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油田废弃井和闲置井封堵要求与监管

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油田废弃井和闲置井封堵要求与监管

发布日期:2019-07-08 作者: 点击:

美国非常注意对油田闲置井和废弃井的管理,加利福尼亚州(简称加州)上百年的老油田还能日产万桶原油。美国加州油气和地热监管局负责对油田闲置井和废弃井的监管工作,目的是减少废弃井和闲置井,确保永久的资源保护、预防地下水污染、环境保护和生产安全。本文介绍美国加州对油田闲置井和废弃井的监管方法,期望能够引起中国油气公司和政府部门对油田闲置井和废弃井监管的重视,从确保人民生活安全、预防地下水污染和防止资源流失的角度出发,建立相关的法规和监管体系。

油田闲置井、废弃井存在许多安全隐患。一是敞口井,没有井口控制,极易发生重大井喷失控事故;二是直接在井口套管短节上焊盲板和井口封井器有问题的井,存在无法测压、放压等问题,一旦井筒压力发生变化,容易造成油气泄露或井喷失控事故;三是多数废弃井井场被占,井场周围50米内建有民房、学校、村庄等建筑物,存在高风险井控安全隐患和环保事故隐患;四是采取井筒注灰等封井措施,因井况限制,灰塞在水泥返高以上,灰塞下部套管损坏后,存在井内油气集聚至油层套管与技术套管环空上窜至井口的风险。

1 中国油田闲置井和废弃井管理相关标准

中国国家发展和改革委员会2006年发布的《废弃井及长停井处置指南》(中华人民共和国石油天然气行业标准SY/T 6646-2006)明确指出,废弃井作业的目的除了保护淡水资源,同时组织地层流体在井内运移。可见,从政府层面,通过废弃井作业来保护自然资源的认识已经具备,但该标准并不具备法律约束力。

《废弃井封井处置规范》(中国石油化工集团公司企业标准Q/SH 0653-2015)对油田废弃井进行了风险分类(见表1),规定在进行单井评价时,有任何一项指标达到较高等级,则全井按照较高等级确定风险。

2 美国加州对油田废弃井封堵的法规要求

2.1 对油田废弃井封堵的法规要求

防止油气水资源的窜流或流失,保护淡水资源免受污染是废弃井封堵的目的。因此,对废弃井封堵的基本要求是建立对油气水层的隔绝,并保持套管机械性能完整。美国加州油气和地热监管局对废弃井封堵有以下几个法规方面的要求。

1)井口表面水泥塞。水泥塞长25英尺(8米),套管内外和所有的套管环空间都必须用水泥封堵,同时需要监察员现场监察。

2)油气层封堵。在裸眼井内,油气层的上中下都要封堵100英尺(31米)长的水泥塞。在已放有套管的井中,所有射孔之上100英尺或者在高射孔处之上100英尺,如果完井时用的是筛管(liner),必须在高筛孔处之上100英尺进行水泥塞封堵。水泥塞的硬度和深度都需要监察员现场监察。

3)套管管鞋的水泥塞。如果井内可以清理到套管鞋之下50英尺(16米),水泥塞必须封堵到套管鞋的上下各50英尺。如果井内未能清理到套管鞋之下50英尺,水泥塞必须封堵到套管鞋之上100英尺,并且需要现场测试水泥塞封堵后的硬度。对套管鞋的封堵完善也是防止将来持续性套管高压气的侵入。

4)筛管的水泥塞。有很多井采用筛管完井法,在封井时,为了防止将来在结口处脱节或泄漏,在结口处之上必须封堵水泥100英尺。

5)地下淡水层封堵。在裸眼井内,淡水层上中下都要各封堵水泥塞100英尺,如果已经安装套管固了井,则需在淡水层上中下各封堵水泥塞50英尺。所有的水泥塞都要现场测试硬度和深度。

6)井内有落物。水泥塞必须封堵至井内落物顶部之上100英尺,监察员必须到现场监督水泥堵塞过程。

7)注入泥浆。要求必须是新配制的封堵泥浆,密度为每立方英尺72磅(1.15克/立方厘米),抗剪切强度为每100平方英尺内26磅(1.26千克/平方米)以上,监察员必须到现场监督泥浆的测试和注入全过程。

