新疆油田冷凍暫堵技術(shù)的研究與應(yīng)用

郭南舟，秦本良，王美潔，祁麗莎

(中國石油新疆油田分公司，新疆克拉瑪依 834000)

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新疆油田冷凍暫堵技術(shù)的研究與應(yīng)用

郭南舟，秦本良，王美潔，祁麗莎

(中國石油新疆油田分公司，新疆克拉瑪依 834000)

摘要：用常規(guī)壓井方式進(jìn)行修井作業(yè)具有作業(yè)時(shí)間長、對(duì)儲(chǔ)層有傷害、成本高等問題。為了解決這些問題，對(duì)冷凍暫堵技術(shù)進(jìn)行了研究和應(yīng)用，優(yōu)化了冷凍暫堵技術(shù)相關(guān)施工工藝參數(shù)及配套設(shè)備。優(yōu)選冷凍膠體基質(zhì)，通過實(shí)驗(yàn)分析了不同土水配比混合形成的冷凍膠體性質(zhì)，并測(cè)試?yán)鋬龆稳某袎耗芰Α＝Y(jié)果表明，鉆井膨潤土作為冷凍膠體基質(zhì)可滿足現(xiàn)場施工要求，最佳土水質(zhì)量比為2∶1。冷凍速度越快，冷凍段塞膠體結(jié)構(gòu)越致密、承壓能力越高。選用干冰作為冷凍劑，建立公式計(jì)算干冰用量，與現(xiàn)場實(shí)際總干冰用量較吻合，可指導(dǎo)后續(xù)暫堵施工。設(shè)計(jì)新型冷凍盒，增強(qiáng)了密封性能，提升了快速冷凍效果?，F(xiàn)場應(yīng)用表明，冷凍暫堵技術(shù)有效解決了高壓油氣井帶壓作業(yè)的工藝難題，提高了效率，降低了風(fēng)險(xiǎn)，具有極大的推廣應(yīng)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：冷凍暫堵；帶壓作業(yè)；修井；新疆油田

油氣田開發(fā)進(jìn)入中后期階段后，油氣井的井口設(shè)備常會(huì)出現(xiàn)如閥門壞死、零件脫落、老化腐蝕滲漏等問題。進(jìn)行維修更換設(shè)備就需要克服井口帶壓的問題，常規(guī)壓井平衡地層壓力的修井作業(yè)時(shí)間長，傷害產(chǎn)層、產(chǎn)量恢復(fù)困難、作業(yè)成本高，特別是對(duì)高壓油井、氣井的影響更為明顯。冷凍暫堵技術(shù)可實(shí)現(xiàn)帶壓作業(yè)，在不傷害產(chǎn)層的前提下實(shí)現(xiàn)壓力快速封堵，保證高壓、高含硫油氣井修井作業(yè)的安全施工[1-2]。

1 冷凍暫堵技術(shù)

1.1 工作原理

冷凍暫堵技術(shù)是在套管外圍采用干冰降溫，使通過高壓注入系統(tǒng)進(jìn)入油套環(huán)空和油管內(nèi)的冷凍膠體(凍膠)凍結(jié)，凍膠由外層套管逐漸向油管內(nèi)冷凍，形成冷凍段塞密封環(huán)空和油管，封隔井內(nèi)壓力，達(dá)到安全更換采油(氣)井口或主控閥的目的[3]。

1.2 工藝流程

工藝流程主要步驟為：進(jìn)行井場道路勘察，讀取井口壓力；檢查羊角閥，改造井口，做好施工準(zhǔn)備；對(duì)現(xiàn)場冷凍設(shè)備實(shí)施標(biāo)準(zhǔn)化安裝；表層套管至油管各個(gè)空間逐層注入暫堵劑；安裝冷凍盒，裝入冷凍劑，持續(xù)冷凍，暫時(shí)堵塞油套管；進(jìn)行冷凍段塞的正壓和負(fù)壓測(cè)試；更換或維修井口；移除冷凍盒，解凍；最后外排恢復(fù)井口。

2 工藝參數(shù)優(yōu)選及配套技術(shù)

2.1 冷凍膠體的篩選實(shí)驗(yàn)

