馮永仁,左有祥,王健,周明高,秦小飛,歐陽帥玉,李東,沈陽,孔筍

(1.中海油田服務(wù)股份有限公司油田技術(shù)事業(yè)部,燕郊河北065201;2.中海石油(中國)有限公司天津分公司,天津300459;3.中海油田服務(wù)股份有限公司天津分公司,天津300459)

0 引 言

自從1955年斯倫貝謝公司第一代電纜地層測(cè)試器(FT,Formation Tester)商業(yè)化應(yīng)用以來,地層測(cè)試技術(shù)取得了巨大的進(jìn)展。2012年,楊興琴等[1]綜述了國內(nèi)外地層測(cè)試技術(shù)的發(fā)展歷程、關(guān)鍵技術(shù)和發(fā)展趨勢(shì),重點(diǎn)在儀器的硬件和功能上,未涉及地層測(cè)試數(shù)據(jù)的解釋和應(yīng)用。從2012年以來,先后涌現(xiàn)了一些新的地層測(cè)試技術(shù),主要應(yīng)用在6個(gè)方面:①地層壓力測(cè)試(Pressure Test);②區(qū)間壓力瞬變測(cè)試(Interval Pressure Transient Test,IPTT),垂直干擾測(cè)試(Vertical Interference Test,VIT),或壓力瞬變分析(Pressure Transient Analysis,PTA)以及產(chǎn)能預(yù)測(cè);③井下流體分析與取樣;④微型壓裂;⑤壓力和流體測(cè)試的應(yīng)用;⑥儲(chǔ)層流體地球力學(xué)(Reservoir Fluid Geodynamics,RFG)的研究。

本文從地層壓力測(cè)試、區(qū)間壓力瞬變測(cè)試與產(chǎn)能預(yù)測(cè)、井下流體分析與取樣、微型壓裂測(cè)試等4個(gè)方面,將著重在地層測(cè)試數(shù)據(jù)的解釋方法和工程應(yīng)用上,綜述國內(nèi)外的地層測(cè)試技術(shù)的進(jìn)展與挑戰(zhàn),指出該技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)和近期的攻關(guān)方向。

1 地層測(cè)試技術(shù)發(fā)展歷程

1.1 電纜地層測(cè)試

電纜地層測(cè)試器由7大功能模塊(或短節(jié))組成:①電源/遙測(cè)模塊;②探針模塊包括各種大小探針、聚焦探針、探針組合、三維徑向探針、封隔器、雙封隔器等;③井下泵抽模塊;④基于光學(xué)、聲學(xué)或核磁共振的井下流體識(shí)別和分析模塊;⑤取樣模塊包括常規(guī)取樣筒、大體積取樣筒、氮?dú)鈮毫ρa(bǔ)償?shù)膯蜗嗳油驳?⑥液壓動(dòng)力模塊;⑦流量控制模塊。這些模塊都可根據(jù)不同的測(cè)試目的和作業(yè)需求靈活配置,可應(yīng)用于裸眼井和套管井。

斯倫貝謝公司的主要電纜地層測(cè)試工具包括:模塊式電纜地層動(dòng)態(tài)測(cè)試器MDT(Modular Formation Dynamic Tester,1989年)、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(2012年)、溫度和壓力分別為204 ℃和207 MPa耐高溫增強(qiáng)型電纜地層測(cè)試器 MDT Forte HT(High Temperature,2012年)、電纜快速測(cè)壓器XPT(PressureXpress,2005年)、耐高溫電纜快速測(cè)壓器XPT-HT(PressureXpress-HT,2012年)。它們可根據(jù)作業(yè)要求在MDT或XPT平臺(tái)上與其他模塊進(jìn)行靈活組合。哈里伯頓公司的RDT(Reservoir Description Tool,1998年)和貝克休斯公司的RCI(Reservoir Characterization Instrument,1995年)與斯倫貝謝公司的MDT具有相同的功能。2002年,哈里伯頓公司推出了與RDT配套的基于核磁共振技術(shù)的井下流體分析模塊:核磁共振實(shí)驗(yàn)室模塊MRILab。2016年,哈里伯頓公司推出了與RDT測(cè)試器平臺(tái)配套的基于光學(xué)傳感器的集成計(jì)算元件(Integrated Computing Elements,ICE Core)技術(shù)的井下流體分析儀[2]。貝克休斯公司商業(yè)化了與RCI配套的基于光學(xué)傳感器的流體分析模塊IFX(Insitu Fluid eXplorer,2008年),開發(fā)了儲(chǔ)層特征化探索者(RCX,Reservoir Characterization eXplorer)服務(wù)平臺(tái),該平臺(tái)可用于高壓/高溫(HP/HT)的惡劣環(huán)境,其溫度和壓力指標(biāo)分別為191 ℃和172 MPa。

2003年中海油田服務(wù)股份有限公司(簡(jiǎn)稱中海油服,下同)研制出了地層測(cè)試評(píng)價(jià)儀FET(Formation Evaluation Tool)。2006年中海油服推出了鉆井中途油氣層測(cè)試儀FCT(Formation Characterization Tool),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[3]。經(jīng)過多年的探索,鉆井中途油氣層測(cè)試儀改名為EFDT(Enhanced Formation Dynamic Tester),它是中海油服獨(dú)立研發(fā)的具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的模塊化電纜式地層測(cè)試器。之后,中海油服又研制了2種模塊式電纜地層測(cè)試儀:增強(qiáng)型電纜鉆井中途油氣層測(cè)試儀(EFDT-eXceed)以及集成式快速地層壓力測(cè)試儀(Integrated Rapid Formation Tester,簡(jiǎn)稱 IRFT),拓展了地層測(cè)試作業(yè)范圍。在推靠坐封技術(shù)方面,開發(fā)了不同大小直徑的圓型探針、橢圓探針、超大吸口探針、大極板探針、聚焦探針、雙封隔器。在流體識(shí)別技術(shù)方面,開發(fā)了光譜流體識(shí)別、電阻率、密度和黏度技術(shù)。研制了單相地層流體取樣筒,采用預(yù)充氮?dú)鈮毫ρa(bǔ)償技術(shù),消除因溫度降低引起的樣品壓力減小,使樣品壓力保持在泡點(diǎn)、露點(diǎn)壓力之上,避免發(fā)生相變,從而獲得高質(zhì)量的單相地層流體樣品。研制了多PVT取樣筒模塊,一次下井最多可獲取48個(gè)流體樣品。為解決儀器吸附卡難題和避免耗時(shí)長(zhǎng)、高成本的打撈解卡問題,研制了擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的異向推靠解卡裝置。

