地層壓力模擬測量短節(jié)研制*

錢德儒 鄭俊華 高潤峰 王磊

(1.中國石化石油工程技術(shù)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(shù)據(jù)可及時調(diào)整鉆井液密度，防止井涌、井噴及井漏，優(yōu)化鉆井工藝，降低鉆井風(fēng)險，還可摸清已開發(fā)油氣藏壓力衰竭情況，為井位布置提供依據(jù)。隨鉆測量地層壓力，鉆頭剛鉆開地層即進(jìn)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(fēng)險。

國外著名油田服務(wù)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(jìn)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(tǒng)都進(jìn)行了商業(yè)化應(yīng)用。國內(nèi)西南石油大學(xué)、中海油田股份有限公司和大慶鉆探鉆井工程技術(shù)研究院也推出了地層壓力隨鉆測量儀器，并進(jìn)行了現(xiàn)場試驗。中國石化石油工程技術(shù)研究院研制出地層壓力隨鉆測量原理樣機(jī)[1-4]。

地層壓力隨鉆測量系統(tǒng)與其他井下儀器相比，涉及機(jī)械、電子、液壓等3種學(xué)科，內(nèi)部空間有限且集成大量部件，技術(shù)難度大，加工風(fēng)險高。為開展地層壓力隨鉆測量技術(shù)研究，本文首先進(jìn)行了模擬測量短節(jié)的研制，對微型液壓系統(tǒng)等關(guān)鍵技術(shù)開展攻關(guān)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(jī)的研發(fā)打下堅實基礎(chǔ)。

1 地層壓力測量原理

鉆進(jìn)過程中地層壓力隨鉆測量儀器實時監(jiān)測環(huán)空壓力ph1。鉆進(jìn)到目的層后，儀器收到地面下傳指令，液壓系統(tǒng)啟動。在液壓系統(tǒng)驅(qū)動下，探頭從測量儀器內(nèi)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(nèi)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(nèi)流動，直至恢復(fù)至地層壓力ps。最后探頭與抽吸活塞復(fù)位，將地層流體排至環(huán)空。測試腔壓力恢復(fù)至環(huán)空壓力ph2。ph1應(yīng)與ph2相等，測試結(jié)束。地層壓力測試曲線如圖1所示。測試原理是研發(fā)地層壓力隨鉆測量儀器的理論基礎(chǔ)，也是模擬測量短節(jié)室內(nèi)試驗結(jié)果的判別依據(jù)。

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

2 技術(shù)分析

2.1 測量短節(jié)組成

由測量原理可知，要實現(xiàn)地層壓力的測量，短節(jié)內(nèi)需有電控模塊控制微型液壓系統(tǒng)驅(qū)動探頭與抽吸活塞，實現(xiàn)探頭伸出、坐封、抽吸、解封和復(fù)位等動作。同時需要數(shù)據(jù)采集模塊實時監(jiān)測存儲環(huán)空壓力、管柱壓力及井底溫度等數(shù)據(jù)。模擬測量短節(jié)組成如圖2所示。

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

2.2 短節(jié)本體設(shè)計

測量短節(jié)本體是機(jī)械、電子、液壓部件的載體，也是鉆井液通道，需具有足夠強(qiáng)度傳遞鉆壓和扭矩，設(shè)計及加工難度大，主要存在以下難題。

(1)集成部件數(shù)量多。測量短節(jié)內(nèi)部空間有限且安裝了微型液壓系統(tǒng)、電控模塊、數(shù)據(jù)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(nèi)部孔道種類多。本體內(nèi)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(xì)小深孔。由于個別部件布局需要，有些孔道設(shè)計成斜孔，加工風(fēng)險與難度極大。

(3)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求高。本體除了作為部件及流道載體外，還要有足夠強(qiáng)度傳遞鉆壓和扭矩，保證鉆井安全。由于工作環(huán)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(jié)構(gòu)、材料和設(shè)計方法入手，形成如下解決方案：

(1)采用三維可視化虛擬設(shè)計建立數(shù)字樣機(jī)模型，確定關(guān)鍵模塊安裝位置、集成方式及開設(shè)孔道大小、深度與間距。通過軟件靜態(tài)與動態(tài)檢測，檢查部件間隙、對齊及干涉情況，直觀地顯現(xiàn)本體內(nèi)部不易發(fā)現(xiàn)的應(yīng)力集中區(qū)域?？蓪θS虛擬樣機(jī)進(jìn)行反復(fù)檢測、修改、優(yōu)化，直至形成較佳方案，再通過仿真分析加以驗證，縮短了設(shè)計周期，降低了設(shè)計風(fēng)險。

(2)采用高強(qiáng)度耐腐蝕機(jī)械材料加工短節(jié)本體，材料屈服強(qiáng)度大于890 MPa。由于具有較好的耐腐蝕性能，避免產(chǎn)生銹蝕雜質(zhì)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(jīng)仿真分析本體內(nèi)部最大應(yīng)力463 MPa，安全系數(shù)2.1，滿足設(shè)計要求。在鉆井液流量30 L/s、密度1.2 g/cm3條件下，短節(jié)壓耗0.5 MPa[5-8]。

