一种井下全通径环空压力操作的保压式取样器

技术领域

本发明涉及石油、天然气井下试油测试取样设备技术领域，更具体的是，本发明涉及一种井下全通径环空压力操作的保压式取样器。

背景技术

通常地层样品会因为压力的变化导致其物性发生变化，因此需要保持样品的原始压力；另外由于测试作业工况的限制，如井身结构、井筒尺寸等，因此取样器的内外径尺寸范围受限，外径过大不易下入井筒，内径过小过流面积无法满足作业需求；另外在井下使用的工具工况复杂，因此需要取样器结构简单、使用可靠，密封性好。

目前用于井下试油测试作业的取样器，主要有两类，一类为压力可获取地层原始压力的样品的单项取样器，但是该类取样器结构复杂，外径大、内径小使用范围受限，密封部位多下井后泄漏风险大，出现无法取样或漏样概率高，另外维护保养操作复杂、成本高；另一类全通径取样器其结构简单、外形尺寸限制小，维护保养操作者简单、成本低，但样品无法保持其原始压力。

发明内容

本发明的目的是设计开发了一种井下全通径环空压力操作的保压式取样器，样品从取样到转样至样瓶中均可保持原始地层压力，密封好，泄露风险小。

本发明提供的技术方案为：

一种井下全通径环空压力操作的保压式取样器，包括：

上接头，其内侧设置有第一限位台阶，且所述上接头上设置有充氮接口及与其相连通的注氮通道；

外部筒体，其一端与所述上接头相连接，且所述外部筒体内部设置有氮气过流通道；

下接头，其内侧设置有第二限位台阶，且所述下接头与外部筒体的另一端相连接；

氮腔心轴，其可移动的设置在所述外部筒体内部，所述氮腔心轴的一端可选择的卡合在所述第一限位台阶，且所述氮腔心轴与外部筒体之间形成第一气室；

下心轴，其可移动的设置在所述外部筒体内部，且所述下心轴与外部筒体之间形成可密封的样室，所述下心轴的一端与氮腔心轴的另一端相连接，另一端可选择的卡合在第二限位台阶；

样室活塞，其设置在所述样室内，且所述样室活塞的一端与氮气过流通道相接触；

其中，所述第一气室与注氮通道相连通且所述第一气室可选择的与氮气过流通道相连通，所述样室可选择的与下心轴的内部空间相连通。

优选的是，所述氮腔心轴外侧设置有氮腔心轴限位台阶，使得氮腔心轴的一端直径大于另一端直径，且所述氮腔心轴限位台阶可选择的卡合在过流短节的一端。

优选的是，所述外部筒体包括：

氮腔外筒，其一端与所述上接头相连接；

导通短节，其一端与所述氮腔外筒的另一端相连接，且所述导通短节上设置有导通口；

过流短节，其一端与所述导通短节的另一端相连接；

取样外筒，其一端与所述过流短节的另一端相连接，

动力外筒，其一端与所述取样外筒的另一端相连接，另一端与下接头相连接；

其中，所述氮气过流通道设置在所述过流短节的内壁中，所述下心轴与过流短节和取样外筒之间形成可密封的样室，所述样室活塞的一端与所述氮气过流通道相接触，所述氮腔外筒、上接头、氮腔心轴和导通短节之间形成第一气室，且所述第一气室与注氮通道和导通口相连通；

