朱洪征，羅有剛，呂億明，牛彩云，李亞洲

(1.長慶油田分公司 油氣工藝研究院，西安 710018；2.低滲透油氣田勘探開發(fā)國家工程實驗室，西安 710018)①

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水平井井下取樣器研制與改進

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發(fā)國家工程實驗室，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，無法滿足分段多簇壓裂水平井井下分段取樣找水測試的要求。研制了水平井井下取樣器。該取樣器通過封隔器井下分隔、抽油機連續(xù)生產(chǎn)，井下分段取樣，起出取樣器地面放樣化驗含水?；谠囼炦^程中暴露出的問題，從取樣器結(jié)構(gòu)和工藝方面進行改進，提高取樣器測試成功率?，F(xiàn)場試驗證明，改進后的取樣器性能可靠、穩(wěn)定，滿足了水平井找水測試要求。

水平井；井下取樣器；結(jié)構(gòu)

長慶油田屬于典型的“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、注水開發(fā)補充地層能量開采，受微裂縫發(fā)育和注水開發(fā)影響，部分區(qū)塊水平井見水不可避免。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，使分段找水測試所需的時間越來越長[4]。由于該問題會嚴重影響水平井產(chǎn)能的正常發(fā)揮，所以需要一種井下取樣器，能在井下取全取準產(chǎn)層流體的同時縮短水平井測試的時間，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，大部分是通過鋼絲進行取樣作業(yè)。國內(nèi)主要有驅(qū)替式取樣器，即井下流體通過驅(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氣，使樣品在起出井的過程中及到達地面時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]，無法滿足多段生產(chǎn)水平井在各段同時取樣的要求。

2　水平井井下取樣器的結(jié)構(gòu)及工作原理

針對上述問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[7]和驅(qū)動連桿，進液孔、取樣腔、單向閥、中心管過流通道、放樣孔、泄壓孔和防砂網(wǎng)等組成[8]，如圖1所示。下井前由人工進行其微電腦控制器的開關(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，帶動上、下開關(guān)閥進行啟閉動作，實現(xiàn)對產(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，有效縮短測試時間，減少施工費用。

1—動力機構(gòu)；2—上接頭；3—取樣托筒；4—連通孔； 5—放樣對流孔；6—取樣腔；7—球閥；8—下接頭； 9—取樣對流孔；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，連通孔、放樣對流孔、取樣孔、放樣孔、取樣對流孔均為關(guān)閉狀態(tài)，在取樣時，動力機構(gòu)帶動閥體向左運行，直到取樣孔和取樣對流孔為完全打開狀態(tài)。在單層液體充滿取樣腔后，動力機構(gòu)帶動閥體向右運行，直到取樣孔和取樣對流孔為關(guān)閉狀態(tài)，連通孔為打開狀態(tài)。此時，連通孔為打開狀態(tài)，放樣對流孔、取樣孔、放樣孔和取樣對流孔為關(guān)閉狀態(tài)。起出管柱后，進行放樣時，卸開放樣對流孔和放樣孔位置的堵頭，進行放樣操作。

3　水平井井下取樣器改進措施

水平井井下取樣器試驗初期，雖然成功實現(xiàn)了井下取樣，但測試成功率低，也暴露出一些問題：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”的動作后無法完成后續(xù)“關(guān)閉”的動作；③密封圈在高壓至低壓時卡在密封間隙。為此，從水平井井下取樣器的結(jié)構(gòu)、工藝等方面進行結(jié)構(gòu)改進和技術(shù)完善。

3.1防砂防垢結(jié)構(gòu)改進

取樣器取樣時，動力機構(gòu)帶動滑閥運動，流體經(jīng)取樣孔進入取樣腔，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)部開有1個中心管過流通道和2個橋式通道(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個進液孔，試驗過程中發(fā)現(xiàn)閥體經(jīng)常被泥沙、垢堵死，閥體開啟關(guān)閉不到位，導(dǎo)致取樣失敗。取樣器增加切絲濾網(wǎng)和割縫過流環(huán)，將進液孔過流接頭環(huán)切3 mm，阻止地層沙進入腔體，同時在進液孔過流接頭動密封部分進行了開槽處理，使之在結(jié)垢時將閥體運行阻力降至最低。

3.2電路及軟件改進

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)行動作，帶動上、下開關(guān)閥進行啟閉動作，實現(xiàn)對產(chǎn)層流體的汲取，電機驅(qū)動、線路板供電電池采用高溫鋰電池，需要在井下長期有效工作。試驗過程中發(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”的動作后，就無法完成后續(xù)“關(guān)閉”的動作。分析認為堵轉(zhuǎn)電流門檻值過高，在電池的電壓有壓降的時候，堵轉(zhuǎn)電流值無法達到門檻值，導(dǎo)致電機堵轉(zhuǎn)時不會按照程序停止，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)電機電池由原先11.7 V降至9 V時，堵轉(zhuǎn)電流就無法達到門檻設(shè)定的280 mA(由于儀器的個體差異性，以上數(shù)值非固定值)，解決“電機堵轉(zhuǎn)不停，電池能量耗盡”故障。

3.3取樣器閥體改進

取樣過程中取樣器閥體卡死在取樣腔內(nèi)，取樣腔體無法正常啟閉從而無法取到樣。分析認為當(dāng)取樣器取樣孔開啟流體進入取樣腔瞬間存在一個高壓到低壓的平衡過程，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。對閥體采用開槽割縫式的方式起到提前導(dǎo)壓的作用，同時保證形成足夠大的過流通道，如圖3。針對開槽處剪切密封圈問題，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卡在密封間隙的情況。

圖2　取樣器開啟瞬間前后受力對比

圖3　取樣器閥體結(jié)構(gòu)示意

4　現(xiàn)場應(yīng)用情況

改進后的取樣器于2015-10在長慶油田山X井開展了現(xiàn)場試驗，該井開采2層，井深2 204 m，下入兩支取樣器，分別設(shè)置為延時215 h和239 h后開始取樣，取樣時間均為180 min，取樣時間過后關(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，無法實現(xiàn)多段生產(chǎn)水平井在各段同時取樣的問題。

2)增加切絲濾網(wǎng)、割縫過流環(huán)以及過流接頭動密封部分開槽處理，解決砂卡及垢卡的問題。

3)動力機構(gòu)供電系統(tǒng)去除升壓電路，解決電路電壓有壓降時，堵轉(zhuǎn)電流值無法達到門檻值而導(dǎo)致電機堵轉(zhuǎn)時不會按照程序停止的問題。

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

[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發(fā)技術(shù)研究[J].大慶石油地質(zhì)與開發(fā)，2006，25(2)：29-30.

[4]呂億明，王百，黃偉，等.水平井找水測試一體化工藝技術(shù)[J].石油礦場機械，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].油氣井測試，2001，10(5)：54-55.

[6]劉修善.井眼軌跡的平均井眼曲率計算[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].測井技術(shù)，2014，38(6)：766-768.

[8]李光前．電控機械找堵水工藝技術(shù)研究[J]．石油礦場機械，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，陜西藍田人，工程師，碩士，主要從事水平井采油工藝試驗技術(shù)研究，E-mail：zhz10_cq@petrochina.com.cn。

TE938.103

Bdoi：10.3969/j.issn.1001-3482.2016.09.020