurde, zum axialen Durchgang zu leiten. Der axiale Durchgang steht mit dem zweiten Einlass im Sondenkörper in Fluidverbindung.

Das Probenahmerohr weist vorzugsweise an seinem distalen Ende ein Dichtungsstück auf.

In einer besonderen Ausführungsform gemäß diesem Aspekt der Erfindung umfasst die Sondenbaugruppe ferner eine rohrförmige Verstrebung, die in dem Ringraum angeordnet ist, um das äußere Dichtungsstück zu unterstützen.

Die rohrförmige Verstrebung kann mit einem Filter versehen sein, um Teilchen aus dem jungfräulichen Fluid oder dem verschmutzten Fluid oder Kombinationen davon, die zum Ringraum vorgelassen wurden, herauszufiltern. Das Filter kann einen perforierten Abschnitt der rohrförmigen Verstrebung umfassen. Insbesondere kann sowohl die rohrförmige Verstrebung als auch das Probenahmerohr mit Filtern ausgestattet sein, die zusammenwirken, um das jungfräuliche Fluid oder das verschmutzte Fluid oder Kombinationen davon, die zum Ringraum vorgelassen wurden, zu filtern.

In ähnlicher Weise wie das Probenahmerohr kann die rohrförmige Verstrebung durch Hydraulikdruck, der vom Bohrlochwerkzeug geliefert wird, ausfahrbar sein. Vorzugsweise ist das Probenahmerohr bis zu einem größeren Grad ausfahrbar als die rohrförmige Verstrebung, um eine Erosion des Bohrlochs vor allem beim Probenahmerohr oder in dessen Nähe auszugleichen.

In einem weiteren Aspekt schafft die Erfindung ein Verfahren zum Erlangen einer Probe eines jungfräulichen Fluids aus einer unterirdischen Formation, die von einem Bohrloch durchdrungen ist, das von einer Schicht aus verschmutztem Fluid umgeben ist. Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst die Schritte, in denen eine Abdichtung an einem ersten ringförmigen Abschnitt des Bohrlochs ausgeführt wird und eine Abdichtung an einem zweiten ringförmigen Abschnitt des Bohrlochs innerhalb des ersten ringförmigen Abschnitts ausgeführt wird. Diese Schritte führen zur Isolation eines ringförmigen Abschnitts des Bohrlochs zwischen dem ersten und dem zweiten ringförmigen Abschnitt sowie zur Isolation eines kreisförmigen Abschnitts des Bohrlochs innerhalb des ersten ringförmigen Abschnitts. Danach wird Fluid, das jungfräuliches Fluid oder verschmutztes Fluid oder Kombinationen davon umfasst, durch den isolierten ringförmigen Abschnitt des Bohrlochs hindurch angesaugt. Außerdem wird jungfräuliches Fluid durch den isolierten kreisförmigen Abschnitt des Bohrlochs hindurch angesaugt. Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst vorzugsweise den weiteren Schritt, in dem das durch den isolierten kreisförmigen Abschnitt des Bohrlochs hindurch angesaugte jungfräuliche Fluid gesammelt wird.

In einer besonderen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird mittels eines ausfahrbaren äußeren Dichtungsstücks eine Abdichtung an dem ersten ringförmigen Abschnitt und mittels eines ausfahrbaren inneren Dichtungsstücks eine Abdichtung an dem zweiten ringförmigen Abschnitt ausgeführt. Das innere Dichtungsstück ist wahlweise über das äußere Dichtungsstück hinaus ausfahrbar. Das äußere und das innere Dichtungsstück sind Komponenten einer Sondenbaugruppe, die an einem im Bohrloch angeordneten Bohrlochwerkzeug befördert wird. In dieser Ausführungsform werden mittels der Sondenbaugruppe und des Bohrlochwerkzeugs die Schritte, in denen Fluid angesaugt wird und Fluid gesammelt wird, ausgeführt.

In einem weiteren Aspekt stellt die Erfindung eine Vorrichtung bereit zum Kennzeichnen einer unterirdischen Formation, die von einem Bohrloch durchdrungen ist, das von einer Schicht aus verschmutztem Fluid umgeben ist. Die unterirdische Formation enthält jenseits der Schicht aus verschmutztem Fluid ein jungfräuliches Fluid. Die Vorrichtung umfasst ein Bohrlochwerkzeug, das für die Beförderung im Bohrloch geeignet ist, und eine Sondenbaugruppe, die durch das Bohrlochwerkzeug getragen wird, um Fluidproben zu entnehmen. Die Sondenbaugruppe ist vorzugsweise wie oben beschrieben ausgerüstet, d. h., dass die Sondenbaugruppe einen Sondenkörper, ein äußeres Dichtungsstück und ein Probenahmerohr, das in der Bohrung des äußeren Dichtungsstücks angeordnet ist und an seinem distalen Ende ein inneres Dichtungsstück trägt, umfasst. Ferner ist ein Stellglied vorgesehen, um den Sondenkörper zwischen einer eingefahrenen Position während der Beförderung des Bohrlochwerkzeugs und einer ausgefahrenen Position während der Entnahme von Fluidproben zu verschieben. Das Stellglied ist vorzugsweise betätigbar, um auch das Probenahmerohr zwischen einer eingefahrenen Position und einer ausgefahrenen Position in der Weise zu verschieben, dass das innere Dichtungsstück mit dem zweiten ringförmigen Abschnitt des Bohrlochs in einen abdichtenden Eingriff gelangt.

In einer besonderen Ausführungsform umfasst die erfindungsgemäße Vorrichtung ferner eine Fließlinie, die durch einen Abschnitt des Bohrlochwerkzeugs verläuft und mit dem ersten und dem zweiten Einlass der Sondenbaugruppe in Fluidverbindung steht, um jungfräuliches Fluid oder verschmutztes Fluid oder Kombinationen davon in das Bohrlochwerkzeug zu lassen. Im Bohrlochwerkzeug sind eine oder mehrere Pumpen aufgenommen, die über die Fließlinie jungfräuliches Fluid oder verschmutztes Fluid oder Kombinationen davon in das Bohrlochwerkzeug ansaugen. Vorzugsweise ist im Bohrlochwerkzeug ferner eine Probenkammer, um jungfräuliches Fluid oder verschmutztes Fluid oder Kombinationen davon von der (den) Pumpe(n) aufzunehmen, sowie ein Instrument zum Analysieren von Fluid, das über die Fließlinie und die Pumpe(n) angesaugt wird, getragen. Das Bohrlochwerkzeug kann zur Beförderung in einem Bohrloch über eine Drahtleitung, einen Bohrstrang oder eine Rohrwendel angepasst sein.

In einem nochmals weiteren Aspekt stellt die Erfindung ein Dichtungsstück bereit, das durch eine Sondenbaugruppe entfaltet wird, die an einem Bohrlochwerkzeug geführt ist, das in einem Bohrloch befördert wird, das eine unterirdischen Formation durchdringt, die von einer Schicht aus verschmutztem Fluid umgeben ist, wobei die unterirdische Formation jenseits der Schicht aus verschmutztem Fluid ein jungfräuliches Fluid enthält. Das Dichtungsstück umfasst einen elastomeren Dichtungsstückkörper, der eine distale Oberfläche aufweist, die für einen abdichtenden Eingriff mit einem Abschnitt des Bohrlochs geeignet ist. Der Dichtungsstückkörper besitzt einen Außendurchmesser und einen Innendurchmesser, wobei der Innendurchmesser durch eine Bohrung durch den Dichtungsstückkörper definiert ist. Der Dichtungsstückkörper ist ferner mit einem oder mehreren Kanälen versehen, die in der distalen Oberfläche ausgebildet und zu einem ringförmigen Reinigungseinlass zwischen dem Innendurchmesser und dem Außendurchmesser angeordnet sind. In dem einen oder den mehreren Kanälen des Dichtungsstückkörpers sind mehrere Verstrebungen angeordnet und wirksam verbunden, um einen elastischen Verstrebungsring zu definieren. Durch den Dichtungsstückkörper verläuft wenigstens ein Durchgang, um jungfräuliches Fluid oder verschmutztes Fluid oder Kombinationen davon durch den Dichtungsstückkörper zu leiten.

Weitere Aspekte und Vorteile der Erfindung werden deutlich anhand der folgenden Beschreibung und der angehängten Ansprüche, die auf die folgenden Abbildungen Bezug nehmen.
1, die bereits erwähnt worden ist, ist eine schematische, vertikale Ansicht einer unterirdischen Formation, die von einem Bohrloch, das mit Schlammkuchen ausgekleidet ist, durchdrungen ist.
Die 2A–2B, die bereits erwähnt worden sind, sind schematische, vertikale Ansichten eines an einer Drahtleitung bzw. an einem Bohrstrang beförderten Bohrlochwerkzeugs, das jeweils in dem Bohrloch von 1 angeordnet ist, wobei eine Sonde mit der Formation in Eingriff ist, wobei die Figuren ferner den Fluss von verschmutztem und von jungfräulichem Fluid in das Bohrlochwerkzeug zeigen.
3, die bereits erwähnt worden ist, ist eine schematische, vertikale Ansicht eines Bohrlochwerkzeugs im Stand der Technik, das ein Dichtungsstück verwendet, das mit einem Schutzring versehen ist, um Formationsfluid, das in ein Probenahmerohr strömt, zu isolieren.
