單相和置換式PVT取樣技術(shù)在探井測試中的研究

張興華 ，楊 子 ，馮衛(wèi)華，趙啟彬 ，施 洋 ，高科超

1.中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術(shù)分公司 （天津 300452）

2.中海石油（中國）有限公司天津分公司勘探部 （天津 300452）

3.中海石油（中國）有限公司勘探部 （北京 100010）

井下高壓物性PVT取樣器能夠取到高質(zhì)量的液樣，為在容器條件下分析提供了經(jīng)濟和技術(shù)保障。其可在任何環(huán)境下操作，并能取得代表該井條件的井液。取到的液樣，經(jīng)過轉(zhuǎn)樣后，將該樣品發(fā)送到PVT實驗室分析。從實驗室出來的數(shù)據(jù)，幫助確定油（氣）田儲量計算、開發(fā)方案編制及油（氣）田開發(fā)過程中的動態(tài)研究、油氣采收率、生產(chǎn)預測和生產(chǎn)設(shè)備。單相S.P.S.（Single Phase Samplers）和置換式 P.D.S.（Positive Displacement Sampler） 等井下 PVT 高壓物性取樣器在海上油田探井測試作業(yè)中得到了充分運用并取得了良好的應(yīng)用效果。

1 單相和置換式高壓物性取樣器的機理研究

1.1 結(jié)構(gòu)及組成

S.P.S.單相高壓物性取樣器由鋼絲串聯(lián)，機械時鐘操作。它主要由4大部分組成，分別是觸發(fā)機構(gòu)、空氣室、氮氣室和取樣室。觸發(fā)機構(gòu)是一個時鐘裝置，負責控制取樣開關(guān)，在預定時間結(jié)束后打開取樣開關(guān)，目前使用的是彈簧式機械時鐘；空氣室用于在取樣點后儲存從油室被驅(qū)替進來的液壓油；氮氣室中的氮氣壓力高于預期的地層壓力 （約13.79Pa以上），能夠使得樣品在從井下取出的過程中保持在穩(wěn)定和壓縮的狀態(tài)；取樣室用于儲存液壓油并在取樣結(jié)束后儲存地層樣品，S.P.S.井下PVT取樣器的結(jié)構(gòu)示意圖，如圖1所示。

圖1 S.P.S.單相高壓物性取樣器結(jié)構(gòu)示意圖

置換式P.D.S.高壓物性取樣器由鋼絲串聯(lián)，機械時鐘操作。它主要由3大部分組成，分別是觸發(fā)機構(gòu)、空氣室和取樣室。各個部分的作用與置換式P.D.S.高壓物性取樣器的功能相同。置換式P.D.S.取樣器的結(jié)構(gòu)示意圖，如圖2所示。

圖2 置換式P.D.S.高壓物性取樣器結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 特點和規(guī)格參數(shù)

置換式P.D.S.高壓物性取樣器有諸多的特點[1]：取樣前后沒有污染；可以現(xiàn)場檢驗取樣效果；可調(diào)整取樣時間；有確定的液樣體積；可強制關(guān)閉取樣器和強制置換；能在高H2S、CO2和高油氣比下作業(yè)；無水銀操作；液樣在取樣室，不經(jīng)轉(zhuǎn)樣，運到實驗室認可；取樣前后無毒害；明接頭，在所有的井壓下均使用雙“O”環(huán)。

S.P.S.除了具備P.D.S.各項特點外，其最主要的優(yōu)點是能夠保持所取的井下樣品壓力高于油藏壓力進行取樣作業(yè)。

與常規(guī)取樣方法相比，S.P.S.和P.D.S.取樣系統(tǒng)能取到更有代表性的樣品。這是因為常規(guī)取樣器在下井過程中保持開啟狀態(tài)，這就有可能使油井上部的臟物或脫氣原油滯留于取樣器中，使所取樣品與實際流體的組成成份出現(xiàn)誤差。而S.P.S.和P.D.S.取樣器在下井過程中保持關(guān)閉狀態(tài)，取樣器到達取樣位置后，由時鐘控制開啟取樣，避免了常規(guī)取樣器的不足。

