关停井与报废井的井筒完整性

张绍槐

西安石油大学

中国国家发展和改革委员会（简称国家发改委）于2006年7月10日发布“废弃井及长停井处置指南”SY/T 6646—2006［1］，指南中的废弃井即报废井，长停井又分为关停井和暂闭井（暂时报废井）；2017年2月16日国家发改委发布了“中国石油高温高压及高含硫井完整性系列标准”，简称“三高井标准［2-3］”，其中“井的暂闭/弃置作业”内涵：井的暂闭指的是井的作业或生产的暂停，对于需要监控的暂闭井，没有最长暂闭时间要求；对于不需要监控的暂闭井，建议井的暂闭时间最长为3年。“三高井标准”中的弃置井即永久报废井，规定这类井至少设置2道永久的井筒屏障，并应具备以下功能：（1）长期（永久）的完整性；（2）非渗透性；（3）无收缩性；（4）能够承受机械载荷和冲击；（5）能耐受所接触的化学物质（H2S、CO2和烃类）；（6）与管材和地层胶结牢固；（7）不会损坏所接触管材的完整性。

永久报废井的封堵材料一般为水泥。对于所有的打水泥塞作业，建议在水泥塞下方设置支撑（如桥塞或高黏液）防止水泥浆下滑或凝固过程中发生气侵等。如果生产套管外的固井质量较差（检测未达标），推荐将水泥塞处的生产套管磨铣一段，再重新打入水泥塞并再次进行检测验收直到达标［4］。对于永久报废井，如果套管头和采油树等井口设备被拆卸搬走，则应在井口安置第3个井筒屏障，称为裸眼至地面的井筒屏障［4］。

NORSOK D-010标准专门讲述了“报废井活动（Abandonment activities）［4］”，将报废井分为4种：

（1）暂停井（Suspension well），暂停井筒的活动和作业，暂停井是长停井的一种，这类井停止作业但并未永久关停和报废。

（2）暂时报废井（Temporary abandonment of well），这类井可能“重入”（re-enter）恢复作业或侧钻等；如果这些工作仍然失败就转为永久报废井；在内涵上与长停井（inactive well）相同。

（3）永久报废井（permanent abandonment of wells），不再进行任何活动和作业。

（4）永久报废1个井段（permanent abandonment of a section in a well），报废原井的1个井段，同时在原井侧钻或下入割缝筛管，在新的地质井靶建立新井筒，争取获得油气生产。

在下面的叙述中把内涵相同（相近）的井类进行合并，把（1）与（2）合并称为关停井（长停井），都是暂时停止作业；把（3）与（4）的报废井段合并称为永久报废井（报废井）。

世界各国对关停井（长停井）、报废井的分类法和含义不完全相同。美国加州油气管理局将其分为长停井、闲置井（Idle well）、遗弃井（Orphan well）和报废井，并进行立法管理［5］。闲置井是指因发生井下事故，既无法继续作业又处理不了事故就放在那里闲置，这是不负责任的。中国不允许有闲置井。美国各油区内都有上万口闲置井。遗弃井是由于原井无产能而被业主遗弃。无论是闲置井还是遗弃井，特别是在长期闲置的情况下又没有管理、测试、封堵等，都可能造成严重的油气资源流失、污染环境和地下水，甚至发生H2S等窜冒和井喷等事故。

鉴于各国标准（法规）对关停井、报废井、遗弃井等的名称、定义和管理不统一，提出统一术语的建议，如表1所示。全文重点对标准化规范化管理关停井与报废井的井筒完整性和井筒屏障及其组件进行了论述。分类设计了有代表性的井筒屏障（附图例），认为应“量身定制”和选择屏障组件及必要的措施来建立每道井筒屏障，以确保关停井与报废井的井筒完整性和关停、报废作业的安全，保护油气资源、地下水和环境。要特别重视对渗透性地层、储集层、入流源的封隔。

关停井与报废井的井筒屏障不同。二者对封隔地层、流体和压力等的要求相同。设计与选择井筒屏障组件只是对关停、报废时间和重入该井的能力以及之后恢复作业等方面有所不同。对每口井的活动和作业应配备井筒屏障组件，并应进行最后检查工作。分别针对关停井与报废井，列出了井筒屏障的结构与图解（共16个）。

表1 对关停井、报废井统一名称及含义的建议Table 1 Suggestion for uniform the term & definition of shut-in & abandonment well

