非接觸式隨鉆地層壓力測試方法

黨 博，楊 玲，張 雄，陳 嬌，王 宇

（西安石油大學光電油氣測井與檢測教育部重點實驗室，陜西西安，710065）

非接觸式隨鉆地層壓力測試方法

黨 博，楊 玲，張 雄，陳 嬌，王 宇

（西安石油大學光電油氣測井與檢測教育部重點實驗室，陜西西安，710065）

地層壓力是保障安全鉆井的重要參數，但要想準確地獲取地層壓力有很大的難度。本文從數字球形聚焦電極系出發，通過與鉆桿的相互結合，形成一種以電極系為探測系統的電阻率測量系統，在隨鉆過程中測量泥漿侵入地層的徑向深度，由壓力平衡原理出發，結合井筒壓力和泥漿侵入深度，給出了地層壓力的計算方法。上述過程的關鍵問題是泥漿侵入深度的測量，論文在給出總體思路的同時，研究了數字球形聚焦電極系統的相關理論和實現方法。

地層壓力；隨鉆；泥漿侵入深度；球形聚焦電極出

0 引言

地層壓力的事先未知性對鉆井作業帶來很大的風險：當井筒內的泥漿壓力高于地層壓力時會造成井漏，漏失嚴重時泥漿完全失返，導致鉆井作業無法進行，帶來經濟損失的同時，也污染了地層；當泥漿壓力低于地層壓力時，會發生井噴或溢流，引發安全事故，嚴重威脅工作人員生命和井場財產安全。由此可見，準確測量地層壓力并調整泥漿密度對保證鉆井作業的安全有重要的意義。雖然完井前根據多種裸眼井測井儀器所獲取的綜合參數可以估算出地層壓力[1]，并可評價產能，但裸眼井測井在多數情況下關注的重點是泥漿侵入對儲層的影響，所獲取的泥漿侵入深度[2-4]可用以估算地層壓力，但實測的侵入深度是最終的侵入深度，無法與實時的井筒壓力相對應。在生產過程中，利用生產數據也可間接計算出地層壓力[5]，并指導生產，但上述方法對保障鉆井作業的安全性起不到指導作用，鉆井作業需要實時獲取地層壓力，以及時調整泥漿密度，保障安全作業，因而隨鉆過程中的測量就顯得在非常重要。

國外對隨鉆地層壓力的測試工具主要有三種[6-8]：斯倫貝謝公司公司的Stetho Scope 系統、哈利伯頓公司的Geo-Tap 系統和貝克休斯公司的TesTrak 系統。斯倫貝謝公司的Stetho Scope 系統采用壓力探頭測量地層壓力，該探頭在液壓活塞的驅動下與地層接觸，通過獲取地層流體的方式測量地層壓力，測量時間約需5 min。哈利伯頓公司的Geo-Tap系統基采用了電纜型極板和壓力探頭測量地層壓力，可以在5~7 min內獲得精確的地層壓力，且可以在任何井斜及開泵或關泵條件下都可進行測試。貝克休斯公司的TesTrak 系統采用的方法類似于電纜式地層測試器，在測量時通過極板密封部件將一部分井壁封隔開，在泵抽排系統的作用下測量壓降和壓力恢復時間，以此確定地層壓力。國內大慶油田于2009年研制了SDC-1隨鉆地層壓力測試器[9]，主要組成部件包括脈沖發生器、發電機、整流驅動模塊、控制模塊、電動機、液壓驅動模塊、伸縮機構、油箱等，地層壓力的測試需在伸縮機構、液壓機構、動機構和控制系統的作用下完成。

