摘　要：隨鉆地層壓力測量儀是保證井下作業(yè)安全的重要儀器。為此，調研了國內外典型隨鉆地層壓力測量儀的結構原理以及應用情況，重點介紹了國內2種自主研制產品已取得的重要進展：①西南石油大學和中海石油研究中心共同研制的隨鉆地層壓力測量系統(tǒng)的樣機，室內模擬實驗表明，該儀器最高耐壓70MPa，適用溫度0～125℃，工作鉆壓0～250kN，扭矩0～10kN·m；②中國石油大慶鉆探工程公司研制成的SDC-I型隨鉆地層壓力測試器，現場測試結果表明：該測試器設計合理，可靠性高，壓力測量精度達到0.1％，溫度測量精度達到±O.5℃，井下供電功率達到l60W，實現了隨鉆數據上傳和井下存儲功能，地面可隨鉆獲取井下準確的環(huán)空壓力、溫度、地層壓力和地層流度，已初步具備商業(yè)化應用的條件。但與國外同類產品相比，國內研制的產品在技術指標上還有一定差距：產品規(guī)格少，局限在Ø215.9mm井眼中使用；僅適用最高耐壓70MPa，溫度小于125℃的中深井井下環(huán)境。最后建議：國內應加大現場試驗驗證，加強合作交流，以便盡快商業(yè)化應用。

關鍵詞：隨鉆測量  地層壓力  工具  結構  自主研制  國內產品  差距

ProgreSS in research and development of measurement-while-drilling apparatuses

Abstract：The measurement-while-drilling apparatus and method are developed to keep safe downhole operation with the real time measured formation data．Therefore，an investigation was first made into the basic structure，working principle and aoolication of such representative apparatuses at home and abroad，with a focus on the achieved major progress in two independently developed products in China．The first one is a prototype jointly developed by Southwest Petroleum University and CNOOC Research Center.An indoor simulation experiment was made on the key parts of this prototype apparatus with a tailor-made ground simulator.The ex-perimental data was thus recorded on this prototype apparatus：the allowable highest pressure is 70MPa；the applicable temperature is in a range of 0～125℃，working bit weight is 0～250kN；and torque is 0～10kN·m．The second one is SDC-I apparatus，devel-opedby CNPC Daqing Oilfield Drilling Engineering Co．，Ltd．，which has been tested on site for popularization·Pilot tests showed that this apparatus is of reasonable design and high reliability；the precision rate of formation pressure measurement is 0.1% and that of temDerature measurement is±0.5℃；and downhole power efficiency is l60W.With such an apparatus，the measurement whlle-drilling data can be uploaded and stored downhole at the same time，thus，such accurate downhole data as annulus Pressure，temper-ature，formation pressure and fluidity can be sent up to ground while drilling．However，compared with the like products aboard,there is still a wide gap in terms of technical qualification of the above independently developed apparatuses.For example，due to their limited sizes，they can be used oniy in Ø215.9mm borehole wells or in the downhole environment of moderately deep wells with the highest pressure of 70MPa and the temperature of less than l25℃．In the end，this paper points out that only if more tleld tests are Derformed and cooperation with foreign companies is strengthened，should these developed apparatus be verified and quickly put into commercial production and application in China．

Kev words：measuring while drilling，formation pressure，instrument，structure

地層壓力是指作用在地層孔隙內流體(油、氣、水)上的壓力，亦稱地層孔隙壓力^[1]。地層壓力的檢測與預測對于保障油氣井安全鉆進^[2]，提高鉆井效率，優(yōu)化鉆井工藝，降低鉆井成本等都具有重要的指導意義。

傳統(tǒng)的地層壓力信息的獲取方法主要包括：①鉆井前，采用地震法，聲波時差法得到地震資料和聲波測井曲線來預測區(qū)塊地層的孔隙壓力；②鉆井過程中，采用機械鉆速法、dc指數法^[3]，結合現場資料(如井漏、溢流時鉆井液的密度，測試資料等)估算地層孔隙壓力；③完井后采用密度測井，電纜測井，試油等測試方法檢測地層孔隙壓力。

