随钻地层测试技术的分析与思考

邸德家，陶 果，孙华峰，岳文正

（1.中国石油大学油气资源与探测国家重点实验室，北京102249；2.中国石油大学CNPC测井重点实验室，北京102249）

随钻地层测试技术的分析与思考

邸德家1，2，陶 果1，2，孙华峰1，2，岳文正1，2

（1.中国石油大学油气资源与探测国家重点实验室，北京102249；2.中国石油大学CNPC测井重点实验室，北京102249）

综述随钻地层测试技术的发展动态。以随钻地层测试仪器（Geo－Tap）为例分析随钻地层测试的技术特点、工作原理、仪器参数和在油气田工程中的应用前景。介绍目前我国随钻地层测试技术的现状、发展该技术的主要攻关方向和应该注意的问题。双封隔器模式结构具有流体取样和流体实时分析功能，是随钻地层测试仪器主要的发展方向。在我国随钻测量技术和电缆地层测试技术的基础上，应积极借鉴国外的先进技术，多单位联合攻关，大力开展基础工作，研发具有自主知识产权的随钻地层测试仪器。

随钻测井；随钻地层测试；地层压力；流体界面

0 引 言

随钻地层测试器的前身是钻杆地层测试器（DST）。钻杆地层测试器主要用于钻井中途试油，其成本高，费时长，尤其在海上钻杆地层测试造成了钻井成本的大幅度上升。1955年，Schlumberger公司开发了第1支电缆流体取样仪器（FT）。目前Schlumberger公司研制的MDT仪器是第3代电缆地层测试器，并部分取代了钻杆地层测试器。近年来，随钻测井技术得到快速发展，几乎所用的电缆测井方法均可用于随钻测井［1－2］。随钻地层测试器就是在钻杆地层测试器和电缆地层测试器基础上发展起来的，它把地层测试仪器连接在钻杆上，并在钻井的过程中通过抽吸地层流体测量地层参数。目前国际上的随钻地层测试器主要为Pathfinder公司的DFT仪器、Halliburton公司的Geo－Tap仪器、Schlumberger公司的StethoScope仪器和Baker Atlas公司的TesTrack仪器［3］。2002年，Halliburton公司在其分布于世界各地的10个作业公司对Geo－Tap地层压力测试器进行了广泛的现场测试，并在29 000ft＊以上的各种岩性地层和井斜角达104°的井中成功获取了数据。完成测试之后，Geo－Tap仪器于2003年投入商业应用。

随钻地层测试仪器在国内只有少数几家单位进行了研制和开发，具有代表性的为大庆钻井工程技术研究院研制的随钻压力温度测量系统（SDC－Ⅰ）和中国石油集团钻井工程技术研究院自主研制的随钻井底环空压力测量（CPWD）仪器。但是国内的随钻压力测量工具在数据实时传输和仪器的测量精度、总体性能方面与具有影响力的国际大公司的产品还有一定差距。本文根据Halliburton公司的Geo－Tap仪器具体介绍随钻地层测试器的技术特点、原理和应用，以及我国研制随钻地层测试器的主攻方向和应注意的问题。

1 随钻地层测试器的技术特点

1.1 随钻地层测试仪器的结构特点

相对于电缆地层测试器，随钻地层测试器的结构比较简单，仪器主要由探针、密封胶垫、测压仓、平衡阀、压力传感器和流体管线等组成（见图1）［4］。Geo－Tap仪器外径的大小分为4.75、6.75、8in和9.5in型。常用的随钻地层测试器只有1个探针，并且没有推靠臂，这样就简化了随钻地层测试器的设计。它可以和随钻声波测井仪器、随钻核磁共振测井仪器和旋转导向系统等连接在一起，并共用1套信号传输系统。

1.2 随钻地层测试在井下的环境特点

随钻地层测试是在钻头打开地层很短的时间内进行流体取样和压力测试，泥浆刚刚发生侵入，泥饼没有完全形成，地层压力还不稳定，这与电缆地层测试的井下环境有很大的不同。有利的方面是泥浆侵入比较浅，在较短的时间内就可以抽吸到原始地层流体；不利的方面是泥浆还在继续侵入地层，导致地层压力不稳定，压力测试的可重复性和可靠性是一个挑战。因此，在测试过程中需要实时监测数据的质量，在后续数据处理解释时也需要考虑泥浆侵入对测试数据的影响。

