隨鉆地層測試技術的分析與思考

邸德家，陶 果，孫華峰，岳文正

（1.中國石油大學油氣資源與探測國家重點實驗室，北京102249；2.中國石油大學CNPC測井重點實驗室，北京102249）

隨鉆地層測試技術的分析與思考

邸德家1，2，陶 果1，2，孫華峰1，2，岳文正1，2

（1.中國石油大學油氣資源與探測國家重點實驗室，北京102249；2.中國石油大學CNPC測井重點實驗室，北京102249）

綜述隨鉆地層測試技術的發展動態。以隨鉆地層測試儀器（Geo－Tap）為例分析隨鉆地層測試的技術特點、工作原理、儀器參數和在油氣田工程中的應用前景。介紹目前我國隨鉆地層測試技術的現狀、發展該技術的主要攻關方向和應該注意的問題。雙封隔器模式結構具有流體取樣和流體實時分析功能，是隨鉆地層測試儀器主要的發展方向。在我國隨鉆測量技術和電纜地層測試技術的基礎上，應積極借鑒國外的先進技術，多單位聯合攻關，大力開展基礎工作，研發具有自主知識產權的隨鉆地層測試儀器。

隨鉆測井；隨鉆地層測試；地層壓力；流體界面

0 引 言

隨鉆地層測試器的前身是鉆桿地層測試器（DST）。鉆桿地層測試器主要用于鉆井中途試油，其成本高，費時長，尤其在海上鉆桿地層測試造成了鉆井成本的大幅度上升。1955年，Schlumberger公司開發了第1支電纜流體取樣儀器（FT）。目前Schlumberger公司研制的MDT儀器是第3代電纜地層測試器，并部分取代了鉆桿地層測試器。近年來，隨鉆測井技術得到快速發展，幾乎所用的電纜測井方法均可用于隨鉆測井［1－2］。隨鉆地層測試器就是在鉆桿地層測試器和電纜地層測試器基礎上發展起來的，它把地層測試儀器連接在鉆桿上，并在鉆井的過程中通過抽吸地層流體測量地層參數。目前國際上的隨鉆地層測試器主要為Pathfinder公司的DFT儀器、Halliburton公司的Geo－Tap儀器、Schlumberger公司的StethoScope儀器和Baker Atlas公司的TesTrack儀器［3］。2002年，Halliburton公司在其分布于世界各地的10個作業公司對Geo－Tap地層壓力測試器進行了廣泛的現場測試，并在29 000ft＊以上的各種巖性地層和井斜角達104°的井中成功獲取了數據。完成測試之后，Geo－Tap儀器于2003年投入商業應用。

隨鉆地層測試儀器在國內只有少數幾家單位進行了研制和開發，具有代表性的為大慶鉆井工程技術研究院研制的隨鉆壓力溫度測量系統（SDC－Ⅰ）和中國石油集團鉆井工程技術研究院自主研制的隨鉆井底環空壓力測量（CPWD）儀器。但是國內的隨鉆壓力測量工具在數據實時傳輸和儀器的測量精度、總體性能方面與具有影響力的國際大公司的產品還有一定差距。本文根據Halliburton公司的Geo－Tap儀器具體介紹隨鉆地層測試器的技術特點、原理和應用，以及我國研制隨鉆地層測試器的主攻方向和應注意的問題。

1 隨鉆地層測試器的技術特點

1.1 隨鉆地層測試儀器的結構特點

相對于電纜地層測試器，隨鉆地層測試器的結構比較簡單，儀器主要由探針、密封膠墊、測壓倉、平衡閥、壓力傳感器和流體管線等組成（見圖1）［4］。Geo－Tap儀器外徑的大小分為4.75、6.75、8in和9.5in型。常用的隨鉆地層測試器只有1個探針，并且沒有推靠臂，這樣就簡化了隨鉆地層測試器的設計。它可以和隨鉆聲波測井儀器、隨鉆核磁共振測井儀器和旋轉導向系統等連接在一起，并共用1套信號傳輸系統。

1.2 隨鉆地層測試在井下的環境特點

隨鉆地層測試是在鉆頭打開地層很短的時間內進行流體取樣和壓力測試，泥漿剛剛發生侵入，泥餅沒有完全形成，地層壓力還不穩定，這與電纜地層測試的井下環境有很大的不同。有利的方面是泥漿侵入比較淺，在較短的時間內就可以抽吸到原始地層流體；不利的方面是泥漿還在繼續侵入地層，導致地層壓力不穩定，壓力測試的可重復性和可靠性是一個挑戰。因此，在測試過程中需要實時監測數據的質量，在后續數據處理解釋時也需要考慮泥漿侵入對測試數據的影響。

