有水气藏的开采过程中通常伴有地层水采出，形成气田水，气田水回注是目前国内外气田水处置的主要方式之一[1-5]。如何确保气田水“注得进、封得住”，是制约气田安全清洁高效开发的关键问题。气田水回注环境风险主要来源于回注层位的地质风险、回注井井筒风险，一旦气田水泄漏进入浅部含水层中，将对地下水环境造成影响[6-7]。由于地下水污染具有隐蔽性、难以逆转性和滞后性，油气行业通过气田水回注风险评估、提出回注风险监测预警技术、建立回注标准规范等，构建基于回注层优选、回注井建设、回注水水质指标控制和地下水环境监测为核心的从源头到末端的回注井环境风险防控技术体系[8-9]，并致力将风险防控关口前移，不断提高气田水回注环境风险防控水平。现有的地下水环境风险预警以水质趋势预警为主，本研究将Hall曲线分析法运用于气田水回注地下水环境风险预警中，监测回注异常工况，实现回注风险的提前预警。
美国联邦法律原则上禁止油气田废水向地表水体排放，而采用深井灌注处置废水最基本的前提是保证排放物与可利用的地下水资源完全隔绝。《安全饮用水法》授予美国环境保护署(EPA)针对地下水灌注控制的管理权限，对回注井的建设、运行、监测、报告和封井等进行规定，其中第Ⅱ类井可灌注油气工业废水。
现阶段我国还没有针对气田水回注进行专门立法，对气田水回注的法律控制主要体现在以下三个方面：
(1) 《中华人民共和国环境保护法》(以下简称《环境保护法》)及《中华人民共和国水污染防治法》(以下简称《水污染防治法》)等单行法，均对气田水回注工程作为建设项目提出了相应的环境管理要求。《环境保护法》第四十二条、《水污染防治法》第三十九条规定，严禁通过暗管、渗井、渗坑、灌注或者篡改、伪造监测数据，或者不正常运行防治污染设施等逃避监管的方式违法排放污染物；《水污染防治法》第四十二条规定：兴建地下工程设施或者进行地下勘探、采矿等活动，应当采取防护性措施，防止地下水污染。
(2) 《石油天然气开采业污染防治技术政策》(环境保护部公告2012年第18号)等行政规章，为防止造成地下水污染，针对石油天然气开采过程中的气田水回注工程做出了相关规定：在油气开发过程中，应设立地下水水质监测井，加强对油气田地下水水质的监控，防止回注过程对地下水造成污染。
(3) 在环境保护主管部门对气田水回注工程的环评批复中，针对气田水预处理及地下水环境监控也提出了相应的风险监控要求。
气田水回注井典型井身结构如图 1所示，高含硫气田开发气田水回注井通常能达到美国Ⅰ类回注井要求[10]，确保气田水不会沿回注井水泥环空上窜进入其他地层而污染浅层含水层。3层套管和水泥环封表层、技术套管外围水泥提供了从地面到回注层的多重保障，可有效地保障气田水进入拟回注层，防止其沿井筒泄漏而污染井筒外环境；所选用的完井设备、材质等可长时间抵抗硫化氢、氧气、氯离子等引起的腐蚀；配置的封隔器可有效地实现水力封隔。
地下水环境影响跟踪监测主要包含地下水监测点位布设、监测因子和监测频率三个方面。地下水监测点位布设原则为：①在回注井地下水流向上游布设1口背景值监测点，反映未受回注工程建设影响的地下水环境质量状况；②在回注井地下水流向下游至少布设2口污染控制监测点，在保证安全和正常运行的条件下，第1口监测点应靠近回注井；另1口监测点结合区域水文地质条件、地下水环境保护目标合理布设，布设时应避开岩屑池等存在地下水污染风险源的设施。
地下水跟踪监测因子主要为气田水的特征污染因子，包含石油类物质、氯化物、硫化物等。建议有条件的回注井采用水质在线监测系统对浅层地下水中特征因子进行跟踪监测，并根据监测井中水质指标的变化，确定不同的预警级别，从而采取相应的应急措施。
目前，我国地下水污染预警研究尚处于探索阶段，对于地下水预警的理论方法及模型选取等尚未形成一套完善的体系。现有的预警方法主要为水质趋势预警，主要包括相关标准法、临界值法及综合评价法[11-13]。相关标准法以现有地下水国际标准、国家标准、区域标准、行业排放标准中的指标及限值为依据，结合区域水文地质条件及污染源分布等因素，确定预警等级和阈值，在一定程度上缺乏灵活性和针对性。临界值法将不同污染等级的浓度临界值与风险临界值耦合为预警因子来进行预警等级划分，主要适用于特定事件分析。综合评判法通过模型分析、量化评价等进行分析，依赖于充足且准确的基础资料，数学计算较为复杂。
Hall[14]于1963年提出了注水井动态分析理论，通过记录注水井单次注入量与注入压力，建立了累积注入量和注入压力的关系曲线，即Hall曲线。自20世纪90年代起，国内研究者将Hall曲线分析法广泛用于油气田开发聚合物驱、回注效果评价等[15-21]。郑军等[22]应用Hall曲线反映回注井的注水规律，定量评价压裂酸化增注措施效果；臧克一等[23]分析总结了Hall曲线特征在孔隙型碳酸盐岩油藏不同注水阶段的应用研究。Hall曲线采用多次注水参数累加的形式，消除由于注水时间不连续、单次注入参数变化、离散点偶然误差等影响，替代复杂的计算方法，可更为直观地体现注水井在整个注水过程中的渗流规律，在注水井参数拟合、增注措施评价等方面应用广泛。
