姜傳隆，顏廷俊，張楊，孫騰飛，陳忠?guī)?，孫浩玉

（1. 北京化工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，北京 100029；2. 中國石化勝利石油工程有限公司鉆井工藝研究院，山東東營 257000）

0 引言

隨鉆地層流體取樣技術(shù)是在電纜式流體取樣、隨鉆地層壓力測(cè)試和地層流體分析等技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，可以在剛打開油氣層時(shí)迅速收集低污染或無污染的地層流體，獲取的樣品數(shù)據(jù)更貼近地層的真實(shí)情況，可為優(yōu)化完井和生產(chǎn)設(shè)計(jì)提供所需的關(guān)鍵參數(shù)[1-4]。隨鉆地層流體取樣工具中的取樣筒對(duì)于實(shí)現(xiàn)樣品“保真”至關(guān)重要，若取樣筒沒有采取任何保真措施，取樣筒中的地層流體樣品從高溫的井下環(huán)境到達(dá)地面后，將因溫度下降而體積收縮，若樣品的腔室體積不變，則樣品腔內(nèi)壓力會(huì)相應(yīng)降低，若下降至泡點(diǎn)壓力以下，樣品中的溶解氣將逸出，在樣品腔內(nèi)形成油氣兩相，相分離后整個(gè)樣品將無法還原，樣品嚴(yán)重失真，樣品分析數(shù)據(jù)不再代表真實(shí)儲(chǔ)集層的流體性質(zhì)，進(jìn)而影響后續(xù)勘探、開發(fā)評(píng)價(jià)的準(zhǔn)確性。

隨鉆地層流體取樣技術(shù)研究，國外已有20多年的歷史，而國內(nèi)基本處于初級(jí)階段[5-12]。美國貝克休斯公司提出利用能量存儲(chǔ)介質(zhì)對(duì)地層流體樣品增壓，其實(shí)為雙活塞氣墊增壓法，該方法可行且成熟。針對(duì)該種增壓方法，尤國平等[13]和譚顯忠[14]在研制電纜取樣器取樣筒時(shí)，提出了預(yù)充氮?dú)獾膲毫τ?jì)算公式，但該公式未考慮溫度、壓力對(duì)樣品和筒體的影響；劉健[15]在研究天然氣水合物取樣器的保壓保真時(shí)，提出了一種考慮溫度場(chǎng)和壓力場(chǎng)變化的容器內(nèi)流體保壓計(jì)算方法，但這種取樣器沒有井下增壓裝置；安莉[16]探討了水合物保真筒的保壓特性，給出了氣墊在增壓情況下溫度場(chǎng)-壓力場(chǎng)的耦合特征，進(jìn)而描述了樣品腔內(nèi)流體壓力的變化規(guī)律，但保真筒在井下缺乏持續(xù)增壓源，應(yīng)用受限。

目前常用的保真方法主要有井下增壓泵與活塞氣墊兩種，單純用泵增壓的方法因受泵容積的限制而未被業(yè)界廣泛應(yīng)用；單純用活塞氣墊增壓的方法雖能明顯改善地層流體樣品的保真度，但現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用時(shí)預(yù)充氮?dú)鈮毫σ蕾嚱?jīng)驗(yàn)判斷，保真效果較差且使用不便。針對(duì)兩種方法存在的局限性，本文提出以地面預(yù)充氮?dú)夥椒橹?，井下增壓方法為輔的隨鉆取樣保真筒設(shè)計(jì)思路，并對(duì)其工作方式、取樣參數(shù)優(yōu)化方法進(jìn)行討論，有望實(shí)現(xiàn)真正意義上的樣品保真。

1 取樣筒結(jié)構(gòu)及井下工作方式

本文設(shè)計(jì)取樣筒由樣品腔和氮?dú)馇粯?gòu)成，中間由活塞1分隔，同時(shí)外接抽吸泵、增壓泵便于取樣（見圖1）。取樣時(shí)，地層流體通過抽吸泵與增壓泵的共同作用從取樣筒左端進(jìn)入樣品腔，活塞1、活塞2的位置根據(jù)各腔室與井下壓力的大小自動(dòng)調(diào)節(jié)，起壓力平衡作用。

