相國寺儲(chǔ)氣庫注采氣井的安全風(fēng)險(xiǎn)及對(duì)策建議

劉 坤 何 娜 張 毅 徐 峰 王 堯

1．中國石油西南油氣田公司安全環(huán)保與技術(shù)監(jiān)督研究院 2．中國石油西南油氣田公司天然氣研究院

相國寺地下儲(chǔ)氣庫（以下簡(jiǎn)稱相國寺儲(chǔ)氣庫）位于重慶市，是我國西南地區(qū)第一個(gè)儲(chǔ)氣庫，其庫容量達(dá)40．5×108m3，儲(chǔ)氣量相當(dāng)于重慶市1年的用氣量。該儲(chǔ)氣庫是利用原相國寺石炭系氣藏進(jìn)行建設(shè)，屬于枯竭型氣藏儲(chǔ)氣庫。由于儲(chǔ)氣庫在生產(chǎn)過程中要周期性地注入和采出天然氣，將使各種生產(chǎn)設(shè)備和管道受到周期性應(yīng)力變化的影響，同時(shí)井下壓力、溫度的變化以及氣質(zhì)組分等因素也將對(duì)井下各種設(shè)施造成影響。一般來講，儲(chǔ)氣庫的安全風(fēng)險(xiǎn)主要取決于注采井的安全與否［1］。根據(jù)相關(guān)資料統(tǒng)計(jì)［2－3］，截至目前，國外發(fā)現(xiàn)的儲(chǔ)氣庫事故有40起，其中鹽穴地下儲(chǔ)氣庫24起，枯竭油氣藏型地下儲(chǔ)氣庫16起。事故原因中因注采氣井失效發(fā)生事故的有15起，其中枯竭油氣藏型地下儲(chǔ)氣庫4起。同時(shí)SINTEF和PSA研究機(jī)構(gòu)分別對(duì)不同的兩個(gè)儲(chǔ)氣庫注采井區(qū)塊進(jìn)行了氣井完整性調(diào)研，發(fā)現(xiàn)注采氣井的泄漏情況是一般生產(chǎn)井的2～3倍。因此，注采氣井的安全風(fēng)險(xiǎn)相對(duì)較高，如果注采氣井的各種井下設(shè)施發(fā)生失效，造成天然氣竄漏或泄漏，將可能引發(fā)火災(zāi)、爆炸等重大事故。下面根據(jù)相國寺儲(chǔ)氣庫注采氣井的結(jié)構(gòu)組成［4］，分別對(duì)油管、套管、水泥環(huán)、井下安全閥和封隔器等井下設(shè)施進(jìn)行安全風(fēng)險(xiǎn)分析。

1 油管風(fēng)險(xiǎn)分析

注采過程中油管是井筒中與天然氣直接接觸的設(shè)備，因此受氣質(zhì)組分、流體速度、壓力和溫度的影響較大，主要包括以下幾個(gè)方面。

1．1 腐蝕的影響

相國寺儲(chǔ)氣庫注采氣井采用的是80S－3Cr材質(zhì)的油管，在儲(chǔ)氣庫運(yùn)行前期，受地層殘留的鉆井液、鹽酸、凝析水、CO2以及少量H2S等物質(zhì)的影響，井下腐蝕環(huán)境較為復(fù)雜，并且在注氣和采氣過程中，井下壓力和溫度也將發(fā)生周期性的變化，因此在這種復(fù)雜情況下將可能對(duì)油管造成腐蝕。

相國寺儲(chǔ)氣庫地層運(yùn)行壓力為11．7～28．0 MPa［5］，氣質(zhì)中 CO2含量為 1．89%，分壓為 0．53 MPa，根據(jù)NACE（美國腐蝕工程師協(xié)會(huì)）有關(guān)CO2分壓腐蝕的標(biāo)準(zhǔn)，CO2分壓大于0．2MPa就屬于嚴(yán)重腐蝕區(qū)。CO2腐蝕的主要形態(tài)為點(diǎn)蝕、臺(tái)地狀腐蝕、環(huán)狀腐蝕和沖刷腐蝕等，且腐蝕穿孔的速度很快。在影響CO2腐蝕速率的各個(gè)因素中，CO2分壓和溫度是最重要的兩個(gè)參數(shù)。CO2分壓越高，其腐蝕產(chǎn)物FeCO3膜的保護(hù)性越差，且CO2的腐蝕速度隨溫度升高而增加，60～110℃為CO2腐蝕的敏感區(qū)域。例如，重慶氣礦成32井發(fā)生油管斷裂處的地溫為94℃，油管產(chǎn)生嚴(yán)重的坑點(diǎn)腐蝕和潰瘍狀腐蝕；成18井在油管上部受CO2的影響不大，下部由于溫度要高些，油管受CO2的腐蝕嚴(yán)重［6］。相國寺儲(chǔ)氣庫中下部地層溫度為62～93℃，因此腐蝕敏感性高。

