新型随钻地层压力测试工具

新型随钻地层压力测试工具

编译:杨　利(胜利石油管理局钻井院)

审校:田树宝(石油大学北京)

浆重度和当量循环密度,防止井涌、井喷、地层损害或意外的地层压裂以及循环漏失。随钻地层压力数据还可以帮助校正预测性孔隙压力算法。

2,提高钻井效率

钻井效率受到近钻头地层和井眼之间压差的影响。维持最小的压差,或者是欠平衡钻井,有助于提高机械钻速,减少卡钻风险。

3,识别油气　　摘要　贝克休斯公司开发的TesTrak随钻地层压力测试工具是一种新型LWD工具,可以利用钻井过程的短暂中断测量地层压力,测试时间短,一般仅需要5min即可完成一次压力测试,占用钻机时间很少。新型工具具有明显的优越性,可以用于大斜度井、水平井、大位移井,消除了工具下入困难等问题。与传统技术相比,新型随钻地层压力测试工具测量的地层压力数据能更好地反映地层的真实压力状况,据此可优化钻井工艺、提高钻井效率。

主题词　随钻地层压力测试　TesTrak工具　测试类型　现场应用用于碳氢化合物检测的压力梯度方法已经成功地用于实时的随钻地层压力数据,可以使地质学家推断地层流体密度并很容易识别密度低于水的碳氢化合物。

4,更好的现场决策

一、引言

地层孔隙压力是油藏描述的一个重要参数,多年来,人们一直寻求在钻井过程中测量地层压力。上个世纪50年代钻杆测试(DST)和电缆测试技术相继出现。钻杆测试和电缆测试都是停钻后很长时间才进行测试,无法实现随钻测试,而且在大斜度井或者水平井中使用传统的钻杆传输电缆测井工具进行地层压力测试极其耗时,存在工具下入困难等潜在风险。现在随钻测井工具正在取代传统的电缆测井工具。国外公司分别开发了自己的随钻地层压力测试工具,这些工具可以提供实时地层压力数据,使钻井工艺得到优化,还可以早期检测高压地层,根据地层压力进行井眼导向,确定压力梯度和流体界面,实时调整泥浆密度,使钻井作业、下套管和完井作业得到优化。

该技术引起了石油工业的广泛关注,在2004年美国海洋石油技术展览会(OTC)上,共有5项钻井新技术获得了特别关注奖,TesTrak工具为其中一项。

使用实时压力数据更新地质模型,可以快速识别封闭断层和油藏的连通性。更新的油藏模型可以优化泥浆和套管程序,调整井眼轨迹并提高产量。在渗透性均质地层,随钻压力数据可以帮助进行油藏导航,通过检测近钻头地层压力,作业者可以在很长位移范围内识别小的真垂深差异。

三、TesTrak工具

TesTrak随钻地层压力测试工具由贝克休斯公

司开发。在钻井过程的短暂中断期间,该工具伸出一个橡胶垫密封元件,贴紧井壁并与储层建立压力联系,智能泵控制系统通过综合流量分析(FRA)以闭环控制方式在井下操纵工具进行一系列压降测试和压力恢复测试。除了基本测试以外,还可以进行优化测试,即使用储存在工具内的FRA算法对多个压降进行优化。压力测试期间保持钻井液循环,给工具提供动力。

1,影响压力测量的因素

地层压力测试受多种因素影响,例如抽汲量不足、测试期间工具或地层堵塞,密封不好或增压效应都可导致压力数据测量错误。进行压力测试时应当避免压降速率太快或者压降值不足。太高的抽汲速率会使压力过度下降,导致压力恢复时间无谓延长。如果地层无充足的流体,相应的压力反应将受工具内流体压缩性的支配。压力可能低于泡点,气

二、随钻地层测试工具的优点

1,提高井场作业安全性

利用随钻压力测试工具提供的数据可以优化泥

　　杨利:新型随钻地层压力测试工具　　21

体从溶液中逸出,占据测试器的流送管。如果抽汲

量不足,工具内的压力将保持在地层压力之上,很少或无压力恢复。在低渗透地层,过高的抽汲速率将会产生更多的问题,快速的抽汲将导致大的压力下降,需要过长的压力恢复时间以达到稳定的压力读数。在非常致密的地层由于流体在地层内不流动,可能没有显著的压力恢复。