1 关停井井筒屏障组件及图例

1.1 暂时关停井含义

暂时关停（Temporary）是描述井筒的一种状态，未移走井口及井控设备，在设备调整或维修等情况时井筒作业暂时（临时）停止。或者钻机临时在另一口井做短期工作（如页岩气井工厂化作业时）、海洋平台的钻机平移（Strike）至另一口井组、等待气候好转（海洋平台遇到台风时）、等待设备等。在暂停期间（包括意外情况期间）井筒屏障及其组件应具有足够的完整性。

暂时关停分监管和未监管2种情况。

（1）暂时关停而予监管/监视（监测）的关停井：该井是处在关停（暂时停止作业）状态（NORSOK D-010 ： temporary abandonment 直译为暂时报废，宜理解为暂时关停），但该井的第1道和第2道井筒屏障仍被连续地监视监管或者进行遥测之中。监测中的暂时关停井没有最大的关停时间限制，即“暂时”时间可长可短。

（2）不进行监管/监视的关停井（暂时关停井）：该井是处在暂时关停状态，而该井的第1道和第2道井筒屏障没有全部被连续地遥测和监视监管；这种井的最长关停时间为3年（海洋井为1年）。

暂时关停期间井筒处在安全状态，暂时关停井可能进行再入等作业。

1.2 暂时关停井井筒屏障验收/检查标准及图例

对监管监测和定期维修测试的暂时关停井应按NORSOK井筒屏障验收表［4，6-8］对每个屏障组件进行监管、检查、评估、验收。

对不进行监管监测的暂时关停井，在计划报废期间内，其屏障组件的材质应有足够的完整性，在油气井设计时就要考虑到，这也是井筒完整性理念的优点之一。

图1～图10是关停井（暂时关停井）的10种井筒屏障系统的图例。

2 报废井井筒屏障的结构与图例

2.1 永久报废井含义及要求

永久报废的含义是：该井已永久报废并不再被使用或不再进行“重入”作业。报废井必须进行永久性封堵，主要作业是在井筒适当层段注水泥塞以防止井筒中形成流体窜流通道。其目的在于保护淡水层和限制地下流体运移。标准［1-4］的主要内容是：（1）保护淡水层免受地层流体或地表水窜入的污染；（2）隔离开注采井段与未开采井段；（3）保护地表土壤和地面水不受地层流体污染；（4）隔离处理污水的井段；（5）将地面土地使用冲突降低到最小程度。

图1 海洋井隔水导管卸开时关停井的井筒屏障图解［4］Fig.1 Suspended well, hang off/disconnect of marine riser

图2 在深部井段安装有机械密封件并连续监测/监管的生产井的井筒屏障图例［4］Fig.2 Production well with deep set mechanical plug, continuous monitoring

图3 油藏裸露的下有尾管的关停井（暂时关停井）的井筒屏障及其组件图例［4］Fig.3 Temporary abandonment, reservoir exposed, liner

图4 油藏裸露的下有套管的关停井（暂时关停井）的井筒屏障及其组件图例Fig.4 Temporary abandonment, reservoir exposed, casing

图5 下了尾管，裸眼井段设有入流源的关停井（暂时关停井）的井筒屏障及其组件图例［4］Fig.5 Temporary abandonment, no sources of inflow exposed, liner

图6 下了套管的井，裸眼段没有入流源的关停井（暂时关停）的井筒屏障及其组件图例Fig.6 Temporary abandonment, no sources of inflow exposed, casing

图7 已钻达预计井深，下了尾管但未射孔的关停井（暂时关停）井筒屏障及其组件图例Fig.7 Temporary abandonment, non-perforated well

图8 已钻达储层，下了生产套管但未射孔的关停井（暂时关停）井筒屏障及其组件图例Fig.8 Temporary abandonment, non-perforated well, casing

图9 有高压非渗透性地层（无碳氢化合物）下了套管而未射孔的关停井（暂时关停）井筒屏障及其组件图例Fig.9 Temporary abandonment, impermeable formation with over pressure, non-perforated

图10 已射孔但防喷器或采油树被移走的关停井（暂时关停）井筒屏障及其组件图例Fig.10 Temporary abandonment, perforated well with BOP or XT removed

为达到上述目的，要求所有关键性层段之间都要相互隔离开。在设计封堵时应搞清楚井内各地层的特性以正确选择打水泥塞（及安置机械桥塞）的位置及长度。在一般情况下打水泥塞的目的和主要位置是：（1）隔离油气层和处理废水层段；（2）需要打地表水泥塞；（3）防止层间窜流，否则会干扰邻井开发，所以报废井的水泥塞不仅要保证隔离已确认为有生产能力的油气层或注水层，还要使井内所有注采井段都被隔离；（4）封堵井内余留套管及管件；（5）恢复地貌。

