張紹槐

西安石油大學(xué)

能源是中國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的重要基礎(chǔ)。國(guó)家發(fā)改委2016年12月發(fā)布的《石油發(fā)展“十三五”規(guī)劃》、《天然氣發(fā)展“十三五”規(guī)劃》［1］對(duì)中國(guó)石油天然氣發(fā)展戰(zhàn)略作了部署。根據(jù)油氣井作業(yè)要求以及作業(yè)的安全可靠，特別是保護(hù)油氣資源獲取最大采收率及保護(hù)環(huán)境與地下水資源等這些重要問(wèn)題，國(guó)際石油界認(rèn)識(shí)到需要有一個(gè)能夠準(zhǔn)確全面表述這些問(wèn)題的專用技術(shù)術(shù)語(yǔ)和整套制度、法規(guī)與系列標(biāo)準(zhǔn)。從20世紀(jì)80年代到現(xiàn)在，30多年來(lái)國(guó)際石油界最初提出的只是井口裝置與井筒內(nèi)管柱與機(jī)械部件的機(jī)械完整性，經(jīng)過(guò)實(shí)踐才認(rèn)識(shí)到應(yīng)該是井筒完整性（Well Integrity）這個(gè)新概念，在實(shí)踐中不斷完善其定義、內(nèi)涵并擴(kuò)展其應(yīng)用范圍。這是國(guó)際上石油行業(yè)當(dāng)今熱之又熱的課題，它是石油工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化和HSE領(lǐng)域在井筒工程技術(shù)方面的重要內(nèi)容之一，也是油氣上游領(lǐng)域工程技術(shù)與管理方面的重要內(nèi)容之一。中國(guó)在井筒完整性理論與標(biāo)準(zhǔn)及其應(yīng)用方面剛剛起步。2017年2月中國(guó)石油發(fā)布了國(guó)內(nèi)首套“高溫高壓及高含硫井井筒完整性系列標(biāo)準(zhǔn)”［2］。中國(guó)石油塔里木油田和西南油氣田分公司、中海油、西南石油大學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、中國(guó)石油集團(tuán)石油管工程技術(shù)研究院等單位進(jìn)行了一些研究和應(yīng)用［2-8］。

1 井筒完整性的問(wèn)世與進(jìn)展

挪威是一個(gè)石油、天然氣生產(chǎn)大國(guó)，也是石油、天然氣出口較多的國(guó)家，其石油、天然氣工業(yè)以海洋石油、天然氣為主，勘探、開(kāi)發(fā)工作主要在挪威大陸架、北海油田和近北極區(qū)。據(jù)挪威石油安全管理局（PSA）對(duì)海上406口具有不同開(kāi)發(fā)年限和生產(chǎn)類別的油氣井進(jìn)行井筒完整性的調(diào)查，18%存在井筒完整性方面的問(wèn)題，其中7%因?yàn)榫餐暾該p壞而被迫關(guān)井，而且對(duì)環(huán)境和經(jīng)濟(jì)造成了重大損失［9-10］。1986年，挪威NORSOK標(biāo)準(zhǔn)第1版問(wèn)世，是世界上第1個(gè)在鉆井等井筒作業(yè)中的井筒完整性標(biāo)準(zhǔn)（Well Integrity Standard in Drilling and Well Operations）。20世紀(jì)90年代更新為第2版。 2004年8月，挪威NORSOK標(biāo)準(zhǔn)第3版D-010《鉆井和井筒作業(yè)中井筒完整性》［11］出臺(tái)，進(jìn)一步推動(dòng)國(guó)際石油界關(guān)注井筒完整性理念與應(yīng)用。但是，“石油事故”仍時(shí)有發(fā)生。特別是2010年4月20日深夜在美國(guó)墨西哥灣馬孔多海上，BP公司鉆井平臺(tái)（Macondo）鉆一口“深水地平線井”時(shí)發(fā)生了井噴、失火、爆炸惡性事故，造成了11人死亡，在近3個(gè)月的時(shí)間有500萬(wàn)桶（約68.4萬(wàn)t）原油泄流到海域，導(dǎo)致墨西哥灣環(huán)境大面積污染。BP公司賠償美國(guó)政府和當(dāng)?shù)厝嗣?3.8億美元。事故的直接原因主要有3方面。

