關停井與報廢井的井筒完整性

張紹槐

西安石油大學

中國國家發展和改革委員會（簡稱國家發改委）于2006年7月10日發布“廢棄井及長停井處置指南”SY/T 6646—2006［1］，指南中的廢棄井即報廢井，長停井又分為關停井和暫閉井（暫時報廢井）；2017年2月16日國家發改委發布了“中國石油高溫高壓及高含硫井完整性系列標準”，簡稱“三高井標準［2-3］”，其中“井的暫閉/棄置作業”內涵：井的暫閉指的是井的作業或生產的暫停，對于需要監控的暫閉井，沒有最長暫閉時間要求；對于不需要監控的暫閉井，建議井的暫閉時間最長為3年。“三高井標準”中的棄置井即永久報廢井，規定這類井至少設置2道永久的井筒屏障，并應具備以下功能：（1）長期（永久）的完整性；（2）非滲透性；（3）無收縮性；（4）能夠承受機械載荷和沖擊；（5）能耐受所接觸的化學物質（H2S、CO2和烴類）；（6）與管材和地層膠結牢固；（7）不會損壞所接觸管材的完整性。

永久報廢井的封堵材料一般為水泥。對于所有的打水泥塞作業，建議在水泥塞下方設置支撐（如橋塞或高黏液）防止水泥漿下滑或凝固過程中發生氣侵等。如果生產套管外的固井質量較差（檢測未達標），推薦將水泥塞處的生產套管磨銑一段，再重新打入水泥塞并再次進行檢測驗收直到達標［4］。對于永久報廢井，如果套管頭和采油樹等井口設備被拆卸搬走，則應在井口安置第3個井筒屏障，稱為裸眼至地面的井筒屏障［4］。

NORSOK D-010標準專門講述了“報廢井活動（Abandonment activities）［4］”，將報廢井分為4種：

（1）暫停井（Suspension well），暫停井筒的活動和作業，暫停井是長停井的一種，這類井停止作業但并未永久關停和報廢。

（2）暫時報廢井（Temporary abandonment of well），這類井可能“重入”（re-enter）恢復作業或側鉆等；如果這些工作仍然失敗就轉為永久報廢井；在內涵上與長停井（inactive well）相同。

（3）永久報廢井（permanent abandonment of wells），不再進行任何活動和作業。

（4）永久報廢1個井段（permanent abandonment of a section in a well），報廢原井的1個井段，同時在原井側鉆或下入割縫篩管，在新的地質井靶建立新井筒，爭取獲得油氣生產。

在下面的敘述中把內涵相同（相近）的井類進行合并，把（1）與（2）合并稱為關停井（長停井），都是暫時停止作業；把（3）與（4）的報廢井段合并稱為永久報廢井（報廢井）。

世界各國對關停井（長停井）、報廢井的分類法和含義不完全相同。美國加州油氣管理局將其分為長停井、閑置井（Idle well）、遺棄井（Orphan well）和報廢井，并進行立法管理［5］。閑置井是指因發生井下事故，既無法繼續作業又處理不了事故就放在那里閑置，這是不負責任的。中國不允許有閑置井。美國各油區內都有上萬口閑置井。遺棄井是由于原井無產能而被業主遺棄。無論是閑置井還是遺棄井，特別是在長期閑置的情況下又沒有管理、測試、封堵等，都可能造成嚴重的油氣資源流失、污染環境和地下水，甚至發生H2S等竄冒和井噴等事故。

鑒于各國標準（法規）對關停井、報廢井、遺棄井等的名稱、定義和管理不統一，提出統一術語的建議，如表1所示。全文重點對標準化規范化管理關停井與報廢井的井筒完整性和井筒屏障及其組件進行了論述。分類設計了有代表性的井筒屏障（附圖例），認為應“量身定制”和選擇屏障組件及必要的措施來建立每道井筒屏障，以確保關停井與報廢井的井筒完整性和關停、報廢作業的安全，保護油氣資源、地下水和環境。要特別重視對滲透性地層、儲集層、入流源的封隔。