中國石油集團(tuán)測(cè)井有限公司(簡(jiǎn)稱中油測(cè)井,下同)自“十一五”開始,開展了模塊式動(dòng)態(tài)地層測(cè)試系統(tǒng)FDT(Formation Dynamics Tester)的研制。FDT包括電源、液壓動(dòng)力、單探測(cè)器、常規(guī)取樣、泵抽排、多取樣、雙封隔器和光譜分析模塊。FDT采用模塊化設(shè)計(jì),可進(jìn)行井下地層壓力精確測(cè)量以及流體實(shí)時(shí)分析和取樣,配套的特殊探針和雙封隔器模塊的配置使FDT可適應(yīng)更為復(fù)雜儲(chǔ)層的地層測(cè)試[4]。至2018年底,中油測(cè)井自主研發(fā)的模塊式地層動(dòng)態(tài)測(cè)試系統(tǒng)分別在吐哈、青海、華北、大慶油田等實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)與應(yīng)用。

表1對(duì)比了5家公司電纜地層測(cè)試器的主要測(cè)試參數(shù)。

1.2 隨鉆地層測(cè)試

探路者能源服務(wù)公司開發(fā)了首支隨鉆地層測(cè)試器DFT(Drilling Formation Tester,2001年)。隨后,哈里伯頓公司推出了隨鉆地層測(cè)試器GeoTap(2002年)。貝克休斯公司推出了隨鉆地層測(cè)試器TesTrak(2003年)。斯倫貝謝公司也推出了隨鉆地層測(cè)試器StethoScope(2003年)。上述隨鉆地層測(cè)試器只測(cè)量動(dòng)態(tài)地層壓力數(shù)據(jù),不具備隨鉆流體取樣和分析功能。哈里伯頓公司推出了首支隨鉆地層流體識(shí)別和取樣工具GeoTapIDS(Fluid Identification and Sampling Sensor,2009年)。貝克休斯公司開發(fā)了隨鉆流體分析與取樣工具FAS(Formation Fluid and Analysis Tool,2010年)。2017年斯倫貝謝公司將SpectraSphere隨鉆流體測(cè)繪服務(wù)(Fluid Mapping While Drilling Service)投入商業(yè)化應(yīng)用[5],首次在石油工業(yè)界將基于光學(xué)的井下流體分析儀放置到隨鉆地層測(cè)試器上。中海油服公司研發(fā)了隨鉆地層壓力測(cè)試儀(Instant Formation Pressure Tester,簡(jiǎn)稱 IFPT)。

表1 5家公司電纜地層測(cè)試器的主要測(cè)試參數(shù)對(duì)比

1.3 新一代推靠坐封技術(shù)

為了縮短取樣時(shí)間,斯倫貝謝公司首先推出了聚焦探針(QuickSilver Focused Probe,2005年)(見圖1右下)。它將從儲(chǔ)層流出的流體分為2路:中間圓圈的取樣流區(qū)(Sample Flow Area)和外圍環(huán)狀的防護(hù)流區(qū)(Guard Flow Area)。由于外圍防護(hù)流區(qū)產(chǎn)生的較高流速將污染流體導(dǎo)向環(huán)狀的防護(hù)流區(qū),因此,流入外圍防護(hù)管線的流體污染程度較高,而流入中心取樣管線的流體污染程度低,從而達(dá)到聚焦取樣和提高取樣時(shí)效的目的。類似的工具,2012年哈里伯頓公司設(shè)計(jì)了橢圓形聚焦墊,2018年貝克休斯公司也推出了RCX Sentinel聚焦探針。中海油服公司也研發(fā)了聚焦探針。

圖1 電纜地層測(cè)試器及探針

2014年斯倫貝謝公司研制了新三維徑向探針(速星)并投入商業(yè)化應(yīng)用(見圖1右圖)。速星的技術(shù)特點(diǎn):①行業(yè)商業(yè)應(yīng)用儀器中最大的總過流面積(79.44 in2)(1)非法定計(jì)量單位,1 ft=12 in=0.304 8 m,下同;②流體管線和靜態(tài)壓力之間的壓差指標(biāo)高達(dá)55 MPa;③快速設(shè)置和收回功能;④無集液坑和低管儲(chǔ),可消除流體與靜止鉆井液的混合;⑤定量的實(shí)時(shí)鉆井液濾液污染監(jiān)測(cè)算法,可確保取到代表性的流體樣品;⑥有4個(gè)橢圓形端口,配置可現(xiàn)場(chǎng)替換的定制過濾器,以防止流體管線堵塞;⑦自密封排管裝置,可在任何質(zhì)量的井眼取樣過程中保持良好的密封性;⑧改進(jìn)的鉆井液旁路系統(tǒng),在不穩(wěn)定井眼中可提供卓越的壓力維持。相對(duì)于傳統(tǒng)電纜地層測(cè)試探針,速星在井眼周圍的地層中建立并保持真實(shí)的三維徑向流動(dòng),能夠?qū)崿F(xiàn)高精度的壓力測(cè)量、井下流體分析、取樣和滲透率估算,尤其適用于粗糙或不穩(wěn)定的井眼、超低孔隙度滲透率或疏松地層、稠油或近臨界流體。

2 地層測(cè)試技術(shù)的方法、應(yīng)用和進(jìn)展

2.1 地層壓力測(cè)試

2.1.1地層壓力測(cè)試和滲透率

從20世紀(jì)70年代開始,人們用電纜地層測(cè)試器進(jìn)行儲(chǔ)層滲透率的測(cè)試,通過使用單探針進(jìn)行的壓力測(cè)試計(jì)算出壓降法流度,并且獲得儲(chǔ)層的壓力。

