尤國(guó)平，馮永仁

（中海油田服務(wù)股份有限公司油田技術(shù)研究院，河北 三河 065201）

0 引 言

對(duì)地層流體進(jìn)行PVT分析要求所取到的樣品保持和井下相同的狀態(tài)，這意味著要求取到的樣品是單相地層流體。隨著樣品自井下返回地面，溫度降低所引起的壓力損失會(huì)使得桶內(nèi)樣品壓力低于泡點(diǎn)壓力，導(dǎo)致油氣分離。這對(duì)于分析諸如GOR、黏度等關(guān)鍵參數(shù)十分不利。即使采用所謂過(guò)壓保護(hù)的地層流體樣品也同樣會(huì)產(chǎn)生油氣分離現(xiàn)象［1］。過(guò)壓保護(hù)即利用泵抽的增壓功能使得初始取到的取樣筒中樣品壓力為地層壓力值加過(guò)壓值，但溫度對(duì)地層水壓力的影響可達(dá)到100psi／℉＊甚至以上。如果地面與井下溫差達(dá)到150℃，過(guò)壓能力就需要達(dá)到15 000psi。目前電纜地層測(cè)試儀的泵抽無(wú)法達(dá)到這種增壓效果。

斯倫貝謝公司和貝克休斯公司先后研制出能夠在電纜地層測(cè)試作業(yè)中獲取單相地層流體的取樣筒（斯倫貝謝公司的SPMT，Single-Phase Multisample Chamber；貝克休斯公司的SPT，Single Phase Tank）［1－2］。雖然其結(jié)構(gòu)形式不盡相同，但基本原理都是利用地面預(yù)先充好的高壓氮?dú)獾男钅苎a(bǔ)償作用消除因溫度降低導(dǎo)致的壓力損失，從而獲得壓力保真的單相地層流體樣品。

中海油田服務(wù)股份有限公司（COSL）成功研制了單相地層流體取樣筒 MPST（Mono-phase Sampling Tank）。MPST用在COSL自主研發(fā)的EFDT鉆井中途油氣層測(cè)試儀（Enhanced Formation Dynamic Tester）上，是一種獨(dú)特的取樣系統(tǒng)，它預(yù)充有高壓氮?dú)?。在地層測(cè)試作業(yè)中，MPST能夠獲得滿足PVT分析質(zhì)量要求并經(jīng)過(guò)預(yù)充氮?dú)鈮毫ρa(bǔ)償?shù)膬?chǔ)層單相流體樣品。

1 MPST工作原理及充氮壓力計(jì)算

1.1 MPST工作原理

MPST有2個(gè)可動(dòng)活塞，活塞中間充有壓縮氮?dú)猓ㄒ妶D1）。當(dāng)取樣筒提至地面及運(yùn)送至實(shí)驗(yàn)室，桶內(nèi)溫度的降低會(huì)引起樣品壓力降低。壓縮氮?dú)獾呐蛎浾醚a(bǔ)償了這種損失，確保桶內(nèi)流體壓力始終處于泡點(diǎn)壓力之上，從而保持單相狀態(tài)，免除了在井場(chǎng)或?qū)嶒?yàn)室繁瑣的流體重新混合過(guò)程。利用MPST所取到的地層流體樣品能為最優(yōu)化完井和生產(chǎn)設(shè)計(jì)提供關(guān)鍵參數(shù)。

圖1 MPST結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 預(yù)充氮?dú)鈮毫碚撚?jì)算

要求MPST取樣筒返回地面后，取樣筒內(nèi)壓力與所處井下地層壓力相同。MPST取樣作業(yè)的4種狀態(tài)見圖2。根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程，高壓氮?dú)馇挥?/p>

圖2 MPST取樣作業(yè)的4種狀態(tài)

可近似認(rèn)為p泥＝p地，因此式（1）可整理為

且有

地層流體樣品返回地面后，由于溫度降低對(duì)地層流體樣品體積的影響為

式中，γ為流動(dòng)膨脹系數(shù)；V樣為井下取樣后地層流體體積；ΔT＝T井－T地。

地層流體樣品返回地面后，由于氮?dú)鈮毫Φ难a(bǔ)償作用對(duì)地層流體樣品體積的影響為ΔV2＝CfΔpV樣，即

式中，Cf為流體的壓縮系數(shù)；V樣為井下取樣后地層流體樣品體積。

二者共同作用對(duì)地層流體樣品體積的影響為

因此有

設(shè)

整理可得

即

2 MPST可靠性分析及試驗(yàn)

2.1 理論計(jì)算

MPST取樣筒設(shè)計(jì)承壓140MPa，屬于超高壓容器。此外，由于井下工況惡劣，取樣筒長(zhǎng)期工作于油、氣、鉆井液環(huán)境之中，承受著高壓、高溫、污染、腐蝕等特殊而又復(fù)雜的工作條件。因此對(duì)取樣筒的可靠性提出了更高的要求，對(duì)其進(jìn)行可靠性評(píng)估和測(cè)試非常必要。分別采用塑性失效準(zhǔn)則和爆破失效準(zhǔn)則對(duì)單相地層流體取樣筒MPST的承壓能力進(jìn)行計(jì)算。

