随钻地层流体取样工具研制及现场试验*

陈忠帅 倪红坚 周延军 孙浩玉 裴学良 吴仲华

(1.中国石油大学(华东)石油工程学院2.中石化胜利石油工程有限公司钻井工艺研究院3.中石化胜利石油工程有限公司)

陈忠帅,倪红坚,周延军,等.随钻地层流体取样工具研制及现场试验.石油机械,2022,50(11):37-42.

0 引言

地层流体取样是通过一个带密封垫的探针压在井壁上,降低探针内压力使泥饼破裂,将流体从地层中抽出并进入可密封的样品室,随后在地面进行分析的一个过程[1]。通过对所取样品的性质分析,有助于详细了解油藏特性,制定有效的油田开发方案[2-4]。

自电缆式流体取样工具FT商业化应用以来,各大油服公司围绕着如何获取地层中的流体、压力测量和地层参数反演等不断深入研究[5-7]。传统的地层流体获取主要是通过钻后下入电缆式取样器来实现,由于钻后取样井筒浸泡时间长,近井壁通常受钻井液滤液浸泡严重污染,样品污染率高。为了取到清洁的地层流体,需要长时间固定取样器来抽排不合格样品,极易导致工具黏卡,在大斜度井和水平井中,电缆的黏卡更容易发生。

随钻流体取样工具可以在井筒打开后,短时间内利用钻井过程中短暂的间歇进行流体抽取,所取样品和测量结果更接近地层的原始状态。此类工具还可以与测量模块挂接,实现密度、黏度、电阻率及泡点压力等多种参数的实时测量,以及地层渗透率和地层压力的在线反演[8-10]。国外3大油服公司相继推出多款随钻地层流体取样和测试工具,并获得了商业应用[11]。但由于此类工具结构复杂,技术难度高,国内仍处于工具研发阶段。中石化胜利石油工程有限公司钻井工艺研究院研制了一种适用于ø215.9 mm井眼的随钻地层流体取样工具,实现了随钻地层流体取样和测压功能,并成功进行了现场取样试验。笔者介绍了该工具的结构及工作原理,对其控制系统、动力组件及取样组件等关键模块进行了设计,并通过现场试验验证了其工作可靠性。该工具的研制可为随钻地层测试仪器的设计与应用提供技术借鉴。

1 技术分析

1.1 工具结构

随钻地层流体取样工具由地面系统和井下工具2部分组成。地面系统包括钻井液旁通器、地面测试箱和控制软件,主要功能是取样、测压指令下传和接收上传信号并解码。井下工具结构如图1所示,主要由脉冲信号发生器、涡轮发电机、主控单元、抽吸和推靠动力组件、取样组件、油液补偿组件、储罐系统及分析组件等构成。涡轮发电机为井下工具提供电能,同时为指令下传提供载体。主控单元为井下工具的中央控制单元,实时监测钻井液涡轮发电机的频率,对下传的指令进行实时解码,控制2个电机驱动电路、电磁阀控制电路按指令执行,并对井下的数据进行存储,还可与MWD、分析组件之间通信,将分析数据上传。动力组件为取样过程中探针伸出贴紧井壁和地层流体抽吸及存储提供直接动力。取样组件执行对地层流体抽吸的动作。储罐系统用于储存地层流体,分析组件用于地层流体特性分析并与电子组件进行数据通信。

图1 随钻地层流体取样工具井下部分结构图Fig.1 Schematic structure of formation fluid sampling tool while drilling

1.2 工作原理

随钻地层流体取样工具随常规钻具下入井筒。当需要取样或测压时,停止钻进并上提至工作井深。地面控制系统向井下发出指令信号,井下工具部分的主控单元对下传的指令进行实时解码,以判断进入取样或测压模式。取样模式下,先控制推靠驱动电路工作,使电机转动带动活塞向右移动,通过油压将探针推出并紧贴井壁。随后,控制抽吸驱动电路,利用活塞往复运动抽取地层流体。通常情况下,最初抽取到的地层流体受过污染,需要排到井筒环空,之后再将抽取到的清洁流体排放至分析组件,对流体成分进行分析,以确保样品污染率合格。经分析合格的样品通过储罐中的电磁阀阀组,选择性地进入样品腔并保压存储。取样结束后,探针回到工具本体内部,主控单元判断探针复位后,向地面发出取样结束指令。

