水平井井下取样器研制与改进

朱洪征，罗有刚，吕亿明，牛彩云，李亚洲

(1.长庆油田分公司 油气工艺研究院，西安 710018；2.低渗透油气田勘探开发国家工程实验室，西安 710018)①



水平井井下取样器研制与改进

朱洪征1、2，罗有刚1、2，吕亿明1、2，牛彩云1、2，李亚洲1、2

(1.长庆油田分公司 油气工艺研究院，西安 710018；2.低渗透油气田勘探开发国家工程实验室，西安 710018)①

常规井下取样器受外径、作业和关闭方式等限制，无法满足分段多簇压裂水平井井下分段取样找水测试的要求。研制了水平井井下取样器。该取样器通过封隔器井下分隔、抽油机连续生产，井下分段取样，起出取样器地面放样化验含水。基于试验过程中暴露出的问题，从取样器结构和工艺方面进行改进，提高取样器测试成功率。现场试验证明，改进后的取样器性能可靠、稳定，满足了水平井找水测试要求。

水平井；井下取样器；结构

长庆油田属于典型的“低渗、低压、低丰度”三低致密油藏[1]，水平井采用分段多簇压裂[2-3]改造提高导流能力、注水开发补充地层能量开采，受微裂缝发育和注水开发影响，部分区块水平井见水不可避免。随着喷射压裂技术的发展，水平井压裂的段数逐渐增多，使分段找水测试所需的时间越来越长[4]。由于该问题会严重影响水平井产能的正常发挥，所以需要一种井下取样器，能在井下取全取准产层流体的同时缩短水平井测试的时间，为地面分析提供依据。

1　目前取样器存在的不足

目前，常用的井下取样器主要采用钟控[5]、挂壁和锤击等关闭形式，大部分是通过钢丝进行取样作业。国内主要有驱替式取样器，即井下流体通过驱替活塞驱替其内部的特殊液体，在取满样品后关闭取样室。另外，还有保持压力的取样器，即取得样品后给取样室加高压氮气，使样品在起出井的过程中及到达地面时保持地下的单相状态和流体性质。由于上述取样仪器均受外径、作业和关闭方式等局限[6]，无法满足多段生产水平井在各段同时取样的要求。

2　水平井井下取样器的结构及工作原理

针对上述问题研制了一种水平井井下取样器，主要由电池、控制电路、微电机[7]和驱动连杆，进液孔、取样腔、单向阀、中心管过流通道、放样孔、泄压孔和防砂网等组成[8]，如图1所示。下井前由人工进行其微电脑控制器的开关阀程序设置，下井后由微电脑控制器指示按设置执行程序，带动上、下开关阀进行启闭动作，实现对产层流体的汲取，能在封隔器的配合下一次性完成水平井各层段的取样工作，有效缩短测试时间，减少施工费用。

1—动力机构；2—上接头；3—取样托筒；4—连通孔； 5—放样对流孔；6—取样腔；7—球阀；8—下接头； 9—取样对流孔；10—放样孔；11—阀体；12—取样孔。图1　水平井井下取样器结构示意

初始状态时，连通孔、放样对流孔、取样孔、放样孔、取样对流孔均为关闭状态，在取样时，动力机构带动阀体向左运行，直到取样孔和取样对流孔为完全打开状态。在单层液体充满取样腔后，动力机构带动阀体向右运行，直到取样孔和取样对流孔为关闭状态，连通孔为打开状态。此时，连通孔为打开状态，放样对流孔、取样孔、放样孔和取样对流孔为关闭状态。起出管柱后，进行放样时，卸开放样对流孔和放样孔位置的堵头，进行放样操作。

3　水平井井下取样器改进措施

水平井井下取样器试验初期，虽然成功实现了井下取样，但测试成功率低，也暴露出一些问题：①取样器内易被泥沙、垢卡死，导致取不到样；②取样器电控系统电池能量耗尽，在完成“开”的动作后无法完成后续“关闭”的动作；③密封圈在高压至低压时卡在密封间隙。为此，从水平井井下取样器的结构、工艺等方面进行结构改进和技术完善。

3.1防砂防垢结构改进

取样器取样时，动力机构带动滑阀运动，流体经取样孔进入取样腔，流体充满取样腔后阀体重新关闭。由于取样器工作筒内部开有1个中心管过流通道和2个桥式通道(取样腔)，取样腔在取样器金属缸壁内，侧向与地层连通形成2个进液孔，试验过程中发现阀体经常被泥沙、垢堵死，阀体开启关闭不到位，导致取样失败。取样器增加切丝滤网和割缝过流环，将进液孔过流接头环切3 mm，阻止地层沙进入腔体，同时在进液孔过流接头动密封部分进行了开槽处理，使之在结垢时将阀体运行阻力降至最低。