在相國寺儲(chǔ)氣庫運(yùn)行初期還存在少量H2S，其分壓為0．002 8MPa，根據(jù)酸性油氣井環(huán)境石油管材選擇指南［7］（圖1），可以看出3Cr材質(zhì)不是相國寺儲(chǔ)氣庫腐蝕環(huán)境下最優(yōu)選擇。根據(jù)相關(guān)實(shí)驗(yàn)結(jié)果［8］，在溫度為100℃和110℃，CO2分壓為0．03MPa和1．488 MPa條件下，3Cr材質(zhì)平均點(diǎn)蝕深度0．042mm；最大點(diǎn)蝕深度1．006mm；最大點(diǎn)蝕速度61．2mm／a。

圖1 酸性油氣井環(huán)境中石油管材選擇指南示意圖（1psi＝0．006 9MPa）

因此相國寺儲(chǔ)氣庫注采氣井的油管在生產(chǎn)前期，將可能受到CO2腐蝕的影響，其腐蝕部位主要集中在油管的中下部。

1．2 沖蝕的影響

天然氣（無論是否存在固體顆粒）在一定流動(dòng)速度下將對(duì)生產(chǎn)管柱表面造成沖擊從而使油管發(fā)生磨損，高速流動(dòng)的氣體還足以將油管內(nèi)壁表面黏附不牢的腐蝕產(chǎn)物沖走，或者破壞已形成的保護(hù)性氧化膜，從而加劇腐蝕，降低管柱強(qiáng)度，在往復(fù)的注采過程中將容易導(dǎo)致油管破裂。研究表明：當(dāng)氣體流速低于臨界沖蝕流速時(shí)，沖蝕不明顯；當(dāng)氣體流速高于臨界沖蝕流速時(shí)，會(huì)產(chǎn)生明顯的沖蝕，嚴(yán)重影響氣井的安全生產(chǎn)［9］。另外，隨著溫度的增加，流體對(duì)金屬的沖蝕作用和沖蝕腐蝕作用將增強(qiáng)（圖2），因此在設(shè)計(jì)時(shí)除考慮流速的影響外，還需要考慮溫度的因素。

相國寺儲(chǔ)氣庫根據(jù)注采能力和臨界沖蝕流量計(jì)算結(jié)果，采用了內(nèi)徑100．53mm（定向井）和157．08mm（水平井）的油管。但是由于沖蝕還受溫度的影響，而相國寺儲(chǔ)氣庫設(shè)計(jì)時(shí)只考慮了流速的影響，因此，在儲(chǔ)氣庫中下部地層溫度為62～93℃條件下，注采氣井特別是其中的水平井將可能受到?jīng)_蝕的影響。

圖2 溫度對(duì)13Cr沖蝕和沖蝕腐蝕的影響圖

1．3 應(yīng)力變化的影響

對(duì)于儲(chǔ)氣庫注采氣井，生產(chǎn)管柱既要注入天然氣，又要采出天然氣，注入、采出的溫度和壓力不斷變化，管柱將長(zhǎng)期受到交變應(yīng)力的影響，溫度和壓力變化會(huì)引起油管應(yīng)力的改變及軸向變形，若改變量超過某一限度則將導(dǎo)致管柱變形甚至破裂。雖然相國寺注采氣井油管強(qiáng)度設(shè)計(jì)已經(jīng)考慮了應(yīng)力變化的影響，但在腐蝕因素的影響下，由于管柱強(qiáng)度降低可能造成生產(chǎn)管柱的密封性失效。