通常壓降法的流度可以通過2種方法確定:穩(wěn)態(tài)流法和積分法。當(dāng)工具時(shí)間常數(shù)足夠低時(shí),可以使用穩(wěn)態(tài)流方法,因?yàn)閴航颠^程中存在穩(wěn)態(tài)流壓力。但很多時(shí)候,特別是在低流度情況下,測(cè)壓過程無法建立穩(wěn)態(tài)流壓力,不能使用穩(wěn)態(tài)流法,而要使用積分法計(jì)算流度。

地層測(cè)試器流動(dòng)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性取決于流量測(cè)定(穩(wěn)態(tài)流法)和體積測(cè)定(積分法)的準(zhǔn)確性。由于在低流度地層中獲得的大多數(shù)壓力測(cè)試必須使用積分法進(jìn)行分析,因此,體積測(cè)定的準(zhǔn)確性至關(guān)重要。往復(fù)泵是由電機(jī)馬達(dá)驅(qū)動(dòng)液壓油使活塞移動(dòng)來抽吸流體的,其優(yōu)點(diǎn)是可以產(chǎn)生非常大的壓降量,但當(dāng)測(cè)壓體積變小時(shí),測(cè)壓體積的誤差會(huì)增加。高效的壓力測(cè)試工具則由機(jī)電馬達(dá)連接到滾子螺旋機(jī)構(gòu)和高減速齒輪箱上,該系統(tǒng)可高度穩(wěn)定和精確地控制壓力測(cè)試的流量和體積,并使測(cè)壓體積的精度達(dá)到0.1 cm3,流量的精度達(dá)到0.05 cm3/s。因此,改進(jìn)的體積準(zhǔn)確性可直接轉(zhuǎn)化為改進(jìn)的流度計(jì)算。

由流度計(jì)算滲透率需要知道流體黏度。盡管知道流動(dòng)流體是鉆井液濾液,但并不知道準(zhǔn)確的黏度值。另外,表皮的存在也會(huì)影響壓降法的流度。影響表皮系數(shù)的因素:①泥餅堵塞探針或壓降過程無法完整地清除泥餅;②因探針設(shè)置的機(jī)械原因造成的地層損害;③放置探針時(shí),因超高應(yīng)力引起的地層微裂縫;④探針附近的非達(dá)西流(湍流);⑤鉆井液顆粒進(jìn)入地層;⑥地層細(xì)粒遷移到探測(cè)區(qū)域;⑦近探針區(qū)域多相條件下產(chǎn)生的相對(duì)滲透率效應(yīng)(例如氣體釋放)。

人們常將得到的球形滲透率(Ks)值與其他滲透率測(cè)量值進(jìn)行比較。但在大多數(shù)情況下,Ks是一種球形滲透率,不能與通常從生產(chǎn)試油或巖心分析測(cè)量中獲得的徑向滲透率進(jìn)行比較。Ks通常是侵入帶對(duì)鉆井液濾液的有效滲透率,而不是從巖心分析獲得的絕對(duì)滲透率。

2.1.2超壓?jiǎn)栴}

對(duì)于低孔隙度低滲透率地層,超壓是需要面對(duì)的關(guān)鍵問題之一。Pop等[6]根據(jù)鉆井實(shí)踐對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行了分組分析。他們建議:①超壓的影響會(huì)隨鉆井后的時(shí)間而減少的假設(shè)并非總是正確的;②停泵測(cè)試會(huì)使超壓量(流度低于2 mD/cP(2)非法定計(jì)量單位,1 mD=9.87×10-4 μm2,下同;1 cP=0.001 Pa·s,下同)減半;③為了研究超壓的敏感性,可以以相同的環(huán)空速率進(jìn)行測(cè)試,如果不能停泵測(cè)試,則可進(jìn)一步以較高的環(huán)空速率進(jìn)行測(cè)試。

Banerjee等[7]開發(fā)了數(shù)學(xué)模型和軟件工具來模擬在流體侵入的情況下儲(chǔ)層中電纜地層測(cè)試的壓力響應(yīng)。并用數(shù)值模擬驗(yàn)證了模型。該模型在鉆井過程中校正壓力時(shí),基于可靠的反演結(jié)果可以得出油井的產(chǎn)能指數(shù),但沒有考慮鉆井實(shí)踐和現(xiàn)場(chǎng)環(huán)空速率對(duì)泥餅特性的影響。

Zaher和Sirju[8]開發(fā)了IMPES模型,將兩相不混溶徑向流與泥餅生長(zhǎng)結(jié)合起來,僅考慮靜態(tài)過濾行為。得出了超壓過程中最具影響的參數(shù),依次排序:滲透率、鉆井液黏度、超平衡壓力、孔隙度、流體黏度和侵入時(shí)間。研究結(jié)果表明,毛細(xì)管壓力和巖石潤濕性對(duì)電纜地層測(cè)試有影響。

為了整合所有可能的不確定性,可以通過在現(xiàn)場(chǎng)條件下測(cè)量多個(gè)參數(shù),使假設(shè)的不確定性最小化。Chang等[9]進(jìn)行了該方面研究。研究結(jié)果指出在電纜測(cè)試作業(yè)時(shí),超壓隨著時(shí)間的推移通常不會(huì)消退。因?yàn)殂@井過程中鉆井液循環(huán)停止時(shí),靜態(tài)泥餅正在增長(zhǎng),濾液漏失率正在下降。但是這種情況在隨鉆測(cè)試作業(yè)時(shí)并非正確。對(duì)濾液漏失和地層壓力的耦合模擬表明,隨鉆超壓的水平會(huì)發(fā)生顯著變化。隨鉆超壓及其隨時(shí)間變化的預(yù)測(cè)需要一個(gè)模擬框架,在該框架內(nèi)可以捕獲流體循環(huán)和鉆井操作的完整歷史。

目前超低孔隙度滲透率地層的超壓?jiǎn)栴}還沒有得到很好的解決,還有大量的工作要做。

2.2 區(qū)間壓力瞬變測(cè)試與產(chǎn)能預(yù)測(cè)

