井筒完整性的定義、功能、應用及進展

張紹槐

西安石油大學

能源是中國經濟社會發展的重要基礎。國家發改委2016年12月發布的《石油發展“十三五”規劃》、《天然氣發展“十三五”規劃》［1］對中國石油天然氣發展戰略作了部署。根據油氣井作業要求以及作業的安全可靠，特別是保護油氣資源獲取最大采收率及保護環境與地下水資源等這些重要問題，國際石油界認識到需要有一個能夠準確全面表述這些問題的專用技術術語和整套制度、法規與系列標準。從20世紀80年代到現在，30多年來國際石油界最初提出的只是井口裝置與井筒內管柱與機械部件的機械完整性，經過實踐才認識到應該是井筒完整性（Well Integrity）這個新概念，在實踐中不斷完善其定義、內涵并擴展其應用范圍。這是國際上石油行業當今熱之又熱的課題，它是石油工程技術標準化和HSE領域在井筒工程技術方面的重要內容之一，也是油氣上游領域工程技術與管理方面的重要內容之一。中國在井筒完整性理論與標準及其應用方面剛剛起步。2017年2月中國石油發布了國內首套“高溫高壓及高含硫井井筒完整性系列標準”［2］。中國石油塔里木油田和西南油氣田分公司、中海油、西南石油大學國家重點實驗室、中國石油集團石油管工程技術研究院等單位進行了一些研究和應用［2-8］。

1 井筒完整性的問世與進展

挪威是一個石油、天然氣生產大國，也是石油、天然氣出口較多的國家，其石油、天然氣工業以海洋石油、天然氣為主，勘探、開發工作主要在挪威大陸架、北海油田和近北極區。據挪威石油安全管理局（PSA）對海上406口具有不同開發年限和生產類別的油氣井進行井筒完整性的調查，18%存在井筒完整性方面的問題，其中7%因為井筒完整性損壞而被迫關井，而且對環境和經濟造成了重大損失［9-10］。1986年，挪威NORSOK標準第1版問世，是世界上第1個在鉆井等井筒作業中的井筒完整性標準（Well Integrity Standard in Drilling and Well Operations）。20世紀90年代更新為第2版。 2004年8月，挪威NORSOK標準第3版D-010《鉆井和井筒作業中井筒完整性》［11］出臺，進一步推動國際石油界關注井筒完整性理念與應用。但是，“石油事故”仍時有發生。特別是2010年4月20日深夜在美國墨西哥灣馬孔多海上，BP公司鉆井平臺（Macondo）鉆一口“深水地平線井”時發生了井噴、失火、爆炸惡性事故，造成了11人死亡，在近3個月的時間有500萬桶（約68.4萬t）原油泄流到海域，導致墨西哥灣環境大面積污染。BP公司賠償美國政府和當地人民63.8億美元。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量存在問題，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，發生井噴、失火、爆炸。

二是BP公司在對固井后的尾管水泥環進行負壓力測試時已經知道有3次不合格（表明第二屏障失效），而監管人員也沒有采取必要措施，而是繼續用海水頂替井內鉆井液，導致地層流體無控制地進入井內，造成井噴、失火、爆炸。

三是哈里伯頓公司用水泥封堵軟件對該井作多次模擬分析，建議固井時用21個扶正器扶正套管柱在環空居中，但是BP公司工作人員只用了6個扶正器。在負壓測試已經表明注水泥固井不合格的情況下，沒有用水泥膠結測井（CBL）等手段進一步檢查固井質量差的部位，更沒擠注水泥進行補救。在NORSOK標準和有關法規及操作手冊中要求固井后做負壓力測試和CBL測井檢查固井質量，該井負壓力測試都不合格，而該井監管人員卻掉以輕心，在用海水頂替鉆井液時，在油藏壓力很高的情況下，油氣從套管鞋水泥環處沖出，很快就釀成惡性事故。