2.1.1 塑性失效準(zhǔn)則

理想塑性材料進(jìn)入塑性流動(dòng)階段，應(yīng)變?cè)黾佣鴳?yīng)力不增加，其抗拉強(qiáng)度值視為與屈服強(qiáng)度相同。由于不考慮材料硬化效應(yīng)，認(rèn)為筒壁材料達(dá)到完全屈服時(shí)便告失效，這時(shí)的全屈服應(yīng)力也就是圓筒容器的破壞壓力［3］。

在工程設(shè)計(jì)上，考慮到溫度對(duì)材料性能的影響，為安全起見，對(duì)于完全屈服壓力取安全系數(shù)ns，即

則有

式中，pD為設(shè)計(jì)壓力；σs為材料在常溫下的屈服強(qiáng)度；K為外內(nèi)徑比；ns為全安全系數(shù)，ns≥2.5；φ為設(shè)計(jì)溫度下材料強(qiáng)度減弱系數(shù)（見表1）。低合金鋼及高強(qiáng)度鋼抗拉強(qiáng)度及屈服強(qiáng)度隨溫度的升高而下降。

表1 φ值選擇

取樣筒設(shè)計(jì)使用溫度為177℃，因此φ值可取0.9，ns取2.5，外內(nèi)徑比取1.811，則

可得pD＝250MPa。

2.1.2 爆破失效準(zhǔn)則

超高壓容器由加壓、屈服至爆破，經(jīng)歷著彈塑性變形過(guò)程，應(yīng)變硬化作用和壁厚減薄的影響情況極為復(fù)雜，對(duì)不同材料這些影響的程度又各不相同。因此要較為精確計(jì)算超高壓容器的爆破壓力，應(yīng)采用塑性方法，并根據(jù)材料實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和考慮塑性變形后材料強(qiáng)化對(duì)容器爆破壓力的影響［3］。采用Faupel（福貝爾）公式計(jì)算取樣筒的爆破壓力

可得pb＝755.5MPa。

取樣筒的使用工況極限壓力為140MPa，通過(guò)理論計(jì)算可得設(shè)計(jì)壓力和爆破壓力分別為250MPa和755.5MPa，因此設(shè)計(jì)可靠性在理論上有保證。

2.2 有限元分析

根據(jù)實(shí)際情況，在滿足精度的條件下，在建立模型時(shí)對(duì)MPST取樣筒的結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡(jiǎn)化，忽略對(duì)計(jì)算結(jié)果影響不大的幾何因素，在網(wǎng)格劃分時(shí)采用Solid45單元，在取樣筒的2個(gè)端面采用全約束，在取樣筒內(nèi)部施加勻布載荷（見圖3至圖5）。

有限元分析表明，MPST取樣筒要保持安全可靠的工作，在其受到載荷的作用時(shí)，其所能夠達(dá)到的最大變形是0.063mm，所能承受的最大應(yīng)力是330MPa。

2.3 耐壓實(shí)測(cè)

利用專門超高壓測(cè)試設(shè)備對(duì)MPST進(jìn)行高壓測(cè)試。分別通過(guò)了20 000psi保壓3h和25 000psi保壓0.5h的耐壓測(cè)試（見圖6）。

圖6 MPST耐壓實(shí)測(cè)曲線

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用情況

MPST與EFDT鉆井中途油氣層測(cè)試儀完全兼容，目前EFDT儀器每次下井作業(yè)可攜帶最多10個(gè)MPST取樣筒。截至2012年4月，EFDTTM在渤海等海域成功作業(yè)40多口探井，并使用MPST取樣筒順利多次取到了PVT原油樣品。這表明MPST能完全滿足井下單相地層流體取樣的現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)要求。

在華北任丘任-91井（測(cè)試層段超過(guò)3 900m，溫度140℃，泥漿柱壓力4 800psi）的測(cè)試中，其中1個(gè)MPST取樣筒（預(yù)充氮?dú)鈮毫χ?25psi）回到地面（溫度10℃），轉(zhuǎn)樣壓力4 750psi。MPST取到保持所在地層特性的單相地層流體樣品的能力得到了充分證明。

4 結(jié)束語(yǔ)

壓力補(bǔ)償式單相地層流體取樣筒MPST成功解決了地層流體樣品回到地面后由于溫度降低而產(chǎn)生油氣分離的問(wèn)題，能夠獲得滿足PVT分析質(zhì)量要求并經(jīng)過(guò)壓力補(bǔ)償?shù)膬?chǔ)層流體樣品，從而免除了在井場(chǎng)或?qū)嶒?yàn)室繁瑣的流體重新混合過(guò)程，并能為最優(yōu)化完井和生產(chǎn)設(shè)計(jì)提供關(guān)鍵參數(shù)。

［1］Alastair Crombie，F(xiàn)rank Halford，Mohamed Hashem.Innovations in Wireline Fluid Sampling ［J］.Oilfield Review，1998：26-41.

［2］Paul Andrew Reinhardt.Apparatus and Method for Controlling Well Fluid Sample Pressure：United States Patent，US6439307B1［P］.2002.

［3］陳國(guó)理，陳柏暖，王作池.超高壓容器設(shè)計(jì) ［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，1997.