测压模式下,探针伸出、流体抽取动作原理和取样过程相同,但不用对样品进行污染率分析和存储,抽取流体后需要静止较长的时间以等待压力恢复,实时的压力数值被记录以用于压力和渗透率的解释。

1.3 技术参数

工具本体外径172 mm,扶正器外径206 mm,总长8 m,耐温175℃,耐压140 MPa,最大取样压降25 MPa,通信方式CAN或M30。探针过滤当量直径10 mm,探针行程40 mm,单个样品罐容积500 mL,储罐数量4个。

2 关键结构和系统介绍

2.1 控制系统

控制系统由地面和井下2部分组成,其系统架构如图2所示。

图2 控制系统架构图Fig.2 Structure of control system

地面部分包括解码系统和控制部分。解码系统由钻井液压力传感器、传输线缆、解码箱及地面计算机系统组成。压力传感器实时解析钻井立柱压力信息,传输给解码箱后,解析出井下工具上传的工具状态信息,最终由地面计算机系统将解码信息显示在主屏幕上。钻井液旁通器、地面测试箱及地面测试软件构成通信系统的地面控制部分,并通过软件控制钻井液旁通器按照一定的时序工作,实现指令下传功能。

井下控制部分主要包括整流电路、稳压电路、电源变换电路、主控电路、2路电机驱动电路(推靠系统及抽吸系统)、5路电磁阀驱动电路、地层压力检测电路、推靠压力检测电路及脉冲器驱动系统。整流稳压电路负责将钻井液涡轮发电机发出来的交流电整流且稳压成直流电。电源变换电路将直流电转换成各控制电路所需的直流电。2路电机驱动电路分别控制推靠系统及抽吸系统电机按预定的程序运转。电磁阀驱动电路配合主控程序驱动各路电磁阀实现抽吸过程中流体注入不同的储罐。地层压力检测电路实时监测抽吸过程中的地层压力以避免吸空。推靠压力检测电路实时检测推靠过程中推靠力的大小,避免推靠力不足导致吸入循环钻井液污染采样流体。脉冲器驱动系统控制脉冲器,将工具的工作状态实时地传输至地面监控系统。

2.2 推靠和抽吸动力组件

动力组件结构如图3所示,主要由电机、减速器、轴承组、精密滚珠丝杠、活塞、活塞缸及压力传感器等组成。工作原理是利用直流伺服电机带动丝杠旋转,丝杠的旋转运动转换成活塞的轴向往复移动,进而推动活塞缸内液体的排出或回补。在工具本体内部对称分布2套动力组件,结构基本相同。一套为取样组件的底部活塞提供油压,活塞缸中注满液压油,推动探针伸出或回缩。压差传感器精确采集输出压力,编码器反馈记录电机转过的圈数,核算活塞运动距离和最终探针的伸出长度,结合系统输出压力为探针是否伸出到位提供判断依据。

图3 动力组件结构示意图Fig.3 Schematic structure of power module

另一套为单缸泵抽吸地层流体提供动力。活塞缸与探头口连通,取样时活塞抽吸,将地层流体通过探针口抽取到活塞缸中,活塞反向运动则可将流体通过管线输送到环空或者样品罐中。压力传感器为绝压传感器,可以采集地层流体压力。

2.3 取样组件

取样组件结构示意图如图4所示,主要包括回复机构、探针、密封垫、过滤器、单向阀、推靠活塞、上盖板及下盖板等。模块装配后安装在取样连接筒内孔中,推靠动力组件输出的高压油液推动推靠活塞向外运动。在推力作用下,通过密封垫实现探针与井壁之间的密封,使取样的地层流体不受外界钻井液的污染。取样完成后,推靠动力组件电机反转,将输出的高压油液重新抽至补偿油囊内,推靠活塞在回复机构提供的回复力及环空钻井液压力下,收回至初始状态。2种状态的探针如图5所示。探针设有过滤装置,可对抽吸到的流体进行过滤,防止颗粒堵塞样品罐中的电磁阀组。

