川渝地區(qū)氣井帶壓作業(yè)油管堵塞器性能探討

蘇強(qiáng) 唐庚 嚴(yán)俊濤

【摘要】帶壓作業(yè)是一種在井口有壓力的條件下進(jìn)行鉆井、修井的作業(yè)方式。區(qū)別于傳統(tǒng)壓井作業(yè)，帶壓作業(yè)不使用壓井液，避免了對產(chǎn)層的污染，最大程度地保護(hù)了氣井產(chǎn)能，同時也避免了對地面環(huán)境的污染，符合HSE管理體系的要求，符合可持續(xù)發(fā)展油氣資源戰(zhàn)略。川渝地區(qū)從2004年開始探索帶壓作業(yè)，逐步形成了一套適用于川渝地區(qū)氣井的帶壓作業(yè)技術(shù)，其中油管堵塞器是保障帶壓作業(yè)安全的關(guān)鍵，也是制約復(fù)雜氣井安全作業(yè)的難點。本文結(jié)合川渝地區(qū)氣井特點與帶壓作業(yè)方式，對堵塞器的應(yīng)用進(jìn)行分析與改進(jìn)，為氣井帶壓作業(yè)更廣泛、更安全的推廣奠定了基礎(chǔ)。

【關(guān)鍵詞】氣井；帶壓作業(yè)；堵塞器

引言

川渝地區(qū)的大部分低壓、低滲透氣藏，由于已進(jìn)入生產(chǎn)中后期，隨著地層壓力的下降，氣井?dāng)y液能力變差，排液困難，嚴(yán)重影響產(chǎn)能。采用帶壓作業(yè)方式更換合適的生產(chǎn)管柱，能有效避免壓井液對產(chǎn)層的污染，最大程度地保護(hù)氣井產(chǎn)能，同時也避免了對地面環(huán)境的污染，符合HSE管理體系的要求，符合可持續(xù)發(fā)展油氣資源戰(zhàn)略。

進(jìn)行帶壓作業(yè)第一步就是通過投放油管堵塞器控制油管內(nèi)壓力。而管柱內(nèi)壓力密封僅僅只有堵塞器一道防線，因此堵塞器的可靠性是保障帶壓作業(yè)安全的關(guān)鍵。傳統(tǒng)油管堵塞器多用于油、水井，結(jié)構(gòu)上著重考慮承受井內(nèi)的上頂壓力而設(shè)計成單向滑塊或卡瓦，堵塞器金屬材質(zhì)跟膠筒橡膠件大多也未考慮抗硫化氫腐蝕，并且投放方式多是電纜座封，若座封不成功打撈困難，因此使得傳統(tǒng)堵塞器在氣井帶壓作業(yè)過程中頻繁失效，存在極大安全隱患。本文結(jié)合川渝地區(qū)氣井特點，通過對油管堵塞器在帶壓作業(yè)過程中的力學(xué)分析，進(jìn)而對氣井帶壓作業(yè)油管堵塞器性能提出了新的技術(shù)要求。

1、川渝地區(qū)天然氣井特點

1.1密度低、壓力高

常溫常壓下甲烷的密度為0.00068g/cm3，以甲烷為主的天然氣密度為0.00073～0.00093g/cm3，不到常溫常壓下水密度的1‰。因此，純氣井的井口壓力通常表現(xiàn)為略小于井底壓力，換言之，氣井的井口壓力遠(yuǎn)高于具有相同井底壓力的油、水井的井口壓力，例如川中地區(qū)合川構(gòu)造HC001-83-H1井產(chǎn)層中部實測壓力31.2MPa，井口關(guān)井套壓達(dá)到23.7MPa。

1.2易燃、易爆性

常溫常壓下，天然氣與空氣的混合濃度達(dá)到5%～15%（體積分?jǐn)?shù)）時，遇到火源就會發(fā)生爆炸。天然氣壓力和爆炸極限的關(guān)系見圖1，由圖可見，壓力低于6.65kPa時，天然氣與空氣的混合物不可燃；壓力高于101.325kPa時，隨著壓力的增加，爆炸上限也顯著增加入，例如當(dāng)壓力上升至15MPa時，其爆炸上限可達(dá)58%。

1.3含硫化氫

川渝地區(qū)含硫氣田占開發(fā)氣田的很大一部分比例，也是制約川渝氣田深層次開發(fā)的難題，硫化氫對金屬材料和橡膠材料都會產(chǎn)生嚴(yán)重的腐蝕破壞，因此含硫氣井帶壓作業(yè)對油管堵塞器的密封性、抗腐蝕性能提出了更高要求。

1.4不同程度產(chǎn)水

川渝地區(qū)大部分氣井開采中后期都有不同程度的產(chǎn)水現(xiàn)象，隨著地層的產(chǎn)水，氣井連續(xù)或者間斷的排水，因此在井筒內(nèi)存在一個動態(tài)變化的液面，該動液面的存在也使得在管柱在井筒內(nèi)受力更加復(fù)雜。

壓力低于101.325KPa 壓力高于101.325KPa

圖1 壓力對天然氣與空氣混合物可燃性極限的的影響

2、氣井帶壓作業(yè)堵塞器性能要求

筆者結(jié)合帶壓作業(yè)現(xiàn)場實例，總結(jié)出氣井帶壓作業(yè)堵塞器應(yīng)具備以下性能：

2.1承受正反雙向壓力

筆者針對堵塞器管柱在井筒內(nèi)環(huán)空液面不同位置進(jìn)行力學(xué)分析：

①堵塞器在井筒環(huán)空液面以下（如圖2）

（式1）

堵塞器穩(wěn)固座封的力學(xué)條件：

（式2）

式中，P上----堵塞器上部受壓強(qiáng)，MPa；P下----堵塞器下部受壓強(qiáng)，MPa；P氣----大氣壓強(qiáng)，MPa；P環(huán)----環(huán)空氣壓，MPa；G----堵塞器浮重，N；F座封----卡瓦座封力，N，A----油管橫截面積，m2

