全球CCUS廢棄井法規(guī)現(xiàn)狀及其對(duì)中國的啟示

匡冬琴 李 琦 陳征澳 劉蘭翠.中國科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所 巖土力學(xué)與工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 湖北 武漢 43007；.環(huán)境保護(hù)部環(huán)境規(guī)劃院 氣候變化與環(huán)境政策研究中心, 北京 000

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全球CCUS廢棄井法規(guī)現(xiàn)狀及其對(duì)中國的啟示

匡冬琴1李 琦1陳征澳1劉蘭翠2
1.中國科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所 巖土力學(xué)與工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 湖北 武漢 430071；2.環(huán)境保護(hù)部環(huán)境規(guī)劃院 氣候變化與環(huán)境政策研究中心, 北京 100012

近年,CO2地質(zhì)利用與封存技術(shù)(CCUS)逐漸成熟,相關(guān)工程項(xiàng)目逐漸增多,但世界范圍內(nèi)針對(duì)該技術(shù)的法律法規(guī)的制定尚處于摸索階段,僅有少數(shù)幾個(gè)發(fā)達(dá)國家,如荷蘭、美國、加拿大和挪威等出臺(tái)了相關(guān)法規(guī)。CCUS技術(shù)對(duì)于中國實(shí)現(xiàn)CO2減排將發(fā)揮重要作用。目前中國CCUS工程項(xiàng)目審批還處于“個(gè)案專辦”的狀態(tài),阻礙其規(guī)?；l(fā)展。歸納總結(jié)和對(duì)比國內(nèi)外公開發(fā)表的CO2廢棄井相關(guān)法規(guī)或指令,包括封堵塞方案和檢驗(yàn)方法的選定等,為以后CCUS工程項(xiàng)目的廢棄井作業(yè)提供依據(jù)和指導(dǎo),也為中國CO2地質(zhì)封存或CO2利用環(huán)境下廢棄井法規(guī)的制定提供參考。

CCUS；地質(zhì)封存；廢棄井；法規(guī)；井筒

0 前言

為滿足全球應(yīng)對(duì)氣候變化的需求,美國、澳大利亞、加拿大、中東、南美、中國等正在或計(jì)劃進(jìn)行CO2地質(zhì)利用與封存技術(shù)(CCUS)。伴隨著CCUS工程的發(fā)展,相應(yīng)法規(guī)規(guī)范逐漸引起關(guān)注[1-2]。在CCUS工程生命周期的后期,越來越多的井需要被合理處置[3]。對(duì)此,本文總結(jié)歸納涉及CO2利用與封存廢棄井的法規(guī),結(jié)合中國法規(guī)中廢棄井作業(yè)要求,提出CCUS工程的廢棄井作業(yè)流程,為以后相關(guān)工作提供借鑒。

國際上,丹麥、法國、德國、挪威、荷蘭、英國、澳大利亞、加拿大、日本、美國和相關(guān)國際公約都有關(guān)于廢棄井方面的規(guī)范或指令。常規(guī)廢棄作業(yè)流程包含清除井底設(shè)備、清洗井筒、堵塞技術(shù)、水泥堵塞評(píng)估、測(cè)試、監(jiān)控和書面報(bào)告提交等。其中堵塞技術(shù)常用的有平衡法注水泥塞、擠注水泥法、傾筒法、雙塞注水泥法[4]。涉及到CCUS方面的法規(guī)有荷蘭、美國、加拿大和挪威的法規(guī)或指令。

1 國際CCUS工程的廢棄井法規(guī)現(xiàn)狀

國內(nèi)油氣行業(yè)的廢棄井技術(shù)已正式出版法規(guī)。SY/T 6646-2006《廢棄井及長停井處置指南》[5](翻譯和修訂API Bull E 3技術(shù)規(guī)范[6])是參考美國石油學(xué)會(huì)的《美國勘探和生產(chǎn)操作中廢棄井和“活井”的處置指南》制定的。國際上CCUS項(xiàng)目逐漸增多,部分項(xiàng)目已進(jìn)展到廢棄井處置階段。在實(shí)際工程中,井類型多變,各國法規(guī)的廢棄井作業(yè)有所不同，見表1。對(duì)比國內(nèi)油氣行業(yè)廢棄井作業(yè)而言,CCUS項(xiàng)目中廢棄井作業(yè)要求更加嚴(yán)格,一是需要考慮腐蝕性介質(zhì)；二是具體實(shí)施時(shí),封堵塞類型不同、長度不同、測(cè)試方式等有所不同。