当所述氮腔心轴的一端卡合在所述第一限位台阶时，所述导通短节与氮腔心轴的另一端之间形成环形空间，所述环形空间与导通口和氮气过流通道相连通。

优选的是，所述取样外筒上设置有放样接口，且所述放样接口与所述样室相连通。

优选的是，还包括：

固定槽，其呈环形设置在所述氮腔心轴的外圆周；

固定环，其设置在所述导通短节的一端，且所述固定环与所述导通短节之间形成第三容纳腔；

锁环，其设置在所述第三容纳腔内，且所述锁环可选择的卡合在固定槽内，用于限位。

优选的是，所述固定环和导通短节与氮腔外筒之间间隔设置，用于连通第一气室和导通口。

优选的是，还包括：

多个轴向条形孔，其沿所述下心轴周向间隔设置，且所述多个轴向条形孔与所述样室可选择的相连通。

优选的是，所述下心轴中部设置有凸起结构；

所述下心轴、动力外筒和下接头之间形成第二气室，所述凸起结构可移动的设置在所述第二气室内；

且当凸起结构与下接头相互卡合时，所述下心轴的另一端卡合在第二限位台阶，所述多个轴向条形孔与样室相连通。

优选的是，所述充氮接口与加压泵相连接，所述放样接口与样瓶可拆卸的连接。

优选的是，还包括：

破裂盘，其设置在所述动力外筒上，且所述破裂盘对应凸起结构与下接头卡合位置设置。

本发明所述的有益效果：

本发明设计开发的一种井下全通径环空压力操作的保压式取样器，获取样品可保持原始地层压力，解决了工具外形尺寸的限制，适用套管范围宽，取样容量可达1200CC，结构简单，维修保养操作简单，成本低，密封部位少，泄漏风险小。

附图说明

图1为本发明所述井下全通径环空压力操作的保压式取样器的初始状态结构示意图。

图2为本发明所述井下全通径环空压力操作的保压式取样器的取样完成状态结构示意图。

图3为本发明所述蓄能器的结构示意图。

图4为本发明所述取样部分的结构示意图。

图5为本发明所述动力机构的结构示意图。

具体实施方式

下面结合对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。

如图1、图2所示，本发明提供的一种井下全通径环空压力操作的保压式取样器包括：

上接头110、外部筒体、下接头170、氮腔心轴181、下心轴182和样室活塞190，所述外部筒体包括：氮腔外筒120、导通短节130、过流短节140、取样外筒150和动力外筒160。

如图3所示，所述上接头110、氮腔外筒120、导通短节130、过流短节140、取样外筒150、动力外筒160和下接头170依次通过螺纹连接，整体形成圆筒形结构，且上接头110设置有内螺纹，用于连接油管或作业管柱上的其他工具，下接头170设置有外螺纹，用于连接油管或作业管柱上的其他工具，所述上接头110内侧设置有第一限位台阶，所述下接头170内侧设置有第二限位台阶，所述氮腔心轴181包括一体设置的第一部分和第二部分，所述第一部分的直径大于第二部分的直径，使得第一部分和第二部分的连接部位为氮腔心轴限位台阶183，且第二部分的一端与下心轴182的一端相连接，使得氮腔心轴181和下心轴182相互连接后可移动的设置在所述外部筒体的内部；所述第一部分的一端可选择的卡合在所述第一限位台阶，所述下心轴的另一端可选择的卡合在所述第二限位台阶，所述氮腔心轴限位台阶183可选择的卡合在所述过流短节140的一端，用于限制氮腔心轴181和下心轴182的移动范围。

如图3所示，所述氮腔心轴181和导通短节130之间设置有限位装置，用于固定氮腔心轴181的位置，防止氮腔心轴181产生任意移动，所述限位装置包括：固定槽(图中未标出)、固定环和锁环，所述固定槽设置在所述氮腔心轴181的外圆周；所述固定环184通过螺纹连接设置在所述导通短节130的一端，且所述固定环184与所述导通短节130之间形成第三容纳腔；所述锁环185设置在所述第三容纳腔内，且所述锁环185可选择的卡合在固定槽内，用于限位。

所述上接头110上设置有充氮接口210及与其相连通的注氮通道220；所述上接头110、氮腔外筒120、导通短节130和氮腔心轴181之间形成第一气室230，且第一气室230始终保持密封状态，第一气室230与注氮通道220相连通；所述导通短节130上设置有导通口240，所述固定环184和导通短节130与氮腔外筒120之间间隔设置，即固定环184和导通短节130与氮腔外筒120之间有缝隙，用于连通第一气室230和导通口240的一端；所述过流短节140的内壁中设置有氮气过流通道260，当所述氮腔心轴181和下心轴182共同向上接头方向移动且所述氮腔心轴的一端卡合在所述第一限位台阶时，所述导通短节130与第二部分之间形成环形空间250，所述环形空间250与导通口240的另一端和氮气过流通道260的一端相连通，即氮气通过充氮接口210依次流经注氮通道220、第一气室230、导通口240、环形空间250和氮气过流通道260，形成蓄能器。

