楊興琴，王書(shū)南，周子皓

（1.中國(guó)石油集團(tuán)測(cè)井有限公司技術(shù)中心，陜西 西安 710077；2.中國(guó)石油大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院，北京 102249；3.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)地球物理與信息技術(shù)學(xué)院，北京 100083）

0 引 言

自從1955年首支地層測(cè)試器投入商業(yè)化應(yīng)用以來(lái)，地層測(cè)試與流體取樣技術(shù)經(jīng)歷了多個(gè)重要發(fā)展時(shí)期。錢伯斯1942年在一項(xiàng)美國(guó)專利中陳述：“本發(fā)明的主要目的是通過(guò)直接獲取地層流體樣品及測(cè)量地層壓力等地質(zhì)參數(shù)來(lái)評(píng)價(jià)儲(chǔ)層的油氣產(chǎn)能?！盵1]地層測(cè)試流體取樣方法用電纜或鉆具等傳輸工具將壓力計(jì)和取樣筒下到井內(nèi)，直接測(cè)量地層壓力、采集有代表性的地層流體樣品，并在取樣過(guò)程中實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和分析井下流體的性質(zhì)，所獲得的壓力和流體性質(zhì)等數(shù)據(jù)都是地層的直接地質(zhì)參數(shù)。目前已經(jīng)開(kāi)發(fā)出適用于裸眼井、套管井、高溫高壓小井眼等各種井眼條件以及電纜傳輸、撓性管傳輸及鉆具傳輸?shù)炔煌瑐鬏敺绞降牡貙訙y(cè)試器，在油氣勘探開(kāi)發(fā)中發(fā)揮了重要作用。

1 技術(shù)發(fā)展過(guò)程

1.1 國(guó)外發(fā)展情況

1942年錢伯斯向美國(guó)專利局申請(qǐng)了一種用于地層流體取樣的裝置的發(fā)明專利[1]。1955年斯倫貝謝公司研制的首支電纜地層測(cè)試器FT（Formation Tester）在墨西哥灣投入商業(yè)應(yīng)用，其主要功能是在射孔后抽取地層流體樣品。阿特拉斯公司于1960年也推出了功能相同的地層流體取樣器FFS（Formation Fluid Sampler）。隨后，斯倫貝謝公司開(kāi)發(fā)出用于套管井地層測(cè)試的地層間隔測(cè)試器FIT（Formation Interval Tester），這一時(shí)期產(chǎn)品的主要缺點(diǎn)是壓力測(cè)量數(shù)據(jù)的精度低、獲取的樣品受污染程度高。

1959年海德向美國(guó)專利局申請(qǐng)了可起出的連續(xù)壓力測(cè)試裝置的專利[2]。1974年斯倫貝謝公司推出的重復(fù)式電纜地層測(cè)試器RFT（Repeat Formation Tester），該儀器增加了預(yù)測(cè)壓室，可進(jìn)行多點(diǎn)重復(fù)式壓力測(cè)量，增加了石英壓力傳感器。阿特拉斯公司1975年推出多次地層測(cè)試器FMT（Formation Multi-Tester）、吉爾哈特公司1976年推出選擇式地層測(cè)試器SFT（Select Formation Tester）、哈里伯頓公司1986年推出順序地層測(cè)試器SFTT（Sequential Formation Tester）、李維斯公司于1990年推出重復(fù)式地層取樣器RFS（Repeat Formation Sampler）。

為滿足高溫高壓等惡劣井眼環(huán)境條件下的油氣評(píng)價(jià)需求，2002年李維斯公司研制出小直徑過(guò)鉆頭重復(fù)式地層測(cè)試器MFT（Compact Formation Pressure Tester）。該儀器的外徑為61mm，能通過(guò)最小內(nèi)徑64mm的井眼縮徑。自2005年威德福公司收購(gòu)李維斯公司以來(lái)，對(duì)MFT進(jìn)行了改進(jìn)，目前其溫度壓力指標(biāo)已達(dá)到135℃和103MPa[3]。2007年哈里伯頓公司研制的溫度壓力指標(biāo)分別為204℃和172MPa、儀器外徑79.4mm的高溫高壓小直徑重復(fù)式電纜地層測(cè)試器 HSFT（Hostile Sequential Formation Tester）投入應(yīng)用，該儀器適用最小井眼直徑為101.6mm。HSFT包括2個(gè)容積為3785cm3的耐硫化氫取樣瓶，流體取樣速度通過(guò)氣墊或流體墊控制，自清潔防砂篩網(wǎng)防止探頭堵塞。

為降低鉆機(jī)占用時(shí)間，提高作業(yè)效率，斯倫貝謝公司于2005年推出可掛接快測(cè)平臺(tái)EP（Express Platform）的電纜快速地層測(cè)試器PressureXpress。在此基礎(chǔ)上，2012年初又推出了溫度壓力指標(biāo)分別為232℃和138MPa的耐高溫快速地層測(cè)試器（PressureXpress-HT）。

