楊川 陳平 夏宏泉 韓雄 馬天壽

“油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程”國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室·西南石油大學(xué)

地層壓力是指作用在地層孔隙內(nèi)流體（油、氣、水）上的壓力，亦稱地層孔隙壓力[1]。地層壓力的檢測(cè)與預(yù)測(cè)對(duì)于保障油氣井安全鉆進(jìn)[2]，提高鉆井效率，優(yōu)化鉆井工藝，降低鉆井成本等都具有重要的指導(dǎo)意義。

傳統(tǒng)的地層壓力信息的獲取方法主要包括：①鉆井前，采用地震法，聲波時(shí)差法得到地震資料和聲波測(cè)井曲線來(lái)預(yù)測(cè)區(qū)塊地層的孔隙壓力；②鉆井過(guò)程中，采用機(jī)械鉆速法、dc指數(shù)法[3]，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)資料（如井漏、溢流時(shí)鉆井液的密度，測(cè)試資料等）估算地層孔隙壓力；③完井后采用密度測(cè)井，電纜測(cè)井，試油等測(cè)試方法檢測(cè)地層孔隙壓力。

隨著鉆井所面臨的惡劣條件（如高溫高壓鉆井，深水鉆井，高含硫化氫鉆井）越來(lái)越復(fù)雜，人們迫切需要實(shí)時(shí)地了解鉆達(dá)地層的孔隙壓力，以確定準(zhǔn)確的地層壓力梯度，探測(cè)未知區(qū)塊高壓層，及時(shí)調(diào)整鉆井液密度，從而實(shí)現(xiàn)高效、安全地鉆進(jìn)。

隨鉆地層壓力測(cè)量?jī)x的研制，利用了鉆井期間的短暫停頓完成測(cè)試，實(shí)時(shí)獲取地層壓力信息，地層受鉆井液濾液侵入影響小，測(cè)量精度高，同時(shí)解決了大斜度井、水平井中電纜工具下入困難問(wèn)題，可應(yīng)用于NDS和MPD鉆井系統(tǒng)中。

1 國(guó)外研究現(xiàn)狀

目前國(guó)外隨鉆地層壓力測(cè)量FPWD（Formation Pressure While Drilling）已形成較為完善的系統(tǒng)，早期的測(cè)量?jī)x主要為雙封隔器式隨鉆地層壓力測(cè)量裝置，以哈里伯頓的 EFPS（Early Formation Pressure System）系統(tǒng)和Panthfinder能源服務(wù)公司DFT（Drilling Formation Tester）系統(tǒng)為主，目前應(yīng)用較為廣泛的是探頭式隨鉆地層壓力測(cè)量?jī)x，最具代表性的主要有斯侖貝謝公司的Stetho－Scope系統(tǒng)，哈里伯頓公司的Geo－Tap系統(tǒng)以及貝殼休斯公司的TesTrak系統(tǒng)。

1.1 雙封隔器式隨鉆地層壓力測(cè)量?jī)x

雙封隔器式隨鉆地層壓力測(cè)量系統(tǒng)由上下封隔器、壓降泵和石英壓力計(jì)等組成，它通過(guò)鉆井液脈沖遙測(cè)技術(shù)將井下測(cè)量信息實(shí)時(shí)傳遞到地面上，經(jīng)多次測(cè)試后即可建立較為準(zhǔn)確的地層壓力梯度剖面。早在20世紀(jì)90年代，哈里伯頓公司的研究人員就已經(jīng)開始了隨鉆地層壓力測(cè)量?jī)x的研究[4]，其EFPS系統(tǒng)可以在鉆井過(guò)程中，利用起下鉆對(duì)地層壓力進(jìn)行一系列的快速測(cè)試，通過(guò)詳細(xì)的數(shù)值模擬和數(shù)據(jù)解析，測(cè)量效果和電纜測(cè)井相當(dāng)。1999年，Pathfinder能源服務(wù)公司的DFT測(cè)試器作為隨鉆測(cè)井系統(tǒng)LWD的一部分，能夠隨鉆測(cè)量不同井深的地層孔隙壓力[4]，并通過(guò)井下電子控制短節(jié)實(shí)時(shí)傳遞信息到地面。典型的雙封隔器式隨鉆地層壓力測(cè)量?jī)x結(jié)構(gòu)如圖1所示，由兩個(gè)封隔器作為鉆鋌的一部分，開始進(jìn)行測(cè)試時(shí)，井下鉆井液分流器引導(dǎo)鉆井液通過(guò)井下鉆具組合，上下兩個(gè)封隔器膨脹坐封，壓降泵將封隔器之間的流體泵出，地層流體在欠平衡的作用下進(jìn)入封隔器之間，直到封隔器之間的壓力達(dá)到地層壓力。

