0 引 言

电缆式地层测试器作为一种能够对储集层进行动态描述的测井仪器，在国内外的油气勘探中有着广泛应用^[1]。随着油气勘探进程的不断深入，低孔低渗油气藏逐渐成为又一重要的勘探目标。针对低孔低渗等复杂地层，电缆式地层测试器的实用效果遇到了很大挑战，出现诸如取样纯度较低甚至取不到地层流体、泵抽时间较长，导致仪器在井下遇卡等问题。在我国上海、新疆等地区的低孔低渗油气藏储层测试作业中，现有的地层测试器很难取得理想效果，只能依靠国外公司的仪器进行作业^[2]。因此，现场迫切需要一种适用于低孔低渗等复杂地层的电缆地层测试器短节。笔者在课题组研究的基础上，基于现有仪器研发出一出种适用于低孔低渗地层测压取样的地层测试器极板式大探针短节；同时，应用有限元软件分析了探针的坐封性能，并通过室内及现场试验验证了探针短节的坐封性能。

电缆式地层测试器极板式大探针短节主要由通用上下接头、探针坐封系统、液压推靠系统、压力检测系统、支撑腿和蓄能器等组成，结构如图 1所示。其中，极板式大探针是该短节重要的密封元件。

图 1 电缆式地层测试器极板式大探针短节结构示意图 Fig. 1 Structural schematic of EFDT plate-type probe sub 1—护帽；2—通用上接头；3—极板式探针；4—探针护板；5—石英压力传感器；6—流体阀1；7—通用下接头；8—护丝；9—集成电磁阀1；10—集成电磁阀2；11—流体阀2；12—差压传感器；13—支撑腿；14—蓄能器；15—集成电磁阀3。

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极板式大探针短节推靠坐封系统由极板式探针模块和双支撑腿组成，其中极板式探针模块由活塞杆及套在活塞杆顶端的探针组成。短节在井下工作时，由内部的液压系统提供液压力，当仪器下至预定井深时，在地面系统的控制下，向短节压力管线泵入液压油。在液压推靠系统作用下，极板式探针被推靠至井壁，橡胶变形并紧密贴住井壁，将探针中间部分与井中液体分隔开并形成坐封^[3]。完成地层测试功能后，液压系统将坐封探针及支撑腿收回，再上提或下放仪器。

工作温度：-6.7~177.0 ℃；

工作压力：140.0 MPa；

仪器最大外径：120 mm；

适用井径：139.7~558.8 mm；

地层压力测量范围、精度、灵敏度：0.0～110.3 MPa、±0.02%FS、68 Pa。

(1)基于EFDT仪器参数设计，可在结构、液压系统及电路控制系统等方面与EFDT仪器兼容。

(2)增大坐封抽汲面积，缩短泵抽时间，提高取样速率。

(3)大幅度增大过流面积，减小泵抽时的压降，解决了因渗透性低和压差大导致取样困难的难题，提高取样成功率；

(4)针对不同地层的地质条件，几款不同类型的极板式大探针可模块化快速替换，满足现场作业要求。

当极板式大探针短节完成有效坐封时，探针和井壁之间接触所产生的接触压力是探针承受工作压差、起到密封作用的必要条件，在橡胶和地层强度允许的条件下，接触压力越大，密封性能越好。因此，研究工作压差与接触压力之间的关系对探针橡胶的密封可靠性具有重要意义。

极板式大探针主要由探针橡胶、探针基座和探针滤网组成。探针滤网通过螺钉固定在探针基座上，探针橡胶通过特殊加工工艺与探针基座黏接为一体，是探针坐封的关键部件。极板式探针为典型的轴对称结构，因此可将三维实体的探针研究合理简化为轴对称问题。根据几何形状和边界条件存在2个正交对称面的特点，取 模型进行分析。探针有限元计算轴对称模型如图 2所示。

图 2 探针计算模型结构示意图 Fig. 2 Structural schematic of probe calculation model

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笔者采用超弹性材料模型——Mooney-Rivlin模型进行计算。探针基座和探针滤网变形与探针橡胶相比很小，属于小变形弹性问题，可将其看成刚性体，其材料为钛合金TC11，弹性模量123 GPa，泊松比0.33。由于此处橡胶在受力过程中变形很大，且对于此类非线性大变形分析来说，探针橡胶采用4节点C3D4H单元划分网格，其余采用C3D4单元划分网格^{[4, 5]}。

考虑到实际工况，对探针橡胶和探针基座采用黏接方式固定，探针滤网采用螺钉约束。由于探针工作时存在摩擦接触问题，在探针橡胶和探针滤网、探针和井壁之间均建立面-面接触。考虑接触时的摩擦因数，橡胶与井壁之间的接触摩擦因数取0.3。依据模型简化假设，对井壁进行全位移约束，同时在流体通道的外端面上施加面载荷用来模拟探针井下工作时所承受的推靠力。

橡胶属于高度非线性复合材料，因此用有限元软件进行非线性分析时采用逐步加载的方式进行迭代计算。计算得到探针橡胶径向位移和接触压力分布如图 3所示。

图 3 探针橡胶有限元计算结果 Fig. 3 FEM results of the probe rubber

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由图 3a可以看出，探针坐封压实后，橡胶变形明显，探针橡胶最大变形量为3.826 mm。橡胶内、外边缘处变形比其中间部位大，该处是探针实现有效坐封的关键部位。探针内外边缘、探针橡胶与探针基座黏接处是易出现开裂脱落的部位。由图 3b可以看出，探针坐封成功后，在工作压差作用下，探针接触压力分布不均匀，其分布规律呈现橡胶内、外边缘大，中部小的趋势。其中最大接触压力为32.2 MPa，位于橡胶外边缘流体通道附近；同时，橡胶内边缘与探针滤网接触部位接触压力也较大，这样滤网不仅能保证测试器在取样过程中得到较为纯净的地层流体样品，而且在坐封过程中能够限制橡胶在周向的变形，从而保证极板式探针能够有效坐封。