1.1 荷蘭法規(guī)

在荷蘭,采礦規(guī)范Mining Regulation[1]第8部分詳細(xì)介紹了鉆孔和井。

1.1.1 部分套管的井

1)如果部分套管井停工,在套管組最深處安裝一個(gè)長度至少100 m的水泥塞,在上面安裝一個(gè)50 m機(jī)械塞。

2)如果部分套管井只穿過一個(gè)儲(chǔ)層,儲(chǔ)層應(yīng)用水泥塞封堵此儲(chǔ)層處或以上。

表1 荷蘭、美國、加拿大和挪威CCUS工程的廢棄井作業(yè)法規(guī)對(duì)比表

井型荷蘭采礦規(guī)范美國德州行政法規(guī)加拿大阿爾伯塔指令20和指令51挪威標(biāo)準(zhǔn)D-010裸眼井--無永久性廢棄1 4 1套管井部分套管井單儲(chǔ)層1 1 1多儲(chǔ)層1 1 1射孔套管井單儲(chǔ)層1 1 2多儲(chǔ)層1 1 2懸掛套管固井的井1 1 3套管的環(huán)空不能被停，有100m截留閥1 1 4單儲(chǔ)層，且儲(chǔ)層很有可能有流體流向地表1 1 5表層套管井1 2 2已被廢棄區(qū)域的套管井1 3 1暫時(shí)性廢棄1 4 2技術(shù)套管井1 2 3不在滲透油砂區(qū)域的套管井1 3 2割縫襯管或砂濾層的井1 4 3生產(chǎn)套管井1 2 4屬于滲透油砂區(qū)域的套管井1 3 3篩管或襯管的井1 2 5--------水平井--同直井，只是深度都是垂深-其他1 1．6、1 1．7-保護(hù)地下水資源和所需保護(hù)的層段；最后，還要進(jìn)行地貌恢復(fù)。-測(cè)試1 1．8-1)氣體運(yùn)移測(cè)試，表層套管流體流動(dòng)測(cè)試；2)酸性氣體原始?jí)毫y(cè)試，每年進(jìn)行封隔器隔離測(cè)試-

3)如果部分套管井穿過的不止一個(gè)儲(chǔ)層,那么這些儲(chǔ)層都應(yīng)該用水泥塞封堵隔離,水泥塞的長度是100 m或是儲(chǔ)層間的實(shí)際距離。

1.1.2 射孔-套管井

1)如果射孔-套管井停工,廢棄作業(yè)中封堵塞滿足以下要求：在射孔層以上安裝水泥塞,其長度超過100 m；安裝的50 m機(jī)械塞離部分射孔層越近越好,在此上面安裝50 m水泥塞。

2)如果射孔層穿過多個(gè)儲(chǔ)層,這些儲(chǔ)層應(yīng)該用上述1)的方法隔離,且比1)中指明的封堵塞短,或者水泥塞長度正好是儲(chǔ)層之間的自然距離的長度。

1.1.3 懸掛套管固井的井

如果懸掛套管固井的井停工,廢棄作業(yè)中封堵塞滿足以下要求：在距懸掛套管頂部以下至少50 m處安裝水泥塞,其長度至少是50 m；在懸掛套管頂部下約10 m處安裝機(jī)械塞,其向上至少60 m處安裝2個(gè)水泥塞,1個(gè)安裝在懸掛套管頂部的下面,另1個(gè)安裝在此點(diǎn)的上面。

1.1.4 環(huán)空是否作業(yè)

如果套管之間的每個(gè)環(huán)空停止作業(yè),一個(gè)截留閥從套管的管鞋直接安裝在環(huán)空前面,且長度至少是100 m；如果套管間環(huán)空不能停工,兩個(gè)套管之間的環(huán)空已經(jīng)被關(guān)閉,那么應(yīng)盡可能回收環(huán)空的最小套管,同時(shí),這套管關(guān)閉在離管鞋頂部和套管前面盡可能近的位置,留在井里的套管是要關(guān)閉的,且遵循1.1.3規(guī)范；或者套管被射孔,且射孔段與套管鞋在同一深度,在環(huán)空處安裝一長度至少100 m的水泥塞,并用測(cè)壓法來監(jiān)測(cè)關(guān)閉的環(huán)空。

