东海盆地西湖凹陷低渗、特低渗气藏已逐渐成为主要勘探开发对象^[1–3]。受限于储层埋藏深、成岩作用强，孔隙结构复杂，电阻率受骨架影响大，储层流体性质的有效准确评价一直是困扰勘探开发的主要难题^[4–7]；同时，受成本影响，DST钻杆测试无法广泛使用，所以电缆测压取样是海上探井最经济、最有效的储层流体性质评价技术手段^[8–9]。但是，随着储层渗透率降低，电缆测压取样的难度也会急剧增加，特低渗储层电缆取样时主要面临以下技术挑战：一是储层渗透率低，供液能力有限，泵抽压差大，在超出仪器能力范围后，无法持续开泵；二是特低渗储层滤饼形成条件差，探针坐封成功率低，同时在泵抽期间，钻井液会持续侵入，原状地层流体突破困难；三是持续高压差条件下对探针胶皮和泵的耐久性要求高。为了解决上述难题，常用的技术思路是提升活塞泵的耐压差能力和采用更大泄流面积的封隔器，如双封隔器或速星封隔器，但实际应用效果较差，其原因是在长时间大压差条件下活塞泵和封隔器胶皮易于损坏，且双封隔器或速星封隔器的坐封时间长，时效低，安全风险和费用高，无法用于海上特低渗气藏储层取样作业。

为了克服上述难题，需要从2个方面进行技术优化和改进：一是将常用的连续泵抽模式转变为间歇性泵抽模式，即根据实测储层流度大小和不同探针类型，利用最低泵速进行泵抽，在达到活塞泵的极限压差前，停泵等待压力恢复，待压力恢复至原状地层压力的50%～90%时再次开泵，如此反复进行；二是除活塞泵外，增加新的取样动力来源，即采用“气垫法”取样，该方法是指在地面向常规样筒中注入一定压力的气体，约0.68 MPa，泵抽过程中择机打开样筒电磁阀开关，利用地层与样筒之间的瞬时大压差迫使地层气体快速突破侵入带，气体突破后，由于气的黏度相对于滤液大幅降低，动态流度会大幅增加，泵抽速度会显著提升，从而完成泵抽取样。为此，笔者进行了探针模块优选、样筒结构改造和仪器模块组合优化，模拟分析了特低渗储层压力恢复时间，形成了间歇性泵抽和气垫联合作业取样技术。

1.   取样探针模块优选

研究区常用的探针模块有5种类型，分别为大直径探针（LD）、超大探针（XLD）、椭圆探针（E-probe）、双封隔器（Dual Packer）和速星封隔器（Saturn）^[10–13]（见图1）。

图  1  研究区常用探针形态与胶皮参数示意图

Figure  1.  Schematic diagram of commonly used probe shapes and adhesive parameters in the research area

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LD、XLD和E-probe等3种探针都属于单向推靠式探针，主要由橡胶坐封圈、流体入口及滤网等部分组成，坐封时，需要通过液压模块从仪器本体中伸出直至贴靠到井壁。LD和XLD探针呈圆形，为更好贴合井壁，侧面为弧形设计；E-probe探针整体呈细长状（见图1）。LD、XLD、E-probe的入口过流面积分别为5.48，12.90和38.70 cm²,而用于形成有效坐封的胶皮面积与入口过流面积之比依次为17.7，6.9和1.94，入口探针面积越大，相同泵抽压降下的流速越高，但是胶皮面积与入口过流面积的比值越小，意味着坐封难度越大，坐封成功率也更低，因此需要根据不同的地层进行适应性分析及优选。Dual Packer为全井眼坐封，2个胶皮之间能够形成1.0～2.5 m的测试井段，类似于小型地层测试；但封隔器耐压差小，只有17～20 MPa（具体大小取决于地层温度），当储层流度低于1.0 mD/(mPa·s)时，Dual Packer适用性较差。Saturn封隔器采用全井眼坐封，4个滤网对称分布，总过流面积达512.51 cm²，耐压差较大，最大可达55 MPa，但封隔器坐封时需要泵注钻井液，坐封时间较长，且仪器直径较大，遇卡风险高。

根据上述探针仪器结构特点，结合特低渗储层取样难点，使用间歇性泵抽和气垫联合作业法时，考虑以下因素选择探针：一是特低渗储层往往滤饼质量差，要首先选择坐封能力强的探针类型；二是使用气垫法取样时，会瞬间形成最大超过70 MPa的巨大压差（主要取决于地层压力大小），因此胶皮的耐压差极限要高，耐久性要长；三是考虑大压差下胶皮损坏概率增加，要优选兼顾更换便捷、经济性好的探针类型。在以上分析的基础上，还要根据整个井段的储层物性条件和油气显示丰度，决定选择哪种探针组合方式，若一个井段油气层渗透性差异较大，既有特低渗储层又有常规渗透性储层，则选择LD或XLD+E-probe探针组合；LD或XLD主要用于测压和特低渗储层气垫法取样，而E-probe探针多用于常规泵抽取样。LD+Saturn组合模式应用较少，只有在全井段为特低渗储层、且井眼扩径相对严重时，才考虑该组合模式。速星封隔器在大压差下胶皮容易损坏，且费用较高，非必须条件下一般不采用速星封隔器进行气垫取样。Dual Packer耐压差低，作业安全风险高，不推荐在特低渗储层取样作业。

