水平井井下流體分段取樣技術(shù)研究與應(yīng)用

崔文昊，甘慶明，呂億明，王百，朱洪征

（1．長(zhǎng)慶油田分公司油氣工藝研究院，陜西 西安710018；2．低滲透油氣田勘探開(kāi)發(fā)國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安710018）

0 引 言

截至2013年底，長(zhǎng)慶油田含水大于80%的水平井超過(guò)總井?dāng)?shù)的20%。水平井見(jiàn)水導(dǎo)致單井產(chǎn)量下降，嚴(yán)重影響水平井開(kāi)發(fā)效益。水平井機(jī)械找水主要通過(guò)封隔器卡封各射孔段進(jìn)行分段生產(chǎn)測(cè)試找水［1－2］，在地面取樣化驗(yàn)分析，單段找水周期6～8d，單井測(cè)試周期較長(zhǎng)。產(chǎn)液剖面等生產(chǎn)測(cè)井方法對(duì)水平井筒條件要求較高，且費(fèi)用較高。為了提高找水效率，降低作業(yè)成本，可將地面取樣改進(jìn)為水平段取樣，免去了地層流體排出井口的時(shí)間。油井井下取樣測(cè)試均在定向井中應(yīng)用，主要采用電纜或鋼絲由環(huán)空下入取樣裝置［3－5］；取樣裝置采用鐘控式、掛壁和錘擊等［6－7］關(guān)閉方式，有報(bào)道［8］可在直井采用油管輸送取樣器、井下預(yù)設(shè)開(kāi)關(guān)的取樣方法，但未能應(yīng)用在水平井中。本文針對(duì)電纜或鋼絲無(wú)法將取樣器下入水平段，且面臨啟閉方式、水平段通過(guò)能力、防砂等方面的難點(diǎn)，研制出一種水平井井下取樣器。該取樣器由油管輸送、井下微電機(jī)控制，成功應(yīng)用于水平井井下流體取樣，可一趟管柱完成全水平井段取樣測(cè)試，具有操作方便、取樣可靠及可重復(fù)使用等優(yōu)點(diǎn)。

1 水平井井下流體分段取樣技術(shù)

1．1 技術(shù)原理

水平井井下流體分段取樣技術(shù)采用油管將封隔器、井下取樣器等配套工具送至井下，封隔器將水平井各層段有效封隔，每個(gè)射孔段預(yù)置井下取樣器，地面抽油機(jī)連續(xù)生產(chǎn)，取樣器在井下定時(shí)開(kāi)關(guān)控制各層段逐一分段取樣，起出地面放樣化驗(yàn)分析各段含水，以判斷見(jiàn)水位置。

1．2 管柱結(jié)構(gòu)

管柱結(jié)構(gòu)如圖1所示。通過(guò)油管將井下取樣器、皮碗封隔器、抽油泵和錐形絲堵等連接，各級(jí)封隔器將射孔段密封卡開(kāi)，抽油桿與抽油泵連接。

圖1 水平井井下流體分段取樣測(cè)試管柱結(jié)構(gòu)

1．3 取樣方案

水平井井下流體分段取樣方案是通過(guò)地面設(shè)置取樣程序，將井下電控取樣器隨油管下入測(cè)試層段，在油井生產(chǎn)時(shí)進(jìn)行取樣后，隨油管起出地面并放樣化驗(yàn)。該方案分為地面程序設(shè)置和井下取樣2個(gè)階段，具體步驟見(jiàn)圖2。

圖2 水平井井下流體分段取樣方案流程圖

2 水平井井下電控取樣器設(shè)計(jì)

受水平井井眼軌跡限制，井下取樣器設(shè)計(jì)重點(diǎn)考慮其通過(guò)安全性及防砂性能，體現(xiàn)在3個(gè)方面。①取樣器端面采用倒角設(shè)計(jì)；②取樣器尺寸既能滿足取到足夠樣品又能保證在水平井段安全通過(guò)；③水平段易形成砂粒沉積，影響電控取樣器啟閉，應(yīng)采用防砂設(shè)計(jì)。