图4 取样组件结构示意图Fig.4 Schematic structure of sampling module

图5 取样探针缩回及伸出状态Fig.5 Retracted and extended state of the sampling probe

2.4 地层流体抽吸存储系统

地层流体抽吸及存储的原理如图6所示。抽吸动力组件先把地层流体通过探针抽吸,并经管道存储到活塞缸中,之后把受污染的地层流体通过电磁阀5排到井筒环空,经分析合格的样品再通过阀1～阀4的控制,依次存储到样品储罐1～4。

图6 地层流体抽吸系统工作原理图Fig.6 Working principle of formation fluid suction system

流体样品从井下上升到地面的过程中,压力和温度都急剧下降,可能导致流体样品中的某些组分从样品溶液中不可逆地发生解析或其他变化,导致实验室测量的数据失真[12-14]。因此,在储罐中间增加了氮气室,在工具入井前预充一定压力的氮气,利用氮气弹簧原理对样品进行保真处理。另外,为提高样品室压力安全系数,采样结束后,利用抽吸动力组件的泵系统对样品储存腔进行额外增压。这种氮气增压加井底增压组合技术可有效防止样品的失真现象。

3 流体取样现场试验

为验证样机系统功能,2021年11月在胜利油田营22-更斜42井开展现场试验。营22-更斜42井为东辛采油厂布置的一口注水定向井,一开ø311.2 mm井眼至井深351 m,二开ø215.9 mm井眼至完钻井深2 835 m。其中0～1 800 m为直井段,1 800～1 915 m为增斜段,每30 m造斜率4.5°;1 925～2 880 m为稳斜段,井斜17.3°。该井轨迹300 m范围内有多口注水井,在井深1 997 m以下受多个注水层影响,储层含油差。考虑到工具在取样时静止时间较长,平均每个点取样时间20～30 min。为预防黏卡等复杂情况的发生,将试验井段放在直井段的底部和稳斜段的上部。首次入井选择直井段井深1 750～1 800 m取样4个点,第2次入井选择稳斜段1 930～2 026 m取样4个点。

钻具组合:ø215.9 mm钻头牙轮+ø172.0 mm双内接头+ø172.0 mm止回阀+ø172.0 mm取样器+ø127.0 mm加重钻杆+ø178.0 mm振击器+ø127.0 mm加重钻杆+ø127.0 mm钻杆。

施工参数:排量30 L/s,泵压8 MPa,密度1.25 g/cm3,黏度50 s。

取样地层为水层。为了更好地分析流体的污染率,采用示踪剂浓度法检测样品污染率。滤液抽排时间设置为10 min,即从10 min开始将抽吸到的流体进行存储,污染率的确定通过样品储罐中示踪剂的浓度与钻井液中示踪剂浓度的比值确定,示踪剂选择水溶性较好的硫酸氢氨。取样时压力降为5 MPa,钻井液中示踪剂浓度为2 g/mL。营22-更斜42井流体样品污染率实测数值如表1所示。第1段取样过程中,有2个相邻的取样点样品污染率100%,储罐充满滤饼,判断是探针与井壁的密封失效所致。第1段样品体积明显比第2段小且污染率相对较低,分析可能是上、下两段地层渗透率差异所导致。刨除2个无效取样点,6个储罐中样品的平均污染率6.62%。

表1 营22-更斜42井流体样品污染率实测数值Table 1 Measured contamination rates of fluid samples from Well Ying 22-Gengxie 42

现场试验结果表明,随钻地层流体取样工具的工作可靠性和稳定性均满足现场使用要求,样品污染率符合10%以下实验室要求。

4 结论及建议

(1)研制的随钻地层流体取样工具耐温175℃,耐压140 MPa,最大取样压降25 MPa,配置4个容积500 mL样品储罐,采用标准10 mm口径探针,最大伸出行程40 mm。该工具可随钻下入井筒并实现探针伸出、取样和缩回的自动控制,作业安全且效率高。

(2)采用预充氮气和井下增压组合技术提高样品室保压效果,可预防样品相变发生,获得更真实的地层样品。

(3)现场试验结果表明,随钻地层流体取样工具所取样品满足实验室分析需求,工作可靠性和稳定性满足要求。建议下一步开展样品分析组件的配套试验和地层压力反演解释技术研究。