相國寺儲(chǔ)氣庫采用的是金屬對(duì)金屬的氣密封絲扣，外螺紋末端與內(nèi)螺紋形成一個(gè)徑向或軸向環(huán)形的金屬接觸面，可以隔開油流和螺紋油，保持油管的密封性。但根據(jù)前面腐蝕因素的分析，在相國寺儲(chǔ)氣庫井下復(fù)雜腐蝕環(huán)境下，可能會(huì)對(duì)套管螺紋造成腐蝕，使密封失效，形成環(huán)空帶壓，進(jìn)而對(duì)套管造成腐蝕。

2 套管風(fēng)險(xiǎn)分析

根據(jù)美國、歐洲和加拿大儲(chǔ)氣庫事故統(tǒng)計(jì)，由套管失效引起的事故有8起，其中2起為套管腐蝕穿孔、1起為套管裂縫、1起為套管外力損傷失效和1起套管連接失效，其他3起原因不明。

相國寺注采氣井在1 600m深度以下采用抗CO2的3Cr材質(zhì)套管，根據(jù)前面腐蝕因素分析，一旦油管出現(xiàn)泄漏，3Cr材質(zhì)的套管也可能造成腐蝕，從而降低套管強(qiáng)度，特別是井下深度在1 600m以上的套管，采用的是非抗CO2材質(zhì)，腐蝕將更為嚴(yán)重。

注采氣井在反復(fù)注采過程中，套管由于受溫度、壓力、腐蝕和循環(huán)交變載荷的共同作用，其失效形式主要有8種情況：套管腐蝕穿孔、破裂、擠毀和斷裂，套管扣脫扣、跳扣、漏失（密封失效）和套管柱軸向失穩(wěn)。其中腐蝕穿孔、破裂、斷裂等均可能引起儲(chǔ)氣庫內(nèi)天然氣竄漏或泄漏。例如：1988年3月德國Teut schent hal市的某鹽穴地下儲(chǔ)氣庫因井下118m處套管連接失效而發(fā)生泄漏。2001年1月美國中部堪薩斯州哈欽森儲(chǔ)氣庫，因套管損傷失效，導(dǎo)致天然氣泄漏引發(fā)了火災(zāi)爆炸事故。2003年12月美國路易斯安那州儲(chǔ)氣庫因套管失效，致使鹽穴上方注采井套管斷裂，導(dǎo)致天然氣泄漏。

3 水泥環(huán)風(fēng)險(xiǎn)分析

固井水泥環(huán)的作用是減小和延緩井壁圍巖對(duì)套管的作用，改善套管的受力狀況，延長(zhǎng)套管的使用壽命，防止在所鉆各地層之間出現(xiàn)流體竄流而保證長(zhǎng)期層間封隔。因此，水泥環(huán)質(zhì)量的好壞會(huì)影響地層封固效果和套管抗擠毀變形的能力及固井質(zhì)量的好壞。相國寺儲(chǔ)氣庫采用的是柔性水泥和變密度兩凝水泥漿體系，套管強(qiáng)度設(shè)計(jì)符合標(biāo)準(zhǔn)要求，因此從材料和設(shè)計(jì)上提高了套管水泥環(huán)組合體的抗擠性能。

但是水泥環(huán)質(zhì)量最關(guān)鍵的因素是固井時(shí)水泥膠結(jié)質(zhì)量的好壞，其次是水泥膠結(jié)界面狀態(tài)。當(dāng)固井質(zhì)量不好，出現(xiàn)水泥環(huán)缺失、偏心或膠結(jié)不好的情況，套管就會(huì)受到來自地層非均勻載荷作用，特別是在周期性注采的情況下，將降低套管的承載能力，從而影響套管的使用壽命。

儲(chǔ)氣庫目前因固井質(zhì)量問題造成的事故有3起：①2006年10月美國科羅拉多州地下儲(chǔ)氣庫，因固井質(zhì)量存在問題，注采氣井發(fā)生泄漏，當(dāng)?shù)?3戶家庭緊急疏散。②2003年德國巴伐利亞儲(chǔ)氣庫，因固井質(zhì)量缺陷，導(dǎo)致井筒環(huán)空壓力升高。③1980年美國密西西比州儲(chǔ)氣庫，因水泥固井質(zhì)量差，導(dǎo)致天然氣泄漏。

