0 引 言

几十年以来，电缆地层测试技术经历了多次技术革新，完成了绝大多数类型地层的流体取样和压力测试。传统的电缆地层测试器(wireline formation tester，以下简称WFT)只能在单探针的较高压降和较低流量与跨式双封隔器的大流量之间选择。单探针较低流量的缺点是清洁时间短，而高黏度流体的高压降可能会超过单探针封隔器的额定压力。跨式双封隔器虽然与传统单探针相比可允许更高的流量，但会形成大的存储体积，从而大大延长获取纯净流体所需要的时间，并给致密碳酸盐岩或致密砂岩等低渗透率地层的瞬变测试带来麻烦，而且在非固结地层中不能提供必要的井壁支撑，还可能失去密封。因此，未固结砂岩地层、稠油和不规则井眼等仍会对取样成功率产生影响。

三维地层流体取样和压力测试技术克服了传统电缆地层测试技术的局限性，可有效解决致密碳酸盐岩、致密砂岩等低渗地层、未固结地层、含高黏度流体地层，或是流体饱和压力接近储层压力时进行地层压力测试与流体取样面临的诸多技术难题，大大缩短压力测试和流体取样时间，降低作业风险和成本。因此，开展三维地层流体取样和压力测试技术研究具有重要的现实意义。

钻杆测试以及生产测试过程中流体样品都在地面收集，进行特征描述存在一定的问题，且在流体样品采集和运输过程中，很难避免污染或造成压力损失，只有在实验室重新建立地下条件才能进行准确分析，但极为困难。为此，业内引入了电缆地层测试技术，研发了WFT。传统WFT主要有探针和跨式双封隔器2种类型，采集到的流体样品比在地面收集到的储层流体更具代表性。

单探针最早出现于20世纪50年代，下至预定深度后，活塞伸出顶靠至井壁，同时封隔器总成被紧紧推靠至待测试的地层。然后，封隔器总成中部的探针深入地层。储层流体通过探针流入或是泵入仪器内。在井下对流体进行分析，在使用井下压力计测量压力的过程中可以收集样品。在使流体流入样品室之前对其进行纯净度分析，从而可清除受污染的样品。在将样品回收至地面的过程中，取样瓶使流体保持在地层压力下，然后将其送到实验室进行分析。 但早期的仪器存在许多技术问题，而且并不适用于所有的井况、地层和流体。为了解决取样和测试难题，几十年来，针对不同的影响因素对单探针进行了多次改进和革新。

在某些井况下，使用标准探针难以获得有代表性的样品，因为密封封隔器仅将地层或探针总成与井筒的钻井或完井液隔离。侵入到渗透性地层中的流体可能污染样品。为了获取相对纯净的流体样品，用泵出模块使地层流体流过仪器并进入井筒，直至污染物被全部泵出。通过各种传感器在井下对流入流体的特性进行分析，然后使流体流向取样瓶。

单探针流量低，清洁时间长，且难以精确计算，这是影响获得有代表性流体样品的另一个重要因素。清洁时间的计算必须依靠储层信息及污染侵入的特性和多少，而且，储层流体以锥形体的方式向探针流动，受到近井筒侵入带以及沿井筒方向一定垂直距离上污染物的影响，从而使清洁时间的计算更为复杂。锥形流动外边界可能含有很多非储层流体，可能需要更长的时间将其泵出，而这一过程往往被低估，因此得不到具有代表性的样品。相反，如果这一过程被高估，那么在取样点上的停留时间过长，从而增加成本。

为了缩短清洁时间，斯伦贝谢公司开发出了Quicksilver Probe聚焦取样仪器(见图1)，该测试器使用2个同心取样区域将流体泵入仪器。外环是根导管，受污染较为严重的流体可由此排向井筒。内部探针流入的流体是锥形流动内部区域更具代表性的流体，之后被导向进入取样瓶。

图1 Quicksilver Probe聚焦取样仪器 Fig.1 Quicksilver Probe focused sampling instrument

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另外，还开发了井下流体分析(downhole fluid analysis，以下简称DFA)技术，该技术使用光谱识别储层流体流过WFT时的组分，有助于确认污染程度，在污染程度达到可接受水平时才开始取样。在单井以及多井中的选择层段使用DFA，可获得以前无法得到的有助于储层结构分析的数据。

在易碎地层中地层砂会堵塞探针和流动管线，从而导致取样作业失败。为此，在标准探针的基础上，不断增大探针的尺寸，并改变了探针形状设计，相继开发了大直径探针、超大直径探针和椭圆形探针，能够形成较大过流面积的探针提高了在易碎砂岩地层应用的成功率。

