楊興琴，王書南，周子皓

（1.中國石油集團測井有限公司技術(shù)中心，陜西 西安 710077；2.中國石油大學地球科學學院，北京 102249；3.中國地質(zhì)大學地球物理與信息技術(shù)學院，北京 100083）

0 引 言

自從1955年首支地層測試器投入商業(yè)化應(yīng)用以來，地層測試與流體取樣技術(shù)經(jīng)歷了多個重要發(fā)展時期。錢伯斯1942年在一項美國專利中陳述：“本發(fā)明的主要目的是通過直接獲取地層流體樣品及測量地層壓力等地質(zhì)參數(shù)來評價儲層的油氣產(chǎn)能?！盵1]地層測試流體取樣方法用電纜或鉆具等傳輸工具將壓力計和取樣筒下到井內(nèi)，直接測量地層壓力、采集有代表性的地層流體樣品，并在取樣過程中實時監(jiān)測和分析井下流體的性質(zhì)，所獲得的壓力和流體性質(zhì)等數(shù)據(jù)都是地層的直接地質(zhì)參數(shù)。目前已經(jīng)開發(fā)出適用于裸眼井、套管井、高溫高壓小井眼等各種井眼條件以及電纜傳輸、撓性管傳輸及鉆具傳輸?shù)炔煌瑐鬏敺绞降牡貙訙y試器，在油氣勘探開發(fā)中發(fā)揮了重要作用。

1 技術(shù)發(fā)展過程

1.1 國外發(fā)展情況

1942年錢伯斯向美國專利局申請了一種用于地層流體取樣的裝置的發(fā)明專利[1]。1955年斯倫貝謝公司研制的首支電纜地層測試器FT（Formation Tester）在墨西哥灣投入商業(yè)應(yīng)用，其主要功能是在射孔后抽取地層流體樣品。阿特拉斯公司于1960年也推出了功能相同的地層流體取樣器FFS（Formation Fluid Sampler）。隨后，斯倫貝謝公司開發(fā)出用于套管井地層測試的地層間隔測試器FIT（Formation Interval Tester），這一時期產(chǎn)品的主要缺點是壓力測量數(shù)據(jù)的精度低、獲取的樣品受污染程度高。

1959年海德向美國專利局申請了可起出的連續(xù)壓力測試裝置的專利[2]。1974年斯倫貝謝公司推出的重復式電纜地層測試器RFT（Repeat Formation Tester），該儀器增加了預(yù)測壓室，可進行多點重復式壓力測量，增加了石英壓力傳感器。阿特拉斯公司1975年推出多次地層測試器FMT（Formation Multi-Tester）、吉爾哈特公司1976年推出選擇式地層測試器SFT（Select Formation Tester）、哈里伯頓公司1986年推出順序地層測試器SFTT（Sequential Formation Tester）、李維斯公司于1990年推出重復式地層取樣器RFS（Repeat Formation Sampler）。

為滿足高溫高壓等惡劣井眼環(huán)境條件下的油氣評價需求，2002年李維斯公司研制出小直徑過鉆頭重復式地層測試器MFT（Compact Formation Pressure Tester）。該儀器的外徑為61mm，能通過最小內(nèi)徑64mm的井眼縮徑。自2005年威德福公司收購李維斯公司以來，對MFT進行了改進，目前其溫度壓力指標已達到135℃和103MPa[3]。2007年哈里伯頓公司研制的溫度壓力指標分別為204℃和172MPa、儀器外徑79.4mm的高溫高壓小直徑重復式電纜地層測試器 HSFT（Hostile Sequential Formation Tester）投入應(yīng)用，該儀器適用最小井眼直徑為101.6mm。HSFT包括2個容積為3785cm3的耐硫化氫取樣瓶，流體取樣速度通過氣墊或流體墊控制，自清潔防砂篩網(wǎng)防止探頭堵塞。

為降低鉆機占用時間，提高作業(yè)效率，斯倫貝謝公司于2005年推出可掛接快測平臺EP（Express Platform）的電纜快速地層測試器PressureXpress。在此基礎(chǔ)上，2012年初又推出了溫度壓力指標分別為232℃和138MPa的耐高溫快速地層測試器（PressureXpress-HT）。

由于重復式地層測試器不具備泵出和管線流體檢測能力，所取樣品包含大量泥漿濾液，取樣代表性差。為解決此問題，斯倫貝謝公司研制出首支模塊式地層動態(tài)測試器MDT（Modular Formation Dynamics Tester），并于1989年投入商業(yè)化應(yīng)用[4]。1991年斯倫貝謝公司為MDT開發(fā)出光學流體分析模塊OFA（Optical Fluid Analyzer），通過光學傳感器對井下流體樣品受污染程度進行實時監(jiān)測，提高了所采集的樣品品質(zhì)；2001年開發(fā)出原狀儲層壓力下的實時流體分析模塊LFA（Live Fluid Analyzer）；2004年開發(fā)出流體組分分析模塊CFA（Composition Fluid Analyzer）；2006年研制出集成了多種探測器的組合式井下流體分析模塊IFA（InSitu Fluid Analyzer）。斯倫貝謝公司在原MDT基礎(chǔ)上經(jīng)過技術(shù)改進，于2012年初推出具有超強抗沖擊震動能力的增強型電纜地層測試器（MDT Forte）以及溫度壓力指標分別為204℃、207MPa耐高溫增強型電纜地層測試器（MDT Forte-HT）。