由于重復(fù)式地層測(cè)試器不具備泵出和管線流體檢測(cè)能力，所取樣品包含大量泥漿濾液，取樣代表性差。為解決此問(wèn)題，斯倫貝謝公司研制出首支模塊式地層動(dòng)態(tài)測(cè)試器MDT（Modular Formation Dynamics Tester），并于1989年投入商業(yè)化應(yīng)用[4]。1991年斯倫貝謝公司為MDT開(kāi)發(fā)出光學(xué)流體分析模塊OFA（Optical Fluid Analyzer），通過(guò)光學(xué)傳感器對(duì)井下流體樣品受污染程度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，提高了所采集的樣品品質(zhì)；2001年開(kāi)發(fā)出原狀儲(chǔ)層壓力下的實(shí)時(shí)流體分析模塊LFA（Live Fluid Analyzer）；2004年開(kāi)發(fā)出流體組分分析模塊CFA（Composition Fluid Analyzer）；2006年研制出集成了多種探測(cè)器的組合式井下流體分析模塊IFA（InSitu Fluid Analyzer）。斯倫貝謝公司在原MDT基礎(chǔ)上經(jīng)過(guò)技術(shù)改進(jìn)，于2012年初推出具有超強(qiáng)抗沖擊震動(dòng)能力的增強(qiáng)型電纜地層測(cè)試器（MDT Forte）以及溫度壓力指標(biāo)分別為204℃、207MPa耐高溫增強(qiáng)型電纜地層測(cè)試器（MDT Forte-HT）。

與MDT功能相同的其他產(chǎn)品主要包括貝克休斯公司1995年推出的油藏特性儀RCI（Reservoir Characterization Instrument）和哈里伯頓公司1998年推出的油藏描述儀RDT（Reservoir Description Tool）。2000年貝克休斯公司開(kāi)發(fā)出與RCI配套使用的光學(xué)流體分析模塊（SampleView），在此基礎(chǔ)上于2008年開(kāi)發(fā)出組合式流體分析模塊IFX（In-Situ Fluids eXplorer）。哈里伯頓公司于2002年推出與RDT配套的核磁共振實(shí)驗(yàn)室模塊MRILab，成功將核磁共振技術(shù)應(yīng)用于井下流體分析。上述MDT、RCI和RDT這3種模塊式電纜地層測(cè)試器的性能和配置基本相同，大致可分為7類功能模塊：電源／遙測(cè)模塊、液壓動(dòng)力模塊、探測(cè)器模塊（包括單－雙探測(cè)器模塊和雙封隔器模塊）、泵出模塊、流量控制模塊、取樣模塊和井下流體分析模塊等，這些模塊都可根據(jù)不同的測(cè)試目的和作業(yè)要求靈活配置。

當(dāng)井眼條件限制無(wú)法進(jìn)行裸眼井地層測(cè)試或鉆桿測(cè)試時(shí)，能夠在套管井中采集流體樣品并進(jìn)行壓力測(cè)試就顯得極為重要。斯倫貝謝公司和美國(guó)天然氣技術(shù)研究所GTI（Gas Technology Institute）合作開(kāi)發(fā)的套管井動(dòng)態(tài)測(cè)試器CHDT（Cased Hole Dynamics Tester）于2000年投入商業(yè)化應(yīng)用。該儀器的溫度壓力指標(biāo)分別為177℃和138MPa，一次下井可以鉆穿套管、測(cè)量?jī)?chǔ)層壓力、采集流體樣品并對(duì)測(cè)試鉆孔進(jìn)行封堵[5－6]。

電纜地層測(cè)試不僅占用鉆機(jī)時(shí)間較長(zhǎng)，在測(cè)試過(guò)程中因泥漿不循環(huán)可能導(dǎo)致儀器粘卡等風(fēng)險(xiǎn)，而且對(duì)于大斜度井、水平井、大位移井還存在儀器下入困難等問(wèn)題。為此，探路者能源服務(wù)公司于2001年推出首支隨鉆地層測(cè)試器DFT（Drilling Formation Tester）。其他公司也先后開(kāi)發(fā)出同類產(chǎn)品，即哈里伯頓公司的隨鉆地層測(cè)試器GeoTap（2002年）、貝克休斯公司的隨鉆地層測(cè)試器TesTrak（2003年）和斯倫貝謝公司的隨鉆地層測(cè)試器StethoScope（2003年）。上述產(chǎn)品在鉆井作業(yè)暫停期間測(cè)量動(dòng)態(tài)地層壓力數(shù)據(jù)，但不具備隨鉆流體取樣和分析功能。2009年哈里伯頓公司研制的首支隨鉆地層流體識(shí)別和采樣儀GeoTap IDS（Fluid Identification and Sampling Sensor）完成了標(biāo)準(zhǔn)井試驗(yàn)，并于2010年3月在北海進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)[7]。GeoTap IDS的溫度壓力指標(biāo)分別為150℃和172MPa，預(yù)測(cè)試容積為100cm3，單相取樣筒容積為1000cm3。一次作業(yè)最多可配置3個(gè)取樣筒模塊，每個(gè)取樣模塊有5個(gè)樣品室。2010年貝克休斯公司研制出隨鉆流體分析與取樣模塊FAS（Formation Fluid and Analysis Tool），該模塊提供壓力、溫度、密度、黏度和聲速等流體特征參數(shù)，單相取樣筒容積為400cm3。2011年斯倫貝謝公司研制的隨鉆地層取樣模塊樣機(jī)進(jìn)入現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)階段[8]。