圖1 雙封隔器式隨鉆地層壓力測(cè)試儀結(jié)構(gòu)圖

DFT測(cè)試儀利用一次起下鉆可以測(cè)量多點(diǎn)壓力，建立地層壓力梯度，確定油、氣、水的接觸面，一次測(cè)試的周期一般在20～30min，極大減小了非生產(chǎn)時(shí)間。在由道達(dá)爾公司和殼牌，埃克森美孚公司合作開發(fā)的英國(guó)北海北部的Otter油田中[5]，由于井身結(jié)構(gòu)的特殊性，油井水平穿入儲(chǔ)層段，電纜地層測(cè)試需下入鉆桿才能下入井中測(cè)量，所以采用隨鉆地層測(cè)試器（DFT）下入井中采集地層壓力數(shù)據(jù)，獲得了成功，真實(shí)地反映了地層壓力的原始狀態(tài)，幫助實(shí)現(xiàn)了有效的決策方案，節(jié)省了鉆井時(shí)間。

1.2 探頭式隨鉆地層壓力測(cè)量?jī)x

探頭式隨鉆地層壓力測(cè)量系統(tǒng)主要由帶有密封墊的活塞探頭、抽吸泵、石英壓力計(jì)、電子短節(jié)等構(gòu)成。在鉆進(jìn)的過(guò)程中，利用中途短暫的停歇，地面控制系統(tǒng)傳遞命令到井下激活測(cè)試系統(tǒng)，壓力探頭從測(cè)量短節(jié)處伸出，與地層接觸，待形成有效密封后，探針打開，抽吸地層內(nèi)流體，利用智能化的閉合環(huán)路控制系統(tǒng)進(jìn)行一系列壓降測(cè)試和壓力恢復(fù)測(cè)試，以測(cè)得準(zhǔn)確的地層壓力信息。測(cè)試數(shù)據(jù)可存儲(chǔ)在井下或通過(guò)鉆井液脈沖遙測(cè)系統(tǒng)傳送到地面。探頭式FPWD應(yīng)用范圍較廣，可在任何井斜條件下測(cè)量地層孔隙壓力，鉆井液循環(huán)與否都可進(jìn)行測(cè)試，系統(tǒng)可采用自帶電池或渦輪發(fā)電機(jī)進(jìn)行供電，一次測(cè)試周期僅為5～7min，最大限度的節(jié)省了鉆井時(shí)間，節(jié)約了生產(chǎn)成本。

在探頭式隨鉆壓力測(cè)量系統(tǒng)中，哈里伯頓公司的Geo－Tap隨鉆地層壓力測(cè)量系統(tǒng)是最先成功利用電纜型極板和探頭設(shè)計(jì)的隨鉆地層壓力測(cè)試器[6]，它通過(guò)每一個(gè)點(diǎn)進(jìn)行3次測(cè)試，取最穩(wěn)定的值作為該點(diǎn)的最終壓力來(lái)進(jìn)行測(cè)量結(jié)果的優(yōu)化。而貝克休斯公司的TesTrak測(cè)量系統(tǒng)[7]擁有基本測(cè)試和優(yōu)化測(cè)試兩種選擇，可以優(yōu)化壓降速率，壓降大小和壓力恢復(fù)時(shí)間。同時(shí)，還可測(cè)量任意井周方向的地層壓力。斯侖貝謝公司的Stetho－Scope測(cè)量系統(tǒng)和哈里伯頓的Geo－Tap系統(tǒng)原理相似，通過(guò)對(duì)預(yù)測(cè)試體積和壓降速率進(jìn)行優(yōu)化后，它在常規(guī)鉆井情況下有較高的測(cè)試精度。典型的探頭式隨鉆地層壓力測(cè)量?jī)x的測(cè)量原理和基本結(jié)構(gòu)如圖2、3。