與MDT功能相同的其他產(chǎn)品主要包括貝克休斯公司1995年推出的油藏特性儀RCI（Reservoir Characterization Instrument）和哈里伯頓公司1998年推出的油藏描述儀RDT（Reservoir Description Tool）。2000年貝克休斯公司開發(fā)出與RCI配套使用的光學流體分析模塊（SampleView），在此基礎(chǔ)上于2008年開發(fā)出組合式流體分析模塊IFX（In-Situ Fluids eXplorer）。哈里伯頓公司于2002年推出與RDT配套的核磁共振實驗室模塊MRILab，成功將核磁共振技術(shù)應(yīng)用于井下流體分析。上述MDT、RCI和RDT這3種模塊式電纜地層測試器的性能和配置基本相同，大致可分為7類功能模塊：電源／遙測模塊、液壓動力模塊、探測器模塊（包括單－雙探測器模塊和雙封隔器模塊）、泵出模塊、流量控制模塊、取樣模塊和井下流體分析模塊等，這些模塊都可根據(jù)不同的測試目的和作業(yè)要求靈活配置。

當井眼條件限制無法進行裸眼井地層測試或鉆桿測試時，能夠在套管井中采集流體樣品并進行壓力測試就顯得極為重要。斯倫貝謝公司和美國天然氣技術(shù)研究所GTI（Gas Technology Institute）合作開發(fā)的套管井動態(tài)測試器CHDT（Cased Hole Dynamics Tester）于2000年投入商業(yè)化應(yīng)用。該儀器的溫度壓力指標分別為177℃和138MPa，一次下井可以鉆穿套管、測量儲層壓力、采集流體樣品并對測試鉆孔進行封堵[5－6]。

電纜地層測試不僅占用鉆機時間較長，在測試過程中因泥漿不循環(huán)可能導致儀器粘卡等風險，而且對于大斜度井、水平井、大位移井還存在儀器下入困難等問題。為此，探路者能源服務(wù)公司于2001年推出首支隨鉆地層測試器DFT（Drilling Formation Tester）。其他公司也先后開發(fā)出同類產(chǎn)品，即哈里伯頓公司的隨鉆地層測試器GeoTap（2002年）、貝克休斯公司的隨鉆地層測試器TesTrak（2003年）和斯倫貝謝公司的隨鉆地層測試器StethoScope（2003年）。上述產(chǎn)品在鉆井作業(yè)暫停期間測量動態(tài)地層壓力數(shù)據(jù)，但不具備隨鉆流體取樣和分析功能。2009年哈里伯頓公司研制的首支隨鉆地層流體識別和采樣儀GeoTap IDS（Fluid Identification and Sampling Sensor）完成了標準井試驗，并于2010年3月在北海進行了現(xiàn)場試驗[7]。GeoTap IDS的溫度壓力指標分別為150℃和172MPa，預(yù)測試容積為100cm3，單相取樣筒容積為1000cm3。一次作業(yè)最多可配置3個取樣筒模塊，每個取樣模塊有5個樣品室。2010年貝克休斯公司研制出隨鉆流體分析與取樣模塊FAS（Formation Fluid and Analysis Tool），該模塊提供壓力、溫度、密度、黏度和聲速等流體特征參數(shù)，單相取樣筒容積為400cm3。2011年斯倫貝謝公司研制的隨鉆地層取樣模塊樣機進入現(xiàn)場試驗階段[8]。

1.2 國內(nèi)發(fā)展情況

20世紀80年代后期，國內(nèi)各大油田先后從國外引進了重復式電纜地層測試器。1992年斯倫貝謝公司的MDT作為Maxis-500測井系統(tǒng)的配套儀器在國內(nèi)開展技術(shù)服務(wù)[9]。

