全球CCUS废弃井法规现状及其对中国的启示

匡冬琴 李 琦 陈征澳 刘兰翠.中国科学院武汉岩土力学研究所 岩土力学与工程国家重点实验室, 湖北 武汉 43007；.环境保护部环境规划院 气候变化与环境政策研究中心, 北京 000

全球CCUS废弃井法规现状及其对中国的启示

匡冬琴1李 琦1陈征澳1刘兰翠2
1.中国科学院武汉岩土力学研究所 岩土力学与工程国家重点实验室, 湖北 武汉 430071；2.环境保护部环境规划院 气候变化与环境政策研究中心, 北京 100012

近年,CO2地质利用与封存技术(CCUS)逐渐成熟,相关工程项目逐渐增多,但世界范围内针对该技术的法律法规的制定尚处于摸索阶段,仅有少数几个发达国家,如荷兰、美国、加拿大和挪威等出台了相关法规。CCUS技术对于中国实现CO2减排将发挥重要作用。目前中国CCUS工程项目审批还处于“个案专办”的状态,阻碍其规模化发展。归纳总结和对比国内外公开发表的CO2废弃井相关法规或指令,包括封堵塞方案和检验方法的选定等,为以后CCUS工程项目的废弃井作业提供依据和指导,也为中国CO2地质封存或CO2利用环境下废弃井法规的制定提供参考。

CCUS；地质封存；废弃井；法规；井筒

0 前言

为满足全球应对气候变化的需求,美国、澳大利亚、加拿大、中东、南美、中国等正在或计划进行CO2地质利用与封存技术(CCUS)。伴随着CCUS工程的发展,相应法规规范逐渐引起关注[1-2]。在CCUS工程生命周期的后期,越来越多的井需要被合理处置[3]。对此,本文总结归纳涉及CO2利用与封存废弃井的法规,结合中国法规中废弃井作业要求,提出CCUS工程的废弃井作业流程,为以后相关工作提供借鉴。

国际上,丹麦、法国、德国、挪威、荷兰、英国、澳大利亚、加拿大、日本、美国和相关国际公约都有关于废弃井方面的规范或指令。常规废弃作业流程包含清除井底设备、清洗井筒、堵塞技术、水泥堵塞评估、测试、监控和书面报告提交等。其中堵塞技术常用的有平衡法注水泥塞、挤注水泥法、倾筒法、双塞注水泥法[4]。涉及到CCUS方面的法规有荷兰、美国、加拿大和挪威的法规或指令。

1 国际CCUS工程的废弃井法规现状

国内油气行业的废弃井技术已正式出版法规。SY/T 6646-2006《废弃井及长停井处置指南》[5](翻译和修订API Bull E 3技术规范[6])是参考美国石油学会的《美国勘探和生产操作中废弃井和“活井”的处置指南》制定的。国际上CCUS项目逐渐增多,部分项目已进展到废弃井处置阶段。在实际工程中,井类型多变,各国法规的废弃井作业有所不同，见表1。对比国内油气行业废弃井作业而言,CCUS项目中废弃井作业要求更加严格,一是需要考虑腐蚀性介质；二是具体实施时,封堵塞类型不同、长度不同、测试方式等有所不同。

1.1 荷兰法规

在荷兰,采矿规范Mining Regulation[1]第8部分详细介绍了钻孔和井。

1.1.1 部分套管的井

1)如果部分套管井停工,在套管组最深处安装一个长度至少100 m的水泥塞,在上面安装一个50 m机械塞。

2)如果部分套管井只穿过一个储层,储层应用水泥塞封堵此储层处或以上。

表1 荷兰、美国、加拿大和挪威CCUS工程的废弃井作业法规对比表

井型荷兰采矿规范美国德州行政法规加拿大阿尔伯塔指令20和指令51挪威标准D-010裸眼井--无永久性废弃1 4 1套管井部分套管井单储层1 1 1多储层1 1 1射孔套管井单储层1 1 2多储层1 1 2悬挂套管固井的井1 1 3套管的环空不能被停，有100m截留阀1 1 4单储层，且储层很有可能有流体流向地表1 1 5表层套管井1 2 2已被废弃区域的套管井1 3 1暂时性废弃1 4 2技术套管井1 2 3不在渗透油砂区域的套管井1 3 2割缝衬管或砂滤层的井1 4 3生产套管井1 2 4属于渗透油砂区域的套管井1 3 3筛管或衬管的井1 2 5--------水平井--同直井，只是深度都是垂深-其他1 1．6、1 1．7-保护地下水资源和所需保护的层段；最后，还要进行地貌恢复。-测试1 1．8-1)气体运移测试，表层套管流体流动测试；2)酸性气体原始压力测试，每年进行封隔器隔离测试-

