某采油厂供水井故障原因分析

2018-02-15杨军平张庆平李学军

西部探矿工程 2018年10期

杨军平，张庆平，李学军

（1.宁夏地质工程院，宁夏银川750001；2.宁夏矿产地质调查院，宁夏银川750021）

1 现状调查

近年来，中石油长庆油田所属某采油厂由于部分供水井在使用期间出现水量减小、涌砂、井壁坍塌、井内淤积、埋泵、频繁烧泵等井内事故，使部分供水井丧失了供水能力而被迫关停，严重影响采油厂正常生产运行。截止2015年底，该厂所属的5个区块共建有供水井139口，为附近油井采油注水提供水源。目前正常开井53口，利用率仅为38.1%，共关停86口。

2 供水井故障原因分析

供水井在使用一段时间后通常会出现水量减小、井水浑浊、含砂量增大、井壁坍塌、井内淤积、埋泵、频繁烧泵等诸多故障，严重影响其正常供水。个别井可能因发生了严重的孔内事故而导致报废，丧失供水功能。本次涉及的供水井出现上述故障的原因，主要是由于局部孔段的地层较为疏松，抽水时水中携带大量流砂进入管内，使水中含砂量偏高。同时，供水井在抽水运行过程中，裸孔段孔壁因无井管支撑出现了失衡而发生坍塌，造成供水井下部严重淤积。同时，井内沉淀大量的淤积物，掩埋了下部孔段的部分含水层，使含水层厚度减少，影响了地下水的正常补给来源及通道，导致供水井出水量减小。同时，井内大量出砂导致抽水设备及输水管路严重磨损并出现频繁的烧泵事故。另外，井壁坍塌物也可导致孔内安装的抽水设备发生掩埋或发生卡断坠落事故，使供水井无法正常运行。

2.1 出水量减小的故障原因分析

供水井在使用一段时间后往往会出现出水量持续减小的情况。导致供水井出水量减小的原因较为复杂，主要有以下几个方面。

（1）由于地下水补给来源匮乏，可采资源量日渐枯竭，加之对地下水的无序或过量开采，导致地下水水位出现了区域性下降，降落漏斗外边界持续扩展，导致取水设备吃水深度减少，地下水可供给量不足，影响供水井出水量。

（2）成井工艺存在缺陷，成井质量不高或因成井技术参数设计不合理，如机井深度偏浅、孔径偏小、孔壁泥皮较厚或已固化、洗井不彻底、过滤器安装长度不够或安装错位等，都能影响供水井的出水量。

（3）因供水井长期停用或运行时间过长，筛管受到氧化腐蚀或出现化学结垢，导致滤网锈塞，滤网有效孔隙率降低，使地下水进入通道受限。其中，滤水管堵塞是供水井最常见的故障类型。当地下水中的Ca2+、Mg2+含量过高时，易与水中的碳酸根、磷酸根、硅酸根发生反应生成沉淀物(水垢)，并充填于滤水管的缝隙中，这种沉淀物具有较高的强度，堵塞进水通道，导致出水量逐渐减小。

（4）在抽水过程中，地层中的细小颗粒受水的携带向井壁运移，部分随水进入井内，部分则停留在过滤层孔隙中，经过长期不断的积累，过滤层颗粒被地层中的细粒物质严重包裹，使过滤层的孔隙被严重充填包裹并形成钙化层，破坏了过滤层最初的反滤层结构，使过滤层的孔隙率逐渐降低，过滤层进水通道因发生堵塞导致进水受阻，从而使供水井的出水量越来越小。

（5）水井出砂严重或井壁出现坍塌，导致井内沉砂淤积不断增厚，使供水井下部的部分含水层掩埋，使含水层厚度渐薄，进水量减少，供水井的出水量减小。

（6）供水井因运行时间较长，抽水设备出现老化，工作性能降低，工作效率下降并出现故障。另外，个别井在长时间运行后，泵管接口密封较差，出现跑水故障，会造成供水井出水量减小的情况。

2.2 涌砂或含砂量增高故障原因分析

由于供水井随着使用时间的延长，在持续抽水工况下，裸孔孔段出现孔壁水浸、砂粒松动并随水进入井内，导致水中含砂量增大,井内积砂淤积严重。

（1）抽水量过大。设备的抽水能力超过了供水井实际的出水能力，在负压作用下，地层中的细小砂粒被水流强力带入井内，造成出砂或含砂量偏高。另外，在长期过量开采条件下，加快了过滤器骨架的磨损和老化，滤缝增大，失去挡砂过滤功能，造成供水井出砂故障。特征为水中可见地层中的细小颗粒物。

（2）裸眼成井的供水井由于岩石胶结及成岩程度均较差，含水层岩性较为疏松，孔隙裂隙发育，在抽水运行过程中，裸眼孔段受到水流冲刷，大量颗粒物进入井内，使水中的含砂量增大。其次，因地层的稳定性较差，孔壁在无井管支撑保护的条件下失稳易发生坍塌，也导致水中的含砂量大幅增加。另外，裸眼井因无井管及过滤层的保护，在抽水工况下，地层孔隙裂隙中较细的颗粒物质也随水进入，同时长期抽水使含水层孔隙裂隙增大，滤水挡砂能力持续减弱，造成井内出砂及含砂量偏高。