在大多数类型地层中，对单探针进行改进和革新的技术都大大提高了获得有代表性流体样品从而进行分析的能力，与此同时还可以获得高精度的井下压力数据。但是，未固结砂岩地层、稠油和不规则井眼等仍会对取样成功率产生影响，具体体现在：①高黏度流体只有在井筒和地层之间形成相对较高压差时才能流入井筒。这一压降(或压差)可能会超过单探针封隔器的额定压力，或使未固结地层井壁崩落，从而导致封隔器总成周围的密封失效。另外，高压差还可能使仪器处的压力降至泡点以下，进而在油中产生自由气或造成组分变化，从而影响样品的完整性。②在低力学强度岩石中钻进常常会导致井壁极不规则，从而影响封隔器密封。

为了避免未固结砂岩地层、稠油以及致密碳酸盐岩或致密砂岩等低渗透率岩石等对取样成功率的影响，20世纪90年代初，业内引入了跨式双封隔器。双膨胀式封隔器在测试层段上、下膨胀坐封，从而将地层与井筒流体隔离开来，使地层暴露更大的范围进行取样，然后，地层流体流入或泵入仪器中被收集并被回收至地面。跨式双封隔器的优点是可实现大流量，目前额定压差已从最初的31 MPa提高到40 MPa，可克服低流度地层测试泵出过程中压降可能过高的问题。但跨式双封隔器仍存在不足，即在大井眼中，封隔器需要较长的膨胀时间，在测试层段上、下的相对位置形成较大的存储体积，从而会大大延长获取纯净流体所需要的时间，并给低渗透率地层的瞬变测试带来麻烦。另外，高压差还可能是未固结砂岩地层中高黏度流体流动的结果，会造成井壁坍塌，从而使密封失效。

为了解决压差限制以及相关的密封和封隔器失效等问题，斯伦贝谢公司对三维地层流体取样和压力测试技术进行了研究，在传统电缆地层测试器流体提取模块基础上重新设计研发了Saturn三维径向探针。该仪器兼具传统单探针和跨式双封隔器的优点：大的流动面积可显著缩短清洁时间；封隔器-探针配置可提供井壁支撑形成更可靠的密封，可有效解决致密碳酸盐岩、致密砂岩等低渗地层、未固结地层、含高黏度流体地层，或是流体饱和压力接近储层压力时进行地层压力测试与流体采样面临的诸多技术难题，大大缩短压力测试和流体采样时间，降低作业风险和成本。

Saturn三维径向探针采用单一膨胀式封隔器坐封方式，共设置有4个细长自密封吸入口，4个吸入口间隔90°分布在工具周围(见图2)，有助于从井眼四周抽取流体。

图2 Saturn三维径向探针 Fig.2 Saturn 3D radial probe

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每个吸入口的表面流动面积为12 813 mm²，总表面流动面积达51 252 mm²，与传统的标准探针相比，表面流动面积提高了500多倍。4个吸入口周围布置有64个重型弹簧，芯轴周围布置有2个大直径重型弹簧，机械收缩机构可靠性强，关闭力大，作业风险低。另外，由于提取流体过程中压降只局限于探针，基岩应力从而降到最低值，基岩很有可能破碎，因此每个吸入口还设置有过滤装置，可有效避免堵塞。

封隔器膨胀后，与地层之间形成较大的密封表面，同时4个吸入口支撑井壁，与井筒隔离开来，在储层流体和井筒流体之间形成密封。通过流体提取作业，4个吸入口机械支撑井壁还可实现自密封。吸入口与井壁快速接触使得存储体积最小，可直接从地层中提取流体。三维径向探针与跨式双封隔器的对比见图3，降低了对增压作用的敏感性，在极低渗透率地层中具有极高的压力测试能力。储层流体(绿色)呈径向流动方式，由于表面流动面积大，可从大体积的储层岩石中提取地层流体，对于粘性流体和在低流度地层或未胶结地层中的流体而言，很容易产生持续的流动，可快速清除被污染的流体(蓝色)，缩短清洁时间。三维径向探针与传统探针的流动方式对比见图4。

图3 与跨式双封隔器对比 Fig.3 Comparison with cross-type dual packer

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图4 与传统单探针流动方式对比 Fig.4 Comparison with conventional single probe flow mode

