單相和置換式PVT取樣技術在探井測試中的研究

張興華 ，楊 子 ，馮衛華，趙啟彬 ，施 洋 ，高科超

1.中海油能源發展股份有限公司工程技術分公司 （天津 300452）

2.中海石油（中國）有限公司天津分公司勘探部 （天津 300452）

3.中海石油（中國）有限公司勘探部 （北京 100010）

井下高壓物性PVT取樣器能夠取到高質量的液樣，為在容器條件下分析提供了經濟和技術保障。其可在任何環境下操作，并能取得代表該井條件的井液。取到的液樣，經過轉樣后，將該樣品發送到PVT實驗室分析。從實驗室出來的數據，幫助確定油（氣）田儲量計算、開發方案編制及油（氣）田開發過程中的動態研究、油氣采收率、生產預測和生產設備。單相S.P.S.（Single Phase Samplers）和置換式 P.D.S.（Positive Displacement Sampler） 等井下 PVT 高壓物性取樣器在海上油田探井測試作業中得到了充分運用并取得了良好的應用效果。

1 單相和置換式高壓物性取樣器的機理研究

1.1 結構及組成

S.P.S.單相高壓物性取樣器由鋼絲串聯，機械時鐘操作。它主要由4大部分組成，分別是觸發機構、空氣室、氮氣室和取樣室。觸發機構是一個時鐘裝置，負責控制取樣開關，在預定時間結束后打開取樣開關，目前使用的是彈簧式機械時鐘；空氣室用于在取樣點后儲存從油室被驅替進來的液壓油；氮氣室中的氮氣壓力高于預期的地層壓力 （約13.79Pa以上），能夠使得樣品在從井下取出的過程中保持在穩定和壓縮的狀態；取樣室用于儲存液壓油并在取樣結束后儲存地層樣品，S.P.S.井下PVT取樣器的結構示意圖，如圖1所示。

圖1 S.P.S.單相高壓物性取樣器結構示意圖

置換式P.D.S.高壓物性取樣器由鋼絲串聯，機械時鐘操作。它主要由3大部分組成，分別是觸發機構、空氣室和取樣室。各個部分的作用與置換式P.D.S.高壓物性取樣器的功能相同。置換式P.D.S.取樣器的結構示意圖，如圖2所示。

圖2 置換式P.D.S.高壓物性取樣器結構示意圖

1.2 特點和規格參數

置換式P.D.S.高壓物性取樣器有諸多的特點[1]：取樣前后沒有污染；可以現場檢驗取樣效果；可調整取樣時間；有確定的液樣體積；可強制關閉取樣器和強制置換；能在高H2S、CO2和高油氣比下作業；無水銀操作；液樣在取樣室，不經轉樣，運到實驗室認可；取樣前后無毒害；明接頭，在所有的井壓下均使用雙“O”環。

S.P.S.除了具備P.D.S.各項特點外，其最主要的優點是能夠保持所取的井下樣品壓力高于油藏壓力進行取樣作業。

與常規取樣方法相比，S.P.S.和P.D.S.取樣系統能取到更有代表性的樣品。這是因為常規取樣器在下井過程中保持開啟狀態，這就有可能使油井上部的臟物或脫氣原油滯留于取樣器中，使所取樣品與實際流體的組成成份出現誤差。而S.P.S.和P.D.S.取樣器在下井過程中保持關閉狀態，取樣器到達取樣位置后，由時鐘控制開啟取樣，避免了常規取樣器的不足。

在海上油田探井測試作業中，常用的高壓物性取樣器規格見表1。

表1 海上探井常用的S.P.S.與P.D.S.高壓物性取樣器參數

1.3 工作原理

S.P.S.取樣器中的氮氣室安裝在取樣室和空氣室之間。氮氣室注入的氮氣壓力要高于預期的地層壓力（大約13.79Pa以上）。當取樣器下到預定深度并觸發后，井下壓力使得取樣室內的置換液進入空氣室。在樣品采集到取樣室之前，P.D.S.和S.P.S.的取樣過程是相同的。針閥體拉動鎖定裝置到預定位置，鎖住樣品。然后氮氣流通孔聯通，使得氮氣壓力作用在浮動活塞上，這樣能夠使得樣品在從井下取出的過程中保持在穩定和壓縮的狀態。

置換式P.D.S.和單相S.P.S.取樣器工作原理大致相同。其內部游動的活塞被緩沖液約束在取樣室底部。當設定的時鐘到預定時間時，觸發機構的臂彈入時鐘圓錐缺口內，允許梭桿向上移動，在穿梭機構形成一個通路，受壓的緩沖液排泄到空氣室。排泄速率由節流器控制，這時緩沖液壓力下降，游動活塞在井壓作用下向上推動，慢慢汲取液樣。當活塞碰到預置關斷組件，組件外部套筒上升，釋鎖定鋼球，中心芯子縮短受沖擊，連桿拖動針閥體向上移動?！癘”環保護套和針閥體進入取樣室，當第2個“O”環進入取樣室后，限位銷釘彈出鎖死針閥體，取樣器關閉。

