随着海上勘探以“低阻低孔低渗”为代表的“三低”油气层越来越多，对储层流体性质识别和评价的难度日益突出。在海上勘探阶段，电缆地层测试取样技术成为解决这一问题的重要手段，但在应用过程中，由于钻井液侵入、储层渗透性、泵抽效率等因素影响，电缆地层测试作业经常不能取到较纯净的原状地层流体样品^[1]。如果要取到较纯净的地层样品，必须用较长的泵抽时间，排除地层中侵入泥浆滤液的影响，这样不仅勘探花费巨大，作业时间长带来的作业风险更大。因此，确定合理泵抽取样时间，对节约勘探费用，降低作业风险意义重大。本文旨在通过应用和发展现场快速水分析技术，来提高样品纯度分析与流体性质判断的可靠性，进而提出电缆地层测试的优化泵抽时间节点。

1 现场快速水分析技术

该技术集成了国内外最先进的水分析设备，为方便运输，所有设备均安装在标准的工房内，运送到海上平台或井场完成样品的分析工作^[2-4]。该技术利用离子色谱分析仪进行快速分析获得样品中常见离子浓度，通过与泥浆滤液中各离子浓度对比，利用传统水分析计算方法，即定量的K⁺浓度法，结合Na⁺/K⁺比值的定性方法，可计算出水样样品中泥浆滤液与地层水的体积比，同时估算地层水的总矿化度和电阻率等参数。该技术最显著的优点是时效性高，在现场及时有效的对电缆地层测试取样样品进行分析，排除泥浆滤液的干扰，通过计算得到纯净的地层流体信息。

在实际应用过程中，传统方法比较单一，计算结果得不到验证，并且海上泥浆体系经常变化，传统方法有时不能适用。针对以上问题，本文提出采用甲酸根离子（HCOO^-）作为特征离子的计算方法和样品电阻率的计算方法，与传统方法相互验证，以更好地判断取样样品的纯度及流体性质。

1.1 传统的K⁺浓度法

海上钻井泥浆体系一般为氯化钾泥浆体系，K⁺浓度都很高，而K⁺在地层中含量比较少，且K⁺不易与其它离子发生化学反应。因此，在实际应用中，将K⁺作为区分地层水和泥浆滤液的特征离子，计算水样中地层水和泥浆滤液所占比例的方法，就是定量的K⁺浓度法^[4]。计算公式为：

$M = \frac{{{R_1} - {R_2}}}{{{R_1} - {R_0}}}$

(1)

式中：M为水样中地层水的含量，100%；R₀为地区地层水中K⁺浓度，mg/L；R₁为泥浆滤液中K⁺的浓度，mg/L；R₂为水样中K⁺的浓度，mg/L。地区地层水中K⁺浓度R₀取地区经验值，数值一般都很小，对计算结果影响很小。

K⁺浓度法适用范围比较广，几乎海上所有的井都可以用这种方法计算。但是如果取样层段中泥质含量较多，K⁺与地层间进行扩散吸附以及阳离子交换，会引起计算误差。

1.2 HCOO^-浓度法

甲酸盐钻井液是近年来发展应用起来的一种新型钻井液体系，具有盐水密度范围宽、结晶温度和腐蚀电位低、对页岩抑制性强、固相污染容限高、不损害产层、无毒等优点^[5-6]。针对海上探井，特别是高温高压井、水平井等复杂条件下的钻井情况，经常采用甲酸盐体系的钻井液。

甲酸盐体系的钻井液中HCOO^-浓度很高，而地层中几乎没有HCOO^-，所以可以将HCOO^-作为特征离子，对样品进行定量计算。本文提出利用离子色谱测定泥浆滤液中和电缆地层测试取样水样中的HCOO^-浓度，计算样品中地层水的含量，计算公式为：

$M = \left( {1 - {R_2}/{R_1}} \right)$

(2)