2003年中海油田服務(wù)股份有限公司（簡稱中海油服，下同）研制出地層測試評價儀FET（Formation Evaluation Tool），該儀器具有模塊式地層測試器的基本功能。2006年中海油服推出了鉆井中途油氣層測試儀FCT（Formation Characteristic Tool）。FCT的外徑為120mm，溫度壓力指標分別為177℃和140MPa，包括電子線路模塊、液壓動力模塊、反向注入模塊、數(shù)字泵抽模塊等，具有壓力測試和取樣功能[10]。2009年中國石油大慶鉆探工程公司完成了SDC-I型隨鉆地層壓力測試器研制和現(xiàn)場試驗，該儀器提供隨鉆壓力和溫度測量[11]。2012年1月，中國石油集團測井有限公司完成了模塊式地層動態(tài)測試系統(tǒng)FDT（Formation Dynamics Tester）基本型樣機研制及標準井試驗。國外與國內(nèi)地層測試與井下流體分析技術(shù)發(fā)展進程見圖1。

2 關(guān)鍵技術(shù)分析

2.1 井下流體識別技術(shù)

圖1 地層測試與井下流體分析技術(shù)發(fā)展魚骨圖

在井下流體分析技術(shù)推出之前，通常是將井下流體樣品送到遠離井場的地面實驗室進行分析，這種耗時費力的方法對早期的勘探開發(fā)決策產(chǎn)生不利影響。另外，不經(jīng)過分析就取到地面的流體樣品在一定程度上受到泥漿濾液的污染，樣品品質(zhì)得不到保證。井下流體識別分析技術(shù)很好地解決了上述問題，該技術(shù)可以在流體泵抽期間確定樣品的黏度和氣油比（GOR）等重要參數(shù)，在原狀地層條件下分析井下流體樣品，直接識別流體的性質(zhì)，驗證地層流體的性質(zhì)，提高了取樣的代表性和成功率。

2.1.1 光學流體分析技術(shù)

在探測器模塊中的流體電阻率測量裝置提供了在較大范圍內(nèi)測量流體電阻率的能力，在某些情況下，特別在油基鉆井液中，則需要通過光學技術(shù)識別管線中流體的性質(zhì)。斯倫貝謝公司道爾研究中心電纜地層測試器項目組的技術(shù)負責人奧利弗·穆林斯領(lǐng)導的研究團隊率先開發(fā)出井下光學流體分析模塊OFA。該模塊用近紅外光譜吸收測定法區(qū)分油和水，通過不同角度的反射測量結(jié)果探測天然氣[12]。

在OFA基礎(chǔ)上，斯倫貝謝公司開發(fā)出原狀儲層壓力下的實時流體分析模塊LFA。該模塊中有1個10道光譜分析儀，每道與不同的光譜波長相對應(yīng)，不同的波長對應(yīng)于從可見光到近紅外光波長范圍內(nèi)的測量光譜，每道的輸出表示光密度，提供確定地層流體含水量與組分的光譜信息。其中特定的近紅外波長用來確定原油中的水基泥漿濾液的百分比，或地層水中的油基泥漿濾液的百分比；從可見光到近紅外光波長的一定范圍被用于確定油中的油基泥漿濾液的百分比。LFA模塊利用在高于泡點壓力上測量的甲烷含量和烴含量數(shù)據(jù)，計算地層流體的氣油比（GOR）[13]。

在流體組分分析模塊CFA中設(shè)置了熒光探測器和光譜儀，以流體的光吸收和熒光分析為基礎(chǔ)，識別樣品中的甲烷、輕質(zhì)烴、重質(zhì)烴、二氧化碳和水等組分。如果液體從氣相中析出，熒光探測器就能夠檢測到，因為形成的露水使熒光水平上升。因此，熒光探測器能保證流管壓力高于露點，從而保證氣相流體呈單相態(tài)。與LFA模塊相比，CFA模塊中的光譜儀增大了光密度道的寬度，以保證在峰值處測量甲烷（C1）、乙烷到戊烷組（C2到 C5）、重烴分子（）、二氧化碳、水的光密度，定量測量其濃度[14]。

為解決復雜儲層流體識別問題，在原流體光學識別分析技術(shù)基礎(chǔ)上，斯倫貝謝公司為MDT開發(fā)了一個功能更完善、能定量分析儲層流體特性的組合式井下流體分析模塊IFA。該模塊包括濾波陣列光譜儀、熒光探測器、光柵光譜儀等光學測量裝置以及壓力／溫度傳感器、電阻率探頭、密度－黏度傳感器等探測器組件（見圖2）[15]。提供的測量參數(shù)包括流體組分、氣油比（GOR）和含水量、色度、地層水pH值、流體密度、流管壓力和溫度、地層水礦化度等。在原有的濾波器陣列光譜計基礎(chǔ)上，IFA模塊增加了一個用來補償近紅外光譜中地層流體吸收光譜測量數(shù)據(jù)的光柵光譜計，這些補償測量數(shù)據(jù)使井下光學分析技術(shù)對烴的測量范圍從原來的4個碳組擴大到5個，提高了定量分析儲層流體組分的精度和可靠性。IFA在井下同時使用多個不同類型的光譜儀對流體進行分析，減小了對多個獨立分析模塊的需求。一組不同類型的光譜儀使用同一個光源，增加了可用信道的數(shù)量及整個系統(tǒng)測量數(shù)據(jù)的一致性。通過引入?yún)⒖脊庑盘柕臏y量數(shù)據(jù)補償由于井下高溫引起的測量光信號的光學增益偏移[15－18]。

