随钻地层压力测试探讨

胡更会

（中海油田服务股份有限公司，天津 300452）

1 研究目的及现状

1.1 研究目的及意义

随钻地层测试技术在石油工程中有很大的应用前景。在钻井过程中可通过该项技术合理确定当量钻井液密度、确定合理的套管下深、制定合理的钻井方案。在钻遇高压地层时，尤其是高压气层时通过随钻测井探测地层压力，能够随时调整钻井方案，有效避免卡钻、井漏甚至井喷事故[1]。在油藏工程中利用可建立地层压力剖面，获取地层流体信息后通过计算流体密度的方法来识别流体。在未开发地层利用该技术还能估算该区块油气产能，为合理开发油藏做准备[2]。

1.2 国内外技术现状

20 世纪中，尽管无法实现随钻测井但逐渐出现了钻杆测试器（DTS）和电缆测试，在当时还是代表了该领域最高水平。但其测试过程复杂且大位移井和水平井中的下入困难。20 世纪末，阿特拉斯公司首先推出电缆地层测试器（RFT），而后斯伦贝谢公司又研制出模块式地层测试器（MDT）[3]。

21 世纪基于钻杆地层测试和电缆地层测试，开展的随钻地层测试技术在理论研究和现场实际应用中取得了极大的成功。其中最具代表性的有：2002 年哈里伯顿研制出Geo-Tap 地层压力测试器并在世界各地进行了12 次现场测试，于2003 年投入商业应用；斯伦贝谢公司也于2005 年推出了三个系列的StethoScope 随钻地层压力测量仪[4]。

2 地层压力测试理论模型

2.1 压力波动过程

随钻地层压力测试在电缆测井基础上发展而来一般是采用单探头模式。由于探头体积小，在无限大地层环境下燮制面积也极小，液样腔的容积小致使实际测试时抽吸的地层流体流量也很少，假设地层无限均质，便可以把探头看作点源，在弹性驱动方式条件下形成从以探头为中心的点源开始并向外传播的压力模型。若把以点源为中心的球面作为等压面，则进入测试探头的流体形成平面径向流，流动方向基本上垂直等压面[5]。

压力恢复的时，在空间来看在探头探针部位会形成3 个球形的连通区域（如图1 所示）：（1） 流量不随探测距离r 变化的的区域B 区；（2） 压力稳定的区域D 区；（3） 位于B和D之间的C球形区，在C 区流量从近B区到近D区形成稳态值逐渐减小为零的流动状态。图1所示E 区为井筒，半球形A 区是探头燮压产生的。当有足够长的时间让压力变化时，2 个相邻边界从球形探测区移开，从而产生一个稳态压差。

图1 压力波动剖面图

假设地层无限均质，便可以把探头看作点源，在弹性驱动方式条件下形成从以探头为中心的点源开始并向外传播的压力模型。

2.2 平面渗流数学模型

假设：地层无限均质，并且满足线性稳定达西渗流规律，见图2。

图2 线性稳定达西流示意图

由线性达西公式得

在之前假设条件下，地层流体在地层中流动是一空间内的球形稳定渗流过程。随钻测压时渗流速度v 为一定值，在储层空间内被测流体速度矢量和不会发生变化，加速度之和为零。故有

公式（6）中C1和C2不确定，在以上假设的边界条件下对式（6）进行积分，消除C1和C2，可将稳定渗流下的压力分布规律表示为

由于该压力测试过程是在钻进时完成的，存在泥浆循环扰动，所以流体不可能形成球形的流体流动方式。由于井眼泥饼、井眼尺寸不规则和地层不均质性存在影响，探测器将地层流体与理论值存在出入。未消除此类影响因素可使用形状因子C 来表示，这时探测器的地层流体吸入流量qf公式为

式中：qf- 吸入探测器的体积流量；C- 形状因子；rp- 有效探测半径。

全球形时C=1，半球形时C=0.5。对于均质地层，井眼尺寸相对探头探针尺寸极大，因此井眼对测试结果的影响也很小。由测井文献经验，当ri/rw＜0.05，一般取有效形状因子C=0.775，rp=2ri/π≈0.5ri，其中ri为探头有效半径。

在公式（11）中带入有效C，可得

方程（13）给出P（t）与地层流量关系，若测得多个地层流量下的压力值回归成地层比率分析数据，p（t）值井下仪器实时监测，间接计算可得qf值，便可以此估算出地层流动系数k/u 和地层压力P*。由液样腔内流体体积守恒，可得