在海上油田探井測試作業(yè)中，常用的高壓物性取樣器規(guī)格見表1。

表1 海上探井常用的S.P.S.與P.D.S.高壓物性取樣器參數(shù)

1.3 工作原理

S.P.S.取樣器中的氮氣室安裝在取樣室和空氣室之間。氮氣室注入的氮氣壓力要高于預期的地層壓力（大約13.79Pa以上）。當取樣器下到預定深度并觸發(fā)后，井下壓力使得取樣室內(nèi)的置換液進入空氣室。在樣品采集到取樣室之前，P.D.S.和S.P.S.的取樣過程是相同的。針閥體拉動鎖定裝置到預定位置，鎖住樣品。然后氮氣流通孔聯(lián)通，使得氮氣壓力作用在浮動活塞上，這樣能夠使得樣品在從井下取出的過程中保持在穩(wěn)定和壓縮的狀態(tài)。

置換式P.D.S.和單相S.P.S.取樣器工作原理大致相同。其內(nèi)部游動的活塞被緩沖液約束在取樣室底部。當設(shè)定的時鐘到預定時間時，觸發(fā)機構(gòu)的臂彈入時鐘圓錐缺口內(nèi)，允許梭桿向上移動，在穿梭機構(gòu)形成一個通路，受壓的緩沖液排泄到空氣室。排泄速率由節(jié)流器控制，這時緩沖液壓力下降，游動活塞在井壓作用下向上推動，慢慢汲取液樣。當活塞碰到預置關(guān)斷組件，組件外部套筒上升，釋鎖定鋼球，中心芯子縮短受沖擊，連桿拖動針閥體向上移動。“O”環(huán)保護套和針閥體進入取樣室，當?shù)?個“O”環(huán)進入取樣室后，限位銷釘彈出鎖死針閥體，取樣器關(guān)閉。

1.4 取樣深度的確定

對于能夠自噴的油層或凝析氣層，當達到原油或凝析油含水＜5%且含砂＜0.1%的取樣條件時，宜取井下PVT樣。測試層流體在井下應(yīng)處于單相流動狀態(tài)，為確保這一條件的建立，在最終關(guān)井恢復后用小油嘴引流，待流動正常后方可取樣；取樣前首先應(yīng)根據(jù)測試資料用相關(guān)經(jīng)驗公式計算出該測試層的流體泡點（露點）壓力，然后將取樣器置于終流動末井底壓力Pwf＞P0+1.0MPa井控條件下，取得地層原油或天然氣在井底單相的情況下的PVT井下樣。

除特低飽和油藏取井下PVT樣可在最終關(guān)井恢復期進行外，通常取井下PVT樣在最終關(guān)井恢復結(jié)束后，用小油嘴控制流動進行獲??；對高飽和油藏和凝析氣藏可用小油嘴控制流動一段時間后，井口關(guān)井獲取[2]。

式中：P0為泡點壓力，MPa；Rs為油氣比，無量綱；r0為原油相對密度，無量綱；rg為氣比重，無量綱；T為流體溫度，℃。

由經(jīng)驗公式（1）和（2）計算確定泡點壓力后，可計算出高壓物性取樣器在井筒下放的最小深度，如公式（3）所示：

式中：Hmin為高壓物性取樣器在井筒下放的最小深度，m。

1.5 轉(zhuǎn)樣和求泡點

1.5.1 轉(zhuǎn)樣

首先，應(yīng)該對轉(zhuǎn)樣設(shè)備和樣瓶進行試壓，一般根據(jù)井底壓力確定試壓，保證轉(zhuǎn)樣臺穩(wěn)壓10min無泄漏之后，需要對樣瓶進行試壓并打入預置壓力。準備工作安排就緒后，將取樣器放在轉(zhuǎn)樣臺上，打開放樣堵頭，兩邊連好專用管線，在打開放樣堵頭時要注意，提前檢查放樣螺釘是否完全關(guān)閉，避免造成因螺釘提前打開而造成泄壓，影響流體真實性。往油室一側(cè)打壓，此時可以測量開啟壓力。之后緩慢打開放樣螺釘，活塞推動地層流體流出進入樣瓶，直到泵壓突然身高，表示活塞已經(jīng)到頭，轉(zhuǎn)樣結(jié)束[3]。