圖2 斯倫貝謝公司井下流體分析傳感器組合[15]

井下高壓環(huán)境對流體分析模塊中的光學硬件產(chǎn)生不利影響，如導致與流體接觸的光學窗等器件的密封性下降，從而影響到與流體分析相關(guān)聯(lián)的電子器件的正常工作。為此，斯倫貝謝公司設(shè)計了將光學窗與高壓流體隔離的拋光外密封面，并在各光學窗與空腔之間的環(huán)內(nèi)設(shè)置O型密封圈和聚醚醚酮（PEEK）樹脂墊圈等方法，使光學流體分析模塊中的光學器件的耐壓指標提高到206MPa[19]。

貝克休斯公司以洛克·迪弗吉奧為首的研究團隊為RCI開發(fā)的組合式井下流體分析模塊IFX包括19道近紅外光譜儀、連續(xù)折射率計和5道熒光光譜儀等光學測量組件以及音叉和聲波換能器等聲學傳感器組件，用于識別地層流體類型、實時監(jiān)測樣品的污染程度及量化油氣成分。IFX用紫外線燈作為光源，測量烴的熒光光譜，以確定烴的類型和流體組分。該模塊還測量從可見光到中紅外流體吸收光譜，并根據(jù)分子振動頻譜方法推導出的化學成分差異估算樣品受鉆井泥漿污染的程度。雖然都是利用2個波長計算氣油比（GOR），但與斯倫貝謝公司的方法不同的是，貝克休斯公司利用的2個波長都是在甲烷的單個光譜峰值附近，而且其氣油比（GOR）的計算公式是基于甲烷與脫氣原油的合成混合物[20－22]。流體樣品中存在的固體顆粒物如砂粒以及氣泡等會產(chǎn)生光反射，從而影響到吸收光譜測量結(jié)果。由于油、氣、水的光折射率差別較大，通過測量光折射率，容易將它們區(qū)別開。與IFA模塊中使用的8道臨界角光折射計不同，IFX模塊采用基于界面技術(shù)的連續(xù)光折射計和衰減反射光譜儀，通過測量透明窗口與流體之間的界面反射光確定流體的折射率，測量數(shù)據(jù)受流體中的氣泡及顆粒影響較小[23]。

2.1.2 聲學流體分析技術(shù)

斯倫貝謝公司為IFA模塊設(shè)計的振動弦黏度計將流體管線中的導線與交流電源相連，在磁場中以共振頻率振動，當從地層中抽出的流體樣品流過導線時會產(chǎn)生振動阻尼，阻尼值的大小與流體黏度有關(guān)，由此推算出流體的密度和黏度值[24]。

貝克休斯公司將前面提到的音叉和聲波換能器等聲學傳感器用于組合式井下流體分析模塊IFX中（見圖3）。該模塊根據(jù)音叉的機械諧振器測量數(shù)據(jù)及相應(yīng)的化學計量公式估算地層流體的密度、黏度、介電常數(shù)及電阻率等參數(shù)的方法，通過測量機械諧振器在其諧振頻率附近相對于諧振器頻率的阻抗頻譜，采用非線性最小平方擬合算法，將測量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成地層流體的密度、黏度、介電常數(shù)和電阻率等參數(shù)[25]。另外，根據(jù)流體密度及聲速測量數(shù)據(jù)推算流體性質(zhì)的方法，利用聲波換能器發(fā)出的聲信號測量流體的聲波信號傳播時間，確定流體密度和聲速，由此計算流體的壓縮率、熱傳導率及氣油比（GOR）等特性參數(shù)，并根據(jù)從無響應(yīng)到低響應(yīng)變化的聲波信號強度檢測流體中的氣體含量[26]。

圖3 貝克休斯公司井下流體分析聲學傳感器

2.1.3 核磁共振流體分析技術(shù)

各種流體在黏度、擴散系數(shù)以及核磁共振特性上均存有差異，井下核磁共振流體分析技術(shù)就是利用這些特性差異識別巖石孔隙中的流體。哈里伯頓公司為RDT開發(fā)的井下核磁共振實驗室（MRIL-ab?）工作頻率為4MHz，信噪比和運行速度接近地面實驗室設(shè)備（見圖4）[27]。在原狀地層溫度和壓力條件下，測量流管內(nèi)流體的含氫指數(shù)、弛豫時間T1和T2譜分析、擴散系數(shù)及流體電容等，為識別原狀地層流體與油基泥漿濾液提供精確的流體數(shù)據(jù)，測量烴的黏度[27]。

圖4 哈里伯頓公司井下核磁共振流體分析磁體組件[27]

