儲氣庫閑置井的運行風險及安全對策

趙杰，謝娟，李君寶，趙磊，張濤，劉漣

中國石油華北石油管理局有限公司 河北儲氣庫分公司（河北 廊坊 065000）

0 引言

目前，國內地下儲氣庫大多數由已衰竭或接近衰竭油氣藏改建而成，這類油氣藏已經歷長時間開發(fā)，留存下來的老井眾多而成為閑置井。這些閑置井受投產時間長、井筒套管腐蝕磨損、射孔等因素的影響，套管質量、強度和管外水泥膠結質量等均有不同程度的下降，極易出現管內外漏氣和層間串氣事故，對天然氣地下儲氣庫的安全運行構成嚴重威脅［1-4］。例如，20世紀70年代，美國加利福尼亞州的PDR地下儲氣庫的廢棄老井未經妥善處理，由于儲庫運行壓力過高迫使氣體遷移離開儲層，沿著固井不良或套管銹蝕的老井上升泄漏到地表，最終該儲庫于2003年被迫關停[1,5]，儲氣庫安全使用效率和壽命大打折扣。為避免儲氣庫運行中類似不良事件發(fā)生，儲氣庫閑置井的運行風險及安全對策研究顯得極為迫切。

在儲氣庫運行過程中,往往只重視注采井注采規(guī)模及其安全運行狀況，而對儲氣庫閑置井的運行風險重視程度不足，從儲氣庫長期安全生產運行角度看，配產配注、擴容達產、注采井網完善及調整運行方案優(yōu)化設計等,除了對注采井開展研究外,還必須對閑置井的安全運行風險進行精細分析研究,才能使方案具有可操作性。以X 儲氣庫群50 口閑置井運行為例,從儲氣庫運行特點、閑置井分類與分布、閑置井主要風險方面開展了研究，并提出相關安全對策。

1 儲氣庫運行特點

X儲氣庫群投產于2010年，作為陜京天然氣管網系統(tǒng)重要配套設施，通過分輸站與陜京管線連通，主要承擔陜京輸氣管道系統(tǒng)下游用戶冬季調峰和應急供氣任務。陜京管線天然氣由分輸站經天然氣雙向輸送管道輸送至集注站，天然氣在集注站內經過濾分離、增壓后輸至井場，注入地下（注氣期每年4 月初至10 月底）。用氣旺季（采氣期在11 月15 日—次年 3 月 14 日，共 120 d）進行采氣，注采井采出的天然氣經脫水、脫烴及脫硫處理后通過天然氣雙向輸送管道返輸至分輸站，進陜京管道[6-7]。

庫群現有注采井19口，設計壓縮機日注氣量為400×104m3，設計日采氣量為600×104m3。庫群10個注采周期運行平均日注氣量400×104m3，最高日注氣量達500×104m3，庫群平均日采氣量達320×104m3，最高日采氣量超過420×104m3，運行地層壓力為8.6～31.35 MPa。關于儲氣庫注采井運行，不同于油氣田油氣水井，多周期高低壓交變載荷交互循環(huán)式注采氣運行是其主要特點，注采井井筒內發(fā)生流體“大吞大吐”式進出雙向流動特點[6-7]。

在X儲氣庫群運行過程中，50口閑置井同樣也反映出不同于傳統(tǒng)油氣田閑置井的運行特點，受圈閉地質儲層先天連通性因素影響，閑置井不間斷地承受著充壓、平壓及降壓波動過程，即壓升、壓平和壓降，庫群閑置井始終處于一種交變壓力狀態(tài)，正逐步成為影響庫群安全運行的主要風險因素之一。

2 儲氣庫閑置井分類及分布

閑置井，通常是指油氣田礦區(qū)所轄經營范圍內，超過半年以上時間沒有進行生產利用的井[8-10]。在枯竭或近枯竭油氣藏改建為地下儲氣庫后，由于這些留存下來的閑置井使用周期長、井筒套管腐蝕磨損等特點，極易引發(fā)管內外漏氣和層間串氣生產事故，按照儲氣庫投產運行相關標準，為保障儲氣庫大氣量良性注釆循環(huán)運行密封性要求，閑置井一般不作為正常注采井參與儲氣庫注采生產運行。X儲氣庫群閑置井包括封堵井、觀察井。封堵井是指對儲層、蓋層及井筒進行永久封堵的廢棄井。觀察井則是指用來觀察油氣田地下動態(tài)的井，目前，共有封堵井48 口（封堵已達10 年之久），觀察井2 口（儲層和蓋層監(jiān)測）。