4, die bereits erwähnt worden ist, ist eine Seitenschnittansicht des Dichtungsstücks von 3.
5 ist eine schematische, vertikale Ansicht eines Abschnitts eines Bohrlochwerkzeugs, das ein Fluidprobenahmesystem und eine Sondenbaugruppe enthält.
5A ist eine längs der Schnittlinie 5A-5A aufgenommene Schnittansicht der Sondenbaugruppe von 5.
6 ist eine detaillierte schematische Ansicht einer zur Sondenbaugruppe von 5 alternativen Sondenbaugruppe.
Die 7A–7F zeigen verschiedene Konfigurationen eines ringförmigen Reinigungseinlasses, der von der Sondenbaugruppe verwendbar ist.
Die 8A–8G zeigen Stirnansichten von verschiedenen Verstrebungen oder Verstrebungselementen, die in dem ringförmigen Reinigungseinlass der Sondenbaugruppe verwendbar sind.
Die 8H–8N zeigen Draufsichten der verschiedenen Verstrebungen oder Verstrebungselemente, die in dem ringförmigen Reinigungseinlass der Sondenbaugruppe verwendbar sind.
Die 9A–9B zeigen weitere Konfigurationen von Verstrebungen, die in dem ringförmigen Reinigungseinlass der Sondenbaugruppe verwendbar sind.
10A–10B zeigen verschiedene Formen von Fluiddurchlässen, die in der Sondenbaugruppe verwendbar sind.
11 ist eine schematische, vertikale Ansicht einer zu den Sondenbaugruppen von 5 bzw. 6 alternativen Sondenbaugruppe.
Die 12A–12E zeigen detaillierte Ansichten einer zur Sondenbaugruppe von 11 alternativen Sondenbaugruppe in jeweiligen Betriebsabläufen.
13 ist eine schematische, vertikale Ansicht einer alternativen Sondenbaugruppe mit einem rohrförmigen Verteiler.
14 ist eine längs der Schnittlinie 14-14 aufgenommene Querschnittsansicht der Baugruppe von 13.
15 ist eine schematische, vertikale Ansicht der Sondenbaugruppe von 13 mit einem Innenflansch.
16 ist ein Graph, der die Beziehung zwischen dem Differenzdruck und Probenahmeleistungsaufteilung zwischen einem Probenahmeeinlass und einem Reinigungseinlass zeigt.
Gegenwärtig bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind in den oben identifizierten Figuren gezeigt und werden im Folgenden genau beschrieben. Beim Beschreiben der bevorzugten Ausführungsformen werden ähnliche oder gleiche Bezugszeichen verwendet, um gemeinsame oder ähnliche Elemente zu identifizieren. Die Figuren sind nicht unbedingt maßstäblich, wobei bestimmte Merkmale und bestimmte Ansichten der Figuren zugunsten der Klarheit und Prägnanz im Maßstab übertrieben oder schematisch gezeigt sind.
In dieser Beschreibung werden bestimmte Begriffe definiert, wenn sie das erste Mal verwendet werden, während andere in dieser Beschreibung verwendete Begriffe wie folgt definiert sind:
"Ringförmig" bezieht sich auf eine Linie, ein Band oder eine Anordnung in Form einer geschlossenen Kurve wie etwa einen Kreis oder eine Ellipse.
"Verschmutztes Fluid" bedeutet ein Fluid, dass im Allgemeinen für die Kohlenwasserstoff-Fluidprobenahme und/oder Bewertung nicht annehmbar ist, da es Verschmutzungen wie etwa ein Filtrat des beim Bohren im Bohrloch verwendeten Schlamms enthält.
"Bohrlochwerkzeug" bedeutet ein Werkzeug, das mit Hilfe von Mitteln wie etwa eines Bohrstrangs, einer Drahtleitung oder einer Rohrwendel in das Bohrloch gefahren wird, um Bohrlochvorgänge, die mit der Bewertung, der Förderung und/oder dem Management einer oder mehrerer interessierenden unterirdischen Formationen zusammenhängen.
"Wirksam verbunden" bedeutet direkt oder indirekt verbunden, um Informationen, Kräfte, Energie oder Stoffe (einschließlich Fluiden) zu übertragen oder zu leiten.
"Jungfräuliches Fluid" bedeutet ein unterirdisches Fluid, das hinreichend rein, unverdorben, fossil und nicht verunreinigt ist oder anderweitig bei der Fluidprobenahme und im Analysefeld als annehmbar repräsentativ für eine gegebene Formation betrachtet wird, um eine gültige Kohlenwasserstoffprobenahme und/oder Bewertung zu ergeben.
In 5 ist ein Fluidprobenahmesystem 526 eines Bohrlochwerkzeugs 510 gezeigt, das eine Sondenbaugruppe 525 und einen Fließabschnitt 521 umfasst, um wahlweise Formationsfluid in den gewünschten Abschnitt des Bohrlochwerkzeugs 510 anzusaugen. Das Bohrlochwerkzeug 510 wird in einem Bohrloch 514 befördert, das von einer Eindringzone 519 umgeben ist, die eine Schicht aus verschmutztem Fluid 520 enthält. Das Bohrloch 514 durchdringt eine unterirdische Formation 516, die jenseits der Schicht aus verschmutztem Fluid 520 ein jungfräuliches Fluid 522 enthält.
Die Sondenbaugruppe 525 umfasst einen Sondenkörper 530, der mittels Zugstufenkolben 533 oder eines anderen geeigneten Stellglieds wahlweise ausfahrbar ist, um den Sondenkörper 530 zwischen einer eingefahrenen Position während der Beförderung des Bohrlochwerkzeugs 510 und einer ausgefahrenen Position während der Entnahme von Fluidproben (wobei in 5 die letztere Position gezeigt ist) zu verschieben. Durch den Sondenkörper 530 wird ein zylindrisches Dichtungsstück 531 getragen, das eine distale Oberfläche 531s aufweist, die für einen abdichtenden Eingriff mit dem Schlammkuchen 515 und einen abdichtenden Eingriff mit einem Abschnitt der Bohrlochwand 517 geeignet ist. Die distale Oberfläche 531s kann mit einer Krümmung ausgebildet sein, die durch die Oberfläche 531s' in der Dichtungsstückausführungsform von 6 gezeigt ist, um sich in dieser Weise an die erwartete Krümmung der Bohrlochwand 517 zugunsten einer zuverlässigeren Abdichtung an dieser anpassen zu können.
In 5A ist ein Dichtungsstück 531 gezeigt, das aus einem geeigneten Werkstoff (der auf dem Fachgebiet wohlbekannt ist) wie etwa Gummi gefertigt ist und einen Außendurchmesser d₁ sowie einen Innendurchmesser d₂ besitzt, wobei der Innendurchmesser d₂ durch eine (nicht bezeichnete) Bohrung durch das Dichtungsstück 531 definiert ist. Das Dichtungsstück 531 ist ferner mit einem Kanal 534c versehen, der in seiner distalen Oberfläche 531s ausgebildet ist und so angeordnet ist, dass er einen ringförmigen Reinigungseinlass 534i zwischen dem Außendurchmesser d₁ und dem Innendurchmesser, d₂ definiert. Das Dichtungsstück 531 kann durch Vergießen des Dichtungsstückmaterials um ein Probenahmerohr 527 (das später beschrieben wird) gebildet sein, womit diese Komponenten der Dichtungsstückbaugruppe 525 integral ausgebildet sind. Der Einlasskanal (oder die Einlasskanäle, wie es der Fall sein kann) wird (werden) dann in die distale Oberfläche 531s des Dichtungsstücks 531 (d. h. in seine Vorderseite) geschnitten, um den ringförmigen Reinigungseinlassbereich 534i zu schaffen.
In den 7A–9B sind verschiedene Aspekte der Sonde, die Einzelheiten bezüglich der Dichtungsstückverstrebungen 535u₂ , des Reinigungseinlasses 534i und des (der) zugeordneten Kanals (Kanäle) 534c von 5 darstellen, gezeigt. Obwohl die Ausführungsform nach den 5 und 5A mit einem einzigen durchgehenden Kanal 534c gezeigt ist, schließt die Erfindung Dichtungsstückausführungsformen mit ein, die mehrere diskrete Kanäle aufweisen, die so angeordnet sind, dass die den ringförmigen Reinigungseinlass 534i definieren. Somit kann, wie in den 7A–7F gezeigt ist, das Dichtungsstück 531 verschiedenartige Konfigurationen wie etwa einen einzigen durchgehenden Kanal 534c₁ , mehrere beabstandete trapezförmige Kanäle 534c₂ , beabstandete kreisförmige Kanäle 534c₃ , beabstandete rechtwinklige Kanäle 534c₄ , benachbarte trapezförmige Kanäle 534c₅ und lang gestreckte Kanäle 534c₆ verwenden. Der Kanal und/oder die Reinigungseinlässe können so angeordnet sein, dass ein Kreis, wie in 7A gezeigt ist, ein Oval, wie in 7F gezeigt ist, oder eine andere Geometrie gebildet ist.
