海上油管输送射孔中途钻井测试技术
最早的采油方法是裸眼采油或筛管采油。随着固井技术的出现，射孔采油方法得到了发展。1932，美国LENEWELLS公司开始子弹射孔；1946上，WELEX公司开始使用聚能射孔弹弹射孔；1949，麦卡洛公司开始搞油管输送射孔(TCP)，由于技术不到位，没有发展起来；1953，埃克森和斯隆·拜彻雷公司开始搞油管射孔，6548+0949。
目前世界一流的射孔公司有Compac、Halliburton、Owen、Goex、Baker、Schlumberger等。这些公司的射孔设备具有相同的特点:产品系列化程度高，加工精度高，检测手段齐全，检测数据准确完整，技术更新快，高密度、多方位的高科技发展，钻屑污染小。
在中国，1958之前使用的是苏联的射孔器。20世纪60年代初，带磁性定位器的套管接箍用于射孔定位。20世纪70年代，过油管射孔得到广泛应用。80年代中期引进油管输送射孔TCP技术，1988后逐渐在各油田推广使用。
随着海上勘探成果的不断扩大，海洋石油勘探开发的重点将进一步从勘探转向开发，油田开发井数将逐年增加。然而，大部分待开发的海上油田属于边际油田。如果在开发中使用进口设备，很多边际油田因为成本高而无法开发。为满足海上油气勘探开发井对新型系列射孔器材的需求，迫切需要国产射孔器材替代进口产品，降低开发成本，填补国内套管高密度射孔空白，推动我国海洋石油勘探开发进程，开发新型射孔器材。虽然我国射孔器材产品在小口径、低密度方面取得了很大成就，但与国际水平相比，总体水平仍然较低，加工精度也较差。另外，产品系列不配套，检测手段不完善，不能完全满足海上作业的需要。
为进一步降低海洋石油勘探开发成本，加快射孔设备国产化进程，中国海洋石油总公司研制了油管输送射孔(TCP)-HY 114和HY159射孔枪，并尽快将这一具有自主知识产权的专利产品投入生产。
(1)海上穿孔
1.穿孔
利用消防设备或其他能源的能量打开套管、水泥环和地层，沟通油气流动通道的井下作业称为射孔。
射孔是勘探开发过程中不可或缺的手段。钻井、测井、录井发现油气层后，必须下套管、固井，然后必须进行射孔、试油，确定该层是否具有开采价值。对于生产井的开发，先进行完井作业和射孔，然后才能进行下生产管柱、下泵、防砂等其他采油和注水作业。油气田开发过程中，如果开发方案调整，往往需要填孔来维持油气田的产量。
随着射孔技术和采油技术的发展以及近二三十年来我国各大油田勘探开发经验的积累，对射孔技术重要性的认识逐步提高，射孔作业越来越受到重视。因此，我国射孔技术近年来发展迅速，取得了很大成绩。
2.穿孔模式
目前国内外广泛使用的射孔方式有三种:①电缆输送射孔；②油管射孔；③油管射孔(TCP)。
这三种射孔都属于爆炸聚能射孔，即利用倒锥形高能炸药产生的聚焦高能射流射穿套管和地层的过程。
最近水力射孔在穿透深度上有了新的突破，但还没有得到广泛应用。
3.射孔技术
射孔技术有正压射孔和负压射孔两种。根据不同的井筒条件、地层条件和完井工艺要求，选择不同的射孔工艺。
A.正压射孔:为了在地层中顺利产出油气，钻井后必须下套管，并在套管和地层之间进行固井，然后在油气层段的套管和水泥环上射孔，连通油气流通道。因此，在射孔前，地层和套管内存在两个不同的压力系统。如果套管内液柱压力大于地层压力，射孔后井液会压向地层，射孔的压实和杵击会对地层构成“二次污染”，称为正压射孔。