“深水地平線”惡性事故令全球石油業界及安全環保部門以及各石油公司和全世界共同關注，進行深刻反思、總結教訓。在這個背景下，2010年12月美國石油學會發布了API 65-2《封隔建井中的潛在 地 層流入》（Isolating Potential Flow Zones Well Construction），把該封隔標準作為API RP90和API 65的補充。API RP90為《海上油氣井套管持續帶壓管理》（API RP90 Management of Sustained Casing Pressure on Offshore Wells）。

2011年美國石油學會發布API 96《深水井筒設計與建井》（Deepwater Well Design and Construction）第1版，吸取上述深水地平線事故教訓，對海洋深水油氣井設計和建井中井筒完整性提出了許多新理念和技術條款。

2011年，挪威石油工業協會（OLF）牽頭成立由BP、Conoco Phillips、Eni Norge、Exxon Mobil、Nexen Inc、Norske Shell、Statoil、Total等跨國石油公司專家們組成的工作組，負責編寫井筒完整性標準《OLF井筒完整性推薦指南》（OLF Commended Guidelines for Well Integrity）。2011年6月挪威石油工業協會發布了該OLF推薦指南。

2012年5月3日挪威石油工業協會發布《深水地平線教訓及改進措施》（Deep water Horizon Lessons Learned and Flow-up）文件。該文件還比較了API標準和挪威標準，提出了對NORSK D-010標準第3版的修改條款、增補了企業文化理念和條款等。

2013年6月挪威標準化委員會發布了《在鉆井和井筒作業中井筒完整性》NORSOK標準D-010第4版［12］，即NORSOK標準D-010的最新版，也是現在國際石油界推崇和應用的比較公認的井筒完整性標準。同時，國內外石油工作者在應用上述諸多標準、指南、手冊的同時，還在繼續研究井筒完整性和井筒屏障問題，提出了井筒完整性管理、井筒安全屏障系統［2，4，12］、地層完整性、液柱 - 水力完整性、實體完整性、操作完整性、水力完整性與腐蝕性管理和控制等細則和新概念。中國石油在2017年2月發布了國內首套“高溫高壓及高含硫井井筒完整性系列標準［2］”，張智等提出“井筒完整性及其屏障層系應重視螺紋連接理念”［4］及“含硫氣井的井筒完整性設計方法”［5］，胡順渠等發表了“川西高溫高壓氣井井筒完整性優化設計及應用”一文［6］，馮耀榮等發表了“油氣井管柱完整性技術研究進展與展望”［7］，景宏濤等發表了“塔里木高壓氣井迪那二井完整性評價及風險分析”［8］。上述工作表明中國已經對井筒完整性開啟研究和應用。

從1986年到現在，30多年來國內外越來越深入和廣泛研究應用井筒完整性及其屏障系統新理念、新觀念、新理論、新方法、新技術。隨著今后石油天然氣工業向海洋深井［13］、超深井、高壓含H2S、CO2等復雜井以及非常規油氣井、極地地區勘探井、多分支井及最大油藏接觸面積井等復雜結構井、智能鉆井完井及智能油田等新領域擴展，井筒完整性及其屏障系統將越來越顯示其重要性。

NORSOK標準是隨著挪威石油工業的發展和施工作業的進展，以保證安全、增值、成本有效性以及保護油氣資源及地下水、保護壞境等多方面的需要而制定的。挪威NORSOK標準有可能替換（國內/國際）油公司的規范/技術要求、服務指南，實現權威性管理制度。

NORSOK標準的建立是基于認可的已有國際標準，NORSOK標準將被用于挪威石油工業進入國際標準化的進程。為遵守國際標準，一旦國際井筒完整性標準出版發布，與之相關的NORSOK標準將隨之取消，共同執行國際井筒完整性標準［9-10］。

NORSOK標準是按照對普遍應用的標準化內容意見一致的原則來研究制定的，得到挪威石油工業協會（OLF）和挪威制造工業聯合會（TBL）的支持進行研發，由挪威標準化委員會管理和發布。這就表明NORSOK井筒完整性標準的推出是有一定基礎和依據的；NORSOK標準以首創精神使之順應法律/法規/立法的變化以及采用了很多發展的新技術。中國在井筒完整性理論與應用上剛剛起步，只有短短幾年時間，為了今后更普遍地引用/應用NORSOK井筒完整性標準以及根據國內石油、天然氣工業發展的需求，需要研究中國石油、天然氣井筒完整性標準，但是一旦國際標準出臺就應該執行國際標準，作為世界石油大國應該遵循國際一致原則。