關停井與報廢井的井筒屏障不同。二者對封隔地層、流體和壓力等的要求相同。設計與選擇井筒屏障組件只是對關停、報廢時間和重入該井的能力以及之后恢復作業等方面有所不同。對每口井的活動和作業應配備井筒屏障組件，并應進行最后檢查工作。分別針對關停井與報廢井，列出了井筒屏障的結構與圖解（共16個）。

表1 對關停井、報廢井統一名稱及含義的建議Table 1 Suggestion for uniform the term & definition of shut-in & abandonment well

1 關停井井筒屏障組件及圖例

1.1 暫時關停井含義

暫時關停（Temporary）是描述井筒的一種狀態，未移走井口及井控設備，在設備調整或維修等情況時井筒作業暫時（臨時）停止。或者鉆機臨時在另一口井做短期工作（如頁巖氣井工廠化作業時）、海洋平臺的鉆機平移（Strike）至另一口井組、等待氣候好轉（海洋平臺遇到臺風時）、等待設備等。在暫停期間（包括意外情況期間）井筒屏障及其組件應具有足夠的完整性。

暫時關停分監管和未監管2種情況。

（1）暫時關停而予監管/監視（監測）的關停井：該井是處在關停（暫時停止作業）狀態（NORSOK D-010 ： temporary abandonment 直譯為暫時報廢，宜理解為暫時關停），但該井的第1道和第2道井筒屏障仍被連續地監視監管或者進行遙測之中。監測中的暫時關停井沒有最大的關停時間限制，即“暫時”時間可長可短。

（2）不進行監管/監視的關停井（暫時關停井）：該井是處在暫時關停狀態，而該井的第1道和第2道井筒屏障沒有全部被連續地遙測和監視監管；這種井的最長關停時間為3年（海洋井為1年）。

暫時關停期間井筒處在安全狀態，暫時關停井可能進行再入等作業。

1.2 暫時關停井井筒屏障驗收/檢查標準及圖例

對監管監測和定期維修測試的暫時關停井應按NORSOK井筒屏障驗收表［4，6-8］對每個屏障組件進行監管、檢查、評估、驗收。

對不進行監管監測的暫時關停井，在計劃報廢期間內，其屏障組件的材質應有足夠的完整性，在油氣井設計時就要考慮到，這也是井筒完整性理念的優點之一。

圖1～圖10是關停井（暫時關停井）的10種井筒屏障系統的圖例。

2 報廢井井筒屏障的結構與圖例

2.1 永久報廢井含義及要求

永久報廢的含義是：該井已永久報廢并不再被使用或不再進行“重入”作業。報廢井必須進行永久性封堵，主要作業是在井筒適當層段注水泥塞以防止井筒中形成流體竄流通道。其目的在于保護淡水層和限制地下流體運移。標準［1-4］的主要內容是：（1）保護淡水層免受地層流體或地表水竄入的污染；（2）隔離開注采井段與未開采井段；（3）保護地表土壤和地面水不受地層流體污染；（4）隔離處理污水的井段；（5）將地面土地使用沖突降低到最小程度。

圖1 海洋井隔水導管卸開時關停井的井筒屏障圖解［4］Fig.1 Suspended well, hang off/disconnect of marine riser

圖2 在深部井段安裝有機械密封件并連續監測/監管的生產井的井筒屏障圖例［4］Fig.2 Production well with deep set mechanical plug, continuous monitoring

圖3 油藏裸露的下有尾管的關停井（暫時關停井）的井筒屏障及其組件圖例［4］Fig.3 Temporary abandonment, reservoir exposed, liner

圖4 油藏裸露的下有套管的關停井（暫時關停井）的井筒屏障及其組件圖例Fig.4 Temporary abandonment, reservoir exposed, casing

圖5 下了尾管，裸眼井段設有入流源的關停井（暫時關停井）的井筒屏障及其組件圖例［4］Fig.5 Temporary abandonment, no sources of inflow exposed, liner