MRILab?采用圍繞流管排列的8片磁體組件構(gòu)成的環(huán)形磁體，由于沒有設(shè)計貫穿線，影響到與其他模塊的靈活組合方式。另外在對流體進行擴散測量時要求流管中的流體處于靜止狀態(tài)，即不能連續(xù)測量流體的核磁共振響應(yīng)特征。為解決該問題，斯倫貝謝公司在文獻[28]中公開了一種帶貫穿線的耐高溫高壓的井下核磁共振流體分析裝置，該裝置的磁體組件包括2個沿第一流管橫切面方向磁化的平行磁板（磁體）和高導磁性外殼。流管為耐高溫高壓性能的材料，磁板為永磁材料。在磁板的兩側(cè)放置導磁性金屬板（磁極片）使磁場均勻。外部脈沖場梯度線圈產(chǎn)生的靜磁場分量穿透非磁性的金屬流管（見圖5）[28]。該裝置可連續(xù)測量流體核磁共振響應(yīng)特性，包括自旋－自旋弛豫時間（T2）、自旋－晶格弛豫時間（T1）的多維分布函數(shù)和分子擴散系數(shù)，由分布函數(shù)計算出氫及其他核磁共振敏感物質(zhì)的自旋密度，并根據(jù)電路的品質(zhì)因素Q測量值推算流體的視電導率。

圖5 斯倫貝謝公司井下核磁共振流體分析磁體組件

2.1.4 井下流體分析器校準技術(shù)

為保證井下流體分析器的測量精度，斯倫貝謝公司提出在地層測試器取樣前后對井下流體分析模塊進行實時校準的方法。該方法首先在地面條件下測量校準流體，并在地面將校準流體儲存在地層測試器的流管或樣品室中。當?shù)貙訙y試器下到井下目的層后，將校準流體泵入流體分析器中，測量校準流體的特征值，并生成校準值。然后對地層流體進行取樣，井下流體分析器對地層流體進行分析，并根據(jù)校準值確定地層流體特性[29]。

2.2 低污染取樣技術(shù)

2.2.1 聚焦取樣技術(shù)

在油基泥漿鉆井條件下獲取有代表性的地層流體樣品需要延長泵排時間，由此會加大儀器粘卡風險。斯倫貝謝公司研制出一種聚焦型探測器，該探測器由1個封隔器密封件將流體取樣區(qū)與井眼隔離開，在中心取樣區(qū)域外面還環(huán)繞了1圈圓柱形屏蔽探頭；第2個封隔器密封將屏蔽吸入口與中心取樣口隔離開，中心取樣區(qū)與外圍的屏蔽取樣區(qū)分別與取樣流管和屏蔽流管相連。這種獨特的聚焦采樣方法，確保在采樣初期將鉆井泥漿濾液隔離，使純凈的儲層流體與被污染的流體分開，分別泵入不同的流管[30]。聚焦采樣技術(shù)在提高地層流體取樣速度、降低泥漿濾液污染程度、減少作業(yè)時間和儀器粘卡風險等方面具有明顯效果。

對于碳酸鹽巖地層、砂巖薄層和天然裂縫性儲層，地層壓力測試和流體采樣面臨的問題是油藏的非均質(zhì)性及不能保證探頭的密封性。為此，哈里伯頓公司開發(fā)出一種橢圓形探測器[31]。該探測器在取樣過程中形成2個流動區(qū)域，其中內(nèi)探針被1個護衛(wèi)環(huán)包圍住，可以排除大多數(shù)污染物，使內(nèi)探針保持很低的污染度。這種改進的設(shè)計可以擴大低流動性（薄層或低滲透性）儲層、裂縫性儲層和非均質(zhì)儲層流體采樣和壓力測試范圍。通過橢圓形設(shè)計可以增加采樣區(qū)域，實現(xiàn)類似于膨脹式雙封隔器探測器的垂直密封，同時還具有常規(guī)探測器的靈活操控性。橢圓形探測器的密封性和聚焦效果使抽取的流體受污染程度顯著降低，從而減少了泵出時間，與標準探頭相比縮短了取樣過程。

2.2.2 低沖擊取樣技術(shù)

用地層測試器的常規(guī)井下流體取樣筒取樣時，因其內(nèi)部壓力接近于大氣壓，當打開取樣瓶頂部閥門開始取樣時，流管壓力急速下降，從而導致流體發(fā)生相分離，使采集的樣品失去意義。低沖擊取樣是指在將地層流體采集到樣品室或取樣瓶時，流管壓力保持不變。