圖1 取樣筒結(jié)構(gòu)示意圖

取樣過程中，樣筒內(nèi)各腔室的體積變化分可為 5個(gè)過程（見圖2）：①地面預(yù)充氮?dú)?，取樣前在地面預(yù)先向氮?dú)馇怀涞獨(dú)?，迫使活?、活塞2分別位于取樣筒的兩端，此時(shí)氮?dú)馇蝗莘e達(dá)到最大，即筒體總?cè)莘e，筒體溫度為地面溫度（見圖2a）；②井下取樣前，工具下至取樣地層時(shí)，鉆井液柱壓力高于預(yù)充氮?dú)鈮毫?，鉆井液推動(dòng)活塞 2向左移動(dòng)，當(dāng)?shù)獨(dú)馇粔毫εc鉆井液柱壓力達(dá)到平衡時(shí)停止移動(dòng)，此時(shí)氮?dú)馇粌?nèi)壓力等于此處鉆井液柱壓力，溫度為地層溫度（見圖2b）；③井下取樣，當(dāng)抽吸的地層流體污染率達(dá)到取樣要求時(shí)，樣品腔閥門打開，流體通過增壓泵進(jìn)入樣品腔推動(dòng)活塞 1向右移動(dòng)，此時(shí)氮?dú)馇粔毫υ龈撸餐苿?dòng)活塞 2向右移動(dòng)，逐步排出鉆井液（見圖2c）；④井下取樣完成，此時(shí)若筒內(nèi)壓力大于等于井底壓力，則活塞 2位于筒體最右端（見圖2d-1），若筒內(nèi)壓力小于井底壓力，則活塞2離筒體最右端尚有一定距離（見圖2d-2），筒體右端存有鉆井液；⑤取樣筒返回地面，地面溫度低于地下，樣筒到達(dá)地面后，活塞 2因失去鉆井液柱壓力而移動(dòng)到筒體最右端，樣筒內(nèi)樣品壓力下降，此時(shí)活塞 1向右移動(dòng)，氮?dú)馇粌?nèi)壓力起補(bǔ)償作用，確保取回樣品不發(fā)生相變（見圖2e）。

圖2 取樣筒中樣品腔和保壓腔工作狀態(tài)變化

2 取樣過程中樣筒工作狀態(tài)

設(shè)取樣筒內(nèi)徑為Di，外徑為D0，取樣筒體有效長度為L，取樣筒材料的彈性模量為E，泊松比為μ，線性膨脹系數(shù)為α，井下取樣體積為Vs；地層壓力為p，大氣壓為p0，井底增壓量為pa；地面預(yù)充氮?dú)膺^程中氮?dú)馇粌?nèi)狀態(tài)為T1、V1、p1，井下取樣后氮?dú)馇粌?nèi)狀態(tài)為T2、V2、p2，返回地面氮?dú)馇粌?nèi)狀態(tài)為T3、V3、p3，返回地面時(shí)樣品體積為Vs*，對(duì)取樣過程中取氧筒工況分述如下。

2.1 地面預(yù)充氮?dú)夂蟮较氯刖氯訉佣芜^程

2.2 井下取樣后上升到地面過程

2.3 取樣筒由井下上升到地面過程

對(duì)原油樣品來說，原油密度與溫度負(fù)相關(guān)[17]，如圖 3為常壓下勝利油田某區(qū)塊原油密度與溫度的變化關(guān)系，具有較好的線性關(guān)系，經(jīng)擬合可表示為：

圖3 勝利油田某區(qū)塊原油密度與溫度的變化關(guān)系

根據(jù)美國國家標(biāo)準(zhǔn)局發(fā)布的氮?dú)庠诓煌瑴囟?、壓力下的壓縮因子實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)[18]，抽稀取 99組數(shù)據(jù)繪制壓縮因子與溫度、壓力的變化關(guān)系（見圖4）。當(dāng)壓力大于10 MPa、溫度20～180 ℃時(shí)，壓縮因子大于1；當(dāng)壓力為5～35 MPa時(shí)，溫度越低，壓縮因子越低，當(dāng)壓力大于 35 MPa時(shí)，溫度越低，壓縮因子越高。

