姜傳隆，顏廷俊，張楊，孫騰飛，陳忠?guī)?，孫浩玉

（1. 北京化工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，北京 100029；2. 中國(guó)石化勝利石油工程有限公司鉆井工藝研究院，山東東營(yíng) 257000）

0 引言

隨鉆地層流體取樣技術(shù)是在電纜式流體取樣、隨鉆地層壓力測(cè)試和地層流體分析等技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，可以在剛打開油氣層時(shí)迅速收集低污染或無污染的地層流體，獲取的樣品數(shù)據(jù)更貼近地層的真實(shí)情況，可為優(yōu)化完井和生產(chǎn)設(shè)計(jì)提供所需的關(guān)鍵參數(shù)[1-4]。隨鉆地層流體取樣工具中的取樣筒對(duì)于實(shí)現(xiàn)樣品“保真”至關(guān)重要，若取樣筒沒有采取任何保真措施，取樣筒中的地層流體樣品從高溫的井下環(huán)境到達(dá)地面后，將因溫度下降而體積收縮，若樣品的腔室體積不變，則樣品腔內(nèi)壓力會(huì)相應(yīng)降低，若下降至泡點(diǎn)壓力以下，樣品中的溶解氣將逸出，在樣品腔內(nèi)形成油氣兩相，相分離后整個(gè)樣品將無法還原，樣品嚴(yán)重失真，樣品分析數(shù)據(jù)不再代表真實(shí)儲(chǔ)集層的流體性質(zhì)，進(jìn)而影響后續(xù)勘探、開發(fā)評(píng)價(jià)的準(zhǔn)確性。

隨鉆地層流體取樣技術(shù)研究，國(guó)外已有20多年的歷史，而國(guó)內(nèi)基本處于初級(jí)階段[5-12]。美國(guó)貝克休斯公司提出利用能量存儲(chǔ)介質(zhì)對(duì)地層流體樣品增壓，其實(shí)為雙活塞氣墊增壓法，該方法可行且成熟。針對(duì)該種增壓方法，尤國(guó)平等[13]和譚顯忠[14]在研制電纜取樣器取樣筒時(shí)，提出了預(yù)充氮?dú)獾膲毫τ?jì)算公式，但該公式未考慮溫度、壓力對(duì)樣品和筒體的影響；劉健[15]在研究天然氣水合物取樣器的保壓保真時(shí)，提出了一種考慮溫度場(chǎng)和壓力場(chǎng)變化的容器內(nèi)流體保壓計(jì)算方法，但這種取樣器沒有井下增壓裝置；安莉[16]探討了水合物保真筒的保壓特性，給出了氣墊在增壓情況下溫度場(chǎng)-壓力場(chǎng)的耦合特征，進(jìn)而描述了樣品腔內(nèi)流體壓力的變化規(guī)律，但保真筒在井下缺乏持續(xù)增壓源，應(yīng)用受限。

目前常用的保真方法主要有井下增壓泵與活塞氣墊兩種，單純用泵增壓的方法因受泵容積的限制而未被業(yè)界廣泛應(yīng)用；單純用活塞氣墊增壓的方法雖能明顯改善地層流體樣品的保真度，但現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用時(shí)預(yù)充氮?dú)鈮毫σ蕾嚱?jīng)驗(yàn)判斷，保真效果較差且使用不便。針對(duì)兩種方法存在的局限性，本文提出以地面預(yù)充氮?dú)夥椒橹鳎略鰤悍椒檩o的隨鉆取樣保真筒設(shè)計(jì)思路，并對(duì)其工作方式、取樣參數(shù)優(yōu)化方法進(jìn)行討論，有望實(shí)現(xiàn)真正意義上的樣品保真。

1 取樣筒結(jié)構(gòu)及井下工作方式

本文設(shè)計(jì)取樣筒由樣品腔和氮?dú)馇粯?gòu)成，中間由活塞1分隔，同時(shí)外接抽吸泵、增壓泵便于取樣（見圖1）。取樣時(shí)，地層流體通過抽吸泵與增壓泵的共同作用從取樣筒左端進(jìn)入樣品腔，活塞1、活塞2的位置根據(jù)各腔室與井下壓力的大小自動(dòng)調(diào)節(jié)，起壓力平衡作用。