上述國內外隨鉆地層壓力測試系統的共同特點是采用了接觸式測量體制，優點是對地層壓力的測量較為直觀，缺點是結構復雜，需要液壓、推靠、封隔及控制系統等部件。設法簡化測試系統的結構，在隨鉆環境下實現非接觸式測量，不僅有利于降低成本，也可提高可靠性?；谏鲜鏊枷?，本文探討一種數字球形聚焦電極系用于地層壓力測量的可行性。所述球形是指分布在鉆桿上的360°環形電極所產生的電流場是球狀的，聚焦是指通過工作方式和電極環的布局迫使電流流向地層深處，數字球形聚焦的基本思想是在硬件結構的基礎上，通過軟件方式實現聚焦，即分時發射測量電流和聚焦電流，從軟件和理論上計算出地層的電阻率。泥漿侵入地層后，由于泥漿中多種導電離子的存在，必然引起地層電阻率的變化，因而通過電阻率的測量可確定泥漿侵入深度，進而結合井筒壓力等參數求取地層壓力。

1 泥漿侵入深度與地層壓力的關系

泥漿對地層的侵入是一個非常復雜的過程，侵入深度受到多種因素的影響，其中最為重要的是井筒內泥漿壓力和地層壓力，二者的壓力差直接影響到侵入深度。此外，還與地層物性、儲層流體性質、泥漿粘度、地層孔隙度、滲透率、泥漿與儲層流的體密度差、毛細管壓力以及不同礦化度的液體擴散對流等因素有關?？紤]孔隙度、滲透率、泥漿粘度等主要因素的影響，在隨鉆而不考慮時間效應的情況下，參照文獻[10]給出的計算公式，泥漿的侵入深度可表示為：

式中，R是從井軸算起的泥漿徑向侵入深度，eΦ是地層的孔隙度，mcK 是滲透率，η是泥漿粘度，k是系數，cr是井眼半徑，? p (z )是垂直深度z處的泥漿壓力 Pm(z)和地層壓力 Pe(z)的差值，即：

由此可得地層壓力為：

上式中的侵入深度R是未知的，可由數字球形聚焦系統測出。對水基泥漿，其導電性受泥漿中多種導電離子的影響，多表現為低侵特征，即泥漿電阻率小于地層電阻率，測量系統體現的是低電阻率特性，其侵入深度可表示為[11]：

式中mρ是泥漿電阻率，pZ是數字球形聚焦系統測量出的泥漿侵入帶阻抗。將（4）式代入（3）式得：

由此可見，根據任一井深Z處的泥漿壓力，結合相關的地層參數及徑向阻抗，便可獲取到地層壓力，而徑向阻抗是由數字球形聚焦電極系測量的。

2 球形聚焦電極系

球形聚焦電極系由多個360°的環形金屬導電環組成，用于隨鉆地層壓力測試時，這些金屬環與鉆桿通過絕緣材料與金屬鉆桿絕緣，結構如圖1所示。

其中 A0為主電極，A1L、 A1U為輔助電極,M0L、 M0U為測量電極，M1L、 M1U及M2L、 M2U為監督電極。這些電極對稱地排列在主電極 A0的兩側。主電極 A0流出的電流分兩部分，一部分流入回流電極B（圖中未畫出），稱為主電流 I0，另一部分流入輔助電極 A1L、 A1U，稱為聚焦電流Ib。在測量時，自動調節I0和Ib，使監督電極之間的電位差等于零，并使測量電極 M0L、 M0U與監督電極之間的電位差等于給定值。由于監督電極之間的電位差等于零，因此可以認為，監督電極附近相當于有一個“絕緣塞”，它阻止電流向井軸流動的同時迫使其流向地層深處，即實現聚焦。在監督電極與主電極之間，有輔助電極 A1L、 A1U，所以聚焦電流Ib主要在井眼內流動。由于0I和bI的相互作用，主電流0I被排斥而大量地進入電阻率為mρ的侵入帶中，如侵入帶電阻率mρ不變化，則侵入帶可認為是均勻介質，所以主電流0I流向B電極的電流線向四周均勻散開而呈輻射狀，其等位面近似看作圓球形，即球形聚焦。聚焦電流bI的變化反映了泥餅和井液的電阻率，0I的變化反映了侵入帶的電阻率。由于各電流和電壓可以通過儀器內部的電路測出，因而也就可以求出電阻率。