在固井檢測(cè)方法方面，相國寺儲(chǔ)氣庫注采氣井的技術(shù)套管及油層套管采用的是IBC（超聲波成像）及CBL／VDL（聲波—變密度測(cè)井）兩種測(cè)井方法，以確保固井質(zhì)量檢測(cè)的準(zhǔn)確性。但是在對(duì)儲(chǔ)氣庫相儲(chǔ)7井的固井質(zhì)量進(jìn)行IBC檢測(cè)時(shí)，不同時(shí)間段的兩次檢測(cè)結(jié)果存在較大差異。另外CBL／VDL在測(cè)井結(jié)果上也存在不確定性和多解性，尤其是對(duì)需要高度關(guān)注的第二界面的膠結(jié)狀況、環(huán)空水泥石的分布狀況、水泥石的密度和抗壓強(qiáng)度以及微間隙等參數(shù)不能作定量解釋，可能使檢測(cè)結(jié)果不能完全真實(shí)反映實(shí)際情況，因此，使水泥環(huán)存在失效的風(fēng)險(xiǎn)。

4 井下安全閥風(fēng)險(xiǎn)分析

井下安全閥是一種安放于井筒內(nèi)、連接于油管上，能夠在地面或井下出現(xiàn)異常情況時(shí)，關(guān)閉油管內(nèi)的流體通道，實(shí)現(xiàn)流體的阻斷，以確保安全。相國寺儲(chǔ)氣庫采用的是油管回收式安全閥，是油管管柱的組成部分，安裝在井口以下80～100m的位置，工作壓力為35 MPa。在完井期間與油管和其他井下設(shè)備一起安裝。

根據(jù)國外資料［10］，安全閥系統(tǒng)出現(xiàn)故障往往是由其他部件出現(xiàn)故障或井下環(huán)境因素造成的，而非安全閥本身的原因。主要是由于流體沖擊、腐蝕、液壓不夠、閥瓣彈簧斷裂、控制線路故障和人為操作不當(dāng)?shù)仍蛟斐删掳踩y失靈。由于相國寺儲(chǔ)氣庫井下安全閥采用的是9Cr－1Mo材質(zhì)，而且在安全閥上下各安裝了一個(gè)流動(dòng)短節(jié)，因此受到腐蝕和流體沖擊的影響較小。那么造成井下安全閥失靈的主要原因?qū)⒂幸韵聨追矫妫?/p>

1）安裝前沒有進(jìn)行檢驗(yàn)、試壓，安裝過程中操作不當(dāng)，損壞了絲扣、金屬密封、控制管線和閥瓣彈簧等附屬部件，可能造成安全閥失靈。

2）如果液壓控制液漏失或混入雜質(zhì)，可能造成安全閥系統(tǒng)失靈。另外安全閥控制液必須在較寬的溫度和壓力范圍內(nèi)，才能有效地發(fā)揮作用，因此，一旦環(huán)境條件發(fā)生較大變化將可能造成安全閥失靈。

3）由于節(jié)流裝置上、下管壁以及生產(chǎn)管柱剖面變化處的流體流動(dòng)狀態(tài)會(huì)發(fā)生突變，而安全閥內(nèi)徑比油管內(nèi)徑小，因此連接處容易造成沖蝕，從而影響安全閥的功能和使用壽命。

5 封隔器風(fēng)險(xiǎn)分析

相國寺儲(chǔ)氣庫注采氣井中的定向井采用的是壓力為35MPa的可取式封隔器，可以通過上下提放進(jìn)行解封，方便后期修井作業(yè)。水平井采用的是壓力為35 MPa液壓坐封的永久式封隔器，一旦坐封，不易解封，只有通過套銑才能解封取出。兩種注采氣井均采用9Cr－1Mo材質(zhì)的封隔器。

根據(jù)前面的分析，生產(chǎn)過程中，封隔器可能因地層應(yīng)力和注采過程中的應(yīng)力變化使套管和油套管變形、腐蝕以及封隔器密封元件失效等原因，造成封隔器失效，形成環(huán)空帶壓，嚴(yán)重影響氣井的產(chǎn)量，降低儲(chǔ)氣庫的供氣能力，并導(dǎo)致套管腐蝕。

5．1 應(yīng)力變化導(dǎo)致失效

注采氣時(shí)由于套管受到內(nèi)壓載荷、溫度載荷及軸向載荷的影響，封隔器和油管之間就會(huì)產(chǎn)生力的作用，如果這些力超出管柱最大負(fù)荷，將導(dǎo)致封隔器損壞或管柱永久變形破壞。

