雷宇，賈增強(qiáng)，王海峰，劉琳

中國(guó)石油長(zhǎng)慶油田蘇里格南作業(yè)分公司（陜西 西安 710018）

常規(guī)帶壓更換井口裝置技術(shù)主要有液壓式堵塞器帶壓換閥技術(shù)、冷凍暫堵技術(shù)等[1]。冷凍暫堵技術(shù)具有作業(yè)周期短、封固效果好、作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)低、自然升溫解堵便利等優(yōu)勢(shì)。加拿大SNUBCO 公司研發(fā)出冷凍暫堵技術(shù)后，已成熟地在加拿大、美國(guó)等地應(yīng)用。自2008年國(guó)內(nèi)首次在罐31井應(yīng)用冷凍暫堵技術(shù)以來(lái)[2]，四川油田、新疆油田、長(zhǎng)慶油田相繼應(yīng)用此項(xiàng)技術(shù)。

1 冷凍暫堵技術(shù)原理

1.1 技術(shù)原理

冷凍暫堵技術(shù)可進(jìn)行套管環(huán)空和油管內(nèi)暫時(shí)封堵，能進(jìn)行井口更換和維護(hù)等操作（圖1）。該技術(shù)是在表層套管周?chē)惭b冷凍盒并在冷凍盒內(nèi)加入冷凍劑，然后通過(guò)液壓注入系統(tǒng)將封堵劑注入待封堵的井筒空間內(nèi)，采用冷凍介質(zhì)在套管外圍持續(xù)降溫并保持溫度在-70 ℃至-45 ℃，由外層套管逐漸向油管內(nèi)冷凍直至?xí)憾聞┡c套管、油管緊密結(jié)合，形成冰凍橋塞密封環(huán)空和油管內(nèi)徑，封隔井內(nèi)壓力，從而實(shí)現(xiàn)暫閉井筒、隔離井內(nèi)高壓，達(dá)到更換井口控制裝置的目的。

圖1 冷凍暫堵工藝示意圖

1.2 技術(shù)特點(diǎn)

1）該技術(shù)適用于-35 ℃至-50 ℃環(huán)境條件，可以通過(guò)溫度傳導(dǎo)同時(shí)暫堵多級(jí)套管環(huán)空和油管內(nèi)部。

2）暫堵成功后，持續(xù)向冷凍盒內(nèi)加入冷凍劑，可保持穩(wěn)定溫度場(chǎng)，暫堵橋塞性質(zhì)穩(wěn)定，安全系數(shù)高。

3）解堵方便。冷凍盒拆除后可通過(guò)自然升溫或人工加熱解堵。

4）暫堵壓力高。最大工作壓力70 MPa，反向試壓時(shí)要求至少為關(guān)井井口壓力的1.5倍。

5）井口壓力越高、空間尺寸越大，冷凍暫堵橋塞長(zhǎng)度設(shè)計(jì)要求越高[3]。

1.3 設(shè)備參數(shù)

1）整套設(shè)備全部安裝在一個(gè)6.1 m（20 英尺）的標(biāo)準(zhǔn)集裝箱內(nèi)（圖2）。

圖2 冷凍設(shè)備示意圖

2）注入系統(tǒng)的注入壓力為51.7 MPa。

3）配備有雙注入系統(tǒng)，一用一備。

4）整體式增壓系統(tǒng)使注入系統(tǒng)可以在低壓下工作。

5）閥門(mén)、管匯最大工作壓力為70 MPa。

1.4 工藝參數(shù)

1.4.1 冷凍劑選擇

現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用選擇干冰作為冷凍劑。干冰是固態(tài)的二氧化碳，是利用干冰從固態(tài)升華到氣態(tài)的一個(gè)物理變化過(guò)程。為達(dá)到冷凍管柱的效果，需配合低冰點(diǎn)液相物質(zhì)甲醇進(jìn)行熱傳導(dǎo)。由表1 可知，干冰在升華過(guò)程中，在常壓下氣化時(shí)可使周?chē)鷾囟冉档?78 ℃左右。甲醇的相態(tài)穩(wěn)定，始終以液態(tài)形式傳遞熱量，當(dāng)部分干冰升華消耗后，可以持續(xù)添加干冰至液相甲醇中，達(dá)到持續(xù)冷凍的效果。

表1 冷凍劑物性參數(shù)

1.4.2 暫堵劑選擇

實(shí)驗(yàn)效果顯示，選擇蒙脫石為主要成分的膨潤(rùn)土作為暫堵劑，蒙脫石的化學(xué)成分為（Al2，Mg3）-Si4O10OH2·nH2O。它具有增稠性、觸變性、懸浮穩(wěn)定性、高溫穩(wěn)定性、耐水性及化學(xué)穩(wěn)定性，是油氣田生產(chǎn)中廣泛應(yīng)用的一種暫堵材料[4]。暫堵劑的配比對(duì)封堵效果起重要作用，按照水土比1：1、1：2、2：1、2：3進(jìn)行4 組實(shí)驗(yàn)，通過(guò)冷凍、取出、解凍，觀察物性，當(dāng)水土比為1：2 時(shí)，混漿相對(duì)較稠，冷凍后表面結(jié)冰，解凍后靜置仍保持黏稠狀態(tài)，因此選取1：2 為暫堵劑配比。