2.1 閑置井分類

結合X 儲氣庫群多周期實際注采運行需求，根據閑置井安全、環(huán)保隱患危害程度，進一步將X儲氣庫群閑置井劃分為A、B、C 3 類。井口帶壓的封堵井、觀察井及含硫化氫井為A 類閑置井；未帶壓，但緊鄰人群活動或聚集地區(qū)的封堵井為B 類閑置井；其余井口未帶壓的封堵井為C類閑置井。

2.2 閑置井分布

X 儲氣庫群共有 50 口閑置井，涉及 X1、X2、X33個不同地質構造斷塊。以集注站為中心，閑置井井口距集注站直線半徑約50m～10 km，主要分布在集注站以北（約占60%），其他方位分布次之。其中，X1和X2儲氣庫閑置井距離集注站直線半徑約為50 m～3 km，該范圍內主要為樹林田地、民房及廠房。X3儲氣庫閑置井距離集注站直線半徑范圍約10 km，該范圍內主要為樹林、荒地及雜草區(qū)。X 儲氣庫群閑置井整體反映出具有井口分散性大、井場自然環(huán)境惡劣、井況復雜多樣等特點。受野外環(huán)境復雜，不同季節(jié)植被發(fā)育差異性及雨雪天氣、周邊村民住宅或工廠擴建改造施工的影響（閑置井存在局部占壓現象），閑置井也呈現出階段隱蔽性的特點。這些均加大了閑置井的風險管控難度。

3 儲氣庫閑置井主要風險

3.1 閑置井盜竊破壞

由于X儲氣庫群閑置井在注釆作業(yè)區(qū)域內具有分布廣泛性、分散性、偏僻隱蔽性等特點，加上近年來閑置井周邊尚存的村道路和廠房規(guī)模擴建，部分居民對閑置井停產后的危險意識不足，不法分子受錢財利益驅動，可能會發(fā)生閑置井盜竊破壞事件。閑置井一旦失竊破壞，在井口處則可能存在冒油（氣）、井噴/漏、失控、著火以及有毒有害氣體泄漏等危險，導致人員傷害、環(huán)境污染和財產損失。

3.2 井口常態(tài)化帶壓

X儲氣庫群閑置井盡管基本完成了原生產層段井筒的永久封堵，曾在庫群早期運行中實現零帶壓井的良好狀態(tài)。但近年來隨著國內天然氣消費量的持續(xù)攀升，天然氣供求矛盾加劇，儲氣庫調峰應急的屬性則顯現日益強烈。受儲氣庫季節(jié)應急調峰屬性影響，X儲氣庫群配注配產任務愈加繁重，庫群注采氣量由運行初期的1.61×108m3（2010—2011年注采周期）上升到6.5×108m3（2019—2020 年注采周期）。伴隨著庫群擴容達產、注采井網完善及調整運行方案優(yōu)化等措施的有序實施，配產配注氣量及注采井注釆能力均大幅提高，儲氣庫多周期“大吞大吐”注采循環(huán)運行過程中，閑置井井筒承壓條件不斷發(fā)生變化，高低壓的交互傳導效應加劇了閑置井的安全運行風險。

儲氣庫閑置井在注采運行過程中，表現不同于傳統(tǒng)油氣田閑置井的運行特點，充壓和降壓，即壓升和壓降。同時，受多周期高低壓交變載荷交互循環(huán)式注氣采氣，注采井井筒內發(fā)生流體“大吞大吐”式進出雙向流動特點[6-7，11]，完整注采輪回過程壓差幅度大對井筒結構產生破壞，使得井口帶壓呈現常態(tài)化特點，而異于純采油采氣單向壓降井。據X 儲氣庫群閑置井日常動態(tài)監(jiān)測數據統(tǒng)計，部分閑置井帶壓強度最高可達10.0 MPa 以上（如Y23 井目前井口油套壓力高達12.6 MPa），最低則不足1.0 MPa，帶壓范圍區(qū)間較大且具有階段延續(xù)性，給庫群長期安全生產帶來一定風險隱患。

