隨鉆地層壓力測量儀研究新進展

楊川 陳平 夏宏泉 韓雄 馬天壽

“油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程”國家重點實驗室·西南石油大學(xué)

地層壓力是指作用在地層孔隙內(nèi)流體（油、氣、水）上的壓力，亦稱地層孔隙壓力[1]。地層壓力的檢測與預(yù)測對于保障油氣井安全鉆進[2]，提高鉆井效率，優(yōu)化鉆井工藝，降低鉆井成本等都具有重要的指導(dǎo)意義。

傳統(tǒng)的地層壓力信息的獲取方法主要包括：①鉆井前，采用地震法，聲波時差法得到地震資料和聲波測井曲線來預(yù)測區(qū)塊地層的孔隙壓力；②鉆井過程中，采用機械鉆速法、dc指數(shù)法[3]，結(jié)合現(xiàn)場資料（如井漏、溢流時鉆井液的密度，測試資料等）估算地層孔隙壓力；③完井后采用密度測井，電纜測井，試油等測試方法檢測地層孔隙壓力。

隨著鉆井所面臨的惡劣條件（如高溫高壓鉆井，深水鉆井，高含硫化氫鉆井）越來越復(fù)雜，人們迫切需要實時地了解鉆達(dá)地層的孔隙壓力，以確定準(zhǔn)確的地層壓力梯度，探測未知區(qū)塊高壓層，及時調(diào)整鉆井液密度，從而實現(xiàn)高效、安全地鉆進。

隨鉆地層壓力測量儀的研制，利用了鉆井期間的短暫停頓完成測試，實時獲取地層壓力信息，地層受鉆井液濾液侵入影響小，測量精度高，同時解決了大斜度井、水平井中電纜工具下入困難問題，可應(yīng)用于NDS和MPD鉆井系統(tǒng)中。

1 國外研究現(xiàn)狀

目前國外隨鉆地層壓力測量FPWD（Formation Pressure While Drilling）已形成較為完善的系統(tǒng)，早期的測量儀主要為雙封隔器式隨鉆地層壓力測量裝置，以哈里伯頓的 EFPS（Early Formation Pressure System）系統(tǒng)和Panthfinder能源服務(wù)公司DFT（Drilling Formation Tester）系統(tǒng)為主，目前應(yīng)用較為廣泛的是探頭式隨鉆地層壓力測量儀，最具代表性的主要有斯侖貝謝公司的Stetho－Scope系統(tǒng)，哈里伯頓公司的Geo－Tap系統(tǒng)以及貝殼休斯公司的TesTrak系統(tǒng)。

1.1 雙封隔器式隨鉆地層壓力測量儀

雙封隔器式隨鉆地層壓力測量系統(tǒng)由上下封隔器、壓降泵和石英壓力計等組成，它通過鉆井液脈沖遙測技術(shù)將井下測量信息實時傳遞到地面上，經(jīng)多次測試后即可建立較為準(zhǔn)確的地層壓力梯度剖面。早在20世紀(jì)90年代，哈里伯頓公司的研究人員就已經(jīng)開始了隨鉆地層壓力測量儀的研究[4]，其EFPS系統(tǒng)可以在鉆井過程中，利用起下鉆對地層壓力進行一系列的快速測試，通過詳細(xì)的數(shù)值模擬和數(shù)據(jù)解析，測量效果和電纜測井相當(dāng)。1999年，Pathfinder能源服務(wù)公司的DFT測試器作為隨鉆測井系統(tǒng)LWD的一部分，能夠隨鉆測量不同井深的地層孔隙壓力[4]，并通過井下電子控制短節(jié)實時傳遞信息到地面。典型的雙封隔器式隨鉆地層壓力測量儀結(jié)構(gòu)如圖1所示，由兩個封隔器作為鉆鋌的一部分，開始進行測試時，井下鉆井液分流器引導(dǎo)鉆井液通過井下鉆具組合，上下兩個封隔器膨脹坐封，壓降泵將封隔器之間的流體泵出，地層流體在欠平衡的作用下進入封隔器之間，直到封隔器之間的壓力達(dá)到地層壓力。

圖1 雙封隔器式隨鉆地層壓力測試儀結(jié)構(gòu)圖

DFT測試儀利用一次起下鉆可以測量多點壓力，建立地層壓力梯度，確定油、氣、水的接觸面，一次測試的周期一般在20～30min，極大減小了非生產(chǎn)時間。在由道達(dá)爾公司和殼牌，?？松梨诠竞献鏖_發(fā)的英國北海北部的Otter油田中[5]，由于井身結(jié)構(gòu)的特殊性，油井水平穿入儲層段，電纜地層測試需下入鉆桿才能下入井中測量，所以采用隨鉆地層測試器（DFT）下入井中采集地層壓力數(shù)據(jù)，獲得了成功，真實地反映了地層壓力的原始狀態(tài)，幫助實現(xiàn)了有效的決策方案，節(jié)省了鉆井時間。