②堵塞器高度與井筒環(huán)空液面相平（如圖3）

③堵塞器高度在井筒環(huán)空液面以上（如圖4）

忽略大氣壓強(qiáng)、環(huán)空氣壓以及堵塞器浮重的影響，堵塞器在管柱內(nèi)的受力情況可簡化為（圖5）：

（式3）

式中：PC---該深度套壓，MPa；A----油管橫截面積，m2；L1、L2、L3----分別對應(yīng)環(huán)空液面高度，油管內(nèi)液面高度，堵塞器高度m

如圖，隨著管柱的起出，環(huán)空液柱高度（L1）逐漸減小，油管內(nèi)液柱高度（L2）先不變，但伴隨管柱起出井口后變小，堵塞器高度（L3）逐漸增加，則合力越來越小，當(dāng)合力為負(fù)數(shù)時，堵塞器不再承受上頂力。當(dāng)合力大于卡瓦座封力時，則堵塞器失效。

一般在堵塞器穩(wěn)固坐封時卡瓦座封力足以克服該合力∑F，但是當(dāng)油管腐蝕、結(jié)垢或者油管長期受拉變形，圓度不夠，座封不穩(wěn)時，在帶壓起下管柱引起的油管的振動及井內(nèi)壓力波動會導(dǎo)致堵塞器失效；此外如果環(huán)空動液面位置較高（L1較大），低壓氣井（Pc較小），井內(nèi)上頂壓力較低，導(dǎo)致合力大于卡瓦座封力，則堵塞器失效。

2.2高性能鋼材、橡膠密封件

由于天然氣的上述特點，使得氣井帶壓作業(yè)對工具密封性的要求更高。為了保障工具的可靠性，在工具材質(zhì)選擇方面著重有以下思路：

1、堵塞器本體選用高強(qiáng)度材料，抗硫、耐腐蝕鋼材。

2、密封件采用“V”型密封件：高硬度丁晴橡膠與聚氟組合密封件。

（1）聚四氟乙烯又名特氟隆或塑料王（PTFE），是四氟乙烯單體的共聚物，它具有下列特性：

1）高度的化學(xué)穩(wěn)定性：具有很好的化學(xué)惰性，強(qiáng)酸、強(qiáng)堿、硫化氫或強(qiáng)氧化劑等對它均不起作用。2）良好的熱穩(wěn)定性：裂解溫度在400℃以上，因此它能夠在-200℃～300℃溫度范圍內(nèi)正常工作。3）優(yōu)異的自潤滑性：PTFE材料表面具有突出的表面自潤滑性，幾乎所有粘性物質(zhì)均不能粘附到它的表面上去。

（2）高硬度丁晴橡（HNBR）

該密封組合克服了傳統(tǒng)橡膠材料易磨損，且入井工作時間長后，膨脹過大，不易打撈的缺點。

2.3應(yīng)具備可重復(fù)投撈使用

對于大斜度井或水平井，鋼絲作業(yè)投放堵塞器，由于受井斜角的影響，往往不能一次投放到油管鞋處，需要視井斜角進(jìn)行多次投放和打撈作業(yè)才能完成帶壓起管柱作業(yè)，因此要求堵塞器座封可靠，打撈方便，可重復(fù)投撈使用，同時也符合低成本戰(zhàn)略。建議堵塞器在結(jié)構(gòu)設(shè)計上采用打撈頸配套專用打撈工具，實現(xiàn)可重復(fù)投撈使用。

近幾年，在中石油集團(tuán)公司的大力支持下，國內(nèi)帶壓作業(yè)技術(shù)得到迅速推廣和發(fā)展。正值川渝地區(qū)頁巖氣開發(fā)大機(jī)遇，帶壓作業(yè)將被大規(guī)模應(yīng)用在致密氣、頁巖氣等非常規(guī)油氣資源的開發(fā)中。由于天然氣井的特殊性，氣井的帶壓作業(yè)對于油管堵塞器提出了更高的要求。傳統(tǒng)堵塞工具多用于油水井，在結(jié)構(gòu)和性能設(shè)計上未充分考慮氣井的特殊性，導(dǎo)致氣井帶壓作業(yè)使用傳統(tǒng)油管堵塞器頻繁失效，存在安全隱患。本文旨在為氣井帶壓作業(yè)油管內(nèi)堵塞工具提供技術(shù)要求和結(jié)構(gòu)建議，為氣井帶壓作業(yè)更廣泛、更安全的推廣奠定基礎(chǔ)。

圖6 油管堵塞器結(jié)構(gòu)示意圖

圖7 打撈工具示意圖

3、結(jié)論

（1）堵塞器結(jié)構(gòu)推薦設(shè)計正反雙向卡瓦（或滑塊），配合密封件承受雙向壓力；（2）堵塞器本體推薦選用耐腐蝕高強(qiáng)度鋼材，密封件采用丁晴橡膠與聚氟組合；（3）堵塞器結(jié)構(gòu)推薦設(shè)計打撈頸配套專用打撈工具，實現(xiàn)重復(fù)投撈使用。

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