氣密封檢測(cè)技術(shù)在涪陵頁(yè)巖氣田的應(yīng)用

陳小龍

(中石化重慶涪陵頁(yè)巖氣勘探開發(fā)有限公司，重慶 400000)

氣密封檢測(cè)技術(shù)在涪陵頁(yè)巖氣田的應(yīng)用

陳小龍

(中石化重慶涪陵頁(yè)巖氣勘探開發(fā)有限公司，重慶 400000)

涪陵頁(yè)巖氣井生產(chǎn)壓力高，對(duì)套管的氣密封性能提出了更高要求，為避免氣井發(fā)生氣竄和泄漏，涪陵工區(qū)通過引入套管氣密封檢測(cè)技術(shù)，為頁(yè)巖氣井的生產(chǎn)與環(huán)境安全提供了保障。介紹了氣密封檢測(cè)設(shè)備和原理，對(duì)近年來氣密封檢測(cè)技術(shù)在涪陵頁(yè)巖氣的檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析。結(jié)果表明，幾乎所有的施工井都存在管柱絲扣泄漏情況，氣密封檢測(cè)技術(shù)檢測(cè)精度達(dá)到1.0×10-7mbar·L/s，可以有效評(píng)估管柱密封性能，同時(shí)通過氣密封檢測(cè)不合格案例分析，總結(jié)給出了影響套管氣密封性主要因素和不當(dāng)操作，提出了下套管作業(yè)的注意事項(xiàng)及操作建議。應(yīng)用該技術(shù)可以保障頁(yè)巖氣井的安全運(yùn)行。

涪陵頁(yè)巖氣；氣密封檢測(cè)；生產(chǎn)套管；絲扣；泄漏

頁(yè)巖氣水平井生產(chǎn)套管柱的功能是為頁(yè)巖氣的壓裂改造、生產(chǎn)以及后期重復(fù)壓裂提供一條安全、規(guī)則的通道。生產(chǎn)套管柱的完整性體現(xiàn)在通道密封的完整性和幾何形態(tài)的規(guī)則性。目前國(guó)內(nèi)針對(duì)頁(yè)巖氣開發(fā)的工程技術(shù)研究是初級(jí)階段[1～4]，頁(yè)巖氣開發(fā)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和理論體系尚不健全，部分頁(yè)巖氣井區(qū)塊在勘探開發(fā)過程出現(xiàn)了生產(chǎn)套管完整性失效的情況，如井筒密封失效、套管變形等，影響了頁(yè)巖氣井的壓裂改造和后期安全生產(chǎn)。

在下套管過程中，對(duì)連接絲扣進(jìn)行氣密封檢測(cè)，確保整個(gè)生產(chǎn)套管柱的完整性。由于現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)手段有限，對(duì)送井套管的檢驗(yàn)僅限于套管鋼級(jí)、壁厚、內(nèi)徑、外徑、通徑、長(zhǎng)度以及外觀明顯的損傷情況，對(duì)一些隱蔽性的套管絲扣損傷情況不能有效判別。為了避免將達(dá)不到密封性要求的套管下入井內(nèi)，優(yōu)選了氦氣密封檢測(cè)技術(shù)。

為提高套管的氣密封完整性，自2013年12月在涪陵頁(yè)巖氣田焦石壩區(qū)塊引進(jìn)了氣密封檢測(cè)技術(shù)，對(duì)入井生產(chǎn)套管絲扣連接處的氣密封性能進(jìn)行檢測(cè)。氣井套管檢測(cè)技術(shù)根據(jù)生產(chǎn)壓力和套管承壓等級(jí)，確定檢測(cè)壓力，在下生產(chǎn)套管過程中對(duì)上部0～2000m井段管柱連接絲扣進(jìn)行檢測(cè)，如遇特殊情況將對(duì)全井管柱連接絲扣進(jìn)行檢測(cè)。氣井套管檢測(cè)技術(shù)確保了生產(chǎn)井段整體的密封性，為頁(yè)巖氣井的安全運(yùn)行提供了保障，并分析了套管絲扣密封不嚴(yán)的一些主要原因，為建立規(guī)范的施工程序提供一些依據(jù)。

