隨鉆地層流體取樣工具研制及現(xiàn)場試驗*

陳忠?guī)?倪紅堅 周延軍 孫浩玉 裴學良 吳仲華

(1.中國石油大學(華東)石油工程學院2.中石化勝利石油工程有限公司鉆井工藝研究院3.中石化勝利石油工程有限公司)

陳忠?guī)?倪紅堅,周延軍,等.隨鉆地層流體取樣工具研制及現(xiàn)場試驗.石油機械,2022,50(11):37-42.

0 引言

地層流體取樣是通過一個帶密封墊的探針壓在井壁上,降低探針內(nèi)壓力使泥餅破裂,將流體從地層中抽出并進入可密封的樣品室,隨后在地面進行分析的一個過程[1]。通過對所取樣品的性質(zhì)分析,有助于詳細了解油藏特性,制定有效的油田開發(fā)方案[2-4]。

自電纜式流體取樣工具FT商業(yè)化應用以來,各大油服公司圍繞著如何獲取地層中的流體、壓力測量和地層參數(shù)反演等不斷深入研究[5-7]。傳統(tǒng)的地層流體獲取主要是通過鉆后下入電纜式取樣器來實現(xiàn),由于鉆后取樣井筒浸泡時間長,近井壁通常受鉆井液濾液浸泡嚴重污染,樣品污染率高。為了取到清潔的地層流體,需要長時間固定取樣器來抽排不合格樣品,極易導致工具黏卡,在大斜度井和水平井中,電纜的黏卡更容易發(fā)生。

隨鉆流體取樣工具可以在井筒打開后,短時間內(nèi)利用鉆井過程中短暫的間歇進行流體抽取,所取樣品和測量結(jié)果更接近地層的原始狀態(tài)。此類工具還可以與測量模塊掛接,實現(xiàn)密度、黏度、電阻率及泡點壓力等多種參數(shù)的實時測量,以及地層滲透率和地層壓力的在線反演[8-10]。國外3大油服公司相繼推出多款隨鉆地層流體取樣和測試工具,并獲得了商業(yè)應用[11]。但由于此類工具結(jié)構(gòu)復雜,技術(shù)難度高,國內(nèi)仍處于工具研發(fā)階段。中石化勝利石油工程有限公司鉆井工藝研究院研制了一種適用于?215.9 mm井眼的隨鉆地層流體取樣工具,實現(xiàn)了隨鉆地層流體取樣和測壓功能,并成功進行了現(xiàn)場取樣試驗。筆者介紹了該工具的結(jié)構(gòu)及工作原理,對其控制系統(tǒng)、動力組件及取樣組件等關(guān)鍵模塊進行了設計,并通過現(xiàn)場試驗驗證了其工作可靠性。該工具的研制可為隨鉆地層測試儀器的設計與應用提供技術(shù)借鑒。

1 技術(shù)分析

1.1 工具結(jié)構(gòu)

隨鉆地層流體取樣工具由地面系統(tǒng)和井下工具2部分組成。地面系統(tǒng)包括鉆井液旁通器、地面測試箱和控制軟件,主要功能是取樣、測壓指令下傳和接收上傳信號并解碼。井下工具結(jié)構(gòu)如圖1所示,主要由脈沖信號發(fā)生器、渦輪發(fā)電機、主控單元、抽吸和推靠動力組件、取樣組件、油液補償組件、儲罐系統(tǒng)及分析組件等構(gòu)成。渦輪發(fā)電機為井下工具提供電能,同時為指令下傳提供載體。主控單元為井下工具的中央控制單元,實時監(jiān)測鉆井液渦輪發(fā)電機的頻率,對下傳的指令進行實時解碼,控制2個電機驅(qū)動電路、電磁閥控制電路按指令執(zhí)行,并對井下的數(shù)據(jù)進行存儲,還可與MWD、分析組件之間通信,將分析數(shù)據(jù)上傳。動力組件為取樣過程中探針伸出貼緊井壁和地層流體抽吸及存儲提供直接動力。取樣組件執(zhí)行對地層流體抽吸的動作。儲罐系統(tǒng)用于儲存地層流體,分析組件用于地層流體特性分析并與電子組件進行數(shù)據(jù)通信。

