冷凍暫堵更換采氣樹(shù)主控閥門(mén)技術(shù)

郭永強(qiáng) ，王 維 ，任越飛

（1.西安石油大學(xué)，陜西西安 710018；2.中國(guó)石油長(zhǎng)慶油田分公司第三采氣廠，內(nèi)蒙古烏審旗 017300）

冷凍暫堵更換采氣樹(shù)主控閥門(mén)技術(shù)

郭永強(qiáng)1，2，王 維2，任越飛2

（1.西安石油大學(xué)，陜西西安 710018；2.中國(guó)石油長(zhǎng)慶油田分公司第三采氣廠，內(nèi)蒙古烏審旗 017300）

冷凍暫堵裝備和技術(shù)是針對(duì)高壓氣井修井開(kāi)發(fā)的一項(xiàng)新技術(shù)。該技術(shù)通過(guò)注入裝置將暫堵劑注入環(huán)空和油管內(nèi)部，冷凍后形成暫堵橋塞，封隔井內(nèi)高壓氣體，達(dá)到帶壓更換采氣樹(shù)主控閥門(mén)的目的。該技術(shù)具有安全系數(shù)高、對(duì)環(huán)境無(wú)污染等優(yōu)點(diǎn)。目前采用該技術(shù)在鄂爾多斯盆地已成功更換20多口油氣井主控閥門(mén)，消除了井口隱患，為帶壓更換主控閥門(mén)提拱了新途徑。冷凍暫堵更換采氣樹(shù)主控閥門(mén)技術(shù)對(duì)蘇里格氣田現(xiàn)階段氣井閥門(mén)維修及保養(yǎng)有著重要的指導(dǎo)及借鑒意義。

井口隱患；冷凍暫堵；帶壓修井；帶壓鉆孔

采氣井口裝置是氣井安全生產(chǎn)的重要通道，也是氣井壓力控制的主要裝置，然而隨著氣井生產(chǎn)年限的增加，井口裝置會(huì)因磨損、腐蝕、老化等原因存在很多安全隱患問(wèn)題[1]。如不及時(shí)治理，會(huì)影響氣井的安全生產(chǎn)，嚴(yán)重破壞周邊環(huán)境，威脅人畜的生命安全。如果采用普通壓井方式更換閥門(mén)，作業(yè)時(shí)間長(zhǎng)、費(fèi)用高，產(chǎn)量恢復(fù)困難。因此，帶壓更換閥門(mén)的技術(shù)對(duì)井口更換主控閥門(mén)有著極為重要的作用。

目前較常規(guī)的帶壓換閘門(mén)技術(shù)是不丟手更換井口堵技術(shù)[2，3]，但對(duì)于高含硫的氣井，如果采用堵塞器進(jìn)行暫堵作業(yè)，固定堵塞器困難，作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)大，安全系數(shù)低。在國(guó)外，冷凍井口帶壓換閘技術(shù)已成功應(yīng)用1 000井次，成功率達(dá)100%，且冷凍井口帶壓換閥技術(shù)已形成確定施工參數(shù)的經(jīng)驗(yàn)公式。在國(guó)內(nèi)，冷凍井口帶壓換閥技術(shù)已經(jīng)在四川油田、新疆油田和長(zhǎng)慶油田成功應(yīng)用。但是冷凍井口帶壓換閥技術(shù)的工藝流程及安全防護(hù)工作需要加強(qiáng)。國(guó)內(nèi)外現(xiàn)場(chǎng)情況不同，需進(jìn)行相關(guān)配套技術(shù)的研制[4]。

1 冷凍暫堵技術(shù)原理

1.1 技術(shù)原理

冷凍暫堵裝備和技術(shù)是針對(duì)高壓氣井修井開(kāi)發(fā)的一項(xiàng)新技術(shù)，主要用于高壓氣井修井中暫時(shí)封堵環(huán)空和油管。冷凍暫堵技術(shù)是通過(guò)冷凍裝置的注入系統(tǒng)將暫堵劑注入環(huán)空和油管內(nèi)，在套管周?chē)鷮?shí)施降溫，采用冷凍介質(zhì)將套管周?chē)臏囟缺３衷?70℃左右，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，繼而密封環(huán)空和油管，封隔井內(nèi)壓力，達(dá)到安全更換采氣井口或部分閘閥的目的。采用冷凍技術(shù)不僅可進(jìn)行井口冷凍（豎直），還可以冷凍水平或傾斜管線。

