陳忠?guī)?倪紅堅(jiān) 周延軍 孫浩玉 裴學(xué)良 吳仲華

(1.中國(guó)石油大學(xué)(華東)石油工程學(xué)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(jiān),周延軍,等.隨鉆地層流體取樣工具研制及現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn).石油機(jī)械,2022,50(11):37-42.

0 引言

地層流體取樣是通過(guò)一個(gè)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(jìn)入可密封的樣品室,隨后在地面進(jìn)行分析的一個(gè)過(guò)程[1]。通過(guò)對(duì)所取樣品的性質(zhì)分析,有助于詳細(xì)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(yīng)用以來(lái),各大油服公司圍繞著如何獲取地層中的流體、壓力測(cè)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(guò)鉆后下入電纜式取樣器來(lái)實(shí)現(xiàn),由于鉆后取樣井筒浸泡時(shí)間長(zhǎng),近井壁通常受鉆井液濾液浸泡嚴(yán)重污染,樣品污染率高。為了取到清潔的地層流體,需要長(zhǎng)時(shí)間固定取樣器來(lái)抽排不合格樣品,極易導(dǎo)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(shí)間內(nèi)利用鉆井過(guò)程中短暫的間歇進(jìn)行流體抽取,所取樣品和測(cè)量結(jié)果更接近地層的原始狀態(tài)。此類工具還可以與測(cè)量模塊掛接,實(shí)現(xiàn)密度、黏度、電阻率及泡點(diǎn)壓力等多種參數(shù)的實(shí)時(shí)測(cè)量,以及地層滲透率和地層壓力的在線反演[8-10]。國(guó)外3大油服公司相繼推出多款隨鉆地層流體取樣和測(cè)試工具,并獲得了商業(yè)應(yīng)用[11]。但由于此類工具結(jié)構(gòu)復(fù)雜,技術(shù)難度高,國(guó)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(shí)現(xiàn)了隨鉆地層流體取樣和測(cè)壓功能,并成功進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)取樣試驗(yàn)。筆者介紹了該工具的結(jié)構(gòu)及工作原理,對(duì)其控制系統(tǒng)、動(dòng)力組件及取樣組件等關(guān)鍵模塊進(jìn)行了設(shè)計(jì),并通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)驗(yàn)證了其工作可靠性。該工具的研制可為隨鉆地層測(cè)試儀器的設(shè)計(jì)與應(yīng)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(cè)試箱和控制軟件,主要功能是取樣、測(cè)壓指令下傳和接收上傳信號(hào)并解碼。井下工具結(jié)構(gòu)如圖1所示,主要由脈沖信號(hào)發(fā)生器、渦輪發(fā)電機(jī)、主控單元、抽吸和推靠動(dòng)力組件、取樣組件、油液補(bǔ)償組件、儲(chǔ)罐系統(tǒng)及分析組件等構(gòu)成。渦輪發(fā)電機(jī)為井下工具提供電能,同時(shí)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(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)鉆井液渦輪發(fā)電機(jī)的頻率,對(duì)下傳的指令進(jìn)行實(shí)時(shí)解碼,控制2個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路、電磁閥控制電路按指令執(zhí)行,并對(duì)井下的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ),還可與MWD、分析組件之間通信,將分析數(shù)據(jù)上傳。動(dòng)力組件為取樣過(guò)程中探針伸出貼緊井壁和地層流體抽吸及存儲(chǔ)提供直接動(dòng)力。取樣組件執(zhí)行對(duì)地層流體抽吸的動(dòng)作。儲(chǔ)罐系統(tǒng)用于儲(chǔ)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(jìn)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(dāng)需要取樣或測(cè)壓時(shí),停止鉆進(jìn)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(hào),井下工具部分的主控單元對(duì)下傳的指令進(jìn)行實(shí)時(shí)解碼,以判斷進(jìn)入取樣或測(cè)壓模式。取樣模式下,先控制推靠驅(qū)動(dòng)電路工作,使電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)活塞向右移動(dòng),通過(guò)油壓將探針推出并緊貼井壁。隨后,控制抽吸驅(qū)動(dòng)電路,利用活塞往復(fù)運(yùn)動(dòng)抽取地層流體。通常情況下,最初抽取到的地層流體受過(guò)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(duì)流體成分進(jìn)行分析,以確保樣品污染率合格。經(jīng)分析合格的樣品通過(guò)儲(chǔ)罐中的電磁閥閥組,選擇性地進(jìn)入樣品腔并保壓存儲(chǔ)。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(fù)位后,向地面發(fā)出取樣結(jié)束指令。

測(cè)壓模式下,探針伸出、流體抽取動(dòng)作原理和取樣過(guò)程相同,但不用對(duì)樣品進(jìn)行污染率分析和存儲(chǔ),抽取流體后需要靜止較長(zhǎng)的時(shí)間以等待壓力恢復(fù),實(shí)時(shí)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(zhǎng)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(guò)濾當(dāng)量直徑10 mm,探針行程40 mm,單個(gè)樣品罐容積500 mL,儲(chǔ)罐數(shù)量4個(gè)。