在冷凍暫堵技術(shù)中，除了高壓注入系統(tǒng)外，冷凍膠體至關(guān)重要。為了滿足冷凍膠體應(yīng)具備的黏附性、流動(dòng)性、致密性，以及解凍便于外排性、易獲得性、經(jīng)濟(jì)性等特性，選擇了以蒙皂石為主的含水黏土礦物的膨潤土作為冷凍膠體基質(zhì)，進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)膨潤土和鉆井膨潤土的對(duì)比實(shí)驗(yàn)。采用泵車打壓方式檢測(cè)冷凍膠體不同冷凍方式及冷凍時(shí)間下的承壓能力，觀察其是否達(dá)到冷凍暫堵的施工要求，優(yōu)選最佳配比方式。

2.1.1 冷凍膠體的基質(zhì)配制

膨潤土與水按一定比例充分混合，使冷凍膠體基質(zhì)充分水化、無雜質(zhì)，滿足流動(dòng)性及黏附性等基本要求。實(shí)驗(yàn)分別取標(biāo)準(zhǔn)膨潤土、鉆井膨潤土與水按1∶1、2∶1、3∶1(質(zhì)量比)的比例混合，攪拌充分后呈現(xiàn)出不同狀態(tài)(圖1、圖2)。

實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，無論標(biāo)準(zhǔn)膨潤土還是鉆井膨潤土，當(dāng)土水混合比例為1∶1時(shí)，攪拌后均較稀，黏附性差；當(dāng)土水混合比例為2∶1時(shí)，黏附性基本符合要求；當(dāng)土水混合比例為3∶1時(shí)，冷凍膠體較稠，流動(dòng)性差。攪拌混合發(fā)現(xiàn)，鉆井膨潤土水化膨脹性比標(biāo)準(zhǔn)膨潤土差。

2.1.2 冷凍膠體的掛壁實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)將KY65-25B采油樹吊起，采油樹下分別連接339.7mm套管短接和73mm油管短接，使用SNUBCO公司冷凍暫堵注入設(shè)備，將配置好的冷凍膠體分別從采油樹油管閘門和套管閘門注入油套環(huán)空和油管內(nèi)，模擬空井筒狀態(tài)及有油管狀態(tài)下注入冷凍膠體狀況。

通過1小時(shí)的掛壁實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在油套環(huán)空及油管內(nèi)，土水混合比例為1∶1的冷凍膠體無法掛壁，土水混合比例為2∶1、3∶1的冷凍膠體掛壁較好；但土水混合比例為3∶1的冷凍膠體流動(dòng)性差。綜合分析表明，土水混合比例為2∶1的冷凍膠體滿足施工要求，黏附性和流動(dòng)性均較好。

2.1.3 冷凍段塞的承壓實(shí)驗(yàn)

冷凍膠體經(jīng)過冷凍后能否承受井內(nèi)高壓是冷凍暫堵技術(shù)的關(guān)鍵。實(shí)驗(yàn)使用標(biāo)準(zhǔn)膨潤土和鉆井膨潤土分別與水按2∶1、3∶1(質(zhì)量比)混合攪拌成冷凍膠體，將冷凍膠體灌入66.68mm油管短接形成冷凍段塞，然后使用400型泵車打壓，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表1。

表1　不同條件下冷凍膠體承壓能力表

實(shí)驗(yàn)表明，相較于采用冰箱冷凍22小時(shí)，采用干冰快速冷凍5小時(shí)或采用冰箱延長冷凍時(shí)間到120小時(shí)，段塞承壓能力顯著提高，冷凍膠體結(jié)構(gòu)更加致密；在不同土水質(zhì)量比情況下，標(biāo)準(zhǔn)膨潤土和鉆井膨潤土做冷凍膠體基質(zhì)用干冰冷凍5小時(shí)，膠體承壓能力均在20MPa左右。綜合考慮承壓能力，易取得性、經(jīng)濟(jì)性等條件，實(shí)際施工中選擇鉆井膨潤土作為冷凍膠體基質(zhì)。

