油田開發(fā)井淺表層地下井噴危害與防控

鄭煥軍（大慶油田有限責(zé)任公司第六采油廠）

井噴是事故，井噴失控具有顛覆性，一旦發(fā)生會(huì)給員工安全、環(huán)境保護(hù)和國家能源帶來巨大負(fù)面影響，因此井噴是安全評(píng)估不可容許風(fēng)險(xiǎn)，井噴失控被列為油氣田勘探開發(fā)過程風(fēng)險(xiǎn)之首，受到嚴(yán)格管控。井噴分為井口井噴和地下井噴兩種。地下井噴是1994年全國科學(xué)技術(shù)名詞審定委員會(huì)審定發(fā)布的石油名詞，是指地層內(nèi)高壓層流體因井筒內(nèi)第一道屏障失效進(jìn)入到低壓層或由于井身完整性破壞井第二道屏障失效，井筒內(nèi)流體通過本井或其他井套管外泄露地表現(xiàn)象，進(jìn)而危及生命和財(cái)產(chǎn)的安全事故。根據(jù)有關(guān)井噴統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，鉆井和修井中地下井噴發(fā)生概率是井口井噴的1.5～2.0倍，地下井噴占比65%，所造成經(jīng)濟(jì)損失遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過井口井噴[1-4]。

1 地下井噴危害

與井口防噴器組等控制設(shè)備失效導(dǎo)致的井口井噴相比，由于井身完整性破壞井第二道屏障失效發(fā)生的地下井噴具有更大的危害性，防控難度更大。

1）泄漏點(diǎn)多。由于該種地下井噴是通過地層裂縫或低承壓部位發(fā)生的泄露，所以泄漏點(diǎn)多為幾處或幾十處。如2006年羅家2井地下井噴泄漏點(diǎn)28處；2020年油田某廠某氣井發(fā)生地下井噴，地表泄漏點(diǎn)達(dá)到十幾處。

2）持續(xù)時(shí)間長。由于地下井噴發(fā)生在井下，當(dāng)在地表發(fā)現(xiàn)泄露時(shí)，井噴已發(fā)生了一段時(shí)間，能量積蓄在地層內(nèi)。即使第一時(shí)間在井筒內(nèi)建立起壓力平衡地層壓力，但地層內(nèi)蓄積的能量還需持續(xù)釋放一段時(shí)間，因此無法達(dá)到井口井噴2 h內(nèi)控制井口的效果。同時(shí)，由于地下井噴需識(shí)別判斷井身狀況，工程測井階段不能使用密度相對(duì)較高的固相壓井液，因此也延長了井噴時(shí)間。2020年，油田某廠某氣井發(fā)生地下井噴，從發(fā)生到處置結(jié)束歷經(jīng)4天時(shí)間，7天左右地表才完全無顯示。

3）環(huán)境污染大。由于泄漏點(diǎn)多、持續(xù)時(shí)間長，勢必造成污染物總量較多。特別是地下井噴若發(fā)生在地表水資源豐富區(qū)域，更加大了環(huán)境污染控制難度。

4）經(jīng)濟(jì)損失巨大。在地下井噴發(fā)生期，因油氣大面積泄露，需設(shè)置一定范圍安全隔離區(qū)，該區(qū)域內(nèi)電力供應(yīng)和設(shè)備運(yùn)行均受到影響，硫化氫等有毒有害氣體達(dá)到一定濃度時(shí)還需進(jìn)行人員撤離。2020年，油田某廠某氣井發(fā)生地下井噴，周圍近百口油水井，停產(chǎn)、停注近4天。2006年，羅家2井地下井噴緊急疏散人口近0.7萬人。同時(shí)，對(duì)于工藝處理難度大的高危井，被迫采取工程報(bào)廢等措施，會(huì)造成巨大產(chǎn)能和經(jīng)濟(jì)損失。