b负压射孔:射孔时，套管内液柱的压力小于地层压力。射孔后，地层中的油气会流向井筒，这样可以冲掉射孔产生的岩屑，井液不会进入地层。这叫负压射孔。负压射孔可以产生回流清洗井眼，消除二次污染，从而大大提高油气井产能。负压射孔是最好的射孔方式，但电缆输送实现负压射孔不可行。过油管射孔只能在第一炮形成负压，第二炮及以后都是等压射孔。但由于井口防喷器长度的限制，每次通过油管射孔的枪长有限，只有少数井只射一枪，所以通过油管射孔不能满足负压射孔的要求。只有TCP能满足负压射孔的要求。
(2)海上油管输送射孔器
油管运输射孔(TCP)是用油管或钻杆将射孔设备运输到地下进行射孔。与电缆输送射孔相同的是使用雷管、导爆索、传爆管、射孔弹四种火工品，也适用于各种套管的射孔枪。
1.油管输送的射孔特性
与电缆输送射孔不同，唯一的区别是输送和起爆的方式，其特点是:
运输能力强，可一次拍摄数百米油气层，作业效率高；
使用大口径、高孔密射孔枪和高爆药量，可以满足高穿透深度、大孔径的射孔要求；
根据设计要求，形成较大的负压差，能充分清洗穿孔，消除二次污染；
实现高产比，提高单井产量；
射孔后立即投产，见效快；
起爆前安装井口、井下安全接头等控制设施，确保安全；
与DST测试一起确定地层的产能；
适用范围广:适用于大斜度井、水平井、高压油气井、腐蚀井、砾石充填井、双管采油井、抽油机井等。
2.油管输送射孔管柱结构
图7-73油管输送射孔管柱结构
油管射孔管柱(图7-73)包括射孔枪、引爆装置、井下工具等。它们通过油管或可变接头连接在一起，称为TCP射孔管柱。其作用是便于射孔枪引爆打开油气层，使油气顺利流入生产管柱，并在生产管柱与地层之间产生负压，可进行解射孔枪和打捞点火火柴的作业。如图7-73所示，TCP常见的管柱结构由引鞋、射孔枪、安全短节(空抓)、引爆装置、生产阀(防污染循环接头或负压阀、射孔管)、释放装置、封隔器、放射性定位接头等组成。自下而上，可根据油气井情况和施工作业目的进行增减，如地层测试要加减震器。
A.射孔枪:是向井下发送火工品的载体。射孔器是射孔枪由射孔弹、导爆索、传爆管、雷管、枪头、枪尾、中间接头组装后的总称。
B.射孔弹:射孔作业中穿透套管、水泥环和地层的核心部件。射孔弹的装药类型根据用户要求的射孔弹穿透深度、井下温度和发火时间来选择。
C.点火头:点火头也叫起爆装置。一般来说，聚能射孔的全过程是冲击雷管被引爆，经过传爆和导爆后，射孔弹最终释放全部能量形成高压高速射流穿透目标。它是TCP的关键组成部分。点火头有很多种。目前，安全机械点火头广泛应用于海上TCP作业，分为低压和高压两种。当点火火柴碰到释放杆时，剪切销被剪断，释放杆向下运动使钢球向左运动，从而释放活塞撞针，活塞撞针向下运动点燃雷管，在管柱内液垫的压力下引爆。
二、钻探测试技术
钻井中途测试技术，即电缆地层测试技术，是评价油气层的重要手段。20世纪90年代以前，钻井中途的油气层测试主要通过钻柱测试来完成，通常需要几天时间。近年来，国外出现了一种新的测试技术，即利用电缆地层测试器测量地层压力，通过泵送技术获取原始地层流体，利用其他测井资料计算地层产能，达到与钻杆测试相同的效果。一般这种操作几十个小时就能完成，省时省力，效率高，成本低。它已日益取代钻杆测试，成为一项非常有前途的勘探技术。
目前国内广泛使用的是斯伦贝谢的重复式地层测试器(RFT)或阿特拉斯的地层测试器(FMT)，但它们的设计、功能和测量结果都不理想，难以计算测试层的渗透率，也难以准确判断流体性质。最重要的是无法获取储层的原始流体，尤其是在侵入较深的地层，获取的流体样品基本都是泥浆污染的流体，很难准确预测产能。
