单相和置换式PVT取样技术在探井测试中的研究

张兴华 ，杨 子 ，冯卫华，赵启彬 ，施 洋 ，高科超

1.中海油能源发展股份有限公司工程技术分公司 （天津 300452）

2.中海石油（中国）有限公司天津分公司勘探部 （天津 300452）

3.中海石油（中国）有限公司勘探部 （北京 100010）

井下高压物性PVT取样器能够取到高质量的液样，为在容器条件下分析提供了经济和技术保障。其可在任何环境下操作，并能取得代表该井条件的井液。取到的液样，经过转样后，将该样品发送到PVT实验室分析。从实验室出来的数据，帮助确定油（气）田储量计算、开发方案编制及油（气）田开发过程中的动态研究、油气采收率、生产预测和生产设备。单相S.P.S.（Single Phase Samplers）和置换式 P.D.S.（Positive Displacement Sampler） 等井下 PVT 高压物性取样器在海上油田探井测试作业中得到了充分运用并取得了良好的应用效果。

1 单相和置换式高压物性取样器的机理研究

1.1 结构及组成

S.P.S.单相高压物性取样器由钢丝串联，机械时钟操作。它主要由4大部分组成，分别是触发机构、空气室、氮气室和取样室。触发机构是一个时钟装置，负责控制取样开关，在预定时间结束后打开取样开关，目前使用的是弹簧式机械时钟；空气室用于在取样点后储存从油室被驱替进来的液压油；氮气室中的氮气压力高于预期的地层压力 （约13.79Pa以上），能够使得样品在从井下取出的过程中保持在稳定和压缩的状态；取样室用于储存液压油并在取样结束后储存地层样品，S.P.S.井下PVT取样器的结构示意图，如图1所示。

图1 S.P.S.单相高压物性取样器结构示意图

置换式P.D.S.高压物性取样器由钢丝串联，机械时钟操作。它主要由3大部分组成，分别是触发机构、空气室和取样室。各个部分的作用与置换式P.D.S.高压物性取样器的功能相同。置换式P.D.S.取样器的结构示意图，如图2所示。

图2 置换式P.D.S.高压物性取样器结构示意图

1.2 特点和规格参数

置换式P.D.S.高压物性取样器有诸多的特点[1]：取样前后没有污染；可以现场检验取样效果；可调整取样时间；有确定的液样体积；可强制关闭取样器和强制置换；能在高H2S、CO2和高油气比下作业；无水银操作；液样在取样室，不经转样，运到实验室认可；取样前后无毒害；明接头，在所有的井压下均使用双“O”环。

S.P.S.除了具备P.D.S.各项特点外，其最主要的优点是能够保持所取的井下样品压力高于油藏压力进行取样作业。

与常规取样方法相比，S.P.S.和P.D.S.取样系统能取到更有代表性的样品。这是因为常规取样器在下井过程中保持开启状态，这就有可能使油井上部的脏物或脱气原油滞留于取样器中，使所取样品与实际流体的组成成份出现误差。而S.P.S.和P.D.S.取样器在下井过程中保持关闭状态，取样器到达取样位置后，由时钟控制开启取样，避免了常规取样器的不足。

在海上油田探井测试作业中，常用的高压物性取样器规格见表1。

表1 海上探井常用的S.P.S.与P.D.S.高压物性取样器参数

1.3 工作原理

S.P.S.取样器中的氮气室安装在取样室和空气室之间。氮气室注入的氮气压力要高于预期的地层压力（大约13.79Pa以上）。当取样器下到预定深度并触发后，井下压力使得取样室内的置换液进入空气室。在样品采集到取样室之前，P.D.S.和S.P.S.的取样过程是相同的。针阀体拉动锁定装置到预定位置，锁住样品。然后氮气流通孔联通，使得氮气压力作用在浮动活塞上，这样能够使得样品在从井下取出的过程中保持在稳定和压缩的状态。

置换式P.D.S.和单相S.P.S.取样器工作原理大致相同。其内部游动的活塞被缓冲液约束在取样室底部。当设定的时钟到预定时间时，触发机构的臂弹入时钟圆锥缺口内，允许梭杆向上移动，在穿梭机构形成一个通路，受压的缓冲液排泄到空气室。排泄速率由节流器控制，这时缓冲液压力下降，游动活塞在井压作用下向上推动，慢慢汲取液样。当活塞碰到预置关断组件，组件外部套筒上升，释锁定钢球，中心芯子缩短受冲击，连杆拖动针阀体向上移动。“O”环保护套和针阀体进入取样室，当第2个“O”环进入取样室后，限位销钉弹出锁死针阀体，取样器关闭。