报废井封堵主要用水泥环和水泥塞。水泥塞封堵法有：（1）打裸眼水泥塞；（2）打套管内水泥塞；（3）打悬空水泥塞；（4）从套管炮眼挤注水泥或安置机械桥塞等；（5）在隔离套管外水泥返高以上的油气层时，应进行二次固井等特殊作业；（6）将套管壁磨铣开窗后再打水泥塞。

打水泥塞的施工方法主要有：（1）管柱顶替法；（2）用管柱加压挤注，或关闭井口挤注；（3）用机械封隔工具（桥塞、水泥承留器、永久性机械封隔器）并在其上打1个水泥帽提供第2道密封；（4）易钻桥塞法（如铸铁桥塞）；（5）倒灰法，用电缆送入倒灰筒到指定位置，通过电缆打开灰筒启动施工。必须检查水泥塞位置和质量，通常可采用探水泥塞面和压差法进行检查。

2.2 报废的设计基础

应该确定所有的入流源并记入档案。用于封隔井筒的所有井筒屏障组件应能承受在报废期间的载荷和环境条件。设计基础如下：

（1）原来的和现在的井筒结构，包括：深度和关于入流、套管柱、水泥环、水泥塞、侧钻及其对应地层的说明。

（2）表明油藏和地层现在、将来采油或注水等生产趋势及其油藏流体和压力（初始的、现在的和永久的）的每口报废井的战略程序（Stratigraphic Sequence）。

（3）注水泥作业的测井数据和资料。

（4）与相应的井筒屏障组件有关的地层特性（如：强度、渗透性、裂缝和断层等）。

（5）井筒特别状况，如：结垢、套管磨损、套管挤毁、H2S、CO2、水合物、苯或类似问题。

（6）由水泥或代用材料组成的井筒屏障组件应考虑下列有关不确定性问题：井下安放技术，为混合一种均匀浆体所需要的最小体积量，地面体积控制，流体的污染，水泥或者封隔材料的收缩率，套管居中情况，支撑加重浆体的能力，井筒屏障组件全服役期的寿命等。

2.3 设计应考虑的载荷情况

设计考虑：功能载荷与环境载荷相结合。对永久报废井，井筒液体密度要按最大值进行设计。

设计报废井应用的载荷情况见表2。

2.4 永久报废井筒屏障验收标准

永久报废井应该永远封隔住任何可预见的化学和地质的处理效果的井筒层段。永久报废井的井筒屏障位置按表3考虑。

过压地层包括深度浅的入流源（应按有关报废要求检查）。在同一压力极限范围之内的多个层位的油藏可视为一个油藏来安装第1道和第2道井筒屏障（图11）。

1个井筒屏障能够作为多于1个井筒的共用井筒屏障（Shared well barrier）。永久的井筒屏障应该封住包括所有环空和需要封隔的垂直与水平的层位（图 12）。

表2 载荷情况Table 2 Load cases

表3 永久报废井井筒屏障位置Table 3 Position of permanent abandonment well barrier

图11 多层位油藏视为1个油藏示意图Fig.11 Multiple reservoirs

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

该永久共用的井筒屏障应放置在一个具有足够地层完整性，具有最大阻抗压力的不渗透地层处。需要起出（或移开）影响井筒完整性的井下装置。控制线路和缆线不一定再是报废井的永久性井筒屏障的组成部件。

永久性井筒屏障应具有以下性能：（1）保证长期永久性的完整性；（2）不渗透性；（3）非收缩性；（4）能承受机械载荷/冲击；（5）阻抗化学物质（H2S、CO2和水合物）的侵入；（6）保证与金属部件的胶结；（7）不损坏钢质管件的完整性。

需侧钻井侧钻之前原来的井眼应永久报废，否则应配置井筒屏障。

2.5 永久报废井的井筒屏障验收标准

表4是对井筒屏障验收表（EAC）附加的验收要求，说明对永久报废井的井筒屏障的要求比对正常井要求更多并更加严格。绝对不能认为已经报废可简单（甚至草率）地处理。

当完井管件留在井中时以及井筒屏障组件安装在管中和环空中时，其安装位置和它们的完整性应该按下列要求检查：（1）用压力测试法检查套管和完井管柱之间的水泥环；（2）应探测管内的水泥塞面的位置并进行压力测试。

表4 报废井对井筒屏障组件的附加要求Table 4 Additional acceptance requirements of well barrier elements in abandonment well

