Hall曲線在氣田水回注環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警中的應(yīng)用

何坤憶 翁幫華 焦艷軍 吳瀟 林青 胡學(xué)華

1.中國(guó)石油西南油氣田公司安全環(huán)保與技術(shù)監(jiān)督研究院 2.四川天宇石油環(huán)保安全技術(shù)咨詢服務(wù)有限公司 3.中國(guó)石油西南油氣田公司川中油氣礦

有水氣藏的開(kāi)采過(guò)程中通常伴有地層水采出,形成氣田水,氣田水回注是目前國(guó)內(nèi)外氣田水處置的主要方式之一[1-5]。如何確保氣田水“注得進(jìn)、封得住”,是制約氣田安全清潔高效開(kāi)發(fā)的關(guān)鍵問(wèn)題。氣田水回注環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)主要來(lái)源于回注層位的地質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)、回注井井筒風(fēng)險(xiǎn),一旦氣田水泄漏進(jìn)入淺部含水層中,將對(duì)地下水環(huán)境造成影響[6-7]。由于地下水污染具有隱蔽性、難以逆轉(zhuǎn)性和滯后性,油氣行業(yè)通過(guò)氣田水回注風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估、提出回注風(fēng)險(xiǎn)監(jiān)測(cè)預(yù)警技術(shù)、建立回注標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范等,構(gòu)建基于回注層優(yōu)選、回注井建設(shè)、回注水水質(zhì)指標(biāo)控制和地下水環(huán)境監(jiān)測(cè)為核心的從源頭到末端的回注井環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)防控技術(shù)體系[8-9],并致力將風(fēng)險(xiǎn)防控關(guān)口前移,不斷提高氣田水回注環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)防控水平?，F(xiàn)有的地下水環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警以水質(zhì)趨勢(shì)預(yù)警為主,本研究將Hall曲線分析法運(yùn)用于氣田水回注地下水環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警中,監(jiān)測(cè)回注異常工況,實(shí)現(xiàn)回注風(fēng)險(xiǎn)的提前預(yù)警。

1 氣田水回注環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)監(jiān)測(cè)技術(shù)與發(fā)展

1.1 國(guó)內(nèi)外氣田水回注政策

美國(guó)聯(lián)邦法律原則上禁止油氣田廢水向地表水體排放,而采用深井灌注處置廢水最基本的前提是保證排放物與可利用的地下水資源完全隔絕?！栋踩嬘盟ā肥谟杳绹?guó)環(huán)境保護(hù)署(EPA)針對(duì)地下水灌注控制的管理權(quán)限,對(duì)回注井的建設(shè)、運(yùn)行、監(jiān)測(cè)、報(bào)告和封井等進(jìn)行規(guī)定,其中第Ⅱ類井可灌注油氣工業(yè)廢水。

現(xiàn)階段我國(guó)還沒(méi)有針對(duì)氣田水回注進(jìn)行專門(mén)立法,對(duì)氣田水回注的法律控制主要體現(xiàn)在以下三個(gè)方面：

(1) 《中華人民共和國(guó)環(huán)境保護(hù)法》(以下簡(jiǎn)稱《環(huán)境保護(hù)法》)及《中華人民共和國(guó)水污染防治法》(以下簡(jiǎn)稱《水污染防治法》)等單行法,均對(duì)氣田水回注工程作為建設(shè)項(xiàng)目提出了相應(yīng)的環(huán)境管理要求。《環(huán)境保護(hù)法》第四十二條、《水污染防治法》第三十九條規(guī)定,嚴(yán)禁通過(guò)暗管、滲井、滲坑、灌注或者篡改、偽造監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),或者不正常運(yùn)行防治污染設(shè)施等逃避監(jiān)管的方式違法排放污染物;《水污染防治法》第四十二條規(guī)定：興建地下工程設(shè)施或者進(jìn)行地下勘探、采礦等活動(dòng),應(yīng)當(dāng)采取防護(hù)性措施,防止地下水污染。

(2) 《石油天然氣開(kāi)采業(yè)污染防治技術(shù)政策》(環(huán)境保護(hù)部公告2012年第18號(hào))等行政規(guī)章,為防止造成地下水污染,針對(duì)石油天然氣開(kāi)采過(guò)程中的氣田水回注工程做出了相關(guān)規(guī)定：在油氣開(kāi)發(fā)過(guò)程中,應(yīng)設(shè)立地下水水質(zhì)監(jiān)測(cè)井,加強(qiáng)對(duì)油氣田地下水水質(zhì)的監(jiān)控,防止回注過(guò)程對(duì)地下水造成污染。