Die 7A–7F zeigen ferner mehrere Verstrebungen (auch Verstrebungselemente genannt) 535, die in dem einen oder den mehreren Kanälen angeordnet sind. Diese Verstrebungen sowie weitere Verstrebungsgestaltungen sind in den 8A-8P näher gezeigt. Die Verstrebungen verwenden verschiedene Formen, um Komplemente zu den Kanalformen zu bilden, und können ferner verschiedenartige Querschnitte einschließlich der verschiedenen U-, V-, X- und Ω-förmigen Querschnitte, die von den Verstrebungen 535u₁ –535u₇ verwendet werden, die in den 8A–8G gezeigt sind, und verschiedene symmetrische und asymmetrische ebene Profile, die in den 8H–8N gezeigt sind, besitzen.
Weitere alternative Ausführungsformen der Verstrebungen 535u_8-9 sind in den 9A–9C gezeigt. Somit können die Verstrebungen eine Vielzahl paralleler, geradliniger Komponenten 535u verwenden, die (in 9A an oberen Seiten der Verstrebungen 535u₈ , in 9B an mittleren Grundabschnitten der Verstrebungen 535u₉ ) wirksam verbunden sind, so dass sie verschiedene gitterartige oder siebartige Anordnungen bilden. Einem Fachmann ist klar, dass die verschiedenen anderen Gestaltungen in ähnlicher Weise verwendet werden können, um eine Vielzahl von Verstrebungen wirksam zu verbinden und dadurch eine erhöhte Verformbarkeit des Dichtungsstücks 531 zu erreichen. Die Vorzüge einer solchen erhöhten Verformbarkeit werden nun beschrieben.
Wie in den 7A–7F weiter gezeigt ist, sind die Verstrebungen 535u vorzugsweise, z. B. kettengliedartig, derart wirksam verbunden, dass sie einen elastischen Verstrebungsring definieren, und in einer geschlossenen Kurve ausgebildet, um sich in den einen oder die mehreren Kanäle 534c einzufügen. Diesbezüglich zeigt 8H zudem, dass die Verstrebungen 535 mit einer ersten Öffnung 556, um Fluid zu den Dichtungsstückdurchgängen 528 (die später beschrieben werden) zu leiten, und einer zweiten Öffnung 558, um die Verstrebungen miteinander zu verbinden und/oder in dem Dichtungsstückmaterial zu befestigen, versehen sein können. Diese Öffnungen 556, 558 können in den jeweiligen Verstrebungen verschiedene Formen, Größen und Gestaltungen besitzen. Einem Fachmann ist klar, dass die Verstrebungen 535u wünschenswerterweise die Verschiebung der Sondenbaugruppe 525, vor allem des Dichtungsstücks 531, während Probenahmevorgängen erleichtern (siehe z. B. 5). Der Grund dafür ist, dass die über die distale Oberfläche 531s des Dichtungsstücks 531 gebildete Abdichtung von der Verformbarkeit des Dichtungsstücks 531 an seiner Vorderseite abhängt (dies gilt vor allem bei Anwendungen im unverrohrten Loch). Ein herkömmliches Dichtungsstück neigt dazu, sich zuallererst als festes Teil zu verschieben. Dies gilt auch in etwa für Dichtungsstücke im Stand der Technik, die feste Schutzringe verwenden. Die Verwendung von diskreten, jedoch wirksam verbundenen Verstrebungen gemäß der Erfindung führt zu einer erhöhten elastischen Verformbarkeit des Dichtungsstücks 531. Folglich können sich z. B. Abschnitte der Dichtungsstückoberfläche 531s innerhalb des ringförmigen Reinigungseinlasses 534i unabhängig von den Abschnitten der Dichtungsstückoberfläche 531s außerhalb des ringförmigen Reinigungseinlasses 534i freier verformen.
Die Dichtungsstückverstrebungen 535 können etwa durch Vulkanisieren integral mit dem Dichtungsstück 531 ausgebildet sein oder, falls sie hinreichend elastisch sind, in den einen oder die mehreren Dichtungsstückkanäle 534c eingepresst sein. In jedem Fall müssen die Verstrebungen eine ausreichende Steifigkeit und/oder Federsteife aufweisen, um dem Zusammendrücken des Dichtungsstückmaterials, wenn das Dichtungsstück an der Bohrlochwand 517 zusammengedrückt wird, zu widerstehen. Die Steifigkeit kann durch die geeignete Werkstoffwahl und über die Geometrie erzielt werden. Somit besitzen z. B. bestimmte Verstrebungsausführungsformen 535u₁ , die in den 6 und 8A gezeigt sind, U-förmige Querschnitte mit durch einen Winkel α von vorzugsweise mindestens 7° definierten Öffnungen.
Wie in 5 weiter gezeigt ist, erstreckt sich wenigstens ein Durchgang 528 durch das Dichtungsstück 531, um jungfräuliches Fluid 522 oder verschmutztes Fluid 520 oder Kombinationen davon zwischen dem einen oder den mehreren Kanälen 534c und einem ersten Einlass 540 im Sondenkörper 530 zu leiten. Der erste Einlass 540 im Sondenkörper steht mit dem Bohrlochwerkzeug 510 in einer Weise, die später beschrieben wird, in Fluidverbindung. In Ausführungsformen, die mehrere Kanäle, die den ringförmigen Reinigungseinlass 534i bilden, aufweisen, ist das Dichtungsstück 531 mit mehreren entsprechenden Durchgängen 528 versehen, die jeweils hindurch verlaufen, um jungfräuliches Fluid 522 oder verschmutztes Fluid 520 oder Kombinationen davon zwischen einem der Kanäle 534c und einem ersten Einlass 540 im Sondenkörper 530 zu leiten.
Jeder der Durchgänge 528 im Dichtungsstück 531 ist vorzugsweise mit einem Rohr 529 verkleidet, um z. B. mit diesem das Dichtungsstückmaterial, das unter der Druckbelastung auf den Durchgang zusammenzufallen droht, zu verstreben. Die Rohre sind vorzugsweise mit ihrem oberen Ende an der entsprechenden Kanalverstrebung 535u₂ fixiert und schweben an ihrem unteren Ende ziemlich frei in einer oder mehreren Rillen 530g im Sondenkörper 530 (siehe 6), um ein Zusammendrücken des Dichtungsstückmaterials unter Belastung zu ermöglichen. Solche Rohre können z. B. durch Gießen des Dichtungsstücks 531 um die Rohre integral mit diesem ausgebildet sein, wobei sich der Prozess für die Verwendung von Rohren eignet – und zu Durchgängen 528 führt – die verschiedene Formen und Gestalten besitzen. In den Durchgang 528 und/oder das Rohr 529 kann eine Feder 509 (9) oder eine Reihe von Ringen eingesetzt sein, die dazu beizutragen, zu verhindern, dass der Durchgang zusammenbricht.
10A zeigt eine weitere Sondenbaugruppe 1025, wobei hindurch verlaufende Durchgänge 529 dargestellt sind. Die Sondenbaugruppe ist mit Ausnahme, dass sie durch das Dichtungsstück 531 verlaufende Durchgänge unterschiedlicher Gestalt aufweist, im Wesentlichen die gleiche wie die Sondenbaugruppe von 5. Die Form der Durchgänge ist durch ein spiralförmiges Rohr 529' definiert. 10B zeigt ein Dichtungsstück 531, das Rohre unterschiedlicher Form, z. B. eine schraubenlinienartige Rohrwendel 529'' oder ein S-förmiges Rohr 529''', und dazu komplementäre Durchgänge verwendet. Diese verschiedenen gebogenen Rohre müssen nicht unbedingt (wie in 6) zwei schwebende Enden besitzen, da die vertikale Bewegung der Rohre, die unter Druckbelastung des Dichtungsstückmaterials vor sich geht, weitgehend von den seitlich wegführenden Abschnitten der Rohre ausgeht. 10B zeigt ferner, dass die Rohrenden in verschiedenen Orientierungen in den Sondenkörper (z. B. an einer Grundplatte 530b) münden können, beispielsweise senkrecht (siehe 529''') oder parallel (siehe 529'''') zur Vorderseite der Grundplatte.
Wie in 5 weiter gezeigt ist und oben bereits erwähnt worden ist, ist in der Bohrung des Dichtungsstücks 531 ein Probenahmerohr 527 in dichter Weise (abdichtend) angeordnet, um jungfräuliches Fluid 522 zu einem zweiten Einlass 538 im Sondenkörper 530 zu leiten. Der zweite Einlass 538 des Sondenkörpers 530, der später näher beschrieben wird, steht außerdem mit dem Bohrlochwerkzeug in Fluidverbindung.
Das Probenahmerohr 527 definiert einen Probenahmeeinlass 532 und arbeitet mit dem inneren Abschnitt des Dichtungsstücks 531 zusammen, um eine (nicht bezeichnete) Barriere zu definieren, die den ringförmigen Reinigungseinlass 534i vom Probenahmeeinlass 532 isoliert. Obwohl das Probenahmerohr 527 vorzugsweise konzentrisch zum Dichtungsstück 531 ist, können auch andere Dichtungsstück-/Sondengeometrien und -konfigurationen vorteilhaft verwendet werden.
