采油井模塊化分層流體取樣與壓力測(cè)試技術(shù)

許建國(guó)，楊清海，伊鵬，侯澤，賈唯特，付濤，張宗霖，岳慶峰

（1. 吉林油田油氣工程研究院，吉林松原 138000；2. 中國(guó)石油勘探開(kāi)發(fā)研究院，北京100083；3. 吉林油田新木采油廠，吉林松原 138000；4. 大慶油田有限責(zé)任公司采油工程研究院，黑龍江大慶 163453）

0 引言

中國(guó)油田普遍采用分層注水、籠統(tǒng)采油的開(kāi)發(fā)方式，隨著開(kāi)發(fā)深入，注入端逐步向細(xì)分、智能的方向發(fā)展，但采出端多數(shù)依然為籠統(tǒng)采油方式。油田經(jīng)過(guò)多年開(kāi)發(fā)，層間和平面矛盾造成采出剖面不均衡，低滲透儲(chǔ)集層動(dòng)用效果差；同時(shí)，注水開(kāi)發(fā)后，油藏非均質(zhì)性造成高滲透層注水突進(jìn)，導(dǎo)致采出液綜合含水率逐漸上升，油藏物理性質(zhì)發(fā)生變化，層間差異逐年加大，油水分布日趨復(fù)雜[1-4]。因此，老油田高含水開(kāi)發(fā)后期，準(zhǔn)確掌握各儲(chǔ)集層分層壓力及流體參數(shù)等油層開(kāi)發(fā)動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)，一方面能夠?yàn)殚_(kāi)發(fā)方案調(diào)整優(yōu)化、油層改造等提高采收率措施提供重要依據(jù)，進(jìn)而控制油井含水上升，實(shí)現(xiàn)各類油層均衡開(kāi)采，對(duì)于提高油田開(kāi)發(fā)水平具有重要意義；另一方面，油井智能化是智能注采系統(tǒng)的重要組成部分，而數(shù)據(jù)是智能化的基礎(chǔ)，若通過(guò)實(shí)測(cè)或由實(shí)測(cè)參數(shù)計(jì)算獲取分層壓力、流體物性、產(chǎn)液剖面、滲透率等類型豐富、結(jié)果準(zhǔn)確的生產(chǎn)數(shù)據(jù)，能夠大大提高智能油藏分析模型的準(zhǔn)確性和精細(xì)化程度，從而實(shí)現(xiàn)開(kāi)發(fā)方案的智能調(diào)整與優(yōu)化，對(duì)于實(shí)現(xiàn)智能注采具有重要推動(dòng)作用。

取樣和測(cè)壓一體化測(cè)試工藝主要應(yīng)用在鉆井和生產(chǎn)階段。國(guó)內(nèi)外油田服務(wù)公司經(jīng)過(guò)幾十年發(fā)展，形成了一系列電纜地層測(cè)試與取樣技術(shù)[5-7]，但這些技術(shù)大多針對(duì)大井眼、裸眼井環(huán)境開(kāi)發(fā)，多應(yīng)用于鉆井過(guò)程中的地層測(cè)試，不適合國(guó)內(nèi)139.7 mm（5.5 in）套管井生產(chǎn)階段取樣測(cè)試。針對(duì)生產(chǎn)階段取樣測(cè)試，國(guó)內(nèi)針對(duì)套管井開(kāi)發(fā)了電纜輸送的分層取樣和壓力測(cè)試技術(shù)[8-12]，以及通過(guò)管柱下入的預(yù)置式分層取樣測(cè)壓技術(shù)[13-14]：前者取樣測(cè)試基本原理與國(guó)外的過(guò)電纜地層測(cè)試技術(shù)相似，都是通過(guò)封隔待測(cè)層進(jìn)行測(cè)試，但目前還存在封隔器封隔厚度受限、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、可靠性低、維修保養(yǎng)難度大等問(wèn)題；而后者存在多次作業(yè)、工序繁瑣、占井時(shí)間長(zhǎng)以及井下?tīng)顟B(tài)未知且不可控等缺點(diǎn)。

