液氮用于天然氣井噴搶險應(yīng)用前景

霍 宏 博

1.中海石油（中國）有限公司天津分公司 2.海洋石油高效開發(fā)國家重點實驗室

0 引言

天然氣井噴失控后果嚴(yán)重，2003年重慶開縣井噴造成大量人員傷亡[1]，2010年美國墨西哥灣井噴再次為世人敲響警鐘[2]。處理天然氣井噴是一個世界性的難題[3]，天然氣井控技術(shù)和井噴應(yīng)急能力急需提高加強[4-5]。

天然氣水合物是由天然氣和水形成的固態(tài)化合物，在低溫高壓的環(huán)境中更易形成。利用天然氣這種特性使用液氮創(chuàng)造低溫使水合物堵塞井筒可能會對天然氣井噴產(chǎn)生暫堵效果。水合物形成導(dǎo)致陸地或海底輸氣管道堵塞事故頻發(fā)[6-9]，另外，天然氣鉆完井過程中水合物堵塞井內(nèi)測試管柱及地面測試管線也時有發(fā)生[10-12]。1778年英國科學(xué)家普德斯特里便提出溫度和壓力影響可燃冰的形成[13]，1810年Davy首次在實驗中觀察到天然氣水合物[14]，1934年首次在輸氣管道中發(fā)現(xiàn)水合物凍堵天然氣運輸管線，從此揭開了水合物對天然氣運輸影響的研究[15]，1982年賀承祖研究了天然氣水合物生成的條件[16]，也有部分學(xué)者研究了水合物的熱分解和降壓分解機理[17-18]。在鉆采過程中，井筒及管匯中也頻繁出現(xiàn)了水合物凍堵管線情況[19-20]，深海鉆井中鉆井液受環(huán)境影響會形成水合物，導(dǎo)致鉆井液性能變差、堵塞循環(huán)通道[21-24]，J.W.Barker記錄過2口深水鉆井過程中水合物凍結(jié)防噴器和凍結(jié)鉆桿[25]。

水合物凍堵管路，其性質(zhì)可用于防止天然氣井噴，雖然將水合物堵塞井筒應(yīng)用于治理天然氣井噴還未見報道，但一些煤礦已經(jīng)有液氮快速凍結(jié)水層的現(xiàn)場應(yīng)用。寧夏羊場灣煤礦使用液氮快速有效地進行了防、滅火治理[26]，鄂爾多斯曾用液氮凍結(jié)大流速地下水保證礦井施工安全[27]。

石油工業(yè)中液氮也有一定應(yīng)用，華北油田文古3井進行過連續(xù)油管注液氮排液的現(xiàn)場作業(yè)[28]，川西氣田運用液氮增能壓裂技術(shù)進行過儲層改造[29]，因此，液氮促進水合物形成堵塞井筒用于天然氣井井噴失控處理具有一定的應(yīng)用前景，促進水合物形成對于堵塞管道抑制天然氣井噴具有現(xiàn)實意義。

天然氣水合物被全球能源企業(yè)關(guān)注[30],但目前研究主要針對影響水合物形成因素、水合物形成條件和抑制劑等方面，而對于利用水合物抑制井噴尚未進行研究和探索。

1 液氮應(yīng)用于天然氣井噴機理

1.1 水合物堵塞對井噴的抑制

在低溫、高壓環(huán)境下水分子形成籠狀結(jié)構(gòu)將天然氣分子捕獲，形成天然氣水合物。天然氣井噴在井筒內(nèi)無法形成連續(xù)液柱控制地層壓力，在低溫高壓下水合物形成的漿體[31]有利于在井筒內(nèi)形成液柱控制井底壓力，若形成堵塞可更好地抑制井噴。

由天然氣運輸管線堵塞分析，水合物凍堵可阻礙天然氣井噴通道[18]（圖1）。液氮應(yīng)用于煤礦搶險實際案例中，在開挖的井筒中顯示，液氮可將垂深126 m井周2.0 m的粗砂凍結(jié)為固化圓柱[32]。利用液氮降溫控制地層井噴具有很好的應(yīng)用前景。

圖1 水合物堵塞管匯照片

煤礦搶險，液氮通過雙層管形式注入[33]，油井氣舉排液或增能壓裂，液氮采用連續(xù)油管形式注入井中[28-29]。井噴處理時，液氮可通過在鉆桿內(nèi)下入連續(xù)油管注入液氮，氣化的氮氣從連續(xù)油管與鉆桿環(huán)空返出，液氮本身低溫及氣化吸熱降低井筒溫度至水合物形成溫度之下。

液氮氣舉排液及液氮增能壓裂的案例中，液氮直接與天然氣接觸，降低了天然氣摩爾濃度，不利于水合物迅速形成，在鉆桿內(nèi)通過連續(xù)油管液氮降溫更有效果。先注入氣態(tài)氮氣隔絕鉆井液與液氮，之后將液氮注入井筒，防止液氮凍結(jié)鉆井液（圖2）。

圖2 液氮注入示意圖

天然氣井噴易燃易爆，液氮除了降低環(huán)境溫度至著火點以下外，液氮還可隔絕空氣起到滅火作用，若天然氣井噴著火，可在天然氣井噴失控的特殊情況下直接將液氮注入井筒，起到冷凍降溫滅火的目的[34]。