斯倫貝謝公司為MDT開發(fā)的低沖擊取樣技術(shù)中，其樣品室和取樣筒是一個頂部有閥門、底部開口的圓筒。當泵出模塊將抽取的地層流體排放到井眼中時，圓筒頂部的閥門關(guān)閉，此時活塞位于圓筒內(nèi)的頂部，活塞下面充滿了水。由于圓筒底部開口，圓筒中水的壓力等于井眼的靜水壓力。當開始取樣時，圓筒頂部閥門打開，流管中的流體流入取樣瓶，流體向下推動活塞，將活塞下面的水排入井眼。在打開閥門向取樣瓶流入流體的過程中，流管壓力保持不變[32]。同樣地，貝克休斯公司和哈里伯頓公司分別為RCI和RDT開發(fā)的“零沖擊”取樣技術(shù)也能達到保持流管壓力不變的目的。

2.2.3 樣品壓力保持技術(shù)

當?shù)貙恿黧w樣品從高溫的井下環(huán)境中取回到地面后，因溫度變化使樣品體積收縮。如果樣品體積不變，則樣品壓力相應(yīng)會降低，導致樣品發(fā)生相分離，這會嚴重影響到樣品的質(zhì)量和地層流體壓力—體積—溫度（PVT）關(guān)系分析的準確性，從而導致對油氣產(chǎn)能的誤判。為此，開發(fā)了各種增壓技術(shù)使地層流體樣品在取回到地面時將壓力維持在原狀地層壓力狀態(tài)。目前常用的增壓方法是通過泵或氣墊等方法完成。用泵增壓的方法是通過高壓氣體提供動力的液壓驅(qū)動活塞對地層流體增壓，使流體在溫度下降后將壓力增加至泡點壓力以上，補償樣品預(yù)期的壓力損失，這種方法受泵容積的限制；氣墊增壓方法是在取樣筒內(nèi)部設(shè)計了2個浮式活塞，在2個活塞中間或1個活塞后面預(yù)先充入103MPa左右的高壓氣體（如氮氣），當樣品從井下取到地層后，因溫度下降導致取樣瓶內(nèi)部壓力下降時，活塞間的氮氣膨脹，向樣品傳遞的壓力補償?shù)孛娴膲毫担瑥亩ＷC取樣瓶中的樣品在地面仍保持單相態(tài)[33]。貝克休斯公司RCI中的單相取樣筒就是采用氣墊法保持樣品壓力的，但該方法需謹慎操作。

貝克休斯公司還提出一種利用能量存儲介質(zhì)對地層流體樣品增壓的方法相對安全地解決樣品壓力保持的問題。該方法在地面預(yù)先將可壓縮能量存儲介質(zhì)（如液體或氣體）增壓至相對安全的初始壓力，隨著地層測試器下入井眼中，能量存儲介質(zhì)利用流體靜壓力進行增壓，當所取樣品到地面后壓力下降時，壓力存儲介質(zhì)通過壓力連通器件將存儲的壓力施加給樣品室中的樣品，使其壓力得到保持[34]。

3 發(fā)展趨勢分析

與傳統(tǒng)技術(shù)相比，隨鉆地層壓力測試獲取的原始地層壓力數(shù)據(jù)能更好地反映地層的真實壓力狀況，作業(yè)者據(jù)此可及時調(diào)整鉆井方案，如泥漿比重、鉆速、鉆壓等，規(guī)避作業(yè)風險。因此，目前地層測試與井下流體取樣分析技術(shù)研究重點正轉(zhuǎn)向隨鉆壓力測試與流體分析取樣。隨鉆地層測試與取樣技術(shù)面臨的挑戰(zhàn)主要來自鉆鋌的強沖擊振動、鉆柱的巨大扭力、井下大的流體靜壓力、泥漿中的鉆屑磨蝕及高溫高壓等惡劣環(huán)境條件。為此，在現(xiàn)有電纜測井技術(shù)基礎(chǔ)上，對置于鉆鋌有限空間中的壓力測試與流體分析工具進行了全新設(shè)計，主要創(chuàng)新技術(shù)包括隨鉆快速地層壓力測試技術(shù)、井下流體泵控制技術(shù)、用于隔離沖擊振動及井下應(yīng)力的減震技術(shù)、提供模塊之間流體通路和電氣通路的模塊連接方法等[35－38]。

已推出的隨鉆地層測試器只提供動態(tài)地層壓力測試，其中，DFT采用1對膨脹式雙封隔器；GeoTap、TesTrak和StethoScope都采用了極板式探頭設(shè)計，與極板相對的定位活塞確保探頭與地層接觸良好。在壓力測量期間，雙封隔器或極板上的密封環(huán)使探頭周圍的流體流動降至最低，每次測試可獲得壓力和流體流動度等數(shù)據(jù)。

哈里伯頓公司投入商業(yè)化應(yīng)用的隨鉆地層流體識別和采樣儀GeoTap IDS采用橢圓形極板探頭設(shè)計，提高了采樣速度和探頭與井壁之間的密封效果。井下流體傳感器提供流體密度、壓縮性、電阻率、介電常數(shù)及泡點等流體特征測量，用于實時流體組分識別及受泥漿濾液污染程度監(jiān)測[39－40]。