圖1 隨鉆地層流體取樣工具井下部分結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Schematic structure of formation fluid sampling tool while drilling

1.2 工作原理

隨鉆地層流體取樣工具隨常規(guī)鉆具下入井筒。當需要取樣或測壓時,停止鉆進并上提至工作井深。地面控制系統(tǒng)向井下發(fā)出指令信號,井下工具部分的主控單元對下傳的指令進行實時解碼,以判斷進入取樣或測壓模式。取樣模式下,先控制推靠驅(qū)動電路工作,使電機轉(zhuǎn)動帶動活塞向右移動,通過油壓將探針推出并緊貼井壁。隨后,控制抽吸驅(qū)動電路,利用活塞往復運動抽取地層流體。通常情況下,最初抽取到的地層流體受過污染,需要排到井筒環(huán)空,之后再將抽取到的清潔流體排放至分析組件,對流體成分進行分析,以確保樣品污染率合格。經(jīng)分析合格的樣品通過儲罐中的電磁閥閥組,選擇性地進入樣品腔并保壓存儲。取樣結(jié)束后,探針回到工具本體內(nèi)部,主控單元判斷探針復位后,向地面發(fā)出取樣結(jié)束指令。

測壓模式下,探針伸出、流體抽取動作原理和取樣過程相同,但不用對樣品進行污染率分析和存儲,抽取流體后需要靜止較長的時間以等待壓力恢復,實時的壓力數(shù)值被記錄以用于壓力和滲透率的解釋。

1.3 技術(shù)參數(shù)

工具本體外徑172 mm,扶正器外徑206 mm,總長8 m,耐溫175℃,耐壓140 MPa,最大取樣壓降25 MPa,通信方式CAN或M30。探針過濾當量直徑10 mm,探針行程40 mm,單個樣品罐容積500 mL,儲罐數(shù)量4個。

2 關(guān)鍵結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)介紹

2.1 控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)由地面和井下2部分組成,其系統(tǒng)架構(gòu)如圖2所示。

圖2 控制系統(tǒng)架構(gòu)圖Fig.2 Structure of control system

地面部分包括解碼系統(tǒng)和控制部分。解碼系統(tǒng)由鉆井液壓力傳感器、傳輸線纜、解碼箱及地面計算機系統(tǒng)組成。壓力傳感器實時解析鉆井立柱壓力信息,傳輸給解碼箱后,解析出井下工具上傳的工具狀態(tài)信息,最終由地面計算機系統(tǒng)將解碼信息顯示在主屏幕上。鉆井液旁通器、地面測試箱及地面測試軟件構(gòu)成通信系統(tǒng)的地面控制部分,并通過軟件控制鉆井液旁通器按照一定的時序工作,實現(xiàn)指令下傳功能。

井下控制部分主要包括整流電路、穩(wěn)壓電路、電源變換電路、主控電路、2路電機驅(qū)動電路(推靠系統(tǒng)及抽吸系統(tǒng))、5路電磁閥驅(qū)動電路、地層壓力檢測電路、推靠壓力檢測電路及脈沖器驅(qū)動系統(tǒng)。整流穩(wěn)壓電路負責將鉆井液渦輪發(fā)電機發(fā)出來的交流電整流且穩(wěn)壓成直流電。電源變換電路將直流電轉(zhuǎn)換成各控制電路所需的直流電。2路電機驅(qū)動電路分別控制推靠系統(tǒng)及抽吸系統(tǒng)電機按預定的程序運轉(zhuǎn)。電磁閥驅(qū)動電路配合主控程序驅(qū)動各路電磁閥實現(xiàn)抽吸過程中流體注入不同的儲罐。地層壓力檢測電路實時監(jiān)測抽吸過程中的地層壓力以避免吸空。推靠壓力檢測電路實時檢測推靠過程中推靠力的大小,避免推靠力不足導致吸入循環(huán)鉆井液污染采樣流體。脈沖器驅(qū)動系統(tǒng)控制脈沖器,將工具的工作狀態(tài)實時地傳輸至地面監(jiān)控系統(tǒng)。