3.3 井口冒油（氣）及有毒有害氣體泄漏

在儲氣庫注氣壓縮機組持續(xù)向地層增壓期間及注氣末期，較高地層壓力平衡過程中，高壓流體將沿儲層原始孔縫結構向低壓區(qū)的閑置井傳遞能量以實現庫地層壓力分布均衡。部分閑置井受井口常態(tài)化帶壓及井口設備金屬結構老化變形腐蝕（如拷克、壓力表或地面管線節(jié)點部位）影響，在地層壓力再平衡傳導的動態(tài)過程中，局部閑置井的密封性遭受破壞[12]，極易發(fā)生帶壓井井口井流物溢出或大量泄漏，主要以單一的油、氣、水相獨出及其混合相態(tài)同出，易引發(fā)的井口冒油、井噴、失控、著火以及有毒有害氣體泄漏危險，可能造成周圍環(huán)境污染以及周邊人員危害、財產損失。此外，如X庫群的X2儲氣庫為含硫化氫型庫[6-7]（表1），若注采運行過程中閑置井階段井口壓力過高，則容易引發(fā)天然氣中硫化氫有毒氣體泄漏擴散。若未及時發(fā)現并有效處理，將給儲氣庫正常生產運行產生重大安全環(huán)保風險。

表1 X2儲氣庫注采井采氣期天然氣中H2S濃度 （mg·m-3）

4 安全對策

4.1 加強閑置井檔案完善與管理

建立完善的閑置井檔案，是預防和處理閑置井風險的基石。X 儲氣庫群閑置井形成了一套“地質工程一體化”的檔案管理體系。地質部門負責分工完成閑置井完備的地質基礎臺帳（如單井井別、構造及地理位置、鉆井、錄井、測井、固井、射孔、試油、生產井史、井筒管柱數據），閑置井報廢申請、上報、備案，閑置井隱患治理、恢復利用、封井地質方案的編制等。工程技術部門負責完成閑置井封井臺帳（如施工設計、施工總結、監(jiān)督日志等），閑置井治理工程方案的編制與組織實施方案，編制隱患閑置井的日常巡檢制度，閑置井應急事件處置預案等。在此基礎上，并進一步做好閑置井地質、工程更新資料的完善歸口管理。

4.2 加強閑置井風險宣傳教育并做好屬地管理

X儲氣庫群注采作業(yè)區(qū)作為閑置井屬地管理的直接責任單位，形成“內外聯動”屬地管理機制。對內協同企業(yè)內機關安全和土地部門，聯動做好閑置井危害風險標識警示提醒。對外則聯合地方政府部門（環(huán)保、公安、土地）定期開展閑置井井場周邊群眾安全環(huán)保知識的宣傳教育，同時鼓勵村民舉報不法分子偷盜破壞閑置井違法行為且建立透明的獎勵制度。

注釆作業(yè)區(qū)負責轄區(qū)內閑置井的日常管理，包括已征用土地井場及道路完整性、閑置井井場周圍環(huán)境維護及井口設施完整性。負責轄區(qū)閑置井定期巡檢周期：A 類閑置井中未安裝無線數據遠傳系統(tǒng)的閑置井每天巡檢一次，安裝無線數據遠傳系統(tǒng)的閑置井每天上位機記錄壓力，每周現場巡檢一次；B 類閑置井因井口未帶壓和未安裝無線數據遠傳系統(tǒng)，每半個月巡檢一次；C類閑置井因井口未帶壓且距離居民區(qū)較遠，未安裝無線數據遠傳系統(tǒng)，每月巡檢一次。負責井口隱患排查、消減及上報，并配合地質、工程部門更新臺帳。

4.3 加密動態(tài)監(jiān)測

為實時跟蹤掌握庫群閑置井井口帶壓變化及井口流體泄漏狀態(tài)，加密閑置井動態(tài)監(jiān)測是重要有效手段。主要包括井口套壓實時監(jiān)測、環(huán)空保護液液面監(jiān)測及井流物流體性質監(jiān)測，這些檢測項目對于庫群長期安全注采運行及分析庫群密封性具有參考意義。

4.3.1 井口壓力監(jiān)測

井口套壓實時監(jiān)測主要采用無線數據遠傳系統(tǒng)，該套裝置主要通過壓力變送器采集的井口壓力數據傳輸至RTU 控制器，再通過GPRS 模塊無線傳輸到集注站內中控室電腦的閑置井壓力監(jiān)控系統(tǒng)中。若庫群生產運行條件相同條件下，帶壓閑置井口突然有明顯壓力降，則可能存在井口破壞或冒油（氣）及有毒有害氣體泄漏風險，應及時安排井控專業(yè)人員現場處理異常。相反，若帶壓閑置井口突然有明顯壓力升，應及時安排井控專業(yè)人員現場泄壓或停注相鄰注采井方式處理異常。此外，利用回聲原理對異常閑置井環(huán)空保護液液面檢測，主要通過防爆界面檢測儀測量確定液面位置，頻次由1次/月增加至2次/月，以進一步輔助分析閑置井井口井間帶壓差異性。