1.2 國(guó)內(nèi)發(fā)展情況

20世紀(jì)80年代后期，國(guó)內(nèi)各大油田先后從國(guó)外引進(jìn)了重復(fù)式電纜地層測(cè)試器。1992年斯倫貝謝公司的MDT作為Maxis-500測(cè)井系統(tǒng)的配套儀器在國(guó)內(nèi)開(kāi)展技術(shù)服務(wù)[9]。

2003年中海油田服務(wù)股份有限公司（簡(jiǎn)稱中海油服，下同）研制出地層測(cè)試評(píng)價(jià)儀FET（Formation Evaluation Tool），該儀器具有模塊式地層測(cè)試器的基本功能。2006年中海油服推出了鉆井中途油氣層測(cè)試儀FCT（Formation Characteristic Tool）。FCT的外徑為120mm，溫度壓力指標(biāo)分別為177℃和140MPa，包括電子線路模塊、液壓動(dòng)力模塊、反向注入模塊、數(shù)字泵抽模塊等，具有壓力測(cè)試和取樣功能[10]。2009年中國(guó)石油大慶鉆探工程公司完成了SDC-I型隨鉆地層壓力測(cè)試器研制和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，該儀器提供隨鉆壓力和溫度測(cè)量[11]。2012年1月，中國(guó)石油集團(tuán)測(cè)井有限公司完成了模塊式地層動(dòng)態(tài)測(cè)試系統(tǒng)FDT（Formation Dynamics Tester）基本型樣機(jī)研制及標(biāo)準(zhǔn)井試驗(yàn)。國(guó)外與國(guó)內(nèi)地層測(cè)試與井下流體分析技術(shù)發(fā)展進(jìn)程見(jiàn)圖1。

2 關(guān)鍵技術(shù)分析

2.1 井下流體識(shí)別技術(shù)

圖1 地層測(cè)試與井下流體分析技術(shù)發(fā)展魚(yú)骨圖

在井下流體分析技術(shù)推出之前，通常是將井下流體樣品送到遠(yuǎn)離井場(chǎng)的地面實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行分析，這種耗時(shí)費(fèi)力的方法對(duì)早期的勘探開(kāi)發(fā)決策產(chǎn)生不利影響。另外，不經(jīng)過(guò)分析就取到地面的流體樣品在一定程度上受到泥漿濾液的污染，樣品品質(zhì)得不到保證。井下流體識(shí)別分析技術(shù)很好地解決了上述問(wèn)題，該技術(shù)可以在流體泵抽期間確定樣品的黏度和氣油比（GOR）等重要參數(shù)，在原狀地層條件下分析井下流體樣品，直接識(shí)別流體的性質(zhì)，驗(yàn)證地層流體的性質(zhì)，提高了取樣的代表性和成功率。

2.1.1 光學(xué)流體分析技術(shù)

在探測(cè)器模塊中的流體電阻率測(cè)量裝置提供了在較大范圍內(nèi)測(cè)量流體電阻率的能力，在某些情況下，特別在油基鉆井液中，則需要通過(guò)光學(xué)技術(shù)識(shí)別管線中流體的性質(zhì)。斯倫貝謝公司道爾研究中心電纜地層測(cè)試器項(xiàng)目組的技術(shù)負(fù)責(zé)人奧利弗·穆林斯領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊(duì)率先開(kāi)發(fā)出井下光學(xué)流體分析模塊OFA。該模塊用近紅外光譜吸收測(cè)定法區(qū)分油和水，通過(guò)不同角度的反射測(cè)量結(jié)果探測(cè)天然氣[12]。

