浅析气井完整性及评价指标体系

作者：陈光

    气井完整性是气井抵抗结构性破坏、维持气井功能的重要属性，在气井整个生命周期中，完整性一旦失效，将可能导致泄漏、井喷等严重的、甚至灾难性的后果。对气井完整性的研究，国内外都处于起步阶段。至今，国际上仍没有一则明确的关于气井完整性的标准概念，仅有API - RP90、NORSOK D -010和哈里伯顿( Halliburton)提出了各自的概念。这些概念均指明气井完整性是气井处于地层流体被有效控制的安全运行状态。若地层流体发生无控制流动（层间流动或流向地面），则判定气井完整性失效。在实际生产中，当气井存在地层流体发生无控制流动风险超过可接受范围时，气井完整性即当视为失效，应采取关井，停止作业，更换设备等管理和技术措施。因此现有的完整性的概念具有滞后性，不利于完整性管理，需要进一步地发展和完善。气井完整性评价是完整性管理的重要内容，建立完整性评价指标是完整性评价的核心，目前关于气井完整性的评价指标的研究多集中于钻完井阶段，对于生产过程中的气井完整性尚缺乏相应的评价指标体系。本文针对现有完整性概念滞后性的不足，

完善了气井完整性的概念，并根据完整性概念，从完整性管理，屏障设备，监测状态三方面建立了气井完整性风险评价指标体系，对气井完整性动态风险评估、生产井维护使用，增强生产气井事故预防能力有重要意义。

1  气井完整性概念

1.1  现有气井完整性概念分析

气井完整性与安全生产息息相关，国内外认可其在油气行业的重要性，但对于其概念的研究，至今尚未有明确的概念。API - RP90、NORSOK D- 010和哈里伯顿( Halliburton)给出了各自的概念。对其总结如表1所示。

    这些概念均指明气井完整性是气井处于地层流体被有效控制的安全运行状态。强调地层流体是否被有效控制，而不是气井设备，结构的完整性，缺乏预见性。在实际生产中，当油套管柱等设备随着服役寿命的增加，或生产状态，生产环境发生变化时，压力过大导致设备剩余强度不足以维持现有载荷和环境条件时，或通过状态监测数据预测出气井存在地层流体发生无控制流动风险时，气井完整性即当视为失效，应采取关井，停止作业，更换设备等管理和技术措施。因此现有的完整性的概念具有滞后性，不利于完整性管理。

1.2气井完整性概念的提出

    对气井完整性的研究，国内外均处于起步阶段，资料相对匮乏。在管道完整性方面，管道完整性是指：管道始终处于完全可靠的服役状态。并非是管道内介质发生无控制流动才称为完整性失效，而是认为完整性是指影响员工、环境、设备安全的风险值，在特定的操作条件下，达到一个可接受的水平。当风险值超过可接受水平时，判定完整性失效。从现代结构完整性的观点出发，认为系统完整性是系统结构与功能的合于使用性。国际焊接学会关于合于使用性的概念为：结构在规定的寿命期内，具有足够的承受预见的载荷和环境条件（包括统计变异性）的功能。合于使用性的概念提出了要有预见性，运用到油气井完整性，即油气井要有足够承受预见的载荷和环境条件。

    现阶段所有关于完整性的概念本质上都定义了操作对象应处于“受控”、“完整”的状态。基于油气井、井筒完整性和管道完整性的概念，并借鉴结构完整性和合于适用性的概念，对已有的气井完整性的概念做出了改进，尝试提出了气井完整性的概念。

    气井完整性是指采取技术改进措施，状态监测手段，规范气井管理相结合的方式，使气井始终处于受控、完整、合于使用的状态，控制地层流体发生无控制流动（层间流动或流向地面）的风险在可接受范围之内。其含义包括3个方面：①气井完整性与气井的设计、施工、维护、检修、管理直至报废的各个过程都密切相关；②气井在整个生命周期受控，不仅保持物理和功能上完整，而且具有足够的承受预见载荷和环境条件的功能，即具有合于使用性；③气井完整性在整个生命周期是逐渐衰退的，对气井实施安全动态管理，持续改进气井的完整性，保持气井地层流体发生无控制流动（层间流动或流向地面）的风险在可接受范围之内。