1.2 探頭式隨鉆地層壓力測量儀

探頭式隨鉆地層壓力測量系統(tǒng)主要由帶有密封墊的活塞探頭、抽吸泵、石英壓力計、電子短節(jié)等構(gòu)成。在鉆進的過程中，利用中途短暫的停歇，地面控制系統(tǒng)傳遞命令到井下激活測試系統(tǒng)，壓力探頭從測量短節(jié)處伸出，與地層接觸，待形成有效密封后，探針打開，抽吸地層內(nèi)流體，利用智能化的閉合環(huán)路控制系統(tǒng)進行一系列壓降測試和壓力恢復(fù)測試，以測得準(zhǔn)確的地層壓力信息。測試數(shù)據(jù)可存儲在井下或通過鉆井液脈沖遙測系統(tǒng)傳送到地面。探頭式FPWD應(yīng)用范圍較廣，可在任何井斜條件下測量地層孔隙壓力，鉆井液循環(huán)與否都可進行測試，系統(tǒng)可采用自帶電池或渦輪發(fā)電機進行供電，一次測試周期僅為5～7min，最大限度的節(jié)省了鉆井時間，節(jié)約了生產(chǎn)成本。

在探頭式隨鉆壓力測量系統(tǒng)中，哈里伯頓公司的Geo－Tap隨鉆地層壓力測量系統(tǒng)是最先成功利用電纜型極板和探頭設(shè)計的隨鉆地層壓力測試器[6]，它通過每一個點進行3次測試，取最穩(wěn)定的值作為該點的最終壓力來進行測量結(jié)果的優(yōu)化。而貝克休斯公司的TesTrak測量系統(tǒng)[7]擁有基本測試和優(yōu)化測試兩種選擇，可以優(yōu)化壓降速率，壓降大小和壓力恢復(fù)時間。同時，還可測量任意井周方向的地層壓力。斯侖貝謝公司的Stetho－Scope測量系統(tǒng)和哈里伯頓的Geo－Tap系統(tǒng)原理相似，通過對預(yù)測試體積和壓降速率進行優(yōu)化后，它在常規(guī)鉆井情況下有較高的測試精度。典型的探頭式隨鉆地層壓力測量儀的測量原理和基本結(jié)構(gòu)如圖2、3。

圖2 探頭式隨鉆地層壓力測量原理圖

圖3 探頭式隨鉆壓力測試儀基本結(jié)構(gòu)圖

從國外隨鉆地層壓力測量儀的調(diào)研分析可知，雙封隔器式測量裝置將鉆鋌坐封在井壁上，雖然探測范圍較大，流體流動模擬比較準(zhǔn)確，但封隔器間的流體抽吸量較大，環(huán)空固相可能被吸進儀器從而堵塞系統(tǒng)；測試時間較長，導(dǎo)致發(fā)生井下復(fù)雜情況的概率增加；封隔器在多次使用后可靠性嚴(yán)重降低，這些問題都限制了它在現(xiàn)場中的廣泛應(yīng)用。而幾大國外油田技術(shù)服務(wù)公司的探頭式隨鉆地層壓力測量系統(tǒng)已經(jīng)各自形成了一套系列[8－10]，已廣泛應(yīng)用于世界各地并推廣，多次指導(dǎo)鉆井，采油作業(yè)，產(chǎn)生了較大的經(jīng)濟效益。其相關(guān)配套的軟件、硬件均具有很好的現(xiàn)場適應(yīng)性（表1）。

表1 FPWD主要技術(shù)參數(shù)表

2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀

國內(nèi)關(guān)于隨鉆地層壓力測試儀器的研究比較晚，近幾年經(jīng)過技術(shù)攻關(guān)已有多家單位研發(fā)出了隨鉆地層壓力測量儀。具有代表性的有中國石油西部鉆探克拉瑪依鉆井工藝研究院的雙封隔器式隨鉆地層壓力測量儀[11]，西南石油大學(xué)課題組“十一五”期間完成的探頭式隨鉆地層壓力測量裝置[12－13]，北京六合偉業(yè)科技有限公司的探頭式隨鉆地層壓力測量儀[14]以及中國石油大慶鉆探工程公司鉆井工程技術(shù)研究院的SDC－I型探頭式隨鉆地層壓力測試器[15－16]（表2）。

表2 國內(nèi)主要單位FPWD指標(biāo)表

2.1 西南石油大學(xué)隨鉆地層壓力測量系統(tǒng)樣機

西南石油大學(xué)和中海石油研究中心在“十一五”期間，共同研制出了隨鉆地層壓力測量系統(tǒng)的地面樣機及部件[12]。完成了測量方案設(shè)計和測量儀器的試制以及數(shù)字化樣機的制作，并應(yīng)用研制的地面模擬裝置[13]對測量儀器關(guān)鍵部件進行了室內(nèi)模擬實驗，模擬環(huán)境達(dá)到了井下作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，儀器最高耐壓70MPa，適用溫度0～125℃，工作鉆壓0～250kN，扭矩0～10 kN·m。形成了一套隨鉆地層壓力測量實施方案及地層壓力解釋分析方法，研制出了適用于此套測量儀的數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)，完成了隨鉆測量裝置與MWD的通訊連接，能夠達(dá)到隨鉆測量的效果。其裝置總體結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 隨鉆地層壓力測量裝置實物圖

