高含硫氣井安全隱患治理技術(shù)思路與實(shí)踐

摘 要

摘要：針對四川盆地東部地區(qū)高含硫氣井在前期開發(fā)過程中因氣井本身結(jié)構(gòu)的不完整性和復(fù)雜的地質(zhì)構(gòu)造、人居環(huán)境，導(dǎo)致部分氣井存在一定安全隱患的問題，為實(shí)現(xiàn)其安全隱患的科學(xué)治理
摘要：針對四川盆地東部地區(qū)高含硫氣井在前期開發(fā)過程中因氣井本身結(jié)構(gòu)的不完整性和復(fù)雜的地質(zhì)構(gòu)造、人居環(huán)境，導(dǎo)致部分氣井存在一定安全隱患的問題，為實(shí)現(xiàn)其安全隱患的科學(xué)治理、徹底根治，結(jié)合四川東部地區(qū)含硫氣井的特點(diǎn)和完井現(xiàn)狀，通過對完井管柱、完井套管、固井、復(fù)雜地質(zhì)結(jié)構(gòu)及氣井本身完整性等的綜合分析，形成了高含硫氣井安全隱患分析及綜合評估方法，對油層套管固井質(zhì)量未達(dá)標(biāo)、油層套管固井質(zhì)量合格、產(chǎn)量低無經(jīng)濟(jì)開采價值的高含硫氣井進(jìn)行分類，形成各具特色的治理技術(shù)思路，并制訂了產(chǎn)層封閉、井筒薄弱段及關(guān)鍵泄漏部位封堵等的永久封閉配套技術(shù)方案。通過現(xiàn)場實(shí)踐，達(dá)到了科學(xué)治理、不留隱患的隱患治理要求，所形成的高含硫氣井安全隱患治理的隱患分析方法、治理技術(shù)思路和永久封閉配套技術(shù)，對類似氣井的安全隱患綜合治理工作具有指導(dǎo)意義。
關(guān)鍵詞：四川盆地；東；氣井；硫化氫；安全；隱患；技術(shù)；實(shí)踐：
    川渝氣區(qū)高含硫氣田主要分布在川東地區(qū)，由于氣井普遍具有井深、高酸性、高壓、高產(chǎn)等特點(diǎn)，氣井縱向上地質(zhì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，存在多裂縫系統(tǒng)、淺表層漏失嚴(yán)重的問題。地理位置屬于山區(qū)，交通極不方便，人居密度較大。高酸性氣體腐蝕性強(qiáng)，易導(dǎo)致井下管柱腐蝕。如遇氣井本身存在缺陷，含硫天然氣經(jīng)油、套管絲扣、工具等處滲漏，并沿上部裂縫系統(tǒng)竄漏至地表，將直接影響氣井安全生產(chǎn)和威脅到地面人居環(huán)境安全。
    為確保高含硫氣田安全開發(fā)，實(shí)現(xiàn)“安全環(huán)保、科學(xué)發(fā)展、效益開發(fā)”。按照“科學(xué)治理、不留隱患”的原則，達(dá)到對存在隱患的高含硫氣井徹底封堵的目的，通過組織國內(nèi)、外的鉆井、完井、測井及安全風(fēng)險評估等相關(guān)技術(shù)專家對現(xiàn)有高含硫氣井逐井核查、評估和重新審視，制訂了一系列治理方案，經(jīng)現(xiàn)場實(shí)踐和總結(jié)，形成了一套適宜于高含硫氣井安全隱患評估和治理的技術(shù)思路[1～2]。
1 高含硫氣井存在的主要安全隱患
    四川東部地區(qū)高含硫氣井，硫化氫含量高(H2S含量大于等于5%)、壓力高(井口關(guān)井壓力大于等于30MPa)、井深(大于4000m)、單井氣產(chǎn)量高(大于100×104m3/d)；氣井縱向上地質(zhì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，上部地層斷層、裂縫發(fā)育，淺表層井漏嚴(yán)重，影響固井質(zhì)量；叢式井井口間距太近，易造成井間互竄；井斜較大(超過45°)；套管存在磨損，強(qiáng)度降低；高含硫氣井地處山區(qū)，地面交通不便，人居密集，其危害性較大。
1.1 高壓、高含硫氣引起完井管柱滲漏、套管環(huán)空竄氣