2.2 对废弃井封堵的监管要求(以内陆井为例)

加州对油田废弃井的封堵采用发放许可证和派监察员到现场监督的办法。

封堵废弃井许可证的基本要求包括以下几个方面。

1)压井。还在生产或者回注的井,井内会有一定的压力,闲置已久的井,井筒内也可能储存有较高的气压。这类井在封堵之前,先要进行压井。通常通过注入水或泥浆的方法压制井内回升压力,并且井口要求安置防喷器。

2)对井内器械的清除。要求尽力清除井内器械,以达到封堵井的标准。如果要抽出油管,还需要使用修井机进行作业。如果泥砂充塞油井,还需要进行循环清洗,把泥砂带出井外。

3)封堵井下油气层。封堵井下油气层是封堵闲置井和废弃井的主要目标,一般是用水泥来封堵所有射孔。为了保证射孔孔眼内外都有足够的封堵水泥,要进行挤压水泥作业。当一口井存在多层油气层时,封堵也需要分层作业。

4)封堵的水泥和其他材料。水泥塞在24小时内抗压缩强度小值为1000磅/英寸(6.89兆帕),对液体的渗透率大值为0.1毫达西。如果是用蒸汽热驱的井,所用水泥必须是G型,低含有35%的石英灰,用以消除蒸汽对水泥的破坏。

5)井内封堵射孔和空穴射孔。在废弃井封堵的过程中,如果有落物无法捞出,压力挤水泥也无法证实油气层射孔的封堵是否完善,就要在落物较高处射孔,所有的射孔都需要挤压水泥堵塞。

6)封堵井面的水泥塞要求。封堵油气和淡水层后,如果套管内还有间隔空间,可以用新鲜的封堵泥浆封堵。泥浆密度要求每立方英尺72磅(1.15克/立方厘米),抗剪强度为每100平方英尺内26磅(1.26千克/平方米)以上。达到井面时,需要用水泥塞封堵25英尺(7.62米),并且所有套管之间的环空隙都要用水泥封堵。

7)如果在执行许可证内的法规要求时遇到困难或问题,必须立即通知监管局,商议共同解决。

除发放封堵许可证外,为了保证废弃井的封堵质量,对封堵井现场操作的监督也非常重要。加州油气和地热监管局对废弃井封堵的现场监督项目主要有:1)井内清理的实际深度;2)套管内存在落物的水泥挤压封堵,例如桥塞、水泥承托环(水泥伞)和间隔性水泥挤压;3)油气层水泥封堵塞的硬度和深度测试;4)注入泥浆和泥浆测试;5)空穴射孔,特殊封堵射孔;6)进井口一段的水泥塞和井口切割;7)对特殊要求的监管,例如放射物遗留井的标识等。

监管局的工程师还要了解已封堵废弃井的全部历史存档,写出此井的封堵资料,包括井深和水泥塞等详情,以便将来在审核此井附近钻新井或者此井转为注水井、采油时使用。

加州油气和地热监管局要求,如果遇到特殊情况,油田服务公司的操作不符合许可证的要求,油田服务公司需通报监管局的工程师,双方共同商议如何才能满足法规要求。

2.3 对废弃井封堵中特殊情况的处置要求

实际上,需要封堵的废弃井和闲置井一般都曾在生产或注水期间受到各种破坏,常常需要用特别的方法去处理井内受损的情况,以满足法规的要求。如果处理不当,遗留问题会造成套管更大的腐锈和破坏,出现油气流失和地下水受污染等情况。在废弃井封堵过程中,一旦有意外情况发生,油气公司或服务公司应立即向监管局工程师报告,在监管局工程师的指导下采用特别的封堵办法。

2.3.1 套管破裂

套管破裂是一种比较常见的井内破坏现象,一般经压力测试后才能发现。油气井经长期的生产、注驱(注水、气等)和闲置后,易因锈蚀而造成套管损坏。如果损坏位置在井底与射孔处附近,封堵程序与其他射孔一样;如果损坏位置离地面很近,就需要在破裂处下方安装水泥承托环,采用挤水泥的方式作业,在修复好破裂处后再对油气井进行封堵。