2.   样筒结构改造和仪器模块组合优化

常用仪器组合无法实现气垫法取样，原因是大样筒的出口阀门是开启状态，样筒与井筒钻井液联通，活塞位于样筒顶部，如图2（a）所示，取样时需要借助活塞泵将地层流体注入样筒，为了实现气垫法取样，就需要对入井大样筒的结构进行一定改造。改造思路是，在仪器入井前，样筒内注入空气，压力约0.68 MPa，同时关闭出口阀门，此时地层与样筒之间形成了巨大压力差（见图2（b））；取样时，迅速打开入口阀门，利用地层与样筒之间瞬时的巨大压力差，迫使地层流体直接流入样筒，更高压力的流体进入样筒后活塞下移，具体如图2（c）所示，取样结束后关闭入口阀门，从而完成气垫法取样。

图  2  大样筒结构改造示意图

Figure  2.  Schematic diagram of structural renovation of Sample chamber

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仪器模块的常规组合模式从底部至顶部依次为探针模块+泵抽模块+流体识别仪+大样筒+PVT样筒（见图3（a））。该模式无法用于气垫法取样，主要原因是大样筒位于仪器的最顶端，距离探针较远，管线损耗体积约0.5 L，且当流体通过泵的时候需要克服0.55 MPa的压降，会显著降低气垫法的瞬时大压差能力，并对活塞泵造成损坏。为了实现气垫法取样，需对仪器模块组合进行优化，优化的关键是将大样筒模块下移，主要有以下3种模式。优化模式1是将大样筒移至泵的下方、流体识别仪的上方（见图3（b）），其优点是采用气垫法取样时，通过流体识别仪可以实时观测管线中的流体类型变化，缺点是流体识别仪位于泵的下方，当储层出现少量水时，流体识别仪识别精度稍差。优化模式2是将大样筒继续下移，直接放到探针的上方，此时流体识别仪可以放到泵的下方或者上方（见图3（c）），其优点是大样筒离探针最近，使用气垫法时的管线体积和压力损耗最少，缺点是大样筒气垫取样时无法观察流体性质的实时变化。优化模式3则是引入2个流体识别仪，分别放在泵的上方和大样筒的下方（见图3（d）），但这种方式会增加一定的费用。研究表明，优化模式2的气垫取样能力最强，为研究区常用作业模式。

图  3  MDT模块常规组合和3种优化模式示意图

Figure  3.  Schematic diagram of MDT module conventional combination and three optimization modes

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3.   特低渗储层压力恢复时间模拟分析

活塞泵有高压、超高压、双倍超高压3个耐压差级别，对应的耐压差级别分别为42.0，57.6和81.1 MPa，由前所述，不同类型探针的过流面积和胶皮面积存在差异，因此使用不同的活塞泵和探针组合，对应的最低排量和流度下限也不同，如高压泵和LD探针的组合，对应的最低排量为1.0 mL/s，流度下限为0.50 mD/(mPa·s)；而高压泵和速星组合对应的最低排量为0.91 mL/s，流度下限可以达到0.04 mD/(mPa·s)；使用双倍超高压泵时，对应LD、XLD、E-probe、速星的流度下限最低，分别为0.40，0.20，0.10和0.01mD/(mPa·s)。由此可见，不能连续泵抽的原因是，过流面积一定时，储层孔隙流体的最大流动能力无法满足最低的泵速要求，泵抽一段时间后必须停泵，等待远井筒端的流体的供给，随之探针压力逐渐升高，待恢复到一定程度后再次开泵，通过多次停泵、开泵间歇性泵抽，达到清除近井带钻井液滤液，获取地层原状流体的目的。

为了最大限度的提升间歇性泵抽效果，需要对不同流度的压力恢复特征进行分析，从而寻找最优的间歇性泵抽方式，因此，将流度分别为0.01，0.05，0.10，0.30，0.50和1.00 mD/(mPa·s)的储层在实际测压时的压力恢复特征进行了分析。图4是LD型探针在抽吸同样体积的情况下，不同流度的压力恢复幅度与所用时间的交汇图，可以得出：1)流度值越小，压力恢复速度越慢，恢复到同样幅度所用时间越长；2)越接近地层压力，其恢复速度越慢，当流度小于0.10 mD/(mPa·s)时，其特征更为明显。

图  4  不同流度下压力恢复时间对比

Figure  4.  Comparison of pressure recovery time at different flow rates

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在上述分析的基础上，对不同流度值压力恢复至50%，70%和90%所用压力恢复累计时间占总恢复时间的比值做进一步分析，结果如图5所示。

图  5  不同流度条件下压力恢复至不同幅度的累计时间占比

Figure  5.  Comparison chart of pressure recovery to different amplitudes under different flow conditions

