井筒完整性的定义、功能、应用及进展

张绍槐

西安石油大学

能源是中国经济社会发展的重要基础。国家发改委2016年12月发布的《石油发展“十三五”规划》、《天然气发展“十三五”规划》［1］对中国石油天然气发展战略作了部署。根据油气井作业要求以及作业的安全可靠，特别是保护油气资源获取最大采收率及保护环境与地下水资源等这些重要问题，国际石油界认识到需要有一个能够准确全面表述这些问题的专用技术术语和整套制度、法规与系列标准。从20世纪80年代到现在，30多年来国际石油界最初提出的只是井口装置与井筒内管柱与机械部件的机械完整性，经过实践才认识到应该是井筒完整性（Well Integrity）这个新概念，在实践中不断完善其定义、内涵并扩展其应用范围。这是国际上石油行业当今热之又热的课题，它是石油工程技术标准化和HSE领域在井筒工程技术方面的重要内容之一，也是油气上游领域工程技术与管理方面的重要内容之一。中国在井筒完整性理论与标准及其应用方面刚刚起步。2017年2月中国石油发布了国内首套“高温高压及高含硫井井筒完整性系列标准”［2］。中国石油塔里木油田和西南油气田分公司、中海油、西南石油大学国家重点实验室、中国石油集团石油管工程技术研究院等单位进行了一些研究和应用［2-8］。

1 井筒完整性的问世与进展

挪威是一个石油、天然气生产大国，也是石油、天然气出口较多的国家，其石油、天然气工业以海洋石油、天然气为主，勘探、开发工作主要在挪威大陆架、北海油田和近北极区。据挪威石油安全管理局（PSA）对海上406口具有不同开发年限和生产类别的油气井进行井筒完整性的调查，18%存在井筒完整性方面的问题，其中7%因为井筒完整性损坏而被迫关井，而且对环境和经济造成了重大损失［9-10］。1986年，挪威NORSOK标准第1版问世，是世界上第1个在钻井等井筒作业中的井筒完整性标准（Well Integrity Standard in Drilling and Well Operations）。20世纪90年代更新为第2版。 2004年8月，挪威NORSOK标准第3版D-010《钻井和井筒作业中井筒完整性》［11］出台，进一步推动国际石油界关注井筒完整性理念与应用。但是，“石油事故”仍时有发生。特别是2010年4月20日深夜在美国墨西哥湾马孔多海上，BP公司钻井平台（Macondo）钻一口“深水地平线井”时发生了井喷、失火、爆炸恶性事故，造成了11人死亡，在近3个月的时间有500万桶（约68.4万t）原油泄流到海域，导致墨西哥湾环境大面积污染。BP公司赔偿美国政府和当地人民63.8亿美元。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质量存在问题，井筒第一屏障失效，封隔器失效，而防喷器也失效，高压天然气冲出井口，发生井喷、失火、爆炸。

二是BP公司在对固井后的尾管水泥环进行负压力测试时已经知道有3次不合格（表明第二屏障失效），而监管人员也没有采取必要措施，而是继续用海水顶替井内钻井液，导致地层流体无控制地进入井内，造成井喷、失火、爆炸。

三是哈里伯顿公司用水泥封堵软件对该井作多次模拟分析，建议固井时用21个扶正器扶正套管柱在环空居中，但是BP公司工作人员只用了6个扶正器。在负压测试已经表明注水泥固井不合格的情况下，没有用水泥胶结测井（CBL）等手段进一步检查固井质量差的部位，更没挤注水泥进行补救。在NORSOK标准和有关法规及操作手册中要求固井后做负压力测试和CBL测井检查固井质量，该井负压力测试都不合格，而该井监管人员却掉以轻心，在用海水顶替钻井液时，在油藏压力很高的情况下，油气从套管鞋水泥环处冲出，很快就酿成恶性事故。

“深水地平线”恶性事故令全球石油业界及安全环保部门以及各石油公司和全世界共同关注，进行深刻反思、总结教训。在这个背景下，2010年12月美国石油学会发布了API 65-2《封隔建井中的潜在 地 层流入》（Isolating Potential Flow Zones Well Construction），把该封隔标准作为API RP90和API 65的补充。API RP90为《海上油气井套管持续带压管理》（API RP90 Management of Sustained Casing Pressure on Offshore Wells）。