2.2 推靠和抽吸動力組件

動力組件結(jié)構(gòu)如圖3所示,主要由電機、減速器、軸承組、精密滾珠絲杠、活塞、活塞缸及壓力傳感器等組成。工作原理是利用直流伺服電機帶動絲杠旋轉(zhuǎn),絲杠的旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換成活塞的軸向往復移動,進而推動活塞缸內(nèi)液體的排出或回補。在工具本體內(nèi)部對稱分布2套動力組件,結(jié)構(gòu)基本相同。一套為取樣組件的底部活塞提供油壓,活塞缸中注滿液壓油,推動探針伸出或回縮。壓差傳感器精確采集輸出壓力,編碼器反饋記錄電機轉(zhuǎn)過的圈數(shù),核算活塞運動距離和最終探針的伸出長度,結(jié)合系統(tǒng)輸出壓力為探針是否伸出到位提供判斷依據(jù)。

圖3 動力組件結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Schematic structure of power module

另一套為單缸泵抽吸地層流體提供動力?；钊着c探頭口連通,取樣時活塞抽吸,將地層流體通過探針口抽取到活塞缸中,活塞反向運動則可將流體通過管線輸送到環(huán)空或者樣品罐中。壓力傳感器為絕壓傳感器,可以采集地層流體壓力。

2.3 取樣組件

取樣組件結(jié)構(gòu)示意圖如圖4所示,主要包括回復機構(gòu)、探針、密封墊、過濾器、單向閥、推靠活塞、上蓋板及下蓋板等。模塊裝配后安裝在取樣連接筒內(nèi)孔中,推靠動力組件輸出的高壓油液推動推靠活塞向外運動。在推力作用下,通過密封墊實現(xiàn)探針與井壁之間的密封,使取樣的地層流體不受外界鉆井液的污染。取樣完成后,推靠動力組件電機反轉(zhuǎn),將輸出的高壓油液重新抽至補償油囊內(nèi),推靠活塞在回復機構(gòu)提供的回復力及環(huán)空鉆井液壓力下,收回至初始狀態(tài)。2種狀態(tài)的探針如圖5所示。探針設有過濾裝置,可對抽吸到的流體進行過濾,防止顆粒堵塞樣品罐中的電磁閥組。

圖4 取樣組件結(jié)構(gòu)示意圖Fig.4 Schematic structure of sampling module

圖5 取樣探針縮回及伸出狀態(tài)Fig.5 Retracted and extended state of the sampling probe

2.4 地層流體抽吸存儲系統(tǒng)

地層流體抽吸及存儲的原理如圖6所示。抽吸動力組件先把地層流體通過探針抽吸,并經(jīng)管道存儲到活塞缸中,之后把受污染的地層流體通過電磁閥5排到井筒環(huán)空,經(jīng)分析合格的樣品再通過閥1～閥4的控制,依次存儲到樣品儲罐1～4。

圖6 地層流體抽吸系統(tǒng)工作原理圖Fig.6 Working principle of formation fluid suction system

流體樣品從井下上升到地面的過程中,壓力和溫度都急劇下降,可能導致流體樣品中的某些組分從樣品溶液中不可逆地發(fā)生解析或其他變化,導致實驗室測量的數(shù)據(jù)失真[12-14]。因此,在儲罐中間增加了氮氣室,在工具入井前預充一定壓力的氮氣,利用氮氣彈簧原理對樣品進行保真處理。另外,為提高樣品室壓力安全系數(shù),采樣結(jié)束后,利用抽吸動力組件的泵系統(tǒng)對樣品儲存腔進行額外增壓。這種氮氣增壓加井底增壓組合技術(shù)可有效防止樣品的失真現(xiàn)象。

