第十二章电缆地层测试.docx

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第十二章电缆地层测试

第十二章电缆地层测试

电缆地层测试是一种测井作业项目，但所录取的资料是储层的纵向压力分布和储层流体样品，其资料解释分析属于压力动态分析。

电缆地层测试，对于确定储层内流体的分布，判断产层水动力系统的连续性具有独特的作用，所取流体样品对测井解释有重要的辅助诊断作用。

第一套电缆地层测试器是1955年斯伦贝谢（Shlumkerger）测井公司研制成功的，其功能是抽取地层流体样品。

60年代发展的电缆地层测试器增加了测压功能。

1974年斯伦贝谢公司生产的重复地层测试器（RepeatFormationTester，简称RFT）其性能又有改进，一次下井可以进行多点测压并可取得两个地层流体样品。

同类产品还有多次地层测试器（FormationMulti—Tester简称FMT），和选择式地层测试器（SelectiveFormationTester）简称SFTJ。

80年代，电缆地层测试技术的发展主要有两点：

（1）加强了测试器对各种地层的适应性。

如：

研制了长探针和大探针，大面积封隔器，同时出现了双探针RFT测试器等，从而电缆地层测试在松软地层，硬地层及裂缝性灰岩中都能进行，

（2）应用高精度压力计使所测压力资料更加精确，同时在中低渗透率地层中有可能获得合格的压力恢复曲线，使不稳定试井在电缆地层测试中的应用成为现实。

电缆地层测试的主要特点是：

①由电缆起下，主要在探井及评价井的裸眼中进行。

②快速，经济。

每测一点，全部作业时间仅需几个小时，纯测试时间仅几十秒钟。

③一次下井可以进行多点测压并取得两个地层流体样品。

④安全。

全部作业在泥浆压井情况下进行，测试全过程无流体到达地面。

电缆地层测试可以直接获得地层压力及压力剖面，压力恢复曲线，地层流体抽汲压降等三项资料。

这三项资料中最有价值的是一，三两项，从地层压力剖面可以获得许多有用的地层流体分布信息。

虽然从压力恢复曲线可以解释出渗透率及表皮系数，但是，合格的压力恢复曲线只有在合适范围的渗透性地层中才有可能获得。

另外，由于可分辨的探测半径小，计算出的渗透率受泥浆滤液侵入带的影响很大，地层的代表性差。

因此，电缆地层测试的主要目的是：

①取得目的层的地层压力及压力响应剖面。

②取得电测解释中可疑层或目的层的流体样品。

通过地层压力响应剖面结合地层流体样品的分析，判断地层流体类型，确定油，气，水界面，为试油层位的选择及水动力系统的研究提供依据。

第一节设备

一、概述

目前，电缆地层测试器以重复式地层测试器使用得最为广泛。

而重复式地层测试器又以RFT的性能最佳，本章将以RFT为代表，介绍这种测试器的工具设备及工作原理。

电缆地层测试器由两部分构成：

（1）地面控制和记录系统；

（2）下井仪器。

地面系统与数控测井记录仪一起配用，使用模拟记录和数字磁带记录，能处理和记录自然电位（SP）或自然伽马（GR）曲线，能处理和记录地层压力曲线，能作压力测试的时间记录。