1.2 技術(shù)特點(diǎn)

（1）同時(shí)封堵：該技術(shù)可在環(huán)境溫度-35℃～50℃下，同時(shí)暫堵多層套管環(huán)空和油管內(nèi)部。

（2）冷凍效果好：暫堵成功后，確保溫度在要求范圍內(nèi)，冷凍效果一直保持。

（3）暫堵壓力較高：最高工作壓力可達(dá)70 MPa，暫堵后，反向試壓最少為關(guān)井井口壓力的1.5倍。

（4）暫堵橋塞長(zhǎng)度通常在1 m以上，壓力越高的井，長(zhǎng)度設(shè)計(jì)更高，空間尺寸越大，冷凍的時(shí)間越長(zhǎng)。

（5）解堵方便：冰凍橋塞可人為加熱升溫解堵或自然升溫解堵。

冷凍暫堵技術(shù)常用的工藝流程依次為：安裝冷凍盒預(yù)冷凍、注入暫堵劑、冷凍、試壓、換裝井口閥門(mén)、解堵。

1.3 主要設(shè)備

整套設(shè)備全部安裝在一個(gè)6.66 m的標(biāo)準(zhǔn)集裝箱內(nèi)，它由動(dòng)力部分、液壓控制部分、注入管匯部分組成，其主要功能為向井內(nèi)環(huán)空或管柱內(nèi)注入暫堵劑。工藝流程（見(jiàn)圖1）：首先將配制好的暫堵劑放入加壓罐中，發(fā)電機(jī)組提供注入動(dòng)力，操作人員在操作臺(tái)控制暫堵劑的注入速度及注入量，并通過(guò)注入管匯將暫堵劑注入各層油套空間（見(jiàn)圖2，表1）。

表1 主要設(shè)備技術(shù)參數(shù)

圖1 冷凍暫堵技術(shù)工藝流程示意圖

圖2 冷凍暫堵主要設(shè)備

2 室內(nèi)實(shí)驗(yàn)情況

針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況開(kāi)展了模擬井口冷凍暫堵帶壓更換主控閥門(mén)實(shí)驗(yàn)，對(duì)施工過(guò)程中所涉及到的相關(guān)技術(shù)參數(shù)進(jìn)行驗(yàn)證。

2.1 冷凍時(shí)間和暫堵劑高度

理論冷凍時(shí)間為在干冰冷凍作用下，油套結(jié)構(gòu)由室溫25℃降至-71℃所需的時(shí)間。根據(jù)室內(nèi)測(cè)試結(jié)果，并結(jié)合實(shí)際作業(yè)中記錄的冷凍時(shí)間，可得經(jīng)驗(yàn)公式：T=管徑的尺寸（英寸）×1.5小時(shí)/英寸＋1.5小時(shí)～2小時(shí)；根據(jù)設(shè)備廠家提供經(jīng)驗(yàn)值及實(shí)驗(yàn)測(cè)試情況，冷凍高度推薦值為550 mm～800 mm。

2.2 暫堵劑注入后運(yùn)移方式

從室內(nèi)實(shí)驗(yàn)可以看出，暫堵劑注入管柱內(nèi)部后先向管柱上方運(yùn)移，當(dāng)上部填滿后再向下方運(yùn)移，最終在管柱內(nèi)形成致密的暫堵劑段（見(jiàn)圖3）。