圖4 氮?dú)鈮嚎s因子隨溫度壓力變化規(guī)律

同樣根據(jù)上述美國國家標(biāo)準(zhǔn)局發(fā)布的氮?dú)鈮嚎s因子數(shù)據(jù)，共取220組采用1stOpt軟件進(jìn)行擬合，得氮?dú)鈮嚎s因子與溫度和壓力的關(guān)系函數(shù)：

擬合公式計(jì)算值與查表值對(duì)比誤差率散點(diǎn)分布如圖5所示（圖5中字母a，b，…，k分別代表壓力為4，8，12，16，20，25，30，35，40，45，50 MPa，共計(jì)11個(gè)；下標(biāo)1，2，…，20分別代表溫度為10，20，…，200 ℃，共 20個(gè)）?？梢钥闯?，相對(duì)于傳統(tǒng)的查表計(jì)算，擬合公式計(jì)算誤差范圍為-2%～5%，可用于工程計(jì)算。

圖5 擬合公式計(jì)算值與查表實(shí)測(cè)值對(duì)比誤差率散點(diǎn)圖

改寫（32）式可得：

在井底增壓情況下有p2=p+pα，代入（38）式得：

預(yù)充氮?dú)鈮毫Γ╬1）與井底增壓量（pa）參數(shù)的優(yōu)化計(jì)算采用Matlab商業(yè)軟件進(jìn)行求解，具體流程見圖6。

圖6 預(yù)充氮?dú)鈮毫εc井底增壓量參數(shù)優(yōu)化計(jì)算流程圖

3 樣品保真參數(shù)優(yōu)化

3.1 地層流體泡點(diǎn)壓力未知

在地層流體泡點(diǎn)壓力未知的情況下，最好的保真取樣方式就是保證樣品取到地面時(shí)的壓力等于地層壓力，此時(shí)有p3=p，該種情況下只需計(jì)算對(duì)應(yīng)取樣體積下的預(yù)充氮?dú)鈮毫途自鰤毫?，由?7）、（40）式得：

下面以計(jì)算實(shí)例說明保真參數(shù)的優(yōu)化過程。設(shè)取樣筒內(nèi)徑28 mm，外徑36 mm，保壓容器原始有效長度850 mm，取樣筒材料（鈹銅）彈性模量128 GPa，泊松比0.3，線性膨脹系數(shù)為17.6×10-6K-1，井下可提供最大井底增壓量20 MPa。鉆井液密度1 100 kg/m3，樣品體積彈性模量 1.67 GPa，大氣壓力忽略不計(jì)。地面溫度為293.15 K，（27）式中的線性擬合系數(shù)A=0.73，B=1 135.66，地溫梯度為3 ℃/100 m。

為了方便現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，將取樣體積分別取固定值500，450，400，300，200，100 mL，由（41）、（42）式計(jì)算預(yù)充氮?dú)鈮毫?、井底增壓量與地層壓力關(guān)系曲線（見圖7、圖8）?？梢钥吹?，相同取樣體積條件下，地層壓力越高，所需預(yù)充氮?dú)鈮毫υ礁?，所需提供的井底增壓量越大。假設(shè)取樣體積為400 mL，地層壓力為27.8 MPa，查圖可知，此時(shí)預(yù)充氮?dú)鈮毫ψ畲笾禐? MPa，井底增壓量最小值為19 MPa。若只預(yù)充氮?dú)猓瑹o井底增壓，則取樣筒在井底時(shí)氮?dú)馇粔毫εc地層壓力一致，有p2=p，代入（38）式可得井底樣品返回地面時(shí)的壓力（氮?dú)馇粔毫Γ?/p>

