張紹槐
西安石油大學
一個油氣田的生命周期在預探、詳探確定它的工業(yè)開采價值,初步探明含油面積后,就要進行油藏工程設計,編制開發(fā)方案,從而有計劃地將油氣田投入開發(fā)和開采。有些油氣田(特別是大型油氣田,如大慶油田、塔里木油氣田等)需要先選擇生產(chǎn)試驗區(qū),研究油氣層的地質情況,搞清各小層細分依據(jù),弄清各小層面積、分布形態(tài)、厚度、儲量及非均質性、夾層與隔層的巖性和分布規(guī)律等,對油氣藏進一步評價;研究井網(wǎng)系統(tǒng),必要時進行井網(wǎng)試驗以優(yōu)化井網(wǎng)和油氣生產(chǎn)井與注入井等各類井的布井方式及其對儲量的控制程度,劃分開發(fā)層系確定單層開采或多層同時開采;研究生產(chǎn)動態(tài)規(guī)律和合理的采油速度及采油工藝等。
在制定開發(fā)方案時,必須研究石油采收率[1]。長期以來習慣于依照油田開發(fā)的不同階段而劃分為“一次采油”“二次采油”和“三次采油”。這是不科學的,國際上已重新分為下列3類技術:(1)利用天然能量采油技術,天然能量包括巖石彈性、重力等地質能量和溶解氣、氣頂、底水、邊水等能量;(2)補充地層能量采油技術,通過注水、注氣向油藏中補充能量并結合抽油等技術開采油氣;(3)提高石油采收率技術,在常規(guī)開采技術的基礎上通過改善油藏和油藏流體的物理、化學特性、調整油藏流體流動性能,提高宏觀波及效率和微觀驅油效率的多種采油方法,統(tǒng)稱為提高采收率技術或稱為強化采油技術。
截至2013年底,中國共發(fā)現(xiàn)油田576個,其中大型和特大型油田數(shù)量占總數(shù)的7.3%,但其儲量占總儲量的58%。中國的石油資源大部分儲存于陸相河流、三角洲沉積的砂巖油藏中,其地質條件和地面條件較復雜,儲層以陸相白堊系、古近系和新近系為主(占82.8%),地質條件復雜的油藏占44%,低滲透、稠油資源占42%,常規(guī)原油占57.50%。海洋油氣資源與非常規(guī)油氣資源等,可參閱文獻[2-3,4]及中國油氣開發(fā)志系列叢書[5]等文獻。目前,中國陸上各類油田的采收率差別很大,有的油田只有4%~10%(如延長等低滲、特低滲區(qū)塊);中等的采收率為20%~30%(如長慶中滲區(qū)塊和中原、華北、大港、南陽油田的大多數(shù)區(qū)塊);大慶薩拉杏主要富油區(qū)塊和渤海灣、新疆部分區(qū)塊的采收率能達到30%~50%;采收率超過50%的區(qū)塊很少。國際石油界提出繼續(xù)提高最終采收率,爭取達到30%、40%~50%和70%左右等幾個等級。全世界的海洋油田采收率受到作業(yè)成本的制約和作業(yè)條件的限制,采收率在30%~40%,遠期目標為30%~50%。至于非常規(guī)油氣,因為開發(fā)時間較短,還難以確定,不過肯定要低于常規(guī)油氣田。中國在提高采收率技術上與世界先進水平比較還有一些差距和很大潛力。
在采油作業(yè)中,各種采油方法及其作業(yè)技術有很多[1,6],主要有:自噴-氣舉、有桿泵-無桿泵采油、注水注氣和蒸汽吞吐采油、水力壓裂和爆燃壓裂法采油及增產(chǎn)、酸化與化學處理劑采油技術、開發(fā)中調剖-補層等活動、采油中的防腐-防砂-清蠟-除垢-堵水技術以及其他采油新技術都與井筒完整性及其屏障層系(組件)有關,筆者重點論述與井筒完整性以及井筒屏障層系(組件)的組成、失效檢驗與處理以及監(jiān)管監(jiān)視監(jiān)測密切相關的采油作業(yè)應用井筒完整性的理論與應用。
