鉆桿測(cè)試：地層奧秘的快速探針

鉆桿測(cè)試（Drill Stem Testing，簡(jiǎn)稱DST）是石油與天然氣勘探開發(fā)中一項(xiàng)至關(guān)重要的中途測(cè)試技術(shù)。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(duì)目標(biāo)儲(chǔ)層進(jìn)行短期的、可控的隔離測(cè)試，獲取關(guān)鍵的地層流體性質(zhì)及儲(chǔ)層動(dòng)態(tài)參數(shù)，為油氣藏評(píng)價(jià)和后續(xù)開發(fā)決策提供直接依據(jù)。

定義與核心目的

鉆桿測(cè)試本質(zhì)上是一種臨時(shí)性的完井測(cè)試。其核心技術(shù)在于：

• 隔離目標(biāo)層： 使用專門的封隔器（Packer）將測(cè)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(dòng)： 在封隔器下方形成臨時(shí)的“測(cè)試艙”，打開測(cè)試閥讓地層流體（油、氣、水）有控制地流入鉆柱內(nèi)部或環(huán)空。
• 實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)： 在流體流動(dòng)和關(guān)井恢復(fù)期間，連續(xù)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(shí)含烴性： 直接判斷測(cè)試層段是否含有工業(yè)價(jià)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(xué)性質(zhì)（粘度、密度、組分、含硫量、含水率等）。
• 評(píng)估地層產(chǎn)能： 估算油氣層的初始產(chǎn)能和潛在生產(chǎn)能力（產(chǎn)量）。
• 確定儲(chǔ)層參數(shù)： 通過壓力恢復(fù)（或壓降）曲線分析，計(jì)算關(guān)鍵儲(chǔ)層參數(shù)，如地層滲透率、表皮系數(shù)（井壁污染程度）、測(cè)試半徑內(nèi)的平均地層壓力、邊界特征（是否封閉）等。
• 評(píng)估儲(chǔ)層連通性： 輔助判斷測(cè)試層段與周圍地層的連通情況。
• 降低勘探風(fēng)險(xiǎn)： 在決定是否投入高昂的完井作業(yè)前，提供關(guān)鍵決策依據(jù)，避免在低效或無產(chǎn)能層段浪費(fèi)資金。

核心設(shè)備構(gòu)成

一次典型的鉆桿測(cè)試作業(yè)需要依賴一套復(fù)雜且精密的井下工具組合，主要設(shè)備包括：

1. 測(cè)試閥（Test Valve）： 這是控制地層流體流動(dòng)的核心開關(guān)。根據(jù)操作方式主要分為：
   • 循環(huán)閥（Circulating Valve）： 用于測(cè)試前、測(cè)試中或測(cè)試結(jié)束時(shí)循環(huán)井內(nèi)流體（如鉆井液）。
   • 多流測(cè)試閥（Multi-Flow Evaluator, MFE）： 通過多次上提下放鉆柱來操作開關(guān)井，結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單可靠。
   • 全通徑電子壓力計(jì)測(cè)試閥（Annular Pressure Responsive/Packer, APR）： 利用環(huán)空壓力變化來控制開關(guān)井，無需旋轉(zhuǎn)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(cè)試層段與上部井筒的關(guān)鍵密封元件。常用的有：
   • 支撐式封隔器： 坐封時(shí)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(huán)空加壓或管柱內(nèi)加壓來坐封和解封。要求井徑規(guī)則。
3. 壓力計(jì)托筒（Gauge Carrier）： 攜帶高精度的電子壓力/溫度計(jì)（Electronic Memory Gauges），記錄整個(gè)測(cè)試過程中的壓力、溫度隨時(shí)間的變化曲線。數(shù)據(jù)后期回放分析。
4. 取樣器（Sampler）： 用于在特定時(shí)刻（如開井流動(dòng)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(guān)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(fù)雜情況。
7. 伸縮接頭（Slip Joint）： 補(bǔ)償管柱因溫度和壓力變化引起的長(zhǎng)度伸縮，避免影響封隔器密封或工具功能。
8. 鉆桿（Drill Pipe）： 構(gòu)成測(cè)試管柱的主體，作為流體流動(dòng)通道（內(nèi)徑）和壓力傳輸通道（環(huán)空加壓控制APR工具時(shí)）。