盡管壓降法的流度提供了有關(guān)儲(chǔ)層行為的寶貴信息,但它無法與傳統(tǒng)的鉆柱測(cè)試(Drilling Stem Test,DST)技術(shù)的儲(chǔ)層滲透率相提并論。這是因?yàn)樗难芯可疃扔邢?很難擴(kuò)展到大規(guī)模儲(chǔ)層。事實(shí)上,探針測(cè)壓可能無法達(dá)到完整的徑向流。20世紀(jì)90年代,斯倫貝謝公司使用MDT電纜地層測(cè)試器,配置雙封隔器、探針和泵抽模塊,能夠形成半徑為數(shù)十米的徑向流,從而能夠測(cè)量小儲(chǔ)層規(guī)模的滲透率。這些測(cè)試,稱為微型DST(MiniDST)或區(qū)間壓力瞬變測(cè)試,在某些情況下是傳統(tǒng)DST測(cè)試的有效替代方法,特別是在環(huán)境、安全和經(jīng)濟(jì)方面具有較大優(yōu)勢(shì)。它可用于產(chǎn)能預(yù)測(cè),并得到與傳統(tǒng)DST測(cè)試相似的結(jié)果。

儲(chǔ)層滲透率通常有5種方法測(cè)試:①巖心分析;②常規(guī)測(cè)井;③壓力測(cè)試;④區(qū)間壓力瞬變測(cè)試;⑤傳統(tǒng)DST測(cè)試。由于很難重現(xiàn)儲(chǔ)層條件,巖心分析具有不確定性,而且規(guī)模很小(離井眼大約幾厘米)。常規(guī)測(cè)井測(cè)量半徑也非常有限(3～300 cm),并受侵入帶濾液的影響,它的優(yōu)點(diǎn)是隨深度連續(xù)的測(cè)量。同樣,壓力測(cè)試的規(guī)模也很小(離井眼3～300 cm),如圖2(a)所示。區(qū)間壓力瞬變測(cè)試的儲(chǔ)層規(guī)模居中,在3～12 m,如圖2(b)所示。大儲(chǔ)層規(guī)模(15～300 m)的DST測(cè)試耗時(shí)長(zhǎng),需要地面生產(chǎn)設(shè)備,得出的是具有代表性的儲(chǔ)層平均滲透率,但僅在保持單相流時(shí)有效。在實(shí)際操作中,選擇測(cè)試方法時(shí)要考慮的相關(guān)因素有環(huán)境、安全、時(shí)間(指結(jié)果的獲取和交付時(shí)間)和成本。相比之下,區(qū)間壓力瞬變測(cè)試的儲(chǔ)層規(guī)模居中,沒有環(huán)境、安全問題,耗時(shí)和成本比DST測(cè)試要少很多。

圖2 比較壓力測(cè)試與區(qū)間壓力瞬變測(cè)試的示意圖

圖3 IPTT(VIT)測(cè)試的探針和封隔器的配置示意圖

在典型的單個(gè)雙封隔器IPTT測(cè)試中,理論上管儲(chǔ)后會(huì)出現(xiàn)第一個(gè)徑向流,對(duì)應(yīng)于雙封隔器的水平滲透率乘以厚度。實(shí)際上,這很少被觀察到,因?yàn)楸还軆?chǔ)效應(yīng)掩蓋了。如果儲(chǔ)層邊界比雙封隔器厚,則在壓力導(dǎo)數(shù)與時(shí)間對(duì)數(shù)坐標(biāo)圖中形成一個(gè)斜率為0.5的球形流,隨后形成一個(gè)斜率為0的徑向流,對(duì)應(yīng)于整個(gè)儲(chǔ)層在不滲透邊界之間的滲透率乘以厚度。在層狀儲(chǔ)層或高滲透率各向異性儲(chǔ)層,流動(dòng)可能會(huì)限制在雙封隔器跨距之間,而不會(huì)傳播到主要不滲透邊界。在這種情況下,形成對(duì)應(yīng)于雙封隔器滲透率乘以厚度的徑向流?？梢栽陔p封隔器(或三維徑向探針)上方或下方添加一個(gè)或多個(gè)監(jiān)測(cè)探針。通過觀測(cè)探針的壓力和時(shí)間延遲響應(yīng),可提供測(cè)試間隔內(nèi)垂直連通性、垂直滲透率Kv和垂直滲透率/水平滲透率(Kv/Kh)。這種方法被稱為垂直干擾測(cè)試。它提供了一個(gè)獨(dú)立的Kv測(cè)定,可以與雙封隔器(或三維徑向探針)IPTT測(cè)試結(jié)果進(jìn)行比較。理論上,如果單探針和雙封隔器位于同一區(qū)域,2個(gè)壓力瞬態(tài)數(shù)據(jù)應(yīng)表現(xiàn)出相同的徑向穩(wěn)態(tài)流[16]。

去卷積方法的最新發(fā)展也有助于加強(qiáng)IPTT的解釋[17],它消除了管儲(chǔ)效應(yīng),將嘈雜的生產(chǎn)段數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為理想的壓降數(shù)據(jù),最終用于解釋,并增強(qiáng)了調(diào)查半徑,以便識(shí)別最終邊界。

對(duì)儲(chǔ)層產(chǎn)能進(jìn)行早期評(píng)估具有重要意義,尤其是在對(duì)油井進(jìn)行套管作業(yè)之前。使用節(jié)點(diǎn)分析(Nodal Analysis)軟件生成流入性能關(guān)系圖(Inflow Performance Relationship,IPR),可以預(yù)測(cè)每個(gè)油氣層的產(chǎn)能。輸入數(shù)據(jù)是來自IPTT的滲透率乘以厚度值、儲(chǔ)層壓力和通過地層流體分析得出的油氣性質(zhì),所有這些都是通過地層測(cè)試測(cè)量得到的。IPR圖定義了測(cè)試區(qū)是否是進(jìn)一步開發(fā)的候選區(qū),以及是否需要最終增產(chǎn)處理提高產(chǎn)能。在許多情況下該方法的結(jié)果接近于觀察到的生產(chǎn)結(jié)果[18]。