式中：R₁为泥浆滤液中HCOO^-浓度，mg/L；R₂为水样中HCOO^-浓度，mg/L。

HCOO^-浓度法免去了地层背景值的选取，使计算方法更简便。在钻井泥浆所涉及的化学物质环境下，HCOO^-具有很好的化学稳定性，保证了计算的精度。随着海上甲酸盐钻井液体系应用的逐渐增加，HCOO^-浓度法也会得到广泛的应用。

1.3 电阻率计算方法

郭海敏^[7]提出用电阻率测量法求取混合水样中的地层水含量（M）的方法，其原理是假定样品的电阻由地层水和泥浆滤液两部分电阻并联构成，泥浆滤液电阻率和样品电阻率可以测量得到或者分析样品矿化度后计算得到，地层水电阻率根据测井资料或邻井试井资料得到，那么M的计算方法如下：

$M = \left( {\frac{{{R_{{\rm{mf}}}}}}{{{R_{\rm{z}}}}} - 1} \right)/\left( {\frac{{{R_{{\rm{mf}}}}}}{{{R_{\rm{w}}}}} - 1} \right)$

(3)

式中：R_mf为泥浆滤液电阻率，Ω · m；R_z为样品电阻率，Ω · m；Rw为地层水电阻率，Ω · m。

K⁺浓度法和HCOO^-浓度法均是依靠特征离子来计算，假设条件是泥浆滤液与地层水混合时，这两种特征离子不能与其它离子发生化学反应，也没有固体或者气体析出的物理反应。而溶液的电阻率是溶液中各离子种类、浓度以及溶液温度等条件的综合反应，所以电阻率计算方法存在其它离子的影响，计算精度较前两种方法降低。

2 电缆地层测试取样泵抽时间优化

电缆地层测试作业过程中，仪器座封后进行泵抽作业，在泵抽过程中，首先泵出地层中污染带的泥浆滤液，其次泵出地层过渡带中泥浆滤液与地层流体的混合物，最后取到含有较少量泥浆滤液的地层流体。电缆地层测试取样作业，泵抽的时间越长，取到的样品越纯，最后样品趋近于某个纯度，即地层流体和泥浆滤液供给与泵抽速度达到平衡后，样品的纯度不随泵抽时间的增加而增加。由于受到地层因素、泵参数、井筒泥浆性能等条件的影响，如果泵抽时间太短，泵抽的流体未达到一定平衡，利用公式计算的样品纯度误差会增大。如何找到既能满足现场计算所需要的样品纯度，又不需要太长的泵抽时间，即电缆地层测试关键是确定最佳泵抽取样时间节点，是本文的关键点。

基于前述公式（3）电阻率计算方法，可以得到样品纯度（M值）与样品电阻率（R_Z）的关系。为使电阻率无量纲化，引入电阻率变化率V，计算公式如（4）所示。将公式（4）变换后代入公式（3），得到公式（5），即样品纯度与电阻率变化率的关系式，其相互关系用示意性曲线展示如图 1所示。

从图 1中曲线看出，在曲线的切点（曲率最大的点）之前，样品纯度增加很快，表明泵抽效果较好；在切点之后，样品纯度变化缓慢，泵抽的效果变差，这个切点应为泵抽时间的界限点，即优化的泵抽时间节点。在泵抽作业过程中，泵抽时间到这个切点附近进行取样，利用现场快速水分析技术进行分析，仍可得到纯地层流体的性质。

$V = \left( {{R_{\rm{z}}} - {R_{{\rm{mf}}}}} \right)/{R_{{\rm{mf}}}}$

(4)

$M = \frac{{{R_{\rm{w}}}}}{{{R_{{\rm{mf}}}} - {R_{\rm{w}}}}}\left( {\frac{1}{{V + 1}} - 1} \right)$

(5)