2 井筒完整性與井筒屏障的定義、內涵與功能

2.1 井筒完整性的定義及內涵

D-010第4版對井筒完整性的定義為：在一口井的整個生命周期中，應用技術的、作業施工（操作）的和組織上的方法來減少（和降低）地層流體在未能控制的情況下外泄（uncontrolled release）的風險。圖1是井筒完整性全生命周期各作業的圖解。

隨著技術進步，對井筒完整性的內涵也不斷豐富。筆者對井筒完整性的內涵從理論上分析，可概括為以下4個特性：（1）井筒承壓能力及封隔密封性；（2）各個機械裝置，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，統稱機械完整性；（3）井筒內各種作業管柱和工具在井筒內起下無阻，即可達性；（4）井筒內外流體在可控制條件下的液流通暢性。一個合格的井筒完整性必須同時具備上述“四性”，有任何一個不合格即認為井筒完整性不合格。而且對于不同類型油氣藏、不同深度、不同井別、具體的每口陸海各類油氣井來說，應該有不同的作業內容與技術標準。上述“四性”的每個性能都要按規定檢查監測。例如，承壓密封性的常用辦法就是壓力測試，國內通常是用泥漿泵打壓用井口壓力表和井下壓力計檢測；而D-010強調用柱塞泵小排量的漏失測壓法（leak-off test）測試，并規定測試壓力應施于液體流動方向，滲漏測試壓力為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，值得國內企業考慮。

2.2 井筒屏障的定義及內涵

挪威D-010標準第4版對井筒屏障的定義：“井筒屏障（well barrier）可定義為先于某一項工作或作業開始之前通過鑒別（識別、判斷）所要求的及說明了它們采用的標準和監管（監視監測（monitoring）方法的井筒屏障組件（WBE，well barrier elements）已經一并安置到位”。 筆者認為它的內涵是：井筒屏障是由1個或幾個組件組成的1道（或2道甚至多道）集成屏障體，在某一項工作或作業開始之前經過鑒別所要求的及說明了它們采用的標準和監管/監測方法的井筒屏障組件已經提前安置到位，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，實現對井筒的屏障功能。

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

井筒屏障層系是實現井筒完整性的關鍵，如果任何一個井筒屏障組件損壞或降低了入井前經過鑒定設計的標準的話，井筒完整性也就被破壞或降格了。D-010標準認為，井筒屏障圖解是為每個井筒活動和作業施工而準備的，井筒屏障圖解應做到以下16條：

（1）用設計和施工計劃來說明該井鉆完井結構、生產/注入等作業的結構；

（2）說明再完井和修井所使用的井筒屏障組件（WBEs）；

（3）當井筒內使用新的部件時要列入該井的圖解與設計；

（4）表明井筒永久報廢的最終狀況（一般情況下永久報廢井不需要另繪新圖來表明不同類型的入井裝置，除非當第2道井筒屏障的組件和功能失效需要再作處理時）；

（5）井筒屏障的圖，對最先的第1個井筒屏障用藍色表示，對第2個（含第1道、第2道乃至多道）井筒屏障用紅色表示（NORSOK作此規定）；

（6）當地層是井筒屏障的一部分時（一般指裸眼作業井段的地層），要標出地層完整性（formation integrity）；

（7）說明儲集層/流入（inflow）的潛在（可能）的源頭（sources）；

（8）列表說明井筒屏障組件（在表中應有原始檢驗和監測要求）；

（9）所有的套管、水泥（包括水泥環返高）作為井筒屏障組件時應該說明其直徑和深度；

（10）說明井筒屏障的每個組件彼此相對位置；

（11）井筒信息應該包括：油田/裝置、井名稱、井別、井狀況、井筒/井段、設計壓力、修訂次數和日期，“由××起草（擬定）的”、“誰檢查和批準的”等；

（12）清楚地說明實際的井筒屏障狀態——設計的和/或所建立的，等；

（13）說明任何失效的（損壞的）或維修過的井筒屏障組件；

（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（primary，最早的、最原始的）井筒屏障是液柱構成的屏障，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（secondary）井筒屏障要說明它能夠用在危險時期（危險井段，ultimate stage），例如應說明該處的井筒屏障組件（如關閉用的閘板或密封用的閘閥）是打開和關閉井筒屏障集成體（well barrier envelope）之用的。

