地层压力模拟测量短节研制*

钱德儒 郑俊华 高润峰 王磊

(1.中国石化石油工程技术研究院 2.中国石化华北油气分公司)

0 引 言

随钻获取地层压力数据可及时调整钻井液密度，防止井涌、井喷及井漏，优化钻井工艺，降低钻井风险，还可摸清已开发油气藏压力衰竭情况，为井位布置提供依据。随钻测量地层压力，钻头刚钻开地层即进行测试，钻井液对所测地层污染小，能更好地反映地层压力真实状况，测量精度高，也解决了电缆地层测试器在大斜度井、大位移井中下入难及测量耗时等问题，降低了潜在风险。

国外著名油田服务公司推出了地层压力随钻测量仪器，具有代表性的有Halliburton公司的GeoTap测量仪，可在任意井斜条件下测试地层孔隙压力，其动力来自自身携带的电池组，在开泵或停泵条件下都可进行测试，电源容量可以满足150个点的测试要求。Schlumberger公司的StethoScope测量仪、Baker Hughes公司的TesTrak测量仪及Weatherford公司的Pressure Wave Formation Tester系统都进行了商业化应用。国内西南石油大学、中海油田股份有限公司和大庆钻探钻井工程技术研究院也推出了地层压力随钻测量仪器，并进行了现场试验。中国石化石油工程技术研究院研制出地层压力随钻测量原理样机[1-4]。

地层压力随钻测量系统与其他井下仪器相比，涉及机械、电子、液压等3种学科，内部空间有限且集成大量部件，技术难度大，加工风险高。为开展地层压力随钻测量技术研究，本文首先进行了模拟测量短节的研制，对微型液压系统等关键技术开展攻关研究，验证了测量原理的正确性和仪器功能的可靠性，以期为工程样机的研发打下坚实基础。

1 地层压力测量原理

钻进过程中地层压力随钻测量仪器实时监测环空压力ph1。钻进到目的层后，仪器收到地面下传指令，液压系统启动。在液压系统驱动下，探头从测量仪器内伸出，与井壁形成可靠的密封，测试腔压力小幅度增长为pdd。地层流体测试模块抽吸地层流体，测试腔内压力降至pfu。在压差作用下，地层流体向压力较低的测试腔体内流动，直至恢复至地层压力ps。最后探头与抽吸活塞复位，将地层流体排至环空。测试腔压力恢复至环空压力ph2。ph1应与ph2相等，测试结束。地层压力测试曲线如图1所示。测试原理是研发地层压力随钻测量仪器的理论基础，也是模拟测量短节室内试验结果的判别依据。

图1 地层压力测试曲线Fig.1 Formation pressure test curve

2 技术分析

2.1 测量短节组成

由测量原理可知，要实现地层压力的测量，短节内需有电控模块控制微型液压系统驱动探头与抽吸活塞，实现探头伸出、坐封、抽吸、解封和复位等动作。同时需要数据采集模块实时监测存储环空压力、管柱压力及井底温度等数据。模拟测量短节组成如图2所示。

1—短节本体；2—油箱；3—微型液压系统；4—电控及数采模块；5—地层流体抽吸模块；6—探头；7—推靠臂。

2.2 短节本体设计

测量短节本体是机械、电子、液压部件的载体，也是钻井液通道，需具有足够强度传递钻压和扭矩，设计及加工难度大，主要存在以下难题。

(1)集成部件数量多。测量短节内部空间有限且安装了微型液压系统、电控模块、数据采集模块、测量探头和传感器等大量部件，部件布局及集成难度高。

(2)内部孔道种类多。本体内有钻井液、液压油及地层流体3种流体通道及引线孔道，共4种类型，且大多为细小深孔。由于个别部件布局需要，有些孔道设计成斜孔，加工风险与难度极大。

(3)结构强度要求高。本体除了作为部件及流道载体外，还要有足够强度传递钻压和扭矩，保证钻井安全。由于工作环境恶劣，对探头和抽吸活塞等部件动密封性能要求高。

针对上述问题，从本体结构、材料和设计方法入手，形成如下解决方案：

(1)采用三维可视化虚拟设计建立数字样机模型，确定关键模块安装位置、集成方式及开设孔道大小、深度与间距。通过软件静态与动态检测，检查部件间隙、对齐及干涉情况，直观地显现本体内部不易发现的应力集中区域。可对三维虚拟样机进行反复检测、修改、优化，直至形成较佳方案，再通过仿真分析加以验证，缩短了设计周期，降低了设计风险。

(2)采用高强度耐腐蚀机械材料加工短节本体，材料屈服强度大于890 MPa。由于具有较好的耐腐蚀性能，避免产生锈蚀杂质混入液压油而损坏液压元件。在1 000 kN拉力及30 kN·m外载荷作用下，经仿真分析本体内部最大应力463 MPa，安全系数2.1，满足设计要求。在钻井液流量30 L/s、密度1.2 g/cm3条件下，短节压耗0.5 MPa[5-8]。

(3)由于探头与抽吸活塞是往复运动的受力部件，且动密封元件与含有杂质的地层流体直接接触，所以对密封件的选用及活塞、缸体加工精度有较高要求。为保证20 MPa压差作用下动密封性能，使用星形密封等特殊组合密封件，防止密封元件在沟槽内扭曲翻滚，提高恶劣环境下的动密封性能，并采用分体式方法设计活塞缸体，避免直接在本体上加工高精度结构要素，降低了加工难度与风险，节约了成本。设计完成的模拟测量短节本体如图3所示。

图3 测量短节本体Fig.3 Gauging nipple body

2.3 微型液压系统研制

液压系统是测量短节的核心功能模块，由电机、液压泵、溢流阀、电磁阀和液压锁等部件组成，驱动探头伸出、坐封、抽吸、解封、复位。测量短节内部空间狭小，液压系统集成难度较大，为缩小系统体积，采用如下技术方案。