一是尾管固井浮箍管鞋及其管串水泥塞封堵質(zhì)量存在問(wèn)題，井筒第一屏障失效，封隔器失效，而防噴器也失效，高壓天然氣沖出井口，發(fā)生井噴、失火、爆炸。

二是BP公司在對(duì)固井后的尾管水泥環(huán)進(jìn)行負(fù)壓力測(cè)試時(shí)已經(jīng)知道有3次不合格（表明第二屏障失效），而監(jiān)管人員也沒(méi)有采取必要措施，而是繼續(xù)用海水頂替井內(nèi)鉆井液，導(dǎo)致地層流體無(wú)控制地進(jìn)入井內(nèi)，造成井噴、失火、爆炸。

三是哈里伯頓公司用水泥封堵軟件對(duì)該井作多次模擬分析，建議固井時(shí)用21個(gè)扶正器扶正套管柱在環(huán)空居中，但是BP公司工作人員只用了6個(gè)扶正器。在負(fù)壓測(cè)試已經(jīng)表明注水泥固井不合格的情況下，沒(méi)有用水泥膠結(jié)測(cè)井（CBL）等手段進(jìn)一步檢查固井質(zhì)量差的部位，更沒(méi)擠注水泥進(jìn)行補(bǔ)救。在NORSOK標(biāo)準(zhǔn)和有關(guān)法規(guī)及操作手冊(cè)中要求固井后做負(fù)壓力測(cè)試和CBL測(cè)井檢查固井質(zhì)量，該井負(fù)壓力測(cè)試都不合格，而該井監(jiān)管人員卻掉以輕心，在用海水頂替鉆井液時(shí)，在油藏壓力很高的情況下，油氣從套管鞋水泥環(huán)處沖出，很快就釀成惡性事故。

“深水地平線”惡性事故令全球石油業(yè)界及安全環(huán)保部門以及各石油公司和全世界共同關(guān)注，進(jìn)行深刻反思、總結(jié)教訓(xùn)。在這個(gè)背景下，2010年12月美國(guó)石油學(xué)會(huì)發(fā)布了API 65-2《封隔建井中的潛在 地 層流入》（Isolating Potential Flow Zones Well Construction），把該封隔標(biāo)準(zhǔn)作為API RP90和API 65的補(bǔ)充。API RP90為《海上油氣井套管持續(xù)帶壓管理》（API RP90 Management of Sustained Casing Pressure on Offshore Wells）。

2011年美國(guó)石油學(xué)會(huì)發(fā)布API 96《深水井筒設(shè)計(jì)與建井》（Deepwater Well Design and Construction）第1版，吸取上述深水地平線事故教訓(xùn)，對(duì)海洋深水油氣井設(shè)計(jì)和建井中井筒完整性提出了許多新理念和技術(shù)條款。

2011年，挪威石油工業(yè)協(xié)會(huì)（OLF）牽頭成立由BP、Conoco Phillips、Eni Norge、Exxon Mobil、Nexen Inc、Norske Shell、Statoil、Total等跨國(guó)石油公司專家們組成的工作組，負(fù)責(zé)編寫(xiě)井筒完整性標(biāo)準(zhǔn)《OLF井筒完整性推薦指南》（OLF Commended Guidelines for Well Integrity）。2011年6月挪威石油工業(yè)協(xié)會(huì)發(fā)布了該OLF推薦指南。

2012年5月3日挪威石油工業(yè)協(xié)會(huì)發(fā)布《深水地平線教訓(xùn)及改進(jìn)措施》（Deep water Horizon Lessons Learned and Flow-up）文件。該文件還比較了API標(biāo)準(zhǔn)和挪威標(biāo)準(zhǔn)，提出了對(duì)NORSK D-010標(biāo)準(zhǔn)第3版的修改條款、增補(bǔ)了企業(yè)文化理念和條款等。