为了打破国外技术垄断，填补空白，替代进口，减少占井时间，降低成本，满足海上勘探开发的需要，及时对储层进行精细评价，总公司在国家“863”计划中申请了“电缆钻井油气层测试技术”课题。这表明，在国家的支持下，具有自主知识产权的电缆地层测试技术的研究旨在开发能够直接为海上油气层评价提供权威、准确、全面、快速完成裸眼地层测试的地层参数测井仪器。该仪器采用先进的模块化设计，在保持油藏原始状态的同时，保证了在取样过程中能够完整、准确地获得油藏工程所需的大部分数据，从而预测油藏产能，最大限度地提高油气资源的采收率，降低测试成本和费用。具体应用有:①测量地层压力，并通过重复测量确认结果；②采集真实地层条件下的地层流体样品；③地层渗透率的计算；(4)识别低压或超压区域；⑤确定储层流体的重力及相关深度；⑥计算地层流体的流动性和压缩性；⑦储层污染系数的垂直分布。
(1)电缆地层测试仪简介
1.结构
仪器采用模块化设计，每个模块实现一定的功能。根据需要，模块可以任意组合。该仪器设计成五个模块，即电子电路模块；液压源模块；封隔器模块；流体识别模块；高压流体泵模块；PVT采样模块；联合样本控制模块等。(图7-74)。
每个模块的功能如下。
(1)液压源模块
对于仪器的液压动力系统，4500psi的压力由液压泵提供，压力通过液压管线传递，驱动封隔器的伸缩和各模块的机械动作。
(2)打包机模块
泥浆与地层密封在一起，地层流体通过密封器的探头进入仪器主体进行测试和取样。
图7-74电缆地层测试器结构
(3)电子电路
完成井下机械动作的电子控制，如封隔器膨胀和收缩、流体抽取、流体泵送、流体取样和传感器信号采集。
(4)流体识别模块
为了获得真实的地层流体样品，需要将受污染的流体从井壁排入井筒，并通过电阻率、密度或频谱来判断流体是否为真实的地层流体。
(5)高压流体泵
高压流体泵将流体从地层排放到井筒中。
(6)可移动取样筒
将获得的地层流体样品装载到取样筒中，以便运送到实验室进行成分分析。
2.工作原理
该仪器可以测量地层压力和提取地层流体样品。
(1)压力测量
图7-74流体压力测量示意图
仪器通过电缆送到目的层，在地面控制下打开封隔器，如图7-75所示。封隔器密封靠近井壁的地层，流体预测室打开，地层流体被吸入预测室。此时，预测室内的传感器测量地层压力，压力曲线如图7-76所示。
(2)取样
地层压力测试完成后，应进行取样。为了获得地层流体的真实样品并清除泥浆等受污染的流体，必须首先排放这些受污染的流体。此时，液压马达开始将地层流体排放到井筒中。在排放过程中，始终监控流体的电阻率。当排出的流体电阻率趋于稳定时，该流体就是此时地层中的真实流体，进行取样动作。如图7-77和7-78所示。
图7-76地层压力恢复与测试时间的关系
a-b-静水压力；B-C B-C—封隔器推靠井壁，流体被压缩；c-D——流体进入仪器并被减压；d-e-泥饼脱落，压力升高；E-F ——假设侵入带压力高于地层压力，泥浆滤液流动，压力下降；f-c-吸入压力低于地层压力；压力恢复
图7-77排放地层污染流体
图7-78打开采样筒
(2)地层测试器的研究
本文研究了一套井下泵送流体取样测试仪及其解释系统。通过其泵送系统，可以获得地层流体的真实样品，通过压力测试曲线计算油气藏的渗透率、压力分布、产能等参数，部分替代中途试油技术。主要研究内容包括以下五个方面。
1.模拟实验模型和数值模拟
模拟模型采用三维圆柱体或球体结构，模拟复杂的井眼和地层条件。通过模拟实验研究仪器在不同地层压力、不同流体饱和度、不同渗透率、不同泥饼厚度和不同排液速度下的响应特性，建立地层特性与仪器数值响应之间的关系。根据渤海油田不同的油藏条件，建立了不同地层压力和流体的模型，获得了一系列实验数据。重点考虑:①浅层弱胶结疏松砂岩对仪器和解释模型的特殊要求；②稠油开采条件下的表皮效应和储存效应；③出砂对模型的影响。