（3）部分供水井虽安装有过滤器，但在持续抽水过程中，地下水及地层中的颗粒物会对过滤器产生一定的磨损，并使滤缝宽度不断出现扩大，导致过滤器的滤砂能力逐渐降低。当磨损达到一定程度时，过滤器滤丝发生断裂，过滤器外围回填的滤料直接进入管内，从而造成井内出砂及含砂量增高。特征为水中可见地层中的细小颗粒物及管外回填的滤料。

（4）井管、套管或筛管局部因长期遭受腐蚀而出现破损及断裂（脱落），或因泵头振动磨损导致井管损坏，或因管外充填滤料过粗及环状间隙厚度较薄等诸多原因所致，不能有效阻挡管外围填的滤料或阻挡地层砂粒进入，从而使井内出现大量的泥砂，并造成井内淤积。另外，井口保护套管底部因地层疏松，孔壁出现坍塌造成松脱，使浅部管外的封闭材料下沉并进入井内，造成井内淤积或含砂量偏高，影响水井的正常使用。此故障判别办法归纳如下：

若水井涌砂自供水井运行之初既有，可能是由于管外滤料过粗及环状间隙太小导致。如在使用一段时期后的突现涌砂，可能是因井管局部破损所致。若抽水中出现管外围填滤料，且抽水出现间断浑浊现象，则可以判断为井管出现了破损。如果仅见地层中的细小流砂颗粒，并伴有抽水间断浑浊，则可判断为人工过滤层过滤性能出现了异常（过滤层较薄、滤料过粗、滤料搭蓬、滤管贴靠井壁等）。如果水中出现管外回填的滤料及管外回填杂物并伴有抽水间断浑浊，可判断为浅部井管（过滤器）出现了破损故障。

（5）由于钻孔偏斜，导致井管一侧与井壁发生贴靠，使该部分孔段未能围填滤料或过滤层较薄，或由于成井工艺存在缺陷，如管外环状间隙过小（过滤层太薄）、滤料搭蓬、滤料粒径过粗或级配不合理，不能有效过滤地层中的细小颗粒，造成井内出砂或含砂量偏高。特征为涌砂中可见地层中的细小颗粒，出水持续浑浊或断续浑浊。

（6）过滤器露头。因管外滤料填入高度不够（填砾顶面低于过滤器高度），加之洗井不够彻底，滤料的密实度不够，致使供水井在抽水运行过程中，管外滤料因逐渐密实出现持续下沉，最终导致过滤器露头，失去了滤砂功能，使上部填入的止水材料或杂物进入井内。特征为出水中见地层中的流砂颗粒及上部杂物，出水持续浑浊或间断浑浊，井口及周围地面出现裂缝或塌陷等现象。

2.3 井内落物故障原因分析

抽水设备及泵管因长期遭受地下水腐蚀及磨损，导致其强度逐渐降低，甚至发生断裂脱落事故。个别供水井因泵管安装不周正、不同心，局部存在弯曲现象，在抽水运行过程中泵体易出现剧烈颤动，最终发生泵头憋脱和泵管断裂事故。如果泵管连接不牢靠，在上述工况条件之下，连接处的螺栓易发生松动脱落，导致泵头或泵管脱落坠入井底，或卡阻于井管某一部位。另外，成井后，因维护及管理不到位，人为因素导致砖、石块、线缆或其他物件落入井管内，造成井内落物事故。其次，由于井内安装抽水设备或因后续采取的事故处理方法不当，也可导致发生井内落物事故。

2.4 井管断裂、错位变形故障原因分析

导致井管断裂的主要原因，一方面是由于地壳内应力出现了较大变化,致使井管遭受外力而出现变形、断裂或错位的现象。另一方面由于局部孔壁失稳,使井管受到剧烈冲撞，井管内外压力不平衡而造成井管变形、断裂或错位故障。其次，由于机泵安装或洗井、维修作业等人为原因导致井管断裂、错位变形故障。另外，由于机井使用年限较长，井管长期遭受腐蚀，出现破损，其抗拉强度降低，当机井下段为裸眼时，破损的井管极易出现断裂。

本区出现井管断裂、错位变形的主要原因多数由于裸孔段井壁出现坍塌，使井管底部悬空失去支撑导致井管断裂和错位，加之个别井在井管连接不牢固的情况下，发生此类事故的概率更高。另外，由于使用不当，使井管遭受人为破坏，也是造成本区井管损坏断裂及错位变形事故的原因之一。

