地层流体双泵抽技术研究及应用

尤国平，冯永仁，王辉，张小康，褚晓冬

(中海油田服务股份有限公司油田技术研究院，河北 三河 065201)

0 引言

流体泵抽(Flow Pump)是地层测试仪的核心技术之一[1]，具有连续泵抽和可模块化组合是第三代电缆地层测试仪的标志性特征。利用泵抽可实现在一次座封过程中往复从地层抽取流体，并将流体排放到井筒，有利于排除侵入带的影响获取真实地层流体;通过控制泵抽的速度和活塞位置，记录压力恢复曲线，从而分析解释获得地层流体渗透率信息;还可对地层流体做泡点(Bubble Point)测试，以分辨油基泥浆和含油地层流体(电阻电导率传感器无法区分这2种流体类型)[2]，并能合理规划抽吸速度;为保持所取样的地层流体真实物性(电缆地层测试仪提升至地面过程中，由于温度和压力的降低，会使得取样流体油气分离，导致样品无法准确反映在取样位置的流体特性)，可利用泵抽产生的压差对取样筒中的样品进行过压保护。

钻井中途油气层测试仪(EFDT，Enhanced Formation Dynamic Tester)是自主研发的模块化地层动态测试系统[3]。它可快速直接识别和评价复杂油气藏，提高勘探发现率，大幅节省勘探成本。EFDT拥有独特的双流体泵抽系统:小排量精密流体泵系统可用做压力预测室(Pretest Room)、排除污染地层流体、泡点测试和过压保护取样;大排量快速流体泵系统可用于微型钻杆测试(Mini-DST)中给密封胶筒快速充压及快速排除2个胶筒间所封隔的多达数十升的钻井液，也可用于抽取聚焦式探针外流体通道的液体，从而快速获取地层原状样品。2种流体泵相互独立又互相配合，使得EFDT功能更加完善，能够适应不同地质条件进行顺利作业。

1 小排量精密流体泵系统

小排量精密流体泵系统的关键技术包括井下高温高压液压控制技术、精密高压流体柱塞泵、泡点测试技术等(见图1)。

图1 小排量精密流体泵系统示意图

1.1 井下高温高压液压控制技术

小排量精密流体泵系统采用高集成度的井下高温高压液压控制技术，可实现旁路功能、正向前进抽吸、正向后退抽吸、反排前进抽吸、反排后退抽吸、关闭出口准备取样等功能(见图2)。

图2 小排量精密流体泵4种吸排状态

正向前进和正向后退都是从探针吸口吸入地层流体从可控出口排出流体，是地层压力测试、排除泥浆滤液和流体取样所需的吸排状态;反向前进和反向后退都是从可控出口吸入地层流体，从探针吸口排出流体，可用于当吸口堵塞时解堵，当仪器吸附卡时反打推离井壁，也可用于反向憋压测试探针流体隔离阀的密封性。

正常的地层测试仪组合中，小排量精密流体泵在探针模块下部。当需要测试井底地层时，需要将探针模块置于仪器底部，小排量精密流体泵置于其上，这时需要进行切换。在流体泵上设置了切换装置，只需调整一个密封堵的安装位置即能进行模式切换，简便高效。

1.2 精密高压流体柱塞泵

小排量精密流体泵系统设计有精密高压流体柱塞泵(见图3)，可精确控制抽吸体积，并具有大工作压差及较强过压能力，因此可充当预测室(Pretest Room)，对PVT样品进行过压保护，同时也可适应不同地层情况进行地层测试作业。

图3 精密高压流体柱塞泵示意图

如图4所示，精确控制抽吸体积对地层压力测试非常重要。在低渗透率储层，测试流量过大，在探头处产生的压力降过大，测试压力低于泡点压力，流体会出现脱气现象;测试流量过小，预测试、测试压力恢复以及进行流体取样的时间过长，增加了测试仪器遇卡和电缆吸附风险。在高渗透率储层，测试流量过小，测试过程中产生的压力降过小，无法准确确定储层参数;测试流量过大，储层容易出砂，导致测试失败。为获得高精度的抽吸体积控制，采用了先进的井下闭环液压伺服技术，即在泵抽活塞上安装线性位移传感器(LMP)，通过传感器检测活塞的速度和行程，将该信号送到电子控制线路短节，与设定的速度和位置不断进行比较，再输出信号控制电磁阀的开关，控制流量变化，达到控制活塞位置从而达到控制抽吸体积的目的。图5为流体泵工作压差计算示意图。