2013年6月挪威標(biāo)準(zhǔn)化委員會(huì)發(fā)布了《在鉆井和井筒作業(yè)中井筒完整性》NORSOK標(biāo)準(zhǔn)D-010第4版［12］，即NORSOK標(biāo)準(zhǔn)D-010的最新版，也是現(xiàn)在國(guó)際石油界推崇和應(yīng)用的比較公認(rèn)的井筒完整性標(biāo)準(zhǔn)。同時(shí)，國(guó)內(nèi)外石油工作者在應(yīng)用上述諸多標(biāo)準(zhǔn)、指南、手冊(cè)的同時(shí)，還在繼續(xù)研究井筒完整性和井筒屏障問(wèn)題，提出了井筒完整性管理、井筒安全屏障系統(tǒng)［2，4，12］、地層完整性、液柱 - 水力完整性、實(shí)體完整性、操作完整性、水力完整性與腐蝕性管理和控制等細(xì)則和新概念。中國(guó)石油在2017年2月發(fā)布了國(guó)內(nèi)首套“高溫高壓及高含硫井井筒完整性系列標(biāo)準(zhǔn)［2］”，張智等提出“井筒完整性及其屏障層系應(yīng)重視螺紋連接理念”［4］及“含硫氣井的井筒完整性設(shè)計(jì)方法”［5］，胡順渠等發(fā)表了“川西高溫高壓氣井井筒完整性優(yōu)化設(shè)計(jì)及應(yīng)用”一文［6］，馮耀榮等發(fā)表了“油氣井管柱完整性技術(shù)研究進(jìn)展與展望”［7］，景宏濤等發(fā)表了“塔里木高壓氣井迪那二井完整性評(píng)價(jià)及風(fēng)險(xiǎn)分析”［8］。上述工作表明中國(guó)已經(jīng)對(duì)井筒完整性開(kāi)啟研究和應(yīng)用。

從1986年到現(xiàn)在，30多年來(lái)國(guó)內(nèi)外越來(lái)越深入和廣泛研究應(yīng)用井筒完整性及其屏障系統(tǒng)新理念、新觀念、新理論、新方法、新技術(shù)。隨著今后石油天然氣工業(yè)向海洋深井［13］、超深井、高壓含H2S、CO2等復(fù)雜井以及非常規(guī)油氣井、極地地區(qū)勘探井、多分支井及最大油藏接觸面積井等復(fù)雜結(jié)構(gòu)井、智能鉆井完井及智能油田等新領(lǐng)域擴(kuò)展，井筒完整性及其屏障系統(tǒng)將越來(lái)越顯示其重要性。

NORSOK標(biāo)準(zhǔn)是隨著挪威石油工業(yè)的發(fā)展和施工作業(yè)的進(jìn)展，以保證安全、增值、成本有效性以及保護(hù)油氣資源及地下水、保護(hù)壞境等多方面的需要而制定的。挪威NORSOK標(biāo)準(zhǔn)有可能替換（國(guó)內(nèi)/國(guó)際）油公司的規(guī)范/技術(shù)要求、服務(wù)指南，實(shí)現(xiàn)權(quán)威性管理制度。

NORSOK標(biāo)準(zhǔn)的建立是基于認(rèn)可的已有國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，NORSOK標(biāo)準(zhǔn)將被用于挪威石油工業(yè)進(jìn)入國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化的進(jìn)程。為遵守國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，一旦國(guó)際井筒完整性標(biāo)準(zhǔn)出版發(fā)布，與之相關(guān)的NORSOK標(biāo)準(zhǔn)將隨之取消，共同執(zhí)行國(guó)際井筒完整性標(biāo)準(zhǔn)［9-10］。

NORSOK標(biāo)準(zhǔn)是按照對(duì)普遍應(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn)化內(nèi)容意見(jiàn)一致的原則來(lái)研究制定的，得到挪威石油工業(yè)協(xié)會(huì)（OLF）和挪威制造工業(yè)聯(lián)合會(huì)（TBL）的支持進(jìn)行研發(fā)，由挪威標(biāo)準(zhǔn)化委員會(huì)管理和發(fā)布。這就表明NORSOK井筒完整性標(biāo)準(zhǔn)的推出是有一定基礎(chǔ)和依據(jù)的；NORSOK標(biāo)準(zhǔn)以首創(chuàng)精神使之順應(yīng)法律/法規(guī)/立法的變化以及采用了很多發(fā)展的新技術(shù)。中國(guó)在井筒完整性理論與應(yīng)用上剛剛起步，只有短短幾年時(shí)間，為了今后更普遍地引用/應(yīng)用NORSOK井筒完整性標(biāo)準(zhǔn)以及根據(jù)國(guó)內(nèi)石油、天然氣工業(yè)發(fā)展的需求，需要研究中國(guó)石油、天然氣井筒完整性標(biāo)準(zhǔn)，但是一旦國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)出臺(tái)就應(yīng)該執(zhí)行國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，作為世界石油大國(guó)應(yīng)該遵循國(guó)際一致原則。