In 6 ist eine alternative Sondenbaugruppe 525a gezeigt. Diese Sondenbaugruppe gleicht mit Ausnahme weniger Änderungen der Sondenbaugruppe 525 von 5. Beispielsweise ist am Sondenkörper 530a ein Dichtungsstück 531a positioniert, das einen hindurchführenden Kolben 536 enthält. Der Durchgang 528 weist ebenfalls einen ringförmigen Reinigungseinlass 534i mit Kanälen 534c₂ und Kanalverstrebungen 535u₁ auf. Das Probenahmerohr 527 kann seinerseits durch Hydraulikdruck, der vom Bohrlochwerkzeug geliefert wird, entgegen Kolbenfüßen 527p, die zur Gleitbewegung in einer Kammer 555 angeordnet sind, vom Sondenkörper 530a ausgefahren werden, um das Isolieren des Probenahmeeinlasses 532 vom ringförmigen Reinigungseinlass 534i zu unterstützen. Dieses Merkmal ist besonders vorteilhaft, wenn eine Erosion der Bohrlochwand gegenüber dem Probenahmeeinlass 532 angetroffen wird.
Das Probenahmerohr 527 ist vorzugsweise mit einem Filter ausgestattet, um Teilchen aus dem jungfräulichen Formationsfluid, das zum Probenahmeeinlass 532 des Probenahmerohrs 527 vorgelassen wurde, herauszufiltern. Diese Filtertätigkeit kann durch mehrere Perforationen 536p in der Seitenwand eines Kolbens 536, der im Probenahmerohr 527 gleitend angeordnet ist, ausgeführt werden. Der Kolben 536 ist durch Hydraulikdruck vom Sondenkörper 530a ausfahrbar und weist einen Kolbenkopf 536h mit einem vergrößerten Durchmesser auf, um mit dem Ausfahren des Kolbens 536 relativ zum Probenahmerohr 527 Teilchen (z. B. Bohrschlammaufbauten) zu ergreifen und aus dem Probenahmeeinlass 532 auszustoßen. Der Kolben enthält ferner z. B. einen axialen Durchgang 557, der mit den Perforationen 536p in der Kolbenseitenwand in Fluidverbindung steht, um jungfräuliches Fluid, das zum Probenahmeeinlass 532 vorgelassen wurde, zum axialen Durchgang 557 zu leiten. Der axiale Durchgang steht mit dem zweiten Einlass 538 (5) im Sondenkörper in Fluidverbindung.
In 11 ist eine mit 1125 bezeichnete alternative Ausführungsform der Sondenbaugruppe schematisch gezeigt. In dieser Ausführungsform weist das (äußere) Dichtungsstück 1131 an sich keinen Reinigungseinlass auf, sondern arbeitet mit einem inneren Dichtungsstück 1159 zusammen, um einen ringförmigen Reinigungseinlass 1134i zu definieren. Somit wird das äußere Dichtungsstück 1131 durch den Sondenkörper 1130 getragen, um mit einem ersten ringförmigen Abschnitt 1160 der Bohrlochwand 1117 in einen abdichtenden Eingriff zu gelangen. Die Bohrlochwand 1117, die das Bohrloch 1114 definiert, ist mit einem Schlammkuchen 1115 ausgekleidet. Eine Eindringzone 1119 umgibt die Bohrlochwand und erstreckt sich in einen Abschnitt der unterirdischen Formation 1116, der ein jungfräuliches Fluid 1122 enthält.
Das äußere Dichtungsstück 1131 enthält eine hindurch verlaufende Bohrung 1131b. In der Bohrung 1131b des äußeren Dichtungsstücks ist ein Probenahmerohr 1127 angeordnet, das dazwischen einen Ringraum 1152 bildet. Das Probenahmerohr 1127 ist durch Hydraulikdruck, der vom Bohrlochwerkzeug geliefert wird, um ein oder mehrere Stellglieder zu speisen (wie dies z. B. aus US 3 924 463 im Stand der Technik wohlbekannt ist), ausfahrbar und trägt an seinem distalen Ende ein inneres Dichtungsstück 1159, um einen zweiten ringförmigen Abschnitt 1164 des Bohrlochs 1114 innerhalb des ersten ringförmigen Abschnitts 1160 in einen abdichtenden Eingriff zu bringen. Das distale Ende des Probenahmerohrs weist vorzugsweise einen (nicht bezeichneten) ringförmigen Kanal auf, wobei das innere Dichtungsstück 1159 toroidförmig ist und für einen Eingriff mit der Bohrlochwand 1117 in dem ringförmigen Kanal des distalen Endes des Probenahmerohrs getragen ist.
Das Probenahmerohr 1127 ist vorzugsweise mit einem zylindrischen Filter 1170 ausgestattet, um Teilchen aus dem jungfräulichen Fluid 1122 (oder einem anderen Fluid), das zum Probenahmerohr 1127 vorgelassen wurde, herauszufiltern. Der Ringraum 1152 ist in ähnlicher Weise mit einem Filter 1172 ausgestattet, um Teilchen aus dem verschmutzten Fluid 1120 oder dem jungfräulichen Fluid 1122 oder Kombinationen davon, die zum Ringraum 1152 vorgelassen wurden, herauszufiltern.
Das Merkmal "verstellbares Probenahmerohr 1127'' schafft Möglichkeiten zur Reaktion auf die Kräfte, die auf das innere Dichtungsstück 1159 einwirken. Insbesondere ist dieses Merkmal hilfreich beim Setzen des inneren Dichtungsstücks 1159 gegen schwaches Gestein (d. h. eine schwache Bohrlochwand) und ermöglicht außerdem das Verstellen der Position des inneren Dichtungsstücks, falls die Erzeugung von Fluid aus der Formation durch eine Erosion des Speichergesteins an der Grenzfläche zwischen Dichtungsstück und Formation begleitet ist. Dies ist durch das Ausfahren des inneren Dichtungsstücks 1159 gegen den erodierten Abschnitt der Bohrlochwand in der Umgebung des zweiten ringförmigen Abschnitts 1164 gezeigt.
Der Sondenkörper 1130 ist ferner mit einem ersten Einlass 1140 versehen, der mit dem Ringraum 1152 in Fluidverbindung steht, um jungfräuliches Fluid 1122 oder verschmutztes Fluid 1120 und Kombinationen davon in das Bohrlochwerkzeug (das in 11 nicht gezeigt ist) zu lassen. Längs einer Innenfläche von einem oder mehreren der Dichtungsstücke kann eine (nicht gezeigte) Unterstützung angeordnet sein, um eine Intrusion des Dichtungsstückmaterials in den ersten Einlass 1140 zu verhindern. Ein zweiter Einlass 1138 im Sondenkörper 1130 steht mit dem Probenahmerohr 1127 in Fluidverbindung, um jungfräuliches Fluid 1122 in das Bohrlochwerkzeug zu lassen.
Die 12A–12E zeigen eine weitere Ausführungsform der Sondenbaugruppe, die mit 1225 bezeichnet ist. Die 12A–12E zeigen die Funktionsweise der Sondenbaugruppe 1225, wenn sie mit der Bohrlochwand in Eingriff gelangt (12A), die Aufnahme von Fluid auslöst (12B), sich vorwärts bewegt, um während der Aufnahme eine Abdichtung an der Bohrlochwand aufrechtzuerhalten (12C), Fluid in das Bohrlochwerkzeug ansaugt (12D) und zurückfährt, um sich von der Bohrlochwand zu lösen (12E).
Die Sondenbaugruppe 1225 gleicht der Sondenbaugruppe 1125 von 11, unterscheidet sich jedoch hauptsächlich durch ihre Fluidfiltermittel. Demgemäß ist das bewegliche Probenahmerohr 1227 mit einem Filter in Form von Perforationen 1227p in seiner Seitenwand ausgestattet, um Teilchen aus dem jungfräulichen Fluid (oder einem anderen Fluid), das zum Probenahmerohr 1227 vorgelassen wurde, herauszufiltern. Das Probenahmerohr 1227 ist vorzugsweise ferner mit einem Außenflansch 1227f ausgestattet, um mit dem Ausfahren des Probenahmerohrs 1227 relativ zu einer rohrförmigen Verstrebung 1272, die zur Unterstützung des äußeren Dichtungsstücks 1231 in dem Ringraum 1252 angeordnet ist, Teilchen aus dem Ringraum 1252 auszustoßen.
Die rohrförmige Verstrebung 1272 ist ebenfalls mit einem Filter in Form von Perforationen 1272p in ihrer Seitenwand ausgestattet, um Teilchen aus dem jungfräulichen Fluid oder dem verschmutzten Fluid oder Kombinationen davon herauszufiltern. Genauer ist das Probenahmerohr 1227 ferner mit Filtern in Form von Perforationen 1227q in seinem den Flansch 1272 tragenden Seitenwandabschnitt ausgestattet, die mit dem Filter 1272p der rohrförmigen Verstrebung zusammenwirken, um das jungfräuliche oder das verschmutzte Fluid oder Kombinationen davon, die zum Ringraum 1252 vorgelassen wurden, zu filtern.