圖3 暫堵劑運(yùn)移方式

2.3 暫堵劑理論注入量

在進(jìn)行冷凍井口時(shí)，需要分別向表套環(huán)空、技套環(huán)空、油套環(huán)空及油管內(nèi)部注入暫堵劑。注入量為注入口至冷凍盒底部管柱內(nèi)容積，計(jì)算時(shí)需附加采氣樹(shù)閥門(mén)通道體積。同時(shí)還需要考慮2個(gè)因素：

（1）油套及油管內(nèi)壁不干凈，暫堵劑不能全部附在油套內(nèi)壁上。

（2）在注入管匯空間上，有一定的暫堵劑。暫堵劑實(shí)際用量比計(jì)算暫堵劑用量大。結(jié)合國(guó)內(nèi)外大量成功案例可得到暫堵劑注入量經(jīng)驗(yàn)值：①27/8″油管內(nèi)徑暫堵劑注入量：3 L/m；②27/8″油管與7″套管環(huán)空暫堵劑注入量：16 L/m；③95/8″套管與 7″套管環(huán)空暫堵劑注入量：15 L/m；④133/8″套管與 95/8″套管環(huán)空暫堵劑注入量：33.3 L/m。

2.4 冷凍橋塞承壓能力驗(yàn)證

選用 95/8″表層套管、7″技術(shù)套管、27/8″油管的管柱結(jié)構(gòu)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，冷凍高度570 mm，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（見(jiàn)圖4）。

圖4 冷凍橋塞承壓能力實(shí)驗(yàn)

2.5 冷凍前后鋼材性能影響

根據(jù)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?？梢缘贸鼋Y(jié)論：冷凍暫堵后不會(huì)對(duì)鋼材的機(jī)械性能造成影響（見(jiàn)表2）。

表2 管材性能檢驗(yàn)結(jié)果（上海寶鋼研究院（技術(shù)中心））

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

2015-2016年，利用冷凍暫堵帶壓換閥技術(shù)，在長(zhǎng)慶油田成功更換12口氣井，20個(gè)閥門(mén)，消除了井口安全隱患（見(jiàn)表3）。

表3 冷凍暫堵帶壓更換氣井閥門(mén)統(tǒng)計(jì)表

3.1 標(biāo)準(zhǔn)套管頭氣井施工S-5-47H2井

S-5-47H2井是S區(qū)塊產(chǎn)建井，完井后1#閥門(mén)內(nèi)漏，油/套壓18.15 MPa/18.26 MPa。該井配備標(biāo)準(zhǔn)套管頭，施工時(shí)間為2016年10月20日-21日。利用冷凍暫堵技術(shù)依次封堵103/4″套管和7″套管之間環(huán)空、7″套管和31/2″油管之間環(huán)空以及31/2″油管內(nèi)通道，形成冷凍橋塞，泄掉圈閉壓力后更換采氣樹(shù)1號(hào)主控閥門(mén)，其施工步驟為：

（1）井口開(kāi)挖（長(zhǎng)1.5 m、寬1.5 m、深2 m）。

（2）向103/4″套管與7″套管之間環(huán)空注入清水。

（3）用水泥在導(dǎo)管外砌一底面積800 mm×800 mm的冷凍盒，高度700 mm；不間斷向冷凍盒中加入冷凍介質(zhì)和冷凍劑。

（4）從6號(hào)閥門(mén)向7″套管與31/2″油管之間環(huán)空注入暫堵劑60 L。

（5）從7號(hào)閥門(mén)向31/2″油管內(nèi)注入暫堵劑40 L；不間斷向冷凍盒中加入冷凍介質(zhì)和冷凍劑，冷凍23 h。

（6）對(duì)油管內(nèi)冷凍橋塞反向試壓，壓力33 MPa觀察15min無(wú)壓降；泄壓后觀察15min，壓力始終為0MPa。

（7）拆除1號(hào)閥與大四通連接螺栓，將1號(hào)閥及以上部分吊移。

（8）拆除舊鋼圈，清理鋼圈槽，安裝新鋼圈、安裝新1號(hào)閥。

（9）安裝1號(hào)閥以上部分，并對(duì)新閥試壓33 MPa，觀察30 min無(wú)壓降。

（10）拆除冷凍盒及作業(yè)設(shè)備。

3.2 無(wú)標(biāo)準(zhǔn)套管頭氣井施工X436井

X436 井油/套壓為：22.05 MPa/22.06 MPa，該井 1#主控閥門(mén)內(nèi)漏，由于該井無(wú)標(biāo)準(zhǔn)套管頭，需利用帶壓鉆孔技術(shù)在表層套管上鉆開(kāi)Φ25 mm的孔后進(jìn)行冷凍暫堵施工作業(yè)。