图4 抽吸量的影响

图5 流体泵工作压差计算示意图

因此，小排量精密流体泵所允许的最大压差为37.0 MPa(液压系统压力28 MPa)。

一般认为泥浆柱压力与地层压力差值为3.45 MPa。下面计算流体泵过压能力。泵抽缸前进时有

泵抽缸后退时有

因此，小排量精密流体泵最大过压能力为48 MPa(液压系统压力28 MPa)。

1.3 泡点测试技术

进行泡点测试目的是辨别油基泥浆和流体中的油、防止取样过程中出现相分离、确定为保持样品真实物性取样筒所需的过压量。在泵抽缸的前进方向安装有1个高精度石英传感器。当传感器表明有油气显示时，为保证能够取到PVT质量的地层原状样品，需首先测试流体的泡点压力。流体泵吸入部分地层流体后，关闭探针吸口及样品出口，流体泵缓慢运动，石英压力传感器测量流体压力动态变化，可拟合得到泡点压力值。

2 大排量快速流体泵系统

中国石油勘探开发越来越多地面对低孔隙度、低渗透率、裂缝性复杂岩性油气藏的挑战[4]。EFDT已研发出新的功能模块(包括双封隔器模块和聚焦式探针模块)应对新挑战。双封隔器所封隔的钻井泥浆液最多能达到36 L，如果仅使用小排量精密流体泵排除这些泥浆液，考虑负载影响情况下，排除时间长达数小时，既影响作业时效，也给仪器作业安全带来了极大隐患。聚焦式探针模块采用内外混合式探针设计，形成2条流体通道，需要同时启用小排量精密流体泵和大排量快速流体泵，通过双泵分别对内外流体抽吸形成聚焦效果，大幅度减少泵排时间，快速获取纯度更高的原状地层流体样品。

大排量快速流体泵的关键技术有大排量流体柱塞泵、基于霍尔传感器的快速换向控制、独立的大排量液压动力源、高温高压机械液压系统等。本文主要阐述大排量流体柱塞泵和快速换向控制技术。

2.1 大排量流体柱塞泵

在柱塞泵两侧对称设计有2个等直径的流体缸，在液压力作用下，活塞前进或后退时，始终有1个流体缸在吸入流体，另1个在排出流体，往复切换。为获得大排量的特性，液压缸有效活塞面积小于流体缸有效活塞面积，从而可以较小的液压流量获得更大的流体流量。Q地层流体∶Q油=4∶3，Q油为1.5 L/min，亦即 Q地层流体为 2 L/min，大排量快速流体泵的效率是小排量精密流体泵的4倍左右。又由于流体缸是等直径的，柱塞泵换向后，不会发生吸入流体速率大的波动，因而不会出现井壁垮塌等现象，保证了排液过程中的匀速性(见图6)。

图6 大排量流体柱塞泵示意图

2.2 快速换向控制

在运动活塞上装有高表面磁场强度的磁铁，缸尾装有高温霍尔传感器。当活塞运动到缸尾时，霍尔传感器接收到的磁场强度到达阈值，表明活塞运动到头，触发信号完成柱塞泵的换向运动。通过调整阈值的大小，可以在活塞运动到距离缸尾有一定间隙时就换向，省去了柱塞泵泄压的过程，可实现快速自动换向。当霍尔传感器失效时，可利用流体压力传感器的测得的压力信号判断是否需要换向，实现了双保险自动换向。

3 现场应用情况

截至2012年4月，EFDT先后在渤海、南海及缅甸等地的49口探井成功进行作业，共完成1111个地层压力测量、取得了90个地层流体样品。还创造了中国产仪器首次海上PVT取样和连续36口探井作业损失时间为零的纪录。小排量精密流体泵作为EFDT标准配置模块，其在井下高温高压腐蚀性环境下的优良性能及稳定可靠性得到了充分证明。在渤海某探井作业中，利用精密高压流体柱塞泵充当预测室，得到了良好的压力恢复曲线(见图7)。利用小排量精密流体泵的过压能力加之取样筒本身的高压氮气蓄能补偿能力，获得了合格的PVT流体样品(所处地层地层流体压力为32.08 MPa，取样筒打开压力为32.87 MPa，远高于饱和压力15.85 MPa，样品回到地面后仍然处于单相状态，未发生油气分离现象。

图7 渤海某探井测压曲线

大排量快速流体泵2012年5月在河北燕郊科索1井进行了测试。结果表明，所设计各项功能正常，达到了预期技术指标。

4 结束语

流体泵抽作为电缆地层测试仪器的核心功能模块，对地层测试作业的成功起着决定性作用。EFDT采用了独特的双流体泵抽技术(小排量精密流体泵+大排量快速流体泵)，可精确控制流体抽吸体积，能够快速取得真实地层流体和准确分析地层流体的动态特性，实现了针对不同渗透率、不同孔隙度、不同流体性质的地层制定相应的测试制度。

[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]冯永仁，庞希顺，周明高，等.钻井中途油气层测试仪工程化集成与应用技术报告[R].燕郊:中海油田服务股份有限公司，2009:2-3.

[4]油气测井重大专项项目组.“十二五”国家油气重大专项“油气测井重大技术与装备”可行性研究报告[R].北京:油气测井重大专项项目组，2010.