(1)优选插装式液压阀。插装式液压元件体积小、结构紧凑，不带阀体。不同功能的阀可插装在一个油路块中，便于集成化。

(2)油路集成块模块化设计。设计了模块化的油路集成块，集成块既是插装阀的载体，也是液压阀油路通道的载体，液压阀间的通道通过集成块内部油孔连通，把各集成块拼接起来即实现整套液压系统的安装，无明管连接，占用空间小，便于模块化设计，安装维护简便。研制的电磁阀油路集成块如图4所示[9]。

图4 电磁阀油路集成块Fig.4 Electromagnetic valve oil way integration block

基于以上方法将液压系统外径限制在70 mm以内，长度500 mm。优选高输出压力微型液压泵及插装式溢流阀，使液压系统额定输出压力达到了20 MPa，为探头与井壁密封提供了充足的推靠力。整套微型液压系统如图5所示。

图5 微型液压系统Fig.5 Micro hydraulic system

2.4 主要技术参数

本体长度：1 900 mm；

本体外径：178 mm；

过流面积：≥20 cm2；

最大扭矩：30 kN·m；

最大钻压：1 000 kN；

工作温度：125 ℃；

工作压力：70 MPa；

测压范围：0.1～100.0 MPa；

测压精度：0.1% FS。

3 室内测试

为了在室内考察测量短节耐温、耐压性能及测试原理的正确性，研发了地层压力测量模拟试验装置。模拟测量短节通过该装置可以进行耐温、耐压及地层流体抽吸试验。

3.1 地层压力测量模拟试验装置

试验装置组成如图6所示。该装置可模拟环空压力、井底温度、不同岩性的地层及地层压力。

图6 模拟试验装置组成Fig.6 Composition of simulation test set

测试技术指标为：井眼尺寸ø280 mm×2 000 mm；模拟环空压力0.1～70.0 MPa；模拟地层压力0.1～70.0 MPa；模拟井眼温度25～125 ℃。

在模拟井筒外侧壁安装有地层岩心模拟模块，其内有可更换的岩心，以模拟不同岩性地层。该模块一端与地层压力模拟模块相连，另一端连接模拟井筒内壁。在地层压力作用下，流体介质可以通过岩心向模拟井筒内渗透，模拟出地层流体渗流过程。试验时，将测量短节密封进模拟井筒，探头伸出后正对地层岩心模拟模块进行地层流体抽吸试验，验证测试原理。模拟测量短节测试示意图如图7所示[10-15]。

1—环空压力管线；2—模拟测量短节；3—地层压力管线；4—地层岩心模拟模块；5—探头；6—模拟井筒；7—高温管线。

3.2 耐温耐压测试

使用模拟试验装置对模拟测量短节进行了耐温耐压测试。在120 ℃、60 MPa条件下液压系统电机转速曲线如图8所示。在温度、压力上升过程中，液压系统运行平稳，受温度及压力影响较小，测量短节耐高温高压性能良好。

图8 液压系统电机转速曲线Fig.8 Rotary speed of hydraulic system

为了考察探头对井壁的密封性能及测量短节抽吸能力，使用了低渗透率岩心模拟“干抽”状态，进行了抽吸试验，结果如图9所示。抽吸过程中快速形成压降，曲线保持平直，说明探头坐封井壁后无泄漏，在高温高压环境下密封性能良好。

图9 低渗透率岩心抽吸测试结果Fig.9 Suction test of low permeability core

3.3 测量原理试验

为验证测量短节测试原理的正确性并考察地层压力测量的准确性，分别使用高渗、低渗2种岩心进行地层流体抽吸试验。通过模拟试验装置可预先设定环空压力和地层压力，再将测量短节的测量值与设定值做对比(见表1)，以评价短节测量的准确性[16]。

表1 测试数据对比Table 1 Comparison of test data

曲线1、曲线2、曲线3分别如图9～图11所示。在图10中，使用模拟试验装置设置环空压力9.5 MPa，地层压力8.5 MPa。测量短节测到环空压力10 MPa，地层压力9 MPa，准确度94%。

图10 地层压力测试曲线2Fig.10 Second formation pressure test curve

图11中，使用模拟试验装置设置环空压力8.0 MPa，地层压力8.0 MPa。测量短节测到环空压力7.4 MPa，地层压力7.7 MPa，准确度96%。

图11 地层压力测试曲线3Fig.11 Third formation pressure test curve

将图10和图11实测地层压力曲线与图1所示的理想地层压力测试曲线进行对比，实测曲线与理想曲线特征相似，都具有从环空压力快速降至最低点，然后向地层压力逐渐恢复的过程，曲线增长趋势趋于平缓说明压力达到平衡，此时的压力即为地层压力。地层压力测试曲线也直接印证了探头产生了推靠、坐封、抽吸流体、复位和解封等一系列设定动作，且测量结果有较高的准确度，验证了地层压力测量原理的正确性及测量结果的准确性。

4 结 论

(1)通过对复杂结构短节本体及微型高输出压力液压系统等关键技术进行攻关，研制了地层压力模拟测量短节。

(2)研发了地层压力模拟试验装置。通过该装置使用不同渗透率岩心测得了地层压力测试曲线，验证了模拟测量短节测试原理的正确性，测量准确率可达96%。

(3)模拟测量短节探头推靠、坐封、抽吸、解封和复位动作，整套动作连贯可靠，与预设动作顺序一致。机械、电子、液压模块工作匹配合理，具有较好的耐温耐压性能。该短节的研制成功为地层压力随钻测量工程样机的研制打下了坚实基础。