水平井井下流体分段取样技术研究与应用

崔文昊，甘庆明，吕亿明，王百，朱洪征

（1．长庆油田分公司油气工艺研究院，陕西 西安710018；2．低渗透油气田勘探开发国家工程实验室，陕西 西安710018）

0 引 言

截至2013年底，长庆油田含水大于80%的水平井超过总井数的20%。水平井见水导致单井产量下降，严重影响水平井开发效益。水平井机械找水主要通过封隔器卡封各射孔段进行分段生产测试找水［1－2］，在地面取样化验分析，单段找水周期6～8d，单井测试周期较长。产液剖面等生产测井方法对水平井筒条件要求较高，且费用较高。为了提高找水效率，降低作业成本，可将地面取样改进为水平段取样，免去了地层流体排出井口的时间。油井井下取样测试均在定向井中应用，主要采用电缆或钢丝由环空下入取样装置［3－5］；取样装置采用钟控式、挂壁和锤击等［6－7］关闭方式，有报道［8］可在直井采用油管输送取样器、井下预设开关的取样方法，但未能应用在水平井中。本文针对电缆或钢丝无法将取样器下入水平段，且面临启闭方式、水平段通过能力、防砂等方面的难点，研制出一种水平井井下取样器。该取样器由油管输送、井下微电机控制，成功应用于水平井井下流体取样，可一趟管柱完成全水平井段取样测试，具有操作方便、取样可靠及可重复使用等优点。

1 水平井井下流体分段取样技术

1．1 技术原理

水平井井下流体分段取样技术采用油管将封隔器、井下取样器等配套工具送至井下，封隔器将水平井各层段有效封隔，每个射孔段预置井下取样器，地面抽油机连续生产，取样器在井下定时开关控制各层段逐一分段取样，起出地面放样化验分析各段含水，以判断见水位置。

1．2 管柱结构

管柱结构如图1所示。通过油管将井下取样器、皮碗封隔器、抽油泵和锥形丝堵等连接，各级封隔器将射孔段密封卡开，抽油杆与抽油泵连接。

图1 水平井井下流体分段取样测试管柱结构

1．3 取样方案

水平井井下流体分段取样方案是通过地面设置取样程序，将井下电控取样器随油管下入测试层段，在油井生产时进行取样后，随油管起出地面并放样化验。该方案分为地面程序设置和井下取样2个阶段，具体步骤见图2。

图2 水平井井下流体分段取样方案流程图

2 水平井井下电控取样器设计

受水平井井眼轨迹限制，井下取样器设计重点考虑其通过安全性及防砂性能，体现在3个方面。①取样器端面采用倒角设计；②取样器尺寸既能满足取到足够样品又能保证在水平井段安全通过；③水平段易形成砂粒沉积，影响电控取样器启闭，应采用防砂设计。

2．1 结构及工作原理

水平井井下电控取样器主要由电控部分（见图3）和取样部分（见图4）组成。

图3 电控部分结构图

图4 水平井井下电控取样器结构简图

电控部分主要由电池、控制电路、微电机和驱动连杆等组成。首先在地面通过程序设置取样开始时间、启闭时间、驱替次数、驱替间隔等参数；在井下给微电机驱动系统发出指令，可使驱动连杆带动取样器滑阀回往复运动，1个循环可完成生产、取样、关闭3种状态控制，实现取样腔体多时刻打开或关闭。

取样部分由进液孔、取样腔、单向阀、中心管过流通道、放样孔、泄压孔和防砂网等组成。取样器工作筒内部开有1个中心管过流通道和2个桥式通道（取样腔）；取样腔设于取样器金属缸壁内，侧向与地层连通形成2个进液孔；进液孔过流槽设计与阀体密封面一样大小，在过流时采用割缝方式（防砂网内径0．2mm），可有效防止砂粒进入取样腔。中心管过流通道为中空的金属件，其中设有滑阀，滑阀组件与中心管过流通道内壁密实连接；中心管过流通道与外层流体纵向设有2个流体通道，一个经进液孔直接进入，另一个经过取样腔后进入。取样腔底部设有通孔，通孔上设有单流球阀，该球阀保证取样腔体内的液体可以单向进入中心管过流通道。取样结束后，先通过泄压孔释放压力，取样腔流体经过放样孔排出。

