某采油廠供水井故障原因分析

楊軍平，張慶平，李學(xué)軍

（1.寧夏地質(zhì)工程院，寧夏銀川750001；2.寧夏礦產(chǎn)地質(zhì)調(diào)查院，寧夏銀川750021）

1 現(xiàn)狀調(diào)查

近年來，中石油長慶油田所屬某采油廠由于部分供水井在使用期間出現(xiàn)水量減小、涌砂、井壁坍塌、井內(nèi)淤積、埋泵、頻繁燒泵等井內(nèi)事故，使部分供水井喪失了供水能力而被迫關(guān)停，嚴(yán)重影響采油廠正常生產(chǎn)運(yùn)行。截止2015年底，該廠所屬的5個區(qū)塊共建有供水井139口，為附近油井采油注水提供水源。目前正常開井53口，利用率僅為38.1%，共關(guān)停86口。

2 供水井故障原因分析

供水井在使用一段時間后通常會出現(xiàn)水量減小、井水渾濁、含砂量增大、井壁坍塌、井內(nèi)淤積、埋泵、頻繁燒泵等諸多故障，嚴(yán)重影響其正常供水。個別井可能因發(fā)生了嚴(yán)重的孔內(nèi)事故而導(dǎo)致報廢，喪失供水功能。本次涉及的供水井出現(xiàn)上述故障的原因，主要是由于局部孔段的地層較為疏松，抽水時水中攜帶大量流砂進(jìn)入管內(nèi)，使水中含砂量偏高。同時，供水井在抽水運(yùn)行過程中，裸孔段孔壁因無井管支撐出現(xiàn)了失衡而發(fā)生坍塌，造成供水井下部嚴(yán)重淤積。同時，井內(nèi)沉淀大量的淤積物，掩埋了下部孔段的部分含水層，使含水層厚度減少，影響了地下水的正常補(bǔ)給來源及通道，導(dǎo)致供水井出水量減小。同時，井內(nèi)大量出砂導(dǎo)致抽水設(shè)備及輸水管路嚴(yán)重磨損并出現(xiàn)頻繁的燒泵事故。另外，井壁坍塌物也可導(dǎo)致孔內(nèi)安裝的抽水設(shè)備發(fā)生掩埋或發(fā)生卡斷墜落事故，使供水井無法正常運(yùn)行。

2.1 出水量減小的故障原因分析

供水井在使用一段時間后往往會出現(xiàn)出水量持續(xù)減小的情況。導(dǎo)致供水井出水量減小的原因較為復(fù)雜，主要有以下幾個方面。

（1）由于地下水補(bǔ)給來源匱乏，可采資源量日漸枯竭，加之對地下水的無序或過量開采，導(dǎo)致地下水水位出現(xiàn)了區(qū)域性下降，降落漏斗外邊界持續(xù)擴(kuò)展，導(dǎo)致取水設(shè)備吃水深度減少，地下水可供給量不足，影響供水井出水量。

（2）成井工藝存在缺陷，成井質(zhì)量不高或因成井技術(shù)參數(shù)設(shè)計不合理，如機(jī)井深度偏淺、孔徑偏小、孔壁泥皮較厚或已固化、洗井不徹底、過濾器安裝長度不夠或安裝錯位等，都能影響供水井的出水量。

（3）因供水井長期停用或運(yùn)行時間過長，篩管受到氧化腐蝕或出現(xiàn)化學(xué)結(jié)垢，導(dǎo)致濾網(wǎng)銹塞，濾網(wǎng)有效孔隙率降低，使地下水進(jìn)入通道受限。其中，濾水管堵塞是供水井最常見的故障類型。當(dāng)?shù)叵滤械腃a2+、Mg2+含量過高時，易與水中的碳酸根、磷酸根、硅酸根發(fā)生反應(yīng)生成沉淀物(水垢)，并充填于濾水管的縫隙中，這種沉淀物具有較高的強(qiáng)度，堵塞進(jìn)水通道，導(dǎo)致出水量逐漸減小。

