氣井不壓井作業(yè)主要工程風(fēng)險(xiǎn)分析與對(duì)策研究

張 平

(川慶鉆探公司工程技術(shù)和質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)處)

不壓井技術(shù)作業(yè)具有常規(guī)作業(yè)不可替代的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，最大限度保持產(chǎn)層的原始狀態(tài)、提高產(chǎn)能和采收率、降低作業(yè)成本、安全環(huán)保的獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，對(duì)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)變經(jīng)濟(jì)發(fā)展方式，改進(jìn)作業(yè)手段，走高效、低耗、零排放的可持續(xù)發(fā)展之路，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義[1]。

一、主要工程風(fēng)險(xiǎn)分析

氣井相對(duì)油水井來(lái)說(shuō)具有更大的風(fēng)險(xiǎn)，主要體現(xiàn)在：氣體更易泄漏，容易發(fā)生爆炸；管柱腐蝕程度嚴(yán)重，修井難度大；普遍含H2S，對(duì)設(shè)備要求高，對(duì)人體危害大；原井油管可能含F(xiàn)eS,到井口碰撞易產(chǎn)生火花，容易引起爆炸；井口可能有水合物產(chǎn)生，危害大；要防止氧氣混入井內(nèi)。本文不對(duì)油氣水井具有相同危害的風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行分析，僅對(duì)具有氣井特色的較為重點(diǎn)的風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行分析[2]。

1.內(nèi)堵塞易失效的原因分析

內(nèi)堵塞易失效的原因包括工具坐封不嚴(yán)、脫落、工具承壓能力過(guò)低、工具受較大沖擊、回壓凡爾密封失效等因素。內(nèi)堵塞失效是帶壓作業(yè)最大的風(fēng)險(xiǎn)，也是最難以處理控制的風(fēng)險(xiǎn)。這是因?yàn)閲?guó)內(nèi)完井油管普遍沒(méi)有安裝坐放短節(jié)，因此油管的堵塞只能坐在沒(méi)有機(jī)械阻擋位置的油管本體上，同時(shí)因氣井油管普遍含腐蝕性介質(zhì)，因此油管內(nèi)壁易形成坑蝕影響堵塞工具密封效果，坐封不牢固甚至落井，這樣會(huì)給不壓井作業(yè)帶來(lái)極大的井控風(fēng)險(xiǎn)[2-3]。

2.氣井作業(yè)易形成水合物的原因分析

對(duì)氣井不壓井作業(yè)來(lái)說(shuō)，即使沒(méi)有流動(dòng)也可形成水合物，在冬季夜晚暫停作業(yè)后，第二天重啟作業(yè)時(shí) ，管柱也可能被“凍住”。天然氣在節(jié)流降溫的過(guò)程中可能產(chǎn)生水合物，可能形成一定的圈閉壓力，當(dāng)沒(méi)有預(yù)見(jiàn)到該風(fēng)險(xiǎn)時(shí)，可能引起人身傷害。帶壓作業(yè)過(guò)程中，防噴器組內(nèi)需要不斷平衡壓力、釋放壓力，由于閘板腔較小，在懸掛器起下作業(yè)時(shí)也容易形成水合物。2014年加拿大某井在連接套管側(cè)平衡/泄壓管線時(shí)，發(fā)現(xiàn)水合物堵在閥門處因?yàn)椴扇×瞬划?dāng)?shù)拇胧?，?dǎo)致了嚴(yán)重的人身傷害；2014年12月在JY6-3HF井在下入懸掛器時(shí)，由于對(duì)水合物預(yù)見(jiàn)不夠，在平衡泄壓過(guò)程中發(fā)生了懸掛器“凍結(jié)”在閘板腔位置，不僅處理水合物耽誤大量時(shí)間，也給作業(yè)帶來(lái)較大安全風(fēng)險(xiǎn)。

