鉆桿測試：地層奧秘的快速探針

鉆桿測試（Drill Stem Testing，簡稱DST）是石油與天然氣勘探開發中一項至關重要的中途測試技術。它通過在鉆井過程中或完鉆后，利用鉆柱（鉆桿）作為傳輸通道，對目標儲層進行短期的、可控的隔離測試，獲取關鍵的地層流體性質及儲層動態參數，為油氣藏評價和后續開發決策提供直接依據。

定義與核心目的

鉆桿測試本質上是一種臨時性的完井測試。其核心技術在于：

• 隔離目標層： 使用專門的封隔器（Packer）將測試層段與井筒上部空間以及上部其他地層流體物理分隔開。
• 建立可控流動： 在封隔器下方形成臨時的“測試艙”，打開測試閥讓地層流體（油、氣、水）有控制地流入鉆柱內部或環空。
• 實時采集數據： 在流體流動和關井恢復期間，連續記錄地層壓力、溫度變化以及獲取流體樣品。

其主要目的包括：

• 證實含烴性： 直接判斷測試層段是否含有工業價值的油氣流。
• 獲取地層流體特性： 采集具有代表性的原油、天然氣和地層水樣品，用于分析其物理化學性質（粘度、密度、組分、含硫量、含水率等）。
• 評估地層產能： 估算油氣層的初始產能和潛在生產能力（產量）。
• 確定儲層參數： 通過壓力恢復（或壓降）曲線分析，計算關鍵儲層參數，如地層滲透率、表皮系數（井壁污染程度）、測試半徑內的平均地層壓力、邊界特征（是否封閉）等。
• 評估儲層連通性： 輔助判斷測試層段與周圍地層的連通情況。
• 降低勘探風險： 在決定是否投入高昂的完井作業前，提供關鍵決策依據，避免在低效或無產能層段浪費資金。

核心設備構成

一次典型的鉆桿測試作業需要依賴一套復雜且精密的井下工具組合，主要設備包括：

1. 測試閥（Test Valve）： 這是控制地層流體流動的核心開關。根據操作方式主要分為：
   • 循環閥（Circulating Valve）： 用于測試前、測試中或測試結束時循環井內流體（如鉆井液）。
   • 多流測試閥（Multi-Flow Evaluator, MFE）： 通過多次上提下放鉆柱來操作開關井，結構相對簡單可靠。
   • 全通徑電子壓力計測試閥（Annular Pressure Responsive/Packer, APR）： 利用環空壓力變化來控制開關井，無需旋轉或提放管柱，可與全通徑工具配合，允許大型工具（如射孔槍）通過。
2. 封隔器（Packer）： 用于封隔測試層段與上部井筒的關鍵密封元件。常用的有：
   • 支撐式封隔器： 坐封時需要坐放在井底或卡瓦上。
   • 壓縮式封隔器： 通過向管柱施加壓縮力坐封。
   • 水力坐封封隔器： 通過向環空加壓或管柱內加壓來坐封和解封。要求井徑規則。
3. 壓力計托筒（Gauge Carrier）： 攜帶高精度的電子壓力/溫度計（Electronic Memory Gauges），記錄整個測試過程中的壓力、溫度隨時間的變化曲線。數據后期回放分析。
4. 取樣器（Sampler）： 用于在特定時刻（如開井流動后期）捕獲地層流體樣品，確保獲取未受污染的原始流體。
5. 安全接頭（Safety Joint）： 位于工具串關鍵位置，在緊急情況（如封隔器遇卡）下，允許從此處倒扣脫手，起出上部管柱。
6. 震擊器（Jar）： 提供向上或向下的震擊力，幫助解封遇卡的封隔器或處理井下復雜情況。
7. 伸縮接頭（Slip Joint）： 補償管柱因溫度和壓力變化引起的長度伸縮，避免影響封隔器密封或工具功能。
8. 鉆桿（Drill Pipe）： 構成測試管柱的主體，作為流體流動通道（內徑）和壓力傳輸通道（環空加壓控制APR工具時）。