目前，油田常用的生產(chǎn)井測(cè)壓和取樣通常為兩套不同的工藝。分層壓力恢復(fù)測(cè)試包括常規(guī)機(jī)械管柱分層壓力測(cè)試[15]和過(guò)環(huán)空分層測(cè)壓[16-17]等工藝。前者需要油井停產(chǎn)后動(dòng)管柱進(jìn)行作業(yè)，測(cè)試前需進(jìn)行通洗井、沖砂等作業(yè)，會(huì)嚴(yán)重影響測(cè)試精確度。測(cè)試時(shí)封隔器漲封，利用儲(chǔ)存式電子壓力計(jì)進(jìn)行分層壓力測(cè)試，測(cè)試成功率受封隔器漲封效果影響。后者須首先下入分層測(cè)壓管柱，然后恢復(fù)生產(chǎn)，再將壓力計(jì)從環(huán)空下入，其測(cè)試密封段與測(cè)壓管柱的密封段準(zhǔn)確對(duì)接，壓力計(jì)開(kāi)始測(cè)量目的層段壓力。該技術(shù)測(cè)試效果受對(duì)接位置、測(cè)壓儀皮碗密封效果、測(cè)壓管柱密封性等諸多因素影響。總的來(lái)說(shuō)，這些壓力測(cè)試手段存在實(shí)施條件受限、工藝繁瑣、測(cè)試效率低、占井時(shí)間長(zhǎng)、費(fèi)用高等問(wèn)題。在井內(nèi)流體取樣方面，受限于技術(shù)難度、施工成功率以及成本等問(wèn)題，施工井次較少。因此油田通常在井口取全井流體混合樣品，無(wú)法準(zhǔn)確獲取單層流體。

為了對(duì)生產(chǎn)井實(shí)施分層取樣和壓力測(cè)試，準(zhǔn)確獲取不同儲(chǔ)集層地層壓力和流體參數(shù)，本文提出并研發(fā)了具有模塊化、全電控、快捷化等特點(diǎn)的模塊化分層取樣測(cè)試技術(shù)，并進(jìn)行系列室內(nèi)實(shí)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。

1 測(cè)試原理與系統(tǒng)框架

1.1 測(cè)試原理和系統(tǒng)功能

籠統(tǒng)采油井井筒內(nèi)的液體為多個(gè)射開(kāi)層段產(chǎn)出液的混合流體。為了獲取單一層段地層流體樣品和壓力恢復(fù)曲線，需將待測(cè)層段封隔為獨(dú)立單元，然后將封隔器之間的混合流體排出，使地層液體流入；當(dāng)封隔器之間流體驅(qū)替完成后，開(kāi)展取樣，即可得到單層真實(shí)地層流體樣品；同時(shí)，根據(jù)油田生產(chǎn)需求，可開(kāi)展特定時(shí)間內(nèi)的單層壓力恢復(fù)測(cè)試?？梢?jiàn)，井下分層取樣測(cè)試系統(tǒng)應(yīng)包括封隔裝置、排液裝置、取樣與測(cè)試裝置等基本功能模塊，使系統(tǒng)具備封隔、排液、取樣、測(cè)壓功能，如圖1所示；同時(shí)，為了保障功能模塊可靠工作以及封隔裝置的準(zhǔn)確定位，系統(tǒng)中還應(yīng)根據(jù)井況配置錨定裝置和井下深度定位裝置等。理論上，若同時(shí)配備多套封隔和取樣測(cè)試裝置，并根據(jù)各油層深度調(diào)整封隔裝置距離，可同時(shí)實(shí)現(xiàn)圖1所示的多個(gè)層段取樣和壓力測(cè)試。

1.2 系統(tǒng)框架

基于上述原理，設(shè)計(jì)了由井下電源模塊、排液泵、電控錨定器、電控封隔器、電控取樣器、磁定位短節(jié)、終端短節(jié)、配長(zhǎng)管纜、快速接頭等功能模塊構(gòu)成的模塊化分層取樣測(cè)試系統(tǒng)（Modular Zonal Sampling and Testing Technology，MST），系統(tǒng)構(gòu)成如圖2所示。地面控制系統(tǒng)通過(guò)電纜為井下功能模塊工具串供電，并以總線方式和井下功能模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)通信；井下電源模塊完成電壓的變換，滿足所有井下功能模塊的大功率驅(qū)動(dòng)和小功率供電需求；排液泵將封隔器間和近井地帶液體排出到上部封隔器上部；電控錨定器將整個(gè)工具串錨定在套管上，避免作業(yè)過(guò)程中工具串的上下蠕動(dòng)，提高封隔器坐封效果和系統(tǒng)工作可靠性；電控封隔器坐封后將被測(cè)層段封隔；磁定位短節(jié)實(shí)現(xiàn)下井過(guò)程中管柱和工具的定位，確保封隔器將待測(cè)層段準(zhǔn)確封隔；終端短節(jié)實(shí)現(xiàn)不同井深條件下的通訊匹配調(diào)整；配長(zhǎng)管纜具有不同規(guī)格，根據(jù)油層厚度調(diào)整封隔器卡距。本系統(tǒng)中封隔器最小卡距1.8 m，最大卡距無(wú)限制；快速接頭主要完成各模塊間機(jī)械、電氣、流道快速、可靠連接。