標(biāo)準(zhǔn)操作流程

一次完整的鉆桿測(cè)試作業(yè)通常遵循以下步驟：

1. 設(shè)計(jì)與準(zhǔn)備： 根據(jù)地層預(yù)測(cè)、井眼條件、測(cè)試目的設(shè)計(jì)詳細(xì)的測(cè)試程序，包括工具組合、坐封位置、測(cè)試時(shí)間表（開、關(guān)井時(shí)長(zhǎng)序列）、安全預(yù)案等。準(zhǔn)備并檢查所有工具設(shè)備。
2. 通井與井眼準(zhǔn)備： 下鉆通井至預(yù)定坐封位置，確保井眼暢通無阻。循環(huán)調(diào)整好鉆井液性能。
3. 下測(cè)試管柱： 嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)順序連接各測(cè)試工具和鉆桿，將工具串下入井中預(yù)定深度。
4. 坐封封隔器： 到達(dá)設(shè)計(jì)坐封位置后，按照封隔器類型的要求（提放、旋轉(zhuǎn)、加壓）進(jìn)行坐封操作，并驗(yàn)證坐封是否牢固密封（通常通過環(huán)空試壓）。
5. 初始開井（Initial Flow）： 操作測(cè)試閥首次開啟，地層流體開始流入鉆桿內(nèi)部或環(huán)空（取決于工具組合）。初始開井時(shí)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(guān)井（Initial Shut-in）： 關(guān)閉測(cè)試閥，記錄壓力恢復(fù)數(shù)據(jù)。此階段數(shù)據(jù)主要用于分析井壁污染程度（表皮系數(shù)）。
7. 主開井（Main Flow）： 再次開井，進(jìn)行較長(zhǎng)時(shí)間的流動(dòng)，目的是誘使地層流體以相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)產(chǎn)出，評(píng)估地層產(chǎn)能，并準(zhǔn)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(guān)井（Final Shut-in）： 最后一次關(guān)閉測(cè)試閥，進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間的壓力恢復(fù)測(cè)試。這是獲取精確地層壓力、滲透率等參數(shù)的關(guān)鍵階段。
10. 反循環(huán)： 打開循環(huán)閥，將管柱內(nèi)積存的油氣流體循環(huán)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(zhuǎn)或泄壓）。
12. 起測(cè)試管柱： 將整個(gè)測(cè)試工具串安全起出井口。
13. 數(shù)據(jù)處理與樣品分析： 下載壓力計(jì)數(shù)據(jù)，進(jìn)行壓力恢復(fù)（壓降）曲線分析，解讀儲(chǔ)層參數(shù)；實(shí)驗(yàn)室分析流體樣品物性參數(shù)。

典型應(yīng)用場(chǎng)景

• 勘探井評(píng)價(jià)： 在新探區(qū)或新層系鉆遇可能油氣層時(shí)，快速確認(rèn)其商業(yè)價(jià)值，指導(dǎo)后續(xù)勘探部署。
• 評(píng)價(jià)井詳探： 在已發(fā)現(xiàn)含油構(gòu)造上，對(duì)具體儲(chǔ)層進(jìn)行產(chǎn)能、流體性質(zhì)和儲(chǔ)量參數(shù)的精細(xì)評(píng)估。
• 開發(fā)井優(yōu)化： 在生產(chǎn)井區(qū)，了解未射孔層或新鉆加密井的產(chǎn)能和動(dòng)態(tài)特征，優(yōu)化完井射孔方案。
• 特殊儲(chǔ)層測(cè)試： 如凝析氣藏（獲取露點(diǎn)壓力）、高含硫氣藏（評(píng)估腐蝕風(fēng)險(xiǎn)）、稠油油藏（評(píng)估流動(dòng)性）、裂縫性儲(chǔ)層（評(píng)估裂縫特征）等。
• 井壁污染診斷： 通過表皮系數(shù)評(píng)估鉆井、完井過程對(duì)地層的傷害程度，指導(dǎo)后續(xù)增產(chǎn)措施（如酸化、壓裂）。
• 地層水特性確認(rèn)： 獲取原始地層水樣，分析其礦化度、水性，為水源識(shí)別、防腐防垢提供依據(jù)。

