地層壓力模擬測量短節研制*

錢德儒 鄭俊華 高潤峰 王磊

(1.中國石化石油工程技術研究院 2.中國石化華北油氣分公司)

0 引 言

隨鉆獲取地層壓力數據可及時調整鉆井液密度，防止井涌、井噴及井漏，優化鉆井工藝，降低鉆井風險，還可摸清已開發油氣藏壓力衰竭情況，為井位布置提供依據。隨鉆測量地層壓力，鉆頭剛鉆開地層即進行測試，鉆井液對所測地層污染小，能更好地反映地層壓力真實狀況，測量精度高，也解決了電纜地層測試器在大斜度井、大位移井中下入難及測量耗時等問題，降低了潛在風險。

國外著名油田服務公司推出了地層壓力隨鉆測量儀器，具有代表性的有Halliburton公司的GeoTap測量儀，可在任意井斜條件下測試地層孔隙壓力，其動力來自自身攜帶的電池組，在開泵或停泵條件下都可進行測試，電源容量可以滿足150個點的測試要求。Schlumberger公司的StethoScope測量儀、Baker Hughes公司的TesTrak測量儀及Weatherford公司的Pressure Wave Formation Tester系統都進行了商業化應用。國內西南石油大學、中海油田股份有限公司和大慶鉆探鉆井工程技術研究院也推出了地層壓力隨鉆測量儀器，并進行了現場試驗。中國石化石油工程技術研究院研制出地層壓力隨鉆測量原理樣機[1-4]。

地層壓力隨鉆測量系統與其他井下儀器相比，涉及機械、電子、液壓等3種學科，內部空間有限且集成大量部件，技術難度大，加工風險高。為開展地層壓力隨鉆測量技術研究，本文首先進行了模擬測量短節的研制，對微型液壓系統等關鍵技術開展攻關研究，驗證了測量原理的正確性和儀器功能的可靠性，以期為工程樣機的研發打下堅實基礎。

1 地層壓力測量原理

鉆進過程中地層壓力隨鉆測量儀器實時監測環空壓力ph1。鉆進到目的層后，儀器收到地面下傳指令，液壓系統啟動。在液壓系統驅動下，探頭從測量儀器內伸出，與井壁形成可靠的密封，測試腔壓力小幅度增長為pdd。地層流體測試模塊抽吸地層流體，測試腔內壓力降至pfu。在壓差作用下，地層流體向壓力較低的測試腔體內流動，直至恢復至地層壓力ps。最后探頭與抽吸活塞復位，將地層流體排至環空。測試腔壓力恢復至環空壓力ph2。ph1應與ph2相等，測試結束。地層壓力測試曲線如圖1所示。測試原理是研發地層壓力隨鉆測量儀器的理論基礎，也是模擬測量短節室內試驗結果的判別依據。

圖1 地層壓力測試曲線Fig.1 Formation pressure test curve

2 技術分析

2.1 測量短節組成

由測量原理可知，要實現地層壓力的測量，短節內需有電控模塊控制微型液壓系統驅動探頭與抽吸活塞，實現探頭伸出、坐封、抽吸、解封和復位等動作。同時需要數據采集模塊實時監測存儲環空壓力、管柱壓力及井底溫度等數據。模擬測量短節組成如圖2所示。

1—短節本體；2—油箱；3—微型液壓系統；4—電控及數采模塊；5—地層流體抽吸模塊；6—探頭；7—推靠臂。

2.2 短節本體設計

測量短節本體是機械、電子、液壓部件的載體，也是鉆井液通道，需具有足夠強度傳遞鉆壓和扭矩，設計及加工難度大，主要存在以下難題。

(1)集成部件數量多。測量短節內部空間有限且安裝了微型液壓系統、電控模塊、數據采集模塊、測量探頭和傳感器等大量部件，部件布局及集成難度高。

(2)內部孔道種類多。本體內有鉆井液、液壓油及地層流體3種流體通道及引線孔道，共4種類型，且大多為細小深孔。由于個別部件布局需要，有些孔道設計成斜孔，加工風險與難度極大。