4.3.2 流體性質監(jiān)測

1）氣體組分監(jiān)測。在X 儲氣庫群運行中，由于存在異常閑置井井口帶壓現象，為全面分析掌握井口異常帶壓原因，在井口泄壓過程中開展針對性的異常井井口流體取樣檢測。井流物氣體取樣依據GB/T 13609—2017《天然氣取樣導則》進行。取樣過程采用耐壓強度為50 MPa、容量500 mL 的鋼瓶，該鋼瓶配進出口取樣閥，內壁內襯防腐材料[6]。樣品檢測依據GB/T 13610—2014《天然氣的組成分析氣相色譜法》，在實驗室內采用Agilent7890A氣相色譜儀檢測化驗[6]。通過帶壓閑置井與注采井注采氣樣組分對比，對于分析追溯閑置井氣竄源頭和井筒固井質量狀態(tài)有一定參考依據。此外，若天然氣中檢測有高濃度硫化氫，應立即疏散周圍人畜并進行堵漏和脫硫工藝等措施處理。

2）油、水組分監(jiān)測。閑置井井口油樣分析化驗依據 SY/T 5779—2008，在實驗室內采用 Agi?lent6890N 氣相色譜儀，對油樣品中的C1～C30組分質量分數進行檢測，確定原油類型。水分析在實驗室內采用861 離子色譜儀，對水樣品中的陽離子（Na+、K+、Ca2+、Mg2+）、陰離子（Cl-、SO42-、HCO3-、CO32-、OH-）含量、總礦化度及pH 值進行檢測，確定水型等。帶壓閑置井與注采井采出液（油、水）樣組分對比，對于分析相鄰注采井注氣強度及閑置井井筒固井質量狀態(tài)具有一定參考依據。

4.4 制定異常閑置井應急處置方案及治理對策

由于異常閑置井本質風險主要由人為與庫群生產運行兩方面因素造成的密封性破壞，應根據井口不同異常狀態(tài)，制定針對性應急處置方案（表2）。若井口狀況未失控，從經濟安全角度進行更新井口缺失或破損設備恢復井口設備完整性和密封性。若更新井口設備后，閑置井仍長期帶壓高或有嚴重冒油（氣）的不良運行狀態(tài)，則根本治理閑置井風險采用重新封堵方式。

表2 X儲氣庫群異常閑置井應急處置方案

閑置井重新封堵施工，應選擇在采氣末期或停注期，依靠較低或相對穩(wěn)定地層壓力，安全封堵施工。由于X儲氣庫群閑置井原生產層位儲層大都已被射開，加上X儲氣庫群閑置井原封堵層后期循環(huán)注采運行10年，若重新封堵氣體和油水上竄風險較大。為了防止井筒流體上竄至地表，必須確保井筒內外封堵長期可靠。

目前，國內儲氣庫普遍采用“多級封堵、帶壓候凝”的封井思路[12-14]，該思路主要對儲氣庫投產前閑置井的儲氣層底部滲透性地層及隔層、儲氣層、儲氣層蓋層段進行封堵，從而實現閑置井井筒周圍的密封性，未曾考慮套管外固井質量狀況隨著儲氣庫多周期循環(huán)注采運行的交變應力狀態(tài)下的變化。X儲氣庫群閑置井原封堵層已循環(huán)注采運行10年，庫群閑置井始終處于一種交變壓力狀態(tài)，管外原始固井水泥環(huán)難免遭受破壞。為滿足X 儲氣庫群初設50 年的使用壽命，建議重新封堵閑置井工藝采取“產層+井筒+管外”的三級封堵思路，即對產層段擠注超細水泥體系，對測井管外固井質量差的異常井段鍛銑套管或射孔后實施二次固井，對井筒再次注水泥塞并上替防腐重泥漿至井口，徹底切斷氣體沿井筒或管外竄漏的通道，從而確保庫群的整體封閉性[11-14]。

5 結束語

通過對X 儲氣庫群閑置井生產運行狀況綜合分析，受閑置井分布的分散性、隱蔽性等特點影響，閑置井密封性破壞風險加劇。其風險主要有人為的盜竊破壞、井口流體泄漏及儲氣庫注采運行中的井口常態(tài)化帶壓及井口流體泄漏風險，提出“地質工程一體化”閑置井檔案管理制度、“內外聯動”式宣傳教育和屬地管理、無線遠程實時壓力監(jiān)控及異常閑置井流體性質監(jiān)測，并提出異常閑置井應急和“產層+井筒+管外”的三級封堵治理方案。