單相地層流體取樣筒的研制與應用

尤國平，馮永仁

（中海油田服務股份有限公司油田技術(shù)研究院，河北 三河 065201）

0 引 言

對地層流體進行PVT分析要求所取到的樣品保持和井下相同的狀態(tài)，這意味著要求取到的樣品是單相地層流體。隨著樣品自井下返回地面，溫度降低所引起的壓力損失會使得桶內(nèi)樣品壓力低于泡點壓力，導致油氣分離。這對于分析諸如GOR、黏度等關(guān)鍵參數(shù)十分不利。即使采用所謂過壓保護的地層流體樣品也同樣會產(chǎn)生油氣分離現(xiàn)象［1］。過壓保護即利用泵抽的增壓功能使得初始取到的取樣筒中樣品壓力為地層壓力值加過壓值，但溫度對地層水壓力的影響可達到100psi／℉＊甚至以上。如果地面與井下溫差達到150℃，過壓能力就需要達到15 000psi。目前電纜地層測試儀的泵抽無法達到這種增壓效果。

斯倫貝謝公司和貝克休斯公司先后研制出能夠在電纜地層測試作業(yè)中獲取單相地層流體的取樣筒（斯倫貝謝公司的SPMT，Single-Phase Multisample Chamber；貝克休斯公司的SPT，Single Phase Tank）［1－2］。雖然其結(jié)構(gòu)形式不盡相同，但基本原理都是利用地面預先充好的高壓氮氣的蓄能補償作用消除因溫度降低導致的壓力損失，從而獲得壓力保真的單相地層流體樣品。

中海油田服務股份有限公司（COSL）成功研制了單相地層流體取樣筒 MPST（Mono-phase Sampling Tank）。MPST用在COSL自主研發(fā)的EFDT鉆井中途油氣層測試儀（Enhanced Formation Dynamic Tester）上，是一種獨特的取樣系統(tǒng)，它預充有高壓氮氣。在地層測試作業(yè)中，MPST能夠獲得滿足PVT分析質(zhì)量要求并經(jīng)過預充氮氣壓力補償?shù)膬訂蜗嗔黧w樣品。

1 MPST工作原理及充氮壓力計算

1.1 MPST工作原理

MPST有2個可動活塞，活塞中間充有壓縮氮氣（見圖1）。當取樣筒提至地面及運送至實驗室，桶內(nèi)溫度的降低會引起樣品壓力降低。壓縮氮氣的膨脹正好補償了這種損失，確保桶內(nèi)流體壓力始終處于泡點壓力之上，從而保持單相狀態(tài)，免除了在井場或?qū)嶒炇曳爆嵉牧黧w重新混合過程。利用MPST所取到的地層流體樣品能為最優(yōu)化完井和生產(chǎn)設(shè)計提供關(guān)鍵參數(shù)。

圖1 MPST結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 預充氮氣壓力理論計算

要求MPST取樣筒返回地面后，取樣筒內(nèi)壓力與所處井下地層壓力相同。MPST取樣作業(yè)的4種狀態(tài)見圖2。根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程，高壓氮氣腔有

圖2 MPST取樣作業(yè)的4種狀態(tài)

可近似認為p泥＝p地，因此式（1）可整理為

且有

地層流體樣品返回地面后，由于溫度降低對地層流體樣品體積的影響為

式中，γ為流動膨脹系數(shù)；V樣為井下取樣后地層流體體積；ΔT＝T井－T地。

地層流體樣品返回地面后，由于氮氣壓力的補償作用對地層流體樣品體積的影響為ΔV2＝CfΔpV樣，即

式中，Cf為流體的壓縮系數(shù)；V樣為井下取樣后地層流體樣品體積。

二者共同作用對地層流體樣品體積的影響為

因此有

設(shè)

整理可得

即

2 MPST可靠性分析及試驗

2.1 理論計算

MPST取樣筒設(shè)計承壓140MPa，屬于超高壓容器。此外，由于井下工況惡劣，取樣筒長期工作于油、氣、鉆井液環(huán)境之中，承受著高壓、高溫、污染、腐蝕等特殊而又復雜的工作條件。因此對取樣筒的可靠性提出了更高的要求，對其進行可靠性評估和測試非常必要。分別采用塑性失效準則和爆破失效準則對單相地層流體取樣筒MPST的承壓能力進行計算。