采油(氣)作業(yè)是油氣田開采過程中根據(jù)開發(fā)目標通過生產(chǎn)井、注入井、熱采井、調整井等對油氣藏采取多項工程技術措施的總稱,它與油藏工程密切相關,是鉆井工程與完井工程等建井作業(yè)的后續(xù)作業(yè)工程[6]。采油作業(yè)研究各種特性的油氣藏開發(fā)的全生命周期(一般是幾十年至一、二百年)內如何經(jīng)濟有效地提高油井產(chǎn)量和油田總采收率的有關理論、方法、設計及實施技術。采油工程與作業(yè)的任務是,使油氣從油氣藏中有控制和有序地流入井中,并有效地將油氣舉升到地面進行分離、計量處理進入礦場集輸系統(tǒng),其目標:一是安全而經(jīng)濟有效;二是提高油氣井產(chǎn)量;三是提高油氣田采收率。
從系統(tǒng)工程看,采油工程是油氣田開發(fā)大系統(tǒng)中處于中心地位的重要子系統(tǒng),與建井(鉆井、固井、完井)子系統(tǒng)、修井子系統(tǒng)、測試子系統(tǒng)、油藏工程子系統(tǒng)、礦場油氣處理-集輸儲存子系統(tǒng)等有著承前啟后和相互銜接的作用,也是油氣井和油氣田關停直至報廢前的重要子系統(tǒng)。必須掌握各種工程技術措施的原理、設計、計算、測試與長期不間斷地連續(xù)監(jiān)測、監(jiān)管、包括遙測、遙控在內的信息并對各種信息綜合地動態(tài)地分析,才能正確決策和實施,包括風險分析和應急處理,也包括在全生命周期內保持井筒完整性和屏障層系及其組件的完好性[7-9]。
采油工程的理論涉及物理、化學、數(shù)學、力學、機械、電子、計算機、地質學、測井錄井學、地震物探學、經(jīng)濟管理學乃至法學等多個學科。所以,應該及早研究并全面應用井筒完整性理論與技術以實現(xiàn)一體化、現(xiàn)代化生產(chǎn)作業(yè)。
對每口已完成的井筒應準備好并維護好井筒屏障層系及其組件。列舉了6個井筒屏障層系圖解(圖1~圖6),圖1~圖5采油作業(yè)階段井筒中已經(jīng)沒有鉆井液和完井液。
圖1 海洋平臺采油井/注入井/觀察井液體流動功能Fig. 1 Fluid flowing function of production well/injection well/observation well at offshore platform
圖2 海洋平臺采油井在氣舉時用環(huán)空安全閥(預防氣舉閥不合格)Fig. 2 Annulus safety valve of platform tress during gas lift (to prevent unqualified gas lift valve)
圖3 海面以下裝有垂直采油樹的采油井Fig. 3 Production well equipped with vertical Christmas tree below the sea level
圖4 海洋生產(chǎn)井裝有一個水平采油樹和層間封隔組件Fig. 4 Offshore production well with a horizontal Christmas tree and an interlayer packer element
圖5 在注水泥的采油尾管中裝備了采油封隔器的注入井Fig. 5 Injection well equipped with a production packer in the production liner for cementing
圖6表示某井采油作業(yè)時(圖6a)和鉆井壓井作業(yè)時(圖6b)的第1道、第2道井筒屏障[4,10]。該圖說明鉆井防噴器和采油樹是第1道、第2道井筒屏障的必要組件,第2道屏障還有套管及水泥環(huán)等。在關鍵井、海洋井這些井筒屏障都配備有電的、電子的和/或程控電子式的儀表和井下安全閥等。如果第1道屏障失效,第2道屏障要能夠防止流體從井中噴出。如果第2道井筒屏障也失效,就要預先配置第3道屏障(圖6未表示,圖4有3道屏障)以能阻止碳氫化合物流體流動。圖4、圖6的重點是強調:井筒屏障的主要功能是防止流體意外失控地從井下流出以確保安全作業(yè)。圖7是彼如得灣(Prudhoe Bay)A22井屏障組件失效導致爆炸失火事故的實例,右圖表示該井已下過技術套管和油層套管,注過水泥。