圖1 隨鉆地層測試器的結構原理圖

2 隨鉆地層測試器的工作原理

2.1 現場操作原理

在決定對某儲層測試之前，首先上下移動鉆桿釋放扭矩，防止在預測試過程中儀器發生移動造成坐封失敗或者探針損壞。通過總的單根儀器長度和測井曲線（GR曲線）進行深度校正，使儀器準確停靠在待測試的深度上。密封膠墊坐封后通過探針抽吸地層流體，一般7～10min即可完成壓力測試。如果在測試過程中發生液壓動力故障，探針可自動進行回收，防止儀器卡在井下。測試過程中地層流體通過探針進入儀器中，在地層中形成一個壓力脈沖（壓力降），根據流速和探針的內徑可有效確定地層的測試范圍，壓力降的方程見式（1）［5］。當儀器探針內徑為1.0cm，并以10mL／s的流量抽取地層流體，當流壓的變化范圍為2～5 000psi＊＊非法定計量單位，1ft＝12in＝0.304 8m；1psi＝6 894.757Pa；1 mD＝9.87×10－4μm2，下同。時，測量的地層滲透率范圍為0.5～1 000mD＊。

式中，Δpdd為壓力降，psi；q0為探針的抽吸流量，mL／s；τp為儀器常數，取值為1.37；rp為探針半徑，cm；μ為流體黏度，mPa·s；Kf為地層球形滲透率，mD。

儀器在測試過程中有開泵和關泵2種模式［5－6］。開泵模式為在測試過程中繼續循環泥漿，當井下儀器接收到開始測試命令后馬上執行測試任務，并通過泥漿脈沖信號實時向地面傳送測試數據。關泵模式為在測試過程中停止循環泥漿，井下儀器在接收到開始測試命令，停泵以后才執行測試任務，再次開泵以后將測試的數據傳送到地面。開泵模式是一種理想的模式，能夠及時獲得測試數據，并對其進行處理和分析，而且泥漿不斷地循環有利于防止井眼垮塌和儀器卡死。但是開泵模式容易引起儀器的震動，使密封失效，從而導致測試的失敗。在實際工作中，當井下儀器連接旋轉導向鉆具時采用開泵模式，當連接導向馬達時采用關泵模式。

2.2 數據處理方法

隨鉆地層測試和其他隨鉆測井方法（如隨鉆電磁波測井和隨鉆聲波測井）在測量過程上有所不同，其他隨鉆測井方法在地面安裝鋰電池后儀器立即開始工作，并在井下旋轉鉆進中不停地測量地層參數；而隨鉆地層測試是在儀器靜止狀態下通過地面發出指令進行儀器坐封、抽吸地層流體，通過壓力變化測量地層參數，測試完成后回收探針，解除坐封，準備第2次測試。因此測試過程中需要地面人員通過泥漿脈沖信號頻繁地向井下儀器發送命令，Geo－Tap儀器利用專門的地面設備（Geo－Span）通過泥漿負脈沖向井下儀器發送命令。

由于泥漿脈沖傳輸信號速度慢，僅傳送測量的壓力數據將耗費很多時間，不能對地層和流體進行及時評價，因此需要在井下儀器中編入相應的算法程序，對測量的壓力數據進行處理分析，將計算結果傳送到地面，其中包括地層壓力、地層流度和流體壓縮系數等。Geo－Tap儀器通過球形流分析法推導出式（2）和式（3）［4］，通過多元線性回歸計算出地層壓力pf、時間常數α和壓力常數β；通過式（4）和式（5）能夠計算出地層流度和流體壓縮系數。圖2描述了地層測試壓力變化的整個過程。其中，Kf為地層滲透率；μ為流體黏度；cf為流體壓縮系數；rp為探針半徑；τp為儀器常數，值為1.37；q0為探針抽吸流量；t′＝t－Δt；phydr1為測前泥漿的壓力；pset為儀器推靠時的壓力；pdd為停止抽吸流體的壓力；pstop為恢復停止時的壓力；phydr2為回收探針后的泥漿壓力；△tdd為壓降的時間；Δtbu為壓力恢復時間。