1 套管氣密封檢測(cè)技術(shù)

套管本體在出廠時(shí)會(huì)做氣密封檢測(cè)試驗(yàn)，套管連接絲扣的密封性卻被忽略，而導(dǎo)致套管連接絲扣泄漏的原因很多包括：加工誤差、運(yùn)輸作業(yè)過程中的磕碰、絲扣的清潔度、密封脂的選擇、扭矩值等，針對(duì)這些原因，氣密封檢測(cè)技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。

氣密封檢測(cè)采用氦氣檢漏法，介質(zhì)為氦氣和氮?dú)獾幕旌蠚怏w。根據(jù)SY/T 6872—2012《套管和油管螺紋連接氣密封井口檢測(cè)系統(tǒng)》規(guī)定，檢測(cè)介質(zhì)為氮?dú)夂秃?，其中氦氣的體積比為10%～13%。氦氣分子直徑小，僅比氫分子大，在氣密封扣中易滲透，能及時(shí)對(duì)泄漏情況進(jìn)行預(yù)報(bào)，而且對(duì)油套管無腐蝕，是無毒、安全的惰性氣體。氮?dú)鈱?duì)油套管無腐蝕，是無毒、安全的不活潑氣體。用氦氣和氮?dú)庾鳛闄z測(cè)介質(zhì)，大大提高了施工安全系數(shù)高，并對(duì)人體無傷害，對(duì)環(huán)境沒有影響。

1.1 設(shè)備組成

氣密封檢測(cè)工序需要由5部分的設(shè)備來完成，分別是檢測(cè)工具、動(dòng)力設(shè)備、儲(chǔ)能器、絞車和檢漏儀。現(xiàn)場(chǎng)施工設(shè)備擺放示意圖如圖1所示。

圖1 現(xiàn)場(chǎng)施工示意圖

1)檢測(cè)工具 由上下兩個(gè)封隔器組成，檢測(cè)時(shí)將工具下到合適位置后，調(diào)整絞車閥門，使高壓流體從高壓管線進(jìn)入檢測(cè)工具，高壓流體推動(dòng)滑套分別向兩頭運(yùn)動(dòng)，擠壓封隔器膠筒座封，使檢測(cè)工具和油套管形成環(huán)空。繼續(xù)增壓，到達(dá)設(shè)計(jì)的壓力開始檢測(cè)。

2)動(dòng)力設(shè)備 用來提供施工的動(dòng)力，包括高壓泵、液泵等。

3)儲(chǔ)能器 利用動(dòng)力設(shè)備的高壓源，對(duì)進(jìn)入儲(chǔ)能器的氮氦混合氣體進(jìn)行增壓，由具備超高壓容器設(shè)計(jì)和制造資質(zhì)的廠家加工，并按油田要求每年定期進(jìn)行第三方檢測(cè)。最高額定工作壓力為140MPa。

4)絞車 用于控制檢測(cè)工具進(jìn)出套管，用于控制增壓和泄壓的程序。氣密封檢測(cè)控制系統(tǒng)的一大特點(diǎn)就是通過低壓氣體來控制高壓流體，目的是降低安全風(fēng)險(xiǎn)。

圖2 氣密封檢測(cè)原理示意圖

5)檢漏儀 主要用于檢測(cè)氦氣的泄漏率，根據(jù)檢測(cè)到的氦氣泄漏率來判斷套管連接絲扣的密封性是否合格。判斷標(biāo)準(zhǔn)：如果檢測(cè)到的氦氣泄漏率≥1.0×10-7mbar·L/s(1mbar=0.01MPa)，則該管柱連接絲扣不合格；如果檢測(cè)到的氦氣泄漏率<1.0×10-7mbar·L/s，則該管柱連接絲扣合格。檢漏儀的精度為1.0×10-7mbar·L/s，檢測(cè)靈敏度為1.0×10-7mbar·L/s，反應(yīng)時(shí)間<0.7s，在施工現(xiàn)場(chǎng)能夠即時(shí)有效地做出判斷。與檢漏儀配套的是記錄儀，作用是將檢測(cè)壓力及泄漏率同步顯示、采集，并能輸出檢測(cè)報(bào)告。