封閉的環(huán)空原來壓力為13.6 MPa(2 000 psi),因為環(huán)空內有油氣并在環(huán)空上升,溫度從45 ℉升至 115 ℉,壓力增大到 52.4 MPa(7 700 psi),沒有及時監(jiān)測和處理。表層套管在5 m(16 ft)處損壞。高壓流體上竄至導管-表層套管的環(huán)空并沖至鉆臺,平臺地板的橫木撞擊掉1個環(huán)空針形閥。13.6 MPa(2000 psi)壓力的氣體沖入表層套管環(huán)空中,氣體著火,爆炸沖擊波損壞了1個操作臺墊片。導致A22井因屏障組件損壞而失效,釀成爆炸失火事故。這是井筒屏障組件極不正常和人為造成的偶然性事故,應作為警示。左圖是從該井拔出的破損套管實物。圖8是一口因表層套管失效和水泥環(huán)高度不夠而導致事故的實例。
油氣井長期生產(chǎn)中井筒完整性和井筒屏障主要問題:①井身結構、完井管柱等設計不合理;②持續(xù)的環(huán)空壓力,特別是過高的環(huán)空壓力;③完井管柱滲漏;④完井管柱變形、腐蝕;⑤套管柱穿孔、破裂、腐蝕、磨損(圖7、圖8);⑥水泥環(huán)高度不夠、膠結不良、開裂、剝落(圖8);⑦套管頭發(fā)生移動,油管掛密封失效;⑧采油樹與套管頭連接處密封不嚴;⑨閥門滲漏;⑩井下封隔器、井下閥門失效等。
圖6 在采油和鉆井作業(yè)時的第1道和第2道井筒屏障圖例Fig. 6 Sketch of the first and the second well barrier during production and drilling[4,10]
圖7 彼如得灣A22井屏障組件失效導致爆炸失火圖例[11]Fig. 7 Explosion & firs caused by the failure of well barrier element in Well A22 in Birude Bay[11]
圖8 表層套管失效和水泥環(huán)缺失井筒屏障失效(圖中紅圈及標*者共7個問題)而導致事故的圖例[4]Fig. 8 Accident caused by the failure of surface casing and the failure of well barrier due to the lack of cement sheath (totally 7 issues marked with red circle and *)[4]
蓬萊油田的漏油并污染渤海海域是中國采油作業(yè)中最大的井筒完整性和井筒屏障失效事故[12]。
采油井與油層相連通,井內有入流源,應該有2個獨立的機械屏障;這也適用于因注水工程導致一些井發(fā)展為有潛在入流源的井。沒有入流源的井應該至少有1個機械屏障。對于只有1個機械屏障的井,需要在預定層位進行入流測試,以確認該井沒有入流。井筒完整性一旦失效使井筒功能喪失以致發(fā)生事故。所以井筒完整性管理十分重要。所有的井都應按井筒完整性分級(分類)。參照中國石油高溫高壓及高含硫井筒完整性管理規(guī)范[13]制定的井筒完整性分級及管理措施(表1)。
表1 井筒完整性分級及管理措施Table 1 Grading and management measures of well integrity
表1中,中高風險井一般指橙色和紅色井。中高風險井的風險削減措施至少包括但不限于以下方面:①重新確定環(huán)空許可壓力操作范圍,認真履行監(jiān)管制度,并設定報警值;②配備必要的泄壓或補壓裝置;③制定開井、關井工況下的油套壓力控制措施;④制定相應的應急預案并定期演練;⑤應對性措施方案根據(jù)井的分級情況由行業(yè)管理部門組織資質專家與相關技術人員評審,行業(yè)管理部門或油田公司領導審批后方能實施。
應規(guī)范地規(guī)定完整性分級變更的管理。環(huán)空壓力出現(xiàn)異常變化應及時上報行業(yè)管理部門,并由技術支撐單位開展持續(xù)環(huán)空壓力的分析及風險評估,提出分級變更意見,由行業(yè)管理部門或油田公司領導審核確定。