2.3 井下流體分析

2.3.1早期的井下流體分析

20世紀(jì)90年代初,井下泵抽模塊的引入,使得在取樣前根據(jù)所需地層流體的要求,可以主動(dòng)地清除入侵的鉆井液濾液,大大提高了控制流體流動(dòng)和取樣壓力的能力。隨著這一技術(shù)的發(fā)展,理論上可以無限時(shí)間地泵抽地層流體以獲得原狀流體樣品,但這顯然是不現(xiàn)實(shí)的。因此,定量測(cè)定泵抽流體中鉆井液濾液污染度的能力變得至關(guān)重要,以便以最有效的方式獲得具有適當(dāng)污染度的樣品。如果取樣太快,樣品可能會(huì)受到污染。另一方面,如果取樣時(shí)間比需求時(shí)間長(zhǎng),就浪費(fèi)了寶貴的鉆井時(shí)間,引入了不必要的風(fēng)險(xiǎn)。在非混相流的情況下,即在水基鉆井液環(huán)境中對(duì)油或氣進(jìn)行取樣,或在油基鉆井液環(huán)境中對(duì)水進(jìn)行取樣,只要可以在實(shí)驗(yàn)室中對(duì)污染物進(jìn)行分離,且不會(huì)對(duì)目標(biāo)流體產(chǎn)生不利影響,那么何時(shí)取樣就不那么重要了。但應(yīng)注意的是,情況并非總是如此,例如,油基鉆井液濾液污染可能會(huì)對(duì)水樣中有機(jī)化合物(如揮發(fā)性脂肪酸)測(cè)量產(chǎn)生影響,以及水基鉆井液濾液污染可能會(huì)對(duì)油(氣)樣中硫化氫和二氧化碳等測(cè)量產(chǎn)生影響。與混相流相比,非混相流通常更容易區(qū)分原狀和侵入流體。

安裝方案一：在新釜設(shè)計(jì)時(shí)，考慮好安裝的位置，一般建議在釜側(cè)壁或底部安裝，可以考慮采用預(yù)留法蘭，一般建議DN40或50，SRV法蘭型在線黏度計(jì)外形見圖6。

流體性質(zhì)的第一個(gè)指示性參數(shù)是密度,其可由流體壓力梯度推算而得到。但是,由壓力梯度推算的密度是一種衍生性質(zhì),而不是測(cè)量性質(zhì)。它受到壓力、深度和曲線擬合中的誤差影響,尤其對(duì)于近臨界流體,壓力梯度并非直線而是曲線,流體密度隨深度而變化。

一旦井下地層測(cè)試器與地層建立了壓力聯(lián)系,就可將地層流體泵抽到地層測(cè)試器的管線中,并使用井下流體分析(DFA,Downhole Fluid Analysis)的傳感器測(cè)量泵入流體的各種性質(zhì)。最基本的測(cè)量是流體的壓力和溫度。最早測(cè)得的真實(shí)流體性質(zhì)是流體電阻率,主要用于區(qū)分水和碳?xì)浠衔铩?/p>

2.3.2光譜井下流體分析

20世紀(jì)90年代,作為井下傳感器的光學(xué)流體分析儀被正式引入該行業(yè)(斯倫貝謝公司的OFA)。吸收光譜儀測(cè)量光透過流線時(shí)的吸光度。首先光穿過流線上的1個(gè)藍(lán)寶石窗口,再穿過幾毫米的受測(cè)流體,從第2個(gè)藍(lán)寶石窗口射出,再經(jīng)過多個(gè)探測(cè)器。每個(gè)探測(cè)器測(cè)量光的強(qiáng)度,但每個(gè)探測(cè)器對(duì)不同的波長(zhǎng)都有選擇性。結(jié)合這些檢測(cè)器可產(chǎn)生離散或半連續(xù)光譜(見圖4)。圖4中顯示了油、油基鉆井液濾液和水的吸收光譜[19]。

圖4 不同流體的光譜圖[19]

如圖4所示,由于水峰與碳?xì)浠衔锓迦旱牟町惔?從而很容易地區(qū)分水和碳?xì)浠衔?通常被稱為油水分率)。它也可用于區(qū)分水和碳?xì)浠衔镏g的流動(dòng)相。例如,合理放置光譜模塊,則可以清楚地識(shí)別水和碳?xì)浠衔锏亩稳鳌?/p>

小于1 200 nm的吸光度通常稱為顏色吸收光譜(Coloration)。它反映了地層原油瀝青質(zhì)或樹脂的含量。如果混合2種流體或油基鉆井液濾液和原狀流體,那么所導(dǎo)致的顏色吸收光譜是線性疊加的。這可以直接用來定性和/或定量地計(jì)算油基鉆井液濾液污染度。斯倫貝謝公司最早的井下油基鉆井液濾液污染度算法就基于這種關(guān)系。

井下光譜儀是DFA技術(shù)的一個(gè)重大突破,它不僅提供了樣品污染的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),而且還實(shí)現(xiàn)了一系列井下流體性質(zhì)的測(cè)量。原油中的組分具有不同的光譜,由此可從井下測(cè)量的光譜中導(dǎo)出簡(jiǎn)化的流體組成。1993年斯倫貝謝公司推出的OFA可測(cè)量顏色光譜、區(qū)分油水分率、檢測(cè)氣體和基于顏色光譜監(jiān)測(cè)鉆井液濾液污染度。2001年推出的LFA增加了甲烷峰通道。除了OFA的功能之外,LFA還可以基于甲烷峰監(jiān)測(cè)鉆井液濾液污染度,并根據(jù)甲烷峰和油峰的吸光度比初略估算氣油比。2003年推出的CFA增加了一些通道,可額外測(cè)量組分C1、C2-C5、C6+和CO2的組成以及凝析油的識(shí)別,并改進(jìn)了氣油比的算法。2007推出的IFA進(jìn)一步增強(qiáng)了井下光譜儀的功能。除了CFA的功能之外,IFA可更準(zhǔn)確地測(cè)量流體組分C1、C2、C3-C5、C6+和CO2的組成、氣油比、密度、黏度、pH值。

迄今為止,光譜學(xué)工具主要集中在可見光譜和近紅外光譜上。Jones等[20]描述了光譜的集成計(jì)算元件(Integrated Computing Elements,ICE)方法,并將光譜儀擴(kuò)展到中紅外范圍(高達(dá)5 500 nm)。中海油服公司正在測(cè)試新一代的井下連續(xù)性光譜儀,并結(jié)合現(xiàn)代人工智能方法得到所需產(chǎn)品。