5．2 腐蝕的影響

9Cr－1Mo材質(zhì)的封隔器位于井下2 000m左右，在該深度封隔器將可能受到CO2腐蝕的影響，降低與油管和套管連接處的強(qiáng)度，從而導(dǎo)致封隔器失效。

5．3 密封元件失效

封隔器的密封元件系統(tǒng)包括膠筒及其支承體。如果膠筒從支承體裝置的小縫中被擠出，即發(fā)生擠出失效［11］。如果工作溫度超過材料的額定工作溫度，其強(qiáng)度就會(huì)降低，使密封元件被擠出。如果封隔器所承受的壓力差和封隔器與套管間作用力超出其所能承受的額定值，封隔器內(nèi)密封元件橡膠壓力增大，也會(huì)致使密封元件擠出。

6 對(duì)策措施及建議

1）對(duì)于井下設(shè)備及工具，根據(jù)腐蝕因素建議按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)如API、NACE，選擇合理的材質(zhì)。

2）在油、套環(huán)形空間充滿含緩蝕劑的完井液，既可避免套管承受高壓，又可防止腐蝕性物質(zhì)對(duì)油管外壁和套管內(nèi)壁的腐蝕。

3）對(duì)油管表面進(jìn)行涂層處理以減少?zèng)_蝕的磨損。

4）生產(chǎn)過程中加強(qiáng)注采氣井的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)分析，及時(shí)了解和發(fā)現(xiàn)油、套管使用情況和出現(xiàn)的問題。

5）對(duì)水泥膠結(jié)狀態(tài)進(jìn)行定期檢測(cè)，獲得測(cè)量聲波幅度、時(shí)差、水泥環(huán)密度、抗壓強(qiáng)度、聲阻抗等參數(shù)，確定水泥環(huán)與套管、地層之間的膠結(jié)情況。

6）井下安全閥安裝前進(jìn)行檢驗(yàn)、試壓。安裝時(shí)注意檢查外觀是否有損壞。安全閥的控制管線接頭上扣時(shí)扭矩不能過大，以免損壞金屬密封。下入過程中要防止磕、擠、碰的現(xiàn)象發(fā)生，平穩(wěn)下放，并定期對(duì)安全閥進(jìn)行開關(guān)操作。

7）在庫區(qū)范圍設(shè)置一定數(shù)量的觀察井，對(duì)儲(chǔ)氣庫進(jìn)行安全監(jiān)測(cè)和運(yùn)行動(dòng)態(tài)觀察，以便及時(shí)檢測(cè)泄漏到任何層位的氣體［12］。

8）建立一套針對(duì)注采氣井的完整性管理體系，包括：①各注采氣井的基礎(chǔ)資料檔案，如：設(shè)計(jì)資料、施工資料和生產(chǎn)運(yùn)行資料等；②定期對(duì)井下油管、套管進(jìn)行腐蝕監(jiān)測(cè)和油套環(huán)空壓力監(jiān)測(cè)；③對(duì)井下安全閥和井口安全截?cái)嘞到y(tǒng)的可靠性進(jìn)行檢測(cè)；④根據(jù)各種檢測(cè)數(shù)據(jù)和管理情況，定期開展注采氣井的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估；⑤根據(jù)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的結(jié)果確定是否進(jìn)行修井作業(yè)；⑥經(jīng)過檢測(cè)和風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估不能繼續(xù)使用的井應(yīng)予以報(bào)廢并封堵。

7 結(jié)束語

根據(jù)相關(guān)事故和調(diào)查數(shù)據(jù)分析，儲(chǔ)氣庫的注采氣井具有較高的安全風(fēng)險(xiǎn)。對(duì)相國寺儲(chǔ)氣庫注采氣井主要井下設(shè)施進(jìn)行了安全風(fēng)險(xiǎn)分析，其主要安全風(fēng)險(xiǎn)是由于腐蝕和應(yīng)力變化等原因引起的各種井下設(shè)施失效，導(dǎo)致天然氣竄漏或泄漏，從而引發(fā)火災(zāi)和爆炸事故。因此，在儲(chǔ)氣庫生產(chǎn)運(yùn)行過程中應(yīng)重點(diǎn)加強(qiáng)對(duì)注采氣井的維護(hù)和管理工作，建立一套系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)、評(píng)估和管理制度，以確保相國寺儲(chǔ)氣庫安全平穩(wěn)的運(yùn)行。

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