采油作業(yè)期間井筒屏障及其組件的狀況應該通過油管和環(huán)空的壓力、溫度、流速、流體成分和井筒屏障的壓力測試及漏失測壓測試的測試結果來分析和了解。
應按標準[2,13-15]建立與執(zhí)行每一個井筒屏障組件的驗收標準。除非直接測試滲漏速率的以外,對允許的滲漏速率還要換算為單位時間的壓力單位;應該考慮整個作業(yè)時間內油氣比及其成分波動變化效應等。如果某口井的井筒屏障組件不能被全部全程監(jiān)測和測試,就需要按 NORSOK D-010[2,15]的有關規(guī)定來使用這些井筒屏障組件。在滲漏測壓測試時,對所有井筒屏障組件都要在允許的滲漏速率條件下,以至少7 MPa壓差進行測試。
生產(chǎn)階段井筒完整性管理流程見圖9(圖中①~⑥是一般情況下的工作步驟)。
圖9 采油作業(yè)階段井筒完整性管理流程[13]Fig. 9 Management process of well integrity in the stage of production operation
2.4.1 油田公司職責 ①制定油田生產(chǎn)階段井筒完整性管理策略、方針政策,承諾履行井筒完整性管理,提供資金、人員、設備等保障滿足井筒完整性的要求;②明確各部門關于井筒完整性的職責;③井筒完整性管理程序的審批;④風險等級為紅色的井和重大隱患治理方案的審批。
2.4.2 行業(yè)管理部門職責 ①負責組織制定油田井筒完整性管理策略;②負責管理督促、檢查考核各單位井筒完整性管理系統(tǒng)的運行狀況,確保井筒完整性職責落實;③負責組織隱患井的風險評估、應急措施、治理方案的專家論證和審查;④重大隱患治理關鍵工序要求科級或處級以上技術主管領導到現(xiàn)場進行技術指導和現(xiàn)場指揮;⑤負責組織井筒完整性技術、管理培訓及技術交流;⑥負責井筒完整性其他相關問題的協(xié)調解決。
2.4.3 技術支撐單位職責 ①協(xié)助行業(yè)管理部門制定油田井筒完整性管理和技術策略;②負責井筒屏障相關作業(yè)新技術新工藝的評估和確認工作;③根據(jù)行業(yè)管理部門要求或生產(chǎn)部門需求,重大隱患治理關鍵工序由科級或二級工程師及以上技術主管領導到現(xiàn)場進行技術支撐;④負責油田井筒完整性數(shù)據(jù)庫的維護及數(shù)據(jù)管理;⑤負責持續(xù)環(huán)空帶壓、井口抬升等異常情況的判定、井筒完整性風險評估,制定風險削減和治理措施、失效井治理等相關方案和設計;⑥協(xié)助開展井筒完整性技術相關培訓;⑦負責井筒完整性標準修訂和科研工作;⑧負責編制油田井筒完整性評估報告,對現(xiàn)場井筒完整性管理提供技術支撐。
2.4.4 生產(chǎn)單位職責 ①負責所轄區(qū)域井的完整性管理,提供必要的人力、物力資源確保所轄區(qū)域井筒完整性管理目標的實現(xiàn);②負責井筒完整性相關數(shù)據(jù)的收集整理和上報;③負責環(huán)空帶壓、井口抬升等異常情況初步分析及上報;④負責應急預案的編制、演練與實施,風險削減措施的實施;⑤負責隱患治理方案的實施,重大隱患治理關鍵工序由科級或處級以上技術主管領導到現(xiàn)場進行技術指導;⑥審核承包商的作業(yè)程序和作業(yè)標準,確保重要人員有相關資質;⑦負責現(xiàn)場人員的井筒完整性生產(chǎn)管理培訓。
采油作業(yè)需要建立不同構思的井控活動程序。應清楚地說明井筒屏障一旦失效影響本井和鄰井安全作業(yè)的嚴重性。
壓井的一般程序應在所有時間都可以應用并依據(jù)需要的使用時間進行風險評估。應保持鉆救援井的可能性,井噴應急計劃隨時可用。
確認第1道和第2道井筒屏障失效后,應關井試壓檢查井筒屏障。這時應該只進行與重建井筒屏障有關的工作并使之盡快見效。在同一口井多個井筒屏障失效時,應立刻向應急處理機構發(fā)出警報。
