油田開發井淺表層地下井噴危害與防控

鄭煥軍（大慶油田有限責任公司第六采油廠）

井噴是事故，井噴失控具有顛覆性，一旦發生會給員工安全、環境保護和國家能源帶來巨大負面影響，因此井噴是安全評估不可容許風險，井噴失控被列為油氣田勘探開發過程風險之首，受到嚴格管控。井噴分為井口井噴和地下井噴兩種。地下井噴是1994年全國科學技術名詞審定委員會審定發布的石油名詞，是指地層內高壓層流體因井筒內第一道屏障失效進入到低壓層或由于井身完整性破壞井第二道屏障失效，井筒內流體通過本井或其他井套管外泄露地表現象，進而危及生命和財產的安全事故。根據有關井噴統計數據，鉆井和修井中地下井噴發生概率是井口井噴的1.5～2.0倍，地下井噴占比65%，所造成經濟損失遠遠超過井口井噴[1-4]。

1 地下井噴危害

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

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

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

3）環境污染大。由于泄漏點多、持續時間長，勢必造成污染物總量較多。特別是地下井噴若發生在地表水資源豐富區域，更加大了環境污染控制難度。

4）經濟損失巨大。在地下井噴發生期，因油氣大面積泄露，需設置一定范圍安全隔離區，該區域內電力供應和設備運行均受到影響，硫化氫等有毒有害氣體達到一定濃度時還需進行人員撤離。2020年，油田某廠某氣井發生地下井噴，周圍近百口油水井，停產、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，對于工藝處理難度大的高危井，被迫采取工程報廢等措施，會造成巨大產能和經濟損失。

2 地下井噴研究

地下井噴因其危害性巨大，一直是國內外井噴控制研究的重點[5-6]。研究對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、開窗側鉆、井眼相碰等6種情況[7]。對于地面井噴，通常用感官直覺就可以鑒定。但是對于地下井噴，感官直覺無法預測，除非它已經發展為地面事件。研究方向大多集中在地下井噴發生后通過溫度測井等工程測井方法識別漏點位置及采取強行下鉆、頂部壓井等應急處置措施[8]。

在鉆進中發生地下井噴，鉆頭位于井底，應用U形管理論進行井底常壓法進行井控。遵循兩個原則，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井底、關井堵漏、壓井液到達井噴層和建立過平衡壓力四個階段，達到控制井噴的目的。按照安全管理“安全第一、預防為主、綜合治理”的工作方針，將開發井地下井噴研究從治理階段前延到防控階段，是未來的發展方向，也是最經濟有效的手段。

3 開發井地下井噴形勢

隨著油田開發年限增加，電化學腐蝕等因素導致生產套管損害加劇，增加井屏障失效的概率。如開發近50年的油田某廠有氣井14口，近8年來陸續發生4起地下井噴。

特別是硫化物增加后，硫化物氫脆破壞會加速井屏障失效。如該廠某氣井2016年依據工程測井成果，結合電化學腐蝕速率，評價可安全生產約17年，但2020年該井生產套管在淺層發生斷脫導致地下井噴事件發生。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，這些均會增加地下井噴風險，因此開展超前防控工作勢在必行。

4 防控技術對策

4.1 對井筒內流體進行組分分析

分析發生地下井噴三個關鍵要素：生產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，結合流體性質和井身現狀，設計風險識別流程，形成防控技術對策。

重點關注H2S、CO2組分，確定井下環境和腐蝕程度，為工程測井井控硫化氫防護和技術措施選擇提供依據。

4.2 制定防控技術對策

對淺氣層、淺水層發育區域的油氣水井生產套管和固井水泥環進行工程測井（MIT+MTT測井、CAST-V測井等測井技術），驗證生產套管和固井水泥環膠結質量，評價井身全生命周期完整性，并結合井內流體性質，形成以下三種技術對策。

Ⅰ）針對水泥環固井質量良好以上、生產套管評價使用年限長、井內流體非酸性環境的井，井屏障失效風險主要來自于電化學腐蝕。風險防控可通過工程測井成果測得殘余壁厚，結合電化學腐蝕速率給出安全生產年限，開發中按照生產管理規定監測各項壓力變化情況可有效預防。

Ⅱ）針對水泥環固井質量差或無、生產套管評價使用年限長、井內流體非酸性環境油井，通過提高兩個膠結面膠結指數，風險防控生產套管局部電化學腐蝕后，管外串槽。采取一次擠水泥法、循環水泥法或分層擠水泥法，提高第一、二界面膠結指數，重構固井水泥環完成性。一次擠水泥法適用于長井段膠結質量差的井，在目標層段射孔，通過炮眼擠注水泥。循環水泥法適用于長井段未封固井，井眼條件允許水泥循環，在水泥返高頂部附近套管處進行射孔，通過套管和井眼環空循環水泥進行封堵。分層擠水泥法適用于固井質量不合格井段多且不連續的井，在目的層段上、下方分別射孔、擠水泥進行封堵。

Ⅲ）對井內流體酸性環境井，風險防控為酸性化境下，生產套管金屬材料的低應力氫脆破壞，防控手段是淺表層取套后，生產套管使用抗硫管材，固井返高至地面，重構淺氣層、淺水層部位井屏障。生產套管管材的選擇以安全、經濟為原則，根據腐蝕類型，綜合考慮壓力、溫度、載荷和環境介質等各種因素影響，選擇生產套管適用材質，保證套管柱在全生命周期內安全可靠。

5 方案實施情況及效益

5.1 方案實施

2020年實施技術對策Ⅱ開展2口固井質量不合格井井段修復，1#試驗井固井質量統計見表1。分兩段封堵，采取分段封堵分段試壓方法，分段試壓不合格進行重堵，擠水泥封堵情況見表2。全部封堵后再進行全井試壓15 MPa，穩壓30 nin壓力不降，說明射孔層段封堵成功，1#試驗井儲層射孔及驗竄見圖1。修復的8個層段，6個優質，2個合格。

表1 1#試驗井固井質量統計

表2 擠水泥封堵情況統計

圖1 1#試驗井儲層射孔及驗竄

5.2 經濟效益

以2020年6月某廠某氣井發生淺層地下井噴事件為例，對比實際損失與預測執行防控技術對策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。實際發生應急處置到恢復產能新鉆井約需費用800萬元，執行控制方案費用約55萬元，投入產出比約1∶14。

6 結論與認識

地下井噴井控工作應由應急處置提前到防控工作中，確保井控工作預防為主的理念發揮有效作用。現場試驗表明，單一采用MIT+MTT測井資料分析判定生產套管使用壽命具有一定局限性，應綜合分析流體組分對金屬管材使用壽命影響。在2口井實施固井質量井段修復，重構第二井屏障。該防控方案在油田淺氣層、淺水層發育區域有借鑒意義。