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应用Saturn三维径向探针可在流度最低值为0.01 mD/cP时进行压力测试。当流度为500 mD/cP时，与传统探针相比，测试效率改善程度截然不同，随着流度的降低，性能差距越来越大。在流度为10 mD/cP时，传统超大直径探针都不能实现地层流体的流动，而Saturn三维径向探针使其成为可能。

Saturn三维径向探针额定工作温度为177 ℃，最大工作压力可达207 MPa，目前有φ177.8和φ222.3 mm 2种尺寸，φ177.8 mm仪器适用于直径200.0~241.3 mm井眼，φ222.3 mm仪器适用于直径250.8~368.3 mm井眼。

Saturn三维径向探针与模块式地层动态测试器(MDT)配合使用，1次起下作业即可完成宽范围的产能测试、渗透试验及地层流体提取和取样，从而建立储层预测模型，确定流体的组分和储层连通性。

三维地层流体取样和压力测试技术克服了传统电缆地层测试技术的局限性，可有效解决致密碳酸盐岩或致密砂岩等低渗地层、未固结地层、含高黏度流体地层，或是流体饱和压力接近储层压力时进行地层压力测试与流体取样面临的诸多技术挑战，大大缩短压力测试和流体取样时间，降低作业风险和成本。目前，该技术已在墨西哥、中东和巴伦支海得到了大量应用，取得了明显的效果。

Samaria稠油油田位于墨西哥南部，井下条件下稠油黏度高达5 000 cP，储层砂岩无侧限抗压强度介于0.7~5.6 MPa之间。使用传统WFT只能进行压力测量，但不能收集流体样品。而试图对每个层进行单独射孔并通过连续管或钻柱部署取样瓶的方法被证明不切实际且成本高。因此，在4口新井中使用Saturn探针进行了评价，在每口井中对多个测点进行了测试和取样。第1口井主要验证Saturn探针的功能，在第2和第3口井中，转向了全压力测试并进行流体扫描和取样，在第4口井中，还设计了层段和垂直干扰试井等内容。

由于地层未固结，井壁比较粗糙、不规则，使用传统单探针在清洁和取样前就可能失去密封。在第1口井中，使用超大直径探针和Saturn探针进行了测试，以验证密封效果，并对一些变量进行了调整，包括坐封和解封时间、达到密封的最小膨胀压力以及校正存储效应的最优预测试体积。

Saturn探针在7个测点都实现了100%密封，封隔器膨胀压力低于0.2 MPa。因此，在油基和水基钻井液环境下获得了压力测量结果，对压力响应只有轻微的存储效应。使用压力测量结果和之前确定的流度进行完井设计，根据该设计将在指定层段均匀分布注入蒸汽，提高驱扫效率。

接下来的测试利用包括超大直径探针、Saturn探针、流体分析仪和取样瓶等的仪器串在3口井中收集到了污染程度最低的流体样品。考虑到地层未固结，计划采用低压差，在每个测点需16~20 h收集样品，其中很多时间用来在清洁过程中泵出储层流体前面的钻井液滤液。在第1个测点，在限制压差的同时，泵出大约9 h后观察到了油气。之后提高泵速，压差上升到大约1.4 MPa，仪器内未发现有砂进入，流动压力也下降，表明密封效果很好，因此放弃低压差计划。在第2个测点设定2.1 MPa的最小压差，流体取样及压力测量过程见图5。

图5 流体取样及压力测量过程 Fig.5 Flow sampling and pressure measurement process

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由图5可以看出，初始测量值为钻井液压力，大约在2 500 s处，仪器坐封并开始泵出流体，之后在大约10 000 s处压力开始恢复，确定出储层压力估值。在18 000 s左右重新开泵进行清洁时，总的累积泵出体积(绿色)开始增加。在40 000 s泵速提高时，总的累积泵出体积(绿色)增速变得更快。由于泵速较高及高黏度油到达探针，压降增大。在大约55 000 s处的2个压力尖峰是由于收集样品之后停泵产生的压力冲击造成的。另外，还利用观察探针记录了压力(黑色)。最右侧坐标轴分别记录了第1次和第2次的泵出速率(棕色和蓝色)。

在该测点收集到的污染程度很低的油样品。实验室分析表明，该样品在井下的黏度约为1 030 cP，在大气下的黏度为7 800 cP。实验室分析结果将用于油田的完井设计和生产规划。