圖7 預(yù)充氮?dú)鈮毫εc地層壓力關(guān)系（p3=p）

圖8 井底增壓量與地層壓力關(guān)系（p3=p）

根據(jù)上式，在不同取樣體積條件下，計(jì)算地層壓力與返回地面樣品壓力的關(guān)系曲線，并與相同條件下預(yù)充氮?dú)?井底增壓取樣方式的計(jì)算結(jié)果對(duì)比（見圖9，圖中不同取樣體積條件下，預(yù)充氮?dú)?井底增壓取樣方式得到的樣品腔壓力與取樣地層壓力一致，故圖中僅以一條線代替）?？梢钥吹?，無論取樣體積為何值，預(yù)充氮?dú)?井底增壓取樣方式樣品返回地面時(shí)的壓力與地層壓力均基本相等，保真效果良好；而無井底增壓取樣方式樣品返回地面時(shí)的壓力與地層壓力存在較大差距，且取樣體積越大，樣品返回地面壓力越小，樣品發(fā)生相變的可能越大，說明僅預(yù)充氮?dú)馊臃绞奖Ｕ嫘Ч^差。

圖9 有、無井底增壓取樣方式地面樣品壓力對(duì)比

3.2 地層流體泡點(diǎn)壓力已知

當(dāng)?shù)貙訅毫π∮谂蔹c(diǎn)壓力時(shí)，取到地面的樣品壓力等于地層壓力即可達(dá)到保真效果，因此預(yù)充氮?dú)鈮毫εc井底增壓量的優(yōu)化計(jì)算方法與地層流體泡點(diǎn)壓力未知情況相同；當(dāng)?shù)貙訅毫Υ笥谂蔹c(diǎn)壓力時(shí)，則主要優(yōu)化計(jì)算保證取到地面的樣品壓力等于泡點(diǎn)壓力所需的預(yù)充氮?dú)鈮毫εc井底增壓量，此時(shí)有p3=pb，代入（37）、（40）式得：

下面同樣以計(jì)算實(shí)例說明保真參數(shù)的優(yōu)化過程。采用前述取樣筒、地層及流體等參數(shù)，同時(shí)設(shè)地層流體泡點(diǎn)壓力為25 MPa，通過（44）、（45）式，計(jì)算不同取樣體積條件下預(yù)充氮?dú)鈮毫?、井底增壓量與地層壓力的關(guān)系曲線（見圖10、圖11）。由圖可知，當(dāng)?shù)貙訅毫Υ笥?5 MPa時(shí)，預(yù)充氮?dú)鈮毫﹄S地層壓力增加而緩慢增加；而井底增壓量的變化趨勢(shì)受地層壓力、井下取樣體積雙重影響，取樣體積小于400 mL時(shí)，井底增壓量單調(diào)下調(diào)；取樣體積大于等于400 mL時(shí)，井底增壓量先下降后上升。由圖10、圖11，在確定了取樣體積時(shí)，便可根據(jù)地層壓力方便查得預(yù)充氮?dú)鈮毫Α⒕自鰤毫?。?dāng)取樣體積為300 mL時(shí)，如地層壓力為42.5 MPa，可查得預(yù)充氮?dú)鈮毫?1.1 MPa，井底增壓量為2.3 MPa；當(dāng)?shù)貙訅毫?0.0 MPa時(shí)，可查得預(yù)充氮?dú)鈮毫?1.4 MPa，井底增壓量為0，從曲線上可知，當(dāng)?shù)貙訅毫Υ笥?7.0 MPa時(shí)，均無需井底增壓，此時(shí)取樣筒右端如圖2d-2所示，存在鉆井液。

圖10 預(yù)充氮?dú)鈮毫εc地層壓力的關(guān)系（p3=pb）

圖11 井底增壓量與地層壓力的關(guān)系（p3=pb）

3.3 預(yù)充定壓氮?dú)鈶?yīng)急情況

向取樣筒中預(yù)充定壓氮?dú)猓F(xiàn)場(chǎng)僅通過井下增壓的方式來調(diào)節(jié)樣品腔壓力，在一定的取樣體積范圍內(nèi)，若地層流體泡點(diǎn)壓力已知，則確保筒體中的樣品壓力到達(dá)地面時(shí)不小于泡點(diǎn)壓力；若地層流體泡點(diǎn)壓力未知，則確保筒體中的樣品壓力到達(dá)地面時(shí)不小于地層壓力。

