新型模块式电缆地层测试及取样工具应用

吴小路，刘远志，孙常伟，程 佳，李小东

（中海石油（中国）有限公司深圳分公司，广东深圳 518000）

判别储层的流体性质是油气勘探阶段的重要工作，以电阻率测井为核心的电阻率绝对值法、电阻率–孔隙度交会判别法、孔隙度–饱和度交会判别法等方法在常规储层流体性质识别中发挥了重要作用[1–3]，但对于岩性复杂、高阻水层、低阻油层和常规储层并存的复杂储层，容易误判流体性质[4]。通过地层测试技术可以直观地判断流体的性质，有效地规避常规测井方法带来的误判，并获得储层的流体成分、产能、渗透率、油藏边界等信息，近年来该技术在复杂油气田勘探中的作用越来越重要。

1 应用现状

地层测试及取样技术通过钻杆或电缆将井下开关井工具、封隔器、取样器等专用工具送到目的层位，在目的层位附近搭建一个临时的、完整的井下生产系统，并进行开井生产、流体取样、关井恢复[5]。相较于钻杆地层测试，电缆地层测试操作简单，测试周期短，在南海东部油田应用越来越广泛，贝克休斯的RCI是应用较多的电缆地层测试仪之一。

RCI是一种模块式的电缆储层测试取样仪，包括电源、液压控制系统、单探针、双探针、温压传感器、双封隔器、多取样筒、流体分析和压力泵等模块。其中，石英压力传感器可以快速准确地记录地层的压力和温度变化；双探针测试器能够直接测量地层的横向渗透率和纵向渗透率；双封隔器将井眼封隔成环形密闭空间，流体泵将环形空间内泥浆等污染流体排出，形成负压区，地层流体进入此空间，可获得地层流体样品；光学流体分析模块能够监控取样前流体的污染程度，对井下流体实时观测分析，确保取出高质量流体样品。

2 地层参数分析原理

地层参数分析是基于工具的流道体积的物质平衡方法和常规的试井解释方法，在达西公式中使用地层产量代替活塞抽出率，通过修正工具储集效应的活塞速率来获得地层产量。用几何因子表示探针测试的复杂流动，使地层参数分析技术更加实用，从中获得地层压力、渗透率和流体压缩性。达西方程用几何因子表示，当流体在相同温度的稳态流动时，液体的惯性流动阻力可以忽略。

式中：fq为从地层流入探头的体积流量，m3/d；k为地层渗透率，μm2；oG为表征复杂地层流动的几何因子，无因次；ir为探头半径，m；p∗为地层压力，MPa；p(t)为探针流动压力，MPa；μ为地层黏度，mPa·s。

当流体密度变化较小时，根据质量守恒定律，累积产量等于地层产量和排出量之差，即

式中：qac为累积产量，m3；qf为地层产量，m3；qdd为排出量，m3。

根据等温压缩系数的定义可以得到：

式中：tV是探头、流道和压降室的总体积，m3；tC是流体的压缩系数，MPa–1。

根据物质平衡方程，得到如下公式：

当dpdt和qdd是公式右边的唯一变量时，通过多元线性回归可同时获得两个斜率和一个截距：即的情况下，通过qdd的斜率可以得到地层的渗透率，(μCtVt)(kGori)、μ(kGori)，p∗。在流体黏度已知通过qdd的导数的斜率可以得到系统的压缩系数，则方程式可以表述如下：

方程式（5）最后一个括号内的项对应累计量和排出量，他们在生产期间呈现负相关，在关停压力恢复期间呈现正相关，但在本质上，他们是地层产量的联合体。

通过上式可知，地层产量与压力的曲线应该接近一条直线，在压力轴上具有负斜率和截距。斜率的绝对值m为：

渗透率可以通过下式计算得到：

应用地层产量分析法时，排出量qdd是时间的函数。RCI测量排出量作为时间的函数，因此可以计算每个时刻的消耗量。当排出量不能通过地层测试得到时，只能考虑测试的累积部分，在这种情况下，必须给定流体的压缩系数。

3 地层流体识别原理

光学流体分析模块采用近红外光谱吸收和荧光谱测定技术精确区分油气水，同时提供不同流体的折射系数。通过音叉传感器可以测定流体的密度和黏度，以及声波传感器测定流体的声速。同时电阻/电容传感器测定管线中的流体电阻率。

3.1 近红外光谱

近红外吸收光谱法是使用19种不同的波长测量液体吸收的光量。它由穿过两个蓝宝石晶体之间储层流体的柱状光构成。不同波长的光照强度的损耗取决于通过蓝宝石窗口的流体（图1）。通道14和17表示存在水，而通道16表示液相烃。通道1～12通常用作液态烃质量指标。轻质油在较低的通道1～5中具有高的吸收率，在较高的通道中具有较低的吸收率。高通道下的吸光度水平随原油重质组分的增加而增加。气体和水在通道1～12中不具有吸光性。通道13和15是用来去除水通道和油通道背景噪声的基本通道。从通道14中减去通道13可以量化水的比例，接近2的值表示100%的水。同样，通道16减去通道15可以量化油的比例，接近0.5的值表示100%液态烃。通道18和19是甲烷标识符。