隨著鉆井所面臨的惡劣條件(如高溫高壓鉆井，深水鉆井，高含硫化氫鉆井)越來越復雜，人們迫切需要實時地了解鉆達地層的孔隙壓力，以確定準確的地層壓力梯度，探測未知區(qū)塊高壓層，及時調整鉆井液密度，從而實現高效、安全地鉆進。

隨鉆地層壓力測量儀的研制，利用了鉆井期間的短暫停頓完成測試，實時獲取地層壓力信息，地層受鉆井液濾液侵入影響小，測量精度高，同時解決了大斜度井、水平井中電纜工具下入困難問題，可應用于NDS和MPD鉆井系統(tǒng)中。

1　國外研究現狀

目前國外隨鉆地層壓力測量FPWD(Formation Pressure While Drilling)已形成較為完善的系統(tǒng)，早期的測量儀主要為雙封隔器式隨鉆地層壓力測量裝置，以哈里伯頓的EFPS(Early Formation Pressurc System)系統(tǒng)和Panthfinder能源服務公司DFT(Drilling Formation Tester)系統(tǒng)為主，目前應用較為廣泛的是探頭式隨鉆地層壓力測量儀，最具代表性的主要有斯侖貝謝公司的Stetho-Scope系統(tǒng)，哈里伯頓公司的Geo-Tap系統(tǒng)以及貝殼休斯公司的TesTrak系統(tǒng)。

1．1雙封隔器式隨鉆地層壓力測量儀

雙封隔器式隨鉆地層壓力測量系統(tǒng)由上下封隔器、壓降泵和石英壓力計等組成，它通過鉆井液脈沖遙測技術將井下測量信息實時傳遞到地面上，經多次測試后即可建立較為準確的地層壓力梯度剖面。早在20世紀90年代，哈里伯頓公司的研究人員就已經開始了隨鉆地層壓力測量儀的研究^[4]，其EFPS系統(tǒng)可以在鉆井過程中，利用起下鉆對地層壓力進行一系列的快速測試，通過詳細的數值模擬和數據解析，測量效果和電纜測井相當。1999年，Pathfinder能源服務公司的DFT測試器作為隨鉆測井系統(tǒng)LWD的一部分，能夠隨鉆測量不同井深的地層孔隙壓力^[4]，并通過井下電子控制短節(jié)實時傳遞信息到地面。典型的雙封隔器式隨鉆地層壓力測量儀結構如圖1所示，由兩個封隔器作為鉆鋌的一部分，開始進行測試時，井下鉆井液分流器引導鉆井液通過井下鉆具組合，上下兩個封隔器膨脹坐封，壓降泵將封隔器之間的流體泵出，地層流體在欠平衡的作用下進入封隔器之間，直到封隔器之間的壓力達到地層壓力。

DFT測試儀利用一次起下鉆可以測量多點壓力，建立地層壓力梯度，確定油、氣、水的接觸面，一次測試的周期一般在20～30min，極大減小了非生產時間。在由道達爾公司和殼牌，埃克森美孚公司合作開發(fā)的英國北海北部的Otter油田中跚，由于井身結構的特殊性，油井水平穿人儲層段，電纜地層測試需下人鉆桿才能下入井中測量，所以采用隨鉆地層測試器(DFT)下入井中采集地層壓力數據，獲得了成功，真實地反映了地層壓力的原始狀態(tài)，幫助實現了有效的決策方案，節(jié)省了鉆井時間。