圖2 探頭式隨鉆地層壓力測(cè)量原理圖

圖3 探頭式隨鉆壓力測(cè)試儀基本結(jié)構(gòu)圖

從國(guó)外隨鉆地層壓力測(cè)量?jī)x的調(diào)研分析可知，雙封隔器式測(cè)量裝置將鉆鋌坐封在井壁上，雖然探測(cè)范圍較大，流體流動(dòng)模擬比較準(zhǔn)確，但封隔器間的流體抽吸量較大，環(huán)空固相可能被吸進(jìn)儀器從而堵塞系統(tǒng)；測(cè)試時(shí)間較長(zhǎng)，導(dǎo)致發(fā)生井下復(fù)雜情況的概率增加；封隔器在多次使用后可靠性嚴(yán)重降低，這些問(wèn)題都限制了它在現(xiàn)場(chǎng)中的廣泛應(yīng)用。而幾大國(guó)外油田技術(shù)服務(wù)公司的探頭式隨鉆地層壓力測(cè)量系統(tǒng)已經(jīng)各自形成了一套系列[8－10]，已廣泛應(yīng)用于世界各地并推廣，多次指導(dǎo)鉆井，采油作業(yè)，產(chǎn)生了較大的經(jīng)濟(jì)效益。其相關(guān)配套的軟件、硬件均具有很好的現(xiàn)場(chǎng)適應(yīng)性（表1）。

表1 FPWD主要技術(shù)參數(shù)表

2 國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀

國(guó)內(nèi)關(guān)于隨鉆地層壓力測(cè)試儀器的研究比較晚，近幾年經(jīng)過(guò)技術(shù)攻關(guān)已有多家單位研發(fā)出了隨鉆地層壓力測(cè)量?jī)x。具有代表性的有中國(guó)石油西部鉆探克拉瑪依鉆井工藝研究院的雙封隔器式隨鉆地層壓力測(cè)量?jī)x[11]，西南石油大學(xué)課題組“十一五”期間完成的探頭式隨鉆地層壓力測(cè)量裝置[12－13]，北京六合偉業(yè)科技有限公司的探頭式隨鉆地層壓力測(cè)量?jī)x[14]以及中國(guó)石油大慶鉆探工程公司鉆井工程技術(shù)研究院的SDC－I型探頭式隨鉆地層壓力測(cè)試器[15－16]（表2）。

表2 國(guó)內(nèi)主要單位FPWD指標(biāo)表

2.1 西南石油大學(xué)隨鉆地層壓力測(cè)量系統(tǒng)樣機(jī)

西南石油大學(xué)和中海石油研究中心在“十一五”期間，共同研制出了隨鉆地層壓力測(cè)量系統(tǒng)的地面樣機(jī)及部件[12]。完成了測(cè)量方案設(shè)計(jì)和測(cè)量?jī)x器的試制以及數(shù)字化樣機(jī)的制作，并應(yīng)用研制的地面模擬裝置[13]對(duì)測(cè)量?jī)x器關(guān)鍵部件進(jìn)行了室內(nèi)模擬實(shí)驗(yàn)，模擬環(huán)境達(dá)到了井下作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，儀器最高耐壓70MPa，適用溫度0～125℃，工作鉆壓0～250kN，扭矩0～10 kN·m。形成了一套隨鉆地層壓力測(cè)量實(shí)施方案及地層壓力解釋分析方法，研制出了適用于此套測(cè)量?jī)x的數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)，完成了隨鉆測(cè)量裝置與MWD的通訊連接，能夠達(dá)到隨鉆測(cè)量的效果。其裝置總體結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 隨鉆地層壓力測(cè)量裝置實(shí)物圖

它由渦輪發(fā)電機(jī)模塊、電氣短節(jié)、鉆井液分流器、增壓裝置、執(zhí)行機(jī)構(gòu)總成、執(zhí)行機(jī)構(gòu)液壓控制系統(tǒng)、抽吸系統(tǒng)、探測(cè)頭、下接頭等主要部件組成。它是基于鉆井液分流提供液壓動(dòng)力，三點(diǎn)定位井壁保證合適推靠力，以鉆井液脈沖作為下傳信號(hào)的測(cè)試啟動(dòng)控制系統(tǒng)（圖5）。