2.3.2 套管被挤扁和弯曲

套管被挤扁和弯曲多见于有地层沉降的油藏区。如果情况不太严重,可以用挠性管作业机和挠性管通过被挤扁区和弯曲处到达井底,在循环清理井底泥砂后进行完整的封堵;如果套管被过度挤扁或过于弯曲,用挠性管作业也无法到达井底时,要考虑使用救援井去完成封堵。

2.3.3 井内有落物存留

任何油井在封堵前都要尽可能把井内落物取出,因为落物会造成水泥无法完整封井,而且腐锈后可能会对封堵造成破坏。但是,在很多情况下落物无法取出,例如注入井的部分注入管和封隔器。进行此类井的封堵,必须经循环注水清理后用1.5倍的水泥挤压到射孔内,用足够压力封堵套管内外和落物,完成封堵。

2.3.4 不合格的套管外环空固井

固井作业时套管外环空的水泥环是非常值得注意的,特别是在油气层、淡水层和隔绝区部位,必须要有合格的水泥环,可以用水泥胶结测井去检测固井质量的好坏。在注水、水蒸气或二氧化碳的长期影响下,环空区内的水泥固结会受到破坏,不能起到隔绝作用,可能造成油气水在环空上下窜流,导致油气水和淡水层的交叉污染,这种情况也需要射孔挤压水泥到套管外环空段进行堵塞。

2.3.5 被严重破坏的注入井

为了保持油藏压力、温度和溶解度等,要对注入井进行高压注入。经过长期的高压注入,水蒸气、二氧化碳和活性溶液等注入流体会加剧对注入井套管和回注管的锈蚀和破坏,加州油气监管局对封堵此类遭严重破坏的注入井有特别要求。封堵井附近如果有注入井存在,注入液也会对已封堵的井造成破坏,因此,油气监管局规定,如果注入井未能较完善地完成封堵,将被确定为封堵不合格,附近的注入井也不能再度注入蒸汽、水、二氧化碳和其他注入液。

可见,注入井在钻井和完井过程中使用的材料一定要合格。注入期间,要根据油气监管局的要求进行测试,观测套管和油管是否有损伤。如果注入井处于闲置期内,要根据相关法规定期进行测试,尽量缩短闲置时间,同时在未被完全损坏前进行封堵作业。

2.4 对特殊废弃井的封堵要求

2.4.1 对废弃干井的封堵要求

废弃干井通常原来是开发井,可能位于新油田或者现有油藏扩展区内,这类井通常因无油气未下入生产套管,没有固井。为防止未来造成油气资源流失和地下淡水层污染,对此类井进行封堵是非常必要的,加州1723.1~1723.8条油气法规[2]都对此做出了明确规定。

1)对油气层的封堵要求:干井并非指完全没有油气藏,只是此类油气藏油气饱和度不够高,没有一定的商业价值,需要立即封堵。

2)对井内落物的封堵要求:虽然是裸眼井,但井内的落物将来可能会腐锈、造成污染等,必须取出后进行封堵。

3)对淡水层的封堵要求:这也是裸井中重要的一层封堵,虽然按照法规,淡水层是指溶解性固体总量在3000毫克/升以下的水层,但在地下水出现的地层都应该安置表层套管并用水泥封堵其环空。有时淡水层会出现在较深地层,超过表层套管的深度,对此也要进行封堵,必要时用技术套管封隔。

4)对套管鞋的封堵要求:虽然有些井井身结构设计中没有生产套管,但是为了防止井喷,法规要求安置表层套管和技术套管,其下就是裸眼井段的部分,为了防止油气和水串流,对所有的套管鞋都要封堵。