1.1.5 井穿過儲(chǔ)層

如果將要停工的井穿過一個(gè)儲(chǔ)層,且該儲(chǔ)層很有可能有流體流向地表,那么應(yīng)該安裝一個(gè)長度至少100 m的水泥塞,安裝的位置要盡量靠近儲(chǔ)層的頂部,并安裝在井和所有環(huán)空處。

1.1.6 停井的套管

應(yīng)該割除將停井的套管,割除到地表以上至少3 m,海底以上至少6 m。距割除段近的位置安裝封堵塞：

1)至少100 m的水泥塞。

2)在水泥塞上安裝一長度至少50 m的機(jī)械塞。

1.1.7 腐蝕性介質(zhì)或高壓儲(chǔ)層

1)如果懷疑機(jī)械塞接觸到了腐蝕性介質(zhì)或者機(jī)械塞有助于封堵高壓儲(chǔ)層,那么應(yīng)將水泥塞直接安置在機(jī)械塞上面且長度至少為50 m。

2)停工期間,儲(chǔ)層需要平衡壓力系統(tǒng),應(yīng)考慮到高壓儲(chǔ)層,基于1.0的比重,高壓儲(chǔ)層壓力等于或高于靜水壓力的1.4倍。

1.1.8 測(cè)試

測(cè)試方法：

1)至少100 kN(10 250 kg)的承壓測(cè)試。

2)壓力測(cè)試,即在15 min里至少進(jìn)行一次1×105Pa的50倍的壓力測(cè)試。

3)負(fù)壓測(cè)試。

4)封堵塞應(yīng)該承受試井。

5)上述1)和2)不適合遵循1.1.6的封堵塞。

1.2 美國法規(guī)

美國地下排放控制方案(UIC)定義了五類井,其中利用CO2提高采收率(CO2-EOR)井屬于第二類井。隨著CCUS行業(yè)的發(fā)展,美國環(huán)境保護(hù)署(EPA)《二氧化碳地質(zhì)封存井的地下灌注控制計(jì)劃的聯(lián)邦要求》[7]新定義第六類井,即CO2注入井(CO2進(jìn)入地下是為了長期封存CO2)。

2007年,美國的Texas Administrative Code[2]中第三部分3.14中指明了封堵的要求。

1.2.1 一般井

1.2.2 表層套管井

1)為了保護(hù)有用水層,水泥塞的長度至少是30.48 m,且延伸至最深的有用水層底部上至少15.24 m和其下至少15.24 m。此封堵塞用油管或鉆桿標(biāo)識(shí)。另外,水泥塞要穿過表層套管管鞋的底部,封堵塞長度至少是30.48 m,且延伸至此管鞋上和下各至少15.24 m。

2)為了保護(hù)有用水層,安裝的水泥塞要穿過表層套管的管鞋,封堵塞長度至少為30.48 m,并延伸至此管鞋上和下至少各15.24 m。

3)如果已安裝的表層套管深度比最深有用水層底部還多60.96 m,則在穿越最深有用水層底部的表層套管里面安裝水泥塞。

4)地下水管理單位決定放置在合理深度的封堵塞是用來隔離多個(gè)有用水層的。

5)操作者不可拆除或不允許剪切表層套管。這種禁令適用于電纜工具和旋轉(zhuǎn)鉆機(jī)鉆的井。

1.2.3 技術(shù)套管井

1)對(duì)于通過技術(shù)套管封固有用水層和生產(chǎn)層的井,水泥塞需要滿足一般封堵要求,還要安裝在套管里面且要在有用水層最深底部中心的對(duì)面,但是延伸至有用水層最深底部上面和下面各至少15.24 m處。

2)對(duì)于通過技術(shù)套管沒有封固有用水層和所有生產(chǎn)層的井,如果套管沒有被拆遷,那么技術(shù)套管要在被需求的深度射孔,在套管射孔層用擠注水泥法封固有用水層和所有生產(chǎn)層。

3)地下水管理單位決定放置在合理深度的封堵塞是用來隔離多個(gè)有用水層的。

1.2.4 生產(chǎn)套管井

1)對(duì)于通過生產(chǎn)套管封固有用水層和生產(chǎn)層的井,水泥塞需要滿足1.2.1的要求,應(yīng)該將其安裝在套管里面,且要在有用水層最深底部中心的對(duì)面,封堵塞長度至少30.48 m,延伸至有用水層最深底部上和下至少15.24 m處。