2.5 井口地面塌陷原因分析

井口处及附近地面开裂下沉，地面开裂或下沉区域以井口为中心呈圆形分布，抽水持续浑浊或断续浑浊并带有泥砂物质。井口地面塌陷的原因主要有以下几个方面：

（1）过滤器外侧环状厚度太小或回填的滤料粒径过粗，过滤层的过滤能力较差，长期抽水运行过程中地层及过滤层中的细粒物质被水流不断带入井内，管外过滤层整体出现下沉，最终导致浅部过滤器出现露头故障，造成浅部回填物通过裸露的过滤器进入井内，导致井口及周围出现开裂、塌陷。

（2）成井施工时管外回填的滤料有搭蓬现象，或由于洗井工作不彻底造成管外滤料未达到密实状态，经长时间抽水使管外回填滤料逐渐下沉，浅部过滤器出现露头故障，导致浅部回填物通过裸露的过滤器进入井内，导致井口及周围出现开裂、塌陷。

（3）因井口浅部孔段搭蓬或封闭固井质量不高，机井在使用过程中管外回填物逐渐下沉，导致孔口地表出现塌陷。这种情况在冬季施工时发生概率较高。

（4）由于管护不到位，或由于井内作业撞击，使井管遭受外力发生断裂或破损，井口浅部回填物进入井内，导致井口及周围出现开裂、塌陷。

3 供水井故障形成机理分析

3.1 地质原因

白垩系洛河组砂岩地层在鄂尔多斯盆地发育厚度约200～500m，上段以风成长石石英砂岩为主,中细粒结构,杂基含量少,分选较好,单层砂体厚度大,为巨厚的含水层，形成了洛河组含水层骨架砂体。下段以风成中细粒砂岩为主,局部地段发育含砾砂岩及砾岩地层,以往称“宜君砾岩”。整个洛河组岩层结构疏松，孔隙率发育，成岩程度较差，局部裂隙切割较为严重，岩体的稳定性较差。

本区所有供水井的取水层位于白垩系志丹群洛河组砂岩地层。由于供水井浅部多安装有井管，而下部多采用裸眼工艺成井。在持续抽水工况下，裸孔段孔壁易出现水浸、砂粒松动并随水进入井内，导致抽水中含砂量较多,而且井内沉淀物淤积埋没严重。加之因地层的稳定性较差，在抽水运行过程中，裸眼井井壁易出现失稳坍塌，加重了井内沉砂及淤积程度。

经检测本地区的地下水水质，pH值平均为8.03,属于弱碱性水。矿化度的变化范围较大,最大值为2745mg/L,最小值为235.62mg/L,平均值为908.49mg/L，洛河组含水层地下水中的优势阳离子为Na+,其次为Mg2+、Ca2+,其毫克当量百分数依次为46%、37%和18%。优势阴离子为HCO3-,其次为Cl-和SO42-,毫克当量百分数依次为38%、35%、27%，地下水类型属于HCO3·Cl-Na。

基岩地下水pH值多呈碱性，CO2、H2S、有机酸等与井管长时间接触，对井管会造成较强的腐蚀。抽水过程中在井管内水位上下波动的情况下，对氧化—还原交替过程、电化学作用及细菌作用更为有利，并会造成化学聚集，加剧了对井管的腐蚀并使筛管堵塞加重。抽水携带的砂粒高速运动，造成井管及井内设备磨蚀损坏加剧。另外，重碳酸盐型地下水造成的碳酸盐次生沉积，在滤管处容易形成水垢，使井管壁腐蚀结垢，容易造成井管严重堵塞，使机井出水量逐渐减小。在抽水工况下，地层中的颗粒物质通过破损部位大量进入井内，导致出水中含砂量偏高。

3.2 成井工艺缺陷及设备因素

成井时钻台安装不周正、不稳固，进尺过快、钻杆与钻头不同心造成的井孔歪斜或出现弯曲，加之个别机井井管质量较差，井管安装工艺不合理，滤料回填不均匀，造成机井出砂量偏高的情况。个别机井套管底部失稳空置或局部出现了破损，部分机井的井管焊口、接口封闭不严密及连接不牢固，设备质量较差，运行存在异常，设备扣件不匹配等都会造成供水井出现故障或不能有效发挥供水能力。

3.3 水井管理及维护不当

供水井的使用及管理工作是一项较为专业的工作，其涉及水井生产及运行的各个环节。由于对管理及维护的重视程度不够及对相关业务知识欠缺，或由于使用不当，都会造成供水井运行故障。

如果对运行中所出现的故障及异常现象未能及时发现，或未采取及时有效的处置措施，致使供水井仍继续带病运行，使供水井的故障程度加重，或最终导致报废。例如，大量涌砂加速水泵和其它供水设备的磨损和损坏，容易造成输水管网和用户管道堵塞，在此状况下，不经过滤或二次沉淀则不能长期使用。长期抽水会造成井内沉淀淤积，堵塞掩埋过滤器，如不及时进行吹砂清淤，将导致供水井出水量减小、涌砂严重甚至导致报废。对于过滤器已出现锈塞的供水井，如不及时进行有效洗井维护，将使供水井出水量逐渐减小，不能有效发挥供水效能。深井泵因长时间超负荷的运行，出现老化，工作效率降低。加之不注意日常维护保养，容易出现泵头、泵管脱落事故。