5)对表层井口的封堵要求:为了防止导管、表层套管之间的环空造成油气和水串流,在表层井口之下25英尺(8米)的环空也都要用水泥进行堵塞。

6)对泥浆使用于间隔水泥塞的封堵要求:如果井深过深,每个水泥塞封堵之间可以用钻井泥浆封堵,以保持水泥塞的水力平衡,水泥塞不会因时间长久而掉落。

7)监管局对地下淡水层保护的特别要求:在加州,地下淡水层规定为水中溶解性固体总量小于3000毫克/升,在这个指数之下的水层都需要保护。

2.4.2 对蒸汽热驱油井的封堵要求

加州90%以上的稠油生产井都采用注蒸汽驱油的方式。为了使套管在高温高压下能保持机械完整,减少对套管的破坏,加州相关法规对水泥有以下特殊要求:1)在完井和封堵过程中,要求水泥含有35%的石英,防止水泥在高温下逐渐分解;2)水泥塞的抗压强度低为1000磅/英寸(6.89兆帕),液体渗透率高为0.1毫达西。

老井固井水泥没有参照以上要求,由于长期在高温高压下注驱和生产,很多老井套管环空内的水泥已受破坏。封堵后,环空内的油气很可能会串流,因此在封堵时需要再补射很多间隔的射孔,挤入符合标准要求的水泥,保证套管的机械完整性。

2.4.3 对水平井的封堵要求

封堵水平井的要求与垂直井不同,特别是在水平段。如果水平段在油气层内,用水泥全部封堵就相当于在油气层内设定了封隔层,是很不明智的做法。加州油气监管局只要求在水平段的起始处,距离入口处水平25英尺(8米)设置桥塞就可以了,并且在垂直井段以上的较高处放置水泥承托环,对垂直井段部分进行水泥挤压封堵。在水泥承托环之上,封堵要求和普通垂直井一致。

2.4.4 对侧钻井的封堵要求

侧钻井是目前常采用的对油气藏进行连续开采的方法之一。如图1所示,有三种不同情况的侧钻井。情况不同,封堵要求也不同。

图1中,A、C是侧钻进入油气层内,如果用水泥进行封堵,会造成封隔效果,这对油气层将来的生产是有不良影响的,可能减少30%左右的产量。对于水平井的情况(C),是在水平25~30英尺处设计了桥塞。对于在油气藏内侧钻的垂直井(A),要求用搬土进行封堵,因为搬土很容易被清理,如果将来此处油气藏有开采价值,清理不太困难;对于B这种情况,因侧钻位置在油气藏之外的高处,如果在原井筒浅处的套管受到破坏或者垂直井段很深,对受破坏的套管井部分需要用水泥封堵,如果有淡水层等也要根据法规规定进行封堵。

2.5 对放射物废弃井的封堵要求

放射性物质对于人体损害很大。加州油气和地热监管局对放射物的封堵要求包括:1)所有放射性污染物、泥浆和水泥,都要根据加州职业安全健康保护局规定的方法和要求进行处理;2)封堵水泥要使用标志性好、易识别的红色水泥,如果将来意外钻到有此放射物的废弃井,要立刻停钻;3)在表层套管处设置造斜器(变向器),以避免意外钻遇时造成放射物再度污染;4)在地面对封堵井作明显标识;5)封井之后要向加州卫生部门报告备案。 

3 美国加州对油田闲置井的监管要求

3.1 闲置井管理规定

油井在闲置期内如果没有得到妥善的管理,在油气、水和各种化学物的长期侵蚀下,会受到严重破坏,造成油气资源流失和地下水源污染等问题。根据加州的法规,在完井过程5年后,如果一口井还未能连续6个月生产或回注,便属于闲置井。加州油气和地热监管局根据相关法律法规[2]对油气公司的闲置井进行监管,定期针对闲置井进行相关测试,同时要求经营者制定闲置井管理计划,支付闲置井费,以减少闲置井的数量。

加州《油气资源保护法》对闲置井管理的规定如下。

1)经营者必须每年支付闲置井费(每口井100~500美元),或者提供5000美元/口的闲置井保证金,或者向闲置井委托帐户提供资金(每年每口井500美元),并且在闲置井管理计划中存档。

2)闲置井管理计划。经营者同意每年使闲置井部分恢复开采或回注,否则必须使长期闲置井(超过10年以上的闲置井)的数量减至少。每年1月1日制定闲置井管理计划,计划必须在下一年度的7月1日前完成。