2.2 冷凍劑的選擇及用量

干冰具有吸熱快、冷凍效率高的性質(zhì)，可作為冷凍暫堵技術(shù)中的冷凍劑。干冰用量是冷凍暫堵技術(shù)成功實(shí)施的決定性參數(shù)之一。冷凍過程中干冰不斷吸熱，各層套管環(huán)空及油管內(nèi)不斷放熱使溫度逐漸降低。當(dāng)溫度降到0℃以下，并持續(xù)冷凍一定時(shí)間后，井內(nèi)冷凍膠體形成冷凍段塞將下部油套管暫堵，可實(shí)施更換或維修作業(yè)。

利用圓柱體體積計(jì)算公式和熱量交換公式計(jì)算干冰用量，然后將現(xiàn)場施工參數(shù)與公式對(duì)比，利用現(xiàn)場施工參數(shù)確定經(jīng)驗(yàn)公式的系數(shù)，再通過公式指導(dǎo)后續(xù)施工。

干冰總用量公式為：

Mg=Mc+Mx

(1)

式中Mg——干冰總用量，kg；

Mc——干冰初始用量， kg；

Mx——干冰吸熱用量， kg。

干冰初始用量公式為：

(2)

式中μ——干冰孔隙系數(shù)；

Dln——冷凍盒內(nèi)徑， m；

Dbw——表層套管外徑， m；

l——冷凍段塞長度， m；

ρg——干冰密度， kg/m3。

經(jīng)驗(yàn)公式建立需引進(jìn)冷凍段塞長度，即冷凍空間內(nèi)圓柱的高度。

(3)

式中p——井口壓力， MPa；

D——表層套管內(nèi)徑，m;

λ——經(jīng)驗(yàn)系數(shù)。

各層套管環(huán)空及油管空間內(nèi)放熱的物質(zhì)有油管、各層套管、水、膨潤土，乙醇。設(shè)油管、各層套管的放熱量為Q1，水的放熱量為Q2，膨潤土的放熱量為Q3，乙醇放熱量為Q4；則放熱總量為Q=Q1+Q2+Q3+Q4。已知1kg干冰氣化吸收的熱量為364kJ，根據(jù)公式即可得到干冰總用量。

干冰吸熱用量公式為：

Mx=εQ/36000

(4)

式中ε——吸熱系數(shù)；

Q——放熱總量。

經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算的結(jié)果與現(xiàn)場實(shí)際干冰總用量對(duì)比結(jié)果見表2。由表2可見，兩種情況下干冰用量偏差小于4%，計(jì)算結(jié)果與現(xiàn)場實(shí)際用量符合率非常高，說明經(jīng)驗(yàn)公式能夠準(zhǔn)確得出現(xiàn)場實(shí)際干冰用量，既滿足施工要求，又避免浪費(fèi)。

表2　經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算結(jié)果與現(xiàn)場干冰用量對(duì)比表

2.3 冷凍盒優(yōu)化設(shè)計(jì)

冷凍暫堵技術(shù)要求根據(jù)井口套管及井內(nèi)壓力大小制作不同直徑的冷凍盒，保證冷凍盒底部與套管和地面接觸的根部密封，防止制冷傳導(dǎo)液從底部流出。

初期設(shè)計(jì)的冷凍盒密封性欠佳且無法重復(fù)利用，目前針對(duì)采氣井口的具體情況優(yōu)化了冷凍盒布局及材料，選用鍍鋅的鐵皮進(jìn)行裁剪，冷凍盒底部和接縫處填充暫堵劑增強(qiáng)密封性，同時(shí)頂部加上一層蓋子密封，促進(jìn)井內(nèi)冷凍膠體凍結(jié)。重新設(shè)計(jì)優(yōu)化后，冷凍盒密封性得到提升，加入乙醇過程中沒有出現(xiàn)滲漏情況。新型冷凍盒可重復(fù)使用，降低了作業(yè)成本，縮短了施工周期。

3 現(xiàn)場應(yīng)用

DX1427井是位于克拉美麗氣田滴西作業(yè)區(qū)的一口高壓氣井，油管、套管壓力均為35MPa。該井有3層套管，井身結(jié)構(gòu)為：φ339.7mm表層套管×497.85m；φ244.48mm技術(shù)套管×3125.5m；φ177.8mm油層套管×3627m；φ73mm油管×3593.35m。該井總閘門及右側(cè)套管閘門損壞，需要更換。設(shè)計(jì)膨潤土與水的比例為2∶1(質(zhì)量比)，段塞長度為1.4m，冷凍盒為直徑914.4mm(36in)、高1400mm的圓柱空間。