4 結(jié)論與建議

（1）以斯倫貝謝公司光學流體分析技術(shù)為代表的流體識別技術(shù)通過監(jiān)測地層流體樣品受鉆井泥漿濾液污染程度，確保采集到有代表性地層流體樣品，同時還提供流體物性參數(shù)，有效表征儲層流體特性。

（2）由常規(guī)的溫度、壓力和電阻率及光、聲、核磁共振等多種傳感器構(gòu)成的組合型井下流體分析器增加了測量參數(shù)，減少了模塊配置數(shù)量；光學硬件密封性加工工藝及特殊材料的應(yīng)用提高了光學分析器的耐壓性能；流體分析器井下校準技術(shù)提高了流體識別分析的精度。

（3）聚焦取樣與低沖擊取樣技術(shù)相結(jié)合，在提高作業(yè)時效的同時保證采集具有代表性的低污染樣品；樣品壓力保持技術(shù)使井下樣品在取回到地面后維持在原狀地層壓力狀態(tài)，避免發(fā)生相分離。這些關(guān)鍵技術(shù)為地面實驗室流體樣品的PVT關(guān)系分析的準確性和可靠性提供了保障。

（4）隨鉆地層壓力測試已經(jīng)達到電纜測井的技術(shù)水平。多種隨鉆流體分析方法，如溫度、壓力、聲速和核磁共振等已達到商業(yè)化應(yīng)用水平，隨鉆光學流體分析方法正在試驗過程中。

在技術(shù)引進、合作或自主研發(fā)基礎(chǔ)上，國內(nèi)已經(jīng)研制出與國外同類產(chǎn)品技術(shù)水平相當?shù)碾娎|地層測試器和隨鉆地層壓力測試器。建議開展適應(yīng)高溫高壓等惡劣井眼環(huán)境的電纜地層測試器及光、聲、電、核磁共振等綜合性井下流體分析方法的研究，實現(xiàn)各功能模塊的標準化尺寸結(jié)構(gòu)設(shè)計和結(jié)構(gòu)優(yōu)化，提高整體的集成化程度，實現(xiàn)與現(xiàn)有國產(chǎn)測井系統(tǒng)的多樣性組合，提高測井作業(yè)效率。

[1]Lawrence Chambers.Apparatus for Sampling Formation Fluids：US，US2418500[P].1947-04-08.

[2]Walt Hyde.Continuous Retrievable Testing Apparatus：US，US3111169[P].1963-11-19.

[3]Piber M，Ash S C.Hemsing J，Kuchinski R S.Acquiring Formation Pressure Measurements in Challenging Borehole Conditions[C]∥2011SPE／IADC Drilling Conference and Exhibition，2011，SPE／IADC 140249.

[4]Thomas Zimmerman，Julian Pop，Joseph Perkins.Down Hole Tool for Determination of Formation Properties：US，US4860581[P].1989-08-029.

[5]Thomas Mac Dougall，Andrew Kurkjian，Miles Jaroska.Apparatus and Method for Sampling an Earth Formation Through a Cased Borehole：US，US5692565[P].1997-12-02.

[6]Lannie Dietle，Manmohan Kalsi.Multiple Test Cased Hole Formation Tester with In-line Perforation，Sampling and Hole Resealing Means：US，US5765637[P].1998-06-16.

[7]Mark Proett，Sami Eyuboglu，Jim Wilson， Tommy Solbakk.New Sampling and Testing-While-Drilling Technology：A Safe，Cost-Effective Alternative[C]∥2011SPE／IADC Drilling Conference and Exhibition，2011，SPE／IADC140337.

[8]Stephen Prensky.Recent Developments in Well Logging and Formation Evaluation[J].World Oil，2012，233（6）：79-84.

[9]陸大衛(wèi)，寧從前.MDT測井技術(shù)在我國陸上油氣勘探中的應(yīng)用[J].中國石油勘探，2003，8（1）：58-66.

[10]周明高，劉書民，馮永仁，等.鉆井中途油氣層測試儀（FCT）研究進展及其應(yīng)用[J].測井技術(shù)，2008，32（1）：72-75.

[11]趙志學，韓玉安，高翔，等.SDC-I型隨鉆地層壓力測試器[J].石油機械，2011，39（2）：52-54.

[12]Oliver Mullins.Methods and Apparatus for Determining Gas-oil Ratio in a Geological Formation Through the Use of Spectroscopy：US，US5939717[P].1999-08-17.

[13]Oliver Mullins，Toru Terabayashi，Kazuyoshi Kegasawa，et al.Methods and Apparatus for Downhole Fluids Analysis：US，US6476384[P].2002-11-05.

[14]Chengli Dong，Peter Hegeman，Oliver Mullins，et al.Determining Fluid Properties From a Fluid Analyser：US，US6956204[P].2005-10-18.