圖2 模塊化分層取樣與測(cè)試系統(tǒng)構(gòu)成

MST系統(tǒng)涉及多個(gè)復(fù)雜功能模塊，單一功能開(kāi)發(fā)難度大。當(dāng)多模塊組合應(yīng)用時(shí)，技術(shù)難度成倍提高，對(duì)模塊可靠性和穩(wěn)定性提出了極高要求?？紤]到井下作業(yè)的可靠性和成功率，目前每次封隔單個(gè)地層開(kāi)展取樣測(cè)試，由于取樣器配備 3個(gè)取樣筒，單次入井最多可實(shí)現(xiàn)3個(gè)層段取樣測(cè)試。

系統(tǒng)具有以下特點(diǎn)：①全電控。為了提高井下工具工作穩(wěn)定性和可靠性，MST采用了全電控驅(qū)動(dòng)和控制，與傳統(tǒng)的井下控制工具相比，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、控制便捷、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)。在傳統(tǒng)井下工具設(shè)計(jì)中，封隔器、錨定器等工具往往采用電控液壓驅(qū)動(dòng)方式，雖然具有小功率驅(qū)動(dòng)、大扭矩輸出的優(yōu)點(diǎn)，但采用液壓系統(tǒng)，極大提高了系統(tǒng)復(fù)雜程度，給井下狹小空間內(nèi)的工具設(shè)計(jì)帶來(lái)了巨大困難。②模塊化。MST系統(tǒng)采用統(tǒng)一的機(jī)械接口標(biāo)準(zhǔn)、地面和井下供電標(biāo)準(zhǔn)以及總線通訊協(xié)議，各個(gè)功能模塊相互獨(dú)立、互不影響，系統(tǒng)功能可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)需求任意組合，功能模塊位置可調(diào)整，有利于提高系統(tǒng)可靠性和現(xiàn)場(chǎng)施工成功率；當(dāng)系統(tǒng)中某一模塊發(fā)生故障或使用后需要保養(yǎng)時(shí)，只需將該模塊替換或直接將該模塊移除即可，不影響系統(tǒng)完整性以及其他模塊功能；此外，符合上述標(biāo)準(zhǔn)的新功能模塊也可便捷地組合到系統(tǒng)中，系統(tǒng)擴(kuò)展性極強(qiáng)。③快捷化。MST系統(tǒng)的井下功能模塊均具備過(guò)液和過(guò)電纜能力，功能模塊設(shè)計(jì)采用內(nèi)部個(gè)性化、兩端統(tǒng)一接口的設(shè)計(jì)思想，兩端面中心位置為過(guò)液通道，環(huán)空為過(guò)電纜通道?，F(xiàn)場(chǎng)施工時(shí)只需將電纜接頭插接、機(jī)械結(jié)構(gòu)緊固，即可實(shí)現(xiàn)機(jī)械、電氣、液流通道的快速一體化對(duì)接，簡(jiǎn)化了現(xiàn)場(chǎng)施工，只需幾分鐘即可完成井下功能模塊的連接，不僅提高了系統(tǒng)可靠性、穩(wěn)定性以及施工效率，還減少了占井時(shí)間，降低了對(duì)正常生產(chǎn)的影響。

2 核心工具試制與室內(nèi)測(cè)試

根據(jù)測(cè)試原理和系統(tǒng)框架結(jié)構(gòu)，自主設(shè)計(jì)、試制了圖3所示的電源模塊、電控排液泵、電控錨定器、電控取樣器、電控封隔器、磁定位與終端短節(jié)等 6種共7套井下工具，以及地面控制系統(tǒng)。

圖3 MST系統(tǒng)井下工具實(shí)物圖

為了保障MST系統(tǒng)工具的性能以及穩(wěn)定性和可靠性，進(jìn)行了井下功能模塊的耐溫、耐壓性能測(cè)試和坐封、解封、錨定、取樣筒開(kāi)關(guān)等功能測(cè)試，最大限度模擬現(xiàn)場(chǎng)工況。室內(nèi)實(shí)驗(yàn)環(huán)境如圖4所示，主要包括實(shí)驗(yàn)井和拉壓實(shí)驗(yàn)機(jī)。實(shí)驗(yàn)井主要用于單個(gè)工具整體耐溫、耐壓性能以及溫壓環(huán)境下的功能測(cè)試（見(jiàn)圖4a），拉壓實(shí)驗(yàn)機(jī)主要用于電控錨定器錨定狀態(tài)下的強(qiáng)制解卡測(cè)試（見(jiàn)圖4b）。實(shí)驗(yàn)井井筒容積為 29 L，工作液體為水或油，溫度測(cè)試范圍為室溫至180 ℃，每口實(shí)驗(yàn)井具有上腔和下腔兩個(gè)打壓通道，壓力范圍0～105 MPa，能夠滿足井下模塊承壓、耐溫測(cè)試和膠筒承受壓差測(cè)試需求。拉壓實(shí)驗(yàn)機(jī)拉力范圍0～200 kN，能夠滿足錨定器錨定和安全裝置測(cè)試需求。