图 2所示为回注井Hall曲线[22]，体现了回注井累积注入量与Hall积分(流入压差×累计时间)的关系。通过对比不同注入阶段Hall曲线的斜率变化，对回注井注入效果进行评价，监控回注井日常参数变化及泄漏异常情况等。
由Hall曲线可知，在理想恒压状态下，Hall曲线呈线性上升趋势。若曲线斜率减小，回注井注入能力增强，地层可能出现裂缝、裂缝延伸或井筒发生泄漏等情况，导致回注水直接进入到裂缝中，并沿裂缝迅速窜至其他层段，或因井筒泄漏进入非回注层，造成回注水泄漏而污染地下水环境。若曲线斜率显著增大，注入能力减弱，回注水在井筒或地层中受到较大阻力，回注井的注入压力迅速升高，可能需要提高注入压力将水注入到地层中，或井筒、井筒附近地层发生堵塞需要采取针对性的解堵、增注等措施。
本次选取某区块两口典型回注井(A井和B井)，应用Hall曲线对回注井相关数据进行研究，分析Hall曲线对回注井泄漏风险预警的有效性和合理性。
A井回注层封闭性好，日注水6~11 h，注水泵压1.2~11.5 MPa，日注水量30~160 m3，视吸水指数16.70~29.50 m3/(MPa·d)。
B井回注井区大范围内无地面露头，回注层段及以上地层断层较少，日注水5~16 h，注水泵压20.1~23.2 MPa，日注水量115~368 m3，视吸水指数27.46 m3/(MPa·d)。
通过Hall曲线理论推导[24]，在正常情况下，回注井累积注入量与Hall积分呈线性关系，Hall曲线斜率大小直接反映地层渗透率的大小，间接反映地层注入能力的强弱，将此曲线分别应用于A和B两口回注井进行分析。
图 3所示为A井累积注入量与Hall积分的关系，注入压力较为恒定，基本保持在20 MPa左右，可视为一个定值。从A井Hall曲线及其线性拟合系数可以看出，回注井累积注入量与Hall积分曲线R2=0.999 24，线性关系较好。经监测，未发现A井存在泄漏及异常情况，回注状况良好。
图 4为B井累积注入量与Hall积分的关系，注入压力较为稳定，保持在25 MPa左右，累积注入量与Hall积分成正比，线性关系较好，相关拟合系数为0.999 98，线性关系好。日常运行监测表明B井回注运行平稳。
注水井水驱前缘监测技术通过对回注水在地层运移中产生的微地震事件进行采集与分析，判定回注水在地层的运移情况[25]。对非回注层、回注水的优势方向进行微地震事件监测，用以判断回注水在非回注层是否有窜层、回注水是否有从断层等天然或人工露头外溢的风险，为气田水回注生产运行管理及环境风险预警提供可靠依据[26-27]。
2019年对A井及B井运用微地震监测技术进行了水向前缘监测及风险评估，用以判断回注井是否存在漏失风险。
对A井的1 433~1 536 m层段(回注层)和50~1 423 m层段(非回注层)进行了微地震监测。监测结果表明：在1 433~1 536 m层段，回注水的主要优势方向为正东方向和西北45o方向，而在50~1423 m层段等非回注层均未监测到有回注水运移，所有监测层段无明显断裂或裂缝。监测结果与A井Hall曲线进行对照分析，A井Hall曲线一直呈线性上升趋势，曲线斜率无明显变化，线性拟合系数达0.999以上。综合分析表明，A井回注情况良好，无井筒泄漏、回注水窜层等情况发生。
对B井的1 450~1 540 m层段(回注层)和50~1 440 m层段(非回注层)进行了微地震监测。监测结果表明：在1 450~1 540 m层段，回注水的主要优势方向为西偏北40o方向长度约800 m后偏转为西偏北20o方向，且回注水运行未显示有大裂缝时的运行特征；在50~1 440 m层段未监测到有回注水运行；在回注层与非回注层均未监测到有井筒漏失情况。监测结果与B井Hall曲线对比分析，B井Hall曲线一直呈线性上升趋势，曲线斜率无明显变化，线性拟合系数接近1。综合分析表明，B井回注运行稳定，无井筒漏失、回注水窜层等情况。
将回注井微地震监测结果与Hall曲线分析方法进行对比分析研究，验证了Hall曲线分析方法的正确性，应用Hall曲线对回注井进行长期跟踪监测，消除单次注水参数变化等带来的影响，提高预警的准确性和科学性，有效控制气田水回注井地下水泄漏风险。
结合回注井日常运行参数，建立回注井Hall曲线关系，利用累积注入量与Hall积分的线性关系，通过曲线斜率变化趋势，推测回注井筒出现泄漏或回注水窜层情况。结合回注井微地震水向前缘监测技术进行结果验证，证明应用Hall曲线对气田水回注井泄漏监测预警科学有效。建议建立系统完整的气田水回注地下水环境风险防控体系，以气田水回注井完整性管理为核心，开展回注井地质风险及井筒风险评估，严格回注井运行与监控管理，减小气田水回注对地下水环境的影响。
2023, Vol. 52 Issue (4): 122-125, 129 2023, Vol. 52 Issue (4): 122-125, 129