2)對(duì)于通過技術(shù)套管沒有封固所有有用水層和生產(chǎn)層,且不會(huì)拆遷的井,生產(chǎn)套管要在需求的深度段射孔,用擠注水泥法封固有用水層和生產(chǎn)層。

3)如果在每個(gè)橋塞的頂部安裝至少6.10 m的水泥塞,區(qū)域總監(jiān)或董事代表可以同意在每個(gè)射孔層上面安裝一個(gè)鑄鐵橋塞。在超過橋塞制造商推薦壓力和溫度等級(jí)的深度,任何一口井里都不應(yīng)該安裝橋塞。

4)地下水管理單位決定放置在合理深度的封堵塞是用來隔離多個(gè)有用水層的。

1.2.5 有篩管或襯管的井

1)篩管或襯管應(yīng)該從井里拆除。

2)如果篩管或襯管沒有被拆除,那么符合1.2.1的水泥塞應(yīng)該被安裝在此篩管或襯管的頂部。

1.2.6 無生產(chǎn)套管和裸眼完井

1)任何生產(chǎn)層、壓力層和問題水層都應(yīng)該用水泥塞隔離起來,此水泥塞被安裝到該層頂部和底部中心,每個(gè)水泥塞應(yīng)該有充足的水泥漿填充環(huán)空。

1.3 加拿大指令

1.3.1 廢棄的有Level-A層段的套管井

對(duì)廢棄的有Level-A層段的套管井,在廢棄層最高點(diǎn)的頂部,安裝一個(gè)附加的水泥塞。此水泥塞的垂深長度至少有30 m,體積至少是1 m3。它的底部必須被定位在地下水保護(hù)基線之下。

a)非Level-A井段的封堵

b)Level-A井段的封堵。圖1 非Level-A層段和Level-A層段的套管井廢棄實(shí)例

1.3.2 不在滲透油砂區(qū)域的套管井

就不在滲透油砂區(qū)域的套管井Level-A層段而言,許可證持有者必須采用以下方案之一。

方案二，擠注水泥法。用G級(jí)水泥循環(huán)水泥漿,其體積至少為1 m3,延伸到完井井底或全井底以下垂深至少15 m處,且無論完井井底或全井底哪個(gè)淺,延伸至目的層以上垂深至少30 m處。最后的擠注壓力必須大于被廢棄層的當(dāng)前儲(chǔ)層壓力,且至少7×106Pa。水泥塞的位置必須采用規(guī)范中的方法確定,要求10 min內(nèi)保持7×106Pa。

方案三，永久性橋塞法。永久性橋塞必須用水泥固井測(cè)井測(cè)試,且水泥膠結(jié)測(cè)井和測(cè)井解釋必須提交相關(guān)管理部門報(bào)批；在射孔層上至少15 m處安裝橋塞,用G級(jí)水泥塞封堵,該水泥塞長度至少60 m,體積最小1 m3,且其位置至少延伸至目的層頂部上垂深60 m處；橋塞需要試壓,要求10 min內(nèi)保持穩(wěn)定的7×106Pa。

另外,對(duì)在單層中已完井的水平井,Level-A裸眼水平井段的廢棄作業(yè)與上述方法一致,只需將方案一和方案三深度15 m改成垂深15 m；對(duì)穿越多層完井的水平井,只要水平井段的任何部分屬于Level-A井段,最高井段的廢棄遵守上述方法。

1.3.3 滲透油砂區(qū)域的套管井

對(duì)油砂區(qū)域的套管井而言,廢棄作業(yè)遵守上述方法,除了用高溫(耐熱)水泥。

指令51中第Ⅲ類井是指用于注入碳?xì)浠衔?、惰性氣體或其他氣體,為了封存在儲(chǔ)層中或提高采收率的井。第Ⅲ類井的廢棄作業(yè)要求包括固井和套管要求、測(cè)井要求、其他測(cè)試和提交要求。

1.3.3.1 固井和套管要求

所有潛在生烴區(qū)和廢棄區(qū)域應(yīng)用水泥隔離。在工區(qū)有過熱操作的話,建議用耐熱水泥。

1.3.3.2 測(cè)井要求

1)水泥頂界位置。如果生產(chǎn)套管沒有被固井(固井井段到地表)或者不能獲得返回到地面的水泥,則應(yīng)用水泥返高測(cè)井。

2)液壓隔離。對(duì)第Ⅲ類井而言,需要井溫測(cè)井和在放射性示蹤測(cè)井、氧活化測(cè)井和水泥完整性測(cè)井中選一項(xiàng)。

3)套管完整性。

1.3.3.3 其他測(cè)試和提交要求

1)原始?jí)毫y(cè)試。要求在廢棄操作之前,油管或套管的原始?jí)毫y(cè)試環(huán)空壓降最低達(dá)7×106Pa,且能保持15 min。