3)如果部分套管井穿过的不止一个储层,那么这些储层都应该用水泥塞封堵隔离,水泥塞的长度是100 m或是储层间的实际距离。

1.1.2 射孔-套管井

1)如果射孔-套管井停工,废弃作业中封堵塞满足以下要求：在射孔层以上安装水泥塞,其长度超过100 m；安装的50 m机械塞离部分射孔层越近越好,在此上面安装50 m水泥塞。

2)如果射孔层穿过多个储层,这些储层应该用上述1)的方法隔离,且比1)中指明的封堵塞短,或者水泥塞长度正好是储层之间的自然距离的长度。

1.1.3 悬挂套管固井的井

如果悬挂套管固井的井停工,废弃作业中封堵塞满足以下要求：在距悬挂套管顶部以下至少50 m处安装水泥塞,其长度至少是50 m；在悬挂套管顶部下约10 m处安装机械塞,其向上至少60 m处安装2个水泥塞,1个安装在悬挂套管顶部的下面,另1个安装在此点的上面。

1.1.4 环空是否作业

如果套管之间的每个环空停止作业,一个截留阀从套管的管鞋直接安装在环空前面,且长度至少是100 m；如果套管间环空不能停工,两个套管之间的环空已经被关闭,那么应尽可能回收环空的最小套管,同时,这套管关闭在离管鞋顶部和套管前面尽可能近的位置,留在井里的套管是要关闭的,且遵循1.1.3规范；或者套管被射孔,且射孔段与套管鞋在同一深度,在环空处安装一长度至少100 m的水泥塞,并用测压法来监测关闭的环空。

1.1.5 井穿过储层

如果将要停工的井穿过一个储层,且该储层很有可能有流体流向地表,那么应该安装一个长度至少100 m的水泥塞,安装的位置要尽量靠近储层的顶部,并安装在井和所有环空处。

1.1.6 停井的套管

应该割除将停井的套管,割除到地表以上至少3 m,海底以上至少6 m。距割除段近的位置安装封堵塞：

1)至少100 m的水泥塞。

2)在水泥塞上安装一长度至少50 m的机械塞。

1.1.7 腐蚀性介质或高压储层

1)如果怀疑机械塞接触到了腐蚀性介质或者机械塞有助于封堵高压储层,那么应将水泥塞直接安置在机械塞上面且长度至少为50 m。

2)停工期间,储层需要平衡压力系统,应考虑到高压储层,基于1.0的比重,高压储层压力等于或高于静水压力的1.4倍。

1.1.8 测试

测试方法：

1)至少100 kN(10 250 kg)的承压测试。

2)压力测试,即在15 min里至少进行一次1×105Pa的50倍的压力测试。

3)负压测试。

4)封堵塞应该承受试井。

5)上述1)和2)不适合遵循1.1.6的封堵塞。

1.2 美国法规

美国地下排放控制方案(UIC)定义了五类井,其中利用CO2提高采收率(CO2-EOR)井属于第二类井。随着CCUS行业的发展,美国环境保护署(EPA)《二氧化碳地质封存井的地下灌注控制计划的联邦要求》[7]新定义第六类井,即CO2注入井(CO2进入地下是为了长期封存CO2)。

2007年,美国的Texas Administrative Code[2]中第三部分3.14中指明了封堵的要求。

1.2.1 一般井

1.2.2 表层套管井

1)为了保护有用水层,水泥塞的长度至少是30.48 m,且延伸至最深的有用水层底部上至少15.24 m和其下至少15.24 m。此封堵塞用油管或钻杆标识。另外,水泥塞要穿过表层套管管鞋的底部,封堵塞长度至少是30.48 m,且延伸至此管鞋上和下各至少15.24 m。

2)为了保护有用水层,安装的水泥塞要穿过表层套管的管鞋,封堵塞长度至少为30.48 m,并延伸至此管鞋上和下至少各15.24 m。

3)如果已安装的表层套管深度比最深有用水层底部还多60.96 m,则在穿越最深有用水层底部的表层套管里面安装水泥塞。

4)地下水管理单位决定放置在合理深度的封堵塞是用来隔离多个有用水层的。

5)操作者不可拆除或不允许剪切表层套管。这种禁令适用于电缆工具和旋转钻机钻的井。

1.2.3 技术套管井

1)对于通过技术套管封固有用水层和生产层的井,水泥塞需要满足一般封堵要求,还要安装在套管里面且要在有用水层最深底部中心的对面,但是延伸至有用水层最深底部上面和下面各至少15.24 m处。