如何判断泵抽取样时间节点是关键。在电缆地层测试取样过程中，可通过实时监测取样样品电阻率变化，定性判断样品纯度。如果判断样品中含有地层水，通过已知R_w和R_mf值，根据公式（5）建立样品纯度随样品电阻率变化率的关系曲线，找到曲线曲率最大的点，得到样品电阻率变化率值V。再根据电缆取样过程实时监测样品的电阻率与泵抽时间的关系，最终得到优化的最佳泵抽时间点。

3 应用实例

实例1：海上3口探井4个电缆地层测试取样的水样样品，验证上述三种方法的应用效果，分别计算样品的纯度，如表 1所示。从表中看出，电阻率计算法与传统方法即K⁺浓度法相比，计算结果误差最大为-6.10%；甲酸根计算方法与传统方法计算结果相比，误差最大为2.10%。可见，上述三种方法计算结果误差很小，在实际应用中可以根据钻井液状况和具体情况，灵活选择，或多种方法共用相互验证，以增加分析结果的可靠性。

实例2：海上盆地某凹陷A井是一口预探井，目的是落实该凹陷的含油气性，实现该构造油气勘探突破。图 2是该井目的层段的测井响应曲线综合图。从图 2可以看出，该井在X695.5~ X701.5 m井段，砂体特征明显，物性较好，气测值也较高，随钻电阻率10~15 Ω · m。为确定储层流体性质，决定在X700 m进行电缆地层测试取样，泵抽300 min后，泵抽出流体体积162 L，样品电阻率从0.025 Ω · m上升到0.205 Ω · m，未取到油气。应用现场水分析技术，得到样品中混有地层水为94%，从而确定储层流体性质为水层。

利用现场快速水分析技术，得到纯地层水电阻率R_w为0.32 Ω · m，电缆地层测试取样器读取泥浆滤液电阻率R_m为0.025 Ω · m。根据公式（5），可以得到图 3曲线，从图中可知，电阻率变化率在200%附近，是优化的泵抽时间节点，即样品电阻率由0.025 Ω · m变化到0.075 Ω · m。根据电缆地层测试取样器实时监测的样品电阻率值与泵抽时间关系曲线（图 4）可知，优化的泵抽时间应该在40 min左右。可见，采用本文技术，要实现取样目的可以节约泵抽时间260 min。

实例3：海上盆地某凹陷B井是一口预探井，图 5是该井目的层段的测井响应曲线综合图。从图 5可以看出，该井在X780~ X785.5 m井段，砂体特征明显，物性较好，气测值也较高，但是电阻率与上部典型气层（X771~X778 m）相比有一定程度的下降。为确定储层流体性质，决定在X782.83 m进行电缆地层测试取样。该井邻井纯地层水电阻率R_w为0.23 Ω · m，泥浆滤液电阻率由电缆地层取样器读数R_m为0.022 Ω · m。应用本文技术，根据公式（5）可以得到样品纯度随样品电阻率变化率关系曲线，如图 6所示。从图中可知，电阻率变化率为150%左右为优化的泵抽时间节点，此时样品电阻率则由0.022 Ω · m变化到0.055 Ω · m。实际泵抽过程中，对样品的电阻率进行监测如图 7所示。当样品电阻率由最初的0.022 Ω · m上升到0.06 Ω · m时，泵抽时间332 min，泵出流体体积158.8 L，此时停止泵抽，进行取样，取样样品体积为405 mL，未取到油气流体。对获得水样现场水分析结果见表 2，从表中看出样品中混入泥浆滤液22%，样品纯度为78%，从而确定储层流体性质为水层，并估算出纯地层水的矿化度为8 082 mg/L，电阻率为0.777 Ω · m（25 ℃）。

4 结论

（1）提出利用甲酸根作为特征离子，计算电缆地层测试取样样品的纯度，拓展了原有计算方法，与传统方法进行比较验证，效果良好，增加了现场水分析技术的可靠性。

（2）提出利用电阻率计算方法，求取样品纯度及其与电阻率变化率的关系，优化电缆地层测试作业泵抽时间，指导现场取样作业，节省勘探成本，降低作业风险。