地层测试器原理及适应性评价

崔姝雯

摘要：介绍了常用地层测试器结构原理、技术特点，并结合各测试器性能，对其适用井况进行分析评价，为不同井况测试施工选择工具提供重要的技术手段。

关键词：地层测试器结构原理适用井况

中图分类号： TE271 文献标识码：A文章编号：

Abstract: the article introduces the common formation testing the structure principle, technical characteristics, and combined with the performance of each test, applicable to the well conditions for analysis and evaluation, in different Wells for test selection tool construction to provide important technical means.

Keywords: formation testing the structure principles apply well conditions

地层测试器在陆上石油勘探开发中应用十分广泛，利用管柱将地层测试器送到待测层位，坐封封隔器，使被测地层与环空液体隔离，然后操作管柱或对环空加压，按设计开启和关闭井下测试阀，使地层流体流入管柱内，记录井下压力和温度；按测试要求多次开关测试阀，录取相关数据采集地层流体样品，测试结束后解封起管。

1 提放式地层测试器

1.1 MFE地层测试器

MFE（multi-flow evaluator）地层测试器是80年代初期从美国江斯顿公司引进的，具有便于维护保养，使用成本低的优点。该工具非常适合某油田试油井况（大部分油层较浅，产量较低，地层处于正常压力系统范围），历年的测试一次率均在90%以上，因此至今仍为试油测试的主导工具。其开关阀属于塞阀结构，借助管柱的上、下运动来控制阀的开关。下井时阀处于关闭状态，封隔器坐封后，通过管柱施加钻压，测试阀经过一段时间的延时，管柱突然下坠25.4mm（地面上可以直接观察到的显示），测试器打开；如果要关闭测试器时，只需将管柱上提并略超过自由点，然后再下放管柱即可关井；如此反复上提和下放管柱，可将测试器多次开启或关闭。在最后一次关井时，取样器可收集1200流动末期的的地层流体样品。

（1）MFE换位机构工作原理。换位机构包括花键心轴、花键套、J型销和止推垫圈。花键心轴与上部油管相连，受地面控制，提放管柱过程中，换位销在换位槽内位置变换，带动花键套做圆周方向的旋转，止推垫圈充分保障了花键套的轴向旋转，达到正常开井和关井的目的。上提管柱必须到位，若不到位下放管柱容易出现撞销的问题，损坏换位销钉。见图1。

图1MFE换位机构 图2MFE液压锁紧机构

（2）MFE锁紧机构（液压锁紧）工作原理。液压锁紧机构只在上提管柱过程中起作用，F顶推动心轴上行，F锁防止提松封隔器。当上提到位后，管柱相当于一个整体，F顶与F锁平衡而抵消，此时再上提测试管柱或底层压力过大推动封隔器，均能导致封隔器失封。见图2。

（3）存在缺陷。现场操作人员操作过程易损坏换位销钉，导致不能实现开关井。上提管柱时，容易提松封隔器，致使封隔器泄压；超压层上提管柱时容易发生管柱上窜，导致开井困难，而且在操作过程中存在发生井喷的危险；芯轴过细，高产井易产生节流，影响产能评价。

（4）适用井况。最佳施工井况，不超压的直井或斜度较小的斜井，井深1000m—3500m，日产在50m3以内油、水井；施工井段上部有射开井段或套有漏点也可施工。

1.2 自锁式地层测试器

MLT（机械锁定式测试器 machine-lock tester）测试器是MFE、HST测试工具的改进型，与MFE测试管柱的主要区别在于使用机械锁紧器代替液压锁紧，并设计了不易损坏的星型换位机构。解决了开关井操作提松封隔器、地层压力推动封隔器上移问题和换位机构易损的问题，确保封隔器密封可靠和开关井操作的成功率。

（1）MLT换位机构工作原理。换位芯轴上设计了成长短并行的“N”换位槽，凸耳插在换位槽内，换位套不能上下移动，当芯轴上、下运动时，换位凸耳就沿着换位槽轨道作圆周方向的旋转。当凸耳进入长槽时，处于开井位置；当凸耳进入短槽时，处于关井位置。如果上提不到位下放管柱，发生换位凸耳与换位槽拐角碰撞，此时，在凸耳斜面的作用下，换位套向左旋转换位，不会发生换位机构损坏的问题。

（2）MLT锁紧机构（机械锁紧器）工作原理。机械锁紧器连接在封隔器的上部，测试管柱下到预定位置后，通过管柱施加钻压，座封封隔器，机械锁紧器延时作用芯轴缓慢下行，联动产生压力打开卡瓦牙锚定在套管壁上，上提管柱完成开关井操作过程中，由卡瓦牙产生的锚定力起到禁锢封隔器的作用，从而保证封隔器密封可靠；开关井时，不熟练的技术人员也可操作，降低了提松封隔器的风险；避免上提管柱时容易发生管柱上窜，导致开井困难，而且在操作过程中存在发生井喷的危险。解封时，上提管柱至悬重超过“自由点”悬重8t左右，停止上提，在延时过程中上部液压油室突然放大，芯轴快速上移，产生一定的上击力（管柱抖动一下），此动作可视为机械锁紧解锁器显示，继续上体管柱解封起管。

（3）存在的缺陷。芯轴过细（19.05mm），高产井易产生节流，影响产能评价；机械锁紧器必须有足够的管柱施加钻压，启动延时机构，联动产生压力打开卡瓦牙锚定在套管壁上；浅井（井段在1200m以内）施工中，由于管柱较少，如用该工具必须实施井口反加压措施，给予机械锁紧器足够的坐封力。