考虑到陆上各油气田的储层特点，有针对性地进行模拟。研究了具有管道储存和表皮效应的各向异性非稳定渗流模型。研究双探针各向异性的解析解；研究了简谐压力脉冲相位延迟渗流模型。研究了双探针有限元模拟方法。
2.液压动力系统的结构设计与制造
油气层随钻测试技术井下仪器包括电子线路、液压动力系统、封隔器系统、泵送系统、流体特性实时识别系统、反注入模块、PVT(压力、体积、温度)取样筒、大型取样控制模块。这些模块的设计不仅要满足工程要求，还需要考虑由于特定的工作环境而带来的高温高压等恶劣井况的要求。因为这些系统是非常精密的机械装置，所以设计和制造这种仪器相当困难。具体来说，液压源的体积、功率和温度的设计；液压回路和液压阀系统的设计；三维动态流体模型双探测器影响下的距离设计:研究复杂地层条件下高压排液泵的设计与制造；不同流体和不同地层压力下的反相流体注入技术；自动流体识别技术；抽样控制与样本保存技术研究。
3.电子控制与数据传输模块的设计与制造。
井下电子电路主要有两个作用:一是接收地面的指令并解码，控制井下仪器的各种机械动作，监测仪器的各种状态；二是采集转换数据，将数据传输到地面进行处理。尤其是一种MPU微处理器控制电路。继电器控制电路；各种传感器信号处理电路；数据采集、处理和传输。
4.地面支持系统
包括地面面板和系统软件，油气藏特征测井仪的所有井下功能都由地面系统控制。包括测试数据的记录、不同测试参数的地面调整(如测压采样点的确定、预测体积的选择、泵排量和压降的选择等。)，井下工况的判断和取样流体的性质。其泵送系统可同步监测流经仪器或被泵入取样筒的液体，并计算其特征参数。这些功能的实现需要地面软件的支持。
5.测试系统设计、数据解释模型研究和解释软件开发。
A.不同油气藏测试工作系统的设计方法。针对稠油、低渗透、油、气、水多相的复杂条件，研究了测试时间短、流量小、排量小的合理测试工作制度、泵排量的时间控制和多探头垂直干扰测试的设计。
B.低速短时压力数据的定量解释及解释新模型的开发。球形和圆柱形压降和压力恢复的叠加分析，考虑管道井储集和集肤效应的典型曲线分析，流期识别和流动模型，多层模型，复合模型，多相流模型，垂直干扰模型，反注模型和油藏边界分析模型。
C.利用三维地震、钻井、测井、油藏工程等学科综合评价和研究油气储层方法。确定合适的钻井液、完井设计、油藏开发建议，研究部分替代DST(钻杆测试)的短时测试产能预测技术。
D.数据解释软件系统。
上述研究的关键技术包括三维仿真模型研究和数值模拟计算；高温高压微型液压动力系统:双封隔器系统；光谱流体识别技术；流体取样和样品保存技术；井下实时自动控制系统；地面测量和控制系统；复杂储层的资料解释方法；反向流体注入技术。
地层测试技术的成功发展将解决油气勘探中的重大地质难题:重复取样、重复测试，使压力测量更加准确；泥浆滤液通过泵送技术排出，获得原状地层流体样品；双封隔器技术保证了地层流体样品可以在任何岩层中获得，解决了单封隔器在稠油粉砂岩中取样堵塞的问题；它将逐步取代试油技术，成为地层评价的重要工具，并为降低成本提供有利工具。此外，鉴于目前国内还没有很好的油气裸眼分层测试技术，可作为海上或陆上石油探井、开发井的分层动态测试和取样测试，是一种优秀的分层动态直接测量技术。海洋和陆地上的每口油气井都需要这种动态取样测试。有了前所未有的、完整的储层分层动态资料，可以准确、完善地认识油层和各个分层，将测试成果运用到油气勘探、油田开发和采油工程的各个环节，有利于高质量、高速度、高效率地进行油气勘探和油气田开发。再者，针对储层特征的测井仪器将拥有自主知识产权，具有国内和国际市场竞争的法律地位，可以突破各种限制，向国外提供这种测井技术服务，从而获得更好的经济效益。