1.2 液氮降溫作用

水合物最易形成于管道中節(jié)流部位，流速雖高但被節(jié)流后氣體膨脹對外界做功吸收熱量溫度降低，造成水合物形成的環(huán)境[35-36]。

液氮也可在井筒內(nèi)創(chuàng)造低溫環(huán)境，本身液氮溫度極低，且液氮在凍結(jié)管內(nèi)氣化吸熱帶走地層熱量[37]。常壓下,液氮溫度為－196 ℃,其蒸發(fā)溫度－195 ℃ ,蒸發(fā)潛熱 16 112 MJ/m3,定壓比熱為 1 103 kJ/( kg·℃)[32]。除降溫外，封閉條件下籠形結(jié)構(gòu)捕獲天然氣分子可降低井筒壓力。

液氮注入井內(nèi)后井筒溫度可計算求得[26]。

式中：Ci表示環(huán)空流體組分比熱容J/(kg·℃)；ρi表示組分密度，kg/m3；Vi表示組分體積，m3；q液氮注入量，m3；H表示液氮汽化焓值，kJ/kg；表示氮氣分子質(zhì)量，g/mol；ξ表示液氮冷量損耗系數(shù)；V表示體積，m3；C1表示組分比熱容，J/(kg·℃)；a1表示組分所占百分比。

曾有多位學(xué)者研究過水合物形成的熱力學(xué)條件（圖3）[38]，液氮注入后，井筒內(nèi)可達到天然氣水合物形成的溫度。

圖3 水合物形成的熱力學(xué)條件

1.3 水合物堵塞化解

利用水合物的可逆性，井噴得到有效控制之后可將水合物消除，繼續(xù)進行后續(xù)作業(yè)，不影響油井開發(fā)。

堵塞的水合物可以通過在鉆桿外環(huán)空注入化學(xué)抑制劑，使水合物分解，或在鉆桿內(nèi)環(huán)空注入熱流體加熱井筒，使水合物分解[39-40]。鉆完井中天然氣水合物預(yù)防及破壞水合物現(xiàn)場已有實施[41]。

2 液氮控制天然氣井噴面臨的挑戰(zhàn)

液氮安全控制技術(shù)已經(jīng)有所應(yīng)用，具有在石油工業(yè)中推廣的價值，但是仍有許多技術(shù)難題等待攻克，存在諸多挑戰(zhàn)。

1）液氮注入設(shè)備研發(fā)。目前液氮注入設(shè)備壓力最高約300 Bar，達到更高的注入壓力較困難，鉆桿內(nèi)外壓差超過鉆桿抗壓極限會造成鉆桿擠扁，需要研發(fā)更高壓力設(shè)備。液氮存儲設(shè)備為液氮罐，在陸地油氣田交通運輸較方便，海上運輸還存在一定的困難。液氮會造成金屬晶格破壞，變脆易碎，液氮注入后是否對套管或鉆桿強度造成影響還需研究。

2）水合物對井噴抑制作用預(yù)測。雖然目前對于水合物形成條件研究較多，但是仍然難以精確預(yù)測水合物會在井筒內(nèi)何處形成。水合物強度與溫度、壓力及天然氣組分相關(guān)，鉆井液對天然氣水合物形成的影響及水合物堵塞對井噴的抑制作用多大難以預(yù)估。水合物形成要經(jīng)過氣態(tài)、漿狀、固態(tài)的變化，液氮造成水合物堵塞最好的時機仍需探索。

3）液氮注入?yún)?shù)。液氮注入后其相態(tài)改變需要一定時間，需要根據(jù)不同井況調(diào)整注入?yún)?shù)。液氮注入分多段，多次注入井內(nèi)，每次注入液氮量以及注入間隔仍需研究。

3 液氮在井控作業(yè)中的應(yīng)用前景

以上論述了將液氮注入井筒，利用水合物堵塞井噴，其作用效果還是不夠直接。若未來能夠使液氮直接注入井噴地層冷凍井壁可從根源上解決井噴問題。

救援井利用液氮冷凍技術(shù)，通過鉆桿向井筒注入液氮冷凍井噴地層。且液氮冷凍能夠利用天然氣的特性，其封堵不像水泥塞封堵具有不可逆性。

液氮還可用于易漏失地層的冷凍，提高易漏地層的封堵性，通過液氮冷凍，可解決當(dāng)前老井區(qū)由于注水造成壓力系統(tǒng)紊亂，調(diào)整天然氣井鉆井期間發(fā)生“上噴下漏”或“上漏下噴”的井控難題，液氮凍結(jié)井噴層、提高漏失層的承壓能力，增加鉆井液安全密度窗口，留出下套管固井的時間窗口。

液氮還可以用于冷凍產(chǎn)層，使產(chǎn)層硬化，避免鉆井液、水泥漿造成的儲層污染。

綜上，液氮用于井控處理具有非常廣闊的前景。

4 結(jié)論

1）液氮已經(jīng)應(yīng)用在煤礦中，用于處理降溫、滅火等安全事故，實際應(yīng)用證明效果較好。目前石油工業(yè)裝備具備將液氮注入井內(nèi)，并利用液氮低溫、吸熱等特性處理安全事故的能力；

2）天然氣水合物在運輸管道中形成可阻塞管道，且所形成的凍堵具有一定承壓能力；

3）液氮注入井內(nèi)有利于達到天然氣水合物形成條件。利用液氮制造井筒中的低溫高壓環(huán)境制造水合物堵塞，用于抑制天然氣井噴失控具有可行性；

4）應(yīng)用液氮抑制井噴需要解決的問題主要為：設(shè)備研發(fā)、水合物堵塞作用以及作業(yè)工藝研究等；

液氮在井噴控制領(lǐng)域的前景十分廣闊，有助于為抑制天然氣井噴爭取作業(yè)時間。