图1 随钻地层测试器的结构原理图

2 随钻地层测试器的工作原理

2.1 现场操作原理

在决定对某储层测试之前，首先上下移动钻杆释放扭矩，防止在预测试过程中仪器发生移动造成坐封失败或者探针损坏。通过总的单根仪器长度和测井曲线（GR曲线）进行深度校正，使仪器准确停靠在待测试的深度上。密封胶垫坐封后通过探针抽吸地层流体，一般7～10min即可完成压力测试。如果在测试过程中发生液压动力故障，探针可自动进行回收，防止仪器卡在井下。测试过程中地层流体通过探针进入仪器中，在地层中形成一个压力脉冲（压力降），根据流速和探针的内径可有效确定地层的测试范围，压力降的方程见式（1）［5］。当仪器探针内径为1.0cm，并以10mL／s的流量抽取地层流体，当流压的变化范围为2～5 000psi＊＊非法定计量单位，1ft＝12in＝0.304 8m；1psi＝6 894.757Pa；1 mD＝9.87×10－4μm2，下同。时，测量的地层渗透率范围为0.5～1 000mD＊。

式中，Δpdd为压力降，psi；q0为探针的抽吸流量，mL／s；τp为仪器常数，取值为1.37；rp为探针半径，cm；μ为流体黏度，mPa·s；Kf为地层球形渗透率，mD。

仪器在测试过程中有开泵和关泵2种模式［5－6］。开泵模式为在测试过程中继续循环泥浆，当井下仪器接收到开始测试命令后马上执行测试任务，并通过泥浆脉冲信号实时向地面传送测试数据。关泵模式为在测试过程中停止循环泥浆，井下仪器在接收到开始测试命令，停泵以后才执行测试任务，再次开泵以后将测试的数据传送到地面。开泵模式是一种理想的模式，能够及时获得测试数据，并对其进行处理和分析，而且泥浆不断地循环有利于防止井眼垮塌和仪器卡死。但是开泵模式容易引起仪器的震动，使密封失效，从而导致测试的失败。在实际工作中，当井下仪器连接旋转导向钻具时采用开泵模式，当连接导向马达时采用关泵模式。

2.2 数据处理方法

随钻地层测试和其他随钻测井方法（如随钻电磁波测井和随钻声波测井）在测量过程上有所不同，其他随钻测井方法在地面安装锂电池后仪器立即开始工作，并在井下旋转钻进中不停地测量地层参数；而随钻地层测试是在仪器静止状态下通过地面发出指令进行仪器坐封、抽吸地层流体，通过压力变化测量地层参数，测试完成后回收探针，解除坐封，准备第2次测试。因此测试过程中需要地面人员通过泥浆脉冲信号频繁地向井下仪器发送命令，Geo－Tap仪器利用专门的地面设备（Geo－Span）通过泥浆负脉冲向井下仪器发送命令。

由于泥浆脉冲传输信号速度慢，仅传送测量的压力数据将耗费很多时间，不能对地层和流体进行及时评价，因此需要在井下仪器中编入相应的算法程序，对测量的压力数据进行处理分析，将计算结果传送到地面，其中包括地层压力、地层流度和流体压缩系数等。Geo－Tap仪器通过球形流分析法推导出式（2）和式（3）［4］，通过多元线性回归计算出地层压力pf、时间常数α和压力常数β；通过式（4）和式（5）能够计算出地层流度和流体压缩系数。图2描述了地层测试压力变化的整个过程。其中，Kf为地层渗透率；μ为流体黏度；cf为流体压缩系数；rp为探针半径；τp为仪器常数，值为1.37；q0为探针抽吸流量；t′＝t－Δt；phydr1为测前泥浆的压力；pset为仪器推靠时的压力；pdd为停止抽吸流体的压力；pstop为恢复停止时的压力；phydr2为回收探针后的泥浆压力；△tdd为压降的时间；Δtbu为压力恢复时间。

