水平井井下取樣器研制與改進(jìn)

朱洪征，羅有剛，呂億明，牛彩云，李亞洲

(1.長(zhǎng)慶油田分公司 油氣工藝研究院，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，西安 710018)①

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水平井井下取樣器研制與改進(jìn)

朱洪征1、2，羅有剛1、2，呂億明1、2，牛彩云1、2，李亞洲1、2

(1.長(zhǎng)慶油田分公司 油氣工藝研究院，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，西安 710018)①

常規(guī)井下取樣器受外徑、作業(yè)和關(guān)閉方式等限制，無(wú)法滿足分段多簇壓裂水平井井下分段取樣找水測(cè)試的要求。研制了水平井井下取樣器。該取樣器通過(guò)封隔器井下分隔、抽油機(jī)連續(xù)生產(chǎn)，井下分段取樣，起出取樣器地面放樣化驗(yàn)含水?；谠囼?yàn)過(guò)程中暴露出的問(wèn)題，從取樣器結(jié)構(gòu)和工藝方面進(jìn)行改進(jìn)，提高取樣器測(cè)試成功率?，F(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)證明，改進(jìn)后的取樣器性能可靠、穩(wěn)定，滿足了水平井找水測(cè)試要求。

水平井；井下取樣器；結(jié)構(gòu)

長(zhǎng)慶油田屬于典型的“低滲、低壓、低豐度”三低致密油藏[1]，水平井采用分段多簇壓裂[2-3]改造提高導(dǎo)流能力、注水開(kāi)發(fā)補(bǔ)充地層能量開(kāi)采，受微裂縫發(fā)育和注水開(kāi)發(fā)影響，部分區(qū)塊水平井見(jiàn)水不可避免。隨著噴射壓裂技術(shù)的發(fā)展，水平井壓裂的段數(shù)逐漸增多，使分段找水測(cè)試所需的時(shí)間越來(lái)越長(zhǎng)[4]。由于該問(wèn)題會(huì)嚴(yán)重影響水平井產(chǎn)能的正常發(fā)揮，所以需要一種井下取樣器，能在井下取全取準(zhǔn)產(chǎn)層流體的同時(shí)縮短水平井測(cè)試的時(shí)間，為地面分析提供依據(jù)。

1　目前取樣器存在的不足

目前，常用的井下取樣器主要采用鐘控[5]、掛壁和錘擊等關(guān)閉形式，大部分是通過(guò)鋼絲進(jìn)行取樣作業(yè)。國(guó)內(nèi)主要有驅(qū)替式取樣器，即井下流體通過(guò)驅(qū)替活塞驅(qū)替其內(nèi)部的特殊液體，在取滿樣品后關(guān)閉取樣室。另外，還有保持壓力的取樣器，即取得樣品后給取樣室加高壓氮?dú)?，使樣品在起出井的過(guò)程中及到達(dá)地面時(shí)保持地下的單相狀態(tài)和流體性質(zhì)。由于上述取樣儀器均受外徑、作業(yè)和關(guān)閉方式等局限[6]，無(wú)法滿足多段生產(chǎn)水平井在各段同時(shí)取樣的要求。

2　水平井井下取樣器的結(jié)構(gòu)及工作原理

針對(duì)上述問(wèn)題研制了一種水平井井下取樣器，主要由電池、控制電路、微電機(jī)[7]和驅(qū)動(dòng)連桿，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[8]，如圖1所示。下井前由人工進(jìn)行其微電腦控制器的開(kāi)關(guān)閥程序設(shè)置，下井后由微電腦控制器指示按設(shè)置執(zhí)行程序，帶動(dòng)上、下開(kāi)關(guān)閥進(jìn)行啟閉動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)對(duì)產(chǎn)層流體的汲取，能在封隔器的配合下一次性完成水平井各層段的取樣工作，有效縮短測(cè)試時(shí)間，減少施工費(fèi)用。

1—?jiǎng)恿C(jī)構(gòu)；2—上接頭；3—取樣托筒；4—連通孔； 5—放樣對(duì)流孔；6—取樣腔；7—球閥；8—下接頭； 9—取樣對(duì)流孔；10—放樣孔；11—閥體；12—取樣孔。圖1　水平井井下取樣器結(jié)構(gòu)示意

初始狀態(tài)時(shí)，連通孔、放樣對(duì)流孔、取樣孔、放樣孔、取樣對(duì)流孔均為關(guān)閉狀態(tài)，在取樣時(shí)，動(dòng)力機(jī)構(gòu)帶動(dòng)閥體向左運(yùn)行，直到取樣孔和取樣對(duì)流孔為完全打開(kāi)狀態(tài)。在單層液體充滿取樣腔后，動(dòng)力機(jī)構(gòu)帶動(dòng)閥體向右運(yùn)行，直到取樣孔和取樣對(duì)流孔為關(guān)閉狀態(tài)，連通孔為打開(kāi)狀態(tài)。此時(shí)，連通孔為打開(kāi)狀態(tài)，放樣對(duì)流孔、取樣孔、放樣孔和取樣對(duì)流孔為關(guān)閉狀態(tài)。起出管柱后，進(jìn)行放樣時(shí)，卸開(kāi)放樣對(duì)流孔和放樣孔位置的堵頭，進(jìn)行放樣操作。