在OFA基礎(chǔ)上，斯倫貝謝公司開(kāi)發(fā)出原狀儲(chǔ)層壓力下的實(shí)時(shí)流體分析模塊LFA。該模塊中有1個(gè)10道光譜分析儀，每道與不同的光譜波長(zhǎng)相對(duì)應(yīng)，不同的波長(zhǎng)對(duì)應(yīng)于從可見(jiàn)光到近紅外光波長(zhǎng)范圍內(nèi)的測(cè)量光譜，每道的輸出表示光密度，提供確定地層流體含水量與組分的光譜信息。其中特定的近紅外波長(zhǎng)用來(lái)確定原油中的水基泥漿濾液的百分比，或地層水中的油基泥漿濾液的百分比；從可見(jiàn)光到近紅外光波長(zhǎng)的一定范圍被用于確定油中的油基泥漿濾液的百分比。LFA模塊利用在高于泡點(diǎn)壓力上測(cè)量的甲烷含量和烴含量數(shù)據(jù)，計(jì)算地層流體的氣油比（GOR）[13]。

在流體組分分析模塊CFA中設(shè)置了熒光探測(cè)器和光譜儀，以流體的光吸收和熒光分析為基礎(chǔ)，識(shí)別樣品中的甲烷、輕質(zhì)烴、重質(zhì)烴、二氧化碳和水等組分。如果液體從氣相中析出，熒光探測(cè)器就能夠檢測(cè)到，因?yàn)樾纬傻穆端篃晒馑缴仙Ｒ虼?，熒光探測(cè)器能保證流管壓力高于露點(diǎn)，從而保證氣相流體呈單相態(tài)。與LFA模塊相比，CFA模塊中的光譜儀增大了光密度道的寬度，以保證在峰值處測(cè)量甲烷（C1）、乙烷到戊烷組（C2到 C5）、重?zé)N分子（）、二氧化碳、水的光密度，定量測(cè)量其濃度[14]。

為解決復(fù)雜儲(chǔ)層流體識(shí)別問(wèn)題，在原流體光學(xué)識(shí)別分析技術(shù)基礎(chǔ)上，斯倫貝謝公司為MDT開(kāi)發(fā)了一個(gè)功能更完善、能定量分析儲(chǔ)層流體特性的組合式井下流體分析模塊IFA。該模塊包括濾波陣列光譜儀、熒光探測(cè)器、光柵光譜儀等光學(xué)測(cè)量裝置以及壓力／溫度傳感器、電阻率探頭、密度－黏度傳感器等探測(cè)器組件（見(jiàn)圖2）[15]。提供的測(cè)量參數(shù)包括流體組分、氣油比（GOR）和含水量、色度、地層水pH值、流體密度、流管壓力和溫度、地層水礦化度等。在原有的濾波器陣列光譜計(jì)基礎(chǔ)上，IFA模塊增加了一個(gè)用來(lái)補(bǔ)償近紅外光譜中地層流體吸收光譜測(cè)量數(shù)據(jù)的光柵光譜計(jì)，這些補(bǔ)償測(cè)量數(shù)據(jù)使井下光學(xué)分析技術(shù)對(duì)烴的測(cè)量范圍從原來(lái)的4個(gè)碳組擴(kuò)大到5個(gè)，提高了定量分析儲(chǔ)層流體組分的精度和可靠性。IFA在井下同時(shí)使用多個(gè)不同類型的光譜儀對(duì)流體進(jìn)行分析，減小了對(duì)多個(gè)獨(dú)立分析模塊的需求。一組不同類型的光譜儀使用同一個(gè)光源，增加了可用信道的數(shù)量及整個(gè)系統(tǒng)測(cè)量數(shù)據(jù)的一致性。通過(guò)引入?yún)⒖脊庑盘?hào)的測(cè)量數(shù)據(jù)補(bǔ)償由于井下高溫引起的測(cè)量光信號(hào)的光學(xué)增益偏移[15－18]。

圖2 斯倫貝謝公司井下流體分析傳感器組合[15]

井下高壓環(huán)境對(duì)流體分析模塊中的光學(xué)硬件產(chǎn)生不利影響，如導(dǎo)致與流體接觸的光學(xué)窗等器件的密封性下降，從而影響到與流體分析相關(guān)聯(lián)的電子器件的正常工作。為此，斯倫貝謝公司設(shè)計(jì)了將光學(xué)窗與高壓流體隔離的拋光外密封面，并在各光學(xué)窗與空腔之間的環(huán)內(nèi)設(shè)置O型密封圈和聚醚醚酮（PEEK）樹(shù)脂墊圈等方法，使光學(xué)流體分析模塊中的光學(xué)器件的耐壓指標(biāo)提高到206MPa[19]。