圖2 隨鉆地層測試壓力變化過程

2.3 Geo－Tap儀器的主要參數

Geo－Tap 6.75in型隨鉆地層測試儀器結構見圖3。儀器長度為27ft，儀器外徑為6.75in，對應的內徑為1.9in，可以應用在8.5～9in的井眼，經校正可以應用在10in的井眼；儀器結構比較簡單，具有1個探針，半徑為0.22in；1個圓形坐封膠墊，外徑為2.25in，內徑為0.75in；10mL的預測試體積能使壓降最大達到5 000psi，并且1次下井能測試150個壓力點，可以現場維護密封膠墊、濾網和探針等；儀器在井下工作的溫度范圍為－20～150℃，儀器最大耐溫為165℃；儀器的最大狗腿度在旋轉時為8°／100ft，滑動時為21°／100ft。

測量地層溫度為0～150℃，精度為±1℃；地層壓力測量范圍為2 000～20 000psi，實時壓力數據精度為0.1psi，存儲壓力數據精度為0.01psi，儀器最高耐壓為25 000psi；預測試體積為10mL，管線體積為42mL，流型系數為1.37，抽吸流量為1 mL／s，測量地層滲透率為1mD～1D。

3 應用情況

隨鉆地層測試器是在電纜地層測試器基礎上開發的，除了具有流體取樣、壓力測量和溫度測量等功能外，具有實時測量地層孔隙壓力、優化鉆井泥漿、保障鉆井安全的功能。通過多點壓力測量計算壓力梯度，用于識別流體界面、判斷儲層間的連通性，進行地質導向。適用于大位移井和水平井的地層測試，節省鉆井時間和后續電纜地層測試的花費，避免鉆井后由于泥漿的侵入使泥巖膨脹造成電纜地層測試儀器卡在井下等問題，有效防止儲層出砂和超壓等問題［7－10］。

3.1 實時測量地層壓力

電纜地層測試器被公認為測量地層壓力最準確的測井儀器。相對于電纜地層測試器，隨鉆地層測試器具有在鉆井過程中實時快速測量地層壓力的特點，能夠指導鉆井工程師優化鉆井參數，合理調配鉆井泥漿，保障鉆井安全。多年來實踐證明發生鉆井事故的一個主要原因就是對地層壓力估算不足，或者泥漿比重過低，發生井涌井噴；或者泥漿比重過大，造成儲層傷害，影響油氣開采。

3.2 通過壓力梯度的計算識別流體界面

隨鉆地層測試器利用其測量不同深度上的地層壓力，通過數據回歸繪制地層壓力剖面圖，地層深度和壓力之間的相關關系曲線形成壓力梯度線。對于同一壓力系統，不同深度測量得到的壓力數據理論上呈線性關系，直線的斜率為該地層的壓力梯度，壓力梯度通過式（6）［11］換算就可以得到儲層流體的密度值。

式中，p為原始地層壓力；ρ為流體密度；g為重力加速度；Z為垂直深度。

由于油、氣、水的密度不同，在儲層流體壓力系統上表現為壓力梯度的差異。通過油氣水界面的識別，可以及時指導鉆進，服務于地質導向和后續的完井作業。壓力梯度用來研究已開采儲層的地層能量和判斷儲層間的連通性，為儲量計算和油氣田開發提供參考依據。

3.3 儲層流度的計算

根據預測試的壓降和壓力恢復曲線可以計算地層的流度。地層的流度等于地層的滲透率與流體黏度的比值，由流體黏度計算地層滲透率。式（7）是壓力降計算流度的公式，式（8）是精確的球形流流度計算公式，通過壓力恢復曲線和參數α、β計算得到地層流度。除了低滲透率儲層，這2種公式計算的流度值是非常接近的。

式中，q0為抽吸流體時的流量，mL／s；Δpdd為地層壓力和最大壓力降的差值，psi；τp為儀器常數，1.73～0.95；rp為探針半徑，in；Δtp為壓力降的時間；α為時間常數；β為壓力常數。

4 國內隨鉆地層測試技術的現狀及儀器研發應注意的問題

在隨鉆地層測試儀器方面，國內只有少數幾家單位研制了幾種簡單的井下存儲式井底壓力或環空壓力測試裝置，具有代表性的是大慶鉆井工程技術研究院研制的隨鉆壓力溫度測量系統（SDC－Ⅰ）和由中國石油集團鉆井工程技術研究院自主研發的隨鉆井底環空壓力測量（CPWD）工具。大慶隨鉆壓力溫度測量系統通過自主研制的短鉆鋌型隨鉆井底壓力溫度測試儀器，在鉆井過程中對井底壓力溫度進行測量，并且實時存儲，起鉆后回放數據。由于測量的數據沒有與井深及其他參數的對應關系，需要在原有監測分析軟件基礎上開發配套的分析軟件進行處理和計算分析，從而達到隨鉆測量分析解釋的目的。CPWD系統由CGMWD型隨鉆測量工具、PMS型存儲式環空壓力測量工具和數據連接器組成。CPWD系統能夠為欠平衡井鉆井工程設計與施工提供基礎數據，識別不正常的井下情況以便及時采取補救措施，防止井下復雜情況和事故的發生，指導高難度井的施工，從而提高機械鉆進效率并保證鉆井安全［12－16］。