当近井壁压力高于真地层压力时就存在增压效应。这是因为钻井过程中侵入的液体没有消散入地层,或者液体通过渗漏的泥饼持续侵入。增压的幅度取决于泥饼的渗透率和泥饼对地层渗透率的比率。低渗透率地层容易产生增压效应。

2,智能控制系统上述因素使地层压力测试变得非常复杂并可能导致错误的测量结果,浪费宝贵的钻机时间。研发工作面临的一个挑战就是工具可以在测井工程师不干预的情况下进行不同的测试,同时对测试结果进行验证。测试时工具可对正在进行的测试进行优化,并将其应用于随后的测试。地层压力测试是一个独立的过程,因为泥浆脉冲遥测技术数据传输速率很低,无法进行地面的交互式控制。压力测试程序包括垫片密封元件贴紧井壁、压降、压力恢复、测试终止、垫片回收。在整个过程中工具使用FRA算法进行监测、确认,并进一步优化,这样就可以保证地层压力测试质量,另外,如果垫片密封元件密封效果很差,还会发送一个指标数据至地面。

3,泵系统

为了进行上述测试开发了泵系统。对TesTrak工具的要求是在5min或更短时间内进行地层压力测试,这相当于接一个单根所需的时间。这是因为在钻衰竭的储层段时钻井过程中断时间稍长则卡钻风险显著增高。除了安全因素外,钻机成本也要求测试时间不宜过长。

为了达到这个目的,必须使直接控制压力恢复时间的内部系统的容积最小化。这样做的不利之处是泵活塞运动范围小,在低流动度地层将导致大的压降。因此,抽汲泵的控制系统必须与分析系统密切配合。通过将FRA算法集成到闭环控制系统达到了这个目的。结果获得一个闭环智能控制泵系统,活塞位置和速度都根据连续检测的压力进行控制。

4,压力计

测量压力使用高精度石英压力计。石英压力计

的缺点是对温度变化的反应过于强烈。通过改善工具的设计使这一缺陷降到最低。另一个设计目标是将传感器尽可能放置在靠近垫片密封件的地方,这样当在含气地层进行压力测试时,可以克服在探头和传感器之间的流送管内聚积的气体的影响。

四、测试类型

1,基本测试

基本测试就是以固定的抽汲量和抽汲速率以及固定的压力恢复时间进行的测试。在基本测试中,静水压力或地层压力压降值不受控,到了预定的时间后压力恢复终止,而不管压力稳定与否。因此,这种类型的测试存在诱发过大压降的风险以及没有足够时间使压力在规定时间内达到真地层压力。一般来说,该测试类型适合高流动度地层。然而,如果不使用井下智能系统,不受控压降可能诱发局部出砂并堵塞工具,或者测试时间过长。尽管如此,基于已有知识的试验参数可以在工具下井前通过编程存入工具内。

2,优化测试

优化的重复压降和压力恢复测试由一个序列的多个压降组成。如果恢复压力不能测量正确的地层压力,则在压力表复测正确度可接受的范围内该压力一般不重复。在重复测试期间,根据井下分析使用不同的抽汲速率。井下智能控制系统使用FRA算法分析每一组压力测试数据,并根据FRA质量指标和地层流动度优化抽汲速率、抽汲量和压力恢复持续时间。重复测试用来验证测试结果。如果达到预先选择的压力恢复标准,则测试可以提前终止,这样可以将测试时间减至最少。该工具可沿井眼任何方向测量压力,但是为了防止岩屑堵塞工具,减小密封失效的风险,工具不在下象限方向进行测量。因为垫片密封元件的移动距离是3516mm,其中包括垫片的压缩,因此也可以在井径略微扩大部分进行压力测试。

五、压力测试程序

为了在地面控制随钻地层测试器,指令通过泥浆脉冲发送至工具。每种设定都可独立编程,选择进行基本测试或者优化测试程序中的一种。

当工具定好方向后(如果可以选择,尽量避免下象限方向),垫片密封元件以受控方式推靠井壁,持续检测密封压力以保证有效密封,这表现为泥浆静液压力的小幅增大。垫片座封后,立刻开始