测试系统框图如图1所示

RFT工作过程如图12-2所示，步骤如下：

①定位仪器下井后，由自然伽马或自然电位校深，使探针对准测试层位。

②推靠启动电动油泵并通过液压系统驱动封隔器和支撑板伸出，使封隔器紧贴井壁的一边，压缩泥饼，形成探针周围与地层的密封隔离，探针则穿过泥饼插入地层。

支撑板（推靠板）则紧靠在背面的井壁上（图12-3）。

图12-1电缆地层测试器结构框图

1-马笼头；2-自然伽马；3-电气短节；4-机械单元；

5，7-上下取样筒；6-接筒；8-电缆；9-控制面板；

10-测量面板；11-电源；12-记录；13-附属设备

③预测试所谓预测试，即在预测试室内抽液，引起地层流体流动，然后观察和记录压力降落与恢复的过程。

抽液：

RFT有两个预测试室，容量各为10cm3。

当封隔器坐封后，抽液室的活塞以大约50cm3/min的恒定速度抽吸，充满第一预测室，该室称为低流量试室。

当活塞到达行程终点，第一测试室即充满液体，这时第二测试室的活塞开始以125/min的恒定抽液速度移动，流体流入第二预测试室，该室称高流量测试室。

地面记录上述流动时的压力剖面。

图12-2

压力恢复：

当第二抽液活塞到达行程终点时，第二预测试室也充满液体。

此时液流停止，探针周围地层压力开始恢复，经一定时间最后达到静止。

由于预测试期抽液仅20cm3，地层内压降漏斗很小，压力恢复时间很短，一般为几十秒到几分钟。

下井仪器的测试短节中压力计的压力响应以模拟曲线及数字两种形式显示，由地面自动记录测试全过程的压力变化（图12-4）。

图12-3RFT工作位置

④取样若需要取样，则打开取样阀，让地层流体进入一个取样筒，取样筒充满后关闭取样阀，保存样品，如泥浆滤液侵入深，考虑到第一筒样品无代表性时，还可以用第二个取样筒在同点取样。

当然，第二取样筒也可以留待另一个测点取样。

如不需取样，则进行回缩程序移至另一深度进行工作。

⑤回缩取样完毕，则打开平衡阀使液压管线泄压，收拢封隔器和支撑板，收拢仪器的同时能自动排空预测试室，活塞自动返回原位并冲洗探针滤网，以减少堵塞机会，为下一个测点作好准备。

图12-4为测试全过程的地面记录，第一栏是模拟压力记录，即测试过程中供液区地层压力随时间的变化曲线。

图中所表示的是典型的模拟压力曲线，初始记录段为泥浆柱压力。

下井仪器靠时，因为封隔器贴向井壁对泥饼进行挤压，压力稍有上升；而后，封隔器仍继续挤压泥饼，直至封隔器坐好。

接着是两个预测试室活塞相继工作进行抽汲，同时记录了流动速度不同的两组流动压力曲线。

当预测试充室满时，流动区压力开始恢复，直至达到平衡。

如果采样，图中也记录采样时的流动压力，工具解封后，又可记录到泥浆柱压力。

第二栏为时间记录，较新RFT程序的深度道为时间记录，而在本栏内每隔12s打印出一个瞬时压力值。

图12-4预测试期典型的压力记录图

第三栏为数字压力记录，用4个检流计在四条道上显示压力值，分别表示十进位的1000位、100位、10位和个位Psi数值。

二、地面设备

地面仪器组合见图12-5，由三个地面面板构成：

图12-5RFT地面设备图

1—地面设备；2—RFP-AD指令面板；3—TTR磁带机，HP压力计，R9模拟信号，照相记录仪，AK插头；4—非CSU；5—数字记录仪接口；6—PIMRFT面板接模块（CSU系统）；7—HP地面显示板；8—SFT-113时间驱动器；R9模拟信号照相记录仪；9—RPP-AB电源面板；10—RVP-AA电压面板；11—部件重量（RFP：

17kg,RPP：

25kgRVP29kg）

图中2—RFP-AD（测量面板），用于仪器和信号处理的逻辑控制：

图中9—RPP-AB（电源面板），控制仪器电源；

图中10—RVP（电压面板），这是一个升压变压器，可升至800V，通过电缆送入井下，以控制测试器电机。

在一般系统中，压力对时间的关系曲线记录于R9和TTR磁带机上；在CSU计算机侍服系统中则由PIM记录在ORS（光电记录系统）上，以上三块面板是CSU配合使用的。

三、下井仪器

下井仪器组合见图12-6，RFT工作时，一般都与GR（自然伽马测井）和SP（自然电位马笼头V号电极）组合测井。

测量GR或SP的目的，是为对比校深用的。

RFT备有3.785—90.8L（1—24gal）的取样筒；下井仪器还可连接Amerada压力计短节或HP压力计短节，提供压力资料。

下井仪器细目见表12—1。

四、RFT测试辅助设备

为完成RFT测试的基本工作，以及用户要求的其它任务，RFT工作系统具有下列辅助设备，见表12—2。

图12—6井下仪器图

1—SGT自然伽马测井短节；2—错开量（表示自然伽马测量点到探测器口之长度）；3—RFC电子单元；4—RFM机械单元；5—RFT压力计；6—HP压力计；7、8—短节；9～12，15～16—RRS取样筒；13～14，17—RFW取样单元水垫；18—FTS测试器取样筒中的任意一个；19—Amerada压力计；20～21—底锥；22—仅作预测试