3.容易發(fā)生爆炸、燃燒的原因分析

發(fā)生爆炸、燃燒的原因包括在井筒內(nèi)與空氣混合達(dá)到爆炸極限、逸出地表與空氣混合達(dá)到爆炸極限、卡瓦與管壁撞擊火花、動(dòng)力源排氣管距離井口太近、違章動(dòng)火等因素。油管通過(guò)防噴器時(shí)會(huì)在接箍位置圈閉一定的天然氣，在井口容易聚集天然氣，卡瓦的撞擊容易產(chǎn)生火星，特別是含硫氣井，管壁上常常附著硫化鐵(FeS)更極易產(chǎn)生火花，如果沒(méi)有采取措施減少天然氣聚集、防止產(chǎn)生火花就容易發(fā)生著火或爆炸。

同時(shí)也可能引起井下爆炸，2001年加拿大石油公司發(fā)生了兩起氣井井下爆炸事故，都發(fā)生在2 000 m左右的氣井內(nèi)，主要原因是在取堵塞器時(shí)油管內(nèi)混入了空氣，達(dá)到了爆炸極限，在上提打撈工具時(shí)與油管發(fā)生撞擊產(chǎn)生火花發(fā)生了爆炸。

4.易發(fā)生氣體滲漏的原因分析

由于天然氣密度為0.717 4 kg/m3，分子量低，密度約0.58～0.65 g/cm3，易壓縮膨脹、易滑脫竄漏，所以對(duì)防噴器密封元件的氣密性要求高、管柱絲扣的氣密性要求高、內(nèi)堵塞工具的氣密性要求高。

由于氣井不同于油水井，在起下管柱作業(yè)中無(wú)法對(duì)管柱進(jìn)行潤(rùn)濕和降溫，摩擦作用會(huì)降低防噴器膠芯的密封性能；國(guó)內(nèi)油氣井完井管柱結(jié)構(gòu)上多數(shù)沒(méi)有考慮預(yù)置工作筒，同時(shí)氣井普遍含有腐蝕介質(zhì)，對(duì)油管的腐蝕也將影響內(nèi)堵塞的效果，這給帶壓作業(yè)油管內(nèi)的堵塞效果帶來(lái)很大不確定性；由于氣密封對(duì)絲扣要求比水密封要高，在氣井作業(yè)時(shí)，對(duì)一般外加厚油管或平式油管，無(wú)論高壓井或是低壓井均有可能發(fā)生滲漏，如CW202H1-1井作業(yè)時(shí)發(fā)現(xiàn)油管內(nèi)帶壓3～4 MPa，經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)就是絲扣滲漏所致[4-5]。

5.井下管柱的腐蝕給作業(yè)帶來(lái)潛在安全隱患

由于天然氣井普遍含硫化氫、二氧化碳、地層水等腐蝕性介質(zhì)，這些腐蝕介質(zhì)對(duì)油管可能腐蝕減薄、穿孔，使得原井油管腐蝕情況、剩余強(qiáng)度不清楚，因此油管內(nèi)堵塞可能需要多次堵塞，管體強(qiáng)度可能無(wú)法承受卡瓦的夾持力，容易發(fā)生管柱落井和井噴事故。

6.易引發(fā)管柱噴出或出現(xiàn)屈曲的原因分析

氣井作業(yè)壓力相對(duì)較高，由于截面力的影響，帶壓作業(yè)設(shè)備的下壓力較大，而一定尺寸、鋼級(jí)、壁厚的管柱，其固有的無(wú)支撐長(zhǎng)度也是固有的，因此，管柱的安全無(wú)支撐長(zhǎng)度就更短，稍有錯(cuò)誤極易發(fā)生失穩(wěn)，甚至發(fā)生折斷。

Y108井井口壓力23.5 MPa，?178 mm的懸掛器,計(jì)算得到上頂力573 kN，坐掛后防噴器內(nèi)壓力無(wú)法卸掉，且管柱上頂，經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)該井口設(shè)計(jì)僅有8顆鎖緊螺釘，無(wú)法克服該壓力下的截面力(上頂力)。

二、氣井不壓井作業(yè)主要風(fēng)險(xiǎn)的對(duì)策研究

1.防止管柱發(fā)生屈曲、拉斷、落井或噴出

不壓井作業(yè)管柱失效主要容易發(fā)生在兩個(gè)方面：壓彎(或折斷)管柱、拉斷管柱，另外也可能由于計(jì)算不準(zhǔn)確或操作不當(dāng)發(fā)生管柱落井或噴出。因此需要計(jì)算無(wú)支撐長(zhǎng)度和井口有壓力的情況下的管柱最大抗拉強(qiáng)度(即最大允許舉升力)[6]。