Ferner ist im Probenahmerohr 1227 ein Kolben 1270 angeordnet, der vom Sondenkörper (der in den 12A–12E nicht gezeigt ist) ausfahrbar ist, um mit dem Ausfahren des Kolbens relativ zum Probenahmerohr 1227 Teilchen aus dem Probenahmerohr auszustoßen. Der Kolben kann z. B. einen axialen Durchgang 1271 enthalten und eine oder mehrere Perforationen 1270p in seiner Seitenwand aufweisen, um in diesen jungfräuliches Fluid, das zum Probenahmerohr 1227 vorgelassen wurde, zum axialen Durchgang 1271 zu leiten. Der axiale Durchgang 1271 steht mit dem zweiten Einlass (der in den 12A–12E nicht gezeigt ist) im Sondenkörper in Fluidverbindung.
In ähnlicher Weise wie das Probenahmerohr 1227 kann die rohrförmige Verstrebung 1272 durch Hydraulikdruck, der vom Bohrlochwerkzeug geliefert wird, vom Sondenkörper ausgefahren werden. Vorzugsweise ist das Probenahmerohr 1227 bis zu einem größeren Grad ausfahrbar als die rohrförmige Verstrebung 1272, um eine Erosion des Bohrlochs vor allem beim Probenahmerohr oder in dessen Nähe auszugleichen. Die Fähigkeit, sowohl das Probenahmerohr als auch die rohrförmige Verstrebung und den Kolben auszufahren, machen die Sondenbaugruppe natürlich für die Verwendung unter den Bedingungen von schwachen Bohrlochwänden und/oder erosivem Gestein besonders geeignet. Diese rohrförmigen Elemente sind "verschachtelt", um den vom Bohrlochwerkzeug gelieferten Hydraulikdruck wirksam in ein Ausfahren der Elemente zur Bohrlochwand 1217 hin und ein Zurückfahren von dieser umzuwandeln. Folglich werden das äußere Dichtungsstück 1231 und das innere Dichtungsstück 1259, wenn ein hydraulischer "Setzdruck" vom Bohrlochwerkzeug aufgebracht wird, jeweils in einen Eingriff mit dem ersten, 1260, bzw. dem zweiten, 1264, Abschnitt der Bohrlochwand 1217 ausgefahren, wie in 12A gezeigt ist.
Wie in 12B gezeigt ist, wird der Kolben 1270 mittels des Bohrlochwerkzeugdrucks zurückgezogen, um die in ihm vorhandenen filternden Perforationen 1270p des Probenahmerohrs 1227 freizulegen. Dies hat die wahrscheinliche Auswirkung, dass ein Teil des Schlammkuchens 1215 von der Bohrlochwand 1217 in dem ersten ringförmigen Abschnitt 1260 abgezogen wird. In das Probenahmerohr 1227 und durch die Filterperforationen 1227p strömt Fluid, wie durch die Pfeile angedeutet ist.
Wie in 12C gezeigt ist, werden durch den vom Bohrlochwerkzeug (das in 12 nicht gezeigt ist) gelieferten Differenzdruck Formationsfluide durch die Bohrlochwand 1217 in den Ringraum 1252 und den Probenahmeeinlass 1232 angesaugt. Der Abschnitt der Bohrlochwand 1217 zwischen dem ersten ringförmigen Abschnitt 1260 ist erodiert gezeigt, wobei zu sehen ist, dass der Druck, mit dem das Probenahmerohr 1227 beaufschlagt wird, dieses gemeinsam mit dem inneren Dichtungsstück 1259 nach außen gezwungen hat, um einen Eingriff mit der Bohrlochwand 1217, wenn diese erodiert ist, aufrechtzuerhalten.
Es ist gezeigt, dass vom Fluid stammende Teilchen 1275 und 1277 durch die Filterpertorationen 1227p des Probenahmerohrs bzw. die Perforationen 1272p der rohrförmigen Verstrebung (wobei die Letzteren auch mit den Probenahmerohrperforationen 1227q zusammenwirken) herausgefiltert worden sind. Das Fluid (entweder verschmutztes Fluid, jungfräuliches Fluid oder Kombinationen davon), das über die rohrförmige Verstrebung 1272 hinaus durch den Ringraum 1252 strömt, wird über den ersten Sondeneinlass 1240 zum Bohrlochwerkzeug vorgelassen, wie durch die Pfeile angedeutet ist. Das Fluid (anfänglich ebenso entweder verschmutztes Fluid, jungfräuliches Fluid oder Kombinationen davon), das über das Probenahmerohr 1227 hinaus durch den Probenahmeeinlass 1232 strömt, wird über den zweiten Sondeneinlass 1238 zum Bohrlochwerkzeug vorgelassen, wie durch die Pfeile angedeutet ist. Die Filterperforationen 1227p unterstützen das Filtern des Fluids, wenn es in das Werkzeug eindringt.
In 12D sind die rohrförmige Verstrebung 1272 und das Probenahmerohr 1227 durch vom Bohrlochwerkzeug aufgebrachten Druck vorwärts in einen Bereich fortgeschrittener Erosion der Bohrlochwand 1217 bewegt worden. Außerdem ist gezeigt, dass sich im Ringraum 1252 gefilterte Teilchen 1277 aufzubauen beginnen. Das Vorwärtsbewegen der rohrförmigen Verstrebung hält eine Barriere zwischen dem Probenahmeeinlass 1232 und dem ringförmigen Reinigungseinlass 1252 aufrecht, die eine Querströmung und/oder eine gegenseitige Kontamination verhindert, wenn die Bohrlochwand 1217 erodiert.
In 12E ist die Sondenbaugruppe 1225 von der Bohrlochwand 1217 weggezogen, so dass das Bohrlochwerkzeug von dieser gelöst werden kann. Der Kolben 1270 ist vollständig in das Probenahmerohr 1227 zurückgezogen worden, wodurch die Teilchen 1275 aus dem Probenahmerohr ausgestoßen worden sind. Außerdem ist die rohrförmige Verstrebung 1272 zurückgezogen worden, wodurch mittels einer Pumpe im Bohrlochwerkzeug (wie an anderer Stelle beschrieben worden ist) Fluid herausgepumpt werden kann. Optional kann das Probenahmerohr 1227 wahlweise so betätigt werden, dass es sich relativ zur rohrförmigen Verstrebung 1272 verschiebt. Das Verschieben des Probenahmerohrs und der rohrförmigen Verstrebung kann, z. B. durch Hydraulikdruck, der vom Bohrlochwerkzeug oder von gesammeltem Formationsfluid geliefert wird, das dazu gezwungen wird, durch eine Fluidfließlinie oder einen Fluideinlass zurückzufließen, so beeinflusst werden, dass Teilchen aus dem Ringraum 1252 ausgestoßen werden. Das Probenahmerohr 1227 und das innere Dichtungsstück 1259 sind ebenfalls von der Bohrlochwand gelöst und in die Sondenbaugruppe zurückgezogen worden.
In den 13–14 ist eine weitere Ausführungsform der Sondenbaugruppe 1325 schematisch gezeigt. 13 zeigt eine Querschnittsansicht der Sondenbaugruppe 1325. 14 zeigt eine längs der Linie 14-14 aufgenommene horizontale Querschnittsansicht der Sondenbaugruppe 1325. Die Sondenbaugruppe 1325 umfasst ein Dichtungsstück 1331, das mit einem durchgehenden ringförmigen Kanal (oder alternativ mit einer zentralen Bohrung) versehen ist, die einen ringförmigen Reinigungseinlass 1334 definiert. Das Probenahmerohr 1327 wird durch den Sondenkörper (der in den 13–14 nicht gezeigt ist) in einer ständig zurückgezogenen Position, um mit der Bohrlochwand nicht in einen Eingriff zu gelangen, getragen und definiert einen Probenahmeeinlass 1332. Somit bleibt das Probenahmerohr 1327, wenn der Sondenkörper vom Bohrlochwerkzeug ausgefahren wird, um das Dichtungsstück 1331 in einen Eingriff mit dem Bohrloch zu bringen, vom Bohrloch getrennt.
Die Sondenbaugruppe 1325 gemäß dieser Ausführungsform umfasst vorzugsweise ferner einen rohrförmigen Verteiler 1335, der in dem ringförmigen Reinigungseinlass 1334 angeordnet ist. Der rohrförmige Verteiler 1335 ist mit dem Dichtungsstück 1331 über mehrere dazwischen liegende radiale Rippen 1335r wirksam verbunden, derart, dass er zusammen mit dem Dichtungsstück (d. h. gleichzeitig mit dem Ergreifen der Formation durch das Dichtungsstück) mit der Bohrlochwand in einen Eingriff gelangt. Diese Ausführungsform der Sondenbaugruppe kann optional mit dem oben beschriebenen elastischen Verstrebungsring versehen sein, jedoch ist der Verstrebungsring (der in den 13–14 nicht gezeigt ist) in dem ringförmigen Reinigungseinlass 1334 zurückversetzt, um Raum für den rohrförmigen Verteiler 1335 zu schaffen. Der rohrförmige Verteiler 1335 besitzt eine Länge, die kleiner als die Länge (d. h. die Dicke) des Dichtungsstücks 1331 ist, wodurch zwei ringförmige Durchgänge 1334a und 1334b in einem äußeren axialen Abschnitt des ringförmigen Reinigungseinlasses 1334 definiert sind. Die Durchgänge vereinigen sich stromabwärts vom rohrförmigen Verteiler 1335 zu einem einzigen Durchgang.