表21—1下井仪器细目

表12-2RFT式器的辅助设备

五、检测设备为了随时检查液压系统和逻辑电路，RFT配有三个检测测试箱。

①RFB·AA—该测试箱检查RFM的全部功能，检查时不必动用电子单元和地面面板。

②RFB·CA—该测试箱可记录RFM液压回路的空气压，可在R9照相记录仪上显示。

③RFB·BA—该测试箱检查全部逻辑程序和遥测电路，可直接接于地面面板或RFC（电子单元）的底部。

六、测试仪表和使用范围

RFT工具可记录的流体动态参数是温度和压力。

根据测试要求，在RFM下端接HP（石英压力计）或SGP（应变压力计）测压短节。

（1）HP压力计

HP（HewleffPackard）是一种石英晶体压力传感器，传感器装在一个短节内，测试的压力信号通过RFT载频线路由遥控系统输至地面。

信号处理由CSU或HP地面处理系统进行，见图12—7。

图12—7HP压力计地面设备

1—RFP指令面板；2—RVP电压面板；3—RPP电源面板；4—HP频率标度；5—温度标度；6—模拟线路；7—通用电子单元、数模转换器；8—PIM-BA-面板接口模块；9—时钟；10—5328通用计数器；11—593303A数模转换器；12—带式图形记录仪；13—温度信号进入；14—9825T台式计算机；15—98035A实时时钟；16—9872-S绘图仪；17—2816A信号处理机；18—59306A继电器操纵器