（4）在抽水過程中，地層中的細(xì)小顆粒受水的攜帶向井壁運(yùn)移，部分隨水進(jìn)入井內(nèi)，部分則停留在過濾層孔隙中，經(jīng)過長期不斷的積累，過濾層顆粒被地層中的細(xì)粒物質(zhì)嚴(yán)重包裹，使過濾層的孔隙被嚴(yán)重充填包裹并形成鈣化層，破壞了過濾層最初的反濾層結(jié)構(gòu)，使過濾層的孔隙率逐漸降低，過濾層進(jìn)水通道因發(fā)生堵塞導(dǎo)致進(jìn)水受阻，從而使供水井的出水量越來越小。

（5）水井出砂嚴(yán)重或井壁出現(xiàn)坍塌，導(dǎo)致井內(nèi)沉砂淤積不斷增厚，使供水井下部的部分含水層掩埋，使含水層厚度漸薄，進(jìn)水量減少，供水井的出水量減小。

（6）供水井因運(yùn)行時間較長，抽水設(shè)備出現(xiàn)老化，工作性能降低，工作效率下降并出現(xiàn)故障。另外，個別井在長時間運(yùn)行后，泵管接口密封較差，出現(xiàn)跑水故障，會造成供水井出水量減小的情況。

2.2 涌砂或含砂量增高故障原因分析

由于供水井隨著使用時間的延長，在持續(xù)抽水工況下，裸孔孔段出現(xiàn)孔壁水浸、砂粒松動并隨水進(jìn)入井內(nèi)，導(dǎo)致水中含砂量增大,井內(nèi)積砂淤積嚴(yán)重。

（1）抽水量過大。設(shè)備的抽水能力超過了供水井實(shí)際的出水能力，在負(fù)壓作用下，地層中的細(xì)小砂粒被水流強(qiáng)力帶入井內(nèi)，造成出砂或含砂量偏高。另外，在長期過量開采條件下，加快了過濾器骨架的磨損和老化，濾縫增大，失去擋砂過濾功能，造成供水井出砂故障。特征為水中可見地層中的細(xì)小顆粒物。

（2）裸眼成井的供水井由于巖石膠結(jié)及成巖程度均較差，含水層巖性較為疏松，孔隙裂隙發(fā)育，在抽水運(yùn)行過程中，裸眼孔段受到水流沖刷，大量顆粒物進(jìn)入井內(nèi)，使水中的含砂量增大。其次，因地層的穩(wěn)定性較差，孔壁在無井管支撐保護(hù)的條件下失穩(wěn)易發(fā)生坍塌，也導(dǎo)致水中的含砂量大幅增加。另外，裸眼井因無井管及過濾層的保護(hù)，在抽水工況下，地層孔隙裂隙中較細(xì)的顆粒物質(zhì)也隨水進(jìn)入，同時長期抽水使含水層孔隙裂隙增大，濾水擋砂能力持續(xù)減弱，造成井內(nèi)出砂及含砂量偏高。

（3）部分供水井雖安裝有過濾器，但在持續(xù)抽水過程中，地下水及地層中的顆粒物會對過濾器產(chǎn)生一定的磨損，并使濾縫寬度不斷出現(xiàn)擴(kuò)大，導(dǎo)致過濾器的濾砂能力逐漸降低。當(dāng)磨損達(dá)到一定程度時，過濾器濾絲發(fā)生斷裂，過濾器外圍回填的濾料直接進(jìn)入管內(nèi)，從而造成井內(nèi)出砂及含砂量增高。特征為水中可見地層中的細(xì)小顆粒物及管外回填的濾料。

（4）井管、套管或篩管局部因長期遭受腐蝕而出現(xiàn)破損及斷裂（脫落），或因泵頭振動磨損導(dǎo)致井管損壞，或因管外充填濾料過粗及環(huán)狀間隙厚度較薄等諸多原因所致，不能有效阻擋管外圍填的濾料或阻擋地層砂粒進(jìn)入，從而使井內(nèi)出現(xiàn)大量的泥砂，并造成井內(nèi)淤積。另外，井口保護(hù)套管底部因地層疏松，孔壁出現(xiàn)坍塌造成松脫，使淺部管外的封閉材料下沉并進(jìn)入井內(nèi)，造成井內(nèi)淤積或含砂量偏高，影響水井的正常使用。此故障判別辦法歸納如下：