1．2探頭式隨鉆地層壓力測量儀

探頭式隨鉆地層壓力測量系統(tǒng)主要由帶有密封墊的活塞探頭、抽吸泵、石英壓力計、電子短節(jié)等構成。在鉆進的過程中，利用巾途短暫的停歇，地而控制系統(tǒng)傳遞命令到井下激活測試系統(tǒng)，壓力探頭從測量短節(jié)處伸出，與地層接觸，待形成有效密封后，探針打開，抽吸地層內流體，利用智能化的閉合環(huán)路控制系統(tǒng)進行一系列壓降測試和壓力恢復測試，以測得準確的地層壓力信息。測試數據可存儲在井下或通過鉆井液脈沖遙測系統(tǒng)傳送到地面。探頭式FPWD應用范圍較廣，可在任何井斜條件下測量地層孔隙壓力，鉆井液循環(huán)與否都可進行測試，系統(tǒng)可采用自帶電池或渦輪發(fā)電機進行供電，一次測試周期僅為5～7min，最大限度的節(jié)省了鉆井時間，節(jié)約了生產成本。

在探頭式隨鉆壓力測量系統(tǒng)中，哈里伯頓公司的Geo-Tap隨鉆地層壓力測量系統(tǒng)是最先成功利用電纜型極板和探頭設計的隨鉆地層壓力測試器^[6]，它通過每一個點進行3次測試，取最穩(wěn)定的值作為該點的最終壓力來進行測量結果的優(yōu)化。而貝克休斯公司的Tesnak測量系統(tǒng)^[7]擁有基本測試和優(yōu)化測試兩種選擇，可以優(yōu)化壓降速率，壓降大小和壓力恢復時間。同時，還可測量任意井周方向的地層壓力。斯侖貝謝公司的Stetho-Scope測量系統(tǒng)和哈里伯頓的Geo-Tap系統(tǒng)原理相似，通過對預測試體積和壓降速率進行優(yōu)化后，它在常規(guī)鉆井情況下有較高的測試精度。典型的探頭式隨鉆地層壓力測量儀的測量原理和基本結構如圖2、3。

從國外隨鉆地層壓力測量儀的調研分析可知，雙封隔器式測量裝置將鉆鋌坐封在井壁上，雖然探測范圍較大，流體流動模擬比較準確，但封隔器間的流體抽吸量較大，環(huán)空固相可能被吸進儀器從而堵塞系統(tǒng)；測試時間較長，導致發(fā)生井下復雜情況的概率增加；封隔器在多次使用后可靠性嚴重降低，這些問題都限制了它在現場中的廣泛應用。而幾大國外油田技術服務公司的探頭式隨鉆地層壓力測量系統(tǒng)已經各自形成了一套系列^[8-10]，已廣泛應用于世界各地并推廣，多次指導鉆井，采油作業(yè)，產生了較大的經濟效益。其相關配套的軟件、硬件均具有很好的現場適應性(表1)。

2　國內研究現狀

國內關于隨鉆地層壓力測試儀器的研究比較晚，近幾年經過技術攻關已有多家單位研發(fā)出了隨鉆地層壓力測量儀。具有代表性的有中國石油西部鉆探克拉瑪依鉆井工藝研究院的雙封隔器式隨鉆地層壓力測量儀^[11]，西南石油大學課題組“十一五”期間完成的探頭式隨鉆地層壓力測量裝置^[12-13]，北京六合偉業(yè)科技有限公司的探頭式隨鉆地層壓力測量儀^[14]以及中國石油大慶鉆探工程公司鉆井工程技術研究院的SDC-I型探頭式隨鉆地層壓力測試器^[15-16](表2)。

2．1西南石油大學隨鉆地層壓力測量系統(tǒng)樣機

西南石油大學和中海石油研究中心在“十一五”期間，共同研制出了隨鉆地層壓力測量系統(tǒng)的地面樣機及部件^[12]。完成了測量方案設計和測量儀器的試制以及數字化樣機的制作，并應用研制的地面模擬裝置^[13]對測量儀器關鍵部件進行了室內模擬實驗，模擬環(huán)境達到了井下作業(yè)標準，儀器最高耐壓70MPa，適用溫度0～125℃，工作鉆壓0～250kN，扭矩0～10kN·m。形成了一套隨鉆地層壓力測量實施方案及地層壓力解釋分析方法，研制出了適用于此套測量儀的數據采集與控制系統(tǒng)，完成了隨鉆測量裝置與MWD的通訊連接，能夠達到隨鉆測量的效果。其裝置總體結構如圖4所示。