2)監(jiān)控程序。每年進(jìn)行封隔器隔離測(cè)試,要求測(cè)試到地面的最低壓力達(dá)1.4×106Pa,且能保持15 min。

1.3.3.4 操作參數(shù)

1.4 挪威標(biāo)準(zhǔn)

挪威石油工業(yè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)D-010中廢棄井標(biāo)準(zhǔn)[10]提出廢棄井作業(yè)規(guī)范,且定義了“井屏障”，見表2。

1.4.1 永久性廢棄

一般井的永久性廢棄作業(yè)包含：一級(jí)屏障用水泥塞封堵；二級(jí)屏障是在套管上安裝機(jī)械塞；裸眼到地表井段用水泥塞封堵。

已射孔井的永久性廢棄作業(yè)包括：一級(jí)屏障是在穿越和在射孔段上面用水泥塞；二級(jí)屏障是在穿越襯管頂部或在油管里面和外面用水泥塞；從裸眼到地表的井段用水泥塞封堵。

多儲(chǔ)層割縫襯管井的永久性廢棄作業(yè)包括：一級(jí)屏障是在深部?jī)?chǔ)層用水泥塞,在淺部?jī)?chǔ)層或潛在儲(chǔ)層上部用水泥塞；二級(jí)屏障是在穿越襯管頂部和淺部?jī)?chǔ)層用水泥塞；裸眼到地表的井段用水泥塞封堵。

1.4.2 暫時(shí)性廢棄

就無射孔的井而言,廢棄作業(yè)包含：一級(jí)屏障用水泥塞(25 m)；二級(jí)屏障用水泥塞或機(jī)械塞(≥50 m)。

就已射孔且防噴器或生產(chǎn)樹被移除的井而言,廢棄作業(yè)包含：一級(jí)屏障,深部管塞；二級(jí)屏障,油管柱塞。

1.4.3 割縫襯管或砂濾層的井

1)在儲(chǔ)層之間用水泥塞封堵。

2)一級(jí)屏障用水泥塞穿越井筒和套管鞋。

3)二級(jí)屏障用水泥塞穿越襯管頂部的套管塞。

4)裸眼到地表井段用水泥塞封堵。

表2 “井屏障”示意表

命名功能目的一級(jí)“井屏障”首先“井屏障”能阻止層流體流動(dòng)到地表或一個(gè)最近的裸眼隔離從地表的潛在流體來源二級(jí)“井屏障”為一級(jí)“井屏障”備用與一級(jí)“井屏障”目的相同，且應(yīng)用在潛在流體的來源也是一個(gè)儲(chǔ)層在儲(chǔ)層間的“井屏障”隔離儲(chǔ)層減少儲(chǔ)層間的潛在流體從裸眼到地表的“井屏障”隔離從地表開始的裸眼部分，它被暴露，且封堵井在失敗的“井屏障”處，暴露了潛在流體的來源，如在切割套管后二級(jí)“井屏障”，暫時(shí)性廢棄在鉆井和井活動(dòng)之間連接的獨(dú)立“井屏障”確保暫時(shí)性廢棄井的重新連接，且用于沒有井活動(dòng)的井段

2 結(jié)論

全球CCUS規(guī)范表明,CCUS工程中廢棄井處置流程為：確定廢棄目標(biāo)；確定井類型；在了解井身結(jié)構(gòu)、固井材料、井史等基礎(chǔ)上,設(shè)計(jì)堵塞方案；施工期間,同時(shí)進(jìn)行監(jiān)測(cè)作業(yè),以確保井完整性；在施工完畢后,要求監(jiān)測(cè),以確保長期穩(wěn)定性。

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2015-02-25

環(huán)保部CCUS環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)管理試點(diǎn)研究項(xiàng)目(2014 A 128)；科技部國際合作中澳CO2地質(zhì)封存項(xiàng)目(CAGS-201307 ERA)

匡冬琴(1985-),女,湖北武漢人,助理研究員，碩士，主要從事CO2地質(zhì)利用和油氣田開發(fā)方面的研究工作。

10.3969/j.issn.1006-5539.2015.04.009