標準操作流程

一次完整的鉆桿測試作業通常遵循以下步驟：

1. 設計與準備： 根據地層預測、井眼條件、測試目的設計詳細的測試程序，包括工具組合、坐封位置、測試時間表（開、關井時長序列）、安全預案等。準備并檢查所有工具設備。
2. 通井與井眼準備： 下鉆通井至預定坐封位置，確保井眼暢通無阻。循環調整好鉆井液性能。
3. 下測試管柱： 嚴格按照設計順序連接各測試工具和鉆桿，將工具串下入井中預定深度。
4. 坐封封隔器： 到達設計坐封位置后，按照封隔器類型的要求（提放、旋轉、加壓）進行坐封操作，并驗證坐封是否牢固密封（通常通過環空試壓）。
5. 初始開井（Initial Flow）： 操作測試閥首次開啟，地層流體開始流入鉆桿內部或環空（取決于工具組合）。初始開井時間通常較短，目的是清除井筒附近可能的污染帶流體。
6. 初始關井（Initial Shut-in）： 關閉測試閥，記錄壓力恢復數據。此階段數據主要用于分析井壁污染程度（表皮系數）。
7. 主開井（Main Flow）： 再次開井，進行較長時間的流動，目的是誘使地層流體以相對穩定的狀態產出，評估地層產能，并準備獲取代表性流體樣品。
8. 流體取樣： 在主開井后期，操作取樣器捕獲地層流體樣品（油、氣、水）。
9. 主關井（Final Shut-in）： 最后一次關閉測試閥，進行長時間的壓力恢復測試。這是獲取精確地層壓力、滲透率等參數的關鍵階段。
10. 反循環： 打開循環閥，將管柱內積存的油氣流體循環頂替出來（通常替換成干凈的液體如鉆井液或水），確保地面安全。
11. 解封封隔器： 操作封隔器解鎖（上提、旋轉或泄壓）。
12. 起測試管柱： 將整個測試工具串安全起出井口。
13. 數據處理與樣品分析： 下載壓力計數據，進行壓力恢復（壓降）曲線分析，解讀儲層參數；實驗室分析流體樣品物性參數。

典型應用場景

• 勘探井評價： 在新探區或新層系鉆遇可能油氣層時，快速確認其商業價值，指導后續勘探部署。
• 評價井詳探： 在已發現含油構造上，對具體儲層進行產能、流體性質和儲量參數的精細評估。
• 開發井優化： 在生產井區，了解未射孔層或新鉆加密井的產能和動態特征，優化完井射孔方案。
• 特殊儲層測試： 如凝析氣藏（獲取露點壓力）、高含硫氣藏（評估腐蝕風險）、稠油油藏（評估流動性）、裂縫性儲層（評估裂縫特征）等。
• 井壁污染診斷： 通過表皮系數評估鉆井、完井過程對地層的傷害程度，指導后續增產措施（如酸化、壓裂）。
• 地層水特性確認： 獲取原始地層水樣，分析其礦化度、水性，為水源識別、防腐防垢提供依據。

優勢與局限性

• 優勢：
  • 直接性： 直接獲取地層流體和地層壓力動態響應，信息真實可靠。
  • 針對性： 可精確測試特定層段，不受其他層位干擾（封隔器有效時）。
  • 經濟性： 相對于正式完井試油，成本和時間投入相對較低，尤其適用于風險勘探決策。
  • 靈活性： 可選擇不同的開/關井程序適應特定測試目的；可回收重復利用工具。
  • 信息豐富： 同時獲得產能、流體性質、儲層參數等多種關鍵信息。
  • 風險前置： 在正式完井投入前識別低效或無產能層，規避無效投資。
• 局限性：
  • 短期性： 測試時間有限（通常數小時至數天），難以反映儲層長期生產動態。
  • 井筒干擾： 井筒儲集效應、表皮污染等會影響早期壓力數據的解釋。
  • 操作風險： 涉及復雜的井下工具操作，存在工具故障（如閥失靈、封隔器失效）、管柱遇卡、井噴等風險，對安全要求極高。
  • 井眼限制： 對井眼質量要求較高（如狗腿度、井徑擴大率），復雜井況下成功率降低。
  • 數據解釋復雜性： 壓力恢復曲線分析需要專業知識和經驗，解釋結果可能存在多解性。
  • 儲層擾動： 測試過程本身會對儲層造成一定程度的擾動（流體產出、壓力變化）。

鉆桿測試作為一種成熟、高效的中途測試技術，是連接鉆井發現與油氣田開發決策的關鍵橋梁。它通過精巧的工具組合和嚴謹的作業流程，在相對短的時間和可控的成本內，為地質學家和工程師提供關于目標儲層產能、流體性質及動態特征的“第一手”關鍵數據。這些信息對于評估油氣藏商業價值、優化開發方案設計、降低勘探開發風險具有不可替代的作用。盡管存在一定的局限性和操作風險，但其在油氣勘探開發價值鏈中的核心地位，尤其在新區勘探和深層、復雜儲層評價中，依然牢固。隨著井下工具技術的不斷進步（如更智能的測試閥、更高精度的傳感器、更可靠的封隔系統）和數據分析方法的完善，鉆桿測試在未來仍將發揮著揭示地下奧秘的重要探針作用，并可能與其他技術（如隨鉆測試、光纖監測）更緊密地結合，提供更全面、更實時的儲層評價信息。