U形管采樣技術(shù)研究

潘德元，李小杰，鄭繼天，葉成明

(中國地質(zhì)調(diào)查局水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)調(diào)查中心，河北 保定 071051)

0 引言

深部地層流體樣品能夠提供地下流體化學(xué)特征、同位素組分、溶解氣體和微生物特征等，具有深部空間物理、化學(xué)和生物信息，對深井設(shè)計開發(fā)以及深部流體監(jiān)測具有重要意義，是深井工程的重要組成部分。然而，采集地下原狀流體具備相當(dāng)大的困難，首先，鉆探及成井過程中鉆井液會對地層流體產(chǎn)生污染;其次，取樣過程中的工藝手段會對地層流體產(chǎn)生擾動，影響其原狀性;第三，井下空間狹小，且存在很高的液柱壓力，深部流體取樣對取樣設(shè)備需要合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計和較高的性能要求。

地層流體采樣技術(shù)主要分淺層流體取樣和深部流體取樣。國內(nèi)外淺層流體取樣設(shè)備種類較多，如國外QED公司的氣動壓出式隔膜泵、Solinst公司的蠕動泵采樣器、以及國內(nèi)的地下水采樣系統(tǒng)等等，但是這類設(shè)備的取樣深度都較淺，基本在幾十到200 m之間。深部流體取樣中油井中通常運(yùn)用電纜地層測試器，但是工藝復(fù)雜，成本高。我國地下水采樣技術(shù)在深部地下水取樣目前仍是空白。

U形管采樣技術(shù)(The U－tube Sampling System)是目前國際上最先進(jìn)的深井井下狹小空間取樣技術(shù)，其最大特點(diǎn)是在環(huán)狀間隙很小的井筒內(nèi)實現(xiàn)深部采樣。美國勞倫斯伯克力試驗室于2004年研發(fā)成功U形管采樣設(shè)備，并整合了多項監(jiān)測系統(tǒng)，最大取樣深度達(dá)到2000 m。

Frio項目就采用U形管取樣技術(shù)實現(xiàn)地下流體采集，監(jiān)測二氧化碳在儲層中的賦存狀態(tài)和運(yùn)移規(guī)律，以及監(jiān)測二氧化碳在蓋層中的泄漏風(fēng)險，是二氧化碳在咸水含水層封存的示范工程。

1 U形管取樣技術(shù)原理

U形管取樣器是一個簡單的流體容積泵，使用高壓氣體驅(qū)動。圖1為安裝封隔器的U形管取樣器示意圖。

圖1 U形管結(jié)構(gòu)示意圖

在概念上，U形管取樣原理較為簡單，取樣管和驅(qū)動管回路形成一個U形回路，回路下方安裝一單向閥，通過封隔器隔離地層流體(可采用雙封隔器)。

采集地下水樣品時，先將U形管驅(qū)動管管頭和取樣管管頭與大氣連通，地層水通過單向閥進(jìn)入U形管內(nèi)，從驅(qū)動管管頭注入高壓氮?dú)?或其它惰性氣體)，此時單向閥關(guān)閉，驅(qū)使地層流體樣品從取樣管流出地表，完成樣品采集。通過重復(fù)以上采樣過程，地層流體可以不斷置換、更新，最終采集到新鮮的地層流體。采樣過程如圖2所示。

圖2 U形管采樣原理圖

2 U形管取樣系統(tǒng)設(shè)計

2.1 總體設(shè)計

U形管取樣系統(tǒng)設(shè)計分為地面控制系統(tǒng)和井下采樣系統(tǒng)2部分。地面系統(tǒng)包括動力組件、管線及絞車系統(tǒng)、取樣控制組件、樣品采集容器等;井下采樣系統(tǒng)包括上下封隔器(上封隔器過管線設(shè)計)、單向閥組件。如圖3所示。

圖3 U形管取樣系統(tǒng)總成

2.1.1 動力組件

空壓機(jī)驅(qū)動或高壓氮?dú)馄?，產(chǎn)生高壓氣體驅(qū)動地層流體流出地面。

2.1.2 管線及絞車系統(tǒng)