光譜儀的另一個(gè)應(yīng)用是測(cè)量井下活水的酸堿度。其方法是將特定pH值試劑攜帶到井下,并與水進(jìn)行混合[21]。特定pH值試劑在光譜儀特定波長(zhǎng)處具有吸收峰。由于混合溶液的pH值不同,特定波長(zhǎng)處測(cè)量的吸收峰也不同[21],由此可確定活水的pH值。除了活水的pH值之外,它還可以用于檢測(cè)水基鉆井液環(huán)境下獲取地層水樣的凈化過程。

井下熒光傳感器提供了一種定性方法來區(qū)分油基鉆井液濾液與天然油和凝析氣,尤其對(duì)揮發(fā)性淺色凝析油效果最好。熒光傳感器的其他功能包括流動(dòng)相(氣、油、水)的識(shí)別和使用是否出現(xiàn)氣泡或液滴的方法進(jìn)行相分離識(shí)別。

Zuo等[22]提出了基于IFA的儲(chǔ)層流體體積系數(shù)(FVF,Formation Volume Factor)和壓縮系數(shù)[23]分析方法,實(shí)時(shí)獲得儲(chǔ)層流體的重要性質(zhì)。

2.3.3鉆井液濾液污染度分析

穆林斯(Mullins)等[24]提出了一種基于DFA工具測(cè)量的吸光度估計(jì)油基鉆井液濾液污染度的方法。顏色和/或甲烷通道的吸光度隨時(shí)間的變化可擬合實(shí)際DFA測(cè)量數(shù)據(jù)獲得。一旦獲得吸光度模型,將時(shí)間外推至無窮大,則可獲得原狀流體的吸光度。此外,可假設(shè)顏色和/或甲烷通道基線校正過的鉆井液濾液的吸光度等于零。因此,已知2個(gè)端點(diǎn)的吸光度,可以使用吸光度混合規(guī)則計(jì)算油基鉆井液濾液污染度。Hsu等[25]開發(fā)了一種基于多波長(zhǎng)同步吸光度的多通道油基鉆井液濾液污染度算法。然而,現(xiàn)有技術(shù)只適用于具有足夠?yàn)r青質(zhì)含量(足夠的吸光度)的油,因?yàn)槠渑c顏色通道的吸光度呈線性關(guān)系[26],并且可假定顏色通道的鉆井液濾液無色(吸光度為零)。此外,如果地層流體和濾液之間沒有或只有很小的吸光度差異,則獲得純鉆井液濾液和原狀地層流體特征的準(zhǔn)確性也受到限制。另外,當(dāng)鉆井液用于多井再循環(huán)時(shí),會(huì)吸收顏色(吸光度不再為零),或原狀地層流體本身缺乏顏色(低瀝青質(zhì)含量)時(shí),經(jīng)常會(huì)觀察到吸光度差異很小的情況。因此,Zuo等[27-28]提出了基于多傳感器流體樣品污染度的實(shí)時(shí)新預(yù)測(cè)方法。

Zuo等[27-28]研究了不同流體性質(zhì)的混合規(guī)則,新定義了兩個(gè)輔助函數(shù)(修正的氣油比和修正的質(zhì)量分?jǐn)?shù)),從而使所有流體性質(zhì)的混合規(guī)則保持相似性和一致性。確定了流體性質(zhì)之間的相互線性關(guān)系。通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證了這些混合規(guī)則和線性關(guān)系,利用最新一代的DFA工具測(cè)量了流體性質(zhì)隨泵抽流體體積的變化情況,并將新的多傳感器流體樣品污染度的預(yù)測(cè)方法應(yīng)用于DFA測(cè)量數(shù)據(jù)中,對(duì)油基鉆井液濾液污染度進(jìn)行實(shí)時(shí)定量分析。他們將該方法推廣應(yīng)用到世界各地大量的實(shí)測(cè)DFA實(shí)例中,所得結(jié)果與實(shí)驗(yàn)室分析數(shù)據(jù)吻合很好。Zuo等[27-28]的方法被擴(kuò)展到水樣中的水基鉆井液濾液污染度的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)[29],并取得了良好效果。

2.3.4流體其他性質(zhì)分析

2006年井下密度傳感器被引入到DFA中[30],用來實(shí)時(shí)測(cè)量流體密度。Dong等[31]將不同流體用振動(dòng)棒測(cè)得的密度與實(shí)驗(yàn)室測(cè)得的密度進(jìn)行了比較,結(jié)果令人滿意。密度測(cè)量的優(yōu)點(diǎn)是密度傳感器的物理原理的簡(jiǎn)單性和測(cè)量的魯棒性,使其能夠在工具串的不同點(diǎn)上實(shí)現(xiàn)小型化。其優(yōu)點(diǎn)還包括密度符合單相混合物的線性混合規(guī)則,從而簡(jiǎn)化了密度的解釋及其用于流體識(shí)別和鉆井液濾液污染監(jiān)測(cè)。密度測(cè)量的一個(gè)特別強(qiáng)大的應(yīng)用是驗(yàn)證和確認(rèn)由壓力梯度得出的密度和用于狀態(tài)方程模型的密度擬合。

根據(jù)物體(叉、桿、線、管等)的振動(dòng)頻率和阻尼系數(shù)對(duì)流體的黏度進(jìn)行測(cè)量。與密度相比,振動(dòng)傳感器測(cè)量的黏度通常顯示出更高的不確定性[32],主要是由于其非線性響應(yīng)和混合規(guī)則,因此,很難用于鉆井液濾液污染的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。黏度測(cè)量受到測(cè)量條件(如固體顆粒和多相流動(dòng)條件)的嚴(yán)重影響,但當(dāng)工作良好時(shí)(主要是在單相烴類液體條件下),它們提供的測(cè)量對(duì)于流體性質(zhì)、儲(chǔ)層滲透率和產(chǎn)能評(píng)估非常有價(jià)值。