为避免对HP中晶体的堵塞，从流通管线到HP短节的缓冲管内必须充满特殊的硅油。

（2）SGP压力计

SGP（StrainGanhePresser）是一种应变电阴式压力传感器，传感器装在一个短节内，信号由同一线路（HP线路）输至地面处理。

（3）温度传感器

温度传感器是铂金可变电阻制成，它安在RFM与压力短节之间的测温短节中。

温度传感器测量泥浆温度，信号由两条线之一（其一接压力传感器）送至下井仪器的电子单元（RFC）。

在温度短节中有U形捕集器，它是防止流动管线中的硅油流失。

信号处理输出为576kHz～1.8MHz方波，峰-峰值最小幅度为1.2V，并联一个600负载。

工作电源（AC）为115/230V，频率48/66Hz，最大功率16W。

下井仪器配单芯电缆工作，电缆总直流电阻必须小于500Ω。

下井压力计组件；外径47.5mm，长1000mm，重3.1kg。

非CSU信号处理机：

154×197×279，重3.1kg。

（4）测试仪表和RFT工具使用范围

1）额定值

额定压力：

HP压力计83MPa（12000psi）；

应变压力计138MPa（2000psi）；

额定温度：

HP压力计150℃；

应变压力计177℃；

最大电缆长度：

9150m

最小适用井径（无防撞器）：

146mm

最大适用井径：

430mm

精度（出厂标定，作温度校正）：

应变压力计为满刻度的0.41%。

系统精度（油田实用标定）：

在69MPa（1000psi）时，应变压力计为满刻度的0.13%。

分辩率：

0.007MPa（1psi）

2）井眼尺寸限制

280mm（11英寸）以上钻头的井眼，下井仪器需加垫板。

为使下仪器可靠地推靠，井眼尺寸与钻头尺寸之差不能大于76mm（3英寸）。

下井仪器与井眼尺寸配合见图12—8。

图12—8RFT下度器尺与井径范围对照图

1—完全回缩后的外径；2—完全撑开后的外径；

3—井径范围内推荐的井下工具径向尺寸；

4—F前缓冲器

T标准井下工具

L长探针防护器+活塞加长杆（L）

A55.6mm（2316英寸）防护器+活塞加长杆（A）

B55.6mm（2316英寸）+50.8mm（2英寸）垫片+活塞加长杆（B）

C55.6（2316英寸）防护器+50.8mm（2英寸）垫片（或4英寸垫片）+活塞加长杆（C）

（A）：

H-223265（+螺钉B-23622）

（B）：

H-223266（+螺钉B-23621）

（C）：

H-223267（+螺钉B-23627）

（L）：

H-223365（+螺钉B-23622）

55.6mm（2316英寸）防护器H223263

长探测防护器H251481

50.8mm（2英寸）垫片H223268

101.6mm（4英寸）垫片H251054

第二节重复式地层测试器工作原理

一、RFT工作原理

RFT标准的工作程序是：

测试工具下井后按推靠、测试、取样、回缩等四个步骤进行。

测试过程中，当地面面板和下井电子单元一旦接通电源，工程师要做的全部工作就是按面板上的指令键，下井仪器即按指令工作，自动地进行一系列动作直至指令停止。

无论什么时候一旦遇到紧急需要，工程师可按“逻辑清零”按钮，作为应急措施，终止自动操作。

以下是各按钮的指令动作：

（一）“推靠”

当工程师按面板上的“推靠（set）”按钮时，则发生以下动作（见图12—9）。

①马达启动，加速至足够的转速，此时电子单元中继电器打开，电磁阀（SOL1）开，泵开始向推靠管线供油（红色线）。

封隔器、支撑板和探头立刻移向井壁，同时关闭平衡阀。

②当封隔器、支撑板紧贴地层时，推靠管线内压力增加至13.8MPa（2000psi），程控阀（SQ2）使地层液通过探针过滤器，从而使过滤器阀门收缩，探针吸管打开。

③液压油增速，压力立即上升至20.7MPa（3000psi），另一程控阀（SQ3）打开，压力油通过并打开两个预测试室。

大约18s流动之后（快速抽汲慢速的2.5倍，时间取决于泵输出量）。

两个预测试室活塞相继抽汲，充满预测室。

此后，推靠管线内的油压上升至24.1MPa（3500psi），马达随之关闭。

在整个测试斯间，当推靠管线里的压力下降低于19.3MPa（2800psi）时，电机就自动重新启动，当管线里的油压恢复到24.1MPa（3500psi）后，电机又自得断电。

此时，工程师可以在屏幕（或照相仪）上连续监视在由地层汲取20cm3液体之后压力恢复真迹，记录下最终关井压力，根据压力曲线显示，工程师应决定是否取样。

如测试设计只要求测压力响应剖面，则该点的测试已经完成。

（二）“回缩”

当工程师按“回缩（retract）”按钮时，则发生以下动作：

①在无负荷状态下，电机再次启动。

②一旦电机具有足够转速，电子单元的电磁阀SOL1打开，高压油通过SOL2阀泵入回缩管线内。

③当管线内油压达到3.45MPa（500psi）时；程控阀SQ4自动打开，压力油由密封阀活塞后流出，保证了这些阀处于关闭状态（不管原来是否闭合）。

　　④当回缩管线内油压上升至15.2MPa（2200psi），程控阀SQ5打开，整个仪器（除预测试室）都逐渐回缩。

这些动作需要一定时间。

当完全回缩、平衡阀打开时，此时压力上升至19.3MPa（2800psi），预测试室活塞移动排液，逐渐行经至闭合状态，准备下次测试工作。

上述动作完成后，压力即达到24.1MPa（3500psi），电机停转，回缩管线内油压泄放为零，回缩复位完成，正常情况下下井仪器已脱开井壁，准备起下至另一层位。

（三）“取样准备”与“下取样筒”

