随钻地层压力测试原理及应用技术研究 高 翔
摘 要：本文介绍了随钻地层压力测试的原理，并对仪器的工作原理及工艺流程做了简单的描述。详细阐述了不稳定试井分析在随钻地层压力测试中的应用，利用多元线性回归的方法修正所测的地层压力，同时还可以得到流动系数和压缩系数两个地质参数。最后分析了地层压力测试的数据在优化钻井和地层评价方面的应用。仪器在地面做振动试验和联调试验，性能良好。
关键词：地层流量分析；地层压力；流动系数；油水界面
1 前 言
1．1目的及意义
开展随钻地层压力测试技术的研究，可以准确地获取地层压力。为钻井工程和油藏地质工程提供重要的基础数据。在钻井工程方面，地层压力是确定钻井液密度、实现井身结构优化和优选井控装置的重要依据。通过随钻获取地层压力可以实时调整环空压力，及时调整泥浆密度，控制井底的当量循环密度。该项技术对于提高机械钻速、减少井下复杂情况发生、优化完井方案、提高固井质量和实现近、欠平衡钻井具有重要作用。在油藏地质工程方面，地层压力是描述油气藏类型、计算地质储量、了解油气藏当前状态及预测未来动态的重要基础数据。油藏工程师可以利用随钻获取的地层压力梯度分析来辨别地层流体和判断接触面位置从而优化井身结构和井位选择。该项技术在探井、调整井和开发井具有广阔的应用前景，可以为油田的勘探开发提供有力的技术支持。
1．2国内外技术现状
国外从20世纪60年代开始进行中途测试和完井后电缆测试地层压力技术的研究。斯伦贝谢、阿特拉斯公司先后研制成功了电缆地层测试器RFT，20世纪90年代中期，斯伦贝谢公司推出了精度更高性能更优良的模块式地层测试器MDT。
进入21世纪，国外公司开始进行随钻地层压力测试仪器的研究，经过几年的科研攻关，2003年贝克休斯和哈里伯顿公司先后开发了随钻地层压力测试器Test Track和GeoTAP，2005年斯伦贝谢推出了随钻测量系列的地层压力测量仪器StethoScope，使用电缆式探头和极板以及精确的石英压力传感器，在钻井作业的接单根等暂停期间进行压力测试。
国内，中国船舶集团第七研究院第七零五研究所上世纪90年代通过初充分消化国外RFT技术，成功研发了国内第一代电缆式地层压力器CDC，通过几年的完善发展，已在国内很多油田得到应用。但随钻地层压力测试器还未在国内开展过研究。
1．3目前常见的地层压力测试方法
目前，用于计算和测试原始地层压力的方法，主要有钻前的地震资料法，钻井过程中的钻井参数法（Dc指数法）以及钻井后的电缆测井法（MDT/RFT），见表1。
表1 常见地层压力测试方法
测试方法 测试原理 优点 缺点
地震法 利用地震波速与地层压力之间的关系计算。 适用于新区新井预测地层压力，作为钻井设计参考。 受地震垂向分辨率的限制，解释的层速度与实际层速度的误差大。
Dc指数法 利用泥页岩压实规律
和压差理论对机械钻速的影响规律来检测地层压力。 计算所需参数来源较容易，均为录井过程中记录的数据。 由于参数是变化的，而且地层岩性又不易准确地确定，致使值变化较大，难于排除异常数据，因此检测精度不高。
MDT/RFT测井法 不稳定试井原理 测量精确，并能测取真实地层流体样本。利用光学响应测原油密度、饱和压力、原油压缩系数、地层体积系数以及油气比等。 属于电缆测井，无法实现随钻地层测试，其工艺复杂，占用钻机时间较长，并且由于测试过程中无法循环易造成井下复杂等风险。对于大斜度井、水平井、大位移井存在下入困难等问题。
从表1中所列的各种测试方法可以看出，随钻地层压力测试能够在刚打开地层时测试地层压力，获取最直接的原始地层压力。利用钻井过程的短暂中断测量地层压力, 测试时间短，占用钻机时间很少。能够解决大斜度井、水平井、大位移井测试时，工具下入困难的问题。与传统技术相比，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。
2 随钻地层压力测试原理
2.1随钻地层压力测试原理
随钻地层压力测试的原理与MDT/RFT测井类似，采用不稳定试井的方法，主要是根据地层原始状态遭到破坏后，地层压力波动与地层流体渗流之间的关系，测试地层压力及地层流动性。因此，需要研究地层压力分布、变化规律与地层流体渗流之间的关系。
2.1.1地层压力分布、变化规律
油藏投入开发以前，油层中压力处于平衡状态，不会发生流体流动。在这种状态下，油层流体所承受的压力称为“原始地层压力”。在油层中，原始地层压力将按静水力学原理分布，即原始地层压力随地层深度的增加而增加，整个油藏可视为一个连通器。
由于钻井打开储层或油气井持续开采，地层压力逐渐下降，原来处于压缩状态的岩石及流体就会发生膨胀，岩石中流体的膨胀迫使流体流出地层，另一方面，压力下降后岩石的骨架也会发生变形，而使孔隙体积变小，使流体从孔隙中排出。这就是岩石和流体释放弹性能的结果，即“弹性驱动方式”。
在弹性驱动的情况下，地层内各点的压力每个瞬时都在发生变化，属于不稳定渗流过程，这种压力先从井底开始，然后逐渐向地层外部边界传播。井底常见的渗流方式为平面径向流和球形向心流。
2.1.2地层压力测试理论模型
根据电缆测井MDT/RFT的测试原理，我们采用单探头的模式对地层进行测试。由于地层测试器半径很小（约0.55cm），在测试过程中所抽取的流量也很少，若把地层视为无限均匀介质，则可把探头看作点源，压降从点源出发，以球形向外传播。等压面是以点源为中心的球面，流体则以垂直等压面的方向形成径向流动，流入地层测试器。
在压力恢复的过程中，被连通区域周围的空间大致分为三个球形区域（如图1所示）：一个是靠近球形探区，其总流量与到该探测区的距离r无关的稳态流区域，即图中B区；一个是远离球形探区，未受流量干扰的区域，即图中D区；另一个是位于以上两个区域之间的过渡区域，流量在这个区域从稳态值逐渐减小到零，即图中C区。A区为探头负压产生的半球形空腔，E区为井筒。在压力下降过程中，随着时间增长，两个相邻区域的边界从球形探测区移开。当时间增长到足够长时，产生一个稳态压差。
由于探头相对于地层属于点源，等压面是以点源为中心的球面，流体以垂直等压面的方向形成径向流，流入地层测试器。所以，首先应讨论并推导球形渗流的数学模型。
在稳定渗流时，每个方向的渗流都满足线性达西定律，如图2所示。
图2 线性达西定律的稳定流动方式
由线性达西公式得：
-------------（1）
渗流速度为：
-------------（2）
其中：k—渗透率；
μ—黏度；
—压力梯度。