貝克休斯公司以洛克·迪弗吉奧為首的研究團(tuán)隊(duì)為RCI開(kāi)發(fā)的組合式井下流體分析模塊IFX包括19道近紅外光譜儀、連續(xù)折射率計(jì)和5道熒光光譜儀等光學(xué)測(cè)量組件以及音叉和聲波換能器等聲學(xué)傳感器組件，用于識(shí)別地層流體類型、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)樣品的污染程度及量化油氣成分。IFX用紫外線燈作為光源，測(cè)量烴的熒光光譜，以確定烴的類型和流體組分。該模塊還測(cè)量從可見(jiàn)光到中紅外流體吸收光譜，并根據(jù)分子振動(dòng)頻譜方法推導(dǎo)出的化學(xué)成分差異估算樣品受鉆井泥漿污染的程度。雖然都是利用2個(gè)波長(zhǎng)計(jì)算氣油比（GOR），但與斯倫貝謝公司的方法不同的是，貝克休斯公司利用的2個(gè)波長(zhǎng)都是在甲烷的單個(gè)光譜峰值附近，而且其氣油比（GOR）的計(jì)算公式是基于甲烷與脫氣原油的合成混合物[20－22]。流體樣品中存在的固體顆粒物如砂粒以及氣泡等會(huì)產(chǎn)生光反射，從而影響到吸收光譜測(cè)量結(jié)果。由于油、氣、水的光折射率差別較大，通過(guò)測(cè)量光折射率，容易將它們區(qū)別開(kāi)。與IFA模塊中使用的8道臨界角光折射計(jì)不同，IFX模塊采用基于界面技術(shù)的連續(xù)光折射計(jì)和衰減反射光譜儀，通過(guò)測(cè)量透明窗口與流體之間的界面反射光確定流體的折射率，測(cè)量數(shù)據(jù)受流體中的氣泡及顆粒影響較小[23]。

2.1.2 聲學(xué)流體分析技術(shù)

斯倫貝謝公司為IFA模塊設(shè)計(jì)的振動(dòng)弦黏度計(jì)將流體管線中的導(dǎo)線與交流電源相連，在磁場(chǎng)中以共振頻率振動(dòng)，當(dāng)從地層中抽出的流體樣品流過(guò)導(dǎo)線時(shí)會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)阻尼，阻尼值的大小與流體黏度有關(guān)，由此推算出流體的密度和黏度值[24]。

貝克休斯公司將前面提到的音叉和聲波換能器等聲學(xué)傳感器用于組合式井下流體分析模塊IFX中（見(jiàn)圖3）。該模塊根據(jù)音叉的機(jī)械諧振器測(cè)量數(shù)據(jù)及相應(yīng)的化學(xué)計(jì)量公式估算地層流體的密度、黏度、介電常數(shù)及電阻率等參數(shù)的方法，通過(guò)測(cè)量機(jī)械諧振器在其諧振頻率附近相對(duì)于諧振器頻率的阻抗頻譜，采用非線性最小平方擬合算法，將測(cè)量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成地層流體的密度、黏度、介電常數(shù)和電阻率等參數(shù)[25]。另外，根據(jù)流體密度及聲速測(cè)量數(shù)據(jù)推算流體性質(zhì)的方法，利用聲波換能器發(fā)出的聲信號(hào)測(cè)量流體的聲波信號(hào)傳播時(shí)間，確定流體密度和聲速，由此計(jì)算流體的壓縮率、熱傳導(dǎo)率及氣油比（GOR）等特性參數(shù)，并根據(jù)從無(wú)響應(yīng)到低響應(yīng)變化的聲波信號(hào)強(qiáng)度檢測(cè)流體中的氣體含量[26]。

圖3 貝克休斯公司井下流體分析聲學(xué)傳感器

2.1.3 核磁共振流體分析技術(shù)

各種流體在黏度、擴(kuò)散系數(shù)以及核磁共振特性上均存有差異，井下核磁共振流體分析技術(shù)就是利用這些特性差異識(shí)別巖石孔隙中的流體。哈里伯頓公司為RDT開(kāi)發(fā)的井下核磁共振實(shí)驗(yàn)室（MRIL-ab?）工作頻率為4MHz，信噪比和運(yùn)行速度接近地面實(shí)驗(yàn)室設(shè)備（見(jiàn)圖4）[27]。在原狀地層溫度和壓力條件下，測(cè)量流管內(nèi)流體的含氫指數(shù)、弛豫時(shí)間T1和T2譜分析、擴(kuò)散系數(shù)及流體電容等，為識(shí)別原狀地層流體與油基泥漿濾液提供精確的流體數(shù)據(jù)，測(cè)量烴的黏度[27]。

圖4 哈里伯頓公司井下核磁共振流體分析磁體組件[27]