圖1 取樣筒結(jié)構(gòu)示意圖

取樣過程中，樣筒內(nèi)各腔室的體積變化分可為 5個(gè)過程（見圖2）：①地面預(yù)充氮?dú)?，取樣前在地面預(yù)先向氮?dú)馇怀涞獨(dú)?，迫使活?、活塞2分別位于取樣筒的兩端，此時(shí)氮?dú)馇蝗莘e達(dá)到最大，即筒體總?cè)莘e，筒體溫度為地面溫度（見圖2a）；②井下取樣前，工具下至取樣地層時(shí)，鉆井液柱壓力高于預(yù)充氮?dú)鈮毫?，鉆井液推動(dòng)活塞 2向左移動(dòng)，當(dāng)?shù)獨(dú)馇粔毫εc鉆井液柱壓力達(dá)到平衡時(shí)停止移動(dòng)，此時(shí)氮?dú)馇粌?nèi)壓力等于此處鉆井液柱壓力，溫度為地層溫度（見圖2b）；③井下取樣，當(dāng)抽吸的地層流體污染率達(dá)到取樣要求時(shí)，樣品腔閥門打開，流體通過增壓泵進(jìn)入樣品腔推動(dòng)活塞 1向右移動(dòng)，此時(shí)氮?dú)馇粔毫υ龈撸餐苿?dòng)活塞 2向右移動(dòng)，逐步排出鉆井液（見圖2c）；④井下取樣完成，此時(shí)若筒內(nèi)壓力大于等于井底壓力，則活塞 2位于筒體最右端（見圖2d-1），若筒內(nèi)壓力小于井底壓力，則活塞2離筒體最右端尚有一定距離（見圖2d-2），筒體右端存有鉆井液；⑤取樣筒返回地面，地面溫度低于地下，樣筒到達(dá)地面后，活塞 2因失去鉆井液柱壓力而移動(dòng)到筒體最右端，樣筒內(nèi)樣品壓力下降，此時(shí)活塞 1向右移動(dòng)，氮?dú)馇粌?nèi)壓力起補(bǔ)償作用，確保取回樣品不發(fā)生相變（見圖2e）。

圖2 取樣筒中樣品腔和保壓腔工作狀態(tài)變化

2 取樣過程中樣筒工作狀態(tài)

設(shè)取樣筒內(nèi)徑為Di，外徑為D0，取樣筒體有效長(zhǎng)度為L(zhǎng)，取樣筒材料的彈性模量為E，泊松比為μ，線性膨脹系數(shù)為α，井下取樣體積為Vs；地層壓力為p，大氣壓為p0，井底增壓量為pa；地面預(yù)充氮?dú)膺^程中氮?dú)馇粌?nèi)狀態(tài)為T1、V1、p1，井下取樣后氮?dú)馇粌?nèi)狀態(tài)為T2、V2、p2，返回地面氮?dú)馇粌?nèi)狀態(tài)為T3、V3、p3，返回地面時(shí)樣品體積為Vs*，對(duì)取樣過程中取氧筒工況分述如下。

2.1 地面預(yù)充氮?dú)夂蟮较氯刖氯訉佣芜^程

2.2 井下取樣后上升到地面過程

2.3 取樣筒由井下上升到地面過程

對(duì)原油樣品來說，原油密度與溫度負(fù)相關(guān)[17]，如圖 3為常壓下勝利油田某區(qū)塊原油密度與溫度的變化關(guān)系，具有較好的線性關(guān)系，經(jīng)擬合可表示為：

圖3 勝利油田某區(qū)塊原油密度與溫度的變化關(guān)系

根據(jù)美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)局發(fā)布的氮?dú)庠诓煌瑴囟?、壓力下的壓縮因子實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)[18]，抽稀取 99組數(shù)據(jù)繪制壓縮因子與溫度、壓力的變化關(guān)系（見圖4）。當(dāng)壓力大于10 MPa、溫度20～180 ℃時(shí)，壓縮因子大于1；當(dāng)壓力為5～35 MPa時(shí)，溫度越低，壓縮因子越低，當(dāng)壓力大于 35 MPa時(shí)，溫度越低，壓縮因子越高。