圖6 下了套管的井，裸眼段沒有入流源的關停井（暫時關停）的井筒屏障及其組件圖例Fig.6 Temporary abandonment, no sources of inflow exposed, casing

圖7 已鉆達預計井深，下了尾管但未射孔的關停井（暫時關停）井筒屏障及其組件圖例Fig.7 Temporary abandonment, non-perforated well

圖8 已鉆達儲層，下了生產套管但未射孔的關停井（暫時關停）井筒屏障及其組件圖例Fig.8 Temporary abandonment, non-perforated well, casing

圖9 有高壓非滲透性地層（無碳氫化合物）下了套管而未射孔的關停井（暫時關停）井筒屏障及其組件圖例Fig.9 Temporary abandonment, impermeable formation with over pressure, non-perforated

圖10 已射孔但防噴器或采油樹被移走的關停井（暫時關停）井筒屏障及其組件圖例Fig.10 Temporary abandonment, perforated well with BOP or XT removed

為達到上述目的，要求所有關鍵性層段之間都要相互隔離開。在設計封堵時應搞清楚井內各地層的特性以正確選擇打水泥塞（及安置機械橋塞）的位置及長度。在一般情況下打水泥塞的目的和主要位置是：（1）隔離油氣層和處理廢水層段；（2）需要打地表水泥塞；（3）防止層間竄流，否則會干擾鄰井開發，所以報廢井的水泥塞不僅要保證隔離已確認為有生產能力的油氣層或注水層，還要使井內所有注采井段都被隔離；（4）封堵井內余留套管及管件；（5）恢復地貌。

報廢井封堵主要用水泥環和水泥塞。水泥塞封堵法有：（1）打裸眼水泥塞；（2）打套管內水泥塞；（3）打懸空水泥塞；（4）從套管炮眼擠注水泥或安置機械橋塞等；（5）在隔離套管外水泥返高以上的油氣層時，應進行二次固井等特殊作業；（6）將套管壁磨銑開窗后再打水泥塞。

打水泥塞的施工方法主要有：（1）管柱頂替法；（2）用管柱加壓擠注，或關閉井口擠注；（3）用機械封隔工具（橋塞、水泥承留器、永久性機械封隔器）并在其上打1個水泥帽提供第2道密封；（4）易鉆橋塞法（如鑄鐵橋塞）；（5）倒灰法，用電纜送入倒灰筒到指定位置，通過電纜打開灰筒啟動施工。必須檢查水泥塞位置和質量，通常可采用探水泥塞面和壓差法進行檢查。

2.2 報廢的設計基礎

應該確定所有的入流源并記入檔案。用于封隔井筒的所有井筒屏障組件應能承受在報廢期間的載荷和環境條件。設計基礎如下：

（1）原來的和現在的井筒結構，包括：深度和關于入流、套管柱、水泥環、水泥塞、側鉆及其對應地層的說明。

（2）表明油藏和地層現在、將來采油或注水等生產趨勢及其油藏流體和壓力（初始的、現在的和永久的）的每口報廢井的戰略程序（Stratigraphic Sequence）。

（3）注水泥作業的測井數據和資料。

（4）與相應的井筒屏障組件有關的地層特性（如：強度、滲透性、裂縫和斷層等）。

（5）井筒特別狀況，如：結垢、套管磨損、套管擠毀、H2S、CO2、水合物、苯或類似問題。

（6）由水泥或代用材料組成的井筒屏障組件應考慮下列有關不確定性問題：井下安放技術，為混合一種均勻漿體所需要的最小體積量，地面體積控制，流體的污染，水泥或者封隔材料的收縮率，套管居中情況，支撐加重漿體的能力，井筒屏障組件全服役期的壽命等。