2.3 井筒完整性和井筒屏障的功能

實現井筒完整性和井筒屏障層系的定義是對井筒的最低要求，從井筒完整性和井筒屏障層系的功能并結合鉆井、完井、采油等各項作業的目標來說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、力學及水力學等理論上是完整的，能夠保證順利安全地作業。例如鉆井作業在實現井筒完整性定義的基礎上要按計劃實現鉆井功能，勘探井要完成探井任務，主要是鉆達預期的地質目的層，完成勘探井取心、測錄井等作業，完成泥漿錄井、巖屑錄井等各項錄井工作，弄清探井地層剖面各方面內容，特別是儲層特征，了解在該地區鉆井存在的井下復雜情況（如：漏噴塌卡、縮徑、腐蝕源等）為后續鉆生產井提出故障提示，并實現井身結構及固好井，為完井作業打好基礎。例如完井作業要在實現井筒完整性的基礎上保護好儲集層，正確選擇完井方法和完井作業直到順利交接井。

（2）井筒自始至終處于受控和監視/監管狀態，這樣才能及時發現風險、處理風險使作業處于安全、環境友好條件，也只有這樣才能進行原來設計中安排和沒有安排的井控作業及不壓井起下鉆、強行起下鉆、強行作業等應急措施。

（3）井筒完整性不僅確保作業者安全實施現代化作業，還將在智能鉆井、智能完井、智能油田以及在一個新油田新區域率先進行水平井、多分支井、最大油藏接觸面積井等復雜結構井的鉆井、完井、測試、生產等新技術、新作業項目，即井筒完整性為石油天然氣上游領域的技術發展、技術創新奠定基礎。

不能簡單地認為井筒完整性只是為了保護油氣資源、地下水資源和環境，更應認識井筒完整性的另一重要功能是防止油氣藏內和油氣水層之間的相互竄流以及意外地泄漏溢出井筒導致事故。上述幾方面是井筒完整性功能的最低要求，也是對各作業的普遍要求。對各項作業應該有具體的功能要求，并在技術上、操作上、組織上采取相應措施。還要注意：在實施與應用井筒完整性規程時要和井筒完整性概念應用之前的井身結構設計、套管設計、固井設計、完井設計等內容結合起來配套銜接起來實施，并集成提高到在一個井筒全生命期間的各項具體設計和作業中，這就增強了作業的連續性、銜接性，防止原來“鐵路警察各管一段”的分散性弊端。例如，在鉆井作業設計套管時如果沒有考慮該井采油作業時將要采用強化水力壓裂措施（特別是頁巖氣開發往往要反復多次進行水力壓裂），那就給水力壓裂設置了限制和障礙。

3 應用實例

選擇了2個實例。圖2是鉆進、取心和起下鉆作業的圖解，第1屏障為最早的、裸眼井段水力屏障（圖中的藍色液柱部分）；第2屏障為實體屏障（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、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是一口撓管作業的海洋井環空安全閥失效之后進行重新設計的井筒屏障圖例，寫出的組件有22個閥、1個地面測試樹、1個水下采油樹、1套撓管防噴器、1套井口油管懸掛器、2層管柱（藍色）等，這套井筒屏障及其組件雖非某口實際海洋井使用，但是有代表性。圖中左側4個方框說明第1、2道和共用的井筒屏障及其組件，右側3個方框表示不同工作階段的井筒屏障，方框中的“+…+…”表示還有其他未寫出的組件。