  本文提出的气井完整性的概念不仅是指要保证地层流体不发生无控制流动，而且要保证气井设备具有合于使用性，保证气井完整性失效风险在可接受范围内。因此更适用于气井完整性管理。

2  气井完整性评价指标

    目前关于气井完整性的研究多集中于钻完井阶段，关于在产气井完整性评价指标的研究仍不成熟，尚未有一套完善的评价指标体系．建立在产气井完整性评价指标对气井完整性评价和现场完整性管理具有重要意义。井筒完整性失效是气井完整性失效的主要原因。本文从完整性管理，屏障设备，监测状态三方面建立气井完整性评价指标体系，其中完整性管理指标主要包含在产气井操作人员的管理规范，安全技术培训等；屏障设备指标主要包含气井

井筒的安全屏障部件；监测状态指标主要包含生产过程中气井的状态监测参数。具体评价指标如图1所示。

2.1  完整性管理指标

    气井完整性管理主要是技术与作业管理，立足于地层流体无控制流动的预防，通过保障气井安全可靠性来保障健康、安全、环境和质量要求。气井完整性管理的内容主要包括：拟定气井完整性管理的工作计划、工作流程及工作程序文件；掌握可能引起气井退化和失效的损伤机理；识别气井运行过程中的风险因素，并制定相应的对策措施，控制气井风险在可接受的范围内；结合先进的检测手段对气井的完整性进行检验与评价，判定气井的服役状况，并做出决策响应，规避气井风险。具体总结分析如下。

2.1.1  完整性技术培训

在技术方面不断提高气井完整性，分析气井失效的原因和形式，采用新方法、新技术保证气井关键设备的可靠性。完整性管理培训内容主要包括：安全设备设施的使用，设备设施的检查维修，材料与备件的质量控制，安全检查及应急响应对策的执行，设备状态仪表、检测设备、检测方法的运用。

2.1.2设备的检查更换

对于在产气井设备，应定期检查安全屏障元件，井口设备的完整性，定期检查生产气井安全状态，是否发生泄漏，是否存在安全隐患，确保设备在正常工作状态，井完整性良好，对于老化、破损的元件应及时更换。

2.1.3风险分析评估

风险分析评估是完整性管理的重要内容。在分析评估过程中，要对涉及气井设计、施工、操作、维护、测试、检测及其他信息进行整合，识别出对气井完整性影响最大的风险因素，以便制定有效的、分轻重缓急的预防／探查／减缓方案。气井完整性的风险分析评估是一个连续的过程。运营公司应将定期收集的新的相关信息及操作经验，作为修改风险分析评估报告的依据。根据修改后的风险评估报告，对气井采取相应的措施。

2.1.4控制措施制定

 控制措施是指气井状态异常时，操作人员做出的决策和响应。如采取关井，维修更换设备，进一步监测等技术措施保证气井的完整性，防止事故的扩大，规避气井风险。

2.2监测状态指标

在气井生产中，通过采气树连通阀门监测各环空和油管内气体参数。当气井屏障完整时，环空与油管内是独立的，不连通，而一旦安全屏障元件失效，发生泄漏，则各环空与油管联通，各环空之间联通，环空内各气体参数会发生变化。因此通过监测气井生产状态下环空内压力、温度、流量、气体组分等参数，可以判定气井的完整性，这也是最直接有效

的方法。基于目前气井常用的监测手段，建立以下完整性评价指标。

2. 2.1  环空压力

正常生产过程中，环空内压力无变化或变化缓慢，当井筒发生泄漏时，生产套压会出现明显的变化或经过卸压后又重新恢复到卸压前压力水平，这一现象也称为环空带压。环空带压现象比较普遍，尤其是A环空，环空压力过大还会造成套管，油管破裂，甚至井喷，严重威胁着气井的安全。

2.2.2环空温度

正常生产过程中环空温度持续上升或持续下降，当油管柱发生泄漏时，因为油管内温度高于环空内温度，所以环空温度会出现明显上升的现象。同时环空温度可对环空泄压流量，环空压力进行校正。