2.3 設計應考慮的載荷情況

設計考慮：功能載荷與環境載荷相結合。對永久報廢井，井筒液體密度要按最大值進行設計。

設計報廢井應用的載荷情況見表2。

2.4 永久報廢井筒屏障驗收標準

永久報廢井應該永遠封隔住任何可預見的化學和地質的處理效果的井筒層段。永久報廢井的井筒屏障位置按表3考慮。

過壓地層包括深度淺的入流源（應按有關報廢要求檢查）。在同一壓力極限范圍之內的多個層位的油藏可視為一個油藏來安裝第1道和第2道井筒屏障（圖11）。

1個井筒屏障能夠作為多于1個井筒的共用井筒屏障（Shared well barrier）。永久的井筒屏障應該封住包括所有環空和需要封隔的垂直與水平的層位（圖 12）。

表2 載荷情況Table 2 Load cases

表3 永久報廢井井筒屏障位置Table 3 Position of permanent abandonment well barrier

圖11 多層位油藏視為1個油藏示意圖Fig.11 Multiple reservoirs

圖12 永久共用的井筒屏障Fig.12 Permanent shared well barrier

該永久共用的井筒屏障應放置在一個具有足夠地層完整性，具有最大阻抗壓力的不滲透地層處。需要起出（或移開）影響井筒完整性的井下裝置。控制線路和纜線不一定再是報廢井的永久性井筒屏障的組成部件。

永久性井筒屏障應具有以下性能：（1）保證長期永久性的完整性；（2）不滲透性；（3）非收縮性；（4）能承受機械載荷/沖擊；（5）阻抗化學物質（H2S、CO2和水合物）的侵入；（6）保證與金屬部件的膠結；（7）不損壞鋼質管件的完整性。

需側鉆井側鉆之前原來的井眼應永久報廢，否則應配置井筒屏障。

2.5 永久報廢井的井筒屏障驗收標準

表4是對井筒屏障驗收表（EAC）附加的驗收要求，說明對永久報廢井的井筒屏障的要求比對正常井要求更多并更加嚴格。絕對不能認為已經報廢可簡單（甚至草率）地處理。

當完井管件留在井中時以及井筒屏障組件安裝在管中和環空中時，其安裝位置和它們的完整性應該按下列要求檢查：（1）用壓力測試法檢查套管和完井管柱之間的水泥環；（2）應探測管內的水泥塞面的位置并進行壓力測試。

表4 報廢井對井筒屏障組件的附加要求Table 4 Additional acceptance requirements of well barrier elements in abandonment well

2.5.1 外部環空的井筒屏障組件 應檢查外部環空的井筒屏障組件（如：套管-水泥環）以確保垂直密封和水平密封。對外部井筒屏障組件的要求是高度至少50 m，這段井段的地層應具備地層完整性。如果用測井法檢查套管-水泥環，至少有30 m的井段長度具有符合驗收標準的膠結強度以作為對永久的外部井筒屏障組件的要求。

套管-水泥環的測錄井應該按關鍵注水泥作業和對永久報廢井的要求，該處的套管-水泥環是第1道和第2道井筒屏障的一部分。如果觀察到有持續的套管壓力，應再重新檢查套管-水泥環的密封性。

2.5.2 管內的井筒屏障組件 管內的井筒屏障組件（例如：水泥塞）應該位于井筒屏障一個井段，該井段的基本條件是：檢查過的外部井筒屏障組件和至少50 m安置了機械密封塞/水泥環的井段，否則按照套管-水泥環驗收表（EAC 24）［6］檢驗（參“完井作業的井筒完整性標準”附錄表3［7-9］）。

2.5.3 移走海底上的設備 （海洋井）對于永久報廢的海洋井，其井口與套管（上部）應移至海底面以下而沒有露出海底面以上的部分，以確保將來不會被碰撞到；要求足夠的切割深度以防止與其他的海上活動沖突。應考慮由于海流對本井造成諸如土壤、海底沖刷等問題。深水海洋井可采取避開或超復該井的井口裝置。移開海底套管/導管的方法優先選用機械切割或研磨切割。總之，對于永久報廢井，移走海底面以上的井口與設備裝置時要考慮各種具體情況。

