水平井井下取樣器研制與改進

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國家工程實驗室，西安 710018)①

常規井下取樣器受外徑、作業和關閉方式等限制，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、抽油機連續生產，井下分段取樣，起出取樣器地面放樣化驗含水。基于試驗過程中暴露出的問題，從取樣器結構和工藝方面進行改進，提高取樣器測試成功率。現場試驗證明，改進后的取樣器性能可靠、穩定，滿足了水平井找水測試要求。

水平井；井下取樣器；結構

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]改造提高導流能力、注水開發補充地層能量開采，受微裂縫發育和注水開發影響，部分區塊水平井見水不可避免。隨著噴射壓裂技術的發展，水平井壓裂的段數逐漸增多，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能的正常發揮，所以需要一種井下取樣器，能在井下取全取準產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。

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]、掛壁和錘擊等關閉形式，大部分是通過鋼絲進行取樣作業。國內主要有驅替式取樣器，即井下流體通過驅替活塞驅替其內部的特殊液體，在取滿樣品后關閉取樣室。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和流體性質。由于上述取樣儀器均受外徑、作業和關閉方式等局限[6]，無法滿足多段生產水平井在各段同時取樣的要求。

2　水平井井下取樣器的結構及工作原理

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閥程序設置，下井后由微電腦控制器指示按設置執行程序，帶動上、下開關閥進行啟閉動作，實現對產層流體的汲取，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；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構示意

初始狀態時，連通孔、放樣對流孔、取樣孔、放樣孔、取樣對流孔均為關閉狀態，在取樣時，動力機構帶動閥體向左運行，直到取樣孔和取樣對流孔為完全打開狀態。在單層液體充滿取樣腔后，動力機構帶動閥體向右運行，直到取樣孔和取樣對流孔為關閉狀態，連通孔為打開狀態。此時，連通孔為打開狀態，放樣對流孔、取樣孔、放樣孔和取樣對流孔為關閉狀態。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取樣器內易被泥沙、垢卡死，導致取不到樣；②取樣器電控系統電池能量耗盡，在完成“開”的動作后無法完成后續“關閉”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構、工藝等方面進行結構改進和技術完善。

3.1防砂防垢結構改進

取樣器取樣時，動力機構帶動滑閥運動，流體經取樣孔進入取樣腔，流體充滿取樣腔后閥體重新關閉。由于取樣器工作筒內部開有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，側向與地層連通形成2個進液孔，試驗過程中發現閥體經常被泥沙、垢堵死，閥體開啟關閉不到位，導致取樣失敗。取樣器增加切絲濾網和割縫過流環，將進液孔過流接頭環切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置程序設置執行動作，帶動上、下開關閥進行啟閉動作，實現對產層流體的汲取，電機驅動、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。試驗過程中發現起出的取樣器供電電池均處于能量耗盡狀態，導致取樣器完成“開”的動作后，就無法完成后續“關閉”的動作。分析認為堵轉電流門檻值過高，在電池的電壓有壓降的時候，堵轉電流值無法達到門檻值，導致電機堵轉時不會按照程序停止，最終讓電池能量耗盡。去除升壓電路，將堵轉電流調整至可控范圍內，當電機電池由原先11.7 V降至9 V時，堵轉電流就無法達到門檻設定的280 mA(由于儀器的個體差異性，以上數值非固定值)，解決“電機堵轉不停，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，取樣腔體無法正常啟閉從而無法取到樣。分析認為當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，導致取樣器閥體卡死，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　取樣器閥體結構示意

4　現場應用情況

改進后的取樣器于2015-10在長慶油田山X井開展了現場試驗，該井開采2層，井深2 204 m，下入兩支取樣器，分別設置為延時215 h和239 h后開始取樣，取樣時間均為180 min，取樣時間過后關閉腔體，連通油套。取樣結束后，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，化驗結果含水分別為100%和65%。

5　結論

1)水平井井下取樣器采用油管輸送、井下微電機控制結構，解決了水平狀態下工作中受外徑、作業和關閉方式等局限，無法實現多段生產水平井在各段同時取樣的問題。

2)增加切絲濾網、割縫過流環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)動力機構供電系統去除升壓電路，解決電路電壓有壓降時，堵轉電流值無法達到門檻值而導致電機堵轉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壓結構，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化及應用[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技術研究[J].大慶石油地質與開發，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[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研究與應用[J].測井技術，2014，38(6)：766-768.

[8]李光前．電控機械找堵水工藝技術研究[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研究，E-mail：zhz10_cq@petrochina.com.cn。

TE938.103

Bdoi：10.3969/j.issn.1001-3482.2016.09.020