2011年美国石油学会发布API 96《深水井筒设计与建井》（Deepwater Well Design and Construction）第1版，吸取上述深水地平线事故教训，对海洋深水油气井设计和建井中井筒完整性提出了许多新理念和技术条款。

2011年，挪威石油工业协会（OLF）牵头成立由BP、Conoco Phillips、Eni Norge、Exxon Mobil、Nexen Inc、Norske Shell、Statoil、Total等跨国石油公司专家们组成的工作组，负责编写井筒完整性标准《OLF井筒完整性推荐指南》（OLF Commended Guidelines for Well Integrity）。2011年6月挪威石油工业协会发布了该OLF推荐指南。

2012年5月3日挪威石油工业协会发布《深水地平线教训及改进措施》（Deep water Horizon Lessons Learned and Flow-up）文件。该文件还比较了API标准和挪威标准，提出了对NORSK D-010标准第3版的修改条款、增补了企业文化理念和条款等。

2013年6月挪威标准化委员会发布了《在钻井和井筒作业中井筒完整性》NORSOK标准D-010第4版［12］，即NORSOK标准D-010的最新版，也是现在国际石油界推崇和应用的比较公认的井筒完整性标准。同时，国内外石油工作者在应用上述诸多标准、指南、手册的同时，还在继续研究井筒完整性和井筒屏障问题，提出了井筒完整性管理、井筒安全屏障系统［2，4，12］、地层完整性、液柱 - 水力完整性、实体完整性、操作完整性、水力完整性与腐蚀性管理和控制等细则和新概念。中国石油在2017年2月发布了国内首套“高温高压及高含硫井井筒完整性系列标准［2］”，张智等提出“井筒完整性及其屏障层系应重视螺纹连接理念”［4］及“含硫气井的井筒完整性设计方法”［5］，胡顺渠等发表了“川西高温高压气井井筒完整性优化设计及应用”一文［6］，冯耀荣等发表了“油气井管柱完整性技术研究进展与展望”［7］，景宏涛等发表了“塔里木高压气井迪那二井完整性评价及风险分析”［8］。上述工作表明中国已经对井筒完整性开启研究和应用。

从1986年到现在，30多年来国内外越来越深入和广泛研究应用井筒完整性及其屏障系统新理念、新观念、新理论、新方法、新技术。随着今后石油天然气工业向海洋深井［13］、超深井、高压含H2S、CO2等复杂井以及非常规油气井、极地地区勘探井、多分支井及最大油藏接触面积井等复杂结构井、智能钻井完井及智能油田等新领域扩展，井筒完整性及其屏障系统将越来越显示其重要性。

NORSOK标准是随着挪威石油工业的发展和施工作业的进展，以保证安全、增值、成本有效性以及保护油气资源及地下水、保护坏境等多方面的需要而制定的。挪威NORSOK标准有可能替换（国内/国际）油公司的规范/技术要求、服务指南，实现权威性管理制度。

NORSOK标准的建立是基于认可的已有国际标准，NORSOK标准将被用于挪威石油工业进入国际标准化的进程。为遵守国际标准，一旦国际井筒完整性标准出版发布，与之相关的NORSOK标准将随之取消，共同执行国际井筒完整性标准［9-10］。

NORSOK标准是按照对普遍应用的标准化内容意见一致的原则来研究制定的，得到挪威石油工业协会（OLF）和挪威制造工业联合会（TBL）的支持进行研发，由挪威标准化委员会管理和发布。这就表明NORSOK井筒完整性标准的推出是有一定基础和依据的；NORSOK标准以首创精神使之顺应法律/法规/立法的变化以及采用了很多发展的新技术。中国在井筒完整性理论与应用上刚刚起步，只有短短几年时间，为了今后更普遍地引用/应用NORSOK井筒完整性标准以及根据国内石油、天然气工业发展的需求，需要研究中国石油、天然气井筒完整性标准，但是一旦国际标准出台就应该执行国际标准，作为世界石油大国应该遵循国际一致原则。

2 井筒完整性与井筒屏障的定义、内涵与功能

2.1 井筒完整性的定义及内涵

D-010第4版对井筒完整性的定义为：在一口井的整个生命周期中，应用技术的、作业施工（操作）的和组织上的方法来减少（和降低）地层流体在未能控制的情况下外泄（uncontrolled release）的风险。图1是井筒完整性全生命周期各作业的图解。