图2 随钻地层测试压力变化过程

2.3 Geo－Tap仪器的主要参数

Geo－Tap 6.75in型随钻地层测试仪器结构见图3。仪器长度为27ft，仪器外径为6.75in，对应的内径为1.9in，可以应用在8.5～9in的井眼，经校正可以应用在10in的井眼；仪器结构比较简单，具有1个探针，半径为0.22in；1个圆形坐封胶垫，外径为2.25in，内径为0.75in；10mL的预测试体积能使压降最大达到5 000psi，并且1次下井能测试150个压力点，可以现场维护密封胶垫、滤网和探针等；仪器在井下工作的温度范围为－20～150℃，仪器最大耐温为165℃；仪器的最大狗腿度在旋转时为8°／100ft，滑动时为21°／100ft。

测量地层温度为0～150℃，精度为±1℃；地层压力测量范围为2 000～20 000psi，实时压力数据精度为0.1psi，存储压力数据精度为0.01psi，仪器最高耐压为25 000psi；预测试体积为10mL，管线体积为42mL，流型系数为1.37，抽吸流量为1 mL／s，测量地层渗透率为1mD～1D。

3 应用情况

随钻地层测试器是在电缆地层测试器基础上开发的，除了具有流体取样、压力测量和温度测量等功能外，具有实时测量地层孔隙压力、优化钻井泥浆、保障钻井安全的功能。通过多点压力测量计算压力梯度，用于识别流体界面、判断储层间的连通性，进行地质导向。适用于大位移井和水平井的地层测试，节省钻井时间和后续电缆地层测试的花费，避免钻井后由于泥浆的侵入使泥岩膨胀造成电缆地层测试仪器卡在井下等问题，有效防止储层出砂和超压等问题［7－10］。

3.1 实时测量地层压力

电缆地层测试器被公认为测量地层压力最准确的测井仪器。相对于电缆地层测试器，随钻地层测试器具有在钻井过程中实时快速测量地层压力的特点，能够指导钻井工程师优化钻井参数，合理调配钻井泥浆，保障钻井安全。多年来实践证明发生钻井事故的一个主要原因就是对地层压力估算不足，或者泥浆比重过低，发生井涌井喷；或者泥浆比重过大，造成储层伤害，影响油气开采。

3.2 通过压力梯度的计算识别流体界面

随钻地层测试器利用其测量不同深度上的地层压力，通过数据回归绘制地层压力剖面图，地层深度和压力之间的相关关系曲线形成压力梯度线。对于同一压力系统，不同深度测量得到的压力数据理论上呈线性关系，直线的斜率为该地层的压力梯度，压力梯度通过式（6）［11］换算就可以得到储层流体的密度值。

式中，p为原始地层压力；ρ为流体密度；g为重力加速度；Z为垂直深度。

由于油、气、水的密度不同，在储层流体压力系统上表现为压力梯度的差异。通过油气水界面的识别，可以及时指导钻进，服务于地质导向和后续的完井作业。压力梯度用来研究已开采储层的地层能量和判断储层间的连通性，为储量计算和油气田开发提供参考依据。

3.3 储层流度的计算

根据预测试的压降和压力恢复曲线可以计算地层的流度。地层的流度等于地层的渗透率与流体黏度的比值，由流体黏度计算地层渗透率。式（7）是压力降计算流度的公式，式（8）是精确的球形流流度计算公式，通过压力恢复曲线和参数α、β计算得到地层流度。除了低渗透率储层，这2种公式计算的流度值是非常接近的。

式中，q0为抽吸流体时的流量，mL／s；Δpdd为地层压力和最大压力降的差值，psi；τp为仪器常数，1.73～0.95；rp为探针半径，in；Δtp为压力降的时间；α为时间常数；β为压力常数。

4 国内随钻地层测试技术的现状及仪器研发应注意的问题

在随钻地层测试仪器方面，国内只有少数几家单位研制了几种简单的井下存储式井底压力或环空压力测试装置，具有代表性的是大庆钻井工程技术研究院研制的随钻压力温度测量系统（SDC－Ⅰ）和由中国石油集团钻井工程技术研究院自主研发的随钻井底环空压力测量（CPWD）工具。大庆随钻压力温度测量系统通过自主研制的短钻铤型随钻井底压力温度测试仪器，在钻井过程中对井底压力温度进行测量，并且实时存储，起钻后回放数据。由于测量的数据没有与井深及其他参数的对应关系，需要在原有监测分析软件基础上开发配套的分析软件进行处理和计算分析，从而达到随钻测量分析解释的目的。CPWD系统由CGMWD型随钻测量工具、PMS型存储式环空压力测量工具和数据连接器组成。CPWD系统能够为欠平衡井钻井工程设计与施工提供基础数据，识别不正常的井下情况以便及时采取补救措施，防止井下复杂情况和事故的发生，指导高难度井的施工，从而提高机械钻进效率并保证钻井安全［12－16］。