2 井筒完整性與井筒屏障的定義、內(nèi)涵與功能

2.1 井筒完整性的定義及內(nèi)涵

D-010第4版對(duì)井筒完整性的定義為：在一口井的整個(gè)生命周期中，應(yīng)用技術(shù)的、作業(yè)施工（操作）的和組織上的方法來(lái)減少（和降低）地層流體在未能控制的情況下外泄（uncontrolled release）的風(fēng)險(xiǎn)。圖1是井筒完整性全生命周期各作業(yè)的圖解。

隨著技術(shù)進(jìn)步，對(duì)井筒完整性的內(nèi)涵也不斷豐富。筆者對(duì)井筒完整性的內(nèi)涵從理論上分析，可概括為以下4個(gè)特性：（1）井筒承壓能力及封隔密封性；（2）各個(gè)機(jī)械裝置，包括防噴器、井口裝置、管柱、封隔器、閥門、儀表外筒等及其連接絲扣相互連接的可靠性，統(tǒng)稱機(jī)械完整性；（3）井筒內(nèi)各種作業(yè)管柱和工具在井筒內(nèi)起下無(wú)阻，即可達(dá)性；（4）井筒內(nèi)外流體在可控制條件下的液流通暢性。一個(gè)合格的井筒完整性必須同時(shí)具備上述“四性”，有任何一個(gè)不合格即認(rèn)為井筒完整性不合格。而且對(duì)于不同類型油氣藏、不同深度、不同井別、具體的每口陸海各類油氣井來(lái)說(shuō)，應(yīng)該有不同的作業(yè)內(nèi)容與技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。上述“四性”的每個(gè)性能都要按規(guī)定檢查監(jiān)測(cè)。例如，承壓密封性的常用辦法就是壓力測(cè)試，國(guó)內(nèi)通常是用泥漿泵打壓用井口壓力表和井下壓力計(jì)檢測(cè)；而D-010強(qiáng)調(diào)用柱塞泵小排量的漏失測(cè)壓法（leak-off test）測(cè)試，并規(guī)定測(cè)試壓力應(yīng)施于液體流動(dòng)方向，滲漏測(cè)試壓力為1.5～2 MPa，保持壓力5～10 min。這2種方法的效果不同，道理很清楚，值得國(guó)內(nèi)企業(yè)考慮。

2.2 井筒屏障的定義及內(nèi)涵

挪威D-010標(biāo)準(zhǔn)第4版對(duì)井筒屏障的定義：“井筒屏障（well barrier）可定義為先于某一項(xiàng)工作或作業(yè)開(kāi)始之前通過(guò)鑒別（識(shí)別、判斷）所要求的及說(shuō)明了它們采用的標(biāo)準(zhǔn)和監(jiān)管（監(jiān)視監(jiān)測(cè)（monitoring）方法的井筒屏障組件（WBE，well barrier elements）已經(jīng)一并安置到位”。 筆者認(rèn)為它的內(nèi)涵是：井筒屏障是由1個(gè)或幾個(gè)組件組成的1道（或2道甚至多道）集成屏障體，在某一項(xiàng)工作或作業(yè)開(kāi)始之前經(jīng)過(guò)鑒別所要求的及說(shuō)明了它們采用的標(biāo)準(zhǔn)和監(jiān)管/監(jiān)測(cè)方法的井筒屏障組件已經(jīng)提前安置到位，以防止液體或氣體在未控制的情況下從地層流入另一地層或外流至地面，實(shí)現(xiàn)對(duì)井筒的屏障功能。