图1 RCI仪器在轻质油中的红外光谱响应

3.2 段塞流和段塞取样

在不混溶流体流动的情况下，如果流速足够低，两相流体可能在流体泵中因流体的密度差分离出来。在泵送期间，随着时间的流逝，泥浆滤液的流体相的体积减小并且地层流体的相的体积增大。工具中的取样槽采用液压操作，因此可以多次打开和关闭同一取样槽。通过这种独特的功能，可以将流过工具的流体的任何选定部分选择性地导入这些采样槽中。因此，基于流体识别，可以进行选择性采样，以获得流入储罐的储层流体相，同时将滤液转移至井眼出口。

3.3 折射率

连续折射率是另一种监测泥浆滤液净化过程的方法。地层流体可混溶，液态烃的含量及物理性质或盐度差异的微小变化影响光在流体中的折射率，折射率值随时间的变化可表征混相流体的净化过程。

3.4 荧光光谱法

荧光光谱是含芳烃的碳氢化合物吸收特定波长的光并发射完全不同波长的光的特性。一般来说，所有天然生成的碳氢化合物（气体形式的除外）都含有不同百分比的芳烃，而合成油基泥浆滤液则不含。因此，荧光光谱可用于区分合成油基泥浆滤液和地层烃。

3.5 密度和黏度

IFX使用音叉技术来测量流体的物理特性。音叉沿一组频率振动，根据其共振的频率和共振信号的振幅，确定流体密度和黏度，还可以跟踪密度和黏度的变化，以监测过程。

3.6 声速和油气比

IFX利用安装在流线外壁上的压电晶体来测量通过流体的声速，声音信号通过流道后，在流道中的流体中传播、并从流道的另一端反弹回来。根据声音信号传播的距离和通过流体传播所需的时间可以得出流体的声速，可以与密度一起计算流体的连续压缩性和随时间变化的气油比。

除流体识别模块外，RCI工具还可测量接近工具内的流体电阻率、温度。

4 应用效果

4.1 油水界面分析

本次压力测试主要针对（ 盆地 凹陷）珠江组下部层段，该层段包含4个油层和1个水层。将5个层位分别进行压力梯度回归（图2），由于油层间存在隔层，只用最下面油层和水层的压力点分析油水界面，并结合地层流体的取样密度，确定下部4个水点在水层，剩下1个点处于上部油层中，油水界面在2 620.58 m，利用压力梯度测算地层水密度为1.028 g/cm3，油层密度为0.741 g/cm3，与实验室实测数据一致。

图2 井筒压力梯度回归曲线

4.2 典型压力剖面分析

地层测试解释主要是对测试得到的开关井地层压力数据进行分析，获得在生产时波及范围内的油藏参数及有关地质特性等的动态信息[6–8]。

4.2.1 正常测试压力剖面

正常测试点所测得的流度有效，反映地层在压降条件下流体可流动。停止泵抽后压力开始恢复，迅速恢复到地层压力并维持稳定（图3）。RCI工具稳定的标准是小于0.020 7 MPa/s，并且可重复压降恢复后的地层压力与前一次压降恢复后的地层压力差异小于0.020 7 MPa/s。

图3 正常测试压力剖面

4.2.2 低渗透层

低渗透层反映出地层在泵抽后压力会下降，但回压（压力恢复）过程缓慢，需要长时间的恢复才能达到地层压力（测试过程中未获得稳定压力点）。储层性质上，该类测点渗透性优于干层，但比正常储层差（图4）。低渗透层没有获得有效地层压力，此时重复测试分析无法满足线性关系，因此取压降流度为该储层的流度。

图4 低渗透层测试压力剖面

4.2.3 干层

干层，指地层无渗透性或渗透性极差。在大力泵抽后，压力长时间无法恢复，或恢复过程极其缓慢。图5为本次测试过程中一个干层的压力剖面图，泵抽后压力起初无法恢复，至终也没有恢复到稳定的地层压力。

图5 干层测试压力剖面

4.3 IFX流体识别

在泵抽过程中采用Baker Hughes的现场流体测试仪IFX及光谱识别工具SampleView系统对整个泵抽过程中进行了实时流体识别。因钻井泥浆为水基泥浆，地层流体为与水非混相，泵抽一段时间后出现明显段塞现象。段塞现象既与泵抽设计有关，也能反映出流体的性质，同时也为选择性采样提供了依据。同时，该现象可用于计算泵抽过程中地层的干净程度（即地层流体占泵抽流体的体积比例）。

IFX提供的密度和声波速度测量证实该深度点地层中含油（图6）。在泵抽约950 s后，密度基本稳定在0.8～0.9 g/cm3。而声波速度也基本稳定在935 μs/m。

图6 某深度点密度、声波速度历史

此外，光谱识别工具SampleView也监测到油的特征：Ch1～Ch4道光谱吸收，水道光谱（Ch14/Ch17）弱/无反应；油线Ch16～Ch15上升趋于0.5；水线Ch14～Ch13下降趋于0（图7）。

图7 某深度段油线、水线趋势

5 结论

（1）RCI电缆地层测试及流体取样方法可以准确获得储层的油水界面、物性参数，识别储层流体性质、获得储层流度，并通过地面放样的方式有效提高勘探阶段流体识别的准确性，这些压力、流度和样品数据为该区块勘探开发提供了重要依据。

（2）针对勘探阶段，不同位置开展电缆地层测试及流体取样，可以实现不同位置压降和压力恢复测试，能够有效减少层间干扰现象，可以准确获得不同储层产能、渗透率、储层边界等信息，对总体开发方案制定具有重要意义。

（3）该方法在取样过程中，通过IFX及SampleView系统对整个泵抽过程进行了实时流体识别，可以实时获取井下地层流体的污染程度，有效指导现场取样作业，节省勘探成本，降低作业风险。