若水井涌砂自供水井運(yùn)行之初既有，可能是由于管外濾料過粗及環(huán)狀間隙太小導(dǎo)致。如在使用一段時期后的突現(xiàn)涌砂，可能是因井管局部破損所致。若抽水中出現(xiàn)管外圍填濾料，且抽水出現(xiàn)間斷渾濁現(xiàn)象，則可以判斷為井管出現(xiàn)了破損。如果僅見地層中的細(xì)小流砂顆粒，并伴有抽水間斷渾濁，則可判斷為人工過濾層過濾性能出現(xiàn)了異常（過濾層較薄、濾料過粗、濾料搭蓬、濾管貼靠井壁等）。如果水中出現(xiàn)管外回填的濾料及管外回填雜物并伴有抽水間斷渾濁，可判斷為淺部井管（過濾器）出現(xiàn)了破損故障。

（5）由于鉆孔偏斜，導(dǎo)致井管一側(cè)與井壁發(fā)生貼靠，使該部分孔段未能圍填濾料或過濾層較薄，或由于成井工藝存在缺陷，如管外環(huán)狀間隙過小（過濾層太?。V料搭蓬、濾料粒徑過粗或級配不合理，不能有效過濾地層中的細(xì)小顆粒，造成井內(nèi)出砂或含砂量偏高。特征為涌砂中可見地層中的細(xì)小顆粒，出水持續(xù)渾濁或斷續(xù)渾濁。

（6）過濾器露頭。因管外濾料填入高度不夠（填礫頂面低于過濾器高度），加之洗井不夠徹底，濾料的密實(shí)度不夠，致使供水井在抽水運(yùn)行過程中，管外濾料因逐漸密實(shí)出現(xiàn)持續(xù)下沉，最終導(dǎo)致過濾器露頭，失去了濾砂功能，使上部填入的止水材料或雜物進(jìn)入井內(nèi)。特征為出水中見地層中的流砂顆粒及上部雜物，出水持續(xù)渾濁或間斷渾濁，井口及周圍地面出現(xiàn)裂縫或塌陷等現(xiàn)象。

2.3 井內(nèi)落物故障原因分析

抽水設(shè)備及泵管因長期遭受地下水腐蝕及磨損，導(dǎo)致其強(qiáng)度逐漸降低，甚至發(fā)生斷裂脫落事故。個別供水井因泵管安裝不周正、不同心，局部存在彎曲現(xiàn)象，在抽水運(yùn)行過程中泵體易出現(xiàn)劇烈顫動，最終發(fā)生泵頭憋脫和泵管斷裂事故。如果泵管連接不牢靠，在上述工況條件之下，連接處的螺栓易發(fā)生松動脫落，導(dǎo)致泵頭或泵管脫落墜入井底，或卡阻于井管某一部位。另外，成井后，因維護(hù)及管理不到位，人為因素導(dǎo)致磚、石塊、線纜或其他物件落入井管內(nèi)，造成井內(nèi)落物事故。其次，由于井內(nèi)安裝抽水設(shè)備或因后續(xù)采取的事故處理方法不當(dāng)，也可導(dǎo)致發(fā)生井內(nèi)落物事故。

2.4 井管斷裂、錯位變形故障原因分析

導(dǎo)致井管斷裂的主要原因，一方面是由于地殼內(nèi)應(yīng)力出現(xiàn)了較大變化,致使井管遭受外力而出現(xiàn)變形、斷裂或錯位的現(xiàn)象。另一方面由于局部孔壁失穩(wěn),使井管受到劇烈沖撞，井管內(nèi)外壓力不平衡而造成井管變形、斷裂或錯位故障。其次，由于機(jī)泵安裝或洗井、維修作業(yè)等人為原因?qū)е戮軘嗔选㈠e位變形故障。另外，由于機(jī)井使用年限較長，井管長期遭受腐蝕，出現(xiàn)破損，其抗拉強(qiáng)度降低，當(dāng)機(jī)井下段為裸眼時，破損的井管極易出現(xiàn)斷裂。