圖1 井筒完整性全生命周期各作業(yè)的圖解Fig.1 Graphical representation of each operation in the full life cycle of wellbore integrity

井筒屏障層系是實(shí)現(xiàn)井筒完整性的關(guān)鍵，如果任何一個(gè)井筒屏障組件損壞或降低了入井前經(jīng)過(guò)鑒定設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)的話，井筒完整性也就被破壞或降格了。D-010標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)為，井筒屏障圖解是為每個(gè)井筒活動(dòng)和作業(yè)施工而準(zhǔn)備的，井筒屏障圖解應(yīng)做到以下16條：

（1）用設(shè)計(jì)和施工計(jì)劃來(lái)說(shuō)明該井鉆完井結(jié)構(gòu)、生產(chǎn)/注入等作業(yè)的結(jié)構(gòu)；

（2）說(shuō)明再完井和修井所使用的井筒屏障組件（WBEs）；

（3）當(dāng)井筒內(nèi)使用新的部件時(shí)要列入該井的圖解與設(shè)計(jì)；

（4）表明井筒永久報(bào)廢的最終狀況（一般情況下永久報(bào)廢井不需要另繪新圖來(lái)表明不同類型的入井裝置，除非當(dāng)?shù)?道井筒屏障的組件和功能失效需要再作處理時(shí)）；

（5）井筒屏障的圖，對(duì)最先的第1個(gè)井筒屏障用藍(lán)色表示，對(duì)第2個(gè)（含第1道、第2道乃至多道）井筒屏障用紅色表示（NORSOK作此規(guī)定）；

（6）當(dāng)?shù)貙邮蔷财琳系囊徊糠謺r(shí)（一般指裸眼作業(yè)井段的地層），要標(biāo)出地層完整性（formation integrity）；

（7）說(shuō)明儲(chǔ)集層/流入（inflow）的潛在（可能）的源頭（sources）；

（8）列表說(shuō)明井筒屏障組件（在表中應(yīng)有原始檢驗(yàn)和監(jiān)測(cè)要求）；

（9）所有的套管、水泥（包括水泥環(huán)返高）作為井筒屏障組件時(shí)應(yīng)該說(shuō)明其直徑和深度；

（10）說(shuō)明井筒屏障的每個(gè)組件彼此相對(duì)位置；

（11）井筒信息應(yīng)該包括：油田/裝置、井名稱、井別、井狀況、井筒/井段、設(shè)計(jì)壓力、修訂次數(shù)和日期，“由××起草（擬定）的”、“誰(shuí)檢查和批準(zhǔn)的”等；

（12）清楚地說(shuō)明實(shí)際的井筒屏障狀態(tài)——設(shè)計(jì)的和/或所建立的，等；

（13）說(shuō)明任何失效的（損壞的）或維修過(guò)的井筒屏障組件；

（14）重要的井筒完整性信息及異常情況要注明（或加備注）；

（15）第1個(gè)（primary，最早的、最原始的）井筒屏障是液柱構(gòu)成的屏障，該處是井筒屏障層系/組件裸露于井眼壓力之處（即裸眼井段）；

（16）第2個(gè)（secondary）井筒屏障要說(shuō)明它能夠用在危險(xiǎn)時(shí)期（危險(xiǎn)井段，ultimate stage），例如應(yīng)說(shuō)明該處的井筒屏障組件（如關(guān)閉用的閘板或密封用的閘閥）是打開(kāi)和關(guān)閉井筒屏障集成體（well barrier envelope）之用的。

2.3 井筒完整性和井筒屏障的功能

實(shí)現(xiàn)井筒完整性和井筒屏障層系的定義是對(duì)井筒的最低要求，從井筒完整性和井筒屏障層系的功能并結(jié)合鉆井、完井、采油等各項(xiàng)作業(yè)的目標(biāo)來(lái)說(shuō)明井筒完整性和井筒屏障層系的功能如下。