1.4 取樣深度的確定

對于能夠自噴的油層或凝析氣層，當達到原油或凝析油含水＜5%且含砂＜0.1%的取樣條件時，宜取井下PVT樣。測試層流體在井下應處于單相流動狀態，為確保這一條件的建立，在最終關井恢復后用小油嘴引流，待流動正常后方可取樣；取樣前首先應根據測試資料用相關經驗公式計算出該測試層的流體泡點（露點）壓力，然后將取樣器置于終流動末井底壓力Pwf＞P0+1.0MPa井控條件下，取得地層原油或天然氣在井底單相的情況下的PVT井下樣。

除特低飽和油藏取井下PVT樣可在最終關井恢復期進行外，通常取井下PVT樣在最終關井恢復結束后，用小油嘴控制流動進行獲??；對高飽和油藏和凝析氣藏可用小油嘴控制流動一段時間后，井口關井獲取[2]。

式中：P0為泡點壓力，MPa；Rs為油氣比，無量綱；r0為原油相對密度，無量綱；rg為氣比重，無量綱；T為流體溫度，℃。

由經驗公式（1）和（2）計算確定泡點壓力后，可計算出高壓物性取樣器在井筒下放的最小深度，如公式（3）所示：

式中：Hmin為高壓物性取樣器在井筒下放的最小深度，m。

1.5 轉樣和求泡點

1.5.1 轉樣

首先，應該對轉樣設備和樣瓶進行試壓，一般根據井底壓力確定試壓，保證轉樣臺穩壓10min無泄漏之后，需要對樣瓶進行試壓并打入預置壓力。準備工作安排就緒后，將取樣器放在轉樣臺上，打開放樣堵頭，兩邊連好專用管線，在打開放樣堵頭時要注意，提前檢查放樣螺釘是否完全關閉，避免造成因螺釘提前打開而造成泄壓，影響流體真實性。往油室一側打壓，此時可以測量開啟壓力。之后緩慢打開放樣螺釘，活塞推動地層流體流出進入樣瓶，直到泵壓突然身高，表示活塞已經到頭，轉樣結束[3]。

1.5.2 求取泡點

1）系統加壓，高于取樣地層壓力的25%。

2）為了保證樣品內流體充分混合，需要多次將樣瓶前后轉動180°。觀察系統壓力，通過壓力變化可以判斷油樣是否以單相狀態存在，若壓力下降說明樣品是單相的，則繼續打壓，直至壓力不降為止。

3）轉樣臺有一個恒定體檢系統。打開閥門使樣品進入恒定體積系統，再打開恒定體積系統的底部閥門，讓樣品流入量杯，再關上閥門。為了讓樣品穩定，旋轉樣瓶，記錄下壓力表上的數據，記錄壓力和體積來制作表格，重復以上動作，求得每次減少2mL體積后系統油樣的壓力、溫度，直到獲得充足的數據來確定泡點[4-5]。

4）畫坐標。x軸代表體積、y軸代表樣品壓力，泡點壓力為2條壓力點直線的交叉點。

5）通過以上步驟，做第2支取樣腔樣品泡點和第1支泡點壓力做比較，泡點壓力差值不超過3%，否則重新取樣，直至2支樣品泡點壓力合格為止。

1.6 注意事項

1）時鐘裝置控制取樣時間，由于該時鐘為機械彈簧控制，設置后無法更改，所以將取樣器時鐘調到下入預定井深所需行程時間的1.5倍，必須確保取樣器能夠提前20～30min到達取樣位置。

2）在對取樣器進行實驗和預置壓力時必須小心。所有密封件及配件都要原配的，每次使用前要做檢查，定期做壓力實驗，確保萬無一失。

3）取樣前使用小油嘴節流控制生產，盡量使流壓接近原始地層壓力，避免井底發生脫氣現象；井筒流體替換干凈，井下無臟物，以保證井底所取得樣品是有代表性的新鮮的地層油樣品。

4）取樣作業準備前應了解作業中的管柱結構、井斜、造斜點位置，流體中是否含腐蝕性物質，最大的井口、井下壓力、溫度等。只有對作業井況充分認識，才能避免因使用設備等不當造成作業事故。

5）鋼絲下放取樣工具串以18m/min下到預定深度。通過有變徑、造斜點、方位角和曲率半徑變化明顯點時要緩慢通過，建議速度低于20m/min。

6）取樣器是設計為內部能夠承載壓力且比較精密的儀器，所以在吊裝和擺放時要輕拿輕放，禁止摔打碰擊。

2 結論

1）單相和置換式高壓物性取樣器能夠取全取準地層真實的液樣，為后期ODP的編制提供了強有力的技術保障。

2）對于取樣深度的選擇可以借鑒一定的經驗公式來確定，轉樣步驟和泡點的求取一定要細化實施，只有這樣才能取得并求得地層真實高壓物性資料和數據。

3）對于取樣、轉樣和求泡點過程應該注意的事項，要充分做好作業安全風險分析（JSA），確保作業安全順利開展。

[1]鄧大軍,齊彥強，杜慶召，等.P.D.S.高壓物性取樣及轉樣應用分析[J].油氣井測試，2008,17（4）：43-45.

[2]王守君.中國海洋石油有限公司勘探監督手冊[M].北京：石油工業出版社，2013.

[3]王世華,羅敏.LEUTERT井下取樣及地面轉樣裝置[J].油氣井測試，1997，6（4）：66-68.

[4]李志文,李春生，周志江.PVT電控式高壓物性取樣研究[J].油氣井測試，2002，11（6）：51-53.

[5]何更生.油層物理[M].北京：石油工業出版社,1994.