一是早期在高含硫氣井中油、套管未使用氣密封扣，高壓氣容易經(jīng)油、套管絲扣、井下工具泄漏(如井下安全閥、滑套、伸縮接頭和封隔器等)，引起各層套管帶壓甚至經(jīng)地表斷層、裂縫竄漏到地面形成安全風(fēng)險；二是完井油、套大部分是采用碳素鋼類抗硫材質(zhì)，如果防腐措施不到位，因綜合腐蝕導(dǎo)致油、套管穿孔，高含硫天然氣滲漏到上部地層形成安全隱患。
1.2 套管附件存在薄弱點(diǎn)，固井質(zhì)量差導(dǎo)致套管間竄氣
川東地區(qū)大部分采用“三開三完”的井身結(jié)構(gòu)。由于氣井較深，一方面在固井工藝上常采用懸掛與回接的方式，因受溫差大的影響和套管間隙小的限制，上部套管和尾管的固井質(zhì)量較差；另一方面由于裸眼井段長，壓力系數(shù)相差大，如采用分級箍固井，這些固井附件成為油層套管的薄弱點(diǎn)。一旦完井管柱發(fā)生泄漏，便會引起套管間和上部地層竄氣。如C-1叢式井組，生產(chǎn)井C-11油層套管分節(jié)箍發(fā)生泄漏，天然氣通過上部漏層進(jìn)入相鄰的回注井C注1井，因回注井固井質(zhì)量不合格，天然氣沿上部斷層和裂縫上竄到地表發(fā)生環(huán)境風(fēng)險，經(jīng)治理達(dá)到安全狀態(tài)(圖1)。
 

1.3 氣井的不完整性也會帶來安全隱患和風(fēng)險
    ① 井口裝置存在缺陷；②油層套管固井質(zhì)量較差；③油層套管絲扣滲漏；④完井管柱存在缺陷(未下入永久式封隔器，油管絲扣和工具存在泄漏)；⑤防腐工藝措施不到位，油、套管和井口裝置存在腐蝕和滲漏；⑥高含硫氣井存在缺陷，又處于人口密集和環(huán)境敏感區(qū)域，存在高含硫氣泄漏導(dǎo)致環(huán)境污染。如位于人口聚集區(qū)的W14井，H2S含量65.8g/m3，存在井口、井下油套管腐蝕泄漏及硫化氫中毒的嚴(yán)重安全隱患(圖2)。
 

1.4 鉆井中上部套管磨損，降低了油層套管的強(qiáng)度，存在套管損壞泄漏風(fēng)險
    隨著深井和大斜度井的廣泛應(yīng)用，由于鉆井周期較長，起下鉆次數(shù)多，如果防磨措施不到位，上部套管容易被磨損，大大降低油層套管的強(qiáng)度甚至損壞。如生產(chǎn)管柱出現(xiàn)竄漏，套壓上升出現(xiàn)套管超壓和泄漏的安全隱患。
2 高含硫氣井安全隱患評估
    盡管一口井可能存在上述的某種安全風(fēng)險，但它不是封閉的唯一條件，不是所有高含硫氣井均存在安全隱患和開發(fā)風(fēng)險。本著“安全環(huán)保、科學(xué)發(fā)展、效益開發(fā)”的原則，為了科學(xué)開發(fā)好高含硫氣田，消除高含硫氣井已存在的安全隱患，結(jié)合高含硫氣井隱患特征，通過對高含硫氣井地質(zhì)、鉆井、固井、完井、材質(zhì)、防腐、地面人居環(huán)境等方面開展綜合評估，對存在風(fēng)險的氣井針對性地制訂治理方案，才能真正實(shí)現(xiàn)高含硫氣田的安全開發(fā)[3～4]。
2.1 組織成立評估專家組
    聘請國內(nèi)鉆井、完井、測井、材料、防腐和安全等相關(guān)專業(yè)專家組成評估專家組。綜合應(yīng)用相關(guān)技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)對高含硫氣井進(jìn)行評估并形成評估報告。
2.2 確立高含硫氣井安全風(fēng)險分類標(biāo)準(zhǔn)
    根據(jù)安全風(fēng)險程度分為A、B、C3級。其中：A級屬于存在嚴(yán)重安全隱患，急需實(shí)施永久性封閉治理；B級屬于存在一定安全隱患，但通過治理后恢復(fù)生產(chǎn)；C級是氣井雖然存在一定缺陷，沒有大的安全風(fēng)險可監(jiān)控使用，需制定詳細(xì)的監(jiān)控措施。
2.3 確定高含硫氣井評估和治理原則
    1) 嚴(yán)格執(zhí)行氣田開發(fā)綱要。
2) 鎖定不完整的高含硫開發(fā)井和“三高”探井。
3) 重點(diǎn)敏感區(qū)域必須把安全、環(huán)保放在首位。