(3)結構強度要求高。本體除了作為部件及流道載體外，還要有足夠強度傳遞鉆壓和扭矩，保證鉆井安全。由于工作環境惡劣，對探頭和抽吸活塞等部件動密封性能要求高。

針對上述問題，從本體結構、材料和設計方法入手，形成如下解決方案：

(1)采用三維可視化虛擬設計建立數字樣機模型，確定關鍵模塊安裝位置、集成方式及開設孔道大小、深度與間距。通過軟件靜態與動態檢測，檢查部件間隙、對齊及干涉情況，直觀地顯現本體內部不易發現的應力集中區域。可對三維虛擬樣機進行反復檢測、修改、優化，直至形成較佳方案，再通過仿真分析加以驗證，縮短了設計周期，降低了設計風險。

(2)采用高強度耐腐蝕機械材料加工短節本體，材料屈服強度大于890 MPa。由于具有較好的耐腐蝕性能，避免產生銹蝕雜質混入液壓油而損壞液壓元件。在1 000 kN拉力及30 kN·m外載荷作用下，經仿真分析本體內部最大應力463 MPa，安全系數2.1，滿足設計要求。在鉆井液流量30 L/s、密度1.2 g/cm3條件下，短節壓耗0.5 MPa[5-8]。

(3)由于探頭與抽吸活塞是往復運動的受力部件，且動密封元件與含有雜質的地層流體直接接觸，所以對密封件的選用及活塞、缸體加工精度有較高要求。為保證20 MPa壓差作用下動密封性能，使用星形密封等特殊組合密封件，防止密封元件在溝槽內扭曲翻滾，提高惡劣環境下的動密封性能，并采用分體式方法設計活塞缸體，避免直接在本體上加工高精度結構要素，降低了加工難度與風險，節約了成本。設計完成的模擬測量短節本體如圖3所示。

圖3 測量短節本體Fig.3 Gauging nipple body

2.3 微型液壓系統研制

液壓系統是測量短節的核心功能模塊，由電機、液壓泵、溢流閥、電磁閥和液壓鎖等部件組成，驅動探頭伸出、坐封、抽吸、解封、復位。測量短節內部空間狹小，液壓系統集成難度較大，為縮小系統體積，采用如下技術方案。

(1)優選插裝式液壓閥。插裝式液壓元件體積小、結構緊湊，不帶閥體。不同功能的閥可插裝在一個油路塊中，便于集成化。

(2)油路集成塊模塊化設計。設計了模塊化的油路集成塊，集成塊既是插裝閥的載體，也是液壓閥油路通道的載體，液壓閥間的通道通過集成塊內部油孔連通，把各集成塊拼接起來即實現整套液壓系統的安裝，無明管連接，占用空間小，便于模塊化設計，安裝維護簡便。研制的電磁閥油路集成塊如圖4所示[9]。

圖4 電磁閥油路集成塊Fig.4 Electromagnetic valve oil way integration block

基于以上方法將液壓系統外徑限制在70 mm以內，長度500 mm。優選高輸出壓力微型液壓泵及插裝式溢流閥，使液壓系統額定輸出壓力達到了20 MPa，為探頭與井壁密封提供了充足的推靠力。整套微型液壓系統如圖5所示。

圖5 微型液壓系統Fig.5 Micro hydraulic system

2.4 主要技術參數

本體長度：1 900 mm；

本體外徑：178 mm；

過流面積：≥20 cm2；

最大扭矩：30 kN·m；

最大鉆壓：1 000 kN；

工作溫度：125 ℃；

工作壓力：70 MPa；

測壓范圍：0.1～100.0 MPa；

測壓精度：0.1% FS。

3 室內測試

為了在室內考察測量短節耐溫、耐壓性能及測試原理的正確性，研發了地層壓力測量模擬試驗裝置。模擬測量短節通過該裝置可以進行耐溫、耐壓及地層流體抽吸試驗。

3.1 地層壓力測量模擬試驗裝置

試驗裝置組成如圖6所示。該裝置可模擬環空壓力、井底溫度、不同巖性的地層及地層壓力。

圖6 模擬試驗裝置組成Fig.6 Composition of simulation test set

測試技術指標為：井眼尺寸?280 mm×2 000 mm；模擬環空壓力0.1～70.0 MPa；模擬地層壓力0.1～70.0 MPa；模擬井眼溫度25～125 ℃。