MRILab?采用圍繞流管排列的8片磁體組件構(gòu)成的環(huán)形磁體，由于沒(méi)有設(shè)計(jì)貫穿線，影響到與其他模塊的靈活組合方式。另外在對(duì)流體進(jìn)行擴(kuò)散測(cè)量時(shí)要求流管中的流體處于靜止?fàn)顟B(tài)，即不能連續(xù)測(cè)量流體的核磁共振響應(yīng)特征。為解決該問(wèn)題，斯倫貝謝公司在文獻(xiàn)[28]中公開(kāi)了一種帶貫穿線的耐高溫高壓的井下核磁共振流體分析裝置，該裝置的磁體組件包括2個(gè)沿第一流管橫切面方向磁化的平行磁板（磁體）和高導(dǎo)磁性外殼。流管為耐高溫高壓性能的材料，磁板為永磁材料。在磁板的兩側(cè)放置導(dǎo)磁性金屬板（磁極片）使磁場(chǎng)均勻。外部脈沖場(chǎng)梯度線圈產(chǎn)生的靜磁場(chǎng)分量穿透非磁性的金屬流管（見(jiàn)圖5）[28]。該裝置可連續(xù)測(cè)量流體核磁共振響應(yīng)特性，包括自旋－自旋弛豫時(shí)間（T2）、自旋－晶格弛豫時(shí)間（T1）的多維分布函數(shù)和分子擴(kuò)散系數(shù)，由分布函數(shù)計(jì)算出氫及其他核磁共振敏感物質(zhì)的自旋密度，并根據(jù)電路的品質(zhì)因素Q測(cè)量值推算流體的視電導(dǎo)率。

圖5 斯倫貝謝公司井下核磁共振流體分析磁體組件

2.1.4 井下流體分析器校準(zhǔn)技術(shù)

為保證井下流體分析器的測(cè)量精度，斯倫貝謝公司提出在地層測(cè)試器取樣前后對(duì)井下流體分析模塊進(jìn)行實(shí)時(shí)校準(zhǔn)的方法。該方法首先在地面條件下測(cè)量校準(zhǔn)流體，并在地面將校準(zhǔn)流體儲(chǔ)存在地層測(cè)試器的流管或樣品室中。當(dāng)?shù)貙訙y(cè)試器下到井下目的層后，將校準(zhǔn)流體泵入流體分析器中，測(cè)量校準(zhǔn)流體的特征值，并生成校準(zhǔn)值。然后對(duì)地層流體進(jìn)行取樣，井下流體分析器對(duì)地層流體進(jìn)行分析，并根據(jù)校準(zhǔn)值確定地層流體特性[29]。

2.2 低污染取樣技術(shù)

2.2.1 聚焦取樣技術(shù)

在油基泥漿鉆井條件下獲取有代表性的地層流體樣品需要延長(zhǎng)泵排時(shí)間，由此會(huì)加大儀器粘卡風(fēng)險(xiǎn)。斯倫貝謝公司研制出一種聚焦型探測(cè)器，該探測(cè)器由1個(gè)封隔器密封件將流體取樣區(qū)與井眼隔離開(kāi)，在中心取樣區(qū)域外面還環(huán)繞了1圈圓柱形屏蔽探頭；第2個(gè)封隔器密封將屏蔽吸入口與中心取樣口隔離開(kāi)，中心取樣區(qū)與外圍的屏蔽取樣區(qū)分別與取樣流管和屏蔽流管相連。這種獨(dú)特的聚焦采樣方法，確保在采樣初期將鉆井泥漿濾液隔離，使純凈的儲(chǔ)層流體與被污染的流體分開(kāi)，分別泵入不同的流管[30]。聚焦采樣技術(shù)在提高地層流體取樣速度、降低泥漿濾液污染程度、減少作業(yè)時(shí)間和儀器粘卡風(fēng)險(xiǎn)等方面具有明顯效果。

對(duì)于碳酸鹽巖地層、砂巖薄層和天然裂縫性儲(chǔ)層，地層壓力測(cè)試和流體采樣面臨的問(wèn)題是油藏的非均質(zhì)性及不能保證探頭的密封性。為此，哈里伯頓公司開(kāi)發(fā)出一種橢圓形探測(cè)器[31]。該探測(cè)器在取樣過(guò)程中形成2個(gè)流動(dòng)區(qū)域，其中內(nèi)探針被1個(gè)護(hù)衛(wèi)環(huán)包圍住，可以排除大多數(shù)污染物，使內(nèi)探針保持很低的污染度。這種改進(jìn)的設(shè)計(jì)可以擴(kuò)大低流動(dòng)性（薄層或低滲透性）儲(chǔ)層、裂縫性儲(chǔ)層和非均質(zhì)儲(chǔ)層流體采樣和壓力測(cè)試范圍。通過(guò)橢圓形設(shè)計(jì)可以增加采樣區(qū)域，實(shí)現(xiàn)類似于膨脹式雙封隔器探測(cè)器的垂直密封，同時(shí)還具有常規(guī)探測(cè)器的靈活操控性。橢圓形探測(cè)器的密封性和聚焦效果使抽取的流體受污染程度顯著降低，從而減少了泵出時(shí)間，與標(biāo)準(zhǔn)探頭相比縮短了取樣過(guò)程。