2 地下井噴研究

地下井噴因其危害性巨大，一直是國內(nèi)外井噴控制研究的重點(diǎn)[5-6]。研究對(duì)象主要面向鉆井和修井過程中地下井噴。如聶世軍等將鉆井和修井過程地下井噴分為井筒壓力高于地層破裂壓力、井下管柱腐蝕斷裂、開窗側(cè)鉆、井眼相碰等6種情況[7]。對(duì)于地面井噴，通常用感官直覺就可以鑒定。但是對(duì)于地下井噴，感官直覺無法預(yù)測，除非它已經(jīng)發(fā)展為地面事件。研究方向大多集中在地下井噴發(fā)生后通過溫度測井等工程測井方法識(shí)別漏點(diǎn)位置及采取強(qiáng)行下鉆、頂部壓井等應(yīng)急處置措施[8]。

在鉆進(jìn)中發(fā)生地下井噴，鉆頭位于井底，應(yīng)用U形管理論進(jìn)行井底常壓法進(jìn)行井控。遵循兩個(gè)原則，一是最終使井底流壓高于地層壓力，控制地層流體不再流入井筒，二是在井控過程中不能使井口壓力高于承壓限[9-10]。堵漏壓井法分為壓井液到達(dá)井底、關(guān)井堵漏、壓井液到達(dá)井噴層和建立過平衡壓力四個(gè)階段，達(dá)到控制井噴的目的。按照安全管理“安全第一、預(yù)防為主、綜合治理”的工作方針，將開發(fā)井地下井噴研究從治理階段前延到防控階段，是未來的發(fā)展方向，也是最經(jīng)濟(jì)有效的手段。

3 開發(fā)井地下井噴形勢

隨著油田開發(fā)年限增加，電化學(xué)腐蝕等因素導(dǎo)致生產(chǎn)套管損害加劇，增加井屏障失效的概率。如開發(fā)近50年的油田某廠有氣井14口，近8年來陸續(xù)發(fā)生4起地下井噴。

特別是硫化物增加后，硫化物氫脆破壞會(huì)加速井屏障失效。如該廠某氣井2016年依據(jù)工程測井成果，結(jié)合電化學(xué)腐蝕速率，評(píng)價(jià)可安全生產(chǎn)約17年，但2020年該井生產(chǎn)套管在淺層發(fā)生斷脫導(dǎo)致地下井噴事件發(fā)生。該井硫化氫含量從2016年0.1 mg/m3上升到2019年59 mg/m3。油田廣泛發(fā)育淺氣層、淺水層，歷史原因部分井固井水泥未返回到地面，這些均會(huì)增加地下井噴風(fēng)險(xiǎn)，因此開展超前防控工作勢在必行。

4 防控技術(shù)對(duì)策

4.1 對(duì)井筒內(nèi)流體進(jìn)行組分分析

分析發(fā)生地下井噴三個(gè)關(guān)鍵要素：生產(chǎn)套管和固井水泥組成的屏障、壓力源、地層通道。其中壓力源和地層通道為客觀存在，生產(chǎn)套管和固井水泥組成的屏障是可控要素，因此圍繞這一完整性要件，結(jié)合流體性質(zhì)和井身現(xiàn)狀，設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別流程，形成防控技術(shù)對(duì)策。

重點(diǎn)關(guān)注H2S、CO2組分，確定井下環(huán)境和腐蝕程度，為工程測井井控硫化氫防護(hù)和技術(shù)措施選擇提供依據(jù)。

4.2 制定防控技術(shù)對(duì)策

對(duì)淺氣層、淺水層發(fā)育區(qū)域的油氣水井生產(chǎn)套管和固井水泥環(huán)進(jìn)行工程測井（MIT+MTT測井、CAST-V測井等測井技術(shù)），驗(yàn)證生產(chǎn)套管和固井水泥環(huán)膠結(jié)質(zhì)量，評(píng)價(jià)井身全生命周期完整性，并結(jié)合井內(nèi)流體性質(zhì)，形成以下三種技術(shù)對(duì)策。

Ⅰ）針對(duì)水泥環(huán)固井質(zhì)量良好以上、生產(chǎn)套管評(píng)價(jià)使用年限長、井內(nèi)流體非酸性環(huán)境的井，井屏障失效風(fēng)險(xiǎn)主要來自于電化學(xué)腐蝕。風(fēng)險(xiǎn)防控可通過工程測井成果測得殘余壁厚，結(jié)合電化學(xué)腐蝕速率給出安全生產(chǎn)年限，開發(fā)中按照生產(chǎn)管理規(guī)定監(jiān)測各項(xiàng)壓力變化情況可有效預(yù)防。