在模擬井筒外側壁安裝有地層巖心模擬模塊，其內有可更換的巖心，以模擬不同巖性地層。該模塊一端與地層壓力模擬模塊相連，另一端連接模擬井筒內壁。在地層壓力作用下，流體介質可以通過巖心向模擬井筒內滲透，模擬出地層流體滲流過程。試驗時，將測量短節密封進模擬井筒，探頭伸出后正對地層巖心模擬模塊進行地層流體抽吸試驗，驗證測試原理。模擬測量短節測試示意圖如圖7所示[10-15]。

1—環空壓力管線；2—模擬測量短節；3—地層壓力管線；4—地層巖心模擬模塊；5—探頭；6—模擬井筒；7—高溫管線。

3.2 耐溫耐壓測試

使用模擬試驗裝置對模擬測量短節進行了耐溫耐壓測試。在120 ℃、60 MPa條件下液壓系統電機轉速曲線如圖8所示。在溫度、壓力上升過程中，液壓系統運行平穩，受溫度及壓力影響較小，測量短節耐高溫高壓性能良好。

圖8 液壓系統電機轉速曲線Fig.8 Rotary speed of hydraulic system

為了考察探頭對井壁的密封性能及測量短節抽吸能力，使用了低滲透率巖心模擬“干抽”狀態，進行了抽吸試驗，結果如圖9所示。抽吸過程中快速形成壓降，曲線保持平直，說明探頭坐封井壁后無泄漏，在高溫高壓環境下密封性能良好。

圖9 低滲透率巖心抽吸測試結果Fig.9 Suction test of low permeability core

3.3 測量原理試驗

為驗證測量短節測試原理的正確性并考察地層壓力測量的準確性，分別使用高滲、低滲2種巖心進行地層流體抽吸試驗。通過模擬試驗裝置可預先設定環空壓力和地層壓力，再將測量短節的測量值與設定值做對比(見表1)，以評價短節測量的準確性[16]。

表1 測試數據對比Table 1 Comparison of test data

曲線1、曲線2、曲線3分別如圖9～圖11所示。在圖10中，使用模擬試驗裝置設置環空壓力9.5 MPa，地層壓力8.5 MPa。測量短節測到環空壓力10 MPa，地層壓力9 MPa，準確度94%。

圖10 地層壓力測試曲線2Fig.10 Second formation pressure test curve

圖11中，使用模擬試驗裝置設置環空壓力8.0 MPa，地層壓力8.0 MPa。測量短節測到環空壓力7.4 MPa，地層壓力7.7 MPa，準確度96%。

圖11 地層壓力測試曲線3Fig.11 Third formation pressure test curve

將圖10和圖11實測地層壓力曲線與圖1所示的理想地層壓力測試曲線進行對比，實測曲線與理想曲線特征相似，都具有從環空壓力快速降至最低點，然后向地層壓力逐漸恢復的過程，曲線增長趨勢趨于平緩說明壓力達到平衡，此時的壓力即為地層壓力。地層壓力測試曲線也直接印證了探頭產生了推靠、坐封、抽吸流體、復位和解封等一系列設定動作，且測量結果有較高的準確度，驗證了地層壓力測量原理的正確性及測量結果的準確性。

4 結 論

(1)通過對復雜結構短節本體及微型高輸出壓力液壓系統等關鍵技術進行攻關，研制了地層壓力模擬測量短節。

(2)研發了地層壓力模擬試驗裝置。通過該裝置使用不同滲透率巖心測得了地層壓力測試曲線，驗證了模擬測量短節測試原理的正確性，測量準確率可達96%。

(3)模擬測量短節探頭推靠、坐封、抽吸、解封和復位動作，整套動作連貫可靠，與預設動作順序一致。機械、電子、液壓模塊工作匹配合理，具有較好的耐溫耐壓性能。該短節的研制成功為地層壓力隨鉆測量工程樣機的研制打下了堅實基礎。