除了光學(xué)和振動(dòng)傳感器技術(shù)外,井下聲速傳感器還提供了一種獨(dú)立的流體識(shí)別方法。聲速、信號(hào)衰減和聲波背散射的測(cè)量可用于固體顆粒成分、性質(zhì)、壓縮性、泡點(diǎn)和油水比的定性和定量分析。聲學(xué)傳感器通常垂直于流線方向安裝,能夠在不同的頻率下工作,以便優(yōu)化聲學(xué)信號(hào)的頻譜。流體混合物的聲速主要是其壓縮性的函數(shù),其與氣油比、API比重和密度有關(guān),因此,可以用于監(jiān)測(cè)取樣過程中的流體凈化過程[33]。

2.4 微型壓裂測(cè)試

測(cè)量?jī)?chǔ)層原狀應(yīng)力的大小和方向非常重要。它適用于水力壓裂設(shè)計(jì)、裂縫類型識(shí)別、注水和注氣管理、斷層活動(dòng)、井筒穩(wěn)定性、產(chǎn)砂、巖石力學(xué)性質(zhì)、套管柱設(shè)計(jì)等。

原狀儲(chǔ)層應(yīng)力測(cè)試(Stress Test,也稱為微型壓裂,MiniFrac)提供了地層破裂、傳播和閉合壓力。壓力數(shù)據(jù)進(jìn)一步解釋了拉伸強(qiáng)度和最小應(yīng)力。最小應(yīng)力是壓力測(cè)試中最重要的參數(shù)。壓裂壓力與最小應(yīng)力密切相關(guān)。例如,了解壓裂壓力將有助于最大限度地提高注水應(yīng)用中的地層掃頻效率,避免產(chǎn)生意外裂縫[34]。

原狀儲(chǔ)層應(yīng)力測(cè)試需要向儲(chǔ)層注入鉆井液,以便在開始時(shí)使巖石破裂,隨后通過重復(fù)注入循環(huán)重新打開/關(guān)閉巖石[35-39]。電纜地層測(cè)試器用于原狀儲(chǔ)層應(yīng)力測(cè)試。電纜傳輸?shù)脑瓲顑?chǔ)層應(yīng)力測(cè)試可擴(kuò)展到碳酸鹽巖和砂巖地層、頁巖、致密帶、高滲透和裂縫性層段?？刹捎娩摻z繩或鉆桿輸送方式進(jìn)行作業(yè),在垂直井、斜井或水平井中進(jìn)行多項(xiàng)測(cè)試。

原狀儲(chǔ)層應(yīng)力測(cè)試的目的是在所需的區(qū)域內(nèi)形成一個(gè)受控的裂縫,并測(cè)量相關(guān)的壓力響應(yīng)。創(chuàng)建的斷裂面垂直于最小原狀應(yīng)力的方向。通過幾個(gè)恒定速率的注入循環(huán)重新打開和關(guān)閉裂縫,以獲得測(cè)量的重復(fù)性。重復(fù)循環(huán)也有助于裂縫擴(kuò)大,從而準(zhǔn)確地感知遠(yuǎn)場(chǎng)應(yīng)力。具體操作可查閱文獻(xiàn)[34-39]。

典型的原狀儲(chǔ)層應(yīng)力測(cè)試壓力響應(yīng)曲線如圖5所示。根據(jù)巖石類型、深度和注入流體類型,每個(gè)測(cè)點(diǎn)可能需要1～4 h。測(cè)試時(shí)間主要是循環(huán)的脫落持續(xù)時(shí)間。原狀儲(chǔ)層應(yīng)力測(cè)試是無損壓裂作業(yè)。大多數(shù)情況下,在完成測(cè)試后裂縫都會(huì)閉合。由于測(cè)試在井下進(jìn)行,流體壓縮性和工具管儲(chǔ)效應(yīng)較小。

圖5 典型的原狀儲(chǔ)層應(yīng)力測(cè)試壓力響應(yīng)曲線

巖石破裂壓力與應(yīng)力分布、各向異性有關(guān)。在高應(yīng)力各向異性儲(chǔ)層中,測(cè)量的破裂壓力較低。巖石破裂壓力估算對(duì)于操作的成功非常重要[38]。這與電纜地層測(cè)試器的泵和雙封隔器選擇有關(guān)。拉伸強(qiáng)度可以通過實(shí)驗(yàn)室分析獲得,也可以通過傳播壓力和破裂壓力之間的差異在應(yīng)力測(cè)試期間進(jìn)行估算。無側(cè)限抗壓強(qiáng)度與拉伸強(qiáng)度也有關(guān)[35-37]。

應(yīng)力測(cè)試有2種限制:①致密地層(<1 mD)具有更高的破裂壓力,這需要泵抽模塊的壓力指標(biāo)更大和雙封隔器承受的壓差更高;②高滲透地層(>50 mD)需要較大的井筒流體注入速率來產(chǎn)生裂縫,在這種情況下注入的鉆井液黏度可能不足以產(chǎn)生裂縫。注入的流體在產(chǎn)生足夠的應(yīng)力以形成裂縫之前會(huì)消散到地層中。這個(gè)缺點(diǎn)可以用2種方法解決:要么提高注入量,要么提高注入液的黏度。

3 面臨的挑戰(zhàn)與展望

由于高溫和高壓儲(chǔ)層越來越多,在儀器設(shè)計(jì)和制造方面,要確保地層測(cè)試器在高溫、高壓、低孔隙度、低滲透、超低滲透、非均質(zhì)性、裂縫性、超低滲透疏松儲(chǔ)層等極端情況下能正常工作,不斷提高儀器的可靠性和穩(wěn)定性。目前 國外的地層測(cè)試器的高溫和高壓指標(biāo)分別是205 ℃和207 MPa。超高溫和超高壓的指標(biāo)分別是232 ℃和241 MPa。

在壓力測(cè)試過程中,精確控制和計(jì)算流體體積和流量至關(guān)重要。在低孔隙度低滲透率地層中,當(dāng)流度小于1 mD/cP時(shí),可能會(huì)出現(xiàn)超壓。應(yīng)根據(jù)該井測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)和鄰井相關(guān)數(shù)據(jù),優(yōu)化測(cè)前工作制度,選擇最佳工具配置和流程。地層壓力的準(zhǔn)確性直接影響壓力梯度的準(zhǔn)確性,從而影響流體界面的準(zhǔn)確性。因此,在準(zhǔn)確地確定地層壓力方面仍有大量的工作要做。

