地層流體雙泵抽技術研究及應用

尤國平，馮永仁，王輝，張小康，褚曉冬

(中海油田服務股份有限公司油田技術研究院，河北 三河 065201)

0 引言

流體泵抽(Flow Pump)是地層測試儀的核心技術之一[1]，具有連續(xù)泵抽和可模塊化組合是第三代電纜地層測試儀的標志性特征。利用泵抽可實現(xiàn)在一次座封過程中往復從地層抽取流體，并將流體排放到井筒，有利于排除侵入帶的影響獲取真實地層流體;通過控制泵抽的速度和活塞位置，記錄壓力恢復曲線，從而分析解釋獲得地層流體滲透率信息;還可對地層流體做泡點(Bubble Point)測試，以分辨油基泥漿和含油地層流體(電阻電導率傳感器無法區(qū)分這2種流體類型)[2]，并能合理規(guī)劃抽吸速度;為保持所取樣的地層流體真實物性(電纜地層測試儀提升至地面過程中，由于溫度和壓力的降低，會使得取樣流體油氣分離，導致樣品無法準確反映在取樣位置的流體特性)，可利用泵抽產(chǎn)生的壓差對取樣筒中的樣品進行過壓保護。

鉆井中途油氣層測試儀(EFDT，Enhanced Formation Dynamic Tester)是自主研發(fā)的模塊化地層動態(tài)測試系統(tǒng)[3]。它可快速直接識別和評價復雜油氣藏，提高勘探發(fā)現(xiàn)率，大幅節(jié)省勘探成本。EFDT擁有獨特的雙流體泵抽系統(tǒng):小排量精密流體泵系統(tǒng)可用做壓力預測室(Pretest Room)、排除污染地層流體、泡點測試和過壓保護取樣;大排量快速流體泵系統(tǒng)可用于微型鉆桿測試(Mini-DST)中給密封膠筒快速充壓及快速排除2個膠筒間所封隔的多達數(shù)十升的鉆井液，也可用于抽取聚焦式探針外流體通道的液體，從而快速獲取地層原狀樣品。2種流體泵相互獨立又互相配合，使得EFDT功能更加完善，能夠適應不同地質條件進行順利作業(yè)。

1 小排量精密流體泵系統(tǒng)

小排量精密流體泵系統(tǒng)的關鍵技術包括井下高溫高壓液壓控制技術、精密高壓流體柱塞泵、泡點測試技術等(見圖1)。

圖1 小排量精密流體泵系統(tǒng)示意圖

1.1 井下高溫高壓液壓控制技術

小排量精密流體泵系統(tǒng)采用高集成度的井下高溫高壓液壓控制技術，可實現(xiàn)旁路功能、正向前進抽吸、正向后退抽吸、反排前進抽吸、反排后退抽吸、關閉出口準備取樣等功能(見圖2)。

圖2 小排量精密流體泵4種吸排狀態(tài)

正向前進和正向后退都是從探針吸口吸入地層流體從可控出口排出流體，是地層壓力測試、排除泥漿濾液和流體取樣所需的吸排狀態(tài);反向前進和反向后退都是從可控出口吸入地層流體，從探針吸口排出流體，可用于當吸口堵塞時解堵，當儀器吸附卡時反打推離井壁，也可用于反向憋壓測試探針流體隔離閥的密封性。

正常的地層測試儀組合中，小排量精密流體泵在探針模塊下部。當需要測試井底地層時，需要將探針模塊置于儀器底部，小排量精密流體泵置于其上，這時需要進行切換。在流體泵上設置了切換裝置，只需調整一個密封堵的安裝位置即能進行模式切換，簡便高效。

1.2 精密高壓流體柱塞泵

小排量精密流體泵系統(tǒng)設計有精密高壓流體柱塞泵(見圖3)，可精確控制抽吸體積，并具有大工作壓差及較強過壓能力，因此可充當預測室(Pretest Room)，對PVT樣品進行過壓保護，同時也可適應不同地層情況進行地層測試作業(yè)。