施工步驟如下：

(1)在井口周圍挖一個(gè)直徑為1.5m的坑。

(2)向表層套管—技術(shù)套管環(huán)空內(nèi)注入膨潤土膠體。

(3)制作冷凍盒并加入干冰、乙醇。

(4)倒換注入流程至技術(shù)套管羊角，向技術(shù)套管—油層套管環(huán)空內(nèi)注入膠體。

(5)加入干冰并加高冷凍盒至設(shè)計(jì)高度。

(6)連接注入管匯到套管閘門、生產(chǎn)閘門，對(duì)注入系統(tǒng)試壓后，開始向油套環(huán)空、油管內(nèi)注入膠體。

(7)計(jì)算冷凍時(shí)間，并定時(shí)向冷凍盒內(nèi)加入干冰、乙醇，持續(xù)冷凍14小時(shí)。

(8)對(duì)冷凍段塞試壓59MPa，泄壓后，對(duì)冷凍段塞進(jìn)行35 MPa負(fù)壓測(cè)試40min。

(9)更換閘門。

(10)自然解凍、外排。

外排15min后關(guān)閉采氣樹，測(cè)試油壓為34MPa，套壓為34MPa，說明解凍后的冷凍膠體依靠井內(nèi)壓力全部排出，應(yīng)用冷凍暫堵技術(shù)成功更換閘門。

4 結(jié)論及認(rèn)識(shí)

(1)冷凍膠體基質(zhì)采用鉆井膨潤土可滿足現(xiàn)場施工要求，最佳土水混合比例為2∶1。且冷凍速度越快，冷凍段塞膠體結(jié)構(gòu)越致密、承壓能力越高。

(2)冷凍暫堵選用干冰作為冷凍劑，根據(jù)熱量交換公式計(jì)算的干冰總用量與現(xiàn)場實(shí)際總用量較吻和，表明該經(jīng)驗(yàn)公式可以指導(dǎo)現(xiàn)場施工時(shí)干冰用量。

(3)新型冷凍盒可重復(fù)利用，密封性高，能較好地實(shí)現(xiàn)快速冷凍。

(4)冷凍暫堵技術(shù)成功應(yīng)用于高壓氣井，縮短了作業(yè)時(shí)間，減少了對(duì)產(chǎn)層的傷害，且作業(yè)成本較低，在油氣田修井施工上具有極大的推廣應(yīng)用價(jià)值。

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Research and Application of the Freezing Temporary Plugging Technology in Xinjiang Oilfield

Guo Nanzhou, Qin Benliang，Wang Meijie，Qi Lisha

(PetroChina Xinjiang Oilfield Company，Karamay，Xinjiang 834000，China)

Abstract:The workover with conventional well killing method would appear a lot of problems such as wasting time, reservoir damage and high cost, etc. So the technology of freezing temporary plugging in Xinjiang oilfield is introduced. To address these problems, the freezing temporary technology has been studied, and optimized relevant technical parameters and matched equipment, such as optimization of frozen colloidal stroma, testing and analysis of the property of frozen colloid that formed by different mixing proportion of both soil and water, and testing the pressure bearing capacity of frozen plug. Results showed that taking bentonite as a frozen colloid matrix can meet the requirements of workover operation, the best ratio is 1∶2. The faster the freezing speed, the more compact the structure of frozen colloidal plug is, and the higher the pressure bearing is. Dry ice has been taken as refrigerants, and a calculating formula established to determine the volume of dry ice, which was consistent with the actual amount used at well site, and considered to be a guidance for subsequent temporary plugging operation. A new type of frozen box was designed to raise the sealing performance and freezing effect. Field application showed that freezing temporary plugging technique had solved the problem that snubbing operation must be done for workover, and raised the efficiency as well as lowered the risk. So it should have a significant value of promotion and application in the future.

Key words：Frozen temporary plugging；snubbing Operation；well intervention； Xinjiang Oilfield

第一作者簡介:郭南舟(1987年生)，男，碩士，工程師，從事井下工藝技術(shù)研究。郵箱：guonan_zhou@126.com。

中圖分類號(hào)：TE358

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A