2．1 結(jié)構(gòu)及工作原理

水平井井下電控取樣器主要由電控部分（見(jiàn)圖3）和取樣部分（見(jiàn)圖4）組成。

圖3 電控部分結(jié)構(gòu)圖

圖4 水平井井下電控取樣器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

電控部分主要由電池、控制電路、微電機(jī)和驅(qū)動(dòng)連桿等組成。首先在地面通過(guò)程序設(shè)置取樣開(kāi)始時(shí)間、啟閉時(shí)間、驅(qū)替次數(shù)、驅(qū)替間隔等參數(shù)；在井下給微電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)發(fā)出指令，可使驅(qū)動(dòng)連桿帶動(dòng)取樣器滑閥回往復(fù)運(yùn)動(dòng)，1個(gè)循環(huán)可完成生產(chǎn)、取樣、關(guān)閉3種狀態(tài)控制，實(shí)現(xiàn)取樣腔體多時(shí)刻打開(kāi)或關(guān)閉。

取樣部分由進(jìn)液孔、取樣腔、單向閥、中心管過(guò)流通道、放樣孔、泄壓孔和防砂網(wǎng)等組成。取樣器工作筒內(nèi)部開(kāi)有1個(gè)中心管過(guò)流通道和2個(gè)橋式通道（取樣腔）；取樣腔設(shè)于取樣器金屬缸壁內(nèi)，側(cè)向與地層連通形成2個(gè)進(jìn)液孔；進(jìn)液孔過(guò)流槽設(shè)計(jì)與閥體密封面一樣大小，在過(guò)流時(shí)采用割縫方式（防砂網(wǎng)內(nèi)徑0．2mm），可有效防止砂粒進(jìn)入取樣腔。中心管過(guò)流通道為中空的金屬件，其中設(shè)有滑閥，滑閥組件與中心管過(guò)流通道內(nèi)壁密實(shí)連接；中心管過(guò)流通道與外層流體縱向設(shè)有2個(gè)流體通道，一個(gè)經(jīng)進(jìn)液孔直接進(jìn)入，另一個(gè)經(jīng)過(guò)取樣腔后進(jìn)入。取樣腔底部設(shè)有通孔，通孔上設(shè)有單流球閥，該球閥保證取樣腔體內(nèi)的液體可以單向進(jìn)入中心管過(guò)流通道。取樣結(jié)束后，先通過(guò)泄壓孔釋放壓力，取樣腔流體經(jīng)過(guò)放樣孔排出。

2．2 技術(shù)參數(shù)

（1）井下取樣器缸體最大外徑Φ110mm，取樣容積1000mL，取樣器長(zhǎng)度680mm。

（2）工作壓力40MPa，承壓差25MPa，耐溫100℃。

（3）電機(jī)驅(qū)動(dòng)供電電池為高溫鋰電池，正常值為11．8V；線路板供電電池為高溫鋰電池，正常值為3．9V；有效工作時(shí)間大于18個(gè)月。

（4）取樣器開(kāi)關(guān)狀態(tài)設(shè)置大于20次，實(shí)現(xiàn)多時(shí)刻取樣。

2．3 特點(diǎn)

（1）一趟管柱實(shí)現(xiàn)水平井多射孔段同時(shí)取樣。

（2）不受油井產(chǎn)液量影響，可進(jìn)行低產(chǎn)水平井分段取樣分析。

（3）取樣器按預(yù)設(shè)程序開(kāi)關(guān)，無(wú)須通過(guò)地面作業(yè)即可實(shí)現(xiàn)井下取樣。

（4）獲得樣品體積大，可充分進(jìn)行分析化驗(yàn)。

2．4 室內(nèi)實(shí)驗(yàn)

2．4．1 整體壓力實(shí)驗(yàn)

通過(guò)檢驗(yàn)樣機(jī)各密封點(diǎn)的密封狀況，保證井下電控取樣器工作可靠。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，控制部分外筒和取樣部分主體分別在10、20、30、40MPa下打壓，各壓力下分別穩(wěn)壓5min；試壓結(jié)束后，打開(kāi)外筒和取樣腔體未發(fā)現(xiàn)進(jìn)液，說(shuō)明控制電路可順利運(yùn)行且成功取樣。