圖5 隨鉆地層壓力測(cè)量裝置裝配剖面圖

2.2 大慶SDC－I型隨鉆地層壓力測(cè)試器

圖6 SDC－Ⅰ井下測(cè)試系統(tǒng)組成示意圖

中國(guó)石油大慶鉆探工程公司鉆井工程技術(shù)研究院于2009年5月研制完成了SDC－Ⅰ型隨鉆地層壓力測(cè)試器[16]，并進(jìn)行了6口井的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，收到了較好的效果。該測(cè)試器分為井下測(cè)試系統(tǒng)、地面信息接收及處理系統(tǒng)兩部分。井下測(cè)試系統(tǒng)（圖6）負(fù)責(zé)完成地層壓力的測(cè)試并存儲(chǔ)和上傳數(shù)據(jù)，地面信息接收及處理系統(tǒng)負(fù)責(zé)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行接收和處理?，F(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)表明，該測(cè)試器設(shè)計(jì)合理，可靠性高，壓力測(cè)量精度達(dá)到0.1%，溫度測(cè)量精度達(dá)到±0.5℃，井下供電功率達(dá)到160 W?？呻S鉆實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)上傳和井下存儲(chǔ)功能，地面可隨鉆獲取井下準(zhǔn)確的環(huán)空壓力、溫度、地層壓力和地層流度（地層流度表示流體在該地層中流動(dòng)的難易程度。是油層有效滲透率與流體黏度的比值）。經(jīng)過(guò)一年半的推廣，SDC－Ⅰ目前共完成12口井的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試工作，井下測(cè)試最高壓力47.02MPa，最高溫度109.7℃。這種測(cè)試器已初步具備商業(yè)化應(yīng)用的條件[17]。

3 結(jié)束語(yǔ)

1）從國(guó)內(nèi)隨鉆地層壓力測(cè)量?jī)x的研究趨勢(shì)看，地層壓力的實(shí)時(shí)測(cè)量已開始同LWD、MWD以及旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)、地質(zhì)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)等聯(lián)合使用。隨著各研究機(jī)構(gòu)對(duì)于測(cè)量精度和數(shù)據(jù)傳輸方面的攻關(guān)，其自動(dòng)化、智能化程度必將大大提升。

2）國(guó)內(nèi)探頭式FPWD測(cè)量?jī)x在抽吸地層流體過(guò)程中并未對(duì)不同巖性地層、高流度地層、低滲透地層進(jìn)行抽吸速率、壓降、壓力恢復(fù)時(shí)間的優(yōu)化，在測(cè)量時(shí)可能會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)的不準(zhǔn)確。建議加大這方面的理論研究，采用數(shù)值模擬的方法，開發(fā)出適用于各種情況下的模型及控制系統(tǒng)，完善整個(gè)隨鉆壓力測(cè)量系統(tǒng)。

3）國(guó)內(nèi)外FPWD測(cè)量?jī)x數(shù)據(jù)傳輸方式均采用鉆井液脈沖遙測(cè)技術(shù)，無(wú)法滿足欠平衡技術(shù)、空氣鉆井技術(shù)等隨鉆測(cè)量的需要，在相同的傳輸方式下，國(guó)內(nèi)的傳輸數(shù)據(jù)不管從容量上還是從傳輸速度上都明顯落后于國(guó)外。建議相關(guān)研究單位在增大鉆井液脈沖傳輸?shù)目烧{(diào)密度范圍和應(yīng)用條件的基礎(chǔ)上加大聲波、電磁波等無(wú)線隨鉆傳輸技術(shù)攻關(guān)，從而滿足更多更復(fù)雜的隨鉆測(cè)量需求。

4）目前國(guó)外在儀器及配套系統(tǒng)方面應(yīng)用已比較成熟，具備較為全面的應(yīng)用體系，其技術(shù)指標(biāo)也相對(duì)較高，能夠適應(yīng)較為惡劣的鉆井環(huán)境（如高溫高壓井、深水鉆井等）。國(guó)內(nèi)雖有多家單位已研制出隨鉆地層壓力測(cè)量?jī)x，但技術(shù)水平參差不齊，技術(shù)指標(biāo)較低，適用情況較為局限，仍然存在許多不足，還需在大量的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，解決問(wèn)題，促使隨鉆測(cè)量技術(shù)更加完善。

[1]陳平.鉆井與完井工程[M].北京：石油工業(yè)出版社，2005：18－19.CHEN Ping.Drilling and completion engineering[M].Bei jing：Petroleum Industry Press，2005：18－19.

[2]李偉廷，侯樹剛，蘭凱，等.自適應(yīng)控制壓力鉆井關(guān)鍵技術(shù)及研究現(xiàn)狀[J].天然氣工業(yè)，2009，29（11）：50－52.LI Weiting，HOU Shugang，LAN Kai，et al.Key technologies and research progress of the adaptive managed pressure drilling[J].Natural Gas Industry，2009，29（11）：50－52.

[3]馬英杰，姜勇，王秋成，等.PES地層壓力隨鉆檢測(cè)評(píng)價(jià)系統(tǒng)及應(yīng)用[J].錄井工程，2010，21（4）：5－9.MA Yingjie，JIANG Yong，WANG Qiucheng，et al.PES while drilling formation pressure detection and evaluation system and its application[J].Mud Logging Engineering，2010，21（4）：5－9.