为了分析探针橡胶接触压力分布情况，分别沿Y轴和X轴方向路径截取A、B 2个截面(见图 4)，提取A、B截面路径的接触压力(见图 5)。

图 4 探针橡胶截面示意图 Fig. 4 Cross-sectional schematic of the probe rubber

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图 5 探针橡胶接触压力分布曲线 Fig. 5 Distribution of the probe rubber contact pressure

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由图 5a可知，沿着X轴方向，探针橡胶接触压力呈现先变大、后变小的趋势，最大接触压力位于探针橡胶两端流体通道附近。A截面路径的接触压力整体上大于工作压差，因此探针橡胶可以实现有效坐封。由图 5b可知，沿着Y轴方向，探针橡胶接触压力呈现两端大、中间小的规律，在此路径上，最大接触压力位于探针橡胶外边缘某处，因此探针橡胶内、外边缘是实现有效坐封的关键位置。

目前对探针坐封能力的测试方法主要有2种：一种是将仪器置于真实的井中进行测试，但是试验周期长、耗费大，且对试验环境无法准确控制；另一种是将测试器的推靠坐封装置置于模拟井眼套筒中，在室内环境下通过液压控制来模拟测试器的推靠坐封装置的推靠坐封过程，这种方法不能准确模拟仪器在井下的真实作业环境，只能作为探针坐封能力的一种参考^[6]。

笔者提出了一种室内探针坐封性能试验装置。该装置主要由上盖板、下盖板、流体通道密封堵和锁紧螺母组成，如图 6所示。首先，通过流体通道密封堵和锁紧螺母封堵住探针上的流体通道，然后将探针紧密地固定在上盖板和下底板之间，利用螺栓将上盖板和下底板紧固，并通过控制螺栓预紧力来模拟短节的推靠力。

图 6 探针坐封性能室内试验装置 Fig. 6 Laboratory test device for probe setting performance 1-锁紧螺母;2-流体通道密封堵;3-下底板;4-上盖板;5-探针。

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组装完成后，将试验装置放入加压筒中施加不同外压，模拟探针短节在工作过程中所承受的压差。利用增压装置逐级加压至3.45、6.90、13.80、20.70、27.60和31.05 MPa，各压力点稳压30 min，观察压力前、后变化值，取出试验装置查看探针有无损坏，上盖板和探针形成的空腔是否有进水现象，验证探针坐封性能。试验数据如表 1所示。

20.27、27.60和31.05 MPa压力测试完成后，取出探针测试装置，拆开发现橡胶没有明显压裂损坏，橡胶和钛合金基体结合处无明显开裂现象。上盖板与探针之间的空腔中无进水迹象，这说明橡胶密封效果良好。

为保证极板式大探针短节井下工作可靠性，短节组装完成后，应用注油机及模拟套管等工装进行室内疲劳试验。

试验步骤如下：①将极板式大探针短节放置于试验工装中，连接好注油车和集成测试盒；②打开电磁阀，通过注油车加压，探针在BACKUP支撑腿的作用下推靠到模拟套管上，22.75 MPa时坐封到位，稳压30 min，压力保持不变；③将探针短节在试验工装内反复坐、解封500次，均能顺利坐、解封，探针橡胶无损坏。

试验结果表明，经反复坐封和解封操作后，探针仍保持良好的密封性能，满足现场安全作业要求。

2014年12月30日与2015年1月31日，将地层测试器极板式大探针短节在KS-1井进行了2井次的现场试验，主要目的是在没有泥饼的套管内测试其坐封能力，分别在501.22、800.56、1 000.24、1 200.08、1 500.25、1 800.62和1 970.80 m 7个深度点进行地层压力测试。测试结果表明，仪器在工作压差作用下具有良好的坐封能力，系统运行稳定，具备现场作业测试能力。1 970.80 m处测压曲线如图 7所示。

图 7 极板式探针短节在KS-1井测压曲线 Fig. 7 Pressure test curve by the plate type probe sub for Well KS-1

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2015年6月4日，将极板式大探针短节在KS3-A6H井进行现场试验。试验结果表明，探针短节在井深0~1 100 m、井斜0°~50°、井壁规则的地层坐封成功率较高(实测10个点位，坐封成功8个)。选取传统双探针短节取样失败的2个低渗点进行对比取样试验，极板式大探针短节成功取到地层流体，表明仪器具有良好的坐封能力，相对于传统双探针短节，极板式大探针短节对低渗地层的取样优势明显，具备现场作业测试能力。

(1)极板式大探针短节通过大幅度增大过流面积，解决了因渗透性低和压差大导致取样困难的难题，为低孔低渗地层的测压取样提供了有效途径。

(2)有限元计算及室内试验结果表明，极板式大探针短节具有良好的坐封能力和较高的使用可靠性，系统运行稳定，具备现场作业测试能力。

(3)通过KS-1和KS3-A6H井的成功测试，验证了极板式大探针短节的各项功能及使用效果，下一步将推向海上进行作业测试。

(4)建议进行探针橡胶参数的优化设计，并通过室内及现场测试对比验证探针性能，进一步扩大极板式大探针短节的应用范围，以期早日实现现场应用。