Ⅱ）針對(duì)水泥環(huán)固井質(zhì)量差或無、生產(chǎn)套管評(píng)價(jià)使用年限長、井內(nèi)流體非酸性環(huán)境油井，通過提高兩個(gè)膠結(jié)面膠結(jié)指數(shù)，風(fēng)險(xiǎn)防控生產(chǎn)套管局部電化學(xué)腐蝕后，管外串槽。采取一次擠水泥法、循環(huán)水泥法或分層擠水泥法，提高第一、二界面膠結(jié)指數(shù)，重構(gòu)固井水泥環(huán)完成性。一次擠水泥法適用于長井段膠結(jié)質(zhì)量差的井，在目標(biāo)層段射孔，通過炮眼擠注水泥。循環(huán)水泥法適用于長井段未封固井，井眼條件允許水泥循環(huán)，在水泥返高頂部附近套管處進(jìn)行射孔，通過套管和井眼環(huán)空循環(huán)水泥進(jìn)行封堵。分層擠水泥法適用于固井質(zhì)量不合格井段多且不連續(xù)的井，在目的層段上、下方分別射孔、擠水泥進(jìn)行封堵。

Ⅲ）對(duì)井內(nèi)流體酸性環(huán)境井，風(fēng)險(xiǎn)防控為酸性化境下，生產(chǎn)套管金屬材料的低應(yīng)力氫脆破壞，防控手段是淺表層取套后，生產(chǎn)套管使用抗硫管材，固井返高至地面，重構(gòu)淺氣層、淺水層部位井屏障。生產(chǎn)套管管材的選擇以安全、經(jīng)濟(jì)為原則，根據(jù)腐蝕類型，綜合考慮壓力、溫度、載荷和環(huán)境介質(zhì)等各種因素影響，選擇生產(chǎn)套管適用材質(zhì)，保證套管柱在全生命周期內(nèi)安全可靠。

5 方案實(shí)施情況及效益

5.1 方案實(shí)施

2020年實(shí)施技術(shù)對(duì)策Ⅱ開展2口固井質(zhì)量不合格井井段修復(fù)，1#試驗(yàn)井固井質(zhì)量統(tǒng)計(jì)見表1。分兩段封堵，采取分段封堵分段試壓方法，分段試壓不合格進(jìn)行重堵，擠水泥封堵情況見表2。全部封堵后再進(jìn)行全井試壓15 MPa，穩(wěn)壓30 nin壓力不降，說明射孔層段封堵成功，1#試驗(yàn)井儲(chǔ)層射孔及驗(yàn)竄見圖1。修復(fù)的8個(gè)層段，6個(gè)優(yōu)質(zhì)，2個(gè)合格。

表1 1#試驗(yàn)井固井質(zhì)量統(tǒng)計(jì)

表2 擠水泥封堵情況統(tǒng)計(jì)

圖1 1#試驗(yàn)井儲(chǔ)層射孔及驗(yàn)竄

5.2 經(jīng)濟(jì)效益

以2020年6月某廠某氣井發(fā)生淺層地下井噴事件為例，對(duì)比實(shí)際損失與預(yù)測執(zhí)行防控技術(shù)對(duì)策Ⅲ的效果，共減少約10×104m3天然氣損耗，減少10余處近4天油氣泄露污染。實(shí)際發(fā)生應(yīng)急處置到恢復(fù)產(chǎn)能新鉆井約需費(fèi)用800萬元，執(zhí)行控制方案費(fèi)用約55萬元，投入產(chǎn)出比約1∶14。

6 結(jié)論與認(rèn)識(shí)

地下井噴井控工作應(yīng)由應(yīng)急處置提前到防控工作中，確保井控工作預(yù)防為主的理念發(fā)揮有效作用?，F(xiàn)場試驗(yàn)表明，單一采用MIT+MTT測井資料分析判定生產(chǎn)套管使用壽命具有一定局限性，應(yīng)綜合分析流體組分對(duì)金屬管材使用壽命影響。在2口井實(shí)施固井質(zhì)量井段修復(fù)，重構(gòu)第二井屏障。該防控方案在油田淺氣層、淺水層發(fā)育區(qū)域有借鑒意義。