圖1 球形聚焦電極系

3 數字聚焦

圖1所示聚焦電流bI和主電流0I是理想的情況，實際的bI不可能完全匯聚在輔助電極上，在這種情況下，監督電極M1、M2兩個電極間的電位差12mmU?可表示為：

測量電極M0與監督電極M1、M2兩電極中點的電位差U0可表示為：

其中aZ、bZ分別表示主電流和聚焦電流發射時監督電極M1、M2之間的等效阻抗，cZ、dZ分別表示主電流和聚焦電流發射時測量電極M0和監督電極M1、M2中點之間的等效阻抗。

只有主電流發射引起的電流回路才能達到泥漿侵入帶，而聚焦電流主要體現井眼的電阻率，為此，由式（6）和（7）消除聚焦電流bI后可得：

實現聚焦的關鍵是使調節系統結構和電氣參數，使監督電極式M1、M2之間的電壓為0，這時由式（8）可求得泥漿侵入帶的阻抗為：

式中K為等效阻抗與實際阻抗的換算系數，也稱為儀器常數，是由聚焦電極系統的結構確定的，可由各電極間的距離求出[11]。

在實際應用時，為了簡化結構，提高可靠性，通常采用數字方式實現聚焦，其基本思想是從結構和電路上保證監督電極M1、M2之間的電壓為0的情況下，分時發射主電流和聚焦電流。當主電流I0和聚焦電流 Ib分別為0時，可由（6）和（7）式求得：

以上各電壓U的上標（0）和（b）分別表示主電流0I和聚焦電流bI單獨發射時所產生的電壓。將以上各等效阻抗代入式（9）得：

這就是（5）式所示泥漿侵入深度中阻抗pZ 的計算式。式（10）中的電流和各電壓均可由測量電路直接測出，從而計算出pZ。

根據地上述思想，經過多年的研究，已經開發了相關的測量電路，加工了數字球形聚焦電極系芯棒，可望在形成室內樣機的基礎開展相關的試驗。

4 主要結論

（1）論述了非接觸式隨鉆地層壓力測試的可行性和實現方法，其理論依據是泥漿侵入深度取決于地層壓力與井同筒內泥漿壓力的差值，而泥漿壓力是由泥漿密度和井深決定的，是可測的，因而確定地層壓力的關鍵是泥漿的侵入深度。

（2）泥漿侵入后，地層電阻率將發生變化，對低侵地層，采用電流回路法對侵入深度測試所體現的主要特征是低阻特性，即低侵地層的電阻率體現的是泥漿的電阻率，因而確定侵入深度的關鍵是測量徑向電阻率的變化。

（3）泥漿侵入地層后的電阻率可由數字球形聚焦電極進行測量，論文給出了數字球形聚焦電極的結構，論述了測量原理，推導了由電極系中相關電流和電壓表征的電阻率的計算公式。

（4）幾年來對具體電路和聚焦電極系的研究展現了非接觸式地層壓力測量的前景，與國內外現有接觸式測量系統相比，結構簡單，不需要液壓、推靠等部件，可靠性方面的優越性明顯，不再是點測方式，可連續測量全井段的侵入深度。

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Non-contact While Drilling Formation Pressure Testing Method

Dang Bo, Yang Ling, Zhang Xiong, Chen Jiao, Wang Yu
(Key Laboratory of Education Ministry for Photoelectric Logging and Detecting of Oil and Gas, Xi’an Shiyou University, Xi’an Shaanxi, 710065)

The formation pressure is an important parameter for safety drilling, but it is very difficult to get the formation pressure accurately This article focuses on the digital spherical focusing electrodes combined with each other through the drill pipe In order to form a detection system , the electric dipole resistivity measurement system is suggest, and it is used to measure the radial invasion depth of drilling mud in the process of drilling Based on the principle of pressure balance and the fact that wellbore pressure is associated with mud invasion depth, the formation pressure computation method is established Moreover, the measurement method of mud invasion depth is solved by the resistivity which is measured by the digital spherical focusing electrode system

Formation Pressure;While Drilling;Mud invasion depth;Spherical Focusing Electrode

資金項目：國家自然科學基金資助項目（51504194）；陜西省教育廳重點學科研究計劃（重點實驗室）項目（17JS106）；西安石油大學博士科研啟動項目（2015BS27）。