(3)由于探頭與抽吸活塞是往復(fù)運動的受力部件，且動密封元件與含有雜質(zhì)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(nèi)扭曲翻滾，提高惡劣環(huán)境下的動密封性能，并采用分體式方法設(shè)計活塞缸體，避免直接在本體上加工高精度結(jié)構(gòu)要素，降低了加工難度與風(fēng)險，節(jié)約了成本。設(shè)計完成的模擬測量短節(jié)本體如圖3所示。

圖3 測量短節(jié)本體Fig.3 Gauging nipple body

2.3 微型液壓系統(tǒng)研制

液壓系統(tǒng)是測量短節(jié)的核心功能模塊，由電機(jī)、液壓泵、溢流閥、電磁閥和液壓鎖等部件組成，驅(qū)動探頭伸出、坐封、抽吸、解封、復(fù)位。測量短節(jié)內(nèi)部空間狹小，液壓系統(tǒng)集成難度較大，為縮小系統(tǒng)體積，采用如下技術(shù)方案。

(1)優(yōu)選插裝式液壓閥。插裝式液壓元件體積小、結(jié)構(gòu)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(shè)計。設(shè)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(nèi)部油孔連通，把各集成塊拼接起來即實現(xiàn)整套液壓系統(tǒng)的安裝，無明管連接，占用空間小，便于模塊化設(shè)計，安裝維護(hù)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(tǒng)外徑限制在70 mm以內(nèi)，長度500 mm。優(yōu)選高輸出壓力微型液壓泵及插裝式溢流閥，使液壓系統(tǒng)額定輸出壓力達(dá)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(tǒng)如圖5所示。

圖5 微型液壓系統(tǒng)Fig.5 Micro hydraulic system

2.4 主要技術(shù)參數(shù)

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(nèi)測試

為了在室內(nèi)考察測量短節(jié)耐溫、耐壓性能及測試原理的正確性，研發(fā)了地層壓力測量模擬試驗裝置。模擬測量短節(jié)通過該裝置可以進(jìn)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(huán)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(shù)指標(biāo)為：井眼尺寸?280 mm×2 000 mm；模擬環(huán)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(cè)壁安裝有地層巖心模擬模塊，其內(nèi)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(nèi)壁。在地層壓力作用下，流體介質(zhì)可以通過巖心向模擬井筒內(nèi)滲透，模擬出地層流體滲流過程。試驗時，將測量短節(jié)密封進(jìn)模擬井筒，探頭伸出后正對地層巖心模擬模塊進(jìn)行地層流體抽吸試驗，驗證測試原理。模擬測量短節(jié)測試示意圖如圖7所示[10-15]。

1—環(huán)空壓力管線；2—模擬測量短節(jié)；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(jié)進(jìn)行了耐溫耐壓測試。在120 ℃、60 MPa條件下液壓系統(tǒng)電機(jī)轉(zhuǎn)速曲線如圖8所示。在溫度、壓力上升過程中，液壓系統(tǒng)運行平穩(wěn)，受溫度及壓力影響較小，測量短節(jié)耐高溫高壓性能良好。

圖8 液壓系統(tǒng)電機(jī)轉(zhuǎn)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(jié)抽吸能力，使用了低滲透率巖心模擬“干抽”狀態(tài)，進(jìn)行了抽吸試驗，結(jié)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(huán)境下密封性能良好。

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

3.3 測量原理試驗

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

表1 測試數(shù)據(jù)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(shè)置環(huán)空壓力9.5 MPa，地層壓力8.5 MPa。測量短節(jié)測到環(huán)空壓力10 MPa，地層壓力9 MPa，準(zhǔn)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(shè)置環(huán)空壓力8.0 MPa，地層壓力8.0 MPa。測量短節(jié)測到環(huán)空壓力7.4 MPa，地層壓力7.7 MPa，準(zhǔn)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(jìn)行對比，實測曲線與理想曲線特征相似，都具有從環(huán)空壓力快速降至最低點，然后向地層壓力逐漸恢復(fù)的過程，曲線增長趨勢趨于平緩說明壓力達(dá)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(chǎn)生了推靠、坐封、抽吸流體、復(fù)位和解封等一系列設(shè)定動作，且測量結(jié)果有較高的準(zhǔn)確度，驗證了地層壓力測量原理的正確性及測量結(jié)果的準(zhǔn)確性。

4 結(jié) 論

(1)通過對復(fù)雜結(jié)構(gòu)短節(jié)本體及微型高輸出壓力液壓系統(tǒng)等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行攻關(guān)，研制了地層壓力模擬測量短節(jié)。

(2)研發(fā)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(jié)測試原理的正確性，測量準(zhǔn)確率可達(dá)96%。

(3)模擬測量短節(jié)探頭推靠、坐封、抽吸、解封和復(fù)位動作，整套動作連貫可靠，與預(yù)設(shè)動作順序一致。機(jī)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(jié)的研制成功為地層壓力隨鉆測量工程樣機(jī)的研制打下了堅實基礎(chǔ)。