1.1 安全無(wú)支撐長(zhǎng)度

帶壓下入管柱時(shí)，管柱在軸向上受壓不產(chǎn)生彎曲變形的臨界長(zhǎng)度稱為最大無(wú)支撐長(zhǎng)度，它與下壓力和管柱強(qiáng)度有關(guān)，最大下壓力計(jì)算時(shí)管柱受到的摩擦力一般取截面力的20%，因此無(wú)支撐長(zhǎng)度還需采用一定的安全系數(shù)來(lái)確保作業(yè)安全，這個(gè)長(zhǎng)度就是安全無(wú)支撐長(zhǎng)度，一般對(duì)?60.3 mm、?73.0 mm和?88.9 mm油管的安全無(wú)支撐長(zhǎng)度系數(shù)取70%。

2011年中共中央國(guó)務(wù)院下發(fā)《關(guān)于加快水利改革發(fā)展的決定》[2]文件,指出“水是生命之源、生產(chǎn)之要、生態(tài)之基。水利是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)建設(shè)不可或缺的首要條件，是經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展不可替代的基礎(chǔ)支撐，是生態(tài)環(huán)境改善不可分割的保障系統(tǒng)?！边@是新中國(guó)成立62 a來(lái)中共中央首次系統(tǒng)部署水利改革發(fā)展全面工作的決定。文件強(qiáng)調(diào)水資源開(kāi)發(fā)利用控制紅線，要建立“最嚴(yán)格的水資源管理制度”，為今后的水權(quán)改革指明了方向。

若油管為N-80(非抗硫規(guī)格)舊油管，井筒壓力大于35 MPa或H2S濃度超出1.0%(1.5×104mg/L)，則將無(wú)支撐長(zhǎng)度降低25%。

1.2 最大允許舉升力

管柱一旦遇卡，如封隔器卡、砂卡，不同于常規(guī)壓井作業(yè)解卡措施，它需要考慮環(huán)空壓力對(duì)軸向拉力的影響，即油管的抗外擠毀壓力必須大于環(huán)空壓力，這也是不同于常規(guī)壓井后的解卡作業(yè)。

1.3 管柱落井與噴出

發(fā)生管柱落井或噴出主要原因是由于管柱中和點(diǎn)計(jì)算錯(cuò)誤或操作失誤。中和點(diǎn)計(jì)算僅是理論計(jì)算，它與管柱自身重量不均、井筒壓力的變化、管柱與防噴器的摩擦力、管柱與套管的摩擦力、液壓系統(tǒng)的摩擦力等因素有關(guān)，因此理論與實(shí)際中和點(diǎn)有一定誤差，所以下入一定數(shù)量管柱后，在接近管柱中和點(diǎn)前5根時(shí)，應(yīng)逐根進(jìn)行重管柱測(cè)試，防止管柱落井；起管柱時(shí)，預(yù)計(jì)還有5根進(jìn)入輕管柱時(shí)，要進(jìn)行輕管柱測(cè)試，防止管柱噴出。

2.防止油管內(nèi)堵塞失效的對(duì)策措施

油管內(nèi)壓力控制工具的工作壓差不低于最大井底壓力，應(yīng)根據(jù)管柱內(nèi)通徑、井內(nèi)壓力、溫度和流體性質(zhì)及工藝要求選擇油管內(nèi)壓力控制工具。

一般應(yīng)設(shè)置兩個(gè)及以上的油管內(nèi)壓力控制工具作為機(jī)械屏障；在坐放接頭內(nèi)能有效坐封時(shí)，可以只用一個(gè)堵塞器作為機(jī)械屏障。