圖4 氮?dú)鈮嚎s因子隨溫度壓力變化規(guī)律

同樣根據(jù)上述美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)局發(fā)布的氮?dú)鈮嚎s因子數(shù)據(jù)，共取220組采用1stOpt軟件進(jìn)行擬合，得氮?dú)鈮嚎s因子與溫度和壓力的關(guān)系函數(shù)：

擬合公式計(jì)算值與查表值對(duì)比誤差率散點(diǎn)分布如圖5所示（圖5中字母a，b，…，k分別代表壓力為4，8，12，16，20，25，30，35，40，45，50 MPa，共計(jì)11個(gè)；下標(biāo)1，2，…，20分別代表溫度為10，20，…，200 ℃，共 20個(gè)）?？梢钥闯?，相對(duì)于傳統(tǒng)的查表計(jì)算，擬合公式計(jì)算誤差范圍為-2%～5%，可用于工程計(jì)算。

圖5 擬合公式計(jì)算值與查表實(shí)測(cè)值對(duì)比誤差率散點(diǎn)圖

改寫（32）式可得：

在井底增壓情況下有p2=p+pα，代入（38）式得：

預(yù)充氮?dú)鈮毫Γ╬1）與井底增壓量（pa）參數(shù)的優(yōu)化計(jì)算采用Matlab商業(yè)軟件進(jìn)行求解，具體流程見圖6。

圖6 預(yù)充氮?dú)鈮毫εc井底增壓量參數(shù)優(yōu)化計(jì)算流程圖

3 樣品保真參數(shù)優(yōu)化

3.1 地層流體泡點(diǎn)壓力未知

在地層流體泡點(diǎn)壓力未知的情況下，最好的保真取樣方式就是保證樣品取到地面時(shí)的壓力等于地層壓力，此時(shí)有p3=p，該種情況下只需計(jì)算對(duì)應(yīng)取樣體積下的預(yù)充氮?dú)鈮毫途自鰤毫?，由?7）、（40）式得：

下面以計(jì)算實(shí)例說明保真參數(shù)的優(yōu)化過程。設(shè)取樣筒內(nèi)徑28 mm，外徑36 mm，保壓容器原始有效長(zhǎng)度850 mm，取樣筒材料（鈹銅）彈性模量128 GPa，泊松比0.3，線性膨脹系數(shù)為17.6×10-6K-1，井下可提供最大井底增壓量20 MPa。鉆井液密度1 100 kg/m3，樣品體積彈性模量 1.67 GPa，大氣壓力忽略不計(jì)。地面溫度為293.15 K，（27）式中的線性擬合系數(shù)A=0.73，B=1 135.66，地溫梯度為3 ℃/100 m。

為了方便現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，將取樣體積分別取固定值500，450，400，300，200，100 mL，由（41）、（42）式計(jì)算預(yù)充氮?dú)鈮毫?、井底增壓量與地層壓力關(guān)系曲線（見圖7、圖8）?？梢钥吹?，相同取樣體積條件下，地層壓力越高，所需預(yù)充氮?dú)鈮毫υ礁?，所需提供的井底增壓量越大。假設(shè)取樣體積為400 mL，地層壓力為27.8 MPa，查圖可知，此時(shí)預(yù)充氮?dú)鈮毫ψ畲笾禐? MPa，井底增壓量最小值為19 MPa。若只預(yù)充氮?dú)?，無井底增壓，則取樣筒在井底時(shí)氮?dú)馇粔毫εc地層壓力一致，有p2=p，代入（38）式可得井底樣品返回地面時(shí)的壓力（氮?dú)馇粔毫Γ?/p>