2.6 永久報廢井的井筒屏障組件實例

圖13～圖18是對永久報廢井每種井筒屏障結構的描述并說明其使用目的。

圖13 （永久）報廢的裸眼井［4］Fig.13 Permanent abandonment, open hole

圖14 下了套管后無入流源的裸眼井段的（永久）報廢井的井筒屏障圖例［4］Fig.14 Permanent abandonment, open hole, casing.No source of inflow

圖15 下了尾管已射孔的井、油管（意外）留在井下，（永久）報廢井的井筒屏障圖例［4］Fig.15 Permanent abandonment, perforated well, tubing left in hole

圖16 該井已射孔、落井的油管已取出的（永久）報廢井的井筒屏障圖例［4］Fig.16 Permanent abandonment, perforated well, tubing removed

圖17 下有篩管（割縫尾管）或砂控篩管的有側鉆分支井的（永久）報廢井段的井筒屏障圖例［4］Fig.17 Permanent abandonment, multi bore with slotted liners or sand screens

2.7 永久報廢井選用井筒屏障組件應用實例

2.7.1 裸眼段打了水泥塞的永久報廢井 圖19為井眼最下部裸眼段已永久報廢的實例。正對著儲層和在儲層之上打了一個至少高100 m的第1段裸眼水泥塞，還在裸眼進入套管內的位置打了一個附加的至少高100 m的第2段水泥塞。井筒完整性要求在套管井段和裸眼井段2個井筒屏障都具有足夠的地層完整性。

2.7.2 背靠背水泥塞和測井合格的套管-水泥環圖20為井眼最下部裸眼段或者射了孔的套管/尾管，先對套管水泥環進行檢查之后，再對準或者盡量接近儲層打2個背靠背的水泥塞（即跨2個地層的長水泥塞［4］）。

套管內水泥塞的高度超過在環空中測井井段的長度。

圖20中套管內下部水泥塞（藍色）高度至少為100 m，上部水泥塞（紅色）高度至少為50 m，套管外的水泥環高度至少各為30 m；套管內的2個水泥塞是背靠背相接觸的。圖中還注明了對2段水泥塞的檢查工作。

圖18 在多油層中下了割縫篩管的（永久）報廢井的井筒屏障圖例［4］Fig.18 Permanent abandonment, slotted liner in multiple reservoirs

圖19 裸眼及其內部有套管-水泥塞的（永久）報廢井的井筒屏障圖例Fig.19 Permanent abandonment, open hole and inside casing plugs

由圖20和上述說明可以認為：這套井筒屏障及其組件以及施工、檢查等是精心設計的，因為這是一口永久報廢井，井筒完整性必須可靠和耐久。

圖20 打2個背靠背的水泥塞的（永久）報廢井Fig.20 Permanent abandonment, two back to back cement plugs

2.7.3 水泥塞與機械封隔塞相結合的永久報廢井在尾管頂部安置1個機械封隔塞作為基礎再用1個水泥塞能永久地為報廢井提供永久的井筒屏障。管內水泥塞高度要超過在環空中測井證實的水泥環實際高度。

在套管外有2段水泥環（圖21中黃色與藍色），共打了2次水泥（圖中標注為第1次和第2次打水泥），套管內的水泥塞下部緊貼在機械封隔塞上部，套管內就有了“雙保險”。管內外水泥用圖示的不同方法測試、檢查。

圖21 在機械封隔塞的基礎上，打一個水泥塞的（永久）報廢井的井筒屏障圖例Fig.21 Permanent abandonment, single cement plug with mechanical plug foundation

2.7.4 留在井下的油管段 該井已經鉆到了儲層/入流源并下了尾管（已射孔），但因井下留有打撈不出來的油管段，只好作為永久報廢井。在油藏以上或盡可能接近油藏打第1個水泥塞（圖22），在油管和油管環空打第2個水泥塞。

圖22 留在井下打撈不出來的油管段導致（永久）報廢的井筒屏障圖例［4］Fig.22 Permanent abandonment, with tubing stump left in hole