Die Aufteilung des ringförmigen Reinigungseinlasses 1334 durch den rohrförmigen Verteiler 1335 in zwei isolierte Bereiche verhindert, dass sich an Abschnitten der Bohrlochwand innerhalb des rohrförmigen Verteilers 1335 erzeugtes Fluid mit an Abschnitten der Bohrlochwand außerhalb des rohrförmigen Verteilers 1335 erzeugtem Fluid vermischt. Somit läuft es darauf hinaus, dass sich der innere Durchgang 1334a (nach einem anfänglichen Durchfluss von Verschmutzungen) mit jungfräulichem Fluid füllt, wodurch ein "Pufferbereich" zwischen dem Reinigungseinlass 1332 und dem äußeren Durchgang 1334b, der häufig mit verschmutztem Fluid gefüllt sein kann, entsteht. Da das Probenahmerohr 1327 von der Bohrlochwand zurückgezogen ist, ist jedoch der Druckausgleich zwischen dem ringförmigen Reinigungseinlass 1334 und dem Probenahmeeinlass 1332 nicht unterdrückt. Dies soll helfen, die negative Auswirkung der Druckimpulse, die von der (den) Pumpe(n) des Bohrlochwerkzeugs, die Fluide durch die Sondeneinlässe (die in den 13–14 nicht gezeigt sind) pumpen, erzeugt werden können, zu beseitigen.
15 zeigt eine zur Ausführungsform nach den 13–14 alternative Ausführungsform, bei der das Dichtungsstück 1331 an seinem Ansetzende mit einem Innenflansch 1331f versehen ist, der den Einlassbereich des radial äußersten ringförmigen Durchgangs 1334b unter den durch den rohrförmigen Verteiler gebildeten beiden ringförmigen Durchgängen versperrt. Dieser versperrte Einlass erweitert sich zu einem vergrößerten Durchgang 1334b, um zusätzlichen Raum für das verschmutzte Fluid zu schaffen, und trägt dazu bei, eine Querströmung zu vermeiden und dabei das Einfangen von jungfräulichem Fluid durch das Probenahmerohr 1327 zu fördern.
16 ist ein Graph, der den Differenzdruck über der Probenahmeleistungsaufteilung zwischen einem Probenahmeeinlass und einem Reinigungseinlass gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung zeigt. Insbesondere bezieht sich dieser Aspekt auf die Feststellung, dass die Leistung der Sondenbaugruppe im Wesentlichen durch drei physikalische Parameter gekennzeichnet werden kann: den Innendurchmesser des Probenahmerohrs sowie den Außendurchmesser und den Innendurchmesser des Reinigungsringraums (der auch als Schutzringraum bezeichnet wird). Diese Durchmesser bestimmen die Durchflussquerschnitte der Probenahme- und Reinigungseinlässe sowie die Fläche des Materials des inneren Dichtungsstücks, das diese trennt. Dies beeinflusst wiederum die Durchflussleistung der Sondenbaugruppe.
Die Sonden-/Dichtungsstückgeometrie kann zur Definition der Beziehung zwischen dem Durchflussverhältnis und dem Differenzdruck zwischen den Probenahme- und Reinigungseinlässen optimiert werden. Diese Optimierung kann verwendet werden, um den Fluss von jungfräulichem Fluid in den Probenahmeeinlass zu erhöhen und dabei die Stärke der Querströmung vom Reinigungseinlass zum Probenahmeeinlass zu verringern, wodurch die Wahrscheinlichkeit, dass verschmutztes Fluid in den Probenahmeeinlass eintritt, kleiner wird. Außerdem kann die Geometrie so verändert werden, dass bei einem gegebenen Durchflussverhältnis der Druckunterschied zwischen den Einlässen kleiner wird und dadurch die auf das innere Dichtungsstück wirkende Belastung verringert wird. Die Geometrie kann optional so gewählt sein, dass bei einem Durchflussverhältnis, das einem Verhältnis von 1 : 1 nahe kommt, ein geringer Druckunterschied oder kein Druckunterschied zwischen den Einlässen entsteht. Diese Gestaltung ermöglicht die Verwendung derselben Pumpe oder gleichartiger Pumpen für die Probenahme- und Reinigungseinlässe.
Der Optimierungsprozess beinhaltet das Verändern der Geometrie der drei erwähnten Durchmesser, bis bei einem Differenzdruck an der Bohrlochwand von null das (die) gewünschte(n) Förderverhältnis(se) erreicht ist (sind) (Reinigungseinlass gegenüber Probenahmeeinlass). 16 zeigt eine Linie 1602, die den Durchfluss durch den Reinigungseinlass angibt, und eine Linie 1604, die den Durchfluss durch den Probenahmeeinlass angibt, bei verschiedenen Differenzdrücken zwischen den Reinigungs- und Probenahmeeinlässen. Diese Linien geben eine Aufzeichnung für eine Geometrie wieder, bei der der Innendurchmesser des ringförmigen Reinigungseinlasses etwa 2- bis 2,5-mal so weit wie der Innendurchmesser des Probenahmeeinlasses ist, während der Außendurchmesser des Reinigungseinlasses etwa 2,5- bis 3-mal so groß wie der Innendurchmesser des Probenahmeeinlasses ist. Dies ist damit gleichzusetzen, dass der Außendurchmesser des Reinigungseinlasses etwa 1,2-mal so weit wie der Innendurchmesser des Reinigungseinlasses ist. Diese Gestaltung ermöglicht bei einem Differenzdruck 1610 (zwischen den Probenahme- und Reinigungseinlässen) von null eine Förderung am Probenahmeeinlass (siehe Aufzeichnungspunkt X), die etwa 20% der Gesamtförderleistung beträgt, und eine Förderung am Reinigungseinlass, die etwa 80% der Gesamtförderleistung beträgt (siehe Aufzeichnungspunkt Y). Demgemäß kann der Differenzdruck so weit erhöht werden, dass eine Förderung am Probenahmeeinlass, die etwa 50% der Gesamtförderleistung beträgt (siehe Aufzeichnungspunkt Z, wobei sich die Kurven für die Reinigung und die Probenahme schneiden), hervorgerufen wird, was weit vor dem Punkt liegt, an dem eine unerwünschte Querströmung vom Reinigungseinlass zum Probenahmeeinlass (siehe Linie 1608) ausgelöst wird. Der Fluidfluss in die jeweiligen Einlässe kann so beeinflusst werden, dass sich der Schnittpunkt Z verschiebt und bei verschiedenen Differenzdrücken einschließlich eines Differenzdrucks von null auftritt. Der Punkt Q repräsentiert einen Punkt, an dem der Fluss durch den Probenahmeeinlass gerade so weit erhöht worden ist, dass noch keine Querströmung zwischen den Fließlinien (1608) eintritt. Das Verändern der Fließlinien und/oder der Sondengeometrie kann daher verwendet werden, um die Punkte längs des Graphen zu definieren und einen optimalen Fluss im Werkzeug zu erzeugen.
Wiederum mit Bezug auf 5 wird nun ein Probenahmevorgang zum Erlangen von jungfräulichem Fluid gemäß wenigstens einem Aspekt der Erfindung ausführlich beschrieben. Der Flussabschnitt 521 umfasst eine oder mehrere Durchflusssteuerungsvorrichtungen wie etwa die Pumpe 537, eine Fließlinie 539 und Ventile 544, 545, 547 und 549, um wahlweise Fluid über den ersten Sondeneinlass 540 und den zweiten Sondeneinlass 538 der Sondenbaugruppe 525 in verschiedene Abschnitte des Flussabschnitts 521 anzusaugen. Demgemäß wird vorzugsweise verschmutztes Fluid 520 aus der Eindringzone 519 der Formation in den ringförmigen Reinigungseinlass 534i und dann durch den einen oder die mehreren Dichtungsstückdurchgänge 528 in den ersten Sondeneinlass 540 geleitet und anschließend in das Bohrloch 514 abgeben. Jungfräuliches Fluid strömt vorzugsweise aus der Formation 516 in den Probenahmeeinlass 532 und durch den zweiten Sondeneinlass 538 und wird danach entweder zur Sammlung in eine oder mehrere Probenkammern 542 geleitet oder in das Bohrloch 514 abgegeben. Sobald ermittelt wird, dass das Fluid, das in den Sondeneinlass 538 strömt, jungfräuliches Fluid ist, können die Ventile 544 und/oder 549 mittels herkömmlicher Steuerungstechniken durch manuelle und/oder automatische Betätigung aktiviert werden, um Fluid in die Probenkammer 542 zu leiten. Einem Fachmann ist klar, dass zur Ausführung des Flussabschnitts 521 verschiedene herkömmliche Fluidleitmittel wie etwa jene, die in US 3 924 463 beschrieben sind, geeignet sind.