2．2 技术参数

（1）井下取样器缸体最大外径Φ110mm，取样容积1000mL，取样器长度680mm。

（2）工作压力40MPa，承压差25MPa，耐温100℃。

（3）电机驱动供电电池为高温锂电池，正常值为11．8V；线路板供电电池为高温锂电池，正常值为3．9V；有效工作时间大于18个月。

（4）取样器开关状态设置大于20次，实现多时刻取样。

2．3 特点

（1）一趟管柱实现水平井多射孔段同时取样。

（2）不受油井产液量影响，可进行低产水平井分段取样分析。

（3）取样器按预设程序开关，无须通过地面作业即可实现井下取样。

（4）获得样品体积大，可充分进行分析化验。

2．4 室内实验

2．4．1 整体压力实验

通过检验样机各密封点的密封状况，保证井下电控取样器工作可靠。实验结果显示，控制部分外筒和取样部分主体分别在10、20、30、40MPa下打压，各压力下分别稳压5min；试压结束后，打开外筒和取样腔体未发现进液，说明控制电路可顺利运行且成功取样。

2．4．2 模拟取样实验

在75℃、40MPa条件下进行模拟取样，查看取样器是否按程序设定取样以及取样体积是否符合设计要求。实验结果显示，在该条件下保压4h，完成取样后得到液样1000mL。

2．4．3 模拟水平井分段取样实验

模拟取样器在水平井井下工作状态检验取样器能否分段取得流体样品。将2套取样器用油管连接，油管两端分别连接试压接头，试压接头通过试压管线连接试压泵。Ⅰ号取样器试压接头注入蓝色液体，压力为10MPa；Ⅱ号取样器试压接头注入无色清水，压力为20MPa。实验结果，取样器在不同压力系统的干扰下成功独立分段取样。

3 现场应用

2013年11 月在长庆油田1口水平井现场试验。该井压裂改造7个段，斜深3090m，水平段长度800m，套管内径124．26mm。该井投产即高含水，试验前含水95．3%。

3．1 控制程序设计

依据井下分段取样控制方法设计取样控制程序。

（1）设定油井排液时间。为了使取样准确，必须将井筒及洗井时漏失液体全部排出井筒再取样。通过式（1）计算，井筒排液时间为8d。

（2）设定取样方式。该井各射孔段间距均超过100m，可采用分段同时取样方式，仅用1d即完成各段找水。

（3）设定取样启闭时间。为了使地层取样具有代表性，在各射孔段预置3套取样器，1d分3次完成取样，单套取样时间30min，各取样器取样间隔时间8h。

3．2 水平井分段取样管柱通过安全性

为保证水平井井下工具的顺利起下，必须对井下工具串在特定套管内的通过界限进行分析。允许通过的井下工具管串最大长度计算公式为

式中，R为井身曲率半径，m；D为曲率半径为R处的套管内径，m；d为井下工具最大刚性外径，m；L为井下工具最大允许通过长度，m。

该井为52in＊套管（内径124．26mm）、最小曲率半径为75m，通过计算得到工具允许通过长度，由表1可知，井下电控取样器和配套皮碗封隔器起下钻安全。

表1 水平井井下取样工具通过能力计算表

3．3 取样结果

取样器随油管起出后放样化验，其结果为第1至第4射孔段含水100%，水型为注入水（见表2）；第5～7射孔段不出液，疑为地层堵塞，为下一步控水增油措施政策的制定提供了可靠依据。

表2 井下流体分段取样测试水型分析结果表

4 结 论

水平井井下流体分段取样技术首次成功应用于水平井找水，打破了仅在定向井取样测试的限制，一趟管柱即可完成水平井多射孔段井下流体取样，能够真实反应地层流体性质。与地面取样相比，具有流体取样样品准确、测试简便、效率高等特点，可应用于中高含水期多段压裂水平井找水测试及井下流体特征分析，为水平井控水增油提供了可靠依据。

［1］吕亿明，王百，黄伟，等．水平井找水测试一体化工艺技术［J］．石油矿场机械，2011，40（2）：93－95．

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［3］杨兴琴，王书南，周子皓．地层测试与井下流体取样分析技术进展［J］．测井技术，2012，36（6）：551－557．

［4］于勇波，于向江，曾桂红．过环空流体取样器研究与应用［J］．测井技术，2001，25（4）：294－297．

［5］马建国，郭辽原，任国富．套管井电缆地层测试新技术［J］．测井技术，2003，27（2）：95－98．

［6］敬佳佳，刘清友，黎伟，等．高含硫气井保温保压取样系统设计［J］．石油钻采工艺，2012，34（2）：108－111．

［7］张振华，白春海，张沛然，等．新型钟控取样器的研制［J］．油气井测试，2001，10（5）：54－55．

［8］胡占晖．预置式油井分层流体取样技术研究及应用［J］．测井技术，2010，34（4）：374－376．