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从图5可以看出，流度大于0.5 mD/(mPa·s)时，压力恢复至50%，70%和90%的时间相差不大，表明储层流体供给较快；流度小于0.5 mD/(mPa·s)时，压力恢复至50%，70%和90%的时间明显增大，且流度值越小，所用时间占比越大。根据上述分析，特低渗储层间歇性泵抽时需要注意以下问题：

1）流度为0.5～1.0 mD/(mPa·s)、压力恢复至90%时，压力恢复累计时间占比在2%以下，说明地层供液速度快，基本能够满足连续泵抽条件，但是，实际的情况是，对于流度范围1.0～0.5 mD/(mPa·s)的储层，往往钻井液侵入较深，如果以较低泵速泵抽，原状地层流体突破所需时间非常长，甚至难以突破，该情况下，也需要提升泵速，通过间歇性泵抽和气垫联合作业法以快速获得原状地层流体。

2）为了实现间歇泵抽的效果最大化，等待压力恢复时，流度0.1～0.5 mD/(mPa·s)的储层，一般等待压力恢复至70%～90%；而流度小于0.1 mD/(mPa·s)的储层，一般等待压力恢复至50%～70%。

4.   现场应用

目前，间歇性泵抽和气垫联合作业取样技术已在19口探井25个层进行了应用，取样成功率达到了95%，应用效果显著。下面以2口井为例，介绍具体的作业流程和应用效果。

A7-W-1井4 172～4 222 m井段钻遇厚50 m的砂岩储层，岩性以细砂岩为主，孔隙度在8%～11%之间，地层原始压力为52.41 MPa，电阻率20～40 Ω·m，最大气测全烃为10%，初步解释为特低渗气层。储层非均质性较强，尝试MDT测压8个点（见图6），基本为干点和致密点，4 191 m实测最大流度约0.03 mD/(mPa·s)。为了进一步确定该层流体性质，并获得流体实物资料，采用间歇性泵抽和气垫联合作业法进行取样作业，成功获得地层流体数据。

图  6  A7-W-1井4191m大直径探针测压曲线

Figure  6.  Large diameter probe pressure measurement curve of 4191m in A7-W-1 well

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入井仪器采用探针模块+流体识别仪+大样筒+泵抽模块+PVT样筒的组合模式（见图3（b）），动力模块为双倍超高压泵，探针为E-probe椭圆探针。作业过程如图7（a）所示，开泵后采用2.5～3.5 cm³/s的速率泵抽，泵抽约1.5 min，压力下降至17.24 MPa，下降幅度约70%，随即停泵等待压力恢复，等待3 min，压力恢复至34.28 MPa，约为原状地层压力的65%；再次开泵，如此往复。多次间歇性泵抽后，通过井下流体识别仪（IFA）能够观察到少量烃类气体，但是仍然无法实现气体有效突破。因此，间歇性泵抽55 min后，停泵更长时间等待压力恢复。本次压力恢复等待约8 min，最高恢复至38.62 MPa；打开样筒阀门，在瞬时高压差下，更多的地层天然气体进入样筒中，具体气体组分道如图7（b）所示。

图  7  A7-W-1井4191m井段间歇性泵抽和气垫法联合作业探针压力与IFA流体组分变化

Figure  7.  Intermittent pumping and air cushion method combined operation probe pressure and IFA fluid composition changes in the 4191m section of A7-W-1 well

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气垫取样方法不仅适用于特低渗储层取样，对一些钻井液侵入较深的常规物性地层取样也有非常明显的作用。如A12-1S-1井某层厚度为3 m，孔隙度12%，电阻率50 Ω·m，气测饱满，组分齐全，具有典型气层特征，测压流度20.3 mD/(mPa·s)。井深4 179 m处采用LD探针泵抽，连续泵抽240 min，一直是钻井液滤液，未见任何气体突破。分析认为，一是钻井液侵入深，二是薄层往往存在动态钻井液侵入，采用匀速泵抽往往难以获得地层气样。泵抽240 min后，停止泵抽，打开大样筒，通过瞬间的大压差，迫使远端的气体流入至管线，流体组分和流体电阻率道如图8所示。使用气垫法时，井下流体识别仪显示明显的气体信号；重新开泵，再次泵抽后，气体组分含量越来越高，最后约20%，且没有见到地层水信号，证实了储层的含气性。

图  8  A12-1S-1井4190m泵抽和气垫取样流体组分与电阻率变化

Figure  8.  Fluid composition and resistivity changes during pumping and air cushion sampling in the 4191m section of A12-1S-1 well

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5.   结论与建议

1）间歇性泵抽和气垫联合取样作业技术提升了特低渗气藏储层的电缆取样作业能力，现场应用表明，该方法的取样渗透率下限可以达到0.1 mD，对应的流度值约0.01 mD/(mPa·s)。

2）气垫法取样会增加探针胶皮损伤风险，建议完成测压后，再使用该方法进行取样作业；如果条件允许，也可以一次入井下入多个“气垫法型”常规样筒，提升一次入井的取样能力。

3）由于研究区以气层为主，还需要进一步检验间歇性泵抽和气垫联合取样作业方法对特低渗油层的取样效果。