設(shè)預(yù)充氮?dú)鈮毫?0.0 MPa，采用前述取樣筒、地層及流體等參數(shù)，通過（39）、（40）式計(jì)算不同取樣體積條件下返回地面樣品的壓力、井底增壓量與地層壓力的關(guān)系曲線（見圖12、圖13）。當(dāng)?shù)貙訅毫?5 MPa時(shí)，如果要保證返回地面樣品的壓力大于或等于25 MPa，則由圖12可知取樣體積必須大于等于350 mL；由圖12可知，當(dāng)井底增壓能力上限為20 MPa時(shí)，取樣量為 300，350 mL可滿足要求。根據(jù)圖12、圖13取樣體積曲線的間距折算，當(dāng)取樣體積為310～355 mL時(shí)，地層樣品到達(dá)地面時(shí)的壓力不小于25 MPa，可實(shí)現(xiàn)保真。

圖12 返回地面樣品壓力與地層壓力的關(guān)系（p1=10.0 MPa）

圖13 井底增壓量與地層壓力的關(guān)系（p1=10.0 MPa）

4 地面溫度對(duì)保真計(jì)算結(jié)果的影響

當(dāng)?shù)孛鏈囟劝l(fā)生變化時(shí)，由（41）、（42）式可計(jì)算不同地面溫度對(duì)預(yù)充氮?dú)鈮毫途略鰤毫康挠绊?。采用前述取樣筒、地層及流體等參數(shù)，分析取樣體積分別為500，100 mL時(shí)，在不同地面溫度下，預(yù)充氮?dú)鈮毫?、井底增壓量與地層壓力的關(guān)系曲線（見圖14）。由圖可以看出，取樣體積為500，100 mL時(shí)，地面溫度的變化對(duì)預(yù)充氮?dú)鈮毫Φ挠绊懮跷ⅲ梢院雎圆挥?jì)。但地面溫度對(duì)井底增壓量有一定影響，特別是取樣體積較小時(shí)，影響更明顯，地面溫度下降，井底增壓量呈增加趨勢(shì)。鑒于此，當(dāng)取樣體積較大時(shí)（如大于等于500 mL），優(yōu)化計(jì)算的井底增壓量誤差較小，無須校正；當(dāng)取樣體積較小時(shí)（100～500 mL），計(jì)算的井底增壓量誤差較大，需適當(dāng)進(jìn)行較正：①地層壓力小于12 MPa時(shí)，無須校正；②地層壓力大于12 MPa時(shí)，為保險(xiǎn)起見，需對(duì)優(yōu)化計(jì)算的井底增壓量進(jìn)行校正，可在計(jì)算值上再增加0～5 MPa。

圖14 地面溫度變化對(duì)預(yù)充氮?dú)鈮毫?、井底增壓量的影?/p>

5 結(jié)論

地面預(yù)充氮?dú)夥椒橹鳌⒕略鰤悍椒檩o的隨鉆取樣保真筒保真取樣，氮?dú)馇幌喈?dāng)于儲(chǔ)能氣墊，可一定程度上補(bǔ)充取樣過程中因溫度變化帶來的壓力損失；井下增壓可將樣品盡快地壓入樣品腔，提高樣品壓力，彌補(bǔ)氮?dú)馇粺o法提供的壓力補(bǔ)償。

地面預(yù)充氮?dú)馀c井下增壓隨鉆取樣保真筒，可有效提高樣品保真程度，地層流體樣品到達(dá)地面時(shí)，可基本保證樣品不發(fā)生物理相變現(xiàn)象，進(jìn)而保證其具有在地層中原有的化學(xué)組分。