[4]SKINNER N，PROETT M，RINGGENBERG P，et al.New early formation pressure system field test results and advances in early time pressure buildup analysis[C]∥paper 38648－MS presented at the SPE Annual Technical Conference and Exhibition，5－8October 1997，San Antonio，Texas，USA.New York：SPE，1997.

[5]HOOPER M，MACDONALD C，SHALHOPE R，et al.Applications for an LWD formation tester[C]∥paper 52794－MS presented at the SPE／IADC Drilling Conference，9－11March 1999，Amsterdam，Netherlands.New York：SPE，1999.

[6]LONGIS C，HOLM G，HILL J，et al.An LWD formation pressure test tool（DFT）refined the Otter Field development strategy[C]∥paper 87092－MS presented at the IADC／SPE Drilling Conference，2－4March 2004，Dallas，Texas，USA.New York：SPE，2004.

[7]劉鵬飛，劉良躍，司念亭，等.哈里伯頓Geo－Tap隨鉆測(cè)壓工具在渤中25－1E3s井的應(yīng)用[J].石油鉆探技術(shù)，2009，37（3）：42－44.LIU Pengfei，LIU Liangyue，SI Nianting，et al.Application of Geo－Tap in Well E3sof Bozhong 25－1Oilfield[J].Petroleum Drilling Techniques，2009，37（3）：42－44.

[8]劉建立，陳會(huì)年，高炳堂.國(guó)外隨鉆地層壓力測(cè)量系統(tǒng)及其應(yīng)用[J].石油鉆采工藝，2010，32（1）：94－98.LIU Jianli，CHEN Huinian，GAO Bingtang.Foreign measurement system for formation pressure while drilling and its application[J].Oil Drilling ＆ Production Technology，2010，32（1）：94－98.

[9]Schlumberger.VISION，Scope[EB／OL].[2012－03－10].http：∥www.slb.com／StethoScope.

[10]Halliburton.Geo－pilot[EB／OL].[2012－03－10].http：∥www.halliburton.com.

[11]Bakerhughes.TesTrak[EB／OL].[2012－03－10].http：∥www.bakerhughes.com.

[12]陳若銘，周強(qiáng)，羅維，等.一種隨鉆地層壓力測(cè)試方法及裝置：中國(guó)專利，CN200910002450.3[P].2010－07－21.CHEN Ruoming，ZHOU Qiang，LUO Wei，et al.A method and instrument for formation pressure while drilling tester：Chinese Patent，CN 200910002450.3[P].2010－07－21.

[13]姜偉，陳平，蔣世全，等.一種隨鉆地層壓力測(cè)量裝置：中國(guó)專利，CN201120001231.6[P].2011－09－21.JIANG Wei，CHEN Ping，JIANG Shiquan，et al.A measurement instrument of formation pressure while drilling：Chinese Patent，CN 201120001231.6[P].2011－09－21.

[14]鄭華林，陳平，姜偉，等.一種隨鉆地層壓力地面模擬測(cè)量裝置：中國(guó)專利，CN 201120001606.9[P].2011－09－07.ZHENG Hualin，CHEN Ping，JIANG Wei，et al.A surface simulation instrument for formation pressure while drilling tool：Chinese Patent，CN 201120001606.9[P].2011－09－07.

[15]馮建宇，吳曉毅.隨鉆地層壓力測(cè)量裝置：中國(guó)專利，CN 201110085245.5[P].2011－07－20.FENG Jianyu，WU Xiaoyi.Formation pressure while drilling instrument：Chinese Patent，CN 201110085245.5[P].2011－07－20.

[16]趙志學(xué)，韓玉安，高翔，等.SDC－I型隨鉆地層壓力測(cè)試器[J].石油機(jī)械，2011，39（2）：52－54.ZHAO Zhixue，HAN Yu＇an，GAO Xiang，et al.SDC－I type formation pressure while drilling tester[J].China Petroleum Machinery，2011，39（2）：52－54.

[17]李天威.SDC－I型隨鉆地層壓力測(cè)試器具備商業(yè)化應(yīng)用條件[EB／OL].[2011－08－30].http：∥news.cnpc.com.cn／system／2011／08／30／001346810.html.LI Tianwei.SDC－I type formation pressure while drilling tester has its commercial application conditions[EB／OL].[2011－08－30].http：∥news.cnpc.com.cn／system／2011／08／30／001346810.html.