(3) 在環(huán)境保護(hù)主管部門(mén)對(duì)氣田水回注工程的環(huán)評(píng)批復(fù)中,針對(duì)氣田水預(yù)處理及地下水環(huán)境監(jiān)控也提出了相應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)監(jiān)控要求。

氣田水回注井典型井身結(jié)構(gòu)如圖1所示,高含硫氣田開(kāi)發(fā)氣田水回注井通常能達(dá)到美國(guó)I類回注井要求[10],確保氣田水不會(huì)沿回注井水泥環(huán)空上竄進(jìn)入其他地層而污染淺層含水層。3層套管和水泥環(huán)封表層、技術(shù)套管外圍水泥提供了從地面到回注層的多重保障,可有效地保障氣田水進(jìn)入擬回注層,防止其沿井筒泄漏而污染井筒外環(huán)境;所選用的完井設(shè)備、材質(zhì)等可長(zhǎng)時(shí)間抵抗硫化氫、氧氣、氯離子等引起的腐蝕;配置的封隔器可有效地實(shí)現(xiàn)水力封隔。

1.2 地下水環(huán)境監(jiān)測(cè)與預(yù)警

地下水環(huán)境影響跟蹤監(jiān)測(cè)主要包含地下水監(jiān)測(cè)點(diǎn)位布設(shè)、監(jiān)測(cè)因子和監(jiān)測(cè)頻率三個(gè)方面。地下水監(jiān)測(cè)點(diǎn)位布設(shè)原則為：①在回注井地下水流向上游布設(shè)1口背景值監(jiān)測(cè)點(diǎn),反映未受回注工程建設(shè)影響的地下水環(huán)境質(zhì)量狀況;②在回注井地下水流向下游至少布設(shè)2口污染控制監(jiān)測(cè)點(diǎn),在保證安全和正常運(yùn)行的條件下,第1口監(jiān)測(cè)點(diǎn)應(yīng)靠近回注井;另1口監(jiān)測(cè)點(diǎn)結(jié)合區(qū)域水文地質(zhì)條件、地下水環(huán)境保護(hù)目標(biāo)合理布設(shè),布設(shè)時(shí)應(yīng)避開(kāi)巖屑池等存在地下水污染風(fēng)險(xiǎn)源的設(shè)施。

地下水跟蹤監(jiān)測(cè)因子主要為氣田水的特征污染因子,包含石油類物質(zhì)、氯化物、硫化物等。建議有條件的回注井采用水質(zhì)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)淺層地下水中特征因子進(jìn)行跟蹤監(jiān)測(cè),并根據(jù)監(jiān)測(cè)井中水質(zhì)指標(biāo)的變化,確定不同的預(yù)警級(jí)別,從而采取相應(yīng)的應(yīng)急措施。

1.3 地下水環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警

目前,我國(guó)地下水污染預(yù)警研究尚處于探索階段,對(duì)于地下水預(yù)警的理論方法及模型選取等尚未形成一套完善的體系?，F(xiàn)有的預(yù)警方法主要為水質(zhì)趨勢(shì)預(yù)警,主要包括相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)法、臨界值法及綜合評(píng)價(jià)法[11-13]。相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)法以現(xiàn)有地下水國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)、國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)、區(qū)域標(biāo)準(zhǔn)、行業(yè)排放標(biāo)準(zhǔn)中的指標(biāo)及限值為依據(jù),結(jié)合區(qū)域水文地質(zhì)條件及污染源分布等因素,確定預(yù)警等級(jí)和閾值,在一定程度上缺乏靈活性和針對(duì)性。臨界值法將不同污染等級(jí)的濃度臨界值與風(fēng)險(xiǎn)臨界值耦合為預(yù)警因子來(lái)進(jìn)行預(yù)警等級(jí)劃分,主要適用于特定事件分析。綜合評(píng)判法通過(guò)模型分析、量化評(píng)價(jià)等進(jìn)行分析,依賴于充足且準(zhǔn)確的基礎(chǔ)資料,數(shù)學(xué)計(jì)算較為復(fù)雜。