帶壓鉆孔技術(shù)其基本原理是利用帶壓鉆孔裝置和有效密封、放噴流程，在壓力管路或承壓閘閥上實(shí)施帶壓開(kāi)孔，為后期作業(yè)的開(kāi)展提供有利條件（見(jiàn)圖5，表4）。

圖5 帶壓鉆孔作業(yè)施工示意圖

表4 液控帶壓鉆孔機(jī)技術(shù)參數(shù)

X436井帶壓鉆孔施工作業(yè)步驟為：

（1）井口開(kāi)挖。套管周?chē)谝粋€(gè)直徑1.5 m（一側(cè)拓寬至5 m用于安置鉆孔機(jī)）深2.5 m的坑。

（2）在 103/4″套管外依次安裝 103/4″抱箍、鉆孔主控平板閥和四通。

（3）在四通上安裝帶壓鉆孔機(jī)與泄壓流程。

（4）對(duì)帶壓鉆孔裝置試壓10 MPa，穩(wěn)壓15 min無(wú)壓降。

（5）打開(kāi)鉆孔主控平板閥，帶壓在103/4″套管上鉆開(kāi)Φ25 mm的孔。

（6）拆除帶壓鉆孔裝置，轉(zhuǎn)入冷凍暫堵作業(yè)。

冷凍暫堵作業(yè)步驟與S-5-47H2井施工步驟一致，從外層套管到油管內(nèi)部依次冷凍，暫堵成功后更換1#主控閥門(mén)（見(jiàn)表5）。

表5 更換井口主控閥門(mén)技術(shù)對(duì)比表

4 結(jié)論

與不丟手帶壓換閥技術(shù)、壓井換閥技術(shù)相比冷凍暫堵?lián)Q閥技術(shù)具有以下優(yōu)點(diǎn)：

（1）冷凍暫堵技術(shù)作為帶壓更換采氣樹(shù)井口主控閥門(mén)技術(shù)之一，與傳統(tǒng)的不丟手帶壓更換主控閥門(mén)相比，增加了反向試壓，提高了安全系數(shù)。

（2）適用于井下腐蝕嚴(yán)重的井。冷凍暫堵帶壓換閥技術(shù)由于暫堵劑在油管與油層套管的環(huán)空形成長(zhǎng)段橋塞，即使泄漏，也不會(huì)形成失控的局面。因此，即使井口段套管或油管腐蝕，通過(guò)內(nèi)外堵塞，也可實(shí)現(xiàn)全面暫堵。

（3）暫堵劑與管壁完全緊密結(jié)合，無(wú)氣體排放，對(duì)環(huán)境無(wú)污染，不污染地層。

［1］劉忠飛，等.四川地區(qū)氣井井口隱患治理技術(shù)與應(yīng)用［J］.鉆采工藝，2014，37（3）：1-4.

［2］彭小強(qiáng)，等.新疆油田冷凍井口帶壓換閘技術(shù)的研究與應(yīng)用［J］.新疆石油科技，2014，24（2）：36-41.

［3］黃楨，王銳，杜娟.冷凍暫堵帶壓換閥技術(shù)及應(yīng)用前景［J］.天然氣工業(yè)，2009，29（2）：79-80.

［4］李艷豐，等.冷凍暫堵技術(shù)在灌31井的應(yīng)用［J］.鉆采工藝，2009，32（1）：11-13.

TE358.3

A

1673-5285（2017）10-0034-06

10.3969/j.issn.1673-5285.2017.10.009

2017-09-20