2)对于通过技术套管没有封固有用水层和所有生产层的井,如果套管没有被拆迁,那么技术套管要在被需求的深度射孔,在套管射孔层用挤注水泥法封固有用水层和所有生产层。

3)地下水管理单位决定放置在合理深度的封堵塞是用来隔离多个有用水层的。

1.2.4 生产套管井

1)对于通过生产套管封固有用水层和生产层的井,水泥塞需要满足1.2.1的要求,应该将其安装在套管里面,且要在有用水层最深底部中心的对面,封堵塞长度至少30.48 m,延伸至有用水层最深底部上和下至少15.24 m处。

2)对于通过技术套管没有封固所有有用水层和生产层,且不会拆迁的井,生产套管要在需求的深度段射孔,用挤注水泥法封固有用水层和生产层。

3)如果在每个桥塞的顶部安装至少6.10 m的水泥塞,区域总监或董事代表可以同意在每个射孔层上面安装一个铸铁桥塞。在超过桥塞制造商推荐压力和温度等级的深度,任何一口井里都不应该安装桥塞。

4)地下水管理单位决定放置在合理深度的封堵塞是用来隔离多个有用水层的。

1.2.5 有筛管或衬管的井

1)筛管或衬管应该从井里拆除。

2)如果筛管或衬管没有被拆除,那么符合1.2.1的水泥塞应该被安装在此筛管或衬管的顶部。

1.2.6 无生产套管和裸眼完井

1)任何生产层、压力层和问题水层都应该用水泥塞隔离起来,此水泥塞被安装到该层顶部和底部中心,每个水泥塞应该有充足的水泥浆填充环空。

1.3 加拿大指令

1.3.1 废弃的有Level-A层段的套管井

对废弃的有Level-A层段的套管井,在废弃层最高点的顶部,安装一个附加的水泥塞。此水泥塞的垂深长度至少有30 m,体积至少是1 m3。它的底部必须被定位在地下水保护基线之下。

a)非Level-A井段的封堵

b)Level-A井段的封堵。图1 非Level-A层段和Level-A层段的套管井废弃实例

1.3.2 不在渗透油砂区域的套管井

就不在渗透油砂区域的套管井Level-A层段而言,许可证持有者必须采用以下方案之一。

方案二，挤注水泥法。用G级水泥循环水泥浆,其体积至少为1 m3,延伸到完井井底或全井底以下垂深至少15 m处,且无论完井井底或全井底哪个浅,延伸至目的层以上垂深至少30 m处。最后的挤注压力必须大于被废弃层的当前储层压力,且至少7×106Pa。水泥塞的位置必须采用规范中的方法确定,要求10 min内保持7×106Pa。

方案三，永久性桥塞法。永久性桥塞必须用水泥固井测井测试,且水泥胶结测井和测井解释必须提交相关管理部门报批；在射孔层上至少15 m处安装桥塞,用G级水泥塞封堵,该水泥塞长度至少60 m,体积最小1 m3,且其位置至少延伸至目的层顶部上垂深60 m处；桥塞需要试压,要求10 min内保持稳定的7×106Pa。

另外,对在单层中已完井的水平井,Level-A裸眼水平井段的废弃作业与上述方法一致,只需将方案一和方案三深度15 m改成垂深15 m；对穿越多层完井的水平井,只要水平井段的任何部分属于Level-A井段,最高井段的废弃遵守上述方法。

1.3.3 渗透油砂区域的套管井

对油砂区域的套管井而言,废弃作业遵守上述方法,除了用高温(耐热)水泥。

指令51中第Ⅲ类井是指用于注入碳氢化合物、惰性气体或其他气体,为了封存在储层中或提高采收率的井。第Ⅲ类井的废弃作业要求包括固井和套管要求、测井要求、其他测试和提交要求。

