崔文昊，甘慶明，呂億明，王百，朱洪征

（1．長慶油田分公司油氣工藝研究院，陜西 西安710018；2．低滲透油氣田勘探開發(fā)國家工程實驗室，陜西 西安710018）

0 引 言

截至2013年底，長慶油田含水大于80%的水平井超過總井數(shù)的20%。水平井見水導致單井產(chǎn)量下降，嚴重影響水平井開發(fā)效益。水平井機械找水主要通過封隔器卡封各射孔段進行分段生產(chǎn)測試找水［1－2］，在地面取樣化驗分析，單段找水周期6～8d，單井測試周期較長。產(chǎn)液剖面等生產(chǎn)測井方法對水平井筒條件要求較高，且費用較高。為了提高找水效率，降低作業(yè)成本，可將地面取樣改進為水平段取樣，免去了地層流體排出井口的時間。油井井下取樣測試均在定向井中應用，主要采用電纜或鋼絲由環(huán)空下入取樣裝置［3－5］；取樣裝置采用鐘控式、掛壁和錘擊等［6－7］關閉方式，有報道［8］可在直井采用油管輸送取樣器、井下預設開關的取樣方法，但未能應用在水平井中。本文針對電纜或鋼絲無法將取樣器下入水平段，且面臨啟閉方式、水平段通過能力、防砂等方面的難點，研制出一種水平井井下取樣器。該取樣器由油管輸送、井下微電機控制，成功應用于水平井井下流體取樣，可一趟管柱完成全水平井段取樣測試，具有操作方便、取樣可靠及可重復使用等優(yōu)點。

1 水平井井下流體分段取樣技術

1．1 技術原理

水平井井下流體分段取樣技術采用油管將封隔器、井下取樣器等配套工具送至井下，封隔器將水平井各層段有效封隔，每個射孔段預置井下取樣器，地面抽油機連續(xù)生產(chǎn)，取樣器在井下定時開關控制各層段逐一分段取樣，起出地面放樣化驗分析各段含水，以判斷見水位置。

1．2 管柱結構

管柱結構如圖1所示。通過油管將井下取樣器、皮碗封隔器、抽油泵和錐形絲堵等連接，各級封隔器將射孔段密封卡開，抽油桿與抽油泵連接。

圖1 水平井井下流體分段取樣測試管柱結構

1．3 取樣方案

水平井井下流體分段取樣方案是通過地面設置取樣程序，將井下電控取樣器隨油管下入測試層段，在油井生產(chǎn)時進行取樣后，隨油管起出地面并放樣化驗。該方案分為地面程序設置和井下取樣2個階段，具體步驟見圖2。

圖2 水平井井下流體分段取樣方案流程圖

2 水平井井下電控取樣器設計

受水平井井眼軌跡限制，井下取樣器設計重點考慮其通過安全性及防砂性能，體現(xiàn)在3個方面。①取樣器端面采用倒角設計；②取樣器尺寸既能滿足取到足夠樣品又能保證在水平井段安全通過；③水平段易形成砂粒沉積，影響電控取樣器啟閉，應采用防砂設計。

2．1 結構及工作原理

水平井井下電控取樣器主要由電控部分（見圖3）和取樣部分（見圖4）組成。

圖3 電控部分結構圖

圖4 水平井井下電控取樣器結構簡圖

電控部分主要由電池、控制電路、微電機和驅動連桿等組成。首先在地面通過程序設置取樣開始時間、啟閉時間、驅替次數(shù)、驅替間隔等參數(shù)；在井下給微電機驅動系統(tǒng)發(fā)出指令，可使驅動連桿帶動取樣器滑閥回往復運動，1個循環(huán)可完成生產(chǎn)、取樣、關閉3種狀態(tài)控制，實現(xiàn)取樣腔體多時刻打開或關閉。

取樣部分由進液孔、取樣腔、單向閥、中心管過流通道、放樣孔、泄壓孔和防砂網(wǎng)等組成。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）；取樣腔設于取樣器金屬缸壁內，側向與地層連通形成2個進液孔；進液孔過流槽設計與閥體密封面一樣大小，在過流時采用割縫方式（防砂網(wǎng)內徑0．2mm），可有效防止砂粒進入取樣腔。中心管過流通道為中空的金屬件，其中設有滑閥，滑閥組件與中心管過流通道內壁密實連接；中心管過流通道與外層流體縱向設有2個流體通道，一個經(jīng)進液孔直接進入，另一個經(jīng)過取樣腔后進入。取樣腔底部設有通孔，通孔上設有單流球閥，該球閥保證取樣腔體內的液體可以單向進入中心管過流通道。取樣結束后，先通過泄壓孔釋放壓力，取樣腔流體經(jīng)過放樣孔排出。