它由渦輪發(fā)電機模塊、電氣短節(jié)、鉆井液分流器、增壓裝置、執(zhí)行機構總成、執(zhí)行機構液壓控制系統(tǒng)、抽吸系統(tǒng)、探測頭、下接頭等主要部件組成。它是基于鉆井液分流提供液壓動力，三點定位井壁保證合適推靠力，以鉆井液脈沖作為下傳信號的測試啟動控制系統(tǒng)(圖5)。

2．2大慶SDC-I型隨鉆地層壓力測試器

中國石油大慶鉆探工程公司鉆井T程技術研究院于2009年5月研制完成了SDC-I型隨鉆地層壓力測試器^[16]，并進行了6口井的現場試驗，收到了較好的效果。該測試器分為井下測試系統(tǒng)、地面信息接收及處理系統(tǒng)兩部分。井下測試系統(tǒng)(圖6)負責完成地層壓力的測試并存儲和上傳數據，地面信息接收及處理系統(tǒng)負責對數據進行接收和處理。現場試驗表明，該測試器設計合理，可靠性高，壓力測量精度達到0.1％，溫度測量精度達到±0.5℃，井下供電功率達到l60W。可隨鉆實現數據上傳和井下存儲功能，地面可隨鉆獲取井下準確的環(huán)空壓力、溫度、地層壓力和地層流度(地層流度表示流體在該地層中流動的難易程度。是油層有效滲透率與流體黏度的比值)。經過一年半的推廣，SDC-I目前共完成12口井的現場測試工作，井下測試最高壓力47.02MPa，最高溫度109.7℃。這種測試器已初步具備商業(yè)化應用的條件^[17]。

3　結束語

1)從國內隨鉆地層壓力測量儀的研究趨勢看，地層壓力的實時測量已開始同LWD、MWD以及旋轉導向鉆井系統(tǒng)、地質導向鉆井系統(tǒng)等聯合使用。隨著各研究機構對于測量精度和數據傳輸方面的攻關，其自動化、智能化程度必將大大提升。

2)國內探頭式FPWD測量儀在抽吸地層流體過程中并未對不同巖性地層、高流度地層、低滲透地層進行抽吸速率、壓降、壓力恢復時間的優(yōu)化，在測量時可能會導致數據的不準確。建議加大這方面的理論研究，采用數值模擬的方法，開發(fā)出適用于各種情況下的模型及控制系統(tǒng)，完善整個隨鉆壓力測量系統(tǒng)。

3)國內外FPWD測量儀數據傳輸方式均采用鉆井液脈沖遙測技術，無法滿足欠平衡技術、空氣鉆井技術等隨鉆測量的需要，在相同的傳輸方式下，國內的傳輸數據不管從容量上還是從傳輸速度上都明顯落后于國外。建議相關研究單位在增大鉆井液脈沖傳輸的可調密度范圍和應用條件的基礎上加大聲波、電磁波等無線隨鉆傳輸技術攻關，從而滿足更多更復雜的隨鉆測量需求。

4)目前國外在儀器及配套系統(tǒng)方面應用已比較成熟，具備較為全面的應用體系，其技術指標也相對較高，能夠適應較為惡劣的鉆井環(huán)境(如高溫高壓井、深水鉆井等)。國內雖有多家單位已研制出隨鉆地層壓力測量儀，但技術水平參差不齊，技術指標較低，適用情況較為局限，仍然存在許多不足，還需在大量的現場試驗中發(fā)現問題，解決問題，促使隨鉆測量技術更加完善。

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本文作者：楊川  陳平  夏宏泉  韓雄  馬天壽

作者單位：“油氣藏地質及開發(fā)工程”國家重點實驗室·西南石油大學