国外油田工程第21卷第11期(2005111)　　22　　

前述的压力测试程序(见优化测试)。对于具有重复测试功能的优化测试程序,使用FRA算法连续检测和处理压力。FRA算法一旦推算出地层压力,立刻停止抽汲泵的工作,防止压力下降过大以至远低于地层压力。这样做可有效降低压力恢复时间。压力恢复期间压力变化率持续监测,当压力变化率低于预先设定的稳定性标准则测试终止。稳定性标准在作业前可以输入工具内。

如果工具进行重复测试,第二次测试的泵速和抽汲量与前次测试相比将得到优化。第三次测试可以使用相同的测试参数并与前两次测试对比。总共可获得3个不同泵速下测量的地层压力。

测试程序完成后,工具从井壁收回垫片密封元件,并通过泥浆脉冲发送测量数据。以下数据可立即获得:测试前后两个环空压力、三个地层压力、前两次测试的最小压降、最后一次测试计算的流动度值以及来自FRA相关系数质量指标。所有下传和上传信息见表1。

表1　上传和下传数据下传指令/参数测试选择压力恢复稳定标准预计的过压极限最大测试时间改变工具面收回垫片紧急停止

上传参数

环空压力(测试前后)最多三个地层压力最后一次测试流动度最多两个压降值最后一次测试质量指标最后一次测试温度变化工具状态信息

30m,仍实现了有效密封,垫片密封件仅略微磨

损,完全可以继续使用。

七、首次现场应用情况

2003年4月,该工具在丹麦北海的MFF28井

进行了首次现场应用。该井是一口水平井,储层为

白垩岩,孔隙度20%～25%,渗透率011～210mD,油层段长4174m。在正式作业前进行了一系列实验室实验,泵参数以及工具控制软件都行了改进,以便在低流动度(低于1mD/cP)地层进行压力测量。

进行压力测试的井段是白垩岩水平段,真垂深2134m,由于有燧石夹层,钻头磨损严重,因此计划用两趟钻完成该井段。钻具必须从2438m钻到6858m(测量深度)。作业过程中使用了AutoTrak2TM旋导系统,保证了井眼的光滑,机械钻速也提高了。地层压力测试工具安装在BHA的顶部。每趟钻进尺约2073m,钻时60h,循环时间100h。沿着4168m长的油层段在64个不同深度点进行了142次地层压力测试。下了两趟钻完钻,纯钻井时间204h,井斜角由66°增至90°,最大狗腿315°/30m。

在钻过衰竭地层或者继续钻进时实时压力测量可以优化当量循环密度(ECD),对设计的压力分布与测量的压力分布相比较,并从二者的差异中得到某些信息,这样就可以对地层的连通性作出新的解释。该工具的成功应用使钻井作业得到优化,并取消了钻杆传输电缆测井,降低了风险,显著节省了时间和成本。

系统的现场操作程序如下:

钻完一个立根后,在选择的深度进行压力测试。发送下传指令启动测试程序时,上下活动钻柱消除扭矩并对工具定向。在探头往外伸展时钻柱必须保持静止。作业程序如下:①根据LWD测井数据选择压力测试深度。钻完立根后将探头对准所需深度;②下传指令关闭旋导系统(约2min),指令下传时可缓慢活动钻柱至测试深度;③下传指令启动TesTrak工具(415min),在最初的4min内钻柱可以活动,在测试开始前30s工具探头必须位于测试深度,因为此时探头自动伸出;④数据上传(2min),当数据上传时工具可以缓慢从原位置移开;⑤上提钻柱至另一位置,再次进行压力测试,或者接单根继续钻进。

根据电缆测井现场经验,工具最多可在井下保

六、试验情况

该工具在俄克拉荷马州的BETA(贝壳休斯试验区)钻机上进行了试验。工具安装在BHA上,并下入BHF-9井井下945m。使用泥浆脉冲启动工具进行不同的测试程序,数据发回地面。第一次测试就获得了成功,所测量的压力数据得到了电缆测试数据的验证。由于使用了石英压力计,压力精度很高。复测准确性也很高,低于1137kPa。在流动度30mD/cP地层,工具在几秒中内即获得地层压力。在BETA钻机工具共进行了超过60次成功的压力测试,有一趟钻使用牙轮钻头钻了6h,工具承受住了振动的考验。还进行了起伏实验以模拟在浮式钻井平台上的作业:工具启动,垫片密封件推靠井壁,钻柱上下移动1ft的距离,反复50次。在压力测试期间,垫片密封件累计靠紧井壁滑动了