2.1.1 塑性失效準則

理想塑性材料進入塑性流動階段，應變增加而應力不增加，其抗拉強度值視為與屈服強度相同。由于不考慮材料硬化效應，認為筒壁材料達到完全屈服時便告失效，這時的全屈服應力也就是圓筒容器的破壞壓力［3］。

在工程設(shè)計上，考慮到溫度對材料性能的影響，為安全起見，對于完全屈服壓力取安全系數(shù)ns，即

則有

式中，pD為設(shè)計壓力；σs為材料在常溫下的屈服強度；K為外內(nèi)徑比；ns為全安全系數(shù)，ns≥2.5；φ為設(shè)計溫度下材料強度減弱系數(shù)（見表1）。低合金鋼及高強度鋼抗拉強度及屈服強度隨溫度的升高而下降。

表1 φ值選擇

取樣筒設(shè)計使用溫度為177℃，因此φ值可取0.9，ns取2.5，外內(nèi)徑比取1.811，則

可得pD＝250MPa。

2.1.2 爆破失效準則

超高壓容器由加壓、屈服至爆破，經(jīng)歷著彈塑性變形過程，應變硬化作用和壁厚減薄的影響情況極為復雜，對不同材料這些影響的程度又各不相同。因此要較為精確計算超高壓容器的爆破壓力，應采用塑性方法，并根據(jù)材料實驗數(shù)據(jù)和考慮塑性變形后材料強化對容器爆破壓力的影響［3］。采用Faupel（福貝爾）公式計算取樣筒的爆破壓力

可得pb＝755.5MPa。

取樣筒的使用工況極限壓力為140MPa，通過理論計算可得設(shè)計壓力和爆破壓力分別為250MPa和755.5MPa，因此設(shè)計可靠性在理論上有保證。

2.2 有限元分析

根據(jù)實際情況，在滿足精度的條件下，在建立模型時對MPST取樣筒的結(jié)構(gòu)進行簡化，忽略對計算結(jié)果影響不大的幾何因素，在網(wǎng)格劃分時采用Solid45單元，在取樣筒的2個端面采用全約束，在取樣筒內(nèi)部施加勻布載荷（見圖3至圖5）。

有限元分析表明，MPST取樣筒要保持安全可靠的工作，在其受到載荷的作用時，其所能夠達到的最大變形是0.063mm，所能承受的最大應力是330MPa。

2.3 耐壓實測

利用專門超高壓測試設(shè)備對MPST進行高壓測試。分別通過了20 000psi保壓3h和25 000psi保壓0.5h的耐壓測試（見圖6）。

圖6 MPST耐壓實測曲線

3 現(xiàn)場應用情況

MPST與EFDT鉆井中途油氣層測試儀完全兼容，目前EFDT儀器每次下井作業(yè)可攜帶最多10個MPST取樣筒。截至2012年4月，EFDTTM在渤海等海域成功作業(yè)40多口探井，并使用MPST取樣筒順利多次取到了PVT原油樣品。這表明MPST能完全滿足井下單相地層流體取樣的現(xiàn)場作業(yè)要求。

在華北任丘任-91井（測試層段超過3 900m，溫度140℃，泥漿柱壓力4 800psi）的測試中，其中1個MPST取樣筒（預充氮氣壓力值725psi）回到地面（溫度10℃），轉(zhuǎn)樣壓力4 750psi。MPST取到保持所在地層特性的單相地層流體樣品的能力得到了充分證明。

4 結(jié)束語

壓力補償式單相地層流體取樣筒MPST成功解決了地層流體樣品回到地面后由于溫度降低而產(chǎn)生油氣分離的問題，能夠獲得滿足PVT分析質(zhì)量要求并經(jīng)過壓力補償?shù)膬恿黧w樣品，從而免除了在井場或?qū)嶒炇曳爆嵉牧黧w重新混合過程，并能為最優(yōu)化完井和生產(chǎn)設(shè)計提供關(guān)鍵參數(shù)。

［1］Alastair Crombie，F(xiàn)rank Halford，Mohamed Hashem.Innovations in Wireline Fluid Sampling ［J］.Oilfield Review，1998：26-41.

［2］Paul Andrew Reinhardt.Apparatus and Method for Controlling Well Fluid Sample Pressure：United States Patent，US6439307B1［P］.2002.

［3］陳國理，陳柏暖，王作池.超高壓容器設(shè)計 ［M］.北京：化學工業(yè)出版社，1997.