圖7 預(yù)充氮?dú)鈮毫εc地層壓力關(guān)系（p3=p）

圖8 井底增壓量與地層壓力關(guān)系（p3=p）

根據(jù)上式，在不同取樣體積條件下，計(jì)算地層壓力與返回地面樣品壓力的關(guān)系曲線，并與相同條件下預(yù)充氮?dú)?井底增壓取樣方式的計(jì)算結(jié)果對(duì)比（見圖9，圖中不同取樣體積條件下，預(yù)充氮?dú)?井底增壓取樣方式得到的樣品腔壓力與取樣地層壓力一致，故圖中僅以一條線代替）?？梢钥吹?，無論取樣體積為何值，預(yù)充氮?dú)?井底增壓取樣方式樣品返回地面時(shí)的壓力與地層壓力均基本相等，保真效果良好；而無井底增壓取樣方式樣品返回地面時(shí)的壓力與地層壓力存在較大差距，且取樣體積越大，樣品返回地面壓力越小，樣品發(fā)生相變的可能越大，說明僅預(yù)充氮?dú)馊臃绞奖Ｕ嫘Ч^差。

圖9 有、無井底增壓取樣方式地面樣品壓力對(duì)比

3.2 地層流體泡點(diǎn)壓力已知

當(dāng)?shù)貙訅毫π∮谂蔹c(diǎn)壓力時(shí)，取到地面的樣品壓力等于地層壓力即可達(dá)到保真效果，因此預(yù)充氮?dú)鈮毫εc井底增壓量的優(yōu)化計(jì)算方法與地層流體泡點(diǎn)壓力未知情況相同；當(dāng)?shù)貙訅毫Υ笥谂蔹c(diǎn)壓力時(shí)，則主要優(yōu)化計(jì)算保證取到地面的樣品壓力等于泡點(diǎn)壓力所需的預(yù)充氮?dú)鈮毫εc井底增壓量，此時(shí)有p3=pb，代入（37）、（40）式得：

下面同樣以計(jì)算實(shí)例說明保真參數(shù)的優(yōu)化過程。采用前述取樣筒、地層及流體等參數(shù)，同時(shí)設(shè)地層流體泡點(diǎn)壓力為25 MPa，通過（44）、（45）式，計(jì)算不同取樣體積條件下預(yù)充氮?dú)鈮毫?、井底增壓量與地層壓力的關(guān)系曲線（見圖10、圖11）。由圖可知，當(dāng)?shù)貙訅毫Υ笥?5 MPa時(shí)，預(yù)充氮?dú)鈮毫﹄S地層壓力增加而緩慢增加；而井底增壓量的變化趨勢(shì)受地層壓力、井下取樣體積雙重影響，取樣體積小于400 mL時(shí)，井底增壓量單調(diào)下調(diào)；取樣體積大于等于400 mL時(shí)，井底增壓量先下降后上升。由圖10、圖11，在確定了取樣體積時(shí)，便可根據(jù)地層壓力方便查得預(yù)充氮?dú)鈮毫?、井底增壓量。?dāng)取樣體積為300 mL時(shí)，如地層壓力為42.5 MPa，可查得預(yù)充氮?dú)鈮毫?1.1 MPa，井底增壓量為2.3 MPa；當(dāng)?shù)貙訅毫?0.0 MPa時(shí)，可查得預(yù)充氮?dú)鈮毫?1.4 MPa，井底增壓量為0，從曲線上可知，當(dāng)?shù)貙訅毫Υ笥?7.0 MPa時(shí)，均無需井底增壓，此時(shí)取樣筒右端如圖2d-2所示，存在鉆井液。

圖10 預(yù)充氮?dú)鈮毫εc地層壓力的關(guān)系（p3=pb）

圖11 井底增壓量與地層壓力的關(guān)系（p3=pb）

3.3 預(yù)充定壓氮?dú)鈶?yīng)急情況

向取樣筒中預(yù)充定壓氮?dú)猓F(xiàn)場(chǎng)僅通過井下增壓的方式來調(diào)節(jié)樣品腔壓力，在一定的取樣體積范圍內(nèi)，若地層流體泡點(diǎn)壓力已知，則確保筒體中的樣品壓力到達(dá)地面時(shí)不小于泡點(diǎn)壓力；若地層流體泡點(diǎn)壓力未知，則確保筒體中的樣品壓力到達(dá)地面時(shí)不小于地層壓力。