3)闲置井的测试。有无淡水层,测试要求不同。无淡水层时,每5年测试一次;第5年、第10年要有液面深度测量记录;第15年要有液面深度测量和井底清洗记录。有淡水层时,每2年测试一次,其他测试要求同上。同时增加了以下要求:第10年,如果液面深度高于淡水层底面,需要进行套管压力测试;第15年,需要重复进行套管压力测试。

4)废弃无生产潜力的井。对闲置井进行识别,评价闲置井未来的潜力,对于能使用的闲置井,恢复开采或回注;对受损害的闲置井进行修理或废弃;废弃未来无生产潜力的闲置井;对剩余的闲置井进行受损害或污染监测。

加州油气监管局对闲置井测试做了以下规定:闲置井在闲置5年后需要用回声测深器或其他可靠方法进行测试。如果液面深度是在淡水或饮用水层之上或附近,需要用其他方法进行测试,以防止流体运移。所有测试必须由监管局人员监督,并对测试结果予以确认。

从中国来看,中国的行业标准《废弃井及长停井处置指南》(SY/T 6646-2006)主要针对陆上油田规定了在石油勘探开发过程中对废弃井及长停井的处置方法及监控管理要求。根据流体能够运移到淡水层的能力制定了相应的监控频率(见表2)。

3.2 对闲置井管理方法的修订

修井以恢复原井功能或者将闲置井作为废弃井进行封堵,价格都很高昂。同时,油气监管局要求对5年以上的闲置井进行测试的规定,特别是年代久远的闲置井(例如年限在10~15年及以上)要求测试的频率更高,保证金的金额更大,给油气公司带来了极大的压力。虽然很多公司参加了闲置井管理计划,并且保证每年封堵一定数量的闲置井,但还是无法限制闲置井数量的增加。

为了更好地执行闲置井管理计划,加州油气和地热监管局改变了对年限在10~15年及以上的闲置井进行测试的要求,提出了测试延期计划,取消了过多的闲置井测试,但是对每年封堵闲置井的数量提出了明确要求:如果公司拥有250口以上的闲置井,应起码每年封堵4%的年限在10~15年及以上的闲置井。油气公司非常欢迎这种变通性的执法方法,加快了对闲置井和废弃井的封堵进程。

4 对超深天然气废弃井、海洋废弃井封堵的认识

4.1 超深天然气废弃井

封堵深井比浅井困难,封堵天然气废弃井又比封堵稠油和普通废弃井困难得多。

封堵超深天然气废弃井需要注意以下三点。

一是天然气井的环空区和水泥塞是否达到严格的井筒完整性的要求,这一点十分关键。虽然水泥胶结测井(CBL)的测试可能合格,但是在水泥塞内部的微型环空(Micro-annulus)在封井后还存在持续性套管压力(Sustained casing pressure)的可能性。BP在墨西哥湾因井喷造成污染,据了解原因之一就是套管环空和套管鞋的堵塞不合格,成为井喷后漏油的主要原因。

二是封堵超深天然气井困难的是井中天然气压力窜流。天然气窜流会造成水泥中存在微型环空和窜流通道等,井内持续性套管压力不断上升,无法做到完全封堵。需要采用间歇挤注水泥(Cement hesitation)来解决此问题,这种间断式水泥压力挤压要使用多次才可以逐步封堵气井。也可使用超低速注射水泥的方式减慢水泥固结时间,逐步使水泥减少孔隙,从而实现完整封堵。

三是在某些特殊情况下,注入水泥的服务公司也采用泡沫水泥(Foamed cement)来封堵。因为泡沫水泥的可塑性很好,并具有抗高压和高温的特性,可满足超深天然气井封堵的需要。

在中国石化企业规范《废弃井封井处置规范》(Q/SH 0653-2015)中对高压天然气井的封堵做出了这样的描述:高压气井封井时,封固位置须包括气层、窜漏位置、水泥返高位置、井筒完整性的薄弱点(尾管悬挂器顶部、分级箍等位置)及井口等位置。封井施工要在压稳气层后进行,水泥塞封堵井段要大于待封堵层位顶底界200米以上,井口水泥塞的长度不少于100米。高风险等级的井口带压天然气井,应对气层射孔位置及气层进行挤注封堵,封堵半径应超过钻井井眼半径的3倍。