圖3 NORSOK標準的井筒屏障名稱［11］Fig.3 Denomination of wellbore barrier in NORSOK

這2個實例都涉及鉆井液、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。裸眼井筒的穩定性是一個專門的研究項目，鉆油氣層井段時防止傷害儲集層又是一個特別重要的課題。中國在“七五”以來，成功地采用屏蔽暫堵技術保護儲集層和復雜層，井下配有屏蔽暫堵劑及其復配劑的鉆井液稱之為液體套管（fluid casing），可以說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定和保護儲集層為主的井筒完整性，特別是在不同孔隙的砂泥巖、頁巖和裂縫性地層的裸眼井段鉆進以及在頁巖氣氣藏鉆進時，保護油氣層和防止漏噴塌卡、井眼縮徑掉塊等復雜性問題的發生和保持井壁穩定是很多油田、區塊的鉆完井難題。

孫金聲等以油田化學理論為基礎，在水基鉆井液中加入一定量的零濾失井眼穩定劑，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，可實現近零濾失。零濾失井眼穩定劑通過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定的任務之后，很容易被清除掉，不會永久貼靠井壁，也不會永久堵塞。在大港、遼河多口井的應用表明，在長裸眼多層系或壓力衰竭地層應用超低滲透鉆井液，能很好地防止漏失、卡鉆、坍塌等的發生。被封堵層的承壓能力提高，提高漏失壓力梯度，相當于擴大了安全密度窗口。在裸眼井段鉆井時，對鉆進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定性對井筒穩定性與安全性起著很好的作用，是鉆進低壓地層裸眼井筒完整性的一項創新技術。

4 井筒完整性與井筒屏障的問題與對策

4.1 遇到的主要問題

挪威石油安全權威局（PSA，Petroleum Safety Authority）在2006年開始做了一個探索研究，調查了406口井和12件近海事故所發生的井筒完整性問題的報告，指出：在完整性失效的井有18%是由于測量（監測）方面的問題，其中7%是由于井筒完整性問題而關井的。全世界井筒完整性與井筒屏障發生的主要問題是：（1）井身結構設計不合理或者由于地層變化而不適應；（2）水泥返高不夠或者水泥環質量差，沒有把復雜地層封固住；（3）預計的地層壓力不準確，導致持續的過高環空壓力；（4）套管水泥固井質量問題，“兩界面”膠結不達標；（5）完井管柱發生變形、磨損、腐蝕、滲漏、穿孔等；（6）防噴器或采油樹與套管頭連接處密封不達標；（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）統計分析圖，壽命最短的只有一兩年，最長的也只有15年。

圖4 井筒失效年齡統計分析圖［9］Fig.4 Statistical analysis diagram of wellbore failure age

圖5是存在井筒完整性問題的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題。圖4、圖5說明應該重視井筒完整性與井筒屏障失效問題。

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

4.2 主要對策

失效問題就是井筒完整性的隱患。減少和消除隱患的主要對策如下。

（1）重視井筒完整性與井筒屏障的全程全方位監測檢查管理等工作，并應按照法規、標準、指南等法定文件完善井筒完整性與井筒屏障標準化、規范化，從技術上、作業上與操作上和組織管理上加強對全生命周期施工作業的一體化設計，提高技術水平、工程質量，加強組織措施。

（2）按照標準［2，12］進行井筒及井筒屏障體系設計，其主要內容是：井眼全服役期的用途與目的、服役期壽命、預測地質剖面（含溫度、孔隙壓力、地層應力等）、井身結構、鉆井液完井液工作液、管柱及配件設計、井身剖面及靶位、各層套管及注水泥設計及其質量檢查、各次開鉆的井口裝置-防噴器設計、井筒測試和完井設計、風險分析及應急處理預案等。

（3）按照D-010標準進行驗收（D-010第4版共有59張驗收標準表格［12］，供不同作業選擇使用）。

上述對策將在后續文章詳述，本文從簡。

5 結論

用圖6說明學習與應用井筒完整性及井筒屏障層系的內容和路線圖。圖中5～14項的10個作業覆蓋了石油天然氣上游領域的各個作業。其詳細內容將在后續文章陸續發表。

圖6 學習與應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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