2.5.1 外部环空的井筒屏障组件 应检查外部环空的井筒屏障组件（如：套管-水泥环）以确保垂直密封和水平密封。对外部井筒屏障组件的要求是高度至少50 m，这段井段的地层应具备地层完整性。如果用测井法检查套管-水泥环，至少有30 m的井段长度具有符合验收标准的胶结强度以作为对永久的外部井筒屏障组件的要求。

套管-水泥环的测录井应该按关键注水泥作业和对永久报废井的要求，该处的套管-水泥环是第1道和第2道井筒屏障的一部分。如果观察到有持续的套管压力，应再重新检查套管-水泥环的密封性。

2.5.2 管内的井筒屏障组件 管内的井筒屏障组件（例如：水泥塞）应该位于井筒屏障一个井段，该井段的基本条件是：检查过的外部井筒屏障组件和至少50 m安置了机械密封塞/水泥环的井段，否则按照套管-水泥环验收表（EAC 24）［6］检验（参“完井作业的井筒完整性标准”附录表3［7-9］）。

2.5.3 移走海底上的设备 （海洋井）对于永久报废的海洋井，其井口与套管（上部）应移至海底面以下而没有露出海底面以上的部分，以确保将来不会被碰撞到；要求足够的切割深度以防止与其他的海上活动冲突。应考虑由于海流对本井造成诸如土壤、海底冲刷等问题。深水海洋井可采取避开或超复该井的井口装置。移开海底套管/导管的方法优先选用机械切割或研磨切割。总之，对于永久报废井，移走海底面以上的井口与设备装置时要考虑各种具体情况。

2.6 永久报废井的井筒屏障组件实例

图13～图18是对永久报废井每种井筒屏障结构的描述并说明其使用目的。

图13 （永久）报废的裸眼井［4］Fig.13 Permanent abandonment, open hole

图14 下了套管后无入流源的裸眼井段的（永久）报废井的井筒屏障图例［4］Fig.14 Permanent abandonment, open hole, casing.No source of inflow

图15 下了尾管已射孔的井、油管（意外）留在井下，（永久）报废井的井筒屏障图例［4］Fig.15 Permanent abandonment, perforated well, tubing left in hole

图16 该井已射孔、落井的油管已取出的（永久）报废井的井筒屏障图例［4］Fig.16 Permanent abandonment, perforated well, tubing removed

图17 下有筛管（割缝尾管）或砂控筛管的有侧钻分支井的（永久）报废井段的井筒屏障图例［4］Fig.17 Permanent abandonment, multi bore with slotted liners or sand screens

2.7 永久报废井选用井筒屏障组件应用实例

2.7.1 裸眼段打了水泥塞的永久报废井 图19为井眼最下部裸眼段已永久报废的实例。正对着储层和在储层之上打了一个至少高100 m的第1段裸眼水泥塞，还在裸眼进入套管内的位置打了一个附加的至少高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个井筒屏障都具有足够的地层完整性。

2.7.2 背靠背水泥塞和测井合格的套管-水泥环图20为井眼最下部裸眼段或者射了孔的套管/尾管，先对套管水泥环进行检查之后，再对准或者尽量接近储层打2个背靠背的水泥塞（即跨2个地层的长水泥塞［4］）。

套管内水泥塞的高度超过在环空中测井井段的长度。

图20中套管内下部水泥塞（蓝色）高度至少为100 m，上部水泥塞（红色）高度至少为50 m，套管外的水泥环高度至少各为30 m；套管内的2个水泥塞是背靠背相接触的。图中还注明了对2段水泥塞的检查工作。

图18 在多油层中下了割缝筛管的（永久）报废井的井筒屏障图例［4］Fig.18 Permanent abandonment, slotted liner in multiple reservoirs

图19 裸眼及其内部有套管-水泥塞的（永久）报废井的井筒屏障图例Fig.19 Permanent abandonment, open hole and inside casing plugs

由图20和上述说明可以认为：这套井筒屏障及其组件以及施工、检查等是精心设计的，因为这是一口永久报废井，井筒完整性必须可靠和耐久。

图20 打2个背靠背的水泥塞的（永久）报废井Fig.20 Permanent abandonment, two back to back cement plugs

2.7.3 水泥塞与机械封隔塞相结合的永久报废井在尾管顶部安置1个机械封隔塞作为基础再用1个水泥塞能永久地为报废井提供永久的井筒屏障。管内水泥塞高度要超过在环空中测井证实的水泥环实际高度。

在套管外有2段水泥环（图21中黄色与蓝色），共打了2次水泥（图中标注为第1次和第2次打水泥），套管内的水泥塞下部紧贴在机械封隔塞上部，套管内就有了“双保险”。管内外水泥用图示的不同方法测试、检查。

