地層測(cè)試器原理及適應(yīng)性評(píng)價(jià)

崔姝雯

摘要：介紹了常用地層測(cè)試器結(jié)構(gòu)原理、技術(shù)特點(diǎn)，并結(jié)合各測(cè)試器性能，對(duì)其適用井況進(jìn)行分析評(píng)價(jià)，為不同井況測(cè)試施工選擇工具提供重要的技術(shù)手段。

關(guān)鍵詞：地層測(cè)試器結(jié)構(gòu)原理適用井況

中圖分類號(hào)： TE271 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：

Abstract: the article introduces the common formation testing the structure principle, technical characteristics, and combined with the performance of each test, applicable to the well conditions for analysis and evaluation, in different Wells for test selection tool construction to provide important technical means.

Keywords: formation testing the structure principles apply well conditions

地層測(cè)試器在陸上石油勘探開(kāi)發(fā)中應(yīng)用十分廣泛，利用管柱將地層測(cè)試器送到待測(cè)層位，坐封封隔器，使被測(cè)地層與環(huán)空液體隔離，然后操作管柱或?qū)Νh(huán)空加壓，按設(shè)計(jì)開(kāi)啟和關(guān)閉井下測(cè)試閥，使地層流體流入管柱內(nèi)，記錄井下壓力和溫度；按測(cè)試要求多次開(kāi)關(guān)測(cè)試閥，錄取相關(guān)數(shù)據(jù)采集地層流體樣品，測(cè)試結(jié)束后解封起管。

1 提放式地層測(cè)試器

1.1 MFE地層測(cè)試器

MFE（multi-flow evaluator）地層測(cè)試器是80年代初期從美國(guó)江斯頓公司引進(jìn)的，具有便于維護(hù)保養(yǎng)，使用成本低的優(yōu)點(diǎn)。該工具非常適合某油田試油井況（大部分油層較淺，產(chǎn)量較低，地層處于正常壓力系統(tǒng)范圍），歷年的測(cè)試一次率均在90%以上，因此至今仍為試油測(cè)試的主導(dǎo)工具。其開(kāi)關(guān)閥屬于塞閥結(jié)構(gòu)，借助管柱的上、下運(yùn)動(dòng)來(lái)控制閥的開(kāi)關(guān)。下井時(shí)閥處于關(guān)閉狀態(tài)，封隔器坐封后，通過(guò)管柱施加鉆壓，測(cè)試閥經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的延時(shí)，管柱突然下墜25.4mm（地面上可以直接觀察到的顯示），測(cè)試器打開(kāi)；如果要關(guān)閉測(cè)試器時(shí)，只需將管柱上提并略超過(guò)自由點(diǎn)，然后再下放管柱即可關(guān)井；如此反復(fù)上提和下放管柱，可將測(cè)試器多次開(kāi)啟或關(guān)閉。在最后一次關(guān)井時(shí)，取樣器可收集1200流動(dòng)末期的的地層流體樣品。

（1）MFE換位機(jī)構(gòu)工作原理。換位機(jī)構(gòu)包括花鍵心軸、花鍵套、J型銷和止推墊圈?；ㄦI心軸與上部油管相連，受地面控制，提放管柱過(guò)程中，換位銷在換位槽內(nèi)位置變換，帶動(dòng)花鍵套做圓周方向的旋轉(zhuǎn)，止推墊圈充分保障了花鍵套的軸向旋轉(zhuǎn)，達(dá)到正常開(kāi)井和關(guān)井的目的。上提管柱必須到位，若不到位下放管柱容易出現(xiàn)撞銷的問(wèn)題，損壞換位銷釘。見(jiàn)圖1。

圖1MFE換位機(jī)構(gòu) 圖2MFE液壓鎖緊機(jī)構(gòu)

（2）MFE鎖緊機(jī)構(gòu)（液壓鎖緊）工作原理。液壓鎖緊機(jī)構(gòu)只在上提管柱過(guò)程中起作用，F(xiàn)頂推動(dòng)心軸上行，F(xiàn)鎖防止提松封隔器。當(dāng)上提到位后，管柱相當(dāng)于一個(gè)整體，F(xiàn)頂與F鎖平衡而抵消，此時(shí)再上提測(cè)試管柱或底層壓力過(guò)大推動(dòng)封隔器，均能導(dǎo)致封隔器失封。見(jiàn)圖2。

（3）存在缺陷?，F(xiàn)場(chǎng)操作人員操作過(guò)程易損壞換位銷釘，導(dǎo)致不能實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)井。上提管柱時(shí)，容易提松封隔器，致使封隔器泄壓；超壓層上提管柱時(shí)容易發(fā)生管柱上竄，導(dǎo)致開(kāi)井困難，而且在操作過(guò)程中存在發(fā)生井噴的危險(xiǎn)；芯軸過(guò)細(xì)，高產(chǎn)井易產(chǎn)生節(jié)流，影響產(chǎn)能評(píng)價(jià)。

