隨鉆地層壓力測試探討

胡更會

（中海油田服務股份有限公司，天津 300452）

1 研究目的及現狀

1.1 研究目的及意義

隨鉆地層測試技術在石油工程中有很大的應用前景。在鉆井過程中可通過該項技術合理確定當量鉆井液密度、確定合理的套管下深、制定合理的鉆井方案。在鉆遇高壓地層時，尤其是高壓氣層時通過隨鉆測井探測地層壓力，能夠隨時調整鉆井方案，有效避免卡鉆、井漏甚至井噴事故[1]。在油藏工程中利用可建立地層壓力剖面，獲取地層流體信息后通過計算流體密度的方法來識別流體。在未開發地層利用該技術還能估算該區塊油氣產能，為合理開發油藏做準備[2]。

1.2 國內外技術現狀

20 世紀中，盡管無法實現隨鉆測井但逐漸出現了鉆桿測試器（DTS）和電纜測試，在當時還是代表了該領域最高水平。但其測試過程復雜且大位移井和水平井中的下入困難。20 世紀末，阿特拉斯公司首先推出電纜地層測試器（RFT），而后斯倫貝謝公司又研制出模塊式地層測試器（MDT）[3]。

21 世紀基于鉆桿地層測試和電纜地層測試，開展的隨鉆地層測試技術在理論研究和現場實際應用中取得了極大的成功。其中最具代表性的有：2002 年哈里伯頓研制出Geo-Tap 地層壓力測試器并在世界各地進行了12 次現場測試，于2003 年投入商業應用；斯倫貝謝公司也于2005 年推出了三個系列的StethoScope 隨鉆地層壓力測量儀[4]。

2 地層壓力測試理論模型

2.1 壓力波動過程

隨鉆地層壓力測試在電纜測井基礎上發展而來一般是采用單探頭模式。由于探頭體積小，在無限大地層環境下燮制面積也極小，液樣腔的容積小致使實際測試時抽吸的地層流體流量也很少，假設地層無限均質，便可以把探頭看作點源，在彈性驅動方式條件下形成從以探頭為中心的點源開始并向外傳播的壓力模型。若把以點源為中心的球面作為等壓面，則進入測試探頭的流體形成平面徑向流，流動方向基本上垂直等壓面[5]。

壓力恢復的時，在空間來看在探頭探針部位會形成3 個球形的連通區域（如圖1 所示）：（1） 流量不隨探測距離r 變化的的區域B 區；（2） 壓力穩定的區域D 區；（3） 位于B和D之間的C球形區，在C 區流量從近B區到近D區形成穩態值逐漸減小為零的流動狀態。圖1所示E 區為井筒，半球形A 區是探頭燮壓產生的。當有足夠長的時間讓壓力變化時，2 個相鄰邊界從球形探測區移開，從而產生一個穩態壓差。

圖1 壓力波動剖面圖

假設地層無限均質，便可以把探頭看作點源，在彈性驅動方式條件下形成從以探頭為中心的點源開始并向外傳播的壓力模型。

2.2 平面滲流數學模型

假設：地層無限均質，并且滿足線性穩定達西滲流規律，見圖2。

圖2 線性穩定達西流示意圖

由線性達西公式得

在之前假設條件下，地層流體在地層中流動是一空間內的球形穩定滲流過程。隨鉆測壓時滲流速度v 為一定值，在儲層空間內被測流體速度矢量和不會發生變化，加速度之和為零。故有

公式（6）中C1和C2不確定，在以上假設的邊界條件下對式（6）進行積分，消除C1和C2，可將穩定滲流下的壓力分布規律表示為

由于該壓力測試過程是在鉆進時完成的，存在泥漿循環擾動，所以流體不可能形成球形的流體流動方式。由于井眼泥餅、井眼尺寸不規則和地層不均質性存在影響，探測器將地層流體與理論值存在出入。未消除此類影響因素可使用形狀因子C 來表示，這時探測器的地層流體吸入流量qf公式為

式中：qf- 吸入探測器的體積流量；C- 形狀因子；rp- 有效探測半徑。

全球形時C=1，半球形時C=0.5。對于均質地層，井眼尺寸相對探頭探針尺寸極大，因此井眼對測試結果的影響也很小。由測井文獻經驗，當ri/rw＜0.05，一般取有效形狀因子C=0.775，rp=2ri/π≈0.5ri，其中ri為探頭有效半徑。

在公式（11）中帶入有效C，可得

方程（13）給出P（t）與地層流量關系，若測得多個地層流量下的壓力值回歸成地層比率分析數據，p（t）值井下儀器實時監測，間接計算可得qf值，便可以此估算出地層流動系數k/u 和地層壓力P*。由液樣腔內流體體積守恒，可得