式中：qac- 液样腔内流体体积量；qf- 地层流体流入量；qdd- 活塞排出量。

流体在液样腔受热受压体积会发生一定变化，引入等温压缩系数（Ct）概念，由于液样腔内可能是油气水混合物，微可压缩流体。因此Ct表示为：

考虑到流体微可压缩性质后液样腔内流体体积可以表示为

式中：P(t)- 探头内的压力；P*- 原始地层压力；ri- 探头半径；μ- 地层流体粘度；k- 地层有效渗透率；Vsys- 流程管线体积；Ct- 流体压缩系数。

在应用公式（19）时未知地层流体压缩系数Ct，因此并不能实际计算出储层岩石渗透率k 和地层孔隙中流体粘度μ，但是利用该公式却可以求得表征地层流体渗流特性的重要参数流动系数。

2.3 数据自动处理理论模型

在实际数据处理过程中由于引入了时间常数a 和重建幅度β 的概念，数据处理模块完成的计算远复杂于此。时间常数a 通常用来决定流体的压缩系数（Ct），重建幅度β 和时间常数a 共同决定渗透率（k）。在通常情况下探测器液样腔的流体通过探头吸入是可能夹杂钻井泥浆等而非纯液体，因此此时计算出的Ct并不能绝对反映该流体性质。为减小甚至消除非纯液流影响，可以在地面选取不同流体样品配制成不同配比的混合液做试样分析预测试。

2.4 预测试原理

预测试阶段，通过连通管提取地层中的少量流体，然后以一定速度加入测试工具，这样导致的压力脉冲叫预测压降。最大的压降压力脉冲可以由熟知的[4]球形流动方程（20）决定

当△PDD是T=∞7 时的最终压降。此后压力系统未受影响的区域压力波又会向压力下降区域传播，从而形成一个压力回复重建过程，在此过程中测试压力又会逐渐上升最后趋于稳定。时间常数a 通常用来决定流体的压缩系数（Ct），重建幅度β 和时间常数a 共同决定地层流动系数k/u。

3 国内外应用实例

随钻地层测压技术在油藏工程和钻井工程中均有很好的应用前景。在油藏工程中利用该技术可建立地层压力剖面，获取地层流体信息后通过计算流体密度的方法来识别流体。在未开发地层利用该技术还能估算该区块油气产能，为合理开发油藏做准备。在钻井过程中利用随钻测压技术可以实时取得地层压力数值，合理确定当量钻井液密度、确定合理的套管下深、制定合理的钻井方案。尤其是在高压储层，利用该技术可以有效避免有效卡钻、井漏甚至井喷事故，节省钻时，节约钻井成本。

SDC-I 随钻测压装置同样有钻具送入测量部位，经深度校核后，在测试深度由地面开关泵的时间序列唤醒待测状态的仪器，进而开始测试。在此次测量中计划测点16 个，但其中2 个测点位置由于井下仪器未能成功识别泥浆脉冲信号导致测量失败，其余14 个测点测量结果误差均在可燮范围内。

4 结论与总结

近年来海洋钻井越来越多，但方面因素限制了海洋钻井不可能有与陆地钻井相媲美便利的条件。海洋钻井单井油气产量高、经济收益好，但原始地层压力大、区块认识程度相对较低、地质构造复杂多变，也为优质、安全、快速的优快井项目提出了极大挑战。在钻进过程中实施随钻地层压力测试实时获取地层数据从而确定钻井液性密度和套管下深，适时调整钻井方案，保证正常钻进有极大帮助。且在钻进时实施测井，避免了后期测井时有可能发生的事故，节省了开支。

随钻技术经过了十多年的发展，技术和设备均有很大程度的提升。测试技术也日渐成熟，经研究国内外随钻测压工具，可得出以下结论：

（1） 随钻地层压力测试基本原理基于不稳定试井的球形渗流模型，该模型相对精度高，利用多元线性回归便于计算机编程实现自动处理。

（2） 随钻地层压力测试的实例表明球形渗流模型和测压传感器满足测试精度要求。

（3） 国内外随钻地层压力测试设备测试结果表明目前国内测压装置精度不很高，尺寸系列唯一，还不能实现商业运营。