[15]Stephane Vannuffelen，Kentaro Indo，Go Fujisawa，et al.Method and Apparatus for Downhole Spectral Analysis of Fluids：US，US7336356[P].2008-02-26.

[16]Bhavani Raghuraman，Kristofer Gunnar Paso， Neil William Bostrom.Enhanced Downhole Fluid Analysis：US，US7637151[P].2009-12-29.

[17]Kai Hsu，Peter Hegeman，Chengli Dong，et al.Methods and Apparatus to Monitor Contamination Levels in a Formation Fluid：US，US7711488[P].2010-05-04.

[18]Go Fujisawa，Richard Jackson，Stephane Vannuffelen，et al.Reservoir Fluid Characterization with a New-generation Downhole Fluid Analysis Tool[C]∥2008SPWLA 49th Annual Logging Symposium，2008，paper KK.

[19]Toru Terabayashi，Tsuoshi Yanase.High Pressure Optical Cell for a Downhole Optical Fluid Analyzer：US，US2007108378[P].2007-05-17.

[20]Rocco DiFoggio，Arnold Walkow，Paul Bergren，et al.Method and Apparatus for a Downhole Fluorescence Spectrometer：US，US7084392[P].2006-08-01.

[21]Rocco DiFoggio.Method and Apparatus for Downhole Quantification of Methane Using Near Infrared Spectroscopy：US，US7173239[P].2007-02-06.

[22]Rocco DiFoggio.Method and Apparatus for Estimating a Property of a Fluid Downhole：US，US7595876[P].2009-09-29.

[23]Rocco DiFoggio，Aagus Simpson.System and Method for Estimating Filtrate Contamination in Formation Fluid Samples Using Refractive Index： US，US7445934[P].2008-11-04.

[24]Madhavan Raghu，Hatori Yu，Nishida Mami，et al.Vibrating Wire Viscometers：US，US2011023587[P].2011-02-03.

[25]Rocco DiFoggio，Peter Reittinger.Method and Apparatus for Chemometric Estimations of Fluid Density，Viscosity，Dielectric Constant，and Resistivity from Mechanical Resonator Data：US，US7317989[P].2008-01-08.

[26]Rocco DiFoggio，Yao Weimin.Acoustic Fluid Analyzer：US，US7523640[P].2009-04-28.

[27]Manfred Prammer，John Bouton，Peter Masak，Earle Drack.Magnetic Resonance Fluid Analysis Apparatus and Method：US，US6737864[P].2004-05-04.

[28]Robert Freedman，Krishnamurthy Ganesan，Douglas Grant.High Pressure／High Temperature Magnetic Resonance Tool：US，US7683613[P].2010-03-23.

[29]Chengli Dong，Ricardo Vasques，Michael Okeefe，et al.Methods of Calibrating a Fluid Analyzer for Use in a Wellbore：WO，WO2009009409[P].2009-01-15.

[30]Raymond Nold III，Alexander Zazovsky，Steve Ervin，et al.Apparatus and Method for Formation Evaluation：US，US7458419[P].2008-12-02.

[31]Philip Edmund Fox，Michael Shade，Gregory Gilbert，Mark Proett.Formation Testing and Sampling Apparatus and Methods：US，US7128144[P].2006-10-31.

[32]Jonathan Brown，Victor Bolze.Sample Chamber with Dead Volume Flushing：US，US6467544[P].2002-10-22.

[33]Houman Shammai，John Michaels，James Cernosek，et al.Single Phase Sampling Mechanism and Procedure：US，US7621325[P].2009-11-24.

[34]Michael Shammai，F(xiàn)rancisco Galvan Sanchez，Harry Wade Bullock.Method and Apparatus for Storing Energy and Multiplying Force to Pressurize a Downhole Fluid Sample：US，US7258167[P].2007-08-21.

[35]Alexander Zazovsky.Method and Apparatus for Fast Pore Pressure Measurement During Drilling Operations：US，US7331223[P].2008-02-19.

[36]Reinhart Ciglenec，Steven Villareal，Albert Hoefel，et al.Pump Control for Formation Testing： US，US7594541[P].2009-09-29.

[37]Ashers Partouche.Modular Connector and Method：US，US7913774[P].2011-03-29.

[38]Steven Villareal，Reinhart Ciglenec，Michael Stucker，Khanh Duong.Formation Evaluation While Drilling：US，US8118097[P].2012-02-21.

[39]Mark Proett，David Welshans，Kris Sherrill，et al.Formation Testing Goes Back to the Future[C]∥ SPWLA 51st Annual Symposium，2010，paper QQQ.

[40]Anthony van Zuilekom，Chi-Huang Michael Chang，Sue-Lee Luo Chang，et al.Formation Tester Tool Seal Pad：US，US7584655[P].2009-09-08.