如風險失控將極大增加關井的必要性,直到井筒屏障重建恢復正常之后才能保持正常生產(chǎn)。能否繼續(xù)生產(chǎn)應依據(jù)下列風險評估來證明:如繼續(xù)生產(chǎn)能減小井筒屏障降級的可能性;其他井筒屏障要保持比關井時還小的失效風險;井筒屏障重建恢復之前不能進行鉆井修井工作。
當井眼由鉆井隊向采油作業(yè)隊移交時必須有文件(和通訊系統(tǒng))說明有關井眼安全和作業(yè)效率的所有井眼設計特性。應包括表2內容。
表2 鉆井-采油作業(yè)移交時所需文檔Table 2 Documents needed for drilling-production operation handover
當一口井在機構之間(例如在采油部門和修井部門之間)交接時應有包括表3內容的文檔。
表3 采油-修井作業(yè)移交時所需文檔Table 3 Documents needed for production-workover operation handover
所有的采油作業(yè)應在井的服務類型(如:采油井、注水井等)確定的安全作業(yè)極限之內和井的設計壽命之內進行監(jiān)管-檢測。
當要求確保井筒完整性時應該使用警報系統(tǒng)。警報等級應按安全作業(yè)極限設置,應在需要自動關閉的情況下確定警報極限。對于注水井應給出防止注入液超出注入層風險的特殊考慮。
應在井開始生產(chǎn)之前把油井設計的下列部分安排計劃好:用監(jiān)管與測試程序和驗收標準制訂好井筒屏障組件維護工作計劃;井眼開始生產(chǎn)和關井的程序;監(jiān)管監(jiān)測井筒完整性計劃的安全作業(yè)范圍,包括:①在油管中的壓力和可評定的環(huán)空中的壓力;②井筒及流體管線中的溫度;③采油速率/注入速率;④采出流體和注入流體的成分;⑤環(huán)空流體的成分;⑥其他項目。
所有流體應與裸露的井筒材料和井筒中存在的流體成分相配伍。應檢測油管和可評定環(huán)空的壓力、流速和溫度是否存在異常或流體漏失。應在任何時候都知道閥件的位置并保持其在監(jiān)測位置。
應在該井作業(yè)之前,測試緊急關停閥(emergency shut-down,ESD)。閥件的程序性關停是必要的并應檢查之。ESD閥關閉時間的要求,應按各油田所安裝的實況并依據(jù)風險和作業(yè)井的條件來確定。
屬于第1、第2道井筒屏障的所有閥件、實際試驗用的密封件和管線都應該有維護計劃并定期測試以檢查它的功能和完整性。
最小的測試頻率按[2]屏障組件驗收表執(zhí)行,測試頻率應依據(jù):經(jīng)驗數(shù)據(jù);井筒流體成分的變化增大了沉淀、結垢、磨損和高產(chǎn)速率、注入速率的風險。
在測試頻率中適應于變化的歷史性能和實際數(shù)據(jù)應該文件化。
如果某關鍵閥件或密封件失效應及時修理或更換并防止再度失效。如果某關鍵安全閥型安裝后失效率在12個月內超過2%,就要經(jīng)測試更換可靠的新閥型。
應定期監(jiān)測和分析井流/注入流體以檢查其變化可能對井筒屏障組件產(chǎn)生的負面影響,例如腐蝕、結垢和結蠟以及乳化等。
應確定所有能進入環(huán)空的最大和最小作業(yè)環(huán)空壓力。該作業(yè)環(huán)空壓力范圍應處于確保設計極限值(載荷情況)以及不超過每個環(huán)空及井筒屏障組件的驗收測試壓力。除非在井筒設計時有計劃的應急情況(例如,B-環(huán)空水泥環(huán)高度不夠或沒有水泥塞的海洋井),裸露于地層的環(huán)空作業(yè)壓力應不超過最小的地層應力。
確定作業(yè)(壓力)范圍時應考慮下列情況:①溫度對環(huán)空壓力變化的影響(如存在周圍的井流),特別是在應急關井的情況;②放壓或者環(huán)空頂部放壓的實際反應時間;③在油管中和環(huán)空中流體密度波動;④環(huán)空之間發(fā)生壓力連通或者風險升高。