（1）井筒在功能及其物理與化學(xué)、力學(xué)及水力學(xué)等理論上是完整的，能夠保證順利安全地作業(yè)。例如鉆井作業(yè)在實(shí)現(xiàn)井筒完整性定義的基礎(chǔ)上要按計(jì)劃實(shí)現(xiàn)鉆井功能，勘探井要完成探井任務(wù)，主要是鉆達(dá)預(yù)期的地質(zhì)目的層，完成勘探井取心、測(cè)錄井等作業(yè)，完成泥漿錄井、巖屑錄井等各項(xiàng)錄井工作，弄清探井地層剖面各方面內(nèi)容，特別是儲(chǔ)層特征，了解在該地區(qū)鉆井存在的井下復(fù)雜情況（如：漏噴塌卡、縮徑、腐蝕源等）為后續(xù)鉆生產(chǎn)井提出故障提示，并實(shí)現(xiàn)井身結(jié)構(gòu)及固好井，為完井作業(yè)打好基礎(chǔ)。例如完井作業(yè)要在實(shí)現(xiàn)井筒完整性的基礎(chǔ)上保護(hù)好儲(chǔ)集層，正確選擇完井方法和完井作業(yè)直到順利交接井。

（2）井筒自始至終處于受控和監(jiān)視/監(jiān)管狀態(tài)，這樣才能及時(shí)發(fā)現(xiàn)風(fēng)險(xiǎn)、處理風(fēng)險(xiǎn)使作業(yè)處于安全、環(huán)境友好條件，也只有這樣才能進(jìn)行原來(lái)設(shè)計(jì)中安排和沒(méi)有安排的井控作業(yè)及不壓井起下鉆、強(qiáng)行起下鉆、強(qiáng)行作業(yè)等應(yīng)急措施。

（3）井筒完整性不僅確保作業(yè)者安全實(shí)施現(xiàn)代化作業(yè)，還將在智能鉆井、智能完井、智能油田以及在一個(gè)新油田新區(qū)域率先進(jìn)行水平井、多分支井、最大油藏接觸面積井等復(fù)雜結(jié)構(gòu)井的鉆井、完井、測(cè)試、生產(chǎn)等新技術(shù)、新作業(yè)項(xiàng)目，即井筒完整性為石油天然氣上游領(lǐng)域的技術(shù)發(fā)展、技術(shù)創(chuàng)新奠定基礎(chǔ)。

不能簡(jiǎn)單地認(rèn)為井筒完整性只是為了保護(hù)油氣資源、地下水資源和環(huán)境，更應(yīng)認(rèn)識(shí)井筒完整性的另一重要功能是防止油氣藏內(nèi)和油氣水層之間的相互竄流以及意外地泄漏溢出井筒導(dǎo)致事故。上述幾方面是井筒完整性功能的最低要求，也是對(duì)各作業(yè)的普遍要求。對(duì)各項(xiàng)作業(yè)應(yīng)該有具體的功能要求，并在技術(shù)上、操作上、組織上采取相應(yīng)措施。還要注意：在實(shí)施與應(yīng)用井筒完整性規(guī)程時(shí)要和井筒完整性概念應(yīng)用之前的井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、套管設(shè)計(jì)、固井設(shè)計(jì)、完井設(shè)計(jì)等內(nèi)容結(jié)合起來(lái)配套銜接起來(lái)實(shí)施，并集成提高到在一個(gè)井筒全生命期間的各項(xiàng)具體設(shè)計(jì)和作業(yè)中，這就增強(qiáng)了作業(yè)的連續(xù)性、銜接性，防止原來(lái)“鐵路警察各管一段”的分散性弊端。例如，在鉆井作業(yè)設(shè)計(jì)套管時(shí)如果沒(méi)有考慮該井采油作業(yè)時(shí)將要采用強(qiáng)化水力壓裂措施（特別是頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)往往要反復(fù)多次進(jìn)行水力壓裂），那就給水力壓裂設(shè)置了限制和障礙。

3 應(yīng)用實(shí)例

選擇了2個(gè)實(shí)例。圖2是鉆進(jìn)、取心和起下鉆作業(yè)的圖解，第1屏障為最早的、裸眼井段水力屏障（圖中的藍(lán)色液柱部分）；第2屏障為實(shí)體屏障（圖中紅色部分），包括套管水泥、套管、井口裝置、高壓隔水管（海洋鉆井需要安裝）、鉆井防噴器等。

圖2 鉆進(jìn)、取心或起下管柱的井筒屏障圖解Fig.2 Graphical representation of wellbore barrier during drilling, coring and tripping