4) 綜合考慮高含硫氣田安全開發(fā)和效益開發(fā)。
5) 氣井封閉原則還要充分考慮上部地層的勘探開發(fā)潛力和綜合利用。
    6) 對存在嚴(yán)重安全隱患風(fēng)險的高含硫氣井和“三高”探井應(yīng)徹底治理。
2.4 通過對高含硫氣井逐井排查，建立高含硫氣井單井評價檔案
    (1)單井井史卡片；(2)井身結(jié)構(gòu)圖；(3)各層套管數(shù)據(jù)表；(4)固井?dāng)?shù)據(jù)及質(zhì)量評價；(5)完井管柱結(jié)構(gòu)及相關(guān)數(shù)據(jù)；(6)井口裝置及相關(guān)壓力資料；(7)氣井產(chǎn)量、流體性質(zhì)；(8)氣井鉆井、完井及生產(chǎn)過程中有關(guān)歷史事件記載；(9)防腐措施；(10)氣井周圍500m范圍內(nèi)人居環(huán)境調(diào)查情況；(11)井安系統(tǒng)；(12)評估結(jié)論及建議。
3 高含硫氣井永久封閉技術(shù)方案
    根據(jù)評估結(jié)果，針對存在嚴(yán)重安全隱患的高含硫氣井(屬于A級)，按照“科學(xué)治理、不留隱患”的原則，達(dá)到對高含硫氣井徹底治理的目的。認(rèn)真編制高含硫氣井永久封閉技術(shù)方案和單井設(shè)計(jì)(包括地質(zhì)設(shè)計(jì)、工程設(shè)計(jì)、施工設(shè)計(jì)和安全、環(huán)保預(yù)案)[5～6]。
3.1 治理技術(shù)思路
    1) 對于油層套固井質(zhì)量未達(dá)標(biāo)，存在天然氣上竄泄漏危險的井需對氣層進(jìn)行擠水泥封堵，并對套管外竄槽井段采用射孔、擠水泥封堵；套管內(nèi)采用橋塞+水泥塞段封閉，原則上應(yīng)該分2～3段進(jìn)行封堵；在有效封閉井段的套管外應(yīng)有100m左右的優(yōu)質(zhì)水泥塞段，防止天然氣經(jīng)管外竄到地表，每段水泥塞長度不低于200m，最后一個水泥塞位置應(yīng)在表層套管鞋以上。井筒注入重鉆井液，安裝簡易井口及壓力表，井口周圍需進(jìn)行必要的保護(hù)。
2) 對于油層套管固井質(zhì)量合格，產(chǎn)層部位以上管外水泥有100m連續(xù)井段固井質(zhì)量優(yōu)的井，這類井含硫天然氣沿套管外上竄的風(fēng)險極小。因此，可采用先對產(chǎn)氣層擠水泥封堵，然后用橋塞+水泥塞封閉，最后一段水泥塞應(yīng)封在套管薄弱段以上，每段水泥塞長度不低于200m；井筒內(nèi)注入鉆井液，井筒內(nèi)應(yīng)下入光油管，安裝與區(qū)域地層壓力相符的采氣井口，井口周圍需進(jìn)行必要的保護(hù)，可作為上部潛力層回采井觀察利用。
3) 對于產(chǎn)量低無經(jīng)濟(jì)開采價值的高含硫氣層，因套管固井質(zhì)量合格不會發(fā)生含硫天然氣上竄泄漏的風(fēng)險，上部地層又具有勘探開發(fā)潛力，可采用橋塞+水泥塞封閉，封閉產(chǎn)層的水泥塞厚度應(yīng)大于200m。井筒注入鉆井液或清水壓到井口，井筒內(nèi)應(yīng)下入光油管，安裝與區(qū)域地層壓力相符的采氣井口，井口周圍需進(jìn)行必要的保護(hù)同時可利用該井實(shí)施回采工作，充分利用現(xiàn)有資源。
4) 所有封閉井應(yīng)對井口進(jìn)行保護(hù)，安裝一條放噴管線，加強(qiáng)壓力觀察，按生產(chǎn)井管理模式建立資料臺賬。
3.2 封閉方案
3.2.1產(chǎn)層封閉方案
3.2.1.1 壓井
    油管內(nèi)采用擠注法壓井，將油管內(nèi)的氣體擠入地層，實(shí)現(xiàn)壓井液液柱壓力與地層壓力平衡，同時向氣層擠入一定量的壓井液，防止氣竄。當(dāng)油管內(nèi)壓井成功后，采用打開CMPA滑套，建立油、套循環(huán)通道。如果 CMPA滑套打不開或無滑套，則進(jìn)行油管穿孔，采用油套循環(huán)壓井，最終達(dá)到壓井平穩(wěn)。