图21 在机械封隔塞的基础上，打一个水泥塞的（永久）报废井的井筒屏障图例Fig.21 Permanent abandonment, single cement plug with mechanical plug foundation

2.7.4 留在井下的油管段 该井已经钻到了储层/入流源并下了尾管（已射孔），但因井下留有打捞不出来的油管段，只好作为永久报废井。在油藏以上或尽可能接近油藏打第1个水泥塞（图22），在油管和油管环空打第2个水泥塞。

图22 留在井下打捞不出来的油管段导致（永久）报废的井筒屏障图例［4］Fig.22 Permanent abandonment, with tubing stump left in hole

2.7.5 对水泥塞质量不达标的井要磨铣套管后再重打水泥塞 永久报废井的水泥塞质量必须达标。若一般方法不能补救，需在该水泥塞位置处磨铣套管（图23），必要时还要扩眼钻掉劣质水泥环，然后再用顶替法重打水泥塞和水泥环。这项作业应有详细的设计（含图解）和作业流程并认真检查质量。

图23 永久报废井磨铣部分井段在套管壁开窗后再打水泥塞［4］Fig.23 Permanent abandonment, section milling

3 其他事项

3.1 风险

应该评估设计和作业的风险。典型的风险包括：（1）不确定性的压力和地层完整性；（2）时间的影响，例如：油藏长期开发的压力变化、所用材料的老化、井液中加重材质的下沉等；（3）油管内结垢；（4）H2S或CO2；（5）圈闭压力的释放；（6）设备或材料的未知情况；（7）环境的影响。

应按标准进行风险评估并落实处理措施［10］。

3.2 移走采油树

永久报废井要移走采油树去掉井口装置和割掉一定深度的表层套管及恢复地貌，使报废井与使用土地的矛盾最小化，并在井眼位置安装明显标志。为此提出需要的井筒屏障（表5）。

表5 移走采油树时需要的井筒屏障Table 5 Well barrier during remove XT

4 总结

（1）井眼在井筒全生命周期的最后（及中间）迟早要关停和报废，在有关标准［1-4，11-16］中把关停和报废视为1个服役的作业环节。目前国内外对这类井的名称繁多而不统一。通过分析和梳理，提出了表1的分类方法及说明，建议我国国家发改委和石油四大集团公司今后使用关停井和报废井2个名称，并供国内外交流研讨。

（2）关停井与报废井要永久保持井筒完整性，它的井筒屏障及其组件与作业井相比有其特殊性，在某些方面比作业井更复杂而且随着关停与报废的原因不同以及所在油气藏性质不同、地质条件不同、井况不同、井史不同而具有个性化特点，所以对关停井、报废井的井筒屏障要有针对性地进行“量身定制”并拟定有针对性的附加措施，建立多道（最少2道）井筒屏障，井筒屏障组件必须经久而耐用，经得起长时间由于油藏动态变化、环境变化等考验。所以对井筒屏障组件的检查、测试很严格、应有标准规定。 文章中列举的21个井筒屏障图例是有代表性的，可供参考。关停井、报废井全都要有多道套管水泥环封堵环空和多个水泥塞封堵管内，而且如果水泥塞质量不达标，要磨铣套管乃至扩眼磨铣套管内外，再重新打水泥塞并认真检查、测试直到合格切实封堵经久耐用为止。关停井、报废井还要重视所封堵井段的地层完整性，配合使用机械封堵密封装置，井下安全阀、套管浮箍、套管（尾管）单向阀以及井口装置，采油树［17］屏障组件（报废井可以简化、改装或拆除采油树）。

（3）从技术上、作业活动上和组织上采取有力措施，保护好关停井的井筒完整性，有助于采取措施缩短关停时间以及把关停井恢复正常作业。应尽量延缓报废时间，能够只报废1个井段就不要全井报废。关停井、报废井的服役期长，要制订与执行长期的检查、监管、监测（含永久监测、现代化信息化监管手段等）以及执行风险评估、处理的制度、标准、法规。我国目前发布的标准、法规还需在实践中加以充实完善。建议石油四大集团公司和油气企业组织产学研和第三方研究。

（4）挪威标准NORSOK D-010 V4对关停井、报废井的技术标准和管理方法比较全面，有的标准（如水泥塞结构与高度、压力测试和/或渗漏测压等试压方法与标准等）比国内标准更加合理和严格，对有的井进行长期监管监测与定期检测具有指导意见。建议结合我国生产实际借鉴采用。