本區(qū)出現(xiàn)井管斷裂、錯位變形的主要原因多數(shù)由于裸孔段井壁出現(xiàn)坍塌，使井管底部懸空失去支撐導(dǎo)致井管斷裂和錯位，加之個別井在井管連接不牢固的情況下，發(fā)生此類事故的概率更高。另外，由于使用不當(dāng)，使井管遭受人為破壞，也是造成本區(qū)井管損壞斷裂及錯位變形事故的原因之一。

2.5 井口地面塌陷原因分析

井口處及附近地面開裂下沉，地面開裂或下沉區(qū)域以井口為中心呈圓形分布，抽水持續(xù)渾濁或斷續(xù)渾濁并帶有泥砂物質(zhì)。井口地面塌陷的原因主要有以下幾個方面：

（1）過濾器外側(cè)環(huán)狀厚度太小或回填的濾料粒徑過粗，過濾層的過濾能力較差，長期抽水運(yùn)行過程中地層及過濾層中的細(xì)粒物質(zhì)被水流不斷帶入井內(nèi)，管外過濾層整體出現(xiàn)下沉，最終導(dǎo)致淺部過濾器出現(xiàn)露頭故障，造成淺部回填物通過裸露的過濾器進(jìn)入井內(nèi)，導(dǎo)致井口及周圍出現(xiàn)開裂、塌陷。

（2）成井施工時管外回填的濾料有搭蓬現(xiàn)象，或由于洗井工作不徹底造成管外濾料未達(dá)到密實(shí)狀態(tài)，經(jīng)長時間抽水使管外回填濾料逐漸下沉，淺部過濾器出現(xiàn)露頭故障，導(dǎo)致淺部回填物通過裸露的過濾器進(jìn)入井內(nèi)，導(dǎo)致井口及周圍出現(xiàn)開裂、塌陷。

（3）因井口淺部孔段搭蓬或封閉固井質(zhì)量不高，機(jī)井在使用過程中管外回填物逐漸下沉，導(dǎo)致孔口地表出現(xiàn)塌陷。這種情況在冬季施工時發(fā)生概率較高。

（4）由于管護(hù)不到位，或由于井內(nèi)作業(yè)撞擊，使井管遭受外力發(fā)生斷裂或破損，井口淺部回填物進(jìn)入井內(nèi)，導(dǎo)致井口及周圍出現(xiàn)開裂、塌陷。

3 供水井故障形成機(jī)理分析

3.1 地質(zhì)原因

白堊系洛河組砂巖地層在鄂爾多斯盆地發(fā)育厚度約200～500m，上段以風(fēng)成長石石英砂巖為主,中細(xì)粒結(jié)構(gòu),雜基含量少,分選較好,單層砂體厚度大,為巨厚的含水層，形成了洛河組含水層骨架砂體。下段以風(fēng)成中細(xì)粒砂巖為主,局部地段發(fā)育含礫砂巖及礫巖地層,以往稱“宜君礫巖”。整個洛河組巖層結(jié)構(gòu)疏松，孔隙率發(fā)育，成巖程度較差，局部裂隙切割較為嚴(yán)重，巖體的穩(wěn)定性較差。

本區(qū)所有供水井的取水層位于白堊系志丹群洛河組砂巖地層。由于供水井淺部多安裝有井管，而下部多采用裸眼工藝成井。在持續(xù)抽水工況下，裸孔段孔壁易出現(xiàn)水浸、砂粒松動并隨水進(jìn)入井內(nèi)，導(dǎo)致抽水中含砂量較多,而且井內(nèi)沉淀物淤積埋沒嚴(yán)重。加之因地層的穩(wěn)定性較差，在抽水運(yùn)行過程中，裸眼井井壁易出現(xiàn)失穩(wěn)坍塌，加重了井內(nèi)沉砂及淤積程度。