它由渦輪發(fā)電機模塊、電氣短節(jié)、鉆井液分流器、增壓裝置、執(zhí)行機構(gòu)總成、執(zhí)行機構(gòu)液壓控制系統(tǒng)、抽吸系統(tǒng)、探測頭、下接頭等主要部件組成。它是基于鉆井液分流提供液壓動力，三點定位井壁保證合適推靠力，以鉆井液脈沖作為下傳信號的測試啟動控制系統(tǒng)（圖5）。

圖5 隨鉆地層壓力測量裝置裝配剖面圖

2.2 大慶SDC－I型隨鉆地層壓力測試器

圖6 SDC－Ⅰ井下測試系統(tǒng)組成示意圖

中國石油大慶鉆探工程公司鉆井工程技術(shù)研究院于2009年5月研制完成了SDC－Ⅰ型隨鉆地層壓力測試器[16]，并進行了6口井的現(xiàn)場試驗，收到了較好的效果。該測試器分為井下測試系統(tǒng)、地面信息接收及處理系統(tǒng)兩部分。井下測試系統(tǒng)（圖6）負(fù)責(zé)完成地層壓力的測試并存儲和上傳數(shù)據(jù)，地面信息接收及處理系統(tǒng)負(fù)責(zé)對數(shù)據(jù)進行接收和處理?，F(xiàn)場試驗表明，該測試器設(shè)計合理，可靠性高，壓力測量精度達(dá)到0.1%，溫度測量精度達(dá)到±0.5℃，井下供電功率達(dá)到160 W?？呻S鉆實現(xiàn)數(shù)據(jù)上傳和井下存儲功能，地面可隨鉆獲取井下準(zhǔn)確的環(huán)空壓力、溫度、地層壓力和地層流度（地層流度表示流體在該地層中流動的難易程度。是油層有效滲透率與流體黏度的比值）。經(jīng)過一年半的推廣，SDC－Ⅰ目前共完成12口井的現(xiàn)場測試工作，井下測試最高壓力47.02MPa，最高溫度109.7℃。這種測試器已初步具備商業(yè)化應(yīng)用的條件[17]。

3 結(jié)束語

1）從國內(nèi)隨鉆地層壓力測量儀的研究趨勢看，地層壓力的實時測量已開始同LWD、MWD以及旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)、地質(zhì)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)等聯(lián)合使用。隨著各研究機構(gòu)對于測量精度和數(shù)據(jù)傳輸方面的攻關(guān)，其自動化、智能化程度必將大大提升。

2）國內(nèi)探頭式FPWD測量儀在抽吸地層流體過程中并未對不同巖性地層、高流度地層、低滲透地層進行抽吸速率、壓降、壓力恢復(fù)時間的優(yōu)化，在測量時可能會導(dǎo)致數(shù)據(jù)的不準(zhǔn)確。建議加大這方面的理論研究，采用數(shù)值模擬的方法，開發(fā)出適用于各種情況下的模型及控制系統(tǒng)，完善整個隨鉆壓力測量系統(tǒng)。

3）國內(nèi)外FPWD測量儀數(shù)據(jù)傳輸方式均采用鉆井液脈沖遙測技術(shù)，無法滿足欠平衡技術(shù)、空氣鉆井技術(shù)等隨鉆測量的需要，在相同的傳輸方式下，國內(nèi)的傳輸數(shù)據(jù)不管從容量上還是從傳輸速度上都明顯落后于國外。建議相關(guān)研究單位在增大鉆井液脈沖傳輸?shù)目烧{(diào)密度范圍和應(yīng)用條件的基礎(chǔ)上加大聲波、電磁波等無線隨鉆傳輸技術(shù)攻關(guān)，從而滿足更多更復(fù)雜的隨鉆測量需求。

4）目前國外在儀器及配套系統(tǒng)方面應(yīng)用已比較成熟，具備較為全面的應(yīng)用體系，其技術(shù)指標(biāo)也相對較高，能夠適應(yīng)較為惡劣的鉆井環(huán)境（如高溫高壓井、深水鉆井等）。國內(nèi)雖有多家單位已研制出隨鉆地層壓力測量儀，但技術(shù)水平參差不齊，技術(shù)指標(biāo)較低，適用情況較為局限，仍然存在許多不足，還需在大量的現(xiàn)場試驗中發(fā)現(xiàn)問題，解決問題，促使隨鉆測量技術(shù)更加完善。

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