（4）適用井況。最佳施工井況，不超壓的直井或斜度較小的斜井，井深1000m—3500m，日產(chǎn)在50m3以內(nèi)油、水井；施工井段上部有射開(kāi)井段或套有漏點(diǎn)也可施工。

1.2 自鎖式地層測(cè)試器

MLT（機(jī)械鎖定式測(cè)試器 machine-lock tester）測(cè)試器是MFE、HST測(cè)試工具的改進(jìn)型，與MFE測(cè)試管柱的主要區(qū)別在于使用機(jī)械鎖緊器代替液壓鎖緊，并設(shè)計(jì)了不易損壞的星型換位機(jī)構(gòu)。解決了開(kāi)關(guān)井操作提松封隔器、地層壓力推動(dòng)封隔器上移問(wèn)題和換位機(jī)構(gòu)易損的問(wèn)題，確保封隔器密封可靠和開(kāi)關(guān)井操作的成功率。

（1）MLT換位機(jī)構(gòu)工作原理。換位芯軸上設(shè)計(jì)了成長(zhǎng)短并行的“N”換位槽，凸耳插在換位槽內(nèi)，換位套不能上下移動(dòng)，當(dāng)芯軸上、下運(yùn)動(dòng)時(shí)，換位凸耳就沿著換位槽軌道作圓周方向的旋轉(zhuǎn)。當(dāng)凸耳進(jìn)入長(zhǎng)槽時(shí)，處于開(kāi)井位置；當(dāng)凸耳進(jìn)入短槽時(shí)，處于關(guān)井位置。如果上提不到位下放管柱，發(fā)生換位凸耳與換位槽拐角碰撞，此時(shí)，在凸耳斜面的作用下，換位套向左旋轉(zhuǎn)換位，不會(huì)發(fā)生換位機(jī)構(gòu)損壞的問(wèn)題。

（2）MLT鎖緊機(jī)構(gòu)（機(jī)械鎖緊器）工作原理。機(jī)械鎖緊器連接在封隔器的上部，測(cè)試管柱下到預(yù)定位置后，通過(guò)管柱施加鉆壓，座封封隔器，機(jī)械鎖緊器延時(shí)作用芯軸緩慢下行，聯(lián)動(dòng)產(chǎn)生壓力打開(kāi)卡瓦牙錨定在套管壁上，上提管柱完成開(kāi)關(guān)井操作過(guò)程中，由卡瓦牙產(chǎn)生的錨定力起到禁錮封隔器的作用，從而保證封隔器密封可靠；開(kāi)關(guān)井時(shí)，不熟練的技術(shù)人員也可操作，降低了提松封隔器的風(fēng)險(xiǎn)；避免上提管柱時(shí)容易發(fā)生管柱上竄，導(dǎo)致開(kāi)井困難，而且在操作過(guò)程中存在發(fā)生井噴的危險(xiǎn)。解封時(shí)，上提管柱至懸重超過(guò)“自由點(diǎn)”懸重8t左右，停止上提，在延時(shí)過(guò)程中上部液壓油室突然放大，芯軸快速上移，產(chǎn)生一定的上擊力（管柱抖動(dòng)一下），此動(dòng)作可視為機(jī)械鎖緊解鎖器顯示，繼續(xù)上體管柱解封起管。

（3）存在的缺陷。芯軸過(guò)細(xì)（19.05mm），高產(chǎn)井易產(chǎn)生節(jié)流，影響產(chǎn)能評(píng)價(jià)；機(jī)械鎖緊器必須有足夠的管柱施加鉆壓，啟動(dòng)延時(shí)機(jī)構(gòu)，聯(lián)動(dòng)產(chǎn)生壓力打開(kāi)卡瓦牙錨定在套管壁上；淺井（井段在1200m以內(nèi)）施工中，由于管柱較少，如用該工具必須實(shí)施井口反加壓措施，給予機(jī)械鎖緊器足夠的坐封力。