3　水平井井下取樣器改進(jìn)措施

水平井井下取樣器試驗(yàn)初期，雖然成功實(shí)現(xiàn)了井下取樣，但測(cè)試成功率低，也暴露出一些問(wèn)題：①取樣器內(nèi)易被泥沙、垢卡死，導(dǎo)致取不到樣；②取樣器電控系統(tǒng)電池能量耗盡，在完成“開(kāi)”的動(dòng)作后無(wú)法完成后續(xù)“關(guān)閉”的動(dòng)作；③密封圈在高壓至低壓時(shí)卡在密封間隙。為此，從水平井井下取樣器的結(jié)構(gòu)、工藝等方面進(jìn)行結(jié)構(gòu)改進(jìn)和技術(shù)完善。

3.1防砂防垢結(jié)構(gòu)改進(jìn)

取樣器取樣時(shí)，動(dòng)力機(jī)構(gòu)帶動(dòng)滑閥運(yùn)動(dòng)，流體經(jīng)取樣孔進(jìn)入取樣腔，流體充滿取樣腔后閥體重新關(guān)閉。由于取樣器工作筒內(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)，取樣腔在取樣器金屬缸壁內(nèi)，側(cè)向與地層連通形成2個(gè)進(jìn)液孔，試驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)閥體經(jīng)常被泥沙、垢堵死，閥體開(kāi)啟關(guān)閉不到位，導(dǎo)致取樣失敗。取樣器增加切絲濾網(wǎng)和割縫過(guò)流環(huán)，將進(jìn)液孔過(guò)流接頭環(huán)切3 mm，阻止地層沙進(jìn)入腔體，同時(shí)在進(jìn)液孔過(guò)流接頭動(dòng)密封部分進(jìn)行了開(kāi)槽處理，使之在結(jié)垢時(shí)將閥體運(yùn)行阻力降至最低。

3.2電路及軟件改進(jìn)

取樣器下井后由微電腦控制器指示按地面設(shè)置程序設(shè)置執(zhí)行動(dòng)作，帶動(dòng)上、下開(kāi)關(guān)閥進(jìn)行啟閉動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)對(duì)產(chǎn)層流體的汲取，電機(jī)驅(qū)動(dòng)、線路板供電電池采用高溫鋰電池，需要在井下長(zhǎng)期有效工作。試驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)起出的取樣器供電電池均處于能量耗盡狀態(tài)，導(dǎo)致取樣器完成“開(kāi)”的動(dòng)作后，就無(wú)法完成后續(xù)“關(guān)閉”的動(dòng)作。分析認(rèn)為堵轉(zhuǎn)電流門(mén)檻值過(guò)高，在電池的電壓有壓降的時(shí)候，堵轉(zhuǎn)電流值無(wú)法達(dá)到門(mén)檻值，導(dǎo)致電機(jī)堵轉(zhuǎn)時(shí)不會(huì)按照程序停止，最終讓電池能量耗盡。去除升壓電路，將堵轉(zhuǎn)電流調(diào)整至可控范圍內(nèi)，當(dāng)電機(jī)電池由原先11.7 V降至9 V時(shí)，堵轉(zhuǎn)電流就無(wú)法達(dá)到門(mén)檻設(shè)定的280 mA(由于儀器的個(gè)體差異性，以上數(shù)值非固定值)，解決“電機(jī)堵轉(zhuǎn)不停，電池能量耗盡”故障。

3.3取樣器閥體改進(jìn)

取樣過(guò)程中取樣器閥體卡死在取樣腔內(nèi)，取樣腔體無(wú)法正常啟閉從而無(wú)法取到樣。分析認(rèn)為當(dāng)取樣器取樣孔開(kāi)啟流體進(jìn)入取樣腔瞬間存在一個(gè)高壓到低壓的平衡過(guò)程，密封圈一邊是高壓液體，一邊是空氣腔，高壓液體將軟性密封件的過(guò)盈部分沖擊至密封間隙內(nèi)，導(dǎo)致取樣器閥體卡死，如圖2。對(duì)閥體采用開(kāi)槽割縫式的方式起到提前導(dǎo)壓的作用，同時(shí)保證形成足夠大的過(guò)流通道，如圖3。針對(duì)開(kāi)槽處剪切密封圈問(wèn)題，密封圈采用摩擦力低的硬質(zhì)密封圈，避免軟性密封圈在高壓至低壓時(shí)卡在密封間隙的情況。