Das Fluidprobenahmesystem 526 ist vorzugsweise auch mit einem oder mehreren Fluidüberwachungssystemen 553 versehen, um das Fluid nach seinem Eindringen in den Flussabschnitt 521 zu analysieren. Das Fluidüberwachungssystem 553 kann mit verschiedenen Überwachungsvorrichtungen wie etwa einem optischen Fluidanalysator 572, der die optische Dichte des vom Sondeneinlass 540 eingelassenen Fluids misst, und einem optischen Fluidanalysator 574, der die optische Dichte des vom Sondeneinlass 538 eingelassenen Fluids misst, versehen sein. Die optischen Fluidanalysatoren können jeweils eine Vorrichtung wie etwa der US 6 178 815 und US 4 994 671 beschriebene Analysator sein. Selbstverständlich können andere Fluidüberwachungsvorrichtungen wie etwa Messgeräte, Messinstrumente und Sensoren und/oder eine andere Messung oder Einrichtung, die zur Bewertung aufgenommen ist, in einem solchen Fluidüberwachungssystem 553 zum Bestimmen verschiedener Eigenschaften des Fluids wie etwa der Temperatur, des Drucks, der Zusammensetzung und der Kontamination und/oder weiterer Parameter, die dem Fachmann bekannt sind, verwendet werden.
In dem Fluidüberwachungssystem 553 ist vorzugsweise ferner eine Steuereinrichtung 576 vorgesehen, um Informationen von dem (den) optischen Fluidanalysator(en) zu empfangen und in Reaktion darauf Signale zum Verändern der Druckdifferenz, die den Fluidfluss in den Probenahmeeinlass 532 und/oder den ringförmigen Reinigungseinlass 534i der Sondenbaugruppe 525 herbeiführt, zu senden. Einem Fachmann ist klar, dass die Steuereinrichtung in anderen Teilen des Bohrlochwerkzeugs 510 und/oder in einem (nicht gezeigten) System an der Oberfläche angeordnet sein kann, um verschiedene Komponenten im Bohrloch 514 zu betreiben.
Die Steuereinrichtung 576 kann im gesamten Fluidprobenahmesystem 526 verschiedene Operationen ausführen. Die Steuereinrichtung 576 kann beispielsweise verschiedene Vorrichtungen im Bohrlochwerkzeug 510 aktivieren. Sie kann beispielsweise wahlweise die Pumpe 537 und/oder die Ventile 544, 545, 547, 549 betätigen, um den Durchfluss in die Einlässe 532, 534i zu steuern, wahlweise die Pumpe 537 und/oder die Ventile 544, 545, 547, 549 betätigen, um Fluid in die Probenkammer(n) 542 anzusaugen und/oder Fluid in das Bohrloch 514 abzugeben, Daten für die Analyse außerhalb des Bohrlochs sammeln und/oder übertragen und weitere Funktionen ausüben, um den Probenahmevorgang zu unterstützen.
In 5 ist außerdem das Strömungsmuster von Fluid, das in das Bohrlochwerkzeug 510 strömt, gezeigt. Anfänglich, wie in 1 gezeigt ist, umgibt eine Eindringzone 519 die Bohrlochwand 517. In der Formation 516 hinter der Eindringzone 519 befindet sich jungfräuliches Fluid 522. Wenn das Fluid in die Einlässe 532, 534i strömt, wird das verschmutzte Fluid 522 in der Eindringzone 519 in der Nähe des Einlasses 532 eventuell entfernt, wodurch es den Weg für das jungfräuliche Fluid 522 freigibt. Zu einem bestimmten Zeitpunkt während des Prozesses bricht bei der Entnahme von Fluid aus der Formation 516 in die Sondenbaugruppe 525 jungfräuliches Fluid 522 durch und dringt in das Probenahmerohr 527 ein, wie in 5 gezeigt ist. Somit wird ab diesem Punkt nur jungfräuliches Fluid 522 in den Probenahmeeinlass 532 angesaugt, während das verschmutzte Fluid 520 in den ringförmigen Reinigungseinlass 534i der Sondenbaugruppe 525 fließt. Um dieses Ergebnis zu ermöglichen, können die Strömungsmuster, die Drücke und die Abmessungen der Sonde so verändert werden, dass der gewünschte Strömungspfad erreicht wird, um vor allem, wie oben beschrieben worden ist, die Querströmung vom ringförmigen Reinigungseinlass 534i zum Probenahmeeinlass 532 zu verhindern.
Einzelheiten bestimmter Anordnungen und Komponenten des oben beschriebenen Fluidprobenahmesystems sowie Alternativen für solche Anordnungen und Komponenten dürften Fachleuten bekannt sein und finden sich in verschiedenen anderen Patenten und Druckschriften wie etwa jenen, die hier besprochen worden sind. Außerdem können bestimmte Anordnungen und bestimmte Komponenten des Bohrloch-Fluidprobenahmesystems dem betreffenden Entwurf, der bestimmten Anwendung und der Situation entsprechend von verschiedenen Faktoren abhängen. Folglich ist weder das Fluidprobenahmesystem noch die Erfindung auf die oben beschriebenen Anordnungen und Komponenten begrenzt, sondern kann beliebige geeignete Anordnungen und Komponenten umfassen. Beispielsweise können verschiedene Fließlinien, Pumpen- und Ventilanordnungen so eingerichtet werden, dass eine Vielfalt von Konfigurationen geschaffen wird. Ähnlich können die Anordnung und die Komponenten des Bohrlochwerkzeugs und der Sondenbaugruppe in Abhängigkeit von Faktoren bei einem bestimmten Entwurf, einer bestimmten Anwendung oder einer bestimmten Situation unterschiedlich sein. Die obige Beschreibung beispielhafter Komponenten und Umgebungen des Werkzeugs, mit denen die Sondenbaugruppe und weitere Aspekte der Erfindung verwendet werden können, sind lediglich zur Veranschaulichung und nicht zur Einschränkung der Erfindung gedacht.
Obwohl die Erfindung mit Bezug auf eine begrenzte Anzahl von Ausführungsformen beschrieben worden ist, können Fachleute, die Nutzen aus dieser Offenbarung ziehen, erkennen, dass andere Ausführungsformen in Betracht gezogen werden können, die nicht vom Umfang der Erfindung, wie sie hier offenbart worden ist, abweichen. Daher soll der Umfang der Erfindung nur durch die beigefügten Ansprüche begrenzt sein.
Die Begriffe "umfassen" und "umfasst" in den Ansprüchen soll die Bedeutung von "umfassen wenigstens" bzw. "umfasst wenigstens" besitzen, so dass die angeführte Auflistung von Elementen in einem Anspruch eine offene Gruppe ist. "Ein", "einer" und andere Einzahlbegriffe dieser Art sollen die Pluralform davon umfassen, sofern dies nicht speziell ausgeschlossen wird.

Claims

Sondenbaugruppe (525; 525a), die durch ein Bohrlochwerkzeug (510), das in einem Bohrloch (514) angeordnet ist, das von einer Schicht aus verschmutztem Fluid (520) umgeben ist, einsetzbar ist, wobei das Bohrloch (514) eine unterirdische Formation (516) durchdringt, die jenseits der Schicht aus verschmutztem Fluid (520) ein jungfräuliches Fluid (522) enthält, gekennzeichnet durch einen Sondenkörper (530; 530a), der vom Bohrlochwerkzeug (510) ausfahrbar ist; ein Dichtungsstück (531; 531a), das durch den Sondenkörper (530; 530a) getragen wird und eine distale Oberfläche (531s) aufweist, die für einen abdichtenden Eingriff mit einem Abschnitt des Bohrlochs (514) geeignet ist, wobei das Dichtungsstück (531; 531a) einen Außendurchmesser und einen Innendurchmesser besitzt, wobei der Innendurchmesser durch eine Bohrung durch das Dichtungsstück (531; 531a) definiert ist, wobei das Dichtungsstück (531; 531a) ferner versehen ist mit einem oder mehreren Kanälen (534c), die in der distalen Oberfläche (531s) ausgebildet und so angeordnet sind, dass sie einen ringförmigen Reinigungseinlass (534i) zwischen dem Innendurchmesser und dem Außendurchmesser definieren; mehreren Verstrebungen (535, 535u), die in dem einen oder den mehreren Kanälen (534c) angeordnet und wirksam verbunden sind, um einen elastischen Verstrebungsring zu definieren; und wenigstens einem Durchgang (528) der durch das Dichtungsstück (531; 531a; 1331) verläuft, um jungfräuliches Fluid (522) oder verschmutztes Fluid (520) oder Kombinationen davon zwischen dem einen oder den mehreren Kanälen (534c) und einem ersten Einlass (540) im Sondenkörper (530; 530a) zu leiten, wobei der erste Einlass (540) im Sondenkörper (530; 530a) mit dem Bohrlochwerkzeug (510) in Fluidverbindung steht; und ein Probenahmerohr (527), das in dichter Weise in der Bohrung des Dichtungsstücks (531; 531a; 1331) angeordnet ist, um jungfräuliches Fluid (522) in einen zweiten Einlass (538) im Sondenkörper (530; 530a) zu leiten, wobei der zweite Einlass (538) im Sondenkörper (530; 530a) mit dem Bohrlochwerkzeug (510) in Fluidverbindung steht.
Sondenbaugruppe (525; 525a) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Sondenkörper (530; 530a) durch Hydraulikdruck, der vom Bohrlochwerkzeug (510) geliefert wird, ausfahrbar ist.
Sondenbaugruppe (525; 525a) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Probenahmerohr (527) durch Hydraulikdruck, der vom Bohrlochwerkzeug (510) geliefert wird, ausfahrbar ist.
Sondenbaugruppe (525; 525a) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Probenahmerohr (527) mit einem Filter versehen ist, um Teilchen aus dem jungfräulichen Formationsfluid (522), das zum Probenahmerohr (527) vorgelassen wurde, herauszufiltern.