式中：qac- 液樣腔內流體體積量；qf- 地層流體流入量；qdd- 活塞排出量。

流體在液樣腔受熱受壓體積會發生一定變化，引入等溫壓縮系數（Ct）概念，由于液樣腔內可能是油氣水混合物，微可壓縮流體。因此Ct表示為：

考慮到流體微可壓縮性質后液樣腔內流體體積可以表示為

式中：P(t)- 探頭內的壓力；P*- 原始地層壓力；ri- 探頭半徑；μ- 地層流體粘度；k- 地層有效滲透率；Vsys- 流程管線體積；Ct- 流體壓縮系數。

在應用公式（19）時未知地層流體壓縮系數Ct，因此并不能實際計算出儲層巖石滲透率k 和地層孔隙中流體粘度μ，但是利用該公式卻可以求得表征地層流體滲流特性的重要參數流動系數。

2.3 數據自動處理理論模型

在實際數據處理過程中由于引入了時間常數a 和重建幅度β 的概念，數據處理模塊完成的計算遠復雜于此。時間常數a 通常用來決定流體的壓縮系數（Ct），重建幅度β 和時間常數a 共同決定滲透率（k）。在通常情況下探測器液樣腔的流體通過探頭吸入是可能夾雜鉆井泥漿等而非純液體，因此此時計算出的Ct并不能絕對反映該流體性質。為減小甚至消除非純液流影響，可以在地面選取不同流體樣品配制成不同配比的混合液做試樣分析預測試。

2.4 預測試原理

預測試階段，通過連通管提取地層中的少量流體，然后以一定速度加入測試工具，這樣導致的壓力脈沖叫預測壓降。最大的壓降壓力脈沖可以由熟知的[4]球形流動方程（20）決定

當△PDD是T=∞7 時的最終壓降。此后壓力系統未受影響的區域壓力波又會向壓力下降區域傳播，從而形成一個壓力回復重建過程，在此過程中測試壓力又會逐漸上升最后趨于穩定。時間常數a 通常用來決定流體的壓縮系數（Ct），重建幅度β 和時間常數a 共同決定地層流動系數k/u。

3 國內外應用實例

隨鉆地層測壓技術在油藏工程和鉆井工程中均有很好的應用前景。在油藏工程中利用該技術可建立地層壓力剖面，獲取地層流體信息后通過計算流體密度的方法來識別流體。在未開發地層利用該技術還能估算該區塊油氣產能，為合理開發油藏做準備。在鉆井過程中利用隨鉆測壓技術可以實時取得地層壓力數值，合理確定當量鉆井液密度、確定合理的套管下深、制定合理的鉆井方案。尤其是在高壓儲層，利用該技術可以有效避免有效卡鉆、井漏甚至井噴事故，節省鉆時，節約鉆井成本。

SDC-I 隨鉆測壓裝置同樣有鉆具送入測量部位，經深度校核后，在測試深度由地面開關泵的時間序列喚醒待測狀態的儀器，進而開始測試。在此次測量中計劃測點16 個，但其中2 個測點位置由于井下儀器未能成功識別泥漿脈沖信號導致測量失敗，其余14 個測點測量結果誤差均在可燮范圍內。

4 結論與總結

近年來海洋鉆井越來越多，但方面因素限制了海洋鉆井不可能有與陸地鉆井相媲美便利的條件。海洋鉆井單井油氣產量高、經濟收益好，但原始地層壓力大、區塊認識程度相對較低、地質構造復雜多變，也為優質、安全、快速的優快井項目提出了極大挑戰。在鉆進過程中實施隨鉆地層壓力測試實時獲取地層數據從而確定鉆井液性密度和套管下深，適時調整鉆井方案，保證正常鉆進有極大幫助。且在鉆進時實施測井，避免了后期測井時有可能發生的事故，節省了開支。

隨鉆技術經過了十多年的發展，技術和設備均有很大程度的提升。測試技術也日漸成熟，經研究國內外隨鉆測壓工具，可得出以下結論：

（1） 隨鉆地層壓力測試基本原理基于不穩定試井的球形滲流模型，該模型相對精度高，利用多元線性回歸便于計算機編程實現自動處理。

（2） 隨鉆地層壓力測試的實例表明球形滲流模型和測壓傳感器滿足測試精度要求。

（3） 國內外隨鉆地層壓力測試設備測試結果表明目前國內測壓裝置精度不很高，尺寸系列唯一，還不能實現商業運營。