圖2　取樣器開(kāi)啟瞬間前后受力對(duì)比

圖3　取樣器閥體結(jié)構(gòu)示意

4　現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用情況

改進(jìn)后的取樣器于2015-10在長(zhǎng)慶油田山X井開(kāi)展了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，該井開(kāi)采2層，井深2 204 m，下入兩支取樣器，分別設(shè)置為延時(shí)215 h和239 h后開(kāi)始取樣，取樣時(shí)間均為180 min，取樣時(shí)間過(guò)后關(guān)閉腔體，連通油套。取樣結(jié)束后，取樣器隨油管起出后放樣，兩支取樣器均成功取得液量約900 mL，化驗(yàn)結(jié)果含水分別為100%和65%。

5　結(jié)論

1)水平井井下取樣器采用油管輸送、井下微電機(jī)控制結(jié)構(gòu)，解決了水平狀態(tài)下工作中受外徑、作業(yè)和關(guān)閉方式等局限，無(wú)法實(shí)現(xiàn)多段生產(chǎn)水平井在各段同時(shí)取樣的問(wèn)題。

2)增加切絲濾網(wǎng)、割縫過(guò)流環(huán)以及過(guò)流接頭動(dòng)密封部分開(kāi)槽處理，解決砂卡及垢卡的問(wèn)題。

3)動(dòng)力機(jī)構(gòu)供電系統(tǒng)去除升壓電路，解決電路電壓有壓降時(shí)，堵轉(zhuǎn)電流值無(wú)法達(dá)到門(mén)檻值而導(dǎo)致電機(jī)堵轉(zhuǎn)時(shí)不會(huì)按照程序停止的問(wèn)題。

4)閥體采用開(kāi)槽割縫式提前導(dǎo)壓結(jié)構(gòu)，有效避免了壓力不平衡增加阻力的問(wèn)題。密封圈采用摩擦力低的硬質(zhì)密封圈，減小密封圈過(guò)盈量，降低摩擦力，解決了軟性密封圈在高壓至低壓時(shí)卡在密封間隙的問(wèn)題。

[1]齊銀，白曉虎，宋輝，等.超低滲透油藏水平井壓裂優(yōu)化及應(yīng)用[J].斷塊油氣田，2014，21(4)：483-485.

[2]董建華，郭寧，孫渤，等.水平井分段壓裂技術(shù)在低滲油田[J].特種油氣藏，2014 (1)：118-119.

[3]牛彥良，李莉.特低豐度油藏水平井開(kāi)發(fā)技術(shù)研究[J].大慶石油地質(zhì)與開(kāi)發(fā)，2006，25(2)：29-30.

[4]呂億明，王百，黃偉，等.水平井找水測(cè)試一體化工藝技術(shù)[J].石油礦場(chǎng)機(jī)械，2011，40(2)：93-95.

[5]張振華，白春海，張沛然，等.新型鐘控取樣器的研制[J].油氣井測(cè)試，2001，10(5)：54-55.

[6]劉修善.井眼軌跡的平均井眼曲率計(jì)算[J].石油鉆采工藝，2005，27(5)：11-15.

[7]崔文昊，甘慶明，呂億明，等.水平井井下流體分段取樣技術(shù)研究與應(yīng)用[J].測(cè)井技術(shù)，2014，38(6)：766-768.

[8]李光前．電控機(jī)械找堵水工藝技術(shù)研究[J]．石油礦場(chǎng)機(jī)械，2010，39(5)：43-45．

Development and Improvement of Horizontal Wells Downhole Sampler

ZHU Hongzheng1，2，LUO Yougang1，2，LYU Yiming1，2，NIU Caiyun1，2，LI Yazhou1，2

(1.Oil&GasTechnologyResearchInstitute，ChangqingOilCompany，Xi’an710018，China；2.NationalEngineeringLaboratoryofOil&GasFieldExplorationandDevelopment，Xi’an710018，China)

The conventional downhole sampler is restricted by outer diameter and the way of operation and closing，thus it does not meet the requirement of multi cluster fracturing in horizontal well when sampling water test.A sampler for this purpose is developed.It，through downhole packer separation，pumping unit continuous production，and downhole subsection sampling，picks up the sampler to ground for test.Based on the problems exposed in operation，its structure is improved to increase the effectiveness.The onsite operation proved that it is reliable，stable，and satisfies the requirement in horizontal well water test.

horizontal well；downhole sampler；strcture

1001-3482(2016)09-0087-03

2016-03-08

朱洪征(1981-)，男，陜西藍(lán)田人，工程師，碩士，主要從事水平井采油工藝試驗(yàn)技術(shù)研究，E-mail：zhz10_cq@petrochina.com.cn。

TE938.103

Bdoi：10.3969/j.issn.1001-3482.2016.09.020