2 Hall曲線在氣田水回注井風(fēng)險(xiǎn)監(jiān)控中的應(yīng)用研究

2.1 Hall曲線

Hall[14]于1963年提出了注水井動(dòng)態(tài)分析理論,通過(guò)記錄注水井單次注入量與注入壓力,建立了累積注入量和注入壓力的關(guān)系曲線,即Hall曲線。自20世紀(jì)90年代起,國(guó)內(nèi)研究者將Hall曲線分析法廣泛用于油氣田開(kāi)發(fā)聚合物驅(qū)、回注效果評(píng)價(jià)等[15-21]。鄭軍等[22]應(yīng)用Hall曲線反映回注井的注水規(guī)律,定量評(píng)價(jià)壓裂酸化增注措施效果;臧克一等[23]分析總結(jié)了Hall曲線特征在孔隙型碳酸鹽巖油藏不同注水階段的應(yīng)用研究。Hall曲線采用多次注水參數(shù)累加的形式,消除由于注水時(shí)間不連續(xù)、單次注入?yún)?shù)變化、離散點(diǎn)偶然誤差等影響,替代復(fù)雜的計(jì)算方法,可更為直觀地體現(xiàn)注水井在整個(gè)注水過(guò)程中的滲流規(guī)律,在注水井參數(shù)擬合、增注措施評(píng)價(jià)等方面應(yīng)用廣泛。

圖2所示為回注井Hall曲線[22],體現(xiàn)了回注井累積注入量與Hall積分(流入壓差×累計(jì)時(shí)間)的關(guān)系。通過(guò)對(duì)比不同注入階段Hall曲線的斜率變化,對(duì)回注井注入效果進(jìn)行評(píng)價(jià),監(jiān)控回注井日常參數(shù)變化及泄漏異常情況等。

由Hall曲線可知,在理想恒壓狀態(tài)下,Hall曲線呈線性上升趨勢(shì)。若曲線斜率減小,回注井注入能力增強(qiáng),地層可能出現(xiàn)裂縫、裂縫延伸或井筒發(fā)生泄漏等情況,導(dǎo)致回注水直接進(jìn)入到裂縫中,并沿裂縫迅速竄至其他層段,或因井筒泄漏進(jìn)入非回注層,造成回注水泄漏而污染地下水環(huán)境。若曲線斜率顯著增大,注入能力減弱,回注水在井筒或地層中受到較大阻力,回注井的注入壓力迅速升高,可能需要提高注入壓力將水注入到地層中,或井筒、井筒附近地層發(fā)生堵塞需要采取針對(duì)性的解堵、增注等措施。

2.2 Hall曲線對(duì)氣田水回注泄漏的風(fēng)險(xiǎn)分析

本次選取某區(qū)塊兩口典型回注井(A井和B井),應(yīng)用Hall曲線對(duì)回注井相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行研究,分析Hall曲線對(duì)回注井泄漏風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警的有效性和合理性。

2.2.1回注井概況

A井回注層封閉性好,日注水6～11 h,注水泵壓1.2～11.5 MPa,日注水量30～160 m3,視吸水指數(shù)16.70～29.50 m3/(MPa·d)。

B井回注井區(qū)大范圍內(nèi)無(wú)地面露頭,回注層段及以上地層斷層較少,日注水5～16 h,注水泵壓20.1～23.2 MPa,日注水量115～368 m3,視吸水指數(shù)27.46 m3/(MPa·d)。

2.2.2Hall曲線應(yīng)用實(shí)例

通過(guò)Hall曲線理論推導(dǎo)[24],在正常情況下,回注井累積注入量與Hall積分呈線性關(guān)系,Hall曲線斜率大小直接反映地層滲透率的大小,間接反映地層注入能力的強(qiáng)弱,將此曲線分別應(yīng)用于A和B兩口回注井進(jìn)行分析。

圖3所示為A井累積注入量與Hall 積分的關(guān)系,注入壓力較為恒定,基本保持在20 MPa左右,可視為一個(gè)定值。從A井Hall曲線及其線性擬合系數(shù)可以看出,回注井累積注入量與Hall積分曲線R2=0.999 24,線性關(guān)系較好。經(jīng)監(jiān)測(cè),未發(fā)現(xiàn)A井存在泄漏及異常情況,回注狀況良好。

圖4為B井累積注入量與Hall積分的關(guān)系,注入壓力較為穩(wěn)定,保持在25 MPa左右,累積注入量與Hall積分成正比,線性關(guān)系較好,相關(guān)擬合系數(shù)為0.999 98,線性關(guān)系好。日常運(yùn)行監(jiān)測(cè)表明B井回注運(yùn)行平穩(wěn)。