1.3.3.1 固井和套管要求

所有潜在生烃区和废弃区域应用水泥隔离。在工区有过热操作的话,建议用耐热水泥。

1.3.3.2 测井要求

1)水泥顶界位置。如果生产套管没有被固井(固井井段到地表)或者不能获得返回到地面的水泥,则应用水泥返高测井。

2)液压隔离。对第Ⅲ类井而言,需要井温测井和在放射性示踪测井、氧活化测井和水泥完整性测井中选一项。

3)套管完整性。

1.3.3.3 其他测试和提交要求

1)原始压力测试。要求在废弃操作之前,油管或套管的原始压力测试环空压降最低达7×106Pa,且能保持15 min。

2)监控程序。每年进行封隔器隔离测试,要求测试到地面的最低压力达1.4×106Pa,且能保持15 min。

1.3.3.4 操作参数

1.4 挪威标准

挪威石油工业技术标准D-010中废弃井标准[10]提出废弃井作业规范,且定义了“井屏障”，见表2。

1.4.1 永久性废弃

一般井的永久性废弃作业包含：一级屏障用水泥塞封堵；二级屏障是在套管上安装机械塞；裸眼到地表井段用水泥塞封堵。

已射孔井的永久性废弃作业包括：一级屏障是在穿越和在射孔段上面用水泥塞；二级屏障是在穿越衬管顶部或在油管里面和外面用水泥塞；从裸眼到地表的井段用水泥塞封堵。

多储层割缝衬管井的永久性废弃作业包括：一级屏障是在深部储层用水泥塞,在浅部储层或潜在储层上部用水泥塞；二级屏障是在穿越衬管顶部和浅部储层用水泥塞；裸眼到地表的井段用水泥塞封堵。

1.4.2 暂时性废弃

就无射孔的井而言,废弃作业包含：一级屏障用水泥塞(25 m)；二级屏障用水泥塞或机械塞(≥50 m)。

就已射孔且防喷器或生产树被移除的井而言,废弃作业包含：一级屏障,深部管塞；二级屏障,油管柱塞。

1.4.3 割缝衬管或砂滤层的井

1)在储层之间用水泥塞封堵。

2)一级屏障用水泥塞穿越井筒和套管鞋。

3)二级屏障用水泥塞穿越衬管顶部的套管塞。

4)裸眼到地表井段用水泥塞封堵。

表2 “井屏障”示意表

命名功能目的一级“井屏障”首先“井屏障”能阻止层流体流动到地表或一个最近的裸眼隔离从地表的潜在流体来源二级“井屏障”为一级“井屏障”备用与一级“井屏障”目的相同，且应用在潜在流体的来源也是一个储层在储层间的“井屏障”隔离储层减少储层间的潜在流体从裸眼到地表的“井屏障”隔离从地表开始的裸眼部分，它被暴露，且封堵井在失败的“井屏障”处，暴露了潜在流体的来源，如在切割套管后二级“井屏障”，暂时性废弃在钻井和井活动之间连接的独立“井屏障”确保暂时性废弃井的重新连接，且用于没有井活动的井段

2 结论

全球CCUS规范表明,CCUS工程中废弃井处置流程为：确定废弃目标；确定井类型；在了解井身结构、固井材料、井史等基础上,设计堵塞方案；施工期间,同时进行监测作业,以确保井完整性；在施工完毕后,要求监测,以确保长期稳定性。

[1] Dulk J L.Mining Regulation of the Netherlands[R].Netherlands:The Ministry of Economic Affairs,2003.

[2] 赵 金,张遂安,马东民,等.注二氧化碳提高煤层气采收率数值模拟[J].天然气与石油,2012,30(1)：67-70. Zhao Jin,Zhang Suian,Ma Dongmin,et al.Numerical Simulation Study on Carbon Dioxide Injection to Enhance CBM Recovery[J].Natural Gas and Oil,2012,30(1):67-70.

[3] Secretary of State.Texas Administrative Code,Title 16:Economic Regulation,Part 1:Railroad Commission of Texas,Chapter 3:Oil and Gas,Rule 3.14 Plugging[R].Austin:Texas Administrative Code,2007.

[4] IEA.Long Term Integrity of CO2Storage-well Abandonment[R].Paris:IEA,2009.

[5] SY/T 6646-2006，废弃井及长停井处置指南[S]. SY/T 6646-2006，Well Abandonment and Inactive Well Practices[S].

[6] API Bull E 3,Environmental Guidance Document:Well Abandonment and Inactive Well Practices for U.S.Exploration and Production Operations[S].

[7] 刘兰翠,李 琦.美国关于二氧化碳地质封存井的要求[J].低碳世界,2013,(1)：42-52. Liu Lancui,Li qi.The Requirement of CO2Geological Storage Wells in USA[J].Low Carbon World,2013,(1):42-52.

[8] Directive 020,Well Abandonment Guide[S].

[9] Directive 051,Injection and Disposal Wells - Well Classifications,Completions,Logging,and Testing[S].

[10] NORSOK Standard D-010,Well Integrity in Drilling and Well Operations[S].

2015-02-25

环保部CCUS环境风险管理试点研究项目(2014 A 128)；科技部国际合作中澳CO2地质封存项目(CAGS-201307 ERA)

匡冬琴(1985-),女,湖北武汉人,助理研究员，硕士，主要从事CO2地质利用和油气田开发方面的研究工作。

10.3969/j.issn.1006-5539.2015.04.009