圖4 井下功能模塊室內(nèi)實(shí)驗(yàn)環(huán)境

2.1 電控封隔器試制與測(cè)試

電控封隔器結(jié)構(gòu)如圖5所示，其主要由控制電路、電機(jī)、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、膠筒、過(guò)液通道等部分組成。封隔器坐封時(shí)，電機(jī)帶動(dòng)絲杠正轉(zhuǎn)，膠筒軸右行壓縮膠筒漲封；封隔器解封時(shí)，電機(jī)帶動(dòng)絲杠反轉(zhuǎn)，螺母膠筒軸左行，釋放膠筒封隔器解封；電控封隔器設(shè)計(jì)有限位傳感器，能夠在坐封和解封過(guò)程中自動(dòng)判斷坐封和解封狀態(tài)，提高封隔器可靠性。

圖5 電控封隔器結(jié)構(gòu)示意和實(shí)物圖

根據(jù)封隔器的驅(qū)動(dòng)和傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，封隔器坐封時(shí)，驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩Mq為螺紋摩擦力矩Mt1、螺旋傳動(dòng)軸向支撐面摩擦力矩Mt2、螺旋傳動(dòng)徑向軸承摩擦力矩Mt3之和[18]，如（1）式所示。

由于電控封隔器驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)無(wú)徑向支撐，Mt3為0，將Mt1和Mt2的表達(dá)式帶入（1）式，可得：

計(jì)算可得，λ為1.71°，ρ′為4.73°，最終計(jì)算得到驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩Mq為138.3 N·m。據(jù)此，選配最大輸出扭矩為156 N·m的電機(jī)和減速器組合，可實(shí)現(xiàn)封隔器可靠坐封和解封。

為了滿足排液需求，電控封隔器設(shè)計(jì)有過(guò)液通道，等效通徑12 mm，能夠滿足過(guò)流需求而不會(huì)產(chǎn)生顯著節(jié)流壓差；同時(shí)，該封隔器安裝了3個(gè)量程35 MPa、精度±0.5%的壓力傳感器，能夠同時(shí)監(jiān)測(cè)膠筒上部環(huán)空、下部環(huán)空及中心通道壓力。膠筒上、下部壓力傳感器使電控封隔器具備自驗(yàn)封能力?，F(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)中，若封隔器坐封良好，由于地層壓力變化，膠筒上、下部壓力將出現(xiàn)壓力差，據(jù)此可判斷封隔器坐封情況。當(dāng)上下封隔器良好坐封后，上部封隔器膠筒下部壓力傳感器和下部封隔器膠筒上部壓力傳感器同時(shí)測(cè)量被測(cè)層段地層壓力，不僅可以通過(guò)錄取壓力恢復(fù)曲線測(cè)量地層壓力，且兩壓力傳感器可相互校準(zhǔn)，大大提高數(shù)據(jù)精度和準(zhǔn)確性。現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)時(shí)，根據(jù)電控封隔器在MST系統(tǒng)中的不同位置，中心通道壓力傳感器可用于測(cè)量液面高度或排液泵吸液端壓力。

為了保證封隔器在井下可靠封隔油層，對(duì)膠筒耐壓差性能進(jìn)行了地面測(cè)試和實(shí)驗(yàn)井打壓測(cè)試。在地面控制封隔器坐封后，利用胎具進(jìn)行打壓，封隔器能夠承受的膠筒上下壓差為15 MPa；在實(shí)驗(yàn)井開(kāi)展打壓測(cè)試，壓力測(cè)試曲線如圖6所示。膠筒上下壓差不小于12 MPa，且上部或下部高壓均能良好保壓（圖中壓力緩慢降低是測(cè)試系統(tǒng)穩(wěn)壓能力不足造成的），說(shuō)明膠筒密封效果良好。此外，還開(kāi)展了封隔器整體35 MPa耐壓和85 ℃耐溫測(cè)試，膠筒48 h耐壓差測(cè)試，以及帶壓條件下封隔器坐封和解封測(cè)試，證實(shí)了封隔器具有良好的封隔效果。綜上，該封隔器坐封后能夠承受不低于10 MPa的膠筒壓差，適用溫度85 ℃、壓力35 MPa以內(nèi)。