在

（一）、3阶段之末末实施回缩指令时，如果预测试结果全部指示均为良好，设计中要求取样。

工程师应先按“取样准备（Sampleready）”，后按“下取筒（Lowerchamber）”。

这时推靠管线内仍有24.1MPa（3500psi）压力。

这一动作激励电磁阀SOL5打开，使“推靠管线油”驱动密封阀（Seal）2置于开放位置。

随后，流体开始流入下取样筒。

当取样完成时，工程师可按“回缩”钮，返回

（二）；如决定在该层继续取样，则按（四）步骤进行。

（四）继续取样

（三）阶段之末，下取样筒已充满，如决定取第二个样品时，则操作如下：

①工程师先按“密封（Seal）”按钮，这一指令关闭已充满的取样筒（下取样筒）。

密封方事实上是一个型回缩指令，即一个回缩周期自起动至

（二）、3的一系列动作。

但是，当回缩管线内压力达到6.9MPa（1000psi），仪器开始收缩前，电机就自动断开，而推靠管线内的油压重新上升到24.1MPa（3500psi）。

②工程师再按“取样（Sample）”钮后，按“上取样筒（uppercgamber）”。

指令使面板供电，打开SOL4，“推靠”管线高压油密封阀1活塞处于开启位置。

于是，地层液体流入上取样筒。

③当上取样筒充满时，取样完成（RFT只能取二个流体样品）。

工程师按“回缩”钮，下井仪器如

（二）阶段所述回缩。

RFT的工作程序可由图12—10表示。

二、操作系统

RFT系统的全部功能动作由面板按钮发出指令，由液压控制的机械单元（RFM）和电子控制单元（RFC）实现。

（一）RFM结构简介（图12—11）

已知下井仪器的推靠和回缩是由液压实现的。

由图12—9可见，RFM有两单元，内含5个电磁阀（Sol），4个程控阀（SQ），3个压力开关（PS）、3个补偿器（C）、5个单向阀（CV）、5个泄压阀（RV）和密封、平衡阀等。

一个电机（1/3马力，400V，最大电流1.2A）驱动一个Leduc液压泵。

泵油由三个电磁阀（So1Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ）控制。

这些阀可直接泵油流至“推靠”或回缩”管线，完成仪器推靠或回缩。

在推靠管线内有一24.1MPa（3500psi）液压开关。

管线内的液压在支撑板推靠完成前一直是低的。

当仪器完成推靠时，压力升高足以闭合24.1MPa（3500psi）液压开关。

此信号使面板切断电机电源，此时仪器在井中已推靠井壁。

在回缩管线内有两个液压开关，一个是6.9MPa（1000psi），另一个是24.1MPa（3500psi），当仪器、回缩，在6.9MPa（1000psi）时，自动程控阀关闭打开的取样筒，信息反馈给面板，如果面板处于“密封”方式，电机电源关断；这一“密封”功能并未使推靠油压降低太大而使仪器回缩。

此后，RFM将自动复位，若有需要，可以取得另一个样品。

如果已指令“回缩”方式，面板将拒绝6.9MPa（1000psi）开关的指令，继续回缩工具直至支撑板完全回缩。

此时，24.1MPa（3500psi）开关指示已发生了一个完整的回缩过程，电机和泵的工作停止。

除三个电磁阀外，在推靠和回缩管线内还有四个液压程控阀（SQⅡ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ）。

在推靠状态，这些阀自动打开预测试室，并打开探针过滤器。

这时，地面可监视预测试室内压力变化曲线；如果曲线特征良好，就可按设计激励电磁阀Ⅳ或Ⅴ让地层流体流入取样筒。

如果监视的压力上升缓慢，说明地层致密，不宜取样，应回缩仪器；然后重新推靠到另一位置。

下井仪器可按要求多次推靠测试，记录各测试点压力曲线。

在回缩方式，程控阀顺序执行关闭一个取样筒（如果它已经打开的话），关闭预测试室，收缩探头和支撑板活塞和预测试室排除吸入液。

电机有一个四叶凸轮，它靠近一个线圈。

用该线圈的输出频率监视电机速度，达到诊断目的；并可用以控制电阀Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ进行其它功能工作。