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(jì)算機(jī)系統(tǒng)組成。壓力傳感器實(shí)時(shí)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(jì)算機(jī)系統(tǒng)將解碼信息顯示在主屏幕上。鉆井液旁通器、地面測(cè)試箱及地面測(cè)試軟件構(gòu)成通信系統(tǒng)的地面控制部分,并通過(guò)軟件控制鉆井液旁通器按照一定的時(shí)序工作,實(shí)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(jī)驅(qū)動(dòng)電路(推靠系統(tǒng)及抽吸系統(tǒng))、5路電磁閥驅(qū)動(dòng)電路、地層壓力檢測(cè)電路、推靠壓力檢測(cè)電路及脈沖器驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。整流穩(wěn)壓電路負(fù)責(zé)將鉆井液渦輪發(fā)電機(jī)發(fā)出來(lái)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(jī)驅(qū)動(dòng)電路分別控制推靠系統(tǒng)及抽吸系統(tǒng)電機(jī)按預(yù)定的程序運(yùn)轉(zhuǎn)。電磁閥驅(qū)動(dòng)電路配合主控程序驅(qū)動(dòng)各路電磁閥實(shí)現(xiàn)抽吸過(guò)程中流體注入不同的儲(chǔ)罐。地層壓力檢測(cè)電路實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)抽吸過(guò)程中的地層壓力以避免吸空。推靠壓力檢測(cè)電路實(shí)時(shí)檢測(cè)推靠過(guò)程中推靠力的大小,避免推靠力不足導(dǎo)致吸入循環(huán)鉆井液污染采樣流體。脈沖器驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)控制脈沖器,將工具的工作狀態(tài)實(shí)時(shí)地傳輸至地面監(jiān)控系統(tǒng)。

2.2 推靠和抽吸動(dòng)力組件

動(dòng)力組件結(jié)構(gòu)如圖3所示,主要由電機(jī)、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(jī)帶動(dòng)絲杠旋轉(zhuǎn),絲杠的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換成活塞的軸向往復(fù)移動(dòng),進(jìn)而推動(dòng)活塞缸內(nèi)液體的排出或回補(bǔ)。在工具本體內(nèi)部對(duì)稱分布2套動(dòng)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(dòng)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(jī)轉(zhuǎn)過(guò)的圈數(shù),核算活塞運(yùn)動(dòng)距離和最終探針的伸出長(zhǎng)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(dòng)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(dòng)力?；钊着c探頭口連通,取樣時(shí)活塞抽吸,將地層流體通過(guò)探針口抽取到活塞缸中,活塞反向運(yùn)動(dòng)則可將流體通過(guò)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(fù)機(jī)構(gòu)、探針、密封墊、過(guò)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(dòng)力組件輸出的高壓油液推動(dòng)推靠活塞向外運(yùn)動(dòng)。在推力作用下,通過(guò)密封墊實(shí)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(dòng)力組件電機(jī)反轉(zhuǎn),將輸出的高壓油液重新抽至補(bǔ)償油囊內(nèi),推靠活塞在回復(fù)機(jī)構(gòu)提供的回復(fù)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(shè)有過(guò)濾裝置,可對(duì)抽吸到的流體進(jìn)行過(guò)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(chǔ)系統(tǒng)

地層流體抽吸及存儲(chǔ)的原理如圖6所示。抽吸動(dòng)力組件先把地層流體通過(guò)探針抽吸,并經(jīng)管道存儲(chǔ)到活塞缸中,之后把受污染的地層流體通過(guò)電磁閥5排到井筒環(huán)空,經(jīng)分析合格的樣品再通過(guò)閥1～閥4的控制,依次存儲(chǔ)到樣品儲(chǔ)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(guò)程中,壓力和溫度都急劇下降,可能導(dǎo)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(dǎo)致實(shí)驗(yàn)室測(cè)量的數(shù)據(jù)失真[12-14]。因此,在儲(chǔ)罐中間增加了氮?dú)馐?在工具入井前預(yù)充一定壓力的氮?dú)?利用氮?dú)鈴椈稍韺?duì)樣品進(jìn)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(dòng)力組件的泵系統(tǒng)對(duì)樣品儲(chǔ)存腔進(jìn)行額外增壓。這種氮?dú)庠鰤杭泳自鰤航M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(chǎng)試驗(yàn)

為驗(yàn)證樣機(jī)系統(tǒng)功能,2021年11月在勝利油田營(yíng)22-更斜42井開展現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。營(yíng)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(gè)注水層影響,儲(chǔ)層含油差?？紤]到工具在取樣時(shí)靜止時(shí)間較長(zhǎng),平均每個(gè)點(diǎn)取樣時(shí)間20～30 min。為預(yù)防黏卡等復(fù)雜情況的發(fā)生,將試驗(yàn)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(gè)點(diǎn),第2次入井選擇穩(wěn)斜段1 930～2 026 m取樣4個(gè)點(diǎn)。

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(cè)樣品污染率。濾液抽排時(shí)間設(shè)置為10 min,即從10 min開始將抽吸到的流體進(jìn)行存儲(chǔ),污染率的確定通過(guò)樣品儲(chǔ)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(shí)壓力降為5 MPa,鉆井液中示蹤劑濃度為2 g/mL。營(yíng)22-更斜42井流體樣品污染率實(shí)測(cè)數(shù)值如表1所示。第1段取樣過(guò)程中,有2個(gè)相鄰的取樣點(diǎn)樣品污染率100%,儲(chǔ)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(duì)較低,分析可能是上、下兩段地層滲透率差異所導(dǎo)致。刨除2個(gè)無(wú)效取樣點(diǎn),6個(gè)儲(chǔ)罐中樣品的平均污染率6.62%。

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

現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)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(chǎng)使用要求,樣品污染率符合10%以下實(shí)驗(yàn)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(gè)容積500 mL樣品儲(chǔ)罐,采用標(biāo)準(zhǔn)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(shí)現(xiàn)探針伸出、取樣和縮回的自動(dòng)控制,作業(yè)安全且效率高。

(2)采用預(yù)充氮?dú)夂途略鰤航M合技術(shù)提高樣品室保壓效果,可預(yù)防樣品相變發(fā)生,獲得更真實(shí)的地層樣品。

(3)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果表明,隨鉆地層流體取樣工具所取樣品滿足實(shí)驗(yàn)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(yàn)和地層壓力反演解釋技術(shù)研究。