3 流體取樣現(xiàn)場試驗

為驗證樣機系統(tǒng)功能,2021年11月在勝利油田營22-更斜42井開展現(xiàn)場試驗。營22-更斜42井為東辛采油廠布置的一口注水定向井,一開?311.2 mm井眼至井深351 m,二開?215.9 mm井眼至完鉆井深2 835 m。其中0～1 800 m為直井段,1 800～1 915 m為增斜段,每30 m造斜率4.5°;1 925～2 880 m為穩(wěn)斜段,井斜17.3°。該井軌跡300 m范圍內(nèi)有多口注水井,在井深1 997 m以下受多個注水層影響,儲層含油差?？紤]到工具在取樣時靜止時間較長,平均每個點取樣時間20～30 min。為預防黏卡等復雜情況的發(fā)生,將試驗井段放在直井段的底部和穩(wěn)斜段的上部。首次入井選擇直井段井深1 750～1 800 m取樣4個點,第2次入井選擇穩(wěn)斜段1 930～2 026 m取樣4個點。

鉆具組合:?215.9 mm鉆頭牙輪+?172.0 mm雙內(nèi)接頭+?172.0 mm止回閥+?172.0 mm取樣器+?127.0 mm加重鉆桿+?178.0 mm振擊器+?127.0 mm加重鉆桿+?127.0 mm鉆桿。

施工參數(shù):排量30 L/s,泵壓8 MPa,密度1.25 g/cm3,黏度50 s。

取樣地層為水層。為了更好地分析流體的污染率,采用示蹤劑濃度法檢測樣品污染率。濾液抽排時間設置為10 min,即從10 min開始將抽吸到的流體進行存儲,污染率的確定通過樣品儲罐中示蹤劑的濃度與鉆井液中示蹤劑濃度的比值確定,示蹤劑選擇水溶性較好的硫酸氫氨。取樣時壓力降為5 MPa,鉆井液中示蹤劑濃度為2 g/mL。營22-更斜42井流體樣品污染率實測數(shù)值如表1所示。第1段取樣過程中,有2個相鄰的取樣點樣品污染率100%,儲罐充滿濾餅,判斷是探針與井壁的密封失效所致。第1段樣品體積明顯比第2段小且污染率相對較低,分析可能是上、下兩段地層滲透率差異所導致。刨除2個無效取樣點,6個儲罐中樣品的平均污染率6.62%。

表1 營22-更斜42井流體樣品污染率實測數(shù)值Table 1 Measured contamination rates of fluid samples from Well Ying 22-Gengxie 42

現(xiàn)場試驗結(jié)果表明,隨鉆地層流體取樣工具的工作可靠性和穩(wěn)定性均滿足現(xiàn)場使用要求,樣品污染率符合10%以下實驗室要求。

4 結(jié)論及建議

(1)研制的隨鉆地層流體取樣工具耐溫175℃,耐壓140 MPa,最大取樣壓降25 MPa,配置4個容積500 mL樣品儲罐,采用標準10 mm口徑探針,最大伸出行程40 mm。該工具可隨鉆下入井筒并實現(xiàn)探針伸出、取樣和縮回的自動控制,作業(yè)安全且效率高。

(2)采用預充氮氣和井下增壓組合技術(shù)提高樣品室保壓效果,可預防樣品相變發(fā)生,獲得更真實的地層樣品。

(3)現(xiàn)場試驗結(jié)果表明,隨鉆地層流體取樣工具所取樣品滿足實驗室分析需求,工作可靠性和穩(wěn)定性滿足要求。建議下一步開展樣品分析組件的配套試驗和地層壓力反演解釋技術(shù)研究。