地层液流的管线压力由一个应变式力传感器进行监视。

它有良好的分辩率0.007MPa（1psi），并简化了监视和诊断井下工作过程。

除了上述阀件外，RFM还有一个低油量阀，它可指示油量太低不能使仪器继续工作，必须回缩提出地面进行校正维修。

（二）电气部分简介

RFT各项功能的供电、控制、信号传输等，需要有很多的电路网络。

1.功能控制电路

图12—10RFT液压控制程序图

井下工具响应动作

→泵油至油池→泵油进推靠管线

平衡阀关、探头封隔器伸出、支撑板向进壁移动

封隔器组体支掌板反相紧贴井壁，滤阀开

两予测室活塞先后移动抽液，经18秒左右完成抽汲（200cm3）和测试电机停（待指令回缩或取样）

→泵油至油池

→泵油入回缩管线

密封阀关

探头回缩

支撑板回缩，平衡阀开，滤阀闭

予测室活塞移动排液

电机停

流入下取样室，直至充满（待指令：

回缩或再取样）

SE2关

电机停（推靠管线内压力油为24.1MPa（3500psi）

流入上取样室，直至充满（待指令：

回缩）

RFT系统按程序进行工作，具有以下功能：

图12-11RFM结构示意图

1—侧轨；2—平衡阀；3—堵头；4—压力计；5—150cm3/min预测试室；6—60cm/3min；7—阴流器；8—上密封阀；9—下密封阀；10—RFM的上下两部分及探测器总成；11—补偿和油池室；12—电机+泵；13—上部（液压阀）；14—导轨；15—封隔器部分；16—下部（在泥浆中工作的阀门）

图12-12RFT电图

①IVV号阀电源；②电缆长度选择器；③推靠、回缩继电器直流电源；④马达电源；⑤泵；⑥马达；⑦转速计；⑧阀控制逻辑；⑨马达；10自耦变压器马达控制；11控制逻辑；12马达电压监视器；13马达速度探测；14马达电压监视器；15速度脉冲；16步进继电器直流电源；17推靠一回缩继电器；18取样阀选择继电器；19井下仪器状态；20缺油警报；21端电压指零表；22电子单元电源；23自然伽马电线路；24电子单元电源供给；25端电压信号；26通道滤波器；27至HP面板；28压力读数输出；29自然电位输出；30自然伽马输出；31继电器位显示；32继电器位置直流电源；33步进继电器；34HP压力信号；35HP温度信号；36缺油警报；37液压系统状态信号；38应变压力计传感器信号

图12-13RFT电路图

①电缆长度选择器；②IV、V号阀电源；③马达；④控制逻辑；⑤自耦变压器马达控制；⑥马达电压监视；⑦马达速度探测；⑧推靠、回缩继电器直流电源；⑨马达电压监视；10速度脉冲；11步进继电器直流电源；12马达电源；13泵；14马达；15转速计；16阀控制逻辑；17推靠-回缩继电器；18取样阀选择继电器；19端电压指零表；20电子单元电源；21自然伽马电子线路；22电子单元电源供给；23端电压信号；24HP压力信号；25HP温度信号；26应变压力计传感器信号；27仪器状态；28缺油警报；29通道滤波器；30至HP面板；31压力读数输出；32自然电位输出；33自然伽马输出；34继电器位置显示；35自然电位；36步进继电器；37液压系统状态信号；38继电器位置直流电源

由步进选择天关完成上述功能操作。

通过缆芯1和4向步进开关供电（图12-12，红）。

由缆芯7和装的直流信号指示步进天关的位置。

缆芯7还负载下列信号。

功能直流电压负载信号

SP0只有SP信号

GR-6GR信号

零位-3全部RFT频率信号

校准+3全部RFT频率信号

测试+6全部RFT频率信号

断开+30仅为+30V

直流信号由面板中的比较线路识别，完成相应功能。

如果下井仪器电路断天，缆芯7上无电压，面板处于SP功能的位置。

当井下步进开关处于非测试状态，所有电机均处于截止位置。

这就保证在测量SP、GR零位、校准或断开方式时电机不运行。

2.遥控电路

在测试位置，缆芯7载有几个信号。

　　①应变压力信号这是一种频率调制信号，其变化范围由1000Hz（0MPa）到标准压力计满刻度的2000HZ6.89MPa（1000psi）。

除SP、GR和断开位置，其它位置都有这个信号。

经滤波后，使频率调制信号转换为检流计记录的模拟信号。

其后又转换为检流计记录的数字形式，并在面板前方显示。

若有需要，数字信号不记录于磁带机上（TTR-E）。

压力信号与取样操作互不影响。

②若使用石