单相地层流体取样筒的研制与应用

2013-10-25尤国平冯永仁

测井技术 2013年3期

尤国平，冯永仁

（中海油田服务股份有限公司油田技术研究院，河北三河 065201）

0 引言

对地层流体进行PVT分析要求所取到的样品保持和井下相同的状态，这意味着要求取到的样品是单相地层流体。随着样品自井下返回地面，温度降低所引起的压力损失会使得桶内样品压力低于泡点压力，导致油气分离。这对于分析诸如GOR、黏度等关键参数十分不利。即使采用所谓过压保护的地层流体样品也同样会产生油气分离现象［1］。过压保护即利用泵抽的增压功能使得初始取到的取样筒中样品压力为地层压力值加过压值，但温度对地层水压力的影响可达到100psi／℉＊甚至以上。如果地面与井下温差达到150℃，过压能力就需要达到15 000psi。目前电缆地层测试仪的泵抽无法达到这种增压效果。

斯伦贝谢公司和贝克休斯公司先后研制出能够在电缆地层测试作业中获取单相地层流体的取样筒（斯伦贝谢公司的SPMT，Single-Phase Multisample Chamber；贝克休斯公司的SPT，Single Phase Tank）［1－2］。虽然其结构形式不尽相同，但基本原理都是利用地面预先充好的高压氮气的蓄能补偿作用消除因温度降低导致的压力损失，从而获得压力保真的单相地层流体样品。

中海油田服务股份有限公司（COSL）成功研制了单相地层流体取样筒 MPST（Mono-phase Sampling Tank）。MPST用在COSL自主研发的EFDT钻井中途油气层测试仪（Enhanced Formation Dynamic Tester）上，是一种独特的取样系统，它预充有高压氮气。在地层测试作业中，MPST能够获得满足PVT分析质量要求并经过预充氮气压力补偿的储层单相流体样品。

1 MPST工作原理及充氮压力计算

1.1 MPST工作原理

MPST有2个可动活塞，活塞中间充有压缩氮气（见图1）。当取样筒提至地面及运送至实验室，桶内温度的降低会引起样品压力降低。压缩氮气的膨胀正好补偿了这种损失，确保桶内流体压力始终处于泡点压力之上，从而保持单相状态，免除了在井场或实验室繁琐的流体重新混合过程。利用MPST所取到的地层流体样品能为最优化完井和生产设计提供关键参数。

图1 MPST结构示意图

1.2 预充氮气压力理论计算

要求MPST取样筒返回地面后，取样筒内压力与所处井下地层压力相同。MPST取样作业的4种状态见图2。根据理想气体状态方程，高压氮气腔有

图2 MPST取样作业的4种状态

可近似认为p泥＝p地，因此式（1）可整理为

且有

地层流体样品返回地面后，由于温度降低对地层流体样品体积的影响为

式中，γ为流动膨胀系数；V样为井下取样后地层流体体积；ΔT＝T井－T地。

地层流体样品返回地面后，由于氮气压力的补偿作用对地层流体样品体积的影响为ΔV2＝CfΔpV样，即

式中，Cf为流体的压缩系数；V样为井下取样后地层流体样品体积。

二者共同作用对地层流体样品体积的影响为

因此有

设

整理可得

即

2 MPST可靠性分析及试验

2.1 理论计算

MPST取样筒设计承压140MPa，属于超高压容器。此外，由于井下工况恶劣，取样筒长期工作于油、气、钻井液环境之中，承受着高压、高温、污染、腐蚀等特殊而又复杂的工作条件。因此对取样筒的可靠性提出了更高的要求，对其进行可靠性评估和测试非常必要。分别采用塑性失效准则和爆破失效准则对单相地层流体取样筒MPST的承压能力进行计算。

2.1.1 塑性失效准则

理想塑性材料进入塑性流动阶段，应变增加而应力不增加，其抗拉强度值视为与屈服强度相同。由于不考虑材料硬化效应，认为筒壁材料达到完全屈服时便告失效，这时的全屈服应力也就是圆筒容器的破坏压力［3］。

在工程设计上，考虑到温度对材料性能的影响，为安全起见，对于完全屈服压力取安全系数ns，即

则有

式中，pD为设计压力；σs为材料在常温下的屈服强度；K为外内径比；ns为全安全系数，ns≥2.5；φ为设计温度下材料强度减弱系数（见表1）。低合金钢及高强度钢抗拉强度及屈服强度随温度的升高而下降。

表1 φ值选择

取样筒设计使用温度为177℃，因此φ值可取0.9，ns取2.5，外内径比取1.811，则

可得pD＝250MPa。

2.1.2 爆破失效准则

超高压容器由加压、屈服至爆破，经历着弹塑性变形过程，应变硬化作用和壁厚减薄的影响情况极为复杂，对不同材料这些影响的程度又各不相同。因此要较为精确计算超高压容器的爆破压力，应采用塑性方法，并根据材料实验数据和考虑塑性变形后材料强化对容器爆破压力的影响［3］。采用Faupel（福贝尔）公式计算取样筒的爆破压力