1.4.3 暫堵劑用量

計(jì)算暫堵劑的用量，需充分計(jì)算油管空間封固體積、油套環(huán)空封固體積及采氣樹(shù)閥門(mén)通道附加體積。此外還需要考慮清洗井內(nèi)管串所需量，因此注入量一般為計(jì)算容積的1.5～2.0倍。

式中：V1為油管封堵體積，L；V2為油套環(huán)空封堵體積，L；V3為采氣樹(shù)及閥門(mén)通道附加體積，L。

1.4.4 冷凍橋塞長(zhǎng)度計(jì)算

根據(jù)前期室內(nèi)研究，得出冷凍橋塞最短安全長(zhǎng)度經(jīng)驗(yàn)公式[5]

式中：Lmin為最短安全長(zhǎng)度，m；Di為封堵管柱內(nèi)徑，mm；Psi為管柱內(nèi)的壓力，MPa。

1.4.5 冷凍橋塞承壓試驗(yàn)

冷凍橋塞的承壓能力直接影響施工安全，為了直觀掌握冷凍橋塞承壓能力，特別進(jìn)行了實(shí)地試驗(yàn)。選用Φ273 mm 表層套管、Φ177.8 mm 技術(shù)套管、Φ73 mm 油管的管柱結(jié)構(gòu)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，使用60 cm高冷凍盒形成有效冷凍橋塞長(zhǎng)度57 cm，冷凍12 h對(duì)油套環(huán)空及油管內(nèi)形成的暫堵橋塞反向試壓50 MPa，觀察30 min無(wú)壓降。

1.4.6 冷凍時(shí)間

利用ANSYS數(shù)值模擬軟件進(jìn)行瞬態(tài)熱分析，經(jīng)過(guò)參數(shù)修正，得出經(jīng)驗(yàn)公式：冷凍時(shí)間=最大管徑×1.5+1.5-2，單位為h。

根據(jù)公式得出Φ177.8 mm 套管冷凍時(shí)間不得小于12.5 h；Φ73 mm油管冷凍時(shí)間不得小于6.5 h。

1.4.7 冷凍前后鋼材性能

上海寶鋼研究院（技術(shù)中心）出具的檢驗(yàn)報(bào)告顯示：冷凍后管材的沖擊性能值與冷凍前沖擊性能值相差不大，且冷凍后管材的沖擊值仍超過(guò)規(guī)定值，如圖3所示?？梢缘贸鼋Y(jié)論：冷凍暫堵后不會(huì)對(duì)鋼材性能造成影響。

圖3 管材性能檢驗(yàn)結(jié)果

2 陜5X井技術(shù)措施

2.1 基本情況

陜5X 井是靖邊氣田西區(qū)的一口預(yù)探井。該井于1992 年5 月完井，1992 年7 月至11 月開(kāi)展酸化1次、壓裂1 次、試氣2 層的井下作業(yè)，在山西組兩段砂巖儲(chǔ)層獲無(wú)阻流量8.642 8×104m3（下古儲(chǔ)層試氣僅見(jiàn)氣顯示，日產(chǎn)水42.66 L，打水泥塞封堵）。自1992年完井以來(lái)，該井曾于1998年、2007年開(kāi)展過(guò)測(cè)試作業(yè)。氣井當(dāng)前油壓23 MPa，套壓23 MPa。

2.2 隱患診斷

2018 年1 月，發(fā)現(xiàn)該井1 號(hào)閥門(mén)閥桿處有輕微漏氣聲。該井油管1號(hào)主閥存在內(nèi)漏及輕微外漏情況，2、3 號(hào)主控閥門(mén)均存在內(nèi)漏問(wèn)題。該井泄漏閥門(mén)可完全打開(kāi)，閥門(mén)型號(hào)為KQ600，閥門(mén)本體情況較完好，但閥桿處密封件因老化及銹蝕等原因而發(fā)生漏氣，且該閥門(mén)無(wú)注脂孔，無(wú)法通過(guò)注脂來(lái)改善漏氣狀況。

井場(chǎng)周邊農(nóng)田密布，有多戶(hù)農(nóng)牧民居住，采用常規(guī)壓井措施處理存在作業(yè)周期長(zhǎng)、作業(yè)液體量大、放空作業(yè)難度大等問(wèn)題。