管線分為驅(qū)動管和取樣管，需要將管線盤繞絞車上方便運(yùn)輸及取樣。

2.1.3 取樣控制組件

控制從空壓機(jī)或者高壓氮?dú)馄枯敵龅臍怏w進(jìn)入驅(qū)動管線的壓力和時間、以及驅(qū)動管連通大氣的時間。

2.1.4 樣品采集容器

收集從取樣管中流出的樣品。

2.1.5 封隔器

上下封隔器的目的是隔離上下地層流體，防止地層流體混合，以便獲得目的層位流體，上封隔器需要進(jìn)行過管線設(shè)計。在本次試驗中未加入封隔器。

2.1.6 單向閥組件

允許地層流體在地層壓力作用下進(jìn)入管線中，阻止回流重新進(jìn)入地層。

2.2 單向閥組件設(shè)計

單向閥組件是為獲取地層流體而設(shè)計的，為滿足深井取樣需求，單向閥組件具有小體積、較高強(qiáng)度、耐腐蝕性、耐磨損等性能。采用316不銹鋼為材料，總體設(shè)計組裝圖見圖4，主體部件體積為50 mm×22 mm×58 mm，單向閥采用球閥設(shè)計，下方為地層流體入口，上方左邊連接送氣管線，右邊連接取樣管。

圖4 單向閥組件組裝圖及實物

為能夠?qū)崿F(xiàn)在地面取樣和壓力驅(qū)動多樣化，在取樣管底端設(shè)計一個單向閥，當(dāng)取樣管中液面高于驅(qū)動管時，這種設(shè)計能夠防止取樣管中樣品回流，主要目的是降低地面氣體的壓力，采用較低的驅(qū)動壓力就能驅(qū)動樣品一段一段進(jìn)入取樣管就是實現(xiàn)取樣，確保地面控制系統(tǒng)安全性能。

2.3 管線選擇

針對驅(qū)動管和取樣管的使用環(huán)境，管線需要滿足內(nèi)外徑尺寸、耐磨及耐腐蝕性能要求，同時具有較高的抗壓、抗擠以及抗拉強(qiáng)度，并且彎曲半徑不宜過大，方便隨車攜帶。經(jīng)過廣泛調(diào)研，選取了不銹鋼盤管和超高壓鋼絲纏繞軟管作為U形管管體材料的備選管材。

高壓不銹鋼盤管材料有202、304、316L等多種材質(zhì)，經(jīng)過特殊處理后具有抗內(nèi)壓、外壓強(qiáng)度高、管壁薄、單根長度大等特點(diǎn)，但下管和盤管時都需要進(jìn)行盤管作業(yè)，對提下管操作提出很高要求，在起下管柱頻繁的情況下增加了工作量，同時易對管線造成損壞。

高壓鋼絲纏繞軟管由一層耐液壓流體的橡膠內(nèi)襯層、以交替方向纏繞的鋼絲增強(qiáng)層和一層耐油和耐天候的橡膠外覆層構(gòu)成，最高承壓能力可以達(dá)到400 MPa，具有承壓能力高、耐磨損、抗老化、耐高低溫(－40～+90℃)、衛(wèi)生安全、彎曲靈活、使用方便等許多特點(diǎn)，但是管壁厚，管線內(nèi)徑損失較大。

綜合對比高壓不銹鋼盤管和高壓鋼絲纏繞軟管的各項性能，再結(jié)合本次U形管取樣試驗要求，確定選擇高壓鋼絲纏繞軟管作為U形管管線。驅(qū)動管和取樣管的內(nèi)外徑分別為7.5 mm/11.6 mm，8 mm/14.3 mm，爆破壓力達(dá)到55.0 MPa以上。

2.4 地面控制箱設(shè)計

控制箱是為了調(diào)節(jié)驅(qū)動管送氣、放氣時間(連接大氣)及氣體壓力，需要具有耐高壓、自動控制及參數(shù)可調(diào)等特點(diǎn)，目前設(shè)計的控制箱自動控制充放氣，耐壓5 MPa，時間調(diào)節(jié)0～999 s。

2.5 取樣方式設(shè)計

根據(jù)試驗要求，設(shè)計了2種取樣方式:單循環(huán)取樣、連續(xù)取樣。

單循環(huán)取樣方式是指將驅(qū)動管接通空壓機(jī)或者高壓氮?dú)馄恳淮涡詫⒐軆?nèi)液體推出地面，然后將驅(qū)動管和取樣管連通大氣，等待地下流體進(jìn)入管內(nèi)，再次進(jìn)行第二次取樣。

連續(xù)取樣方式是在驅(qū)動管前端連接控制系統(tǒng)，控制驅(qū)動管充氣及放氣時間(與大氣連通時間)和氣體壓力，通過調(diào)整時間將液體逐段推入取樣管中，實現(xiàn)連續(xù)取樣。單次循環(huán)時間是指從上次取樣停止，驅(qū)動管與取樣管連通大氣等待水位回復(fù)時間加上第二次取樣時間。