随着技术进步，对井筒完整性的内涵也不断丰富。笔者对井筒完整性的内涵从理论上分析，可概括为以下4个特性：（1）井筒承压能力及封隔密封性；（2）各个机械装置，包括防喷器、井口装置、管柱、封隔器、阀门、仪表外筒等及其连接丝扣相互连接的可靠性，统称机械完整性；（3）井筒内各种作业管柱和工具在井筒内起下无阻，即可达性；（4）井筒内外流体在可控制条件下的液流通畅性。一个合格的井筒完整性必须同时具备上述“四性”，有任何一个不合格即认为井筒完整性不合格。而且对于不同类型油气藏、不同深度、不同井别、具体的每口陆海各类油气井来说，应该有不同的作业内容与技术标准。上述“四性”的每个性能都要按规定检查监测。例如，承压密封性的常用办法就是压力测试，国内通常是用泥浆泵打压用井口压力表和井下压力计检测；而D-010强调用柱塞泵小排量的漏失测压法（leak-off test）测试，并规定测试压力应施于液体流动方向，渗漏测试压力为1.5～2 MPa，保持压力5～10 min。这2种方法的效果不同，道理很清楚，值得国内企业考虑。

2.2 井筒屏障的定义及内涵

挪威D-010标准第4版对井筒屏障的定义：“井筒屏障（well barrier）可定义为先于某一项工作或作业开始之前通过鉴别（识别、判断）所要求的及说明了它们采用的标准和监管（监视监测（monitoring）方法的井筒屏障组件（WBE，well barrier elements）已经一并安置到位”。 笔者认为它的内涵是：井筒屏障是由1个或几个组件组成的1道（或2道甚至多道）集成屏障体，在某一项工作或作业开始之前经过鉴别所要求的及说明了它们采用的标准和监管/监测方法的井筒屏障组件已经提前安置到位，以防止液体或气体在未控制的情况下从地层流入另一地层或外流至地面，实现对井筒的屏障功能。

图1 井筒完整性全生命周期各作业的图解Fig.1 Graphical representation of each operation in the full life cycle of wellbore integrity

井筒屏障层系是实现井筒完整性的关键，如果任何一个井筒屏障组件损坏或降低了入井前经过鉴定设计的标准的话，井筒完整性也就被破坏或降格了。D-010标准认为，井筒屏障图解是为每个井筒活动和作业施工而准备的，井筒屏障图解应做到以下16条：

（1）用设计和施工计划来说明该井钻完井结构、生产/注入等作业的结构；

（2）说明再完井和修井所使用的井筒屏障组件（WBEs）；

（3）当井筒内使用新的部件时要列入该井的图解与设计；

（4）表明井筒永久报废的最终状况（一般情况下永久报废井不需要另绘新图来表明不同类型的入井装置，除非当第2道井筒屏障的组件和功能失效需要再作处理时）；

（5）井筒屏障的图，对最先的第1个井筒屏障用蓝色表示，对第2个（含第1道、第2道乃至多道）井筒屏障用红色表示（NORSOK作此规定）；

（6）当地层是井筒屏障的一部分时（一般指裸眼作业井段的地层），要标出地层完整性（formation integrity）；

（7）说明储集层/流入（inflow）的潜在（可能）的源头（sources）；

（8）列表说明井筒屏障组件（在表中应有原始检验和监测要求）；

（9）所有的套管、水泥（包括水泥环返高）作为井筒屏障组件时应该说明其直径和深度；

（10）说明井筒屏障的每个组件彼此相对位置；

（11）井筒信息应该包括：油田/装置、井名称、井别、井状况、井筒/井段、设计压力、修订次数和日期，“由××起草（拟定）的”、“谁检查和批准的”等；

（12）清楚地说明实际的井筒屏障状态——设计的和/或所建立的，等；

（13）说明任何失效的（损坏的）或维修过的井筒屏障组件；

（14）重要的井筒完整性信息及异常情况要注明（或加备注）；

（15）第1个（primary，最早的、最原始的）井筒屏障是液柱构成的屏障，该处是井筒屏障层系/组件裸露于井眼压力之处（即裸眼井段）；

（16）第2个（secondary）井筒屏障要说明它能够用在危险时期（危险井段，ultimate stage），例如应说明该处的井筒屏障组件（如关闭用的闸板或密封用的闸阀）是打开和关闭井筒屏障集成体（well barrier envelope）之用的。