如图4所示，所述下心轴182与过流短节140的另一端和取样外筒150之间形成可密封的样室270；样室活塞190设置在所述样室270内，且所述样室活塞190抵靠在过流短节140的另一端，使得样室活塞190与氮气过流通道260相接触；所述下心轴182上沿其周向均布有多个轴向条形孔186，且所述多个轴向条形孔186与所述样室270可选择的相连通，使得所述样室270可选择的与下心轴182的内部空间相连通，用于取样，所述取样外筒150上设置有放样接口280，且所述放样接口280与所述样室270相连通，即形成了取样部分。

如图5所示，所述下心轴182、动力外筒160和下接头170之间形成第二气室292，所述下心轴182中部设置有凸起结构，所述凸起结构可移动的设置在所述第二气室292内，且当凸起结构与下接头170相互卡合时，所述下心轴182的另一端卡合在第二限位台阶，所述多个轴向条形孔186与样室270相连通，在所述动力外筒160上设置有破裂盘291，且所述破裂盘291对应凸起结构与下接头170卡合位置设置，使得破裂盘破裂时，环空压力推动下心轴182向上接头110的方向运动。

在本实施例中，所述上接头110与氮腔外筒120、上接头110与氮腔心轴181、氮腔外筒120与导通短节130、导通短节130与氮腔心轴181、导通短节130与过流短节140、过流短节140与氮腔心轴181、过流短节140与取样外筒150、过流短节140与下心轴182、取样外筒150与下心轴182、动力外筒160与下心轴182、动力外筒160与下接头170、下接头170与下心轴182的连接位置均设置有密封圈，用于密封装置。

在本实施例中，所述充氮接口210与加压泵相连接，所述放样接口280与样瓶可拆卸的连接。

本发明所述井下全通径环空压力操作的保压式取样器的工作过程为：

1、初始状态：

本发明所述的取样器在入井前预充设定压力的氮气，设定压力按照充氮时的环境温度、氮腔体积、井下温度、取样压力参数，然后根据范德华气体方程进行计算，氮腔心轴181和下心轴182通过螺纹连接在一起，氮腔心轴181两端无压力面积差，下心轴182两端也无压力面积差，而氮腔心轴181与下心轴182合体存在压力面积差，氮腔心轴压力面积大于下心轴压力面积，而且由于第一气室230中充满氮气，二者压力面积差在井下介质压力的作用下为氮腔心轴181与下心轴182的合体提供向下接头170运动的力，初始状态下氮腔心轴181和下心轴182合体通过氮腔心轴限位台阶183与过流短节140左端面接触而限位，因此保证氮腔心轴181和下心轴182的初始位置是固定的，此时蓄能器则为圈闭高压的状态，另外下心轴182上的多个轴向条形孔186正对样室270，此时样室270与通径通过多个轴向条形孔186连通，因此样室270是打开状态，地层样品就可以随时进入并充满样室270。

2、取样过程：

当取样完成，通过环空加压使破裂盘291破裂，此时环空压力推动下心轴182向上接头110方向运动，此时下心轴182上的多个轴向条形孔186随下心轴182向左运动将样室270封闭，然后氮腔心轴181和下心轴182合体继续运动，氮腔心轴限位台阶183运动至导通口240左侧，此时蓄能器的氮气压力通过导通短节130的导通口240经其内孔与氮腔心轴外圆之间的环形空间250进入过流短节140中的氮气过流通道260到达样室活塞190左端，此时样室样品压力就会和氮气压力相同，待取样器起出井筒后温度降低，但样品压力会通过蓄能器的压力对其进行补偿，以保持井下原始压力。

本发明设计开发的一种井下全通径环空压力操作的保压式取样器，相较于单项取样器，外形尺寸更小，适用套管范围宽，而且取样容量能够达到1200cc，使用成本更低；相较于APR-RD取样器，样品从取样到转样至样瓶中均可保持原始地层压力，样品原有物性不易被破坏。

尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的实施例。