（4）適用井況。最佳施工井況：直井或斜度較小的斜井，井深1200m-3500m，日產(chǎn)在50m3以內(nèi)油、氣井。

1.3 提放式全通徑地層測(cè)試器

提放式全通徑地層測(cè)試器結(jié)合了MFE、APR測(cè)試工具的特點(diǎn)研制的改進(jìn)型工具，具有了APR測(cè)試器大通徑的特點(diǎn)，又不需要過(guò)多的配合設(shè)備，對(duì)于施工井段上部有射開(kāi)層的井同樣適用，這是APR測(cè)試工具所不具備的優(yōu)勢(shì)，并應(yīng)用了不易損壞的星型換位機(jī)構(gòu)，提高了開(kāi)關(guān)井操作的成功率。其開(kāi)關(guān)閥屬于球閥結(jié)構(gòu)，借助管柱的上、下運(yùn)動(dòng)來(lái)控制閥的開(kāi)關(guān)。下井時(shí)球閥處于關(guān)閉狀態(tài)，封隔器坐封后，通過(guò)管柱施加鉆壓，測(cè)試閥經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的延時(shí)，管柱突然下墜25.4mm（地面上可以直接觀察到的顯示），測(cè)試器打開(kāi)；如果要關(guān)閉測(cè)試器時(shí)，只需將管柱上提并略超過(guò)自由點(diǎn)，然后再下放管柱即可關(guān)井；如此反復(fù)上提和下放管柱，可將測(cè)試器多次開(kāi)啟或關(guān)閉。

（1）換位機(jī)構(gòu)工作原理。換位機(jī)構(gòu)與MLT地層測(cè)試器類似，只是為了擴(kuò)大心軸內(nèi)徑，把換位槽加工再外筒上，三個(gè)高強(qiáng)度換位銷加工在換位套上，避免出現(xiàn)換位銷損壞的問(wèn)題。

（2）鎖緊機(jī)構(gòu)（液壓鎖緊）工作原理。鎖緊機(jī)構(gòu)與MFE測(cè)試器液壓鎖緊機(jī)構(gòu)原理相同，致使擴(kuò)大了鎖緊機(jī)構(gòu)芯軸的內(nèi)徑至45mm。

（3）存在缺陷。目前工具處于科研試驗(yàn)階段，進(jìn)行2500m以內(nèi)井段施工可保證成功率，2500m以上易出現(xiàn)密封件和球閥漏失的問(wèn)題；上提管柱時(shí)，容易提松封隔器，致使封隔器泄壓；超壓層上提管柱時(shí)容易發(fā)生管柱上竄，導(dǎo)致開(kāi)井困難，而且在操作過(guò)程中存在發(fā)生井噴的危險(xiǎn)。

（4）適用井況。直井或斜度較小的斜井，井深2500m以內(nèi)的油、水井。

2 壓控式地層測(cè)試器（APR測(cè)試器：annulus pressure responsive tool）

2.1 進(jìn)口壓控地層測(cè)試器

進(jìn)口壓控地層測(cè)試器是從美國(guó)哈里伯頓公司引進(jìn)的，具有45mm通徑和不需要?jiǎng)庸苤瓿啥啻伍_(kāi)關(guān)井操作的優(yōu)勢(shì)，但由于引進(jìn)和維護(hù)保養(yǎng)成本較高，目前試油大隊(duì)僅有一套。

（1）結(jié)構(gòu)原理及技術(shù)特點(diǎn)。進(jìn)口壓控地層測(cè)試器的開(kāi)關(guān)閥屬于球閥結(jié)構(gòu)，下井前根據(jù)地面溫度、井底溫度和壓力先對(duì)氮?dú)馐页涞令A(yù)定壓力，下井時(shí)閥處于關(guān)閉狀態(tài)，動(dòng)力活塞一段和氮?dú)馐疫B通，另一端和環(huán)空液柱連通；封隔器坐封后，環(huán)空加壓與環(huán)空液柱壓力共同壓縮氮?dú)馐遥妮S向下運(yùn)動(dòng)的同時(shí)拉動(dòng)球閥旋轉(zhuǎn)至開(kāi)井位置；如果要關(guān)閉測(cè)試器時(shí)，釋放環(huán)空壓力，氮?dú)馐覊毫ι享敾钊?，使心軸向下運(yùn)動(dòng)，拉動(dòng)球閥至關(guān)井位置。在不動(dòng)管柱的情況下通過(guò)環(huán)空壓力控制開(kāi)關(guān)井操作，與提放式測(cè)試器相比，具有通徑大、操作簡(jiǎn)單、井控安全性好等特點(diǎn)，而且對(duì)于定向井、斜井、水平井和復(fù)雜井（如超淺井、超深井）的測(cè)試更具優(yōu)勢(shì)。