1.5.2 求取泡點

1）系統(tǒng)加壓，高于取樣地層壓力的25%。

2）為了保證樣品內(nèi)流體充分混合，需要多次將樣瓶前后轉(zhuǎn)動180°。觀察系統(tǒng)壓力，通過壓力變化可以判斷油樣是否以單相狀態(tài)存在，若壓力下降說明樣品是單相的，則繼續(xù)打壓，直至壓力不降為止。

3）轉(zhuǎn)樣臺有一個恒定體檢系統(tǒng)。打開閥門使樣品進入恒定體積系統(tǒng)，再打開恒定體積系統(tǒng)的底部閥門，讓樣品流入量杯，再關(guān)上閥門。為了讓樣品穩(wěn)定，旋轉(zhuǎn)樣瓶，記錄下壓力表上的數(shù)據(jù)，記錄壓力和體積來制作表格，重復以上動作，求得每次減少2mL體積后系統(tǒng)油樣的壓力、溫度，直到獲得充足的數(shù)據(jù)來確定泡點[4-5]。

4）畫坐標。x軸代表體積、y軸代表樣品壓力，泡點壓力為2條壓力點直線的交叉點。

5）通過以上步驟，做第2支取樣腔樣品泡點和第1支泡點壓力做比較，泡點壓力差值不超過3%，否則重新取樣，直至2支樣品泡點壓力合格為止。

1.6 注意事項

1）時鐘裝置控制取樣時間，由于該時鐘為機械彈簧控制，設(shè)置后無法更改，所以將取樣器時鐘調(diào)到下入預定井深所需行程時間的1.5倍，必須確保取樣器能夠提前20～30min到達取樣位置。

2）在對取樣器進行實驗和預置壓力時必須小心。所有密封件及配件都要原配的，每次使用前要做檢查，定期做壓力實驗，確保萬無一失。

3）取樣前使用小油嘴節(jié)流控制生產(chǎn)，盡量使流壓接近原始地層壓力，避免井底發(fā)生脫氣現(xiàn)象；井筒流體替換干凈，井下無臟物，以保證井底所取得樣品是有代表性的新鮮的地層油樣品。

4）取樣作業(yè)準備前應(yīng)了解作業(yè)中的管柱結(jié)構(gòu)、井斜、造斜點位置，流體中是否含腐蝕性物質(zhì)，最大的井口、井下壓力、溫度等。只有對作業(yè)井況充分認識，才能避免因使用設(shè)備等不當造成作業(yè)事故。

5）鋼絲下放取樣工具串以18m/min下到預定深度。通過有變徑、造斜點、方位角和曲率半徑變化明顯點時要緩慢通過，建議速度低于20m/min。

6）取樣器是設(shè)計為內(nèi)部能夠承載壓力且比較精密的儀器，所以在吊裝和擺放時要輕拿輕放，禁止摔打碰擊。

2 結(jié)論

1）單相和置換式高壓物性取樣器能夠取全取準地層真實的液樣，為后期ODP的編制提供了強有力的技術(shù)保障。

2）對于取樣深度的選擇可以借鑒一定的經(jīng)驗公式來確定，轉(zhuǎn)樣步驟和泡點的求取一定要細化實施，只有這樣才能取得并求得地層真實高壓物性資料和數(shù)據(jù)。

3）對于取樣、轉(zhuǎn)樣和求泡點過程應(yīng)該注意的事項，要充分做好作業(yè)安全風險分析（JSA），確保作業(yè)安全順利開展。

[1]鄧大軍,齊彥強，杜慶召，等.P.D.S.高壓物性取樣及轉(zhuǎn)樣應(yīng)用分析[J].油氣井測試，2008,17（4）：43-45.

[2]王守君.中國海洋石油有限公司勘探監(jiān)督手冊[M].北京：石油工業(yè)出版社，2013.

[3]王世華,羅敏.LEUTERT井下取樣及地面轉(zhuǎn)樣裝置[J].油氣井測試，1997，6（4）：66-68.

[4]李志文,李春生，周志江.PVT電控式高壓物性取樣研究[J].油氣井測試，2002，11（6）：51-53.

[5]何更生.油層物理[M].北京：石油工業(yè)出版社,1994.