2.2.2 低沖擊取樣技術(shù)

用地層測(cè)試器的常規(guī)井下流體取樣筒取樣時(shí)，因其內(nèi)部壓力接近于大氣壓，當(dāng)打開(kāi)取樣瓶頂部閥門開(kāi)始取樣時(shí)，流管壓力急速下降，從而導(dǎo)致流體發(fā)生相分離，使采集的樣品失去意義。低沖擊取樣是指在將地層流體采集到樣品室或取樣瓶時(shí)，流管壓力保持不變。

斯倫貝謝公司為MDT開(kāi)發(fā)的低沖擊取樣技術(shù)中，其樣品室和取樣筒是一個(gè)頂部有閥門、底部開(kāi)口的圓筒。當(dāng)泵出模塊將抽取的地層流體排放到井眼中時(shí)，圓筒頂部的閥門關(guān)閉，此時(shí)活塞位于圓筒內(nèi)的頂部，活塞下面充滿了水。由于圓筒底部開(kāi)口，圓筒中水的壓力等于井眼的靜水壓力。當(dāng)開(kāi)始取樣時(shí)，圓筒頂部閥門打開(kāi)，流管中的流體流入取樣瓶，流體向下推動(dòng)活塞，將活塞下面的水排入井眼。在打開(kāi)閥門向取樣瓶流入流體的過(guò)程中，流管壓力保持不變[32]。同樣地，貝克休斯公司和哈里伯頓公司分別為RCI和RDT開(kāi)發(fā)的“零沖擊”取樣技術(shù)也能達(dá)到保持流管壓力不變的目的。

2.2.3 樣品壓力保持技術(shù)

當(dāng)?shù)貙恿黧w樣品從高溫的井下環(huán)境中取回到地面后，因溫度變化使樣品體積收縮。如果樣品體積不變，則樣品壓力相應(yīng)會(huì)降低，導(dǎo)致樣品發(fā)生相分離，這會(huì)嚴(yán)重影響到樣品的質(zhì)量和地層流體壓力—體積—溫度（PVT）關(guān)系分析的準(zhǔn)確性，從而導(dǎo)致對(duì)油氣產(chǎn)能的誤判。為此，開(kāi)發(fā)了各種增壓技術(shù)使地層流體樣品在取回到地面時(shí)將壓力維持在原狀地層壓力狀態(tài)。目前常用的增壓方法是通過(guò)泵或氣墊等方法完成。用泵增壓的方法是通過(guò)高壓氣體提供動(dòng)力的液壓驅(qū)動(dòng)活塞對(duì)地層流體增壓，使流體在溫度下降后將壓力增加至泡點(diǎn)壓力以上，補(bǔ)償樣品預(yù)期的壓力損失，這種方法受泵容積的限制；氣墊增壓方法是在取樣筒內(nèi)部設(shè)計(jì)了2個(gè)浮式活塞，在2個(gè)活塞中間或1個(gè)活塞后面預(yù)先充入103MPa左右的高壓氣體（如氮?dú)猓?，?dāng)樣品從井下取到地層后，因溫度下降導(dǎo)致取樣瓶?jī)?nèi)部壓力下降時(shí)，活塞間的氮?dú)馀蛎洠驑悠穫鬟f的壓力補(bǔ)償?shù)孛娴膲毫?，從而保證取樣瓶中的樣品在地面仍保持單相態(tài)[33]。貝克休斯公司RCI中的單相取樣筒就是采用氣墊法保持樣品壓力的，但該方法需謹(jǐn)慎操作。

貝克休斯公司還提出一種利用能量存儲(chǔ)介質(zhì)對(duì)地層流體樣品增壓的方法相對(duì)安全地解決樣品壓力保持的問(wèn)題。該方法在地面預(yù)先將可壓縮能量存儲(chǔ)介質(zhì)（如液體或氣體）增壓至相對(duì)安全的初始?jí)毫?，隨著地層測(cè)試器下入井眼中，能量存儲(chǔ)介質(zhì)利用流體靜壓力進(jìn)行增壓，當(dāng)所取樣品到地面后壓力下降時(shí)，壓力存儲(chǔ)介質(zhì)通過(guò)壓力連通器件將存儲(chǔ)的壓力施加給樣品室中的樣品，使其壓力得到保持[34]。