1.4 取样深度的确定

对于能够自喷的油层或凝析气层，当达到原油或凝析油含水＜5%且含砂＜0.1%的取样条件时，宜取井下PVT样。测试层流体在井下应处于单相流动状态，为确保这一条件的建立，在最终关井恢复后用小油嘴引流，待流动正常后方可取样；取样前首先应根据测试资料用相关经验公式计算出该测试层的流体泡点（露点）压力，然后将取样器置于终流动末井底压力Pwf＞P0+1.0MPa井控条件下，取得地层原油或天然气在井底单相的情况下的PVT井下样。

除特低饱和油藏取井下PVT样可在最终关井恢复期进行外，通常取井下PVT样在最终关井恢复结束后，用小油嘴控制流动进行获取；对高饱和油藏和凝析气藏可用小油嘴控制流动一段时间后，井口关井获取[2]。

式中：P0为泡点压力，MPa；Rs为油气比，无量纲；r0为原油相对密度，无量纲；rg为气比重，无量纲；T为流体温度，℃。

由经验公式（1）和（2）计算确定泡点压力后，可计算出高压物性取样器在井筒下放的最小深度，如公式（3）所示：

式中：Hmin为高压物性取样器在井筒下放的最小深度，m。

1.5 转样和求泡点

1.5.1 转样

首先，应该对转样设备和样瓶进行试压，一般根据井底压力确定试压，保证转样台稳压10min无泄漏之后，需要对样瓶进行试压并打入预置压力。准备工作安排就绪后，将取样器放在转样台上，打开放样堵头，两边连好专用管线，在打开放样堵头时要注意，提前检查放样螺钉是否完全关闭，避免造成因螺钉提前打开而造成泄压，影响流体真实性。往油室一侧打压，此时可以测量开启压力。之后缓慢打开放样螺钉，活塞推动地层流体流出进入样瓶，直到泵压突然身高，表示活塞已经到头，转样结束[3]。

1.5.2 求取泡点

1）系统加压，高于取样地层压力的25%。

2）为了保证样品内流体充分混合，需要多次将样瓶前后转动180°。观察系统压力，通过压力变化可以判断油样是否以单相状态存在，若压力下降说明样品是单相的，则继续打压，直至压力不降为止。

3）转样台有一个恒定体检系统。打开阀门使样品进入恒定体积系统，再打开恒定体积系统的底部阀门，让样品流入量杯，再关上阀门。为了让样品稳定，旋转样瓶，记录下压力表上的数据，记录压力和体积来制作表格，重复以上动作，求得每次减少2mL体积后系统油样的压力、温度，直到获得充足的数据来确定泡点[4-5]。

4）画坐标。x轴代表体积、y轴代表样品压力，泡点压力为2条压力点直线的交叉点。

5）通过以上步骤，做第2支取样腔样品泡点和第1支泡点压力做比较，泡点压力差值不超过3%，否则重新取样，直至2支样品泡点压力合格为止。

1.6 注意事项

1）时钟装置控制取样时间，由于该时钟为机械弹簧控制，设置后无法更改，所以将取样器时钟调到下入预定井深所需行程时间的1.5倍，必须确保取样器能够提前20～30min到达取样位置。

2）在对取样器进行实验和预置压力时必须小心。所有密封件及配件都要原配的，每次使用前要做检查，定期做压力实验，确保万无一失。

3）取样前使用小油嘴节流控制生产，尽量使流压接近原始地层压力，避免井底发生脱气现象；井筒流体替换干净，井下无脏物，以保证井底所取得样品是有代表性的新鲜的地层油样品。

4）取样作业准备前应了解作业中的管柱结构、井斜、造斜点位置，流体中是否含腐蚀性物质，最大的井口、井下压力、温度等。只有对作业井况充分认识，才能避免因使用设备等不当造成作业事故。

5）钢丝下放取样工具串以18m/min下到预定深度。通过有变径、造斜点、方位角和曲率半径变化明显点时要缓慢通过，建议速度低于20m/min。

6）取样器是设计为内部能够承载压力且比较精密的仪器，所以在吊装和摆放时要轻拿轻放，禁止摔打碰击。

2 结论

1）单相和置换式高压物性取样器能够取全取准地层真实的液样，为后期ODP的编制提供了强有力的技术保障。

2）对于取样深度的选择可以借鉴一定的经验公式来确定，转样步骤和泡点的求取一定要细化实施，只有这样才能取得并求得地层真实高压物性资料和数据。

3）对于取样、转样和求泡点过程应该注意的事项，要充分做好作业安全风险分析（JSA），确保作业安全顺利开展。

[1]邓大军,齐彦强，杜庆召，等.P.D.S.高压物性取样及转样应用分析[J].油气井测试，2008,17（4）：43-45.

[2]王守君.中国海洋石油有限公司勘探监督手册[M].北京：石油工业出版社，2013.

[3]王世华,罗敏.LEUTERT井下取样及地面转样装置[J].油气井测试，1997，6（4）：66-68.

[4]李志文,李春生，周志江.PVT电控式高压物性取样研究[J].油气井测试，2002，11（6）：51-53.

[5]何更生.油层物理[M].北京：石油工业出版社,1994.