2．2 技術參數(shù)

（1）井下取樣器缸體最大外徑Φ110mm，取樣容積1000mL，取樣器長度680mm。

（2）工作壓力40MPa，承壓差25MPa，耐溫100℃。

（3）電機驅動供電電池為高溫鋰電池，正常值為11．8V；線路板供電電池為高溫鋰電池，正常值為3．9V；有效工作時間大于18個月。

（4）取樣器開關狀態(tài)設置大于20次，實現(xiàn)多時刻取樣。

2．3 特點

（1）一趟管柱實現(xiàn)水平井多射孔段同時取樣。

（2）不受油井產(chǎn)液量影響，可進行低產(chǎn)水平井分段取樣分析。

（3）取樣器按預設程序開關，無須通過地面作業(yè)即可實現(xiàn)井下取樣。

（4）獲得樣品體積大，可充分進行分析化驗。

2．4 室內實驗

2．4．1 整體壓力實驗

通過檢驗樣機各密封點的密封狀況，保證井下電控取樣器工作可靠。實驗結果顯示，控制部分外筒和取樣部分主體分別在10、20、30、40MPa下打壓，各壓力下分別穩(wěn)壓5min；試壓結束后，打開外筒和取樣腔體未發(fā)現(xiàn)進液，說明控制電路可順利運行且成功取樣。

2．4．2 模擬取樣實驗

在75℃、40MPa條件下進行模擬取樣，查看取樣器是否按程序設定取樣以及取樣體積是否符合設計要求。實驗結果顯示，在該條件下保壓4h，完成取樣后得到液樣1000mL。

2．4．3 模擬水平井分段取樣實驗

模擬取樣器在水平井井下工作狀態(tài)檢驗取樣器能否分段取得流體樣品。將2套取樣器用油管連接，油管兩端分別連接試壓接頭，試壓接頭通過試壓管線連接試壓泵。Ⅰ號取樣器試壓接頭注入藍色液體，壓力為10MPa；Ⅱ號取樣器試壓接頭注入無色清水，壓力為20MPa。實驗結果，取樣器在不同壓力系統(tǒng)的干擾下成功獨立分段取樣。

3 現(xiàn)場應用

2013年11 月在長慶油田1口水平井現(xiàn)場試驗。該井壓裂改造7個段，斜深3090m，水平段長度800m，套管內徑124．26mm。該井投產(chǎn)即高含水，試驗前含水95．3%。

3．1 控制程序設計

依據(jù)井下分段取樣控制方法設計取樣控制程序。

（1）設定油井排液時間。為了使取樣準確，必須將井筒及洗井時漏失液體全部排出井筒再取樣。通過式（1）計算，井筒排液時間為8d。

（2）設定取樣方式。該井各射孔段間距均超過100m，可采用分段同時取樣方式，僅用1d即完成各段找水。

（3）設定取樣啟閉時間。為了使地層取樣具有代表性，在各射孔段預置3套取樣器，1d分3次完成取樣，單套取樣時間30min，各取樣器取樣間隔時間8h。

3．2 水平井分段取樣管柱通過安全性

為保證水平井井下工具的順利起下，必須對井下工具串在特定套管內的通過界限進行分析。允許通過的井下工具管串最大長度計算公式為

式中，R為井身曲率半徑，m；D為曲率半徑為R處的套管內徑，m；d為井下工具最大剛性外徑，m；L為井下工具最大允許通過長度，m。

該井為52in＊套管（內徑124．26mm）、最小曲率半徑為75m，通過計算得到工具允許通過長度，由表1可知，井下電控取樣器和配套皮碗封隔器起下鉆安全。

表1 水平井井下取樣工具通過能力計算表

3．3 取樣結果

取樣器隨油管起出后放樣化驗，其結果為第1至第4射孔段含水100%，水型為注入水（見表2）；第5～7射孔段不出液，疑為地層堵塞，為下一步控水增油措施政策的制定提供了可靠依據(jù)。

表2 井下流體分段取樣測試水型分析結果表

4 結 論

水平井井下流體分段取樣技術首次成功應用于水平井找水，打破了僅在定向井取樣測試的限制，一趟管柱即可完成水平井多射孔段井下流體取樣，能夠真實反應地層流體性質。與地面取樣相比，具有流體取樣樣品準確、測試簡便、效率高等特點，可應用于中高含水期多段壓裂水平井找水測試及井下流體特征分析，為水平井控水增油提供了可靠依據(jù)。

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