隨鉆地層測試技術的研制是一個系統工程，它牽涉到諸多門類的學科（機械、液壓、電路、信號處理等）和嚴酷的井下環境。因此研制儀器方案的選擇、具體電路模式和液壓、機械結構的設計都需要有獨到的考慮，同時應該根據我國的油氣儲層的特點。雙封隔器模式結構適合油氣層低孔隙度低滲透率的特點，具有流體取樣和流體實時分析功能，是隨鉆地層測試儀器主要的發展方向［17－22］。

儀器的研制要重視和開展儀器的原理、方法等基礎工作，這將起到事半功倍的作用；信號控制和實時數據處理是隨鉆地層測試的關鍵技術，必須大力進行攻關，反復試驗，可以借鑒國際上成熟的信號控制方法和實時數據處理方法，再根據我國儀器研制的特點提出創新性的方法；傳感器的精度和元部件的耐溫、耐壓和密封等問題將成為儀器在井下能否正常工作的決定性因素；地面系統的穩定性和可靠性是準確接收井下上傳數據和處理實時數據的重要保證。隨鉆地層測試儀器屬于整個隨鉆測井系統的一部分，因此在設計之初就需要考慮同其他隨鉆儀器的配接和通信。

5 結束語

隨著國內外石油勘探開發逐步走向深海，深井、超深井、大位移井等高難度井數量的不斷增加，鉆井的成本和風險也在隨之增加。鉆井過程中實時監測地層壓力，準確評價目標儲層和流體性質，減少鉆井和后續工作的時間是保障鉆井安全、降低鉆井成本的關鍵。因此，隨鉆地層測試技術必將成為未來隨鉆測井領域中的一項重要技術。

隨鉆地層測試相對于其他隨鉆測井方法出現的比較晚，在國外也是比較新的技術。國外各大石油服務公司對相關技術進行壟斷和保密，很難通過購買或轉讓獲得該項技術。隨鉆地層測試技術是隨鉆測量技術和電纜地層測試技術相結合的高科技產品，因此穩定可靠的隨鉆測量技術和先進成熟的電纜地層測試技術是做好隨鉆地層測試儀器的基礎。在國內現有技術的基礎上，應積極借鑒國外的先進技術，并大力開展基礎工作，多家單位進行聯合攻關，從而研發出具有自主知識產權的隨鉆地層測試儀器。

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Analysis and Consideration of Formation Testing While Drilling Technology

DI Dejia1，2，TAO Guo1，2，SUN Huafeng1，2，YUE Wenzheng1，2
（1.State Key Laboratory of Petroleum Resources and Prospecting，China University of Petroleum，Beijing 102249，China；2.Key Laboratory of Earth Prospecting and Information Technology，China University of Petroleum，Beijing 102249，China）

Simply summarized is the advancement of formation testing while drilling（FTWD）technology.Taking the Geo－Tap tool as a prototype model，analyzed are the principle，technical features，operating principle and tool parameters as well as its future applications in oilfield exploration and development.In addition，introduced is current status of FTWD technology and discussed is the primary difficulties and highlights to develop the technology in China.In China，measurement while drilling（MWD）and wireline formation testing（WFT）tool’s performance and reliability fall behind western companies tool’s.Double－packer mode structure with fluid sampling and real－time analysis function is the main development direction of FTWD tool，which is suitable for China’s oil and gas layer characters with low porosity and permeability.By improving MWD and WFT technology，we should combine all the research and development departments in China to work together closely to learn and analyze the western latest technology，and develop FTWD tool with independent intellectual property.

logging while drilling，formation testing while drilling，formation pressure，fluid interface

TE927.6

A

2011－12－13 本文編輯 余迎）

1004－1338（2012）03－0294－06

邸德家，男，1980年生，博士研究生，主要從事應用隨鉆測井和電纜地層測試器方面的研究工作。