應監(jiān)測所有進得去的(環(huán)空)壓力并維持在最小和最大壓力極限范圍之內。所有進得去的環(huán)空應保持為進行漏失檢查(leak detection)的正壓力,同時在所有環(huán)空之間應保持壓差。
如果可能,環(huán)空泄壓系統(tǒng)應在所有時間都充滿流體(液體)。當氣體已從環(huán)空泄放掉之后,該環(huán)空泄壓系統(tǒng)應用液體再充滿之[2,16]。在文獻[2,16]中還述及采油作業(yè)中出砂、結垢、瀝青、結蠟、水合物及異常情況。
油氣井在采油、注水、測試作業(yè)和生產(chǎn)過程中,都必須有一套安全可靠的井口裝置,如圖10,才能夠有控制并有計劃地進行井內作業(yè)和生產(chǎn)。完井井口裝置是裝在地面用以吊懸和安放各種井內管柱及控制和導引井內油氣流出或地面流體注入的井口設備。完井井口裝置通常包括套管頭、油管頭和采油樹三大主要部件[17]。套管頭用以密封各層套管環(huán)形空間、承受套管柱重量以及安裝鉆井防噴器。油管頭是用來密封油管和油層套管環(huán)形空間、懸掛油管和安裝采油樹。采油樹用來控制油氣井的生產(chǎn)。
圖10 采油作業(yè)地面井口系統(tǒng)圖例[4]Fig. 10 Schematic surface wellhead system of production operation[4]
MOD* 為最大工作直徑;在技術套管(二)以下還有油層套管等管柱,此圖重點是表示井口系統(tǒng),尺寸供參考。
完井井口裝置類型應根據(jù)油氣層的特點和作業(yè)方式來確定。低壓油氣井的井口裝置比較簡單,一般只要將環(huán)形空間密封起來,裝上油管頭和采油樹即可。對于高壓油氣井,則要求具有足夠的強度和可靠的密封性,同時還必須滿足采油氣工藝中安全鉆進、欠平衡作業(yè)、邊噴邊作業(yè)、強行起下管柱、測試、酸化、壓裂和采油采氣注水等作業(yè)的要求。含硫化氫的油氣井應該采用防硫井口裝置。 固井后要裝上套管頭,以密封兩層套管間的環(huán)形空間,懸掛第2層套管柱并承受部分重量。
采油作業(yè)的出砂、結垢、結蠟、瀝青、水合物等異常情況參閱文獻[2,6,18-19]等 。
(1)采油作業(yè)(包括自噴、抽油、氣舉、注水、注氣等以及分采等采油方式)內容多,井筒全生命周期作業(yè)時間長,采油作業(yè)在鉆井、測試、完井作業(yè)之后,由鉆井部門向采油部門交接,采油作業(yè)服役期內可能要1次及至多次修井(大小修和可能加深、側鉆等),采油作業(yè)之后不可避免要關停乃至報廢,所以采油作業(yè)特別需要運用和發(fā)揮井筒完整性理念,全程設計并運用好監(jiān)管好井筒屏障(不是“一勞永逸”的工作)。
(2)采油作業(yè)使用的作業(yè)管柱、油管掛、井下閥門、井下儀表以及地面采油樹、采油井口裝置類別很多、規(guī)格型號更多;在采油作業(yè)期內所服役的井筒屏障及其組件可能需要更換,油氣藏(油氣層)及油氣井的壓力、溫度、液流流速等的動態(tài)變化及出砂、結垢、結蠟、形成水合物等復雜情況;還有套管水泥環(huán)的損壞、采油作業(yè)管柱的腐蝕、磨損等難以完全避免的問題,所以采油作業(yè)特別要重視全程對每個工作部件及屏障組件進行監(jiān)管監(jiān)測,按標準安全地、有效地進行檢查測試及時及早發(fā)現(xiàn)風險、處理風險、建立應急處理和預警處理程序等,還要重視資料、信息、檔案的建立與管理。
(3)建議各油氣田建立井筒完整性管理的組織及路線圖并配備專兼職工作人員;建議選擇區(qū)塊進行試點再推廣。
附表1 地面采油樹Attached table 1 Surface Christmas tree
附表2 采油封隔器Attached table 2 Production packer
附表3 井下安全閥Attached table 3 Downhole safety valve
附表4 油管掛及其密封塞Attached table 4 Tubing hanger and sealing plug