3 現(xiàn)場試驗

野外試驗用井選取了位于河南臨潁縣的一口地?zé)峋?，井深?206 m。管井結(jié)構(gòu)自上而下為:0～168 m為273 mm×7 mm螺旋鋼管;168～1206 m為159 mm×6 mm鋼管及同徑橋式濾水管。靜水位35 m。

由于是首次開展深井U形管井下取樣測試，取樣深度大、取樣壓力高，本次野外試驗分為井下270、370和500 m 3個遞進(jìn)階段進(jìn)行單次循環(huán)取樣試驗，以及采用控制箱進(jìn)行低擾動連續(xù)取樣試驗，在逐步探索過程中積累經(jīng)驗。經(jīng)過項目組人員的共同努力，歷時一個星期，終于完成了試驗測試，取得滿意的試驗效果。在取樣深度500 m的條件下，U形管平均單循環(huán)取樣量為20 L;控制箱取樣時最大流量達(dá)到40 L/h。

本次試驗單循環(huán)取樣深度由淺入深，在取樣深度500 m處是將單向閥下至400 m，下方進(jìn)水窗口連接100 m管線，取樣各項參數(shù)見表1。隨著取樣深度增加，單次循環(huán)時間增加。

表1 單循環(huán)取樣參數(shù)

本次試驗連續(xù)取樣時將氣體驅(qū)動時間和與大氣連通時間都設(shè)置為100 s，控制氣壓進(jìn)行取樣試驗時發(fā)現(xiàn)，當(dāng)氣壓＜1 MPa時不上水，提升到2 MPa時開始上水，并隨著氣壓升高上水量增加，最大流量達(dá)到40.5 L/h。隨著單向閥下入深度越深，管內(nèi)流體阻力越大，驅(qū)動氣壓越高。連續(xù)取樣現(xiàn)場參數(shù)見表2和圖7。

表2 連續(xù)取樣參數(shù)

圖5 連續(xù)取樣氣壓與取樣體積關(guān)系

4 結(jié)論

深部狹小空間取樣是目前國際上的一個技術(shù)難題，此次結(jié)合國內(nèi)二氧化碳地質(zhì)儲存監(jiān)測井取樣的實際需求，根據(jù)U形管取樣原理，自主設(shè)計了一套U形管采樣器，取得了較好的成果，也存在很多的不足。

(1)本次試驗取樣深度達(dá)到500 m，流量40 L/h，填補(bǔ)了我國深孔液體取樣技術(shù)的空白。

(2)試驗數(shù)據(jù)顯示，2種取樣模式對比發(fā)現(xiàn)，連續(xù)取樣模式能夠在地面采用較低的驅(qū)動氣壓實現(xiàn)取樣，保障地面系統(tǒng)的安全性能。

(3)在試驗過程中對比2種取樣模式，在對樣品影響方面，連續(xù)取樣時每一小段流體都與大氣產(chǎn)生接觸，而單循環(huán)取樣只有兩端流體與大氣接觸;在取樣工序上，目前單循環(huán)模式每次都需要人工操作，而連續(xù)取樣可以實現(xiàn)初步的自動化;在取樣速度方面，單循環(huán)取樣速度比較恒定，與井深等參數(shù)無明顯關(guān)系，連續(xù)取樣方式隨著驅(qū)動氣壓的升高增加取樣速度。

(4)U形管采樣技術(shù)體積小，有較廣的應(yīng)用前景。油藏流體是油氣田開發(fā)最基本的資料之一，在探井完井過程中依附完井管柱下入永久式U形管取樣設(shè)備，同時設(shè)計整合其他監(jiān)測系統(tǒng)，如地層壓力監(jiān)測等能夠有效的監(jiān)測目的層油藏各項參數(shù)。

[1] Barry Freifeld.The U-tube:A New Paradigm for Borehole Fluid Sampling[J].Scientific Drilling，2009，8(9):41 － 45.

[2] 中國21世紀(jì)議程管理中心，中國地質(zhì)調(diào)查局水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)調(diào)查中心.中國二氧化碳地質(zhì)封存選址指南研究[M].北京:地質(zhì)出版社，2012.

[3] 鄭繼天，葉成明，王建增，等.地下水污染調(diào)查慣性取樣泵的設(shè)計[J].探礦工程(巖土鉆掘工程)，2010，37(9):37 －39.

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