2.3 方案制定

通過(guò)反復(fù)討論后，制定陜5X井冷凍暫堵施工設(shè)計(jì)，決定利用冷凍暫堵技術(shù)先封堵Φ273 mm表層套管和Φ177.8 mm 技術(shù)套管之間的環(huán)空，再封堵Φ177.8 mm 技術(shù)套管和Φ73 mm 油管之間的環(huán)空后，泄掉圈閉壓力，更換采氣樹(shù)1、2、3號(hào)主閥。

3 陜5X井換閥施工過(guò)程

3.1 施工準(zhǔn)備

2018年9月6日至10日，完成了井口開(kāi)挖工作，作業(yè)面充分暴露。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)確認(rèn)，Φ273 mm表層套管和Φ177.8 mm 技術(shù)套管之間的環(huán)空存在進(jìn)入通道，無(wú)需進(jìn)行帶壓鉆孔作業(yè)。向Φ273 mm 表層套管與Φ177.8 mm技術(shù)套管之間環(huán)空注入清水6 L，液位達(dá)到觀察口。靜置24 h，此環(huán)空液位未降低，確認(rèn)不需要對(duì)此環(huán)空注入暫堵劑封堵，準(zhǔn)備工作完成。

3.2 預(yù)冷凍作業(yè)

9月11日18：00，在井口表套外安裝60 cm高冷凍盒，使用干冰作為冷凍劑，配合甲醇進(jìn)行熱力傳導(dǎo)，確保充分起到制冷及傳熱作用。預(yù)冷凍2 h后，干冰與甲醇混合物使表套與氣套、氣套至油管、油管內(nèi)部形成一個(gè)低溫場(chǎng)，預(yù)冷凍作業(yè)順利完成。

3.3 暫堵劑注入

9月11日20：00，由高壓泵將攪拌均勻的膨潤(rùn)土?xí)憾聞┚徛龜D入油套環(huán)空，暫堵劑在冷凍部位掛壁、聚結(jié)，形成封堵橋塞，經(jīng)井口觀察套管壓力穩(wěn)定。過(guò)程中累計(jì)注入暫堵劑80 L。9月12日10：00，倒換流程，將注劑管線接到9 號(hào)測(cè)試閘門(mén)下游對(duì)油管進(jìn)行注劑。此過(guò)程向油管內(nèi)注入暫堵劑20 L。

3.4 冷凍候凝

9 月12 日12：00，在完成油管內(nèi)注暫堵劑后，開(kāi)始冷凍候凝。候凝期間，繼續(xù)向冷凍盒內(nèi)添加干冰，保證冷凍溫度持續(xù)低于-50 ℃，保證封堵塞凝固良好。

3.5 主閥更換

9月13日14點(diǎn)，在環(huán)空冷凍40 h、油管冷凍24 h后，正式啟動(dòng)主閥更換作業(yè)。對(duì)油管內(nèi)冷凍橋塞反向試壓28 MPa，觀察15 min 壓降0.5 MPa，泄掉冷凍橋塞上部壓力觀察15 min，壓力不上升，確認(rèn)暫堵成功，開(kāi)始進(jìn)行1 號(hào)閥更換作業(yè)。在舊閥總成被吊離后，作業(yè)人員迅速在7 min內(nèi)將1號(hào)主閥安裝到位。

隨后對(duì)油套環(huán)空內(nèi)冷凍橋塞反向試壓28 MPa，觀察15 min 壓降為0，泄掉冷凍橋塞上部壓力觀察15 min，壓力不上升，確認(rèn)暫堵成功。立即對(duì)2、3號(hào)主閥進(jìn)行了拆除搶裝，于17點(diǎn)完成了2、3號(hào)主控閥門(mén)更換（圖4）。

圖4 主閥更換現(xiàn)場(chǎng)

3.6 試壓

閥門(mén)更換完成后利用冷凍暫堵設(shè)備對(duì)更換好的新閥門(mén)連接處試壓28 MPa，觀察15 min，閥門(mén)連接處無(wú)外漏，試壓合格，恢復(fù)井口（表2）。

表2 試壓記錄

4 結(jié)論

1）通過(guò)陜5X 井冷凍暫堵更換井口主閥作業(yè)實(shí)踐，證實(shí)該工藝是一項(xiàng)高效的封堵高壓流體、快速更換井口主閥的工藝措施。

2）冷凍暫堵技術(shù)無(wú)需壓井、不產(chǎn)生大量作業(yè)液體、作業(yè)設(shè)備少、占地面積小，較堵塞器作業(yè)或壓井作業(yè)更安全、環(huán)保、高效。

3）蘇南區(qū)塊內(nèi)目前有近50口邊遠(yuǎn)探井，部分老井井口壓力高、完井時(shí)間較長(zhǎng)，井口普遍存在閥門(mén)密封件老化問(wèn)題，下步將繼續(xù)對(duì)邊遠(yuǎn)探井進(jìn)行排查，確保邊遠(yuǎn)老探井安全，筑牢安全生產(chǎn)防線。