1.2 氣密封檢測(cè)原理

檢測(cè)原理示意圖如圖2所示。施工時(shí)先把檢測(cè)工具放入管柱內(nèi)，檢測(cè)工具上的上下卡封器膠筒分別卡在油套管接箍的上下位置；儲(chǔ)能器中預(yù)充氦氮混合氣，高壓水泵用水推動(dòng)儲(chǔ)能器中混合氣體壓縮，向測(cè)試工具內(nèi)注入氦氮混合氣，工具坐封；繼續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)高壓水泵增壓，推動(dòng)儲(chǔ)能器內(nèi)混合氣體繼續(xù)壓縮到設(shè)計(jì)要求的檢測(cè)壓力，此時(shí)氦氣進(jìn)入檢測(cè)工具與管柱之間的密閉環(huán)形空間；用帶有氦氣檢漏儀探頭的檢測(cè)集氣套把接箍包起來形成密閉空間，集氣套里的氣體通過檢測(cè)探頭進(jìn)入檢漏儀，如果檢漏儀顯示氦氣含量超過泄漏界定值，說明絲扣密封不合格[5]。

2 涪陵地區(qū)套管氣密封檢測(cè)結(jié)果分析

表1 涪陵頁(yè)巖氣田氣密封檢測(cè)結(jié)果統(tǒng)計(jì)表

現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)結(jié)果表明，在檢測(cè)的7358個(gè)管柱連接絲扣中，檢測(cè)不合格絲扣達(dá)245個(gè)，占檢測(cè)絲扣的3.33%；檢測(cè)出不合格套管達(dá)到70根，占檢測(cè)總量的0.95%。對(duì)泄漏絲扣經(jīng)過若干整改措施：卸扣檢查清潔絲扣后重新上扣，加大扭矩，重新涂抹密封脂，更換套管。根據(jù)檢測(cè)結(jié)果，大部分泄漏絲扣經(jīng)過卸扣檢查重新上扣以后，都未出現(xiàn)泄漏情況，而部分發(fā)生絲扣損壞的套管則必須更換。若從施工時(shí)間上統(tǒng)計(jì)，施工初期(前12口井)檢測(cè)不合格絲扣和整改后不合格絲扣比例分別為6.24%、2.44%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過平均水平。在36口施工井中，僅僅只有2口井未出現(xiàn)管柱連接絲扣泄漏現(xiàn)象，出現(xiàn)絲扣泄漏現(xiàn)象的施工井占施工井總數(shù)的94.44%。換而言之，每口井都有可能出現(xiàn)絲扣泄漏現(xiàn)象，而氣密封檢測(cè)技術(shù)是評(píng)估管柱絲扣氣密性的有效手段。

通過分析認(rèn)為涪陵工區(qū)絲扣泄漏的原因主要有以下幾種：

1)運(yùn)輸過程中套管絲扣磕碰、操作不規(guī)范、絲扣清潔度不達(dá)標(biāo)。①套管在上提至鉆臺(tái)過程中，母扣端沒有佩戴護(hù)絲，存在雜質(zhì)進(jìn)到母扣臺(tái)階面內(nèi)沒有清理的可能。②套管上扣前絲扣清潔不夠徹底，只是使用氣體吹掃方式清理，公母絲扣處可能殘留雜質(zhì)。③套管在對(duì)扣時(shí)沒有有效保護(hù)，可能碰壞絲扣密封面，建議使用對(duì)扣器以保護(hù)密封面。④司鉆操作存在誤操作，游車突然下放，砸傷套管；套管上扣速度不平穩(wěn)，在即將達(dá)到最佳扭矩時(shí)，應(yīng)換低速檔緩慢達(dá)到最佳扭矩。⑤套管隊(duì)上扣時(shí)沒有遵守操作規(guī)程，背鉗打滑時(shí)仍然上扣致使套管受力不均勻，造成絲扣損傷(圖3)。⑥套管運(yùn)輸過程中保護(hù)不好，致使絲扣損傷(圖4)。