2．4．2 模擬取樣實(shí)驗(yàn)

在75℃、40MPa條件下進(jìn)行模擬取樣，查看取樣器是否按程序設(shè)定取樣以及取樣體積是否符合設(shè)計(jì)要求。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，在該條件下保壓4h，完成取樣后得到液樣1000mL。

2．4．3 模擬水平井分段取樣實(shí)驗(yàn)

模擬取樣器在水平井井下工作狀態(tài)檢驗(yàn)取樣器能否分段取得流體樣品。將2套取樣器用油管連接，油管兩端分別連接試壓接頭，試壓接頭通過(guò)試壓管線連接試壓泵。Ⅰ號(hào)取樣器試壓接頭注入藍(lán)色液體，壓力為10MPa；Ⅱ號(hào)取樣器試壓接頭注入無(wú)色清水，壓力為20MPa。實(shí)驗(yàn)結(jié)果，取樣器在不同壓力系統(tǒng)的干擾下成功獨(dú)立分段取樣。

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

2013年11 月在長(zhǎng)慶油田1口水平井現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。該井壓裂改造7個(gè)段，斜深3090m，水平段長(zhǎng)度800m，套管內(nèi)徑124．26mm。該井投產(chǎn)即高含水，試驗(yàn)前含水95．3%。

3．1 控制程序設(shè)計(jì)

依據(jù)井下分段取樣控制方法設(shè)計(jì)取樣控制程序。

（1）設(shè)定油井排液時(shí)間。為了使取樣準(zhǔn)確，必須將井筒及洗井時(shí)漏失液體全部排出井筒再取樣。通過(guò)式（1）計(jì)算，井筒排液時(shí)間為8d。

（2）設(shè)定取樣方式。該井各射孔段間距均超過(guò)100m，可采用分段同時(shí)取樣方式，僅用1d即完成各段找水。

（3）設(shè)定取樣啟閉時(shí)間。為了使地層取樣具有代表性，在各射孔段預(yù)置3套取樣器，1d分3次完成取樣，單套取樣時(shí)間30min，各取樣器取樣間隔時(shí)間8h。

3．2 水平井分段取樣管柱通過(guò)安全性

為保證水平井井下工具的順利起下，必須對(duì)井下工具串在特定套管內(nèi)的通過(guò)界限進(jìn)行分析。允許通過(guò)的井下工具管串最大長(zhǎng)度計(jì)算公式為

式中，R為井身曲率半徑，m；D為曲率半徑為R處的套管內(nèi)徑，m；d為井下工具最大剛性外徑，m；L為井下工具最大允許通過(guò)長(zhǎng)度，m。

該井為52in＊套管（內(nèi)徑124．26mm）、最小曲率半徑為75m，通過(guò)計(jì)算得到工具允許通過(guò)長(zhǎng)度，由表1可知，井下電控取樣器和配套皮碗封隔器起下鉆安全。

表1 水平井井下取樣工具通過(guò)能力計(jì)算表

3．3 取樣結(jié)果

取樣器隨油管起出后放樣化驗(yàn)，其結(jié)果為第1至第4射孔段含水100%，水型為注入水（見(jiàn)表2）；第5～7射孔段不出液，疑為地層堵塞，為下一步控水增油措施政策的制定提供了可靠依據(jù)。

表2 井下流體分段取樣測(cè)試水型分析結(jié)果表

4 結(jié) 論

水平井井下流體分段取樣技術(shù)首次成功應(yīng)用于水平井找水，打破了僅在定向井取樣測(cè)試的限制，一趟管柱即可完成水平井多射孔段井下流體取樣，能夠真實(shí)反應(yīng)地層流體性質(zhì)。與地面取樣相比，具有流體取樣樣品準(zhǔn)確、測(cè)試簡(jiǎn)便、效率高等特點(diǎn)，可應(yīng)用于中高含水期多段壓裂水平井找水測(cè)試及井下流體特征分析，為水平井控水增油提供了可靠依據(jù)。

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