圖3 精密高壓流體柱塞泵示意圖

如圖4所示，精確控制抽吸體積對地層壓力測試非常重要。在低滲透率儲層，測試流量過大，在探頭處產(chǎn)生的壓力降過大，測試壓力低于泡點壓力，流體會出現(xiàn)脫氣現(xiàn)象;測試流量過小，預測試、測試壓力恢復以及進行流體取樣的時間過長，增加了測試儀器遇卡和電纜吸附風險。在高滲透率儲層，測試流量過小，測試過程中產(chǎn)生的壓力降過小，無法準確確定儲層參數(shù);測試流量過大，儲層容易出砂，導致測試失敗。為獲得高精度的抽吸體積控制，采用了先進的井下閉環(huán)液壓伺服技術，即在泵抽活塞上安裝線性位移傳感器(LMP)，通過傳感器檢測活塞的速度和行程，將該信號送到電子控制線路短節(jié)，與設定的速度和位置不斷進行比較，再輸出信號控制電磁閥的開關，控制流量變化，達到控制活塞位置從而達到控制抽吸體積的目的。圖5為流體泵工作壓差計算示意圖。

圖4 抽吸量的影響

圖5 流體泵工作壓差計算示意圖

因此，小排量精密流體泵所允許的最大壓差為37.0 MPa(液壓系統(tǒng)壓力28 MPa)。

一般認為泥漿柱壓力與地層壓力差值為3.45 MPa。下面計算流體泵過壓能力。泵抽缸前進時有

泵抽缸后退時有

因此，小排量精密流體泵最大過壓能力為48 MPa(液壓系統(tǒng)壓力28 MPa)。

1.3 泡點測試技術

進行泡點測試目的是辨別油基泥漿和流體中的油、防止取樣過程中出現(xiàn)相分離、確定為保持樣品真實物性取樣筒所需的過壓量。在泵抽缸的前進方向安裝有1個高精度石英傳感器。當傳感器表明有油氣顯示時，為保證能夠取到PVT質量的地層原狀樣品，需首先測試流體的泡點壓力。流體泵吸入部分地層流體后，關閉探針吸口及樣品出口，流體泵緩慢運動，石英壓力傳感器測量流體壓力動態(tài)變化，可擬合得到泡點壓力值。

2 大排量快速流體泵系統(tǒng)

中國石油勘探開發(fā)越來越多地面對低孔隙度、低滲透率、裂縫性復雜巖性油氣藏的挑戰(zhàn)[4]。EFDT已研發(fā)出新的功能模塊(包括雙封隔器模塊和聚焦式探針模塊)應對新挑戰(zhàn)。雙封隔器所封隔的鉆井泥漿液最多能達到36 L，如果僅使用小排量精密流體泵排除這些泥漿液，考慮負載影響情況下，排除時間長達數(shù)小時，既影響作業(yè)時效，也給儀器作業(yè)安全帶來了極大隱患。聚焦式探針模塊采用內(nèi)外混合式探針設計，形成2條流體通道，需要同時啟用小排量精密流體泵和大排量快速流體泵，通過雙泵分別對內(nèi)外流體抽吸形成聚焦效果，大幅度減少泵排時間，快速獲取純度更高的原狀地層流體樣品。

大排量快速流體泵的關鍵技術有大排量流體柱塞泵、基于霍爾傳感器的快速換向控制、獨立的大排量液壓動力源、高溫高壓機械液壓系統(tǒng)等。本文主要闡述大排量流體柱塞泵和快速換向控制技術。