設(shè)預(yù)充氮?dú)鈮毫?0.0 MPa，采用前述取樣筒、地層及流體等參數(shù)，通過（39）、（40）式計(jì)算不同取樣體積條件下返回地面樣品的壓力、井底增壓量與地層壓力的關(guān)系曲線（見圖12、圖13）。當(dāng)?shù)貙訅毫?5 MPa時(shí)，如果要保證返回地面樣品的壓力大于或等于25 MPa，則由圖12可知取樣體積必須大于等于350 mL；由圖12可知，當(dāng)井底增壓能力上限為20 MPa時(shí)，取樣量為 300，350 mL可滿足要求。根據(jù)圖12、圖13取樣體積曲線的間距折算，當(dāng)取樣體積為310～355 mL時(shí)，地層樣品到達(dá)地面時(shí)的壓力不小于25 MPa，可實(shí)現(xiàn)保真。

圖12 返回地面樣品壓力與地層壓力的關(guān)系（p1=10.0 MPa）

圖13 井底增壓量與地層壓力的關(guān)系（p1=10.0 MPa）

4 地面溫度對(duì)保真計(jì)算結(jié)果的影響

當(dāng)?shù)孛鏈囟劝l(fā)生變化時(shí)，由（41）、（42）式可計(jì)算不同地面溫度對(duì)預(yù)充氮?dú)鈮毫途略鰤毫康挠绊?。采用前述取樣筒、地層及流體等參數(shù)，分析取樣體積分別為500，100 mL時(shí)，在不同地面溫度下，預(yù)充氮?dú)鈮毫?、井底增壓量與地層壓力的關(guān)系曲線（見圖14）。由圖可以看出，取樣體積為500，100 mL時(shí)，地面溫度的變化對(duì)預(yù)充氮?dú)鈮毫Φ挠绊懮跷?，可以忽略不?jì)。但地面溫度對(duì)井底增壓量有一定影響，特別是取樣體積較小時(shí)，影響更明顯，地面溫度下降，井底增壓量呈增加趨勢(shì)。鑒于此，當(dāng)取樣體積較大時(shí)（如大于等于500 mL），優(yōu)化計(jì)算的井底增壓量誤差較小，無須校正；當(dāng)取樣體積較小時(shí)（100～500 mL），計(jì)算的井底增壓量誤差較大，需適當(dāng)進(jìn)行較正：①地層壓力小于12 MPa時(shí)，無須校正；②地層壓力大于12 MPa時(shí)，為保險(xiǎn)起見，需對(duì)優(yōu)化計(jì)算的井底增壓量進(jìn)行校正，可在計(jì)算值上再增加0～5 MPa。

圖14 地面溫度變化對(duì)預(yù)充氮?dú)鈮毫?、井底增壓量的影?/p>

5 結(jié)論

地面預(yù)充氮?dú)夥椒橹?、井下增壓方法為輔的隨鉆取樣保真筒保真取樣，氮?dú)馇幌喈?dāng)于儲(chǔ)能氣墊，可一定程度上補(bǔ)充取樣過程中因溫度變化帶來的壓力損失；井下增壓可將樣品盡快地壓入樣品腔，提高樣品壓力，彌補(bǔ)氮?dú)馇粺o法提供的壓力補(bǔ)償。

地面預(yù)充氮?dú)馀c井下增壓隨鉆取樣保真筒，可有效提高樣品保真程度，地層流體樣品到達(dá)地面時(shí)，可基本保證樣品不發(fā)生物理相變現(xiàn)象，進(jìn)而保證其具有在地層中原有的化學(xué)組分。