圖6 電控封隔器耐壓差測(cè)試曲線

2.2 電控錨定器試制與測(cè)試

電控錨定器具有和電控封隔器類似的結(jié)構(gòu)，由控制電路、電機(jī)、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、卡瓦等結(jié)構(gòu)組成（見(jiàn)圖7）。錨定時(shí)，電機(jī)帶動(dòng)絲杠正轉(zhuǎn)，螺母右行將卡瓦漲出實(shí)現(xiàn)錨定；當(dāng)電機(jī)帶動(dòng)絲杠反轉(zhuǎn)，螺母卡瓦罩左行，卡瓦收回解卡。為應(yīng)對(duì)油田現(xiàn)場(chǎng)錨定器無(wú)法解卡的意外情況，電控錨定器設(shè)計(jì)有安全解封結(jié)構(gòu)。若出現(xiàn)不能正常解卡現(xiàn)象，可強(qiáng)制剪斷剪釘解卡。根據(jù)油田現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)經(jīng)驗(yàn)，將安全剪釘剪切力設(shè)定為60～80 kN。

圖7 電控錨定器結(jié)構(gòu)示意和實(shí)物圖

開(kāi)展了錨定器耐溫耐壓測(cè)試。在實(shí)驗(yàn)井中整體打壓35 MPa，加溫至85 ℃，功能正常。利用圖4所示的實(shí)驗(yàn)井開(kāi)展錨定測(cè)試和強(qiáng)制解卡測(cè)試，結(jié)果表明錨定器可正常錨定。利用拉壓實(shí)驗(yàn)機(jī)強(qiáng)拔錨定器，當(dāng)強(qiáng)制拉力達(dá)到69.8 kN時(shí)，錨定器安全剪釘剪斷，卡瓦解卡，錨定器可順利從實(shí)驗(yàn)井起出。由于MST系統(tǒng)井下功能模塊總質(zhì)量小于1 t，上述測(cè)試說(shuō)明該錨定器能夠?qū)崿F(xiàn)整個(gè)工具串的正常錨定，同時(shí)還能保證意外情況下的強(qiáng)制解卡。

2.3 電控排液泵試制與測(cè)試

電控排液泵采用多柱塞結(jié)構(gòu)，由驅(qū)動(dòng)電路、驅(qū)動(dòng)電機(jī)、柱塞、單向閥等部件組成（見(jiàn)圖8）。電機(jī)帶動(dòng)缸筒旋轉(zhuǎn)，在斜盤作用下柱塞往復(fù)運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)吸液和排液。排液泵具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔、尺寸小巧以及控制簡(jiǎn)單的特點(diǎn)。電控排液泵對(duì)吸液端位置要求不高，因此在取樣測(cè)試工具串中的排布位置較為靈活。

圖8 電控排液泵結(jié)構(gòu)示意和實(shí)物圖

開(kāi)展了排液泵耐溫耐壓測(cè)試，整體耐壓35 MPa，耐溫85 ℃，測(cè)試裝置如圖9所示。給排液泵設(shè)置帶有一定壓力的供液端，保證供液充足。在排液端設(shè)置單向閥，調(diào)整單向閥打開(kāi)壓力和供液端壓力差值，測(cè)試不同壓力條件下的排液能力。經(jīng)測(cè)試，該排液泵排量0.8 m3/d，揚(yáng)程500 m，能夠基本滿足井筒和近井地帶排液需求。

圖9 電控排液泵室內(nèi)測(cè)試

2.4 電控取樣器試制與測(cè)試

電控取樣器主要由控制電路、電機(jī)、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、單向取樣筒等部分組成（見(jiàn)圖10）。取樣器設(shè)計(jì)有 3個(gè)單腔容積500 mL的取樣筒，取樣器總?cè)莘e1.5 L。3個(gè)取樣筒為并聯(lián)結(jié)構(gòu)。當(dāng)液體由地層流入取樣器進(jìn)液端時(shí)，可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況打開(kāi)任意一支取樣筒。在地層壓力作用下，取樣筒單向閥打開(kāi)，液體經(jīng)取樣筒流入工具串中心通道，隨后進(jìn)入排液泵吸入端。計(jì)算雙封之間環(huán)空流體體積（V），根據(jù)排液泵排量，當(dāng)排液體積大于2V后，認(rèn)為真實(shí)地層流體流入取樣筒，此時(shí)關(guān)閉取樣筒閥門，即可完成單個(gè)取樣筒取樣；如需取多個(gè)樣品，重復(fù)上述操作，利用余下的取樣筒取樣。在取樣筒入口和出口端分別設(shè)計(jì)有單向閥，能夠確保地層液體不滲漏；當(dāng)取樣器上提到地面后，取樣筒可從取樣器中單獨(dú)拆卸，完成轉(zhuǎn)樣。