圖3 套管鉗打滑后瑕疵 圖4 由于磕碰造成的絲扣損傷

2)套管本身的質(zhì)量問題。①在鉆井施工現(xiàn)場(chǎng)中發(fā)現(xiàn)有一批次套管質(zhì)量非常差，套管本體變形，密封臺(tái)階面有凹口，絲扣公扣端的臺(tái)階面存在毛刺，經(jīng)過肉眼就可以分辨出來。加大了這批套管的檢測(cè)力度，套管檢測(cè)井?dāng)?shù)達(dá)到了12口，統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)檢測(cè)不合格率達(dá)到6.24%，遠(yuǎn)高于絲扣不合格的平均水平。②部分套管氣密封檢測(cè)不合格，卸下來后肉眼分辨不出問題，可能是套管在運(yùn)輸、吊裝等過程中存在因碰撞導(dǎo)致輕微損傷，這些情況不可避免，隨機(jī)因素是無法消除，不通過專業(yè)檢查無法檢測(cè)出，影響了絲扣的密封性。③套管上扣過程中套管鉗操作不當(dāng)，套管本體質(zhì)量會(huì)影響氣井井筒安全。以焦頁(yè)11-1HF井為例，該井整個(gè)氣密封檢測(cè)施工過程中，共發(fā)現(xiàn)4根套管本體輕微變形，變形部位靠近套管公扣位置。套管設(shè)計(jì)內(nèi)徑為115.02mm，氣密封檢測(cè)工具最大外徑113mm，變形致使氣密封檢測(cè)工具無法放到檢測(cè)位置。經(jīng)分析認(rèn)為套管本體質(zhì)量存在瑕疵，套管鉗上扣時(shí)鉗牙的扭力致使套管本體變形(圖5)。為了保證套管絲扣氣密性，更換新套管。④部分套管出廠的時(shí)候，母扣工廠端上扣不合格。生產(chǎn)中會(huì)發(fā)現(xiàn)套管母扣接箍存在轉(zhuǎn)動(dòng)現(xiàn)象，有的母扣接箍不轉(zhuǎn)動(dòng)，但是會(huì)出現(xiàn)母扣工廠端泄漏的現(xiàn)象(圖6)。

3)密封脂使用不當(dāng)。套管絲扣密封脂效果是在實(shí)驗(yàn)室條件下達(dá)到的，但在實(shí)際生產(chǎn)過程中，溫度差異較大可能造成密封脂效果改變，密封脂涂抹不均勻?qū)е律峡蹠r(shí)絲扣受力分布不均勻，尤其是涪陵地區(qū)多風(fēng)多雨致使絲扣上的密封脂可能會(huì)附著一些雜質(zhì)，導(dǎo)致套管連接絲扣氣密性不合格(圖7)。建議施工過程中，套管廠家的專家進(jìn)行技術(shù)指導(dǎo)。

4)上扣扭矩過大或者過小。扭矩范圍的確定是在理想環(huán)境下，而實(shí)際生產(chǎn)中，天氣溫度等變化很大。如果扭矩達(dá)不到要求，會(huì)造成管柱密封性不合格。實(shí)際生產(chǎn)中，幾乎所有的套管泄漏以后，卸扣檢查重新上扣時(shí)都會(huì)稍微加大扭矩，而大部分的管柱連接絲扣經(jīng)過檢測(cè)都是合格的。

圖5 套管絲扣卸扣后出現(xiàn)瑕疵圖

圖6 套管母扣工廠端泄漏圖 圖7 套管絲扣瑕疵圖

3 施工建議

涪陵頁(yè)巖氣田經(jīng)過3年的高速發(fā)展已鉆完井200多口，在這些井中出現(xiàn)了幾口套管密封性不嚴(yán)、試壓試不住的問題，為解決這幾口井的問題，花費(fèi)了大量的人力和物力，而氣密封檢測(cè)技術(shù)的應(yīng)用，有效地減少了該類事故的發(fā)生，為頁(yè)巖氣井的安全運(yùn)行提供了保障。但無法否認(rèn)的是各種因素會(huì)造成套管絲扣氣密性不合格，為了杜絕事故的發(fā)生，降低成本，在使用氣密封檢測(cè)技術(shù)的同時(shí)，還要做到以下幾點(diǎn)：