符號(hào)注釋：

A，B——線性擬合系數(shù)，無因次；D0——取樣筒外徑，mm；Di——取樣筒內(nèi)徑，mm；——地面預(yù)充氮?dú)夂蟮较氯刖氯訉佣魏蟮耐搀w內(nèi)徑，mm；——從預(yù)充好氮?dú)獾饺油瓿傻竭_(dá)地面后的筒體內(nèi)徑，mm；——井下取樣后上升到地面后的筒體內(nèi)徑，mm；——地面預(yù)充氮?dú)夂蟮较氯刖氯訉佣魏蟮耐搀w外徑，mm；E——鈹銅的彈性模量，MPa；E0——地層流體體積彈性模量，MPa；g——重力加速度，m/s2；G——地溫梯度，℃/100 m；L——取樣筒體有效長(zhǎng)度，mm；——地面預(yù)充氮?dú)夂蟮较氯刖氯訉佣螘r(shí)的筒體有效長(zhǎng)度，mm；——從預(yù)充好氮?dú)獾饺油瓿傻竭_(dá)地面后的筒體有效長(zhǎng)度，mm；——井下取樣后上升到地面后的筒體有效長(zhǎng)度，mm；p——地層壓力，MPa；p0——大氣壓，MPa；p1——預(yù)充氮?dú)鈮毫?，MPa；p2——井下取樣后氮?dú)馇粌?nèi)壓力，MPa；p3——返回地面氮?dú)馇粌?nèi)壓力，MPa；pb——泡點(diǎn)壓力，MPa；pa——井底增壓量，MPa；T——氮?dú)猸h(huán)境溫度，℃；T0——原油環(huán)境溫度，K；T1——地面溫度，K；T2——井底溫度，K；T3——樣品返回地面溫度，K；V1——地面預(yù)充氮?dú)怏w積，mL；V1-2——地面預(yù)充氮?dú)夂笙氯氲骄氯訉佣魏蟮耐搀w體積，mL；V2——井下取樣后氮?dú)馇惑w積，mL；V2-3——井下取樣后上升到地面時(shí)的筒體體積，mL；V3——返回地面時(shí)氮?dú)馇惑w積，mL；Vdf——圖2d-2所示情況下取樣筒中活塞2右端進(jìn)入的鉆井液體積，mL；Vs——井下取樣體積，mL；Vs*——返回地面時(shí)樣品體積，mL；Z——氮?dú)鈮嚎s因子，無因次；Z1——地面預(yù)充氮?dú)鈮嚎s因子，無因次；Z2——井下取樣后氮?dú)鈮嚎s因子，無因次；Z3——返回地面氮?dú)鈮嚎s因子，無因次；α——鈹銅的線性膨脹系數(shù)，K-1；ΔDp1-2——地面預(yù)充氮?dú)夂蟮较氯刖氯訉佣芜^程中筒體在內(nèi)外壓差作用下徑向變化量，mm；ΔDp1-3——從預(yù)充好氮?dú)獾饺油瓿傻竭_(dá)地面后的筒體在內(nèi)外壓差作用下徑向變化量，mm；ΔDp2-3——井下取樣后上升到地面過程中筒體在內(nèi)外壓差作用下徑向變化量，mm；ΔDt1-2——地面預(yù)充氮?dú)夂蟮较氯刖氯訉佣芜^程中因溫度變化引起取樣筒內(nèi)徑變化量，mm；ΔDt1-3——從預(yù)充好氮?dú)獾饺油瓿傻竭_(dá)地面的過程中因溫度變化引起取樣筒內(nèi)徑變化量，mm；ΔDt2-3——井下取樣后上升到地面過程中因溫度變化引起取樣筒內(nèi)徑變化量，mm；ΔLp1-2——地面預(yù)充氮?dú)夂蟮较氯刖氯訉佣芜^程中因壓力變化引起取樣筒有效長(zhǎng)度變化量，mm；ΔLp1-3——從預(yù)充好氮?dú)獾饺油瓿傻竭_(dá)地面的過程中因溫度變化引起取樣筒有效長(zhǎng)度變化量，mm；ΔLp2-3——井下取樣后上升到地面過程中筒體因壓力變化引起取樣筒有效長(zhǎng)度變化量，mm；ΔLt1-2——地面預(yù)充氮?dú)夂蟮较氯刖氯訉佣芜^程中因溫度變化引起取樣筒有效長(zhǎng)度變化量，mm；ΔLt1-3——從預(yù)充好氮?dú)獾饺油瓿傻竭_(dá)地面的過程中因溫度變化引起取樣筒有效長(zhǎng)度變化量，mm；ΔLt2-3——井下取樣后上升到地面過程中因溫度變化引起取樣筒有效長(zhǎng)度變化量，mm；Δp——樣品體積收縮所致的樣品腔內(nèi)壓差，MPa；ΔVs——樣品體積變化量，mL；μ——泊松比，無因次；ρ——原油密度，kg/m3；ρ2——井下取樣時(shí)樣品密度，kg/m3；ρ3——返回地面后樣品密度，kg/m3；ρdf——鉆井液密度，kg/m3。