3.2.1.2 解除封隔器錨定或切割油管
    壓井平穩(wěn)后，將采氣井口換裝成防噴器。上提、正轉(zhuǎn)管柱實(shí)施解除錨定。如果解除錨定不成功，則實(shí)施油管倒扣或切割作業(yè)，起出封隔器以上管柱。
3.2.1.3 封堵產(chǎn)層
下入鉆具，通過鉆具向產(chǎn)層試擠入壓井液，根據(jù)流量決定是否能向產(chǎn)層擠入水泥漿。如果有條件則最好先產(chǎn)層擠入水泥漿，以達(dá)到產(chǎn)層有效封堵。在原封隔器以上座封橋塞，在其上注入水泥塞并試壓合格。
3.2.2井筒薄弱段及關(guān)鍵部位封閉方案
    1) 尾管懸掛器、分級箍、套管回接處和套管偏磨處是套管受損和密封的薄弱點(diǎn)，為確保井筒尾管懸掛器、分級箍、套管回接等薄弱點(diǎn)的安全，封堵產(chǎn)層后，在薄弱點(diǎn)上下應(yīng)注水泥塞封閉。
    2) 固井質(zhì)量差，高含硫氣層上部無連續(xù)50m以上優(yōu)質(zhì)固井質(zhì)量段，特別是單層套管固井段，是安全隱患的薄弱段，存在高含硫天然氣管外上竄泄漏風(fēng)險。采用分段套管穿孔，用封隔器分隔擠注水泥固井，在薄弱段及上下形成連續(xù)注水泥塞封閉。
3.2.3井口保護(hù)
    1) 永久封閉井，安裝簡易井口和壓力表。
    2) 安裝一條引流放噴管線到點(diǎn)火池。
    3) 井口周圍安裝防護(hù)欄桿。
4 實(shí)例分析與永久封閉實(shí)踐
    四川油氣田組織專家組對可能存在風(fēng)險的高含硫氣井進(jìn)行了重新審視和評估，并確定了一批高含硫氣井必須實(shí)施永久性封閉。下面介紹LJ-XX井治理典型實(shí)例。
4.1 治理前氣井基本情況
    該井為1口水平井，最大井斜90.5°，造斜點(diǎn)井深1950m，入靶點(diǎn)A點(diǎn)3636m，出靶點(diǎn)B點(diǎn)4248m，水平段長612m。完井測試產(chǎn)氣250×104m3/d，關(guān)井井口壓力32MPa，天然氣中H2S含量為130g/m3、C02含量為95g/m3。該井主產(chǎn)層以上、井深1017m以下具多個氣測異常、斷層和裂縫發(fā)育，井漏顯示強(qiáng)烈。
    1) 井口裝置：法國Malbranque103-70型FF級采氣井口。
    2)井下情況：①井內(nèi)為SAB-3完井封隔器管柱，封隔器下深3409.18m；②環(huán)空為清水+10%CT2-4緩蝕劑；③試油結(jié)束后，油管內(nèi)用清水+緩蝕劑壓井，井下安全閥關(guān)閉；④井口套壓升至27.9MPa，油壓31.0MPa；⑤取油套環(huán)空氣樣同位素分析結(jié)果表明油套管環(huán)形空間內(nèi)的氣為產(chǎn)層的氣源。
4.2 存在的主要隱患
    1) 套管存在隱患，Φ244.5mm套管固井質(zhì)量差，Φ177.8mm套管未回接到井口，Φ244.5mm套管上部段作為油層套管使用。Φ244.5mm套管經(jīng)過一次搶險、兩次造斜鉆進(jìn)，套管磨損情況不詳。套管絲扣為長圓扣，氣密封差，套管存在多處泄漏風(fēng)險。
    2) 該井采用普通碳素鋼抗硫油管組合，管柱上未能安裝加注緩蝕劑裝置，Φ114.3mmVM80SS油管存在著一定的電化學(xué)腐蝕，油管存在腐蝕穿孔泄漏風(fēng)險。
    3) 該井地處敏感地區(qū)，人口居住密度大，距井口100m以內(nèi)有居民51人，500m以內(nèi)有655人。
    4) 上部地層斷層和裂縫發(fā)育，地質(zhì)風(fēng)險大，存在高含硫氣沿上部地層泄漏到地表的重大風(fēng)險。
    5) 該井與鄰井井口相距近，不足3m。根據(jù)外國公司專家評估，井與井相距太近存在安全風(fēng)險。
    鑒于以上因素及該井存在的安全隱患，經(jīng)審視評估，對該井作永久性封閉處理。