圖10 電控取樣器結(jié)構(gòu)示意和實(shí)物圖

現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)中，為了減少取樣筒內(nèi)部沾污對(duì)地層真實(shí)流體的影響，應(yīng)在取樣筒關(guān)閉的情況下入井。當(dāng)取樣器到達(dá)預(yù)定層位后，取樣筒內(nèi)部為常壓，外部為液柱產(chǎn)生的高壓。此時(shí)，取樣筒能否在高壓差條件下正常打開(kāi)關(guān)系到取樣成功與否，為此開(kāi)展了取樣筒帶壓開(kāi)關(guān)測(cè)試。將取樣器置于實(shí)驗(yàn)井中，一端與實(shí)驗(yàn)井連通，另一端與外界大氣連通。測(cè)試結(jié)果如圖11所示，取樣筒為關(guān)閉狀態(tài)時(shí)，分別打壓15.5 MPa和8.6 MPa左右，該壓力能夠穩(wěn)定保持（圖中壓力緩慢降低是測(cè)試系統(tǒng)穩(wěn)壓能力不足造成的），說(shuō)明取樣筒能夠保持良好密封；然后執(zhí)行打開(kāi)取樣筒操作，此時(shí)實(shí)驗(yàn)井瞬間泄壓到常壓狀態(tài)，表明取樣筒開(kāi)關(guān)順利打開(kāi)，取樣筒和外界連通，說(shuō)明取樣器在高壓差條件下能夠正常工作。測(cè)試結(jié)果表明取樣器可耐壓35 MPa，耐溫85 ℃。

圖11 高壓差條件下取樣筒開(kāi)關(guān)測(cè)試曲線

2.5 控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)由地面和井下兩部分構(gòu)成（見(jiàn)圖12）。地面和井下經(jīng)由測(cè)井車通過(guò) 4芯鎧裝電纜連接，2芯供電，2芯通訊。地面部分以加固型工業(yè)筆記本為核心，通過(guò)穩(wěn)壓模塊對(duì)外部供電電壓進(jìn)行穩(wěn)壓和轉(zhuǎn)換，為井下設(shè)備供電；通過(guò)總線通信卡對(duì)通信信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換調(diào)制，適應(yīng)長(zhǎng)距離井下通信；通過(guò)監(jiān)控界面進(jìn)行監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的實(shí)時(shí)顯示和井下工具遠(yuǎn)程操控。

圖12 控制系統(tǒng)框架和實(shí)物圖

控制系統(tǒng)井下部分由井下各功能模塊的控制系統(tǒng)構(gòu)成，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集和動(dòng)作執(zhí)行，所有工具均從公共電源線上取電，經(jīng)變壓整形后得到各工具所需供電電壓；所有工具均連接到公共通訊線路上，通過(guò)總線實(shí)現(xiàn)雙向通訊。各功能模塊中的控制系統(tǒng)已在各模塊獨(dú)立測(cè)試中得到驗(yàn)證，地面控制系統(tǒng)以及長(zhǎng)距離無(wú)線通訊也在地面聯(lián)調(diào)中通過(guò)測(cè)試，數(shù)據(jù)讀取、指令下達(dá)、圖形實(shí)時(shí)繪制、數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)存儲(chǔ)等功能均正常，實(shí)現(xiàn)了整個(gè)系統(tǒng)的有序控制。

3 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

3.1 井況和施工設(shè)計(jì)

完成實(shí)驗(yàn)室測(cè)試后，模塊化分層取樣測(cè)試技術(shù)在吉林油田新木采油廠木141-99井開(kāi)展了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。該井2012年射孔完井，采用注水方式開(kāi)發(fā)，分為兩個(gè)層采油，油層頂界分別為666.8，687.0 m，射開(kāi)厚度分別為4，5 m，滲透率2.6×10-3μm2，施工前3個(gè)月日產(chǎn)液4.8 t，日產(chǎn)油0.2 t，綜合含水率96.2%。為了充分認(rèn)識(shí)地層、獲取地層真實(shí)流體樣品，對(duì)該井上部油層實(shí)施取樣測(cè)壓。

根據(jù)井況設(shè)計(jì)測(cè)試工具結(jié)構(gòu)為（見(jiàn)圖13）：電源模塊+排液泵+電控封隔器Ⅰ（（665.0±0.5）m）+取樣器（669.2 m）+配長(zhǎng)管纜（671.5 m）+電控封隔器Ⅱ（（671.8±0.5）m）+磁定位短節(jié)（674.9 m）。為了適應(yīng)油層射開(kāi)厚度，在雙封之間設(shè)計(jì)有配長(zhǎng)管纜，實(shí)現(xiàn)過(guò)液、過(guò)電纜。