2.2.3气体组分

正常生产过程中，环空内没有CH4等天然气成份，当环空中出现大量CH4等天然气成份时，则可判定气井完整性破坏。

2.2.4  油压

油压反映了井内压力，当井口压力过大时，油套管柱等部件剩余强度降低，当达到剩余强度极限时，油套管柱会发生完整性失效。同时可以通过井口压力预测井底压力，总之井口压力越大，气井危险性越高。

2.2.5环空泄压流量

当对环空进行泄压时，放出流体的量可以推测环空内流体是否有增加或减少，当判断环空内流体明显变化时，则判断环空之间发生串流，井筒发生了泄漏。另外环空泄压时，当环空内压力泄放不到零，始终维持稳定状态，则判断发生泄漏，泄放出气体的流量即为泄漏速率，进而可以分析泄漏程度。

2.2.6环空液面高度

正常生产过程中环空保护液的高度稳定不变，当封隔器密封失效或油管破裂时，则可能造成环空保护液高度发生变化。且环空保护液液面变化的速率也反映了泄漏的程度。速率变化越大，泄漏程度越大。若环空保护液液面位置刚开始一直下降，后来稳定在某个位置，则可以判断液面位置即为泄漏点位置。

2.3屏障设备指标

保证气井完整性的核心在于利用气井的屏障系统实施对地层流体的有效控制。屏障设备指标是气井完整性评价指标的重要组成部分。安全屏障部件有采气树、油管、安全阀、生产套管、技术套管、表层套管、水泥环、油管悬挂器、套管悬挂器。部件的失效是导致气井完整性失效的根本原因。气井完整性失效方式如图3所示，主要有采气树失效，油管悬

挂器密封失效，套管悬挂器密封失效，井下安全阀失效，油管连接处泄漏，油管管体泄漏，生产套管管体泄漏，生产套管连接处泄漏，技术套管管体泄漏，技术套管连接处泄漏，表层套管管体泄漏，表层套管连接处泄漏，封隔器密封失效。

气井屏障设备的失效会导致油管内的气体发生泄漏，致使气井完整性失效，其中泄漏方式主要有三种。第一种是气体通过井口泄漏至空气：当“采气树失效”和“井下安全阀失效”同时发生时即会发生第一种泄漏；第二种是通过环空泄漏至外部空间：当“油管螺纹连接处渗漏”，“油管管体破损”，“封隔器密封失效”，“油管挂密封失效”四个事件至少有一个发生，且“环空法兰密封失效”事件发生时，即会发生第二种泄漏；第三种是通过管体及固封水泥泄漏至海水和地层：当“油管螺纹连接处渗漏”、“油管管体破损”、“封隔器密封失效”、“油管挂密封失效”四个事件至少有一个发生，“套管管体破损”、“套管丝扣渗漏”、“套管挂密封失效”三个事件至少有一个发生，且“水泥环固封失效”发生时，即会发生第三种泄漏。气体由内向外泄漏的过程中会越过一系列安全屏障部件，将这些屏障设备列为评价指标具有重要的实际意义。图2为气井完整性失效事故树，该事故树表明了气井完整性与各屏障部件的关系。

3  结论

1)目前国内外关于气井完整性的概念存在滞后性的不足，基于现有气井完整性概念，借鉴管道完整性和结构完整性等相关概念，尝试提出气井完整性的概念，强调了气井完整性是逐渐衰退的，气井要保证地层流体发生无控制流动的风险在可接受范围内，应在预测环境载荷下具有合于使用性。新概念更有利于气井完整性的管理。

2)从完整性管理，屏障设备，监测状态三个方面建立了气井生产阶段完整性评价指标体系，其中屏障设备完整性是气井完整性的核心，完整性管理是提高气井完整性的关键，监测状态是气井完整性最直接的判断依据。为生产气井完整性的管理和评价提供了依据。

4摘要：

     针对目前国内外尚无明确的气井完整性概念和生产气井完整性评价指标体系的现状，分析了现有的关于气井完整性解释的不足，初步提出了气井完整性的概念，强调了气井完整性是气井处于地层流体发生无控制流动的风险在可接受范围之内的状态。并根据此概念，从完整性管理、屏障设备、监测状态三个方面，建立了气井完整性评价指标体系，分析了各个评价指标与气井完整性的关系。屏障设备完整性是气井完整性的核心，完整性管理是提高气井完整性的关键，监测状态是气井完整性最直接的判断依据。