Sondenbaugruppe (525; 525a) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Probenahmerohr (527) mit einem Kolben (536) ausgestattet ist, der vom Sondenkörper (530; 530a) ausfahrbar ist, um mit dem Ausfahren des Kolbens (536) relativ zum Probenahmerohr (527) Teilchen aus dem Letzteren auszustoßen.
Sondenbaugruppe (525; 525a) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolben (536) einen axialen Durchgang (557) enthält und in seiner Seitenwand mehrere Perforationen (536p) aufweist, um jungfräuliches Fluid (522), das zum Probenahmerohr (527) vorgelassen wurde, zum axialen Durchgang (557) zu leiten, wobei der axiale Durchgang (557) mit dem zweiten Einlass (538) im Sondenkörper (530; 530a) in Fluidverbindung steht.
Sondenbaugruppe (525; 525a) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstrebungen (535, 535u) integral mit dem Dichtungsstück (531; 531a) ausgebildet sind.
Sondenbaugruppe (525; 525a) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstrebungen (535, 535u) elastisch sind und in den einen oder die mehreren Kanäle (534c) eingepresst sind.
Sondenbaugruppe (525; 525a) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Dichtungsstück (531; 531a) mit einem durchgehenden ringförmigen Kanal, der in der distalen Oberfläche (531s) zwischen ihrem Innendurchmesser und ihrem Außendurchmesser ausgebildet ist, versehen ist.
Sondenbaugruppe (525; 525a) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Dichtungsstück (531; 531a) mit mehreren Kanälen (534c) versehen ist, die in der distalen Oberfläche (531s) ausgebildet und so angeordnet sind, dass sie zwischen ihrem Innendurchmesser und ihrem Außendurchmesser einen ringförmigen Reinigungseinlass (534i) definieren.
Sondenbaugruppe (525; 525a) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Dichtungsstück (531; 531a) mit mehreren Durchgängen (528) versehen ist, die jeweils hindurch verlaufen, um jungfräuliches Fluid (522) oder verschmutztes Fluid (520) oder Kombinationen davon zwischen einem der Kanäle (534c) und dem ersten Einlass (540) im Sondenkörper (530; 530a) zu leiten.
Sondenbaugruppe (525; 525a) nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Durchgang (528) im Dichtungsstück (531; 531a) mit einem Rohr (529) verkleidet ist.
Sondenbaugruppe (525; 525a) nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass jedes Durchgangsrohr (529) integral mit dem Dichtungsstück (531; 531a) ausgebildet ist.
Sondenbaugruppe (1125; 1225), die durch ein Bohrlochwerkzeug, das in einem Bohrloch (1114) angeordnet ist, das von einer Schicht aus verschmutztem Fluid (1120) umgeben ist, einsetzbar ist, wobei das Bohrloch eine unterirdische Formation (1116) durchdringt, die jenseits der Schicht aus verschmutztem Fluid (1120) ein jungfräuliches Fluid (1122) enthält, gekennzeichnet durch einen Sondenkörper (1130), der vom Bohrlochwerkzeug ausfahrbar ist; ein äußeres Dichtungsstück (1131), das durch den Sondenkörper (1130) getragen wird, um mit einem ersten ringförmigen Abschnitt (1160) des Bohrlochs (1114) in einen abdichtenden Eingriff zu gelangen, wobei das äußere Dichtungs stück (1131) eine hindurch verlaufende Bohrung (1131b) aufweist; ein Probenahmerohr (1127), das in der Bohrung (1131b) des äußeren Dichtungsstücks (1131) angeordnet ist und dazwischen einen Ringraum (1152) bildet, wobei das Probenahmerohr (1127) vom Sondenkörper (1130) ausfahrbar ist und an seinem distalen Ende ein inneres Dichtungsstück (1159) trägt, das mit einem zweiten ringförmigen Abschnitt (1164) des Bohrlochs (1114) innerhalb des ersten ringförmigen Abschnitts (1160) in einen abdichtenden Eingriff gelangen kann; einen ersten Einlass (1140) im Sondenkörper (1130), der mit dem Ringraum (1152) in Fluidverbindung steht, um jungfräuliches Fluid (1122) oder verschmutztes Fluid (1120) oder Kombinationen davon in das Bohrlochwerkzeug zu lassen; und einen zweiten Einlass (1138) im Sondenkörper (1130), der mit dem Probenahmerohr (1127) in Fluidverbindung steht, um jungfräuliches Fluid (1122) in das Bohrlochwerkzeug zu lassen.
Sondenbaugruppe nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Sondenkörper (1130) durch Hydraulikdruck, der vom Bohrlochwerkzeug geliefert wird, ausfahrbar ist.
Sondenbaugruppe nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass das Probenahmerohr (1127) mit einem Filter (1170) versehen ist, um Teilchen aus dem jungfräulichen Formationsfluid (1122), das zum Probenahmerohr (1127) vorgelassen wurde, herauszufiltern.
Sondenbaugruppe nach einem der Ansprüche 14 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass das distale Ende des Probenahmerohrs (1127) einen ringförmigen Kanal aufweist.
Sondenbaugruppe nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass das innere Dichtungsstück (1159) toroidförmig ist und in dem ringförmigen Kanal des distalen Endes des Probenahmerohrs (1127) getragen ist.
Sondenbaugruppe nach einem der Ansprüche 14 bis 18, dadurch gekennzeichnet, das sie eine rohrförmige Verstrebung (1272) umfasst, die in dem Ringraum (1252) angeordnet ist, um das äußere Dichtungsstück (1231) zu unterstützen.
Sondenbaugruppe nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass die rohrförmige Verstrebung (1272) mit einem Filter (1270) versehen ist, um Teilchen aus dem jungfräulichen Formationsfluid (1122) oder dem verschmutzten Fluid (1120) oder Kombinationen davon, die zum Ringraum (1252) vorgelassen wurden, herauszufiltern.
Sondenbaugruppe nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass das Probenahmerohr (1227) mit einem Außenflansch (1227f) versehen ist, um mit dem Ausfahren des Probenahmerohrs (1227) Teilchen aus dem Ringraum (1252) auszustoßen.
Sondenbaugruppe nach einem der Ansprüche 14 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass im Probenahmerohr (1227) ein Kolben (1270) angeordnet ist, der vom Sondenkörper (1130) ausfahrbar ist, um mit dem Ausfahren des Kolbens (1270) relativ zum Probenahmerohr (1227) Teilchen aus dem Letzteren auszustoßen.
Sondenbaugruppe nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolben (1270) einen axialen Durchgang (1271) enthält und in seiner Seitenwand eine oder mehrere Perforationen (1270p) aufweist, um jungfräuliches Fluid, das zum Probenahmerohr (1227) vorgelassen wurde, zum axialen Durchgang zu leiten, wobei der axiale Durchgang (1271) mit dem zweiten Einlass (1238) im Sondenkörper (1130) in Fluidverbindung steht.
Verfahren zum Erlangen einer Probe eines jungfräulichen Fluids (522; 1122) aus einer unterirdischen Formation (516; 1116), die von einem Bohrloch (514) durchdrungen ist, das von einer Schicht aus verschmutztem Fluid (520; 1120) umgeben ist, gekennzeichnet durch die folgenden Schritte: Ausführen einer Abdichtung an einem ersten ringförmigen Abschnitt des Bohrlochs (514; 1114); Ausführen einer Abdichtung an einem zweiten ringförmigen Abschnitt des Bohrlochs (514; 1114) innerhalb des ersten ringförmigen Abschnitts, wodurch ein ringförmiger Abschnitt des Bohrlochs (514; 1114) zwischen dem ersten und dem zweiten ringförmigen Abschnitt sowie ein kreisförmiger Abschnitt des Bohrlochs (514; 1114) innerhalb des ersten ringförmigen Abschnitts gebildet werden; Ansaugen von jungfräulichem Fluid (522; 1122) oder verschmutztem Fluid (520; 1120) oder Kombinationen davon durch den isolierten ringförmigen Abschnitt des Bohrlochs (514; 1114) hindurch; und Ansaugen von jungfräulichem Fluid (522; 1122) durch den isolierten kreisförmigen Abschnitt des Bohrlochs (514; 1114) hindurch.
Verfahren nach Anspruch 24, gekennzeichnet durch den Schritt, in dem das durch den isolierten kreisförmigen Abschnitt des Bohrlochs (514; 1114) hindurch angesaugte jungfräuliche Fluid (522; 1122) gesammelt wird.
Verfahren nach Anspruch 24 oder 25, dadurch gekennzeichnet, dass die Abdichtung an dem ersten ringförmigen Abschnitt mittels eines ausfahrbaren äußeren Dichtungsstücks (1131) ausgeführt wird; und die Abdichtung an dem zweiten ringförmigen Abschnitt mittels eines ausfahrbaren inneren Dichtungsstücks (1159) ausgeführt wird, wobei das innere Dichtungsstück (1159) über das äußere Dichtungsstück (1131) hinaus ausfahrbar ist; und das äußere und das innere Dichtungsstück (1131; 1159) Komponenten einer Sondenbaugruppe sind, die an einem im Bohrloch (514; 1114) angeordneten Bohrlochwerkzeug befördert werden.