經(jīng)檢測本地區(qū)的地下水水質(zhì)，pH值平均為8.03,屬于弱堿性水。礦化度的變化范圍較大,最大值為2745mg/L,最小值為235.62mg/L,平均值為908.49mg/L，洛河組含水層地下水中的優(yōu)勢陽離子為Na+,其次為Mg2+、Ca2+,其毫克當(dāng)量百分?jǐn)?shù)依次為46%、37%和18%。優(yōu)勢陰離子為HCO3-,其次為Cl-和SO42-,毫克當(dāng)量百分?jǐn)?shù)依次為38%、35%、27%，地下水類型屬于HCO3·Cl-Na。

基巖地下水pH值多呈堿性，CO2、H2S、有機(jī)酸等與井管長時間接觸，對井管會造成較強(qiáng)的腐蝕。抽水過程中在井管內(nèi)水位上下波動的情況下，對氧化—還原交替過程、電化學(xué)作用及細(xì)菌作用更為有利，并會造成化學(xué)聚集，加劇了對井管的腐蝕并使篩管堵塞加重。抽水?dāng)y帶的砂粒高速運(yùn)動，造成井管及井內(nèi)設(shè)備磨蝕損壞加劇。另外，重碳酸鹽型地下水造成的碳酸鹽次生沉積，在濾管處容易形成水垢，使井管壁腐蝕結(jié)垢，容易造成井管嚴(yán)重堵塞，使機(jī)井出水量逐漸減小。在抽水工況下，地層中的顆粒物質(zhì)通過破損部位大量進(jìn)入井內(nèi)，導(dǎo)致出水中含砂量偏高。

3.2 成井工藝缺陷及設(shè)備因素

成井時鉆臺安裝不周正、不穩(wěn)固，進(jìn)尺過快、鉆桿與鉆頭不同心造成的井孔歪斜或出現(xiàn)彎曲，加之個別機(jī)井井管質(zhì)量較差，井管安裝工藝不合理，濾料回填不均勻，造成機(jī)井出砂量偏高的情況。個別機(jī)井套管底部失穩(wěn)空置或局部出現(xiàn)了破損，部分機(jī)井的井管焊口、接口封閉不嚴(yán)密及連接不牢固，設(shè)備質(zhì)量較差，運(yùn)行存在異常，設(shè)備扣件不匹配等都會造成供水井出現(xiàn)故障或不能有效發(fā)揮供水能力。

3.3 水井管理及維護(hù)不當(dāng)

供水井的使用及管理工作是一項(xiàng)較為專業(yè)的工作，其涉及水井生產(chǎn)及運(yùn)行的各個環(huán)節(jié)。由于對管理及維護(hù)的重視程度不夠及對相關(guān)業(yè)務(wù)知識欠缺，或由于使用不當(dāng)，都會造成供水井運(yùn)行故障。

如果對運(yùn)行中所出現(xiàn)的故障及異?，F(xiàn)象未能及時發(fā)現(xiàn)，或未采取及時有效的處置措施，致使供水井仍繼續(xù)帶病運(yùn)行，使供水井的故障程度加重，或最終導(dǎo)致報廢。例如，大量涌砂加速水泵和其它供水設(shè)備的磨損和損壞，容易造成輸水管網(wǎng)和用戶管道堵塞，在此狀況下，不經(jīng)過濾或二次沉淀則不能長期使用。長期抽水會造成井內(nèi)沉淀淤積，堵塞掩埋過濾器，如不及時進(jìn)行吹砂清淤，將導(dǎo)致供水井出水量減小、涌砂嚴(yán)重甚至導(dǎo)致報廢。對于過濾器已出現(xiàn)銹塞的供水井，如不及時進(jìn)行有效洗井維護(hù)，將使供水井出水量逐漸減小，不能有效發(fā)揮供水效能。深井泵因長時間超負(fù)荷的運(yùn)行，出現(xiàn)老化，工作效率降低。加之不注意日常維護(hù)保養(yǎng)，容易出現(xiàn)泵頭、泵管脫落事故。

3.4 其他原因

地震活動、構(gòu)造運(yùn)動導(dǎo)致地層中局部應(yīng)力集中，人類強(qiáng)工程活動破壞，地面沉降等地質(zhì)災(zāi)害等諸多因素也能造成供水井發(fā)生故障。