圖3是一口撓管作業(yè)的海洋井環(huán)空安全閥失效之后進(jìn)行重新設(shè)計(jì)的井筒屏障圖例，寫(xiě)出的組件有22個(gè)閥、1個(gè)地面測(cè)試樹(shù)、1個(gè)水下采油樹(shù)、1套撓管防噴器、1套井口油管懸掛器、2層管柱（藍(lán)色）等，這套井筒屏障及其組件雖非某口實(shí)際海洋井使用，但是有代表性。圖中左側(cè)4個(gè)方框說(shuō)明第1、2道和共用的井筒屏障及其組件，右側(cè)3個(gè)方框表示不同工作階段的井筒屏障，方框中的“+…+…”表示還有其他未寫(xiě)出的組件。

圖3 NORSOK標(biāo)準(zhǔn)的井筒屏障名稱［11］Fig.3 Denomination of wellbore barrier in NORSOK

這2個(gè)實(shí)例都涉及鉆井液、完井液、工作液組成的液柱是井筒最早的井筒屏障，在很多情況下，液柱是唯一屏障或者是第1道屏障的重要組件。裸眼井筒的穩(wěn)定性是一個(gè)專門的研究項(xiàng)目，鉆油氣層井段時(shí)防止傷害儲(chǔ)集層又是一個(gè)特別重要的課題。中國(guó)在“七五”以來(lái)，成功地采用屏蔽暫堵技術(shù)保護(hù)儲(chǔ)集層和復(fù)雜層，井下配有屏蔽暫堵劑及其復(fù)配劑的鉆井液稱之為液體套管（fluid casing），可以說(shuō)液體套管是鉆井完井階段裸眼井筒屏蔽的重要組成部分［14-15］。在鉆井階段要保持以井筒穩(wěn)定和保護(hù)儲(chǔ)集層為主的井筒完整性，特別是在不同孔隙的砂泥巖、頁(yè)巖和裂縫性地層的裸眼井段鉆進(jìn)以及在頁(yè)巖氣氣藏鉆進(jìn)時(shí)，保護(hù)油氣層和防止漏噴塌卡、井眼縮徑掉塊等復(fù)雜性問(wèn)題的發(fā)生和保持井壁穩(wěn)定是很多油田、區(qū)塊的鉆完井難題。

孫金聲等以油田化學(xué)理論為基礎(chǔ)，在水基鉆井液中加入一定量的零濾失井眼穩(wěn)定劑，配制成超低滲透鉆井液，它可以提高地層承壓能力及提供防漏堵漏等效果［16-17］。它在不同孔隙的砂巖、泥巖、巖心和裂縫性地層有很好的封堵能力，可實(shí)現(xiàn)近零濾失。零濾失井眼穩(wěn)定劑通過(guò)在井壁表面形成一層致密的超低（近于0）的滲透膜大幅度提高巖層承壓能力，能自適應(yīng)封堵巖層表面孔喉，形成封堵薄層，起著液體套管的作用。這層液體套管完成預(yù)定的任務(wù)之后，很容易被清除掉，不會(huì)永久貼靠井壁，也不會(huì)永久堵塞。在大港、遼河多口井的應(yīng)用表明，在長(zhǎng)裸眼多層系或壓力衰竭地層應(yīng)用超低滲透鉆井液，能很好地防止漏失、卡鉆、坍塌等的發(fā)生。被封堵層的承壓能力提高，提高漏失壓力梯度，相當(dāng)于擴(kuò)大了安全密度窗口。在裸眼井段鉆井時(shí)，對(duì)鉆進(jìn)窄密度窗口地層需要使用適于窄密度窗口的鉆井液、完井液，超低滲透鉆井液的性能穩(wěn)定性對(duì)井筒穩(wěn)定性與安全性起著很好的作用，是鉆進(jìn)低壓地層裸眼井筒完整性的一項(xiàng)創(chuàng)新技術(shù)。