（2）存在缺陷。進(jìn)口壓控地層測(cè)試器保養(yǎng)費(fèi)時(shí)費(fèi)力，在氮?dú)馐也宦┑那闆r下簡(jiǎn)單保養(yǎng)以及室內(nèi)實(shí)驗(yàn)，需要三個(gè)熟練人1天的時(shí)間；若全面保養(yǎng)的話，需要三個(gè)熟練人4天左右的時(shí)間；對(duì)于施工井段上部有射開(kāi)層或套管漏的井，不能施工；開(kāi)井期間需要套管長(zhǎng)時(shí)間保持較高的壓力，對(duì)井口的密封要求較為嚴(yán)格，對(duì)封隔器來(lái)說(shuō)，長(zhǎng)時(shí)間在較高的壓差下工作，也可能造成封隔器失封；對(duì)于產(chǎn)量低的井，地面難以判斷測(cè)試器是否正常開(kāi)井，只能按照工作制度執(zhí)行；引進(jìn)和維護(hù)保養(yǎng)費(fèi)用較高。

（3）適用井況。最佳施工井況：施工井段上部套管完好4000m以內(nèi)的油、氣井。

2.2 國(guó)產(chǎn)壓控地層測(cè)試器

國(guó)產(chǎn)壓控地層測(cè)試器是2009年開(kāi)題的油田公司級(jí)項(xiàng)目研究?jī)?nèi)容，具有45mm通徑和不需要?jiǎng)庸苤瓿啥啻伍_(kāi)關(guān)井操作的優(yōu)勢(shì)，同時(shí)設(shè)計(jì)了開(kāi)關(guān)井鎖定機(jī)構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)鎖定開(kāi)關(guān)井，不需要環(huán)空長(zhǎng)時(shí)間保持較高壓力，目前該工具還處于現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)階段。

（1）結(jié)構(gòu)原理及技術(shù)特點(diǎn)。國(guó)產(chǎn)壓控地層測(cè)試器的開(kāi)關(guān)閥屬于球閥結(jié)構(gòu)，工藝原理與進(jìn)口工具類似，同樣，在下井前根據(jù)地面溫度、井底溫度和壓力先對(duì)氮?dú)馐页涞令A(yù)定壓力，下井時(shí)閥處于關(guān)閉狀態(tài)，動(dòng)力活塞一段和氮?dú)馐疫B通，另一端和環(huán)空液柱連通；開(kāi)井時(shí)，地面泵車向環(huán)空泵注預(yù)設(shè)的操作壓力，操作壓力和靜液柱的壓力共同壓縮氮?dú)馐?，通過(guò)動(dòng)力活塞帶動(dòng)芯軸向下運(yùn)動(dòng)走一個(gè)固定的行程，帶動(dòng)球閥旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)開(kāi)井；釋放掉環(huán)空壓力，氮?dú)馐覂?nèi)的氮?dú)庠趬毫p小的情況下體積膨脹，推動(dòng)芯軸向上運(yùn)動(dòng)，在換位機(jī)構(gòu)的作用下，實(shí)現(xiàn)鎖定開(kāi)井；關(guān)井時(shí)，重復(fù)打壓泄壓的這個(gè)過(guò)程，使換位機(jī)構(gòu)在換一次位，實(shí)現(xiàn)鎖定關(guān)井。對(duì)于定向井、斜井、水平井和復(fù)雜井（如超淺井、超深井）的測(cè)試具有明顯優(yōu)勢(shì)。

（2）存在的缺陷。所需保養(yǎng)時(shí)間較長(zhǎng)，需要三個(gè)熟練人1-2天的時(shí)間；對(duì)于施工井段上部有射開(kāi)層或套管漏的井，不能施工；對(duì)于產(chǎn)量低的井，地面難以判斷測(cè)試器是否正常開(kāi)井，只能按照工作制度執(zhí)行；

（3）適用井況。最佳施工井況：施工井段上部套管完好4000m以內(nèi)的油、氣井。

3 結(jié)束語(yǔ)

提放式地層測(cè)試器，開(kāi)關(guān)井需動(dòng)管柱，適合于相應(yīng)條件下的油、水井中應(yīng)用。而壓控式測(cè)試工具可在施工期間裝好采油樹(shù)，確保井控安全，更適合于高壓、高產(chǎn)的氣井以及超淺層氣井中。目前工具保養(yǎng)人員比較短缺，且對(duì)壓控式測(cè)試工具的熟悉程度低，保養(yǎng)難度大，這也是制約該類工具使用的主要原因之一。地層測(cè)試是油氣勘探取得成果的重要步驟，是尋找油氣田、了解地下情況的最直接手段，驗(yàn)證儲(chǔ)層產(chǎn)能和測(cè)井解釋的可靠性，為開(kāi)發(fā)提供科學(xué)的依據(jù)。

參考文獻(xiàn)：

[1]萬(wàn)仁溥.采油工程手冊(cè)[M].北京：石油工業(yè)出版社，2000.