工具下井前應(yīng)測(cè)量堵塞工具鋼體外徑和長(zhǎng)度，并檢查各部件完好。地面安裝的堵塞工具，下井前堵塞工具應(yīng)從下向上進(jìn)行清水試壓，應(yīng)先做1.4～2.1 MPa的低壓試壓，穩(wěn)壓10 min，壓力不降為合格；再用1.2倍于預(yù)計(jì)井底壓力的測(cè)試壓力對(duì)油管堵塞器進(jìn)行試壓，穩(wěn)定30 min，壓降小于0.7 MPa為合格。記錄所有的壓力測(cè)試值。油管堵塞工具坐封后，逐級(jí)卸掉油管內(nèi)壓力，每次觀察15 min，觀察油管壓力是否上升。直至油管壓力降到0，若油管壓力不上升，油管封堵合格；若油管堵塞失效，應(yīng)分析原因，并重新堵塞作業(yè)直至合格。對(duì)井下有多級(jí)滑套等工具時(shí)，應(yīng)在每級(jí)滑套以上進(jìn)行多級(jí)堵塞，并驗(yàn)證堵塞效果[7-8]。

3.預(yù)防水合物的對(duì)策措施

天然氣在通過(guò)節(jié)流處時(shí)，將產(chǎn)生急劇的壓降和膨脹，溫度將驟然降低，為判斷在某一節(jié)流壓力下是否形成水化物，可利用節(jié)流曲線法求解。

當(dāng)發(fā)現(xiàn)已經(jīng)有水合物存在時(shí)，應(yīng)采用保溫措施或注入水合物抑制劑(如乙二醇等)，使水合物融化。切忌采用敲打、硬撬等機(jī)械處理方法，防止圈閉壓力沖出造成人身傷害[9]。

4.防火防爆對(duì)策措施

氣井不壓井作業(yè)不同于油水井，氣體容易發(fā)生泄漏，燃點(diǎn)低，具有著火或爆炸，一旦出現(xiàn)火星或火花就極易發(fā)生爆炸。所以在氣井不壓井作業(yè)時(shí)要采用適當(dāng)?shù)母綦x屏障，隨時(shí)做到發(fā)生爆炸著火的先決條件。

作業(yè)前除應(yīng)安裝至少一條放噴管線外，還應(yīng)在出口處安裝防回火裝置，阻斷空氣(氧氣)經(jīng)放噴管線進(jìn)入防噴器和平衡/泄壓系統(tǒng)內(nèi)。

開(kāi)始起下管柱前應(yīng)吹掃工作防噴器組2～3次，將工作防噴器內(nèi)空氣置換吹掃出去。起下管柱過(guò)程中，利用平衡泄壓進(jìn)行壓力控制時(shí)開(kāi)關(guān)速度要慢，以減少?zèng)_擊、刺漏；起管柱(特別是含硫油氣井)過(guò)程中，應(yīng)在環(huán)形防噴器以上噴淋適當(dāng)?shù)牟灰兹家后w，如清水、氯化鉀液體等，防止卡瓦與管壁(主要是硫化鐵)碰撞產(chǎn)生火花。在打撈油管堵塞器之前，應(yīng)在油管柱內(nèi)注入一段阻燃液體，防止天然氣與空氣混合產(chǎn)生爆炸危險(xiǎn)。

三、認(rèn)識(shí)與建議

(1)氣井不壓井作業(yè)相對(duì)油水井來(lái)說(shuō)，施工壓力高、含有毒有害氣體、更易發(fā)生絲扣和密封泄漏、爆炸著火、易形成水合物，安全風(fēng)險(xiǎn)更大。

(2)正確的工程參數(shù)計(jì)算與強(qiáng)度校核，有利于減少安全作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)。

(3)作業(yè)前應(yīng)制定應(yīng)急響應(yīng)計(jì)劃，并組織對(duì)環(huán)空密封失效、內(nèi)堵塞失效、液壓動(dòng)力失效、儲(chǔ)能器失效、卡瓦失效等應(yīng)急響應(yīng)程序進(jìn)行演練，明確應(yīng)急作業(yè)各自崗位分工與組織。

(4)制定防止地面燃燒、地面爆炸、井下爆炸等防火防爆應(yīng)急響應(yīng)程序，明確隔離液的使用，惰性氣體置換操作等。

(5)制定長(zhǎng)時(shí)間關(guān)井及重新啟動(dòng)應(yīng)急響應(yīng)程序，明確卡瓦的使用，防噴器的使用，重啟后的防噴器、堵塞器的試壓驗(yàn)漏等。