随钻地层测试技术的研制是一个系统工程，它牵涉到诸多门类的学科（机械、液压、电路、信号处理等）和严酷的井下环境。因此研制仪器方案的选择、具体电路模式和液压、机械结构的设计都需要有独到的考虑，同时应该根据我国的油气储层的特点。双封隔器模式结构适合油气层低孔隙度低渗透率的特点，具有流体取样和流体实时分析功能，是随钻地层测试仪器主要的发展方向［17－22］。

仪器的研制要重视和开展仪器的原理、方法等基础工作，这将起到事半功倍的作用；信号控制和实时数据处理是随钻地层测试的关键技术，必须大力进行攻关，反复试验，可以借鉴国际上成熟的信号控制方法和实时数据处理方法，再根据我国仪器研制的特点提出创新性的方法；传感器的精度和元部件的耐温、耐压和密封等问题将成为仪器在井下能否正常工作的决定性因素；地面系统的稳定性和可靠性是准确接收井下上传数据和处理实时数据的重要保证。随钻地层测试仪器属于整个随钻测井系统的一部分，因此在设计之初就需要考虑同其他随钻仪器的配接和通信。

5 结束语

随着国内外石油勘探开发逐步走向深海，深井、超深井、大位移井等高难度井数量的不断增加，钻井的成本和风险也在随之增加。钻井过程中实时监测地层压力，准确评价目标储层和流体性质，减少钻井和后续工作的时间是保障钻井安全、降低钻井成本的关键。因此，随钻地层测试技术必将成为未来随钻测井领域中的一项重要技术。

随钻地层测试相对于其他随钻测井方法出现的比较晚，在国外也是比较新的技术。国外各大石油服务公司对相关技术进行垄断和保密，很难通过购买或转让获得该项技术。随钻地层测试技术是随钻测量技术和电缆地层测试技术相结合的高科技产品，因此稳定可靠的随钻测量技术和先进成熟的电缆地层测试技术是做好随钻地层测试仪器的基础。在国内现有技术的基础上，应积极借鉴国外的先进技术，并大力开展基础工作，多家单位进行联合攻关，从而研发出具有自主知识产权的随钻地层测试仪器。

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Analysis and Consideration of Formation Testing While Drilling Technology

DI Dejia1，2，TAO Guo1，2，SUN Huafeng1，2，YUE Wenzheng1，2
（1.State Key Laboratory of Petroleum Resources and Prospecting，China University of Petroleum，Beijing 102249，China；2.Key Laboratory of Earth Prospecting and Information Technology，China University of Petroleum，Beijing 102249，China）

Simply summarized is the advancement of formation testing while drilling（FTWD）technology.Taking the Geo－Tap tool as a prototype model，analyzed are the principle，technical features，operating principle and tool parameters as well as its future applications in oilfield exploration and development.In addition，introduced is current status of FTWD technology and discussed is the primary difficulties and highlights to develop the technology in China.In China，measurement while drilling（MWD）and wireline formation testing（WFT）tool’s performance and reliability fall behind western companies tool’s.Double－packer mode structure with fluid sampling and real－time analysis function is the main development direction of FTWD tool，which is suitable for China’s oil and gas layer characters with low porosity and permeability.By improving MWD and WFT technology，we should combine all the research and development departments in China to work together closely to learn and analyze the western latest technology，and develop FTWD tool with independent intellectual property.

logging while drilling，formation testing while drilling，formation pressure，fluid interface

TE927.6

A

2011－12－13 本文编辑 余迎）

1004－1338（2012）03－0294－06

邸德家，男，1980年生，博士研究生，主要从事应用随钻测井和电缆地层测试器方面的研究工作。