（4）适用井况。最佳施工井况：直井或斜度较小的斜井，井深1200m-3500m，日产在50m3以内油、气井。

1.3 提放式全通径地层测试器

提放式全通径地层测试器结合了MFE、APR测试工具的特点研制的改进型工具，具有了APR测试器大通径的特点，又不需要过多的配合设备，对于施工井段上部有射开层的井同样适用，这是APR测试工具所不具备的优势，并应用了不易损坏的星型换位机构，提高了开关井操作的成功率。其开关阀属于球阀结构，借助管柱的上、下运动来控制阀的开关。下井时球阀处于关闭状态，封隔器坐封后，通过管柱施加钻压，测试阀经过一段时间的延时，管柱突然下坠25.4mm（地面上可以直接观察到的显示），测试器打开；如果要关闭测试器时，只需将管柱上提并略超过自由点，然后再下放管柱即可关井；如此反复上提和下放管柱，可将测试器多次开启或关闭。

（1）换位机构工作原理。换位机构与MLT地层测试器类似，只是为了扩大心轴内径，把换位槽加工再外筒上，三个高强度换位销加工在換位套上，避免出现换位销损坏的问题。

（2）锁紧机构（液压锁紧）工作原理。锁紧机构与MFE测试器液压锁紧机构原理相同，致使扩大了锁紧机构芯轴的内径至45mm。

（3）存在缺陷。目前工具处于科研试验阶段，进行2500m以内井段施工可保证成功率，2500m以上易出现密封件和球阀漏失的问题；上提管柱时，容易提松封隔器，致使封隔器泄压；超压层上提管柱时容易发生管柱上窜，导致开井困难，而且在操作过程中存在发生井喷的危险。

（4）适用井况。直井或斜度较小的斜井，井深2500m以内的油、水井。

2 压控式地层测试器（APR测试器：annulus pressure responsive tool）

2.1 进口压控地层测试器

进口压控地层测试器是从美国哈里伯顿公司引进的，具有45mm通径和不需要动管柱完成多次开关井操作的优势，但由于引进和维护保养成本较高，目前试油大队仅有一套。

（1）结构原理及技术特点。进口压控地层测试器的开关阀属于球阀结构，下井前根据地面温度、井底温度和压力先对氮气室充氮至预定压力，下井时阀处于关闭状态，动力活塞一段和氮气室连通，另一端和环空液柱连通；封隔器坐封后，环空加压与环空液柱压力共同压缩氮气室，心轴向下运动的同时拉动球阀旋转至开井位置；如果要关闭测试器时，释放环空压力，氮气室压力上顶活塞，使心轴向下运动，拉动球阀至关井位置。在不动管柱的情况下通过环空压力控制开关井操作，与提放式测试器相比，具有通径大、操作简单、井控安全性好等特点，而且对于定向井、斜井、水平井和复杂井（如超浅井、超深井）的测试更具优势。

（2）存在缺陷。进口压控地层测试器保养费时费力，在氮气室不漏的情况下简单保养以及室内实验，需要三个熟练人1天的时间；若全面保养的话，需要三个熟练人4天左右的时间；对于施工井段上部有射开层或套管漏的井，不能施工；开井期间需要套管长时间保持较高的压力，对井口的密封要求较为严格，对封隔器来说，长时间在较高的压差下工作，也可能造成封隔器失封；对于产量低的井，地面难以判断测试器是否正常开井，只能按照工作制度执行；引进和维护保养费用较高。

（3）适用井况。最佳施工井况：施工井段上部套管完好4000m以内的油、气井。

2.2 国产压控地层测试器

国产压控地层测试器是2009年开题的油田公司级项目研究内容，具有45mm通径和不需要动管柱完成多次开关井操作的优势，同时设计了开关井锁定机构，可实现锁定开关井，不需要环空长时间保持较高压力，目前该工具还处于现场试验阶段。

（1）结构原理及技术特点。国产压控地层测试器的开关阀属于球阀结構，工艺原理与进口工具类似，同样，在下井前根据地面温度、井底温度和压力先对氮气室充氮至预定压力，下井时阀处于关闭状态，动力活塞一段和氮气室连通，另一端和环空液柱连通；开井时，地面泵车向环空泵注预设的操作压力，操作压力和静液柱的压力共同压缩氮气室，通过动力活塞带动芯轴向下运动走一个固定的行程，带动球阀旋转，实现开井；释放掉环空压力，氮气室内的氮气在压力减小的情况下体积膨胀，推动芯轴向上运动，在换位机构的作用下，实现锁定开井；关井时，重复打压泄压的这个过程，使换位机构在换一次位，实现锁定关井。对于定向井、斜井、水平井和复杂井（如超浅井、超深井）的测试具有明显优势。

（2）存在的缺陷。所需保养时间较长，需要三个熟练人1-2天的时间；对于施工井段上部有射开层或套管漏的井，不能施工；对于产量低的井，地面难以判断测试器是否正常开井，只能按照工作制度执行；

（3）适用井况。最佳施工井况：施工井段上部套管完好4000m以内的油、气井。

3 结束语

提放式地层测试器，开关井需动管柱，适合于相应条件下的油、水井中应用。而压控式测试工具可在施工期间装好采油树，确保井控安全，更适合于高压、高产的气井以及超浅层气井中。目前工具保养人员比较短缺，且对压控式测试工具的熟悉程度低，保养难度大，这也是制约该类工具使用的主要原因之一。地层测试是油气勘探取得成果的重要步骤，是寻找油气田、了解地下情况的最直接手段，验证储层产能和测井解释的可靠性，为开发提供科学的依据。

参考文献：

[1]万仁溥.采油工程手册[M].北京：石油工业出版社，2000.