在第4口井中，使用Saturn探针结合观察探针进行了层段压力瞬变测试。这些瞬变测试首先对钻井液滤液进行彻底清除，之后是变速流动和关井，测试结果用于评价地层的生产能力。层段压力瞬变测试获得了垂直渗透率和水平渗透率。图6为较浅位置的观察探针(蓝色)和Saturn探针(绿色)记录的压差及其导数。分别使用垂直渗透率、水平渗透率以及黏度等数据建立了模型。模拟数值(蓝色实线和绿色线)很真实地再现了这些数据，表明垂直和水平渗透率数值准确。观察探针测得的数据提供了有关地层渗透率和渗透率各向异性等信息，这些信息被用来对核磁共振测井处理的截止值进行标定，据此对渗透率预测结果进行微调。

图6 观察探针(蓝色)和Saturn探针(绿色)记录的压差及其导数 Fig.6 Pressure difference and derivative of probe (blue) and Saturn probe (green)

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在中东地区某致密碳酸盐岩地层中，作业者试图确定油层的延伸范围。电缆测井测量结果无法给出肯定结论，或是给出的解释相互矛盾。孔隙度和电阻率测量结果明确指示该层顶部含油，底部含水，中部层的测井结果不明确，电阻率响应与之下水层的电阻率类似。利用传统井下取样仪器的DFA模块测量无法解决这一中部地层流体类型的问题，因为要在这一致密碳酸盐岩地层建立流动需要的压差要大于传统双封隔器的额定压力。

工程师利用Saturn探针在全部3个层中都收集到了样品，证实了最上部地层是轻质油，最下部地层是水层。在压差34 MPa(超出了传统WFT和封隔器的额定压力)条件下，对流度为0.046 40 mD/cP的地层泵出15 h后，DFA测得的流体特性分析结果表明，中部地层存在可动轻质油，因此作业者断定油层的厚度比最初估算的厚度要大。液体取样及压力测量过程如图7所示。

图7 流体取样及压力测量过程 Fig.7 Flow sampling and pressure measurement process

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巴伦支海Goliath油田增压低流度致密砂岩地层在压力梯度的解释中引入了一些不确定性。而且，因为电阻率测井响应可能是高含水饱和度的结果，也可能是深侵入影响的结果，所以极难确定油水界面。

虽然储层流体流度为中等(45 mD/cP)，但储层压力接近饱和压力。因此，保持低压降至关重要，从而避免高压差引起两相流动及不具有代表性的气油比。为此，埃尼集团的工程师在地层测试过程中使用了Saturn探针收集储层流体样品，进行扫描分析和准确识别储层原油。Saturn探针的流体扫描识别出的油水界面位置比压力梯度和测井响应指示的位置要深5.5 m，而且，由于Saturn探针的流动面积比较大，

证实了薄互层低渗透率岩石的强度。此外，在同一口井中的另外一个测点使用XLD单探针还收集了样品，储层流体流度为880 mD/cP，比使用Saturn探针收集的流体样品的流度高一个数量级以上。

压降和流量对比见图8。由图可以看出，流过Saturn探针(左)的流量(绿色线)几乎是XLD单探针流量(右)的2倍，而压降(蓝色线)是0.05 MPa，仅为XLD单探针的 1/2 。清洁过程中的荧光检测(见图9)指示荧光随着流体纯净度而增加时的清洁程度。使用XLD单探针进行测试的储层用了30 min达到纯净度要求(右)，而Saturn探针达到纯净度要求用了10 min(左)，清洁时间仅是使用XLD单探针的 1/3 ，无需担心极端压力变化对样品完整性的影响。

图8 Saturn探针和XLD单探针压降与流量对比 Fig.8 Comparison of pressure drop and flow rate between Saturn probe and XLD single probe

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图9 Saturn探针和XLD单探针清洁时间对比 Fig.9 Comparison of cleaning time between Saturn probe and XLD single probe

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(1)Saturn探针的推出扩大了传统WFT技术的应用范围，包括致密碳酸盐岩和致密砂岩等低渗地层或未固结地层、稠油、近临界流体及粗糙井眼等，取样入口大的总流动面积意味着粘性流体受到的阻力小，所需压差低，而粘性流体流动及压差等正是以前某些环境下进行测试的限制因素。

(2)在大多数情况下，Saturn探针能更快速处理钻井液滤液和受污染的地层流体，从而缩短在测点上停留的时间，与标准XLD单探针相比，Saturn探针完成流体清洁所用的时间要快几个数量级。

(3)Saturn探针不存在存储体积，能够更早地识别瞬变流动范围，从而进一步拓展了层段压力瞬变测试的应用范围。