3.2电路及软件改进

取样器下井后由微电脑控制器指示按地面设置程序设置执行动作，带动上、下开关阀进行启闭动作，实现对产层流体的汲取，电机驱动、线路板供电电池采用高温锂电池，需要在井下长期有效工作。试验过程中发现起出的取样器供电电池均处于能量耗尽状态，导致取样器完成“开”的动作后，就无法完成后续“关闭”的动作。分析认为堵转电流门槛值过高，在电池的电压有压降的时候，堵转电流值无法达到门槛值，导致电机堵转时不会按照程序停止，最终让电池能量耗尽。去除升压电路，将堵转电流调整至可控范围内，当电机电池由原先11.7 V降至9 V时，堵转电流就无法达到门槛设定的280 mA(由于仪器的个体差异性，以上数值非固定值)，解决“电机堵转不停，电池能量耗尽”故障。

3.3取样器阀体改进

取样过程中取样器阀体卡死在取样腔内，取样腔体无法正常启闭从而无法取到样。分析认为当取样器取样孔开启流体进入取样腔瞬间存在一个高压到低压的平衡过程，密封圈一边是高压液体，一边是空气腔，高压液体将软性密封件的过盈部分冲击至密封间隙内，导致取样器阀体卡死，如图2。对阀体采用开槽割缝式的方式起到提前导压的作用，同时保证形成足够大的过流通道，如图3。针对开槽处剪切密封圈问题，密封圈采用摩擦力低的硬质密封圈，避免软性密封圈在高压至低压时卡在密封间隙的情况。

图2　取样器开启瞬间前后受力对比

图3　取样器阀体结构示意

4　现场应用情况

改进后的取样器于2015-10在长庆油田山X井开展了现场试验，该井开采2层，井深2 204 m，下入两支取样器，分别设置为延时215 h和239 h后开始取样，取样时间均为180 min，取样时间过后关闭腔体，连通油套。取样结束后，取样器随油管起出后放样，两支取样器均成功取得液量约900 mL，化验结果含水分别为100%和65%。

5　结论

1)水平井井下取样器采用油管输送、井下微电机控制结构，解决了水平状态下工作中受外径、作业和关闭方式等局限，无法实现多段生产水平井在各段同时取样的问题。

2)增加切丝滤网、割缝过流环以及过流接头动密封部分开槽处理，解决砂卡及垢卡的问题。

3)动力机构供电系统去除升压电路，解决电路电压有压降时，堵转电流值无法达到门槛值而导致电机堵转时不会按照程序停止的问题。

4)阀体采用开槽割缝式提前导压结构，有效避免了压力不平衡增加阻力的问题。密封圈采用摩擦力低的硬质密封圈，减小密封圈过盈量，降低摩擦力，解决了软性密封圈在高压至低压时卡在密封间隙的问题。

[1]齐银，白晓虎，宋辉，等.超低渗透油藏水平井压裂优化及应用[J].断块油气田，2014，21(4)：483-485.

[2]董建华，郭宁，孙渤，等.水平井分段压裂技术在低渗油田[J].特种油气藏，2014 (1)：118-119.

[3]牛彦良，李莉.特低丰度油藏水平井开发技术研究[J].大庆石油地质与开发，2006，25(2)：29-30.

[4]吕亿明，王百，黄伟，等.水平井找水测试一体化工艺技术[J].石油矿场机械，2011，40(2)：93-95.

[5]张振华，白春海，张沛然，等.新型钟控取样器的研制[J].油气井测试，2001，10(5)：54-55.

[6]刘修善.井眼轨迹的平均井眼曲率计算[J].石油钻采工艺，2005，27(5)：11-15.

[7]崔文昊，甘庆明，吕亿明，等.水平井井下流体分段取样技术研究与应用[J].测井技术，2014，38(6)：766-768.

[8]李光前．电控机械找堵水工艺技术研究[J]．石油矿场机械，2010，39(5)：43-45．

Development and Improvement of Horizontal Wells Downhole Sampler

ZHU Hongzheng1，2，LUO Yougang1，2，LYU Yiming1，2，NIU Caiyun1，2，LI Yazhou1，2

(1.Oil&GasTechnologyResearchInstitute，ChangqingOilCompany，Xi’an710018，China；2.NationalEngineeringLaboratoryofOil&GasFieldExplorationandDevelopment，Xi’an710018，China)

The conventional downhole sampler is restricted by outer diameter and the way of operation and closing，thus it does not meet the requirement of multi cluster fracturing in horizontal well when sampling water test.A sampler for this purpose is developed.It，through downhole packer separation，pumping unit continuous production，and downhole subsection sampling，picks up the sampler to ground for test.Based on the problems exposed in operation，its structure is improved to increase the effectiveness.The onsite operation proved that it is reliable，stable，and satisfies the requirement in horizontal well water test.

horizontal well；downhole sampler；strcture

1001-3482(2016)09-0087-03

2016-03-08

朱洪征(1981-)，男，陕西蓝田人，工程师，硕士，主要从事水平井采油工艺试验技术研究，E-mail：zhz10_cq@petrochina.com.cn。

TE938.103

Bdoi：10.3969/j.issn.1001-3482.2016.09.020