2.7.5 對水泥塞質量不達標的井要磨銑套管后再重打水泥塞 永久報廢井的水泥塞質量必須達標。若一般方法不能補救，需在該水泥塞位置處磨銑套管（圖23），必要時還要擴眼鉆掉劣質水泥環，然后再用頂替法重打水泥塞和水泥環。這項作業應有詳細的設計（含圖解）和作業流程并認真檢查質量。

圖23 永久報廢井磨銑部分井段在套管壁開窗后再打水泥塞［4］Fig.23 Permanent abandonment, section milling

3 其他事項

3.1 風險

應該評估設計和作業的風險。典型的風險包括：（1）不確定性的壓力和地層完整性；（2）時間的影響，例如：油藏長期開發的壓力變化、所用材料的老化、井液中加重材質的下沉等；（3）油管內結垢；（4）H2S或CO2；（5）圈閉壓力的釋放；（6）設備或材料的未知情況；（7）環境的影響。

應按標準進行風險評估并落實處理措施［10］。

3.2 移走采油樹

永久報廢井要移走采油樹去掉井口裝置和割掉一定深度的表層套管及恢復地貌，使報廢井與使用土地的矛盾最小化，并在井眼位置安裝明顯標志。為此提出需要的井筒屏障（表5）。

表5 移走采油樹時需要的井筒屏障Table 5 Well barrier during remove XT

4 總結

（1）井眼在井筒全生命周期的最后（及中間）遲早要關停和報廢，在有關標準［1-4，11-16］中把關停和報廢視為1個服役的作業環節。目前國內外對這類井的名稱繁多而不統一。通過分析和梳理，提出了表1的分類方法及說明，建議我國國家發改委和石油四大集團公司今后使用關停井和報廢井2個名稱，并供國內外交流研討。

（2）關停井與報廢井要永久保持井筒完整性，它的井筒屏障及其組件與作業井相比有其特殊性，在某些方面比作業井更復雜而且隨著關停與報廢的原因不同以及所在油氣藏性質不同、地質條件不同、井況不同、井史不同而具有個性化特點，所以對關停井、報廢井的井筒屏障要有針對性地進行“量身定制”并擬定有針對性的附加措施，建立多道（最少2道）井筒屏障，井筒屏障組件必須經久而耐用，經得起長時間由于油藏動態變化、環境變化等考驗。所以對井筒屏障組件的檢查、測試很嚴格、應有標準規定。 文章中列舉的21個井筒屏障圖例是有代表性的，可供參考。關停井、報廢井全都要有多道套管水泥環封堵環空和多個水泥塞封堵管內，而且如果水泥塞質量不達標，要磨銑套管乃至擴眼磨銑套管內外，再重新打水泥塞并認真檢查、測試直到合格切實封堵經久耐用為止。關停井、報廢井還要重視所封堵井段的地層完整性，配合使用機械封堵密封裝置，井下安全閥、套管浮箍、套管（尾管）單向閥以及井口裝置，采油樹［17］屏障組件（報廢井可以簡化、改裝或拆除采油樹）。

（3）從技術上、作業活動上和組織上采取有力措施，保護好關停井的井筒完整性，有助于采取措施縮短關停時間以及把關停井恢復正常作業。應盡量延緩報廢時間，能夠只報廢1個井段就不要全井報廢。關停井、報廢井的服役期長，要制訂與執行長期的檢查、監管、監測（含永久監測、現代化信息化監管手段等）以及執行風險評估、處理的制度、標準、法規。我國目前發布的標準、法規還需在實踐中加以充實完善。建議石油四大集團公司和油氣企業組織產學研和第三方研究。

（4）挪威標準NORSOK D-010 V4對關停井、報廢井的技術標準和管理方法比較全面，有的標準（如水泥塞結構與高度、壓力測試和/或滲漏測壓等試壓方法與標準等）比國內標準更加合理和嚴格，對有的井進行長期監管監測與定期檢測具有指導意見。建議結合我國生產實際借鑒采用。