4.3 治理情況
    治理方案：打開井下安全閥→試井車測井底壓力→從油管擠入壓井液并向地層試擠獲取參數(shù)(排量和壓力) →向地層擠水泥封堵產(chǎn)層(油管內(nèi)保留一定水泥塞)→切割油管→循環(huán)壓井→注水泥塞→試壓→下電纜橋塞→注水泥塞→試壓→完善井口，完成治理作業(yè)。
    1) 油管內(nèi)壓井：油管內(nèi)擠注密度1.46g/cm3鉆井液40m3，擠入地層25m3，同時求取注人參數(shù)；擠注水泥漿60m3，密度1.93～1.95g/cm3，候凝后探得油管內(nèi)水泥塞面井深2970.20m。
    2) 油管穿孔、循環(huán)壓井液：采用SCWCK-43Y-2型低碎屑穿孔彈對油管2970.20m以上油管段2963.40～2967.50m穿孔，用鉆井液替出環(huán)空保護(hù)液并循環(huán)壓井。
    3) 切割油管：采用SCQG-89Z型切割彈于2961.88m切割Φ114.3mm油管。
    4) 套管內(nèi)分兩段注水泥塞2960～2338.27m和2328～1773.93m。
    5) 試壓35MPa經(jīng)30min不降，合格。
    6) 坐電纜橋塞于井段為1773.12～1773.62m。
    7) 套管內(nèi)分兩段注水泥塞為1772.62～1255.27m和1255～960.25m。
    8) 試壓35MPa經(jīng)30min不降，合格。
    9) 采用密度1.46g/cm3鉆井液壓井至井口。
    10) 安裝簡易井口和防護(hù)圍欄。
4.4 治理結(jié)果及評價
    1)治理前后井身結(jié)構(gòu)如圖3、4所示。

    2)治理后綜合評價。通過對該井隱患的綜合治理作業(yè)，套管內(nèi)第1個水泥塞井段2961.88～2338.27m，套管內(nèi)第2個水泥塞井段為2338.27～1773.93m，在井深1773.62～1773.12m坐Φ145mm電纜橋塞，套管內(nèi)第3個水泥塞井段為1773.12～1255.27m，套管內(nèi)第4個水泥塞井段為1255～960.25m，共計(jì)塞長2001.13m，每個水泥塞探塞后都試壓合格。通過電測解釋Φ177.8mm和Φ244.5mm套管固井質(zhì)量較好，Φ177.8mm在產(chǎn)層以上有連續(xù)厚度達(dá)200m優(yōu)質(zhì)水泥環(huán)堵隔，能有效封隔高含硫天然氣沿套管外上竄。上部井段960m以上Φ177.8mm和Φ244.5mm套管固井質(zhì)量較好，能有效封隔上部淺層氣上竄地表。因此，本井治理工作達(dá)到了永久根治、徹底消除隱患的目的。
5 高含硫氣井安全隱患治理及認(rèn)識
    通過川東地區(qū)高含硫安全隱患?xì)饩舛屡涮准夹g(shù)的探索和實(shí)踐，為高含硫氣井安全治理積累了經(jīng)驗(yàn)，并形成了高含硫氣井安全隱患評估、封堵工藝設(shè)計(jì)和施工較為系統(tǒng)的配套技術(shù)。通過對安全隱患井技術(shù)分析，進(jìn)一步認(rèn)識到在高含硫氣田勘探開發(fā)中存在較大的安全風(fēng)險，要實(shí)現(xiàn)高含硫氣井安全生產(chǎn)，必須嚴(yán)格執(zhí)行天然氣開發(fā)綱要、天然氣安全開發(fā)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)規(guī)程，加強(qiáng)各環(huán)節(jié)工程質(zhì)量控制和管理，進(jìn)一步提高高含硫氣井的完整性，確保高含硫氣井長期處于安全工作狀態(tài)，最終實(shí)現(xiàn)高含硫氣田安全、效益開發(fā)。
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(本文作者：李長忠1 李川東1 雷英全2 1.中國石油西南油氣田公司；2.中國石油天然氣集團(tuán)公司川慶鉆探工程有限公司)