2.1 大排量流體柱塞泵

在柱塞泵兩側對稱設計有2個等直徑的流體缸，在液壓力作用下，活塞前進或后退時，始終有1個流體缸在吸入流體，另1個在排出流體，往復切換。為獲得大排量的特性，液壓缸有效活塞面積小于流體缸有效活塞面積，從而可以較小的液壓流量獲得更大的流體流量。Q地層流體∶Q油=4∶3，Q油為1.5 L/min，亦即 Q地層流體為 2 L/min，大排量快速流體泵的效率是小排量精密流體泵的4倍左右。又由于流體缸是等直徑的，柱塞泵換向后，不會發(fā)生吸入流體速率大的波動，因而不會出現(xiàn)井壁垮塌等現(xiàn)象，保證了排液過程中的勻速性(見圖6)。

圖6 大排量流體柱塞泵示意圖

2.2 快速換向控制

在運動活塞上裝有高表面磁場強度的磁鐵，缸尾裝有高溫霍爾傳感器。當活塞運動到缸尾時，霍爾傳感器接收到的磁場強度到達閾值，表明活塞運動到頭，觸發(fā)信號完成柱塞泵的換向運動。通過調整閾值的大小，可以在活塞運動到距離缸尾有一定間隙時就換向，省去了柱塞泵泄壓的過程，可實現(xiàn)快速自動換向。當霍爾傳感器失效時，可利用流體壓力傳感器的測得的壓力信號判斷是否需要換向，實現(xiàn)了雙保險自動換向。

3 現(xiàn)場應用情況

截至2012年4月，EFDT先后在渤海、南海及緬甸等地的49口探井成功進行作業(yè)，共完成1111個地層壓力測量、取得了90個地層流體樣品。還創(chuàng)造了中國產(chǎn)儀器首次海上PVT取樣和連續(xù)36口探井作業(yè)損失時間為零的紀錄。小排量精密流體泵作為EFDT標準配置模塊，其在井下高溫高壓腐蝕性環(huán)境下的優(yōu)良性能及穩(wěn)定可靠性得到了充分證明。在渤海某探井作業(yè)中，利用精密高壓流體柱塞泵充當預測室，得到了良好的壓力恢復曲線(見圖7)。利用小排量精密流體泵的過壓能力加之取樣筒本身的高壓氮氣蓄能補償能力，獲得了合格的PVT流體樣品(所處地層地層流體壓力為32.08 MPa，取樣筒打開壓力為32.87 MPa，遠高于飽和壓力15.85 MPa，樣品回到地面后仍然處于單相狀態(tài)，未發(fā)生油氣分離現(xiàn)象。

圖7 渤海某探井測壓曲線

大排量快速流體泵2012年5月在河北燕郊科索1井進行了測試。結果表明，所設計各項功能正常，達到了預期技術指標。

4 結束語

流體泵抽作為電纜地層測試儀器的核心功能模塊，對地層測試作業(yè)的成功起著決定性作用。EFDT采用了獨特的雙流體泵抽技術(小排量精密流體泵+大排量快速流體泵)，可精確控制流體抽吸體積，能夠快速取得真實地層流體和準確分析地層流體的動態(tài)特性，實現(xiàn)了針對不同滲透率、不同孔隙度、不同流體性質的地層制定相應的測試制度。

[1]Campo C Del，Dong C，et al.Advances in Fluid Sampling with Formation Testers for Offshore Exploration[C]∥Offshore Technology Conference，Texas，2006，OTC，18201.

[2]Michael Yesudas，John M Michaels，Saeed Rafie，et al.Determining Fluid Properties from Pressure，Volume，and Temperature Measurements Made by Electric Wireline Formation Testing Tools[P].United States Patent，5635637，1997.

[3]馮永仁，龐希順，周明高，等.鉆井中途油氣層測試儀工程化集成與應用技術報告[R].燕郊:中海油田服務股份有限公司，2009:2-3.

[4]油氣測井重大專項項目組.“十二五”國家油氣重大專項“油氣測井重大技術與裝備”可行性研究報告[R].北京:油氣測井重大專項項目組，2010.