圖13 井身結(jié)構(gòu)和測(cè)試工具串示意圖

測(cè)試時(shí)，將各工具按自下而上的順序在井口依次連接完畢，再與測(cè)井車電纜連接后開(kāi)始下入，同步打開(kāi)電控取樣器的 1號(hào)取樣筒，以便獲取下入過(guò)程中的油井混合液樣；當(dāng)工具串中的磁定位短節(jié)探測(cè)到套管接箍位置后，根據(jù)井身結(jié)構(gòu)將取樣器下到油層中部位置，然后坐封Ⅰ、Ⅱ號(hào)封隔器，實(shí)現(xiàn)油層封隔，并根據(jù)雙封壓力判斷封隔器坐封狀態(tài)；確認(rèn)封隔器坐封良好后，打開(kāi) 2號(hào)取樣筒，啟動(dòng)排液泵開(kāi)始排液，由于雙封間的環(huán)空容積約為13.5 L，排液泵只需25 min左右即可將環(huán)空混合液體排出，為了提高取樣的準(zhǔn)確性，連續(xù)排液1 h后關(guān)閉2號(hào)取樣筒，取得該層第1個(gè)樣品；此后，打開(kāi)3號(hào)取樣筒，繼續(xù)連續(xù)排液1 h，關(guān)閉該取樣筒，取得該層第2個(gè)樣品。

3.2 測(cè)試過(guò)程和數(shù)據(jù)分析

取樣測(cè)試過(guò)程中上部封隔器壓力監(jiān)測(cè)曲線如圖14所示，包括中心通道以及膠筒上部和下部壓力。根據(jù)壓力變化情況，可將測(cè)試過(guò)程分為4個(gè)階段。

圖14 現(xiàn)場(chǎng)取樣測(cè)試壓力監(jiān)測(cè)曲線

第Ⅰ階段，膠筒上部、下部和中心通道壓力一致，均為常壓，表明測(cè)試工具未進(jìn)入液面。

第Ⅱ階段，測(cè)試工具在235 m處進(jìn)入液面，此時(shí)，膠筒上下部壓力保持一致，同步上升；由于 1號(hào)取樣筒為打開(kāi)狀態(tài)，因此中心管壓力也緩慢上升。在儀器下入過(guò)程中，工具串曾斷電暫停下入，間隔約1.5 h。期間，中心管壓力緩慢上升至液面壓力，工具再次通電后出現(xiàn)曲線中的壓力突變情況。

第Ⅲ階段，儀器下至目的井深，電控錨定器將工具串錨定，然后上、下封隔器分別坐封，關(guān)閉 1號(hào)取樣筒，完成混合液取樣；隨后打開(kāi) 2號(hào)取樣筒，連通環(huán)空、地層與中心管的排液通道，此時(shí)啟動(dòng)排液泵，持續(xù)排液。排液期間，膠筒下部壓力為地層壓力，逐漸由3.93 MPa上升至5.04 MPa，呈緩慢上升趨勢(shì)，表明地層壓力處于恢復(fù)階段，下封隔器坐封良好；同時(shí)，膠筒上部壓力始終保持在3.76 MPa左右，即膠筒上下部始終保持一定壓力差，表明上封隔器坐封狀態(tài)良好。排液泵啟動(dòng)后，中心管壓力出現(xiàn)下降，說(shuō)明排液泵工作正常，而后中心管壓力隨著地層壓力恢復(fù)緩慢上升，上升趨勢(shì)與地層壓力恢復(fù)保持一致；排液泵持續(xù)排液1 h后關(guān)閉2號(hào)取樣筒，完成地層流體取樣。

第Ⅳ階段，打開(kāi) 3號(hào)取樣筒，再次啟動(dòng)排液泵，1 h后關(guān)閉3號(hào)取樣筒，完成地層流體再次取樣。

完成取樣后，工具串按照雙封隔器解封、錨定器解卡順序動(dòng)作，然后上提工具串，完成全部作業(yè)。經(jīng)地面轉(zhuǎn)樣后，得到了3個(gè)取樣筒液樣（見(jiàn)表1）。1號(hào)取樣筒為井筒上部浮油與下部水的混合樣，含水率68.92%；2號(hào)取樣筒為排液1 h后的地層液樣，含水率93.47%；3號(hào)取樣筒為排液2 h后的地層液樣，含水率97.85%；2號(hào)和3號(hào)液樣含水率差4.38%，說(shuō)明2號(hào)取樣筒完成取樣，排液泵再次排液1 h后，地層有新的流體進(jìn)入取樣筒，表明地層產(chǎn)液的含水率具有不確定性。此前，從井口取樣測(cè)試該井全井綜合含水率為92.5%，與本次分層取樣獲取的地層流體分析結(jié)果有一定差異。相比之下單層流體性質(zhì)能夠更準(zhǔn)確地描述儲(chǔ)集層現(xiàn)狀，結(jié)合其壓力測(cè)試曲線，能夠?qū)崿F(xiàn)更準(zhǔn)確的油藏分析與評(píng)價(jià)，從而制定更優(yōu)化的開(kāi)發(fā)方案。