1)加強(qiáng)套管檢測(cè)。套管出廠之前，應(yīng)當(dāng)加大套管檢測(cè)力度，確保套管在出廠時(shí)的質(zhì)量滿足現(xiàn)場(chǎng)施工需求。

2)套管在運(yùn)輸、吊裝過程中要加強(qiáng)管理，套管絲扣護(hù)絲佩戴齊全，并合理固定套管，減小在運(yùn)輸、吊裝過程中磕碰對(duì)絲扣造成損傷。

3)施工井隊(duì)要規(guī)范操作行為，套管入井前必須做好套管絲扣的清潔和保護(hù)。在場(chǎng)地上把套管絲扣清洗干凈并檢查絲扣是否有瑕疵，確保其合格后應(yīng)再次戴好干凈的公母護(hù)絲，上扣前取下護(hù)絲，保護(hù)絲扣及防止雜質(zhì)進(jìn)入到絲扣影響其密封性；套管在上扣時(shí)，對(duì)扣要輕放，避免對(duì)扣過程中損壞絲扣臺(tái)階和密封端面影響氣密封性，建議使用尼龍材質(zhì)對(duì)扣器。

4)套管隊(duì)規(guī)范操作行為，確保上扣過程中套管鉗處于一個(gè)正常的工作狀態(tài)。套管隊(duì)?wèi)?yīng)嚴(yán)格按照操作規(guī)程作業(yè)，當(dāng)套管背鉗打滑的時(shí)候，應(yīng)停止作業(yè)，以免因受力不均勻?qū)z扣造成損傷。

綜上所述，套管連接絲扣不密封是綜合原因造成的，現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)中施工操作不規(guī)范、扭矩不合格、密封脂不適用、絲扣不清潔、運(yùn)輸生產(chǎn)中的磕碰都會(huì)造成絲扣氣密性失效，因此要加強(qiáng)管理，避免在運(yùn)輸及生產(chǎn)過程中對(duì)油套管絲扣造成損傷，同時(shí)要加強(qiáng)油套管絲扣保護(hù)，嚴(yán)格按照規(guī)范清洗絲扣，均勻涂抹密封脂，根據(jù)設(shè)計(jì)扭矩上扣，避免氣密封性能失效。只有從各個(gè)方面加強(qiáng)管理，規(guī)范操作，才能將隱患降到最低。

4 結(jié)論

1)套管氣密封檢測(cè)技術(shù)用氦氣和氮?dú)庾鳛闄z測(cè)介質(zhì)，施工安全系數(shù)高，對(duì)人體無傷害，對(duì)環(huán)境無影響。

2)通過對(duì)涪陵地區(qū)頁(yè)巖氣井套管氣密封檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行分析，表明每口井都有可能出現(xiàn)絲扣泄漏現(xiàn)象，而氣密封檢測(cè)技術(shù)是評(píng)估管柱絲扣氣密性的有效手段。

3)通過分析認(rèn)為涪陵工區(qū)絲扣泄漏的主要原因有運(yùn)輸過程中套管絲扣磕碰和操作不規(guī)范、套管本身的質(zhì)量問題、密封脂使用不當(dāng)、上扣扭矩過大或者過小等。

4)為保證套管氣密封性，降低成本，在使用氣密封檢測(cè)技術(shù)的同時(shí)，應(yīng)注意加強(qiáng)套管檢測(cè)，套管在運(yùn)輸、吊裝過程中要加強(qiáng)管理。同時(shí)，施工井隊(duì)和套管隊(duì)要規(guī)范操作行為，保證下入套管絲扣密封性。

[1]林勇，薛偉，李治，等.氣密封檢測(cè)技術(shù)在儲(chǔ)氣庫(kù)注采井中的應(yīng)用[J].天然氣與石油，2012，30(1)：55～58.

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[編輯] 帥群

2016-10-10

陳小龍(1987-)，男，工程師，從事鉆井技術(shù)管理工作，cxlong2008@126.com。

TE26

A

1673-1409(2017)3-0075-06

[引著格式]陳小龍.氣密封檢測(cè)技術(shù)在涪陵頁(yè)巖氣田的應(yīng)用[J].長(zhǎng)江大學(xué)學(xué)報(bào)(自科版), 2017,14(3):75～80a.