中国将来会大举开发页岩气,也会有类似的井需要封堵。在东海和南海大陆架开采油气资源,也可能出现如同墨西哥湾持续性高压的危险情况,对于高温高压的天然气井的封堵作业十分必要,避免发生严重的井喷事故。

4.2 海洋废弃井

海洋废弃井封堵作业都是在海洋平台上进行,局限性很大。同时,在海洋上的生产井没有低产井,日产量都在数百至上千桶以上,即使油井因为某种原因闲置很久,也不代表油层的压力已枯竭,因此也会发生井喷。海洋废弃井封堵要注意三点:安全作业,遵守法规要求,在费用方面要非常务实。

加州沿海三海里内的井不是深海井,并没有特殊的法规要求。但是对于诸如墨西哥湾的海洋井的作业要求,就有所不同。美国墨西哥湾某油气服务公司对封堵海洋废弃井特别有经验,该公司总结的经验包括:1)每口海洋井都很珍贵,只有井下发生问题无法继续生产或注入时才考虑封堵。但是井下压力很高,因此把作业管柱与工具送入井内有困难,在一些特殊情况下要采用不压井作业装置(Snubbing Unit),装置内包括多层防喷器,预防在作业时造成井喷。2)井下油气藏有较高的回升压力,在封堵时水泥塞会产生水泥空隙和微裂缝等问题,即使封堵后压力也会回升。为了减少封堵后的空隙和微裂缝问题,在封堵前要取出部分套管,并且采用间歇性挤压水泥的方法封堵。3)控制线失灵的问题。在海底的生产树和防喷器都是用控制线遥控的,控制线失灵是海洋井操作上的难点。4)法规规定海洋井都要安装井下安全阀,以便在套管内控制意外状况。在封堵井时,要在地面管控井下安全阀,有一定的困难。5)海洋井井身结构都有多层次套管,每一层的套管鞋封堵都很重要,否则在发生井喷后油气可能会从受破坏的套管鞋流出而污染海洋。6)流入套管环空的油基泥浆对套管环空的水泥堵塞质量的不良影响很大,要防止此类事故发生。7)井的历史信息对于井的封堵非常重要,有利于封堵时选择器械和准备工作。

为了加强海上油气生产设施废弃处置的管理和监督,中国几大部委于2012年制定的《海上油气生产设施废弃处置管理暂行规定》第九条明确指出,海上油气生产设施的废弃处置,应当符合国家海洋主管部门关于海洋油气勘探开发工程设施废弃处置环境保护管理的相关规定和要求。海上油气田作业者应当在停止设施生产作业90个工作日前向国家海洋主管部门提出设施废弃的书面申请,取得国家海洋主管部门的批准文件后方可进行废弃。规定第十二条指出,海上油气田终止生产后,如果没有新的用途或者其他正当理由,作业者应当自终止生产之日起1年内进行废弃作业。

对于海上油气生产设施废弃处置的细则参看《海洋弃井作业规范》(中华人民共和国石油天然气行业标准:SY/T 6845-2011)。规范规定了废弃井的作业要求,包括临时废弃井、永久废弃井、其他废弃井的要求以及对废弃井资料和报告的要求。

可以看到,目前对海上长停井的定义未有相关依据,海上长停井的管理要求也无相关法规标准可以遵循,仅对弃置提出了一些相关要求,当然陆上油井的管理标准对海上长停井有一定的参考和借鉴意义。

油气监管不是对石油公司生产经营的干涉,而是对油气资源保护、预防对地下水的污染和人民生活安全的保障。因此,只有建立行之有效的封堵技术系列和管理制度,建设绿色油田、可持续开发油田就有了保障,这需要中国油气公司和政府的共同努力。

转载余秉森,袁士宝(西安石油大学)


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关键词:油田废弃物检测项目,油田废弃物,废弃物

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