表1 流體樣品分析結(jié)果

4 結(jié)論

模塊化分層取樣與測(cè)試系統(tǒng)包括電控封隔器、電控錨定器、電控排液泵、電控取樣器等核心工具，具有模塊化、全電控、快捷化等特點(diǎn)。室內(nèi)實(shí)驗(yàn)以及現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)驗(yàn)證了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，表明該系統(tǒng)能夠滿足封隔壓差10 MPa、溫度85 ℃、動(dòng)液面500 m條件下的井下分層取樣和壓力測(cè)試需求，初步滿足了生產(chǎn)井現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試需求，為掌握開(kāi)發(fā)動(dòng)態(tài)提供了技術(shù)手段。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)情況和油田進(jìn)一步生產(chǎn)測(cè)試需求，將對(duì)MST系統(tǒng)進(jìn)行以下幾點(diǎn)優(yōu)化：①優(yōu)化現(xiàn)有排液泵結(jié)構(gòu)，并大幅提高驅(qū)動(dòng)電機(jī)功率，實(shí)現(xiàn)排量和揚(yáng)程的大幅提升，使小排量排液泵轉(zhuǎn)變?yōu)榇笈帕颗e升泵；②將系統(tǒng)整體耐溫水平由 85 ℃提升至 125 ℃；③優(yōu)化封隔器結(jié)構(gòu)，提高膠筒耐壓差性能指標(biāo)和過(guò)液通道通徑；④研發(fā)保溫保壓取樣器及其配套工具。完成上述幾項(xiàng)優(yōu)化后，不僅能夠在井深、井型、油藏類型等方面大幅提升系統(tǒng)適用性，還能在現(xiàn)有油藏壓力測(cè)試、含水率等流體物性參數(shù)測(cè)試的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)產(chǎn)液剖面測(cè)試、流入動(dòng)態(tài)曲線測(cè)試、試油試采等多種測(cè)試功能，以及地層滲透率、表皮系數(shù)等參數(shù)測(cè)量或計(jì)算，對(duì)于判斷優(yōu)勢(shì)通道、發(fā)掘潛力層、了解近井污染狀況等具有重要作用，對(duì)于提高產(chǎn)層精細(xì)化認(rèn)識(shí)水平具有重要意義。

MST系統(tǒng)涉及到眾多功能模塊，為一套完整的井下作業(yè)平臺(tái)，不僅具有井下封隔、錨定、舉升功能，更為井下工具提供了大功率電能供應(yīng)和雙向通訊通道，其模塊化結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)功能模塊“無(wú)限極”串聯(lián)，即“平臺(tái)+”理念。未來(lái)，針對(duì)不同的現(xiàn)場(chǎng)需求，首先對(duì)“平臺(tái)”進(jìn)行功能配置，然后搭配不同的“+”功能模塊，即可實(shí)現(xiàn)井下特定功能，例如，“錨定器+鉛模模塊”可實(shí)現(xiàn)井下快速鉛模拓印，電控封隔器結(jié)構(gòu)結(jié)合橋塞可實(shí)現(xiàn)橋塞快速可控投送。因此，模塊化分層取樣測(cè)試技術(shù)不僅僅是井下分層快速取樣測(cè)試工具，更具有高度擴(kuò)展性，可用于多種井下測(cè)試或作業(yè)。

符號(hào)注釋：

d2——螺紋中徑，根據(jù)封隔器尺寸和機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)標(biāo)準(zhǔn)取值，本研究中取32 mm；do，di——支承環(huán)面的外徑和內(nèi)徑，分別為33.5，30.5 mm；f——摩擦因數(shù)，取0.08；f′——軸向支撐面間摩擦因數(shù)，取 0.08；F——封隔器膠筒坐封的軸向載荷，一般為40～60 kN，根據(jù)傳統(tǒng)封隔器設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，取50 kN；Mq——驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩，N·m；Mt1——螺紋摩擦力矩，N·m；Mt2——螺旋傳動(dòng)軸向支撐面摩擦力矩，N·m；Mt3——螺旋傳動(dòng)徑向軸承摩擦力矩，N·m；S——導(dǎo)程，取3 mm；α——梯形螺紋牙型角，為 30°；λ——螺紋升角，（°）；ρ′——當(dāng)量摩擦角，（°）。