2.3 井筒完整性和井筒屏障的功能

实现井筒完整性和井筒屏障层系的定义是对井筒的最低要求，从井筒完整性和井筒屏障层系的功能并结合钻井、完井、采油等各项作业的目标来说明井筒完整性和井筒屏障层系的功能如下。

（1）井筒在功能及其物理与化学、力学及水力学等理论上是完整的，能够保证顺利安全地作业。例如钻井作业在实现井筒完整性定义的基础上要按计划实现钻井功能，勘探井要完成探井任务，主要是钻达预期的地质目的层，完成勘探井取心、测录井等作业，完成泥浆录井、岩屑录井等各项录井工作，弄清探井地层剖面各方面内容，特别是储层特征，了解在该地区钻井存在的井下复杂情况（如：漏喷塌卡、缩径、腐蚀源等）为后续钻生产井提出故障提示，并实现井身结构及固好井，为完井作业打好基础。例如完井作业要在实现井筒完整性的基础上保护好储集层，正确选择完井方法和完井作业直到顺利交接井。

（2）井筒自始至终处于受控和监视/监管状态，这样才能及时发现风险、处理风险使作业处于安全、环境友好条件，也只有这样才能进行原来设计中安排和没有安排的井控作业及不压井起下钻、强行起下钻、强行作业等应急措施。

（3）井筒完整性不仅确保作业者安全实施现代化作业，还将在智能钻井、智能完井、智能油田以及在一个新油田新区域率先进行水平井、多分支井、最大油藏接触面积井等复杂结构井的钻井、完井、测试、生产等新技术、新作业项目，即井筒完整性为石油天然气上游领域的技术发展、技术创新奠定基础。

不能简单地认为井筒完整性只是为了保护油气资源、地下水资源和环境，更应认识井筒完整性的另一重要功能是防止油气藏内和油气水层之间的相互窜流以及意外地泄漏溢出井筒导致事故。上述几方面是井筒完整性功能的最低要求，也是对各作业的普遍要求。对各项作业应该有具体的功能要求，并在技术上、操作上、组织上采取相应措施。还要注意：在实施与应用井筒完整性规程时要和井筒完整性概念应用之前的井身结构设计、套管设计、固井设计、完井设计等内容结合起来配套衔接起来实施，并集成提高到在一个井筒全生命期间的各项具体设计和作业中，这就增强了作业的连续性、衔接性，防止原来“铁路警察各管一段”的分散性弊端。例如，在钻井作业设计套管时如果没有考虑该井采油作业时将要采用强化水力压裂措施（特别是页岩气开发往往要反复多次进行水力压裂），那就给水力压裂设置了限制和障碍。

3 应用实例

选择了2个实例。图2是钻进、取心和起下钻作业的图解，第1屏障为最早的、裸眼井段水力屏障（图中的蓝色液柱部分）；第2屏障为实体屏障（图中红色部分），包括套管水泥、套管、井口装置、高压隔水管（海洋钻井需要安装）、钻井防喷器等。

图2 钻进、取心或起下管柱的井筒屏障图解Fig.2 Graphical representation of wellbore barrier during drilling, coring and tripping

图3是一口挠管作业的海洋井环空安全阀失效之后进行重新设计的井筒屏障图例，写出的组件有22个阀、1个地面测试树、1个水下采油树、1套挠管防喷器、1套井口油管悬挂器、2层管柱（蓝色）等，这套井筒屏障及其组件虽非某口实际海洋井使用，但是有代表性。图中左侧4个方框说明第1、2道和共用的井筒屏障及其组件，右侧3个方框表示不同工作阶段的井筒屏障，方框中的“+…+…”表示还有其他未写出的组件。

图3 NORSOK标准的井筒屏障名称［11］Fig.3 Denomination of wellbore barrier in NORSOK

这2个实例都涉及钻井液、完井液、工作液组成的液柱是井筒最早的井筒屏障，在很多情况下，液柱是唯一屏障或者是第1道屏障的重要组件。裸眼井筒的稳定性是一个专门的研究项目，钻油气层井段时防止伤害储集层又是一个特别重要的课题。中国在“七五”以来，成功地采用屏蔽暂堵技术保护储集层和复杂层，井下配有屏蔽暂堵剂及其复配剂的钻井液称之为液体套管（fluid casing），可以说液体套管是钻井完井阶段裸眼井筒屏蔽的重要组成部分［14-15］。在钻井阶段要保持以井筒稳定和保护储集层为主的井筒完整性，特别是在不同孔隙的砂泥岩、页岩和裂缝性地层的裸眼井段钻进以及在页岩气气藏钻进时，保护油气层和防止漏喷塌卡、井眼缩径掉块等复杂性问题的发生和保持井壁稳定是很多油田、区块的钻完井难题。