　　杨利:新型随钻地层压力测试工具　　23

持15min的静止状态,超过这一时间卡钻风险显著

增大。另外,如果此时压力恢复仍未结束,则表明地层可能太致密,难以进行有效测试。在现场试验中,静止时间从未超过14min,对于优化测试时间通常短得多。另外,当工具完全投入商业应用后,不需要下传指令关闭旋导系统,因为在BHA中将加入单独的遥测装置。

用于大斜度井、水平井、大位移井,消除了工具下入困难等问题。

3、与传统技术相比,新型随钻地层压力测试工具测量的地层压力数据能更好地反映地层的真实压力状况,据此可优化钻井工艺、提高钻井效率。

4、新型随钻地层压力测试器将逐渐取代电缆地层压力测试工具,并将占据越来越大的市场份额。

参考文献

1M1Meisteretal1:“FormationPressureTestingDuringDrill2ing:ChallengesandBenefits”,SPE84088

2S.Franketal1“FieldExperienceWithaNewFormationPressureTesting2During2DrillingTool”,SPE87091

(收稿日期　20050520)

八、结论

1、新型随钻地层压力测试工具是一种新型LWD工具,可以利用钻井过程的短暂中断测量地

层压力,测试时间短,一般仅需要5min即可完成

一次压力测试,占用钻机时间很少。

2、与钻杆测试和电缆地层压力测试相比,新

型随钻地层压力测试工具具有明显的优越性,可以

(上接第19页)

Δpшт

22ρρжQжQ=22=AA4

μSшт2dшт

(2)

可以计算出环空中摩擦压力损失的总和:

ΔpкΔpi=Δpшт+Δpвп=Σык+Δpкп1+Δpкп2

(9)

　　根据公式可以发现,在已知压差和流量的前提下可以计算出阻流器的打开程度或在已知压差和阻流器打开程度的前提下可计算出通过阻流器的流量Q。公式如下:

4

　　在用纯洗井液洗井时井底欠平衡值为:

ΔPдеп=Pпл-Pзабст-ΔPКП

(10)

　　这样,可以通过调节阻流器压差在井底建立合理的欠平衡值,在关闭阻流器时,必须按以下公式

计算压差:Δpшттреб=pпл-pзабст-Δpкп+Δpштрасч-Δpдепт

(11)

dшттреб=

2

ρAA・Qж・Δpшт

4

2

(3)(4)

Q=dшттреб

Δpштзамер

ρAA・ж

　　打开油气层前,阻流器的打开半径为:

dшттреб=

4

　　下一步要确定雷诺数,公式如下:

υdρRe=

μ

ρΔpштAA・Q/ж・

2

(12)

(5)

三、结论

为了更有效地打开异常压力油气层,建议在灵

活调整井—油层系统压力条件下采用欠平衡钻井工艺,但需要考虑:

◇改变气液混合物在环空中的流动相态;

◇在钻井液中允许气含量最大时,考虑气产量和欠平衡压差值;

◇实施各种工艺操作(恢复循环、洗井、起下钻)的同时调整井筒压力。

资料来源于俄罗斯“Российскийгосударственныйуниверситетнефтнигазаим1И1М1Губкина学术报告”2004年

(收稿日期　2005

06

08)

　　确定流态时,可能有两种方案:

◇如果Re>Re标准=2100,流态为紊流,按以下公式计算水力阻力系数λ:

0125Δ68λ=0111×(6)+

Re

d　　◇如果Re下公式计算水力阻力系数λ:

λ=64(7)

Re

　　根据达西维斯巴赫公式确定压力损失:

2ρυ

Δp=λ(8)l

2d

　　然后根据公式(1)～(4)确定不同区间的

ΔPкΔPк压力降:ΔPвык、п1、п2。