優(yōu)勢(shì)與局限性

• 優(yōu)勢(shì)：
  • 直接性： 直接獲取地層流體和地層壓力動(dòng)態(tài)響應(yīng)，信息真實(shí)可靠。
  • 針對(duì)性： 可精確測(cè)試特定層段，不受其他層位干擾（封隔器有效時(shí)）。
  • 經(jīng)濟(jì)性： 相對(duì)于正式完井試油，成本和時(shí)間投入相對(duì)較低，尤其適用于風(fēng)險(xiǎn)勘探?jīng)Q策。
  • 靈活性： 可選擇不同的開/關(guān)井程序適應(yīng)特定測(cè)試目的；可回收重復(fù)利用工具。
  • 信息豐富： 同時(shí)獲得產(chǎn)能、流體性質(zhì)、儲(chǔ)層參數(shù)等多種關(guān)鍵信息。
  • 風(fēng)險(xiǎn)前置： 在正式完井投入前識(shí)別低效或無產(chǎn)能層，規(guī)避無效投資。
• 局限性：
  • 短期性： 測(cè)試時(shí)間有限（通常數(shù)小時(shí)至數(shù)天），難以反映儲(chǔ)層長(zhǎng)期生產(chǎn)動(dòng)態(tài)。
  • 井筒干擾： 井筒儲(chǔ)集效應(yīng)、表皮污染等會(huì)影響早期壓力數(shù)據(jù)的解釋。
  • 操作風(fēng)險(xiǎn)： 涉及復(fù)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(fēng)險(xiǎn)，對(duì)安全要求極高。
  • 井眼限制： 對(duì)井眼質(zhì)量要求較高（如狗腿度、井徑擴(kuò)大率），復(fù)雜井況下成功率降低。
  • 數(shù)據(jù)解釋復(fù)雜性： 壓力恢復(fù)曲線分析需要專業(yè)知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)，解釋結(jié)果可能存在多解性。
  • 儲(chǔ)層擾動(dòng)： 測(cè)試過程本身會(huì)對(duì)儲(chǔ)層造成一定程度的擾動(dòng)（流體產(chǎn)出、壓力變化）。

鉆桿測(cè)試作為一種成熟、高效的中途測(cè)試技術(shù)，是連接鉆井發(fā)現(xiàn)與油氣田開發(fā)決策的關(guān)鍵橋梁。它通過精巧的工具組合和嚴(yán)謹(jǐn)?shù)淖鳂I(yè)流程，在相對(duì)短的時(shí)間和可控的成本內(nèi)，為地質(zhì)學(xué)家和工程師提供關(guān)于目標(biāo)儲(chǔ)層產(chǎn)能、流體性質(zhì)及動(dòng)態(tài)特征的“第一手”關(guān)鍵數(shù)據(jù)。這些信息對(duì)于評(píng)估油氣藏商業(yè)價(jià)值、優(yōu)化開發(fā)方案設(shè)計(jì)、降低勘探開發(fā)風(fēng)險(xiǎn)具有不可替代的作用。盡管存在一定的局限性和操作風(fēng)險(xiǎn)，但其在油氣勘探開發(fā)價(jià)值鏈中的核心地位，尤其在新區(qū)勘探和深層、復(fù)雜儲(chǔ)層評(píng)價(jià)中，依然牢固。隨著井下工具技術(shù)的不斷進(jìn)步（如更智能的測(cè)試閥、更高精度的傳感器、更可靠的封隔系統(tǒng)）和數(shù)據(jù)分析方法的完善，鉆桿測(cè)試在未來仍將發(fā)揮著揭示地下奧秘的重要探針作用，并可能與其他技術(shù)（如隨鉆測(cè)試、光纖監(jiān)測(cè)）更緊密地結(jié)合，提供更全面、更實(shí)時(shí)的儲(chǔ)層評(píng)價(jià)信息。