當(dāng)使用地層測(cè)試器獲得高質(zhì)量的壓力瞬變數(shù)據(jù)時(shí),實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和控制是絕對(duì)必要的。只有通過實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和數(shù)據(jù)解釋,才能決定在何處進(jìn)行試驗(yàn)、是否需要額外測(cè)點(diǎn)或重復(fù)測(cè)試。壓力瞬變數(shù)據(jù)可以通過在取樣結(jié)束后進(jìn)行幾次測(cè)試獲得。為了得到合理的解釋,各種數(shù)據(jù)源的集成至關(guān)重要。壓力瞬變數(shù)據(jù)容易使用錯(cuò)誤的參數(shù)進(jìn)行匹配,因此,應(yīng)使每個(gè)匹配參數(shù)都具有物理意義。目前,壓力瞬變測(cè)試只限于單相流的情況。如果在測(cè)量期間觀察到多相流,在使用這些測(cè)試結(jié)果時(shí)應(yīng)格外小心。另外,應(yīng)僅在特殊情況下定量使用小體積試驗(yàn)的滲透率估算值,并應(yīng)注意相應(yīng)的校正。在高度不均勻地層中,應(yīng)謹(jǐn)慎使用壓力瞬變測(cè)試得出的滲透率估算值。

井下流體分析所面臨的最直接挑戰(zhàn)是有效地量化對(duì)油氣開采造成影響的微量物質(zhì)組成,例如二氧化碳、硫化氫和汞。這些物質(zhì)對(duì)項(xiàng)目(特別是對(duì)裝備設(shè)計(jì)、海底建設(shè)和油井設(shè)計(jì))有重大影響。目前井下二氧化碳測(cè)量的方法是近紅外光譜法,這種方法有其局限性,尤其是在低濃度下和使用水基鉆井液時(shí)。在量化硫化氫方面,由于化學(xué)反應(yīng),地層測(cè)試工具和樣品筒會(huì)對(duì)測(cè)量產(chǎn)生重大影響。因此,測(cè)量的位置離流體從砂面流出的位置越近越好。汞是迄今為止儲(chǔ)層流體中最難量化的物質(zhì)。汞是一種污染物,可以通過多種方式進(jìn)入儲(chǔ)層流體和巖石。目前尚無針對(duì)汞的地層測(cè)試工具。另外,在實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)樣品污染的能力方面,尤其是對(duì)氣體和水的污染,目前仍存在差距。井下流體分析在儲(chǔ)層劃分(連通性分析)方面也具有其價(jià)值。目前的井下流體分析對(duì)C6+組分還不能細(xì)分。由于新的納米技術(shù)和微流控芯片技術(shù)的發(fā)展和微型化,井下氣相色譜、液相色譜、質(zhì)譜是有可能實(shí)現(xiàn)的。

展望未來,地層測(cè)試技術(shù)面臨著若干挑戰(zhàn)。需要開發(fā)基于新材料、納米技術(shù)、微流控芯片技術(shù)、人工智能技術(shù)和光纖技術(shù)的先進(jìn)井下流體分析傳感器,并優(yōu)化和小型化現(xiàn)有傳感器的設(shè)計(jì)。同時(shí),將井下流體分析技術(shù)擴(kuò)展到其他測(cè)試平臺(tái),如隨鉆測(cè)試、柔管(Coiled Tubing)測(cè)試、生產(chǎn)測(cè)井和永久監(jiān)測(cè)平臺(tái)。地層測(cè)試技術(shù)必須與其他測(cè)試數(shù)據(jù)(常規(guī)測(cè)井、核磁共振測(cè)井、錄井、三維地震、PVT、巖心分析等)相結(jié)合,才能對(duì)儲(chǔ)層和流體進(jìn)行充分描述,從而優(yōu)化油氣開采。

4 結(jié) 論

(1)壓力測(cè)試可獲得地層壓力和流度。地層壓力梯度分析可確定流體接觸界面和儲(chǔ)層連通性。區(qū)間壓力瞬變測(cè)試可提供儲(chǔ)層滲透率、表皮系數(shù)和各向異性,從而進(jìn)行產(chǎn)能預(yù)測(cè)。井下流體分析不僅用于流體識(shí)別、流體性質(zhì)測(cè)量,而且用于流體凈化過程中鉆井液濾液污染度的定量化實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),確保采集到有代表性地層流體樣品。微型壓裂測(cè)試提供了地層破裂、傳播和閉合壓力。壓力數(shù)據(jù)進(jìn)一步解釋了拉伸強(qiáng)度和最小應(yīng)力,為水力壓裂設(shè)計(jì)、裂縫類型識(shí)別、注水和注氣管理、斷層活動(dòng)、井筒穩(wěn)定性、產(chǎn)砂、巖石力學(xué)性質(zhì)、套管柱設(shè)計(jì)、蓋層和基巖完整性、沉降和儲(chǔ)氣設(shè)計(jì)等提供關(guān)鍵參數(shù)。

(2)國外地層測(cè)試器和井下流體分析儀已經(jīng)發(fā)展到第4代,其溫度和壓力指標(biāo)是205 ℃和207 MPa。超高溫和超高壓的指標(biāo)分別是232 ℃和241 MPa。自主研發(fā)的地層測(cè)試技術(shù)和井下流體分析技術(shù)已經(jīng)獲得巨大進(jìn)展,基本與國外同類產(chǎn)品技術(shù)水平相當(dāng)。但應(yīng)加強(qiáng)高溫高壓等惡劣井眼環(huán)境的工具研制,提高可靠性和穩(wěn)定性。

(3)為滿足在越來越具有挑戰(zhàn)性的條件下獲取越來越多的巖石和流體特性以及代表性樣品的需要,急需深化和完善地層測(cè)試技術(shù)。研究地層測(cè)試技術(shù)不能沿用常規(guī)思路,應(yīng)該同時(shí)將硬件研制與解釋算法、軟件開發(fā)、數(shù)值模擬、人工智能和各種測(cè)量數(shù)據(jù)與石油公司的工作流程有機(jī)地結(jié)合,優(yōu)化理論模型、解釋算法和擴(kuò)展應(yīng)用。因此,大數(shù)據(jù)、機(jī)器學(xué)習(xí)、云計(jì)算和人工智能將大有用武之地。