2.3 微地震監(jiān)測(cè)結(jié)果驗(yàn)證

注水井水驅(qū)前緣監(jiān)測(cè)技術(shù)通過(guò)對(duì)回注水在地層運(yùn)移中產(chǎn)生的微地震事件進(jìn)行采集與分析,判定回注水在地層的運(yùn)移情況[25]。對(duì)非回注層、回注水的優(yōu)勢(shì)方向進(jìn)行微地震事件監(jiān)測(cè),用以判斷回注水在非回注層是否有竄層、回注水是否有從斷層等天然或人工露頭外溢的風(fēng)險(xiǎn),為氣田水回注生產(chǎn)運(yùn)行管理及環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警提供可靠依據(jù)[26-27]。

2019年對(duì)A井及B井運(yùn)用微地震監(jiān)測(cè)技術(shù)進(jìn)行了水向前緣監(jiān)測(cè)及風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估,用以判斷回注井是否存在漏失風(fēng)險(xiǎn)。

對(duì)A井的1 433～1 536 m層段(回注層)和50～1 423 m層段(非回注層)進(jìn)行了微地震監(jiān)測(cè)。監(jiān)測(cè)結(jié)果表明：在1 433～1 536 m層段,回注水的主要優(yōu)勢(shì)方向?yàn)檎龞|方向和西北45o方向,而在50～1423 m層段等非回注層均未監(jiān)測(cè)到有回注水運(yùn)移,所有監(jiān)測(cè)層段無(wú)明顯斷裂或裂縫。監(jiān)測(cè)結(jié)果與A井Hall曲線進(jìn)行對(duì)照分析,A井Hall曲線一直呈線性上升趨勢(shì),曲線斜率無(wú)明顯變化,線性擬合系數(shù)達(dá)0.999以上。綜合分析表明,A井回注情況良好,無(wú)井筒泄漏、回注水竄層等情況發(fā)生。

對(duì)B井的1 450～1 540 m層段(回注層)和50～1 440 m層段(非回注層)進(jìn)行了微地震監(jiān)測(cè)。監(jiān)測(cè)結(jié)果表明：在1 450～1 540 m層段,回注水的主要優(yōu)勢(shì)方向?yàn)槲髌?0o方向長(zhǎng)度約800 m后偏轉(zhuǎn)為西偏北20o方向,且回注水運(yùn)行未顯示有大裂縫時(shí)的運(yùn)行特征;在50～1 440 m層段未監(jiān)測(cè)到有回注水運(yùn)行;在回注層與非回注層均未監(jiān)測(cè)到有井筒漏失情況。監(jiān)測(cè)結(jié)果與B井Hall曲線對(duì)比分析,B井Hall曲線一直呈線性上升趨勢(shì),曲線斜率無(wú)明顯變化,線性擬合系數(shù)接近1。綜合分析表明,B井回注運(yùn)行穩(wěn)定,無(wú)井筒漏失、回注水竄層等情況。

將回注井微地震監(jiān)測(cè)結(jié)果與Hall曲線分析方法進(jìn)行對(duì)比分析研究,驗(yàn)證了Hall曲線分析方法的正確性,應(yīng)用Hall曲線對(duì)回注井進(jìn)行長(zhǎng)期跟蹤監(jiān)測(cè),消除單次注水參數(shù)變化等帶來(lái)的影響,提高預(yù)警的準(zhǔn)確性和科學(xué)性,有效控制氣田水回注井地下水泄漏風(fēng)險(xiǎn)。

3 結(jié)語(yǔ)

結(jié)合回注井日常運(yùn)行參數(shù),建立回注井Hall曲線關(guān)系,利用累積注入量與Hall積分的線性關(guān)系,通過(guò)曲線斜率變化趨勢(shì),推測(cè)回注井筒出現(xiàn)泄漏或回注水竄層情況。結(jié)合回注井微地震水向前緣監(jiān)測(cè)技術(shù)進(jìn)行結(jié)果驗(yàn)證,證明應(yīng)用Hall曲線對(duì)氣田水回注井泄漏監(jiān)測(cè)預(yù)警科學(xué)有效。建議建立系統(tǒng)完整的氣田水回注地下水環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)防控體系,以氣田水回注井完整性管理為核心,開(kāi)展回注井地質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)及井筒風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估,嚴(yán)格回注井運(yùn)行與監(jiān)控管理,減小氣田水回注對(duì)地下水環(huán)境的影響。