4 井筒完整性與井筒屏障的問(wèn)題與對(duì)策

4.1 遇到的主要問(wèn)題

挪威石油安全權(quán)威局（PSA，Petroleum Safety Authority）在2006年開(kāi)始做了一個(gè)探索研究，調(diào)查了406口井和12件近海事故所發(fā)生的井筒完整性問(wèn)題的報(bào)告，指出：在完整性失效的井有18%是由于測(cè)量（監(jiān)測(cè)）方面的問(wèn)題，其中7%是由于井筒完整性問(wèn)題而關(guān)井的。全世界井筒完整性與井筒屏障發(fā)生的主要問(wèn)題是：（1）井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理或者由于地層變化而不適應(yīng)；（2）水泥返高不夠或者水泥環(huán)質(zhì)量差，沒(méi)有把復(fù)雜地層封固住；（3）預(yù)計(jì)的地層壓力不準(zhǔn)確，導(dǎo)致持續(xù)的過(guò)高環(huán)空壓力；（4）套管水泥固井質(zhì)量問(wèn)題，“兩界面”膠結(jié)不達(dá)標(biāo)；（5）完井管柱發(fā)生變形、磨損、腐蝕、滲漏、穿孔等；（6）防噴器或采油樹(shù)與套管頭連接處密封不達(dá)標(biāo)；（7）閥門滲漏；（8）井下封隔器失效。

圖4是井筒完整性失效年齡（壽命）統(tǒng)計(jì)分析圖，壽命最短的只有一兩年，最長(zhǎng)的也只有15年。

圖4 井筒失效年齡統(tǒng)計(jì)分析圖［9］Fig.4 Statistical analysis diagram of wellbore failure age

圖5是存在井筒完整性問(wèn)題的75口井的井筒屏障組件失效分析圖，管柱失效居第1位，套管水泥失效居第2位，居第3位的是閥閘、井口裝置、防噴器與封隔器失效問(wèn)題。圖4、圖5說(shuō)明應(yīng)該重視井筒完整性與井筒屏障失效問(wèn)題。

圖5 屏障組件失效分析圖［9］Fig.5 Analysis diagram of barrier component failure

4.2 主要對(duì)策

失效問(wèn)題就是井筒完整性的隱患。減少和消除隱患的主要對(duì)策如下。

（1）重視井筒完整性與井筒屏障的全程全方位監(jiān)測(cè)檢查管理等工作，并應(yīng)按照法規(guī)、標(biāo)準(zhǔn)、指南等法定文件完善井筒完整性與井筒屏障標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化，從技術(shù)上、作業(yè)上與操作上和組織管理上加強(qiáng)對(duì)全生命周期施工作業(yè)的一體化設(shè)計(jì)，提高技術(shù)水平、工程質(zhì)量，加強(qiáng)組織措施。

（2）按照標(biāo)準(zhǔn)［2，12］進(jìn)行井筒及井筒屏障體系設(shè)計(jì)，其主要內(nèi)容是：井眼全服役期的用途與目的、服役期壽命、預(yù)測(cè)地質(zhì)剖面（含溫度、孔隙壓力、地層應(yīng)力等）、井身結(jié)構(gòu)、鉆井液完井液工作液、管柱及配件設(shè)計(jì)、井身剖面及靶位、各層套管及注水泥設(shè)計(jì)及其質(zhì)量檢查、各次開(kāi)鉆的井口裝置-防噴器設(shè)計(jì)、井筒測(cè)試和完井設(shè)計(jì)、風(fēng)險(xiǎn)分析及應(yīng)急處理預(yù)案等。

（3）按照D-010標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行驗(yàn)收（D-010第4版共有59張驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)表格［12］，供不同作業(yè)選擇使用）。

上述對(duì)策將在后續(xù)文章詳述，本文從簡(jiǎn)。

5 結(jié)論

用圖6說(shuō)明學(xué)習(xí)與應(yīng)用井筒完整性及井筒屏障層系的內(nèi)容和路線圖。圖中5～14項(xiàng)的10個(gè)作業(yè)覆蓋了石油天然氣上游領(lǐng)域的各個(gè)作業(yè)。其詳細(xì)內(nèi)容將在后續(xù)文章陸續(xù)發(fā)表。

圖6 學(xué)習(xí)與應(yīng)用井筒完整性及屏障層的路線圖［11-12］Fig.6 Road map to understand & application of well integrity &well barrier［11-12］

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