符號(hào)注釋：

A，B——線性擬合系數(shù)，無因次；D0——取樣筒外徑，mm；Di——取樣筒內(nèi)徑，mm；——地面預(yù)充氮?dú)夂蟮较氯刖氯訉佣魏蟮耐搀w內(nèi)徑，mm；——從預(yù)充好氮?dú)獾饺油瓿傻竭_(dá)地面后的筒體內(nèi)徑，mm；——井下取樣后上升到地面后的筒體內(nèi)徑，mm；——地面預(yù)充氮?dú)夂蟮较氯刖氯訉佣魏蟮耐搀w外徑，mm；E——鈹銅的彈性模量，MPa；E0——地層流體體積彈性模量，MPa；g——重力加速度，m/s2；G——地溫梯度，℃/100 m；L——取樣筒體有效長度，mm；——地面預(yù)充氮?dú)夂蟮较氯刖氯訉佣螘r(shí)的筒體有效長度，mm；——從預(yù)充好氮?dú)獾饺油瓿傻竭_(dá)地面后的筒體有效長度，mm；——井下取樣后上升到地面后的筒體有效長度，mm；p——地層壓力，MPa；p0——大氣壓，MPa；p1——預(yù)充氮?dú)鈮毫Γ琈Pa；p2——井下取樣后氮?dú)馇粌?nèi)壓力，MPa；p3——返回地面氮?dú)馇粌?nèi)壓力，MPa；pb——泡點(diǎn)壓力，MPa；pa——井底增壓量，MPa；T——氮?dú)猸h(huán)境溫度，℃；T0——原油環(huán)境溫度，K；T1——地面溫度，K；T2——井底溫度，K；T3——樣品返回地面溫度，K；V1——地面預(yù)充氮?dú)怏w積，mL；V1-2——地面預(yù)充氮?dú)夂笙氯氲骄氯訉佣魏蟮耐搀w體積，mL；V2——井下取樣后氮?dú)馇惑w積，mL；V2-3——井下取樣后上升到地面時(shí)的筒體體積，mL；V3——返回地面時(shí)氮?dú)馇惑w積，mL；Vdf——圖2d-2所示情況下取樣筒中活塞2右端進(jìn)入的鉆井液體積，mL；Vs——井下取樣體積，mL；Vs*——返回地面時(shí)樣品體積，mL；Z——氮?dú)鈮嚎s因子，無因次；Z1——地面預(yù)充氮?dú)鈮嚎s因子，無因次；Z2——井下取樣后氮?dú)鈮嚎s因子，無因次；Z3——返回地面氮?dú)鈮嚎s因子，無因次；α——鈹銅的線性膨脹系數(shù)，K-1；ΔDp1-2——地面預(yù)充氮?dú)夂蟮较氯刖氯訉佣芜^程中筒體在內(nèi)外壓差作用下徑向變化量，mm；ΔDp1-3——從預(yù)充好氮?dú)獾饺油瓿傻竭_(dá)地面后的筒體在內(nèi)外壓差作用下徑向變化量，mm；ΔDp2-3——井下取樣后上升到地面過程中筒體在內(nèi)外壓差作用下徑向變化量，mm；ΔDt1-2——地面預(yù)充氮?dú)夂蟮较氯刖氯訉佣芜^程中因溫度變化引起取樣筒內(nèi)徑變化量，mm；ΔDt1-3——從預(yù)充好氮?dú)獾饺油瓿傻竭_(dá)地面的過程中因溫度變化引起取樣筒內(nèi)徑變化量，mm；ΔDt2-3——井下取樣后上升到地面過程中因溫度變化引起取樣筒內(nèi)徑變化量，mm；ΔLp1-2——地面預(yù)充氮?dú)夂蟮较氯刖氯訉佣芜^程中因壓力變化引起取樣筒有效長度變化量，mm；ΔLp1-3——從預(yù)充好氮?dú)獾饺油瓿傻竭_(dá)地面的過程中因溫度變化引起取樣筒有效長度變化量，mm；ΔLp2-3——井下取樣后上升到地面過程中筒體因壓力變化引起取樣筒有效長度變化量，mm；ΔLt1-2——地面預(yù)充氮?dú)夂蟮较氯刖氯訉佣芜^程中因溫度變化引起取樣筒有效長度變化量，mm；ΔLt1-3——從預(yù)充好氮?dú)獾饺油瓿傻竭_(dá)地面的過程中因溫度變化引起取樣筒有效長度變化量，mm；ΔLt2-3——井下取樣后上升到地面過程中因溫度變化引起取樣筒有效長度變化量，mm；Δp——樣品體積收縮所致的樣品腔內(nèi)壓差，MPa；ΔVs——樣品體積變化量，mL；μ——泊松比，無因次；ρ——原油密度，kg/m3；ρ2——井下取樣時(shí)樣品密度，kg/m3；ρ3——返回地面后樣品密度，kg/m3；ρdf——鉆井液密度，kg/m3。