3 發(fā)展趨勢(shì)分析

與傳統(tǒng)技術(shù)相比，隨鉆地層壓力測(cè)試獲取的原始地層壓力數(shù)據(jù)能更好地反映地層的真實(shí)壓力狀況，作業(yè)者據(jù)此可及時(shí)調(diào)整鉆井方案，如泥漿比重、鉆速、鉆壓等，規(guī)避作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)。因此，目前地層測(cè)試與井下流體取樣分析技術(shù)研究重點(diǎn)正轉(zhuǎn)向隨鉆壓力測(cè)試與流體分析取樣。隨鉆地層測(cè)試與取樣技術(shù)面臨的挑戰(zhàn)主要來(lái)自鉆鋌的強(qiáng)沖擊振動(dòng)、鉆柱的巨大扭力、井下大的流體靜壓力、泥漿中的鉆屑磨蝕及高溫高壓等惡劣環(huán)境條件。為此，在現(xiàn)有電纜測(cè)井技術(shù)基礎(chǔ)上，對(duì)置于鉆鋌有限空間中的壓力測(cè)試與流體分析工具進(jìn)行了全新設(shè)計(jì)，主要?jiǎng)?chuàng)新技術(shù)包括隨鉆快速地層壓力測(cè)試技術(shù)、井下流體泵控制技術(shù)、用于隔離沖擊振動(dòng)及井下應(yīng)力的減震技術(shù)、提供模塊之間流體通路和電氣通路的模塊連接方法等[35－38]。

已推出的隨鉆地層測(cè)試器只提供動(dòng)態(tài)地層壓力測(cè)試，其中，DFT采用1對(duì)膨脹式雙封隔器；GeoTap、TesTrak和StethoScope都采用了極板式探頭設(shè)計(jì)，與極板相對(duì)的定位活塞確保探頭與地層接觸良好。在壓力測(cè)量期間，雙封隔器或極板上的密封環(huán)使探頭周圍的流體流動(dòng)降至最低，每次測(cè)試可獲得壓力和流體流動(dòng)度等數(shù)據(jù)。

哈里伯頓公司投入商業(yè)化應(yīng)用的隨鉆地層流體識(shí)別和采樣儀GeoTap IDS采用橢圓形極板探頭設(shè)計(jì)，提高了采樣速度和探頭與井壁之間的密封效果。井下流體傳感器提供流體密度、壓縮性、電阻率、介電常數(shù)及泡點(diǎn)等流體特征測(cè)量，用于實(shí)時(shí)流體組分識(shí)別及受泥漿濾液污染程度監(jiān)測(cè)[39－40]。

4 結(jié)論與建議

（1）以斯倫貝謝公司光學(xué)流體分析技術(shù)為代表的流體識(shí)別技術(shù)通過(guò)監(jiān)測(cè)地層流體樣品受鉆井泥漿濾液污染程度，確保采集到有代表性地層流體樣品，同時(shí)還提供流體物性參數(shù)，有效表征儲(chǔ)層流體特性。

（2）由常規(guī)的溫度、壓力和電阻率及光、聲、核磁共振等多種傳感器構(gòu)成的組合型井下流體分析器增加了測(cè)量參數(shù)，減少了模塊配置數(shù)量；光學(xué)硬件密封性加工工藝及特殊材料的應(yīng)用提高了光學(xué)分析器的耐壓性能；流體分析器井下校準(zhǔn)技術(shù)提高了流體識(shí)別分析的精度。

（3）聚焦取樣與低沖擊取樣技術(shù)相結(jié)合，在提高作業(yè)時(shí)效的同時(shí)保證采集具有代表性的低污染樣品；樣品壓力保持技術(shù)使井下樣品在取回到地面后維持在原狀地層壓力狀態(tài)，避免發(fā)生相分離。這些關(guān)鍵技術(shù)為地面實(shí)驗(yàn)室流體樣品的PVT關(guān)系分析的準(zhǔn)確性和可靠性提供了保障。

（4）隨鉆地層壓力測(cè)試已經(jīng)達(dá)到電纜測(cè)井的技術(shù)水平。多種隨鉆流體分析方法，如溫度、壓力、聲速和核磁共振等已達(dá)到商業(yè)化應(yīng)用水平，隨鉆光學(xué)流體分析方法正在試驗(yàn)過(guò)程中。

在技術(shù)引進(jìn)、合作或自主研發(fā)基礎(chǔ)上，國(guó)內(nèi)已經(jīng)研制出與國(guó)外同類產(chǎn)品技術(shù)水平相當(dāng)?shù)碾娎|地層測(cè)試器和隨鉆地層壓力測(cè)試器。建議開(kāi)展適應(yīng)高溫高壓等惡劣井眼環(huán)境的電纜地層測(cè)試器及光、聲、電、核磁共振等綜合性井下流體分析方法的研究，實(shí)現(xiàn)各功能模塊的標(biāo)準(zhǔn)化尺寸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)優(yōu)化，提高整體的集成化程度，實(shí)現(xiàn)與現(xiàn)有國(guó)產(chǎn)測(cè)井系統(tǒng)的多樣性組合，提高測(cè)井作業(yè)效率。

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