孙金声等以油田化学理论为基础，在水基钻井液中加入一定量的零滤失井眼稳定剂，配制成超低渗透钻井液，它可以提高地层承压能力及提供防漏堵漏等效果［16-17］。它在不同孔隙的砂岩、泥岩、岩心和裂缝性地层有很好的封堵能力，可实现近零滤失。零滤失井眼稳定剂通过在井壁表面形成一层致密的超低（近于0）的渗透膜大幅度提高岩层承压能力，能自适应封堵岩层表面孔喉，形成封堵薄层，起着液体套管的作用。这层液体套管完成预定的任务之后，很容易被清除掉，不会永久贴靠井壁，也不会永久堵塞。在大港、辽河多口井的应用表明，在长裸眼多层系或压力衰竭地层应用超低渗透钻井液，能很好地防止漏失、卡钻、坍塌等的发生。被封堵层的承压能力提高，提高漏失压力梯度，相当于扩大了安全密度窗口。在裸眼井段钻井时，对钻进窄密度窗口地层需要使用适于窄密度窗口的钻井液、完井液，超低渗透钻井液的性能稳定性对井筒稳定性与安全性起着很好的作用，是钻进低压地层裸眼井筒完整性的一项创新技术。

4 井筒完整性与井筒屏障的问题与对策

4.1 遇到的主要问题

挪威石油安全权威局（PSA，Petroleum Safety Authority）在2006年开始做了一个探索研究，调查了406口井和12件近海事故所发生的井筒完整性问题的报告，指出：在完整性失效的井有18%是由于测量（监测）方面的问题，其中7%是由于井筒完整性问题而关井的。全世界井筒完整性与井筒屏障发生的主要问题是：（1）井身结构设计不合理或者由于地层变化而不适应；（2）水泥返高不够或者水泥环质量差，没有把复杂地层封固住；（3）预计的地层压力不准确，导致持续的过高环空压力；（4）套管水泥固井质量问题，“两界面”胶结不达标；（5）完井管柱发生变形、磨损、腐蚀、渗漏、穿孔等；（6）防喷器或采油树与套管头连接处密封不达标；（7）阀门渗漏；（8）井下封隔器失效。

图4是井筒完整性失效年龄（寿命）统计分析图，寿命最短的只有一两年，最长的也只有15年。

图4 井筒失效年龄统计分析图［9］Fig.4 Statistical analysis diagram of wellbore failure age

图5是存在井筒完整性问题的75口井的井筒屏障组件失效分析图，管柱失效居第1位，套管水泥失效居第2位，居第3位的是阀闸、井口装置、防喷器与封隔器失效问题。图4、图5说明应该重视井筒完整性与井筒屏障失效问题。

图5 屏障组件失效分析图［9］Fig.5 Analysis diagram of barrier component failure

4.2 主要对策

失效问题就是井筒完整性的隐患。减少和消除隐患的主要对策如下。

（1）重视井筒完整性与井筒屏障的全程全方位监测检查管理等工作，并应按照法规、标准、指南等法定文件完善井筒完整性与井筒屏障标准化、规范化，从技术上、作业上与操作上和组织管理上加强对全生命周期施工作业的一体化设计，提高技术水平、工程质量，加强组织措施。

（2）按照标准［2，12］进行井筒及井筒屏障体系设计，其主要内容是：井眼全服役期的用途与目的、服役期寿命、预测地质剖面（含温度、孔隙压力、地层应力等）、井身结构、钻井液完井液工作液、管柱及配件设计、井身剖面及靶位、各层套管及注水泥设计及其质量检查、各次开钻的井口装置-防喷器设计、井筒测试和完井设计、风险分析及应急处理预案等。

（3）按照D-010标准进行验收（D-010第4版共有59张验收标准表格［12］，供不同作业选择使用）。

上述对策将在后续文章详述，本文从简。

5 结论

用图6说明学习与应用井筒完整性及井筒屏障层系的内容和路线图。图中5～14项的10个作业覆盖了石油天然气上游领域的各个作业。其详细内容将在后续文章陆续发表。

图6 学习与应用井筒完整性及屏障层的路线图［11-12］Fig.6 Road map to understand & application of well integrity &well barrier［11-12］

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