冷凍暫堵作業(yè)井口壓力變化規(guī)律研究

劉正連

(1中國石油集團川慶鉆探工程公司鉆采工程技術研究院 2中國石油井控應急救援響應中心)

冷凍暫堵技術是一種在井口或管柱帶壓狀態(tài)下，利用冷凍暫堵裝置注入暫堵介質封堵井口或管路，暫時隔斷壓力的一種技術。許多學者對冷凍暫堵技術原理、施工特征等方面進行了研究[1-5]，但針對作業(yè)過程中井口壓力變化規(guī)律的研究則較少被提及?；诖耍蚤L慶油田冷凍暫堵作業(yè)11口井的井口壓力記錄數(shù)據(jù)為基礎，分析了冷凍暫堵作業(yè)過程中的井口壓力變化規(guī)律與暫堵橋塞狀態(tài)的關系。應用研究成果指導3井次的冷凍暫堵作業(yè)施工，單井節(jié)約冷凍劑近50%，縮短冷凍作業(yè)時間約40%，首次提出根據(jù)井口壓力變化曲線判斷暫堵橋塞形成的準則，具有推廣應用價值。

一、冷凍暫堵井口壓力變化機理分析

冷凍暫堵技術在長慶油田應用10余井次，成功解決了該地區(qū)井口隱患治理中“小井口、大通徑油管”的難題。施工中記錄冷凍暫堵作業(yè)的井口壓力變化、暫堵劑使用量、冷凍時間等數(shù)據(jù)，如表1。

表1 X1-X11口井冷凍暫堵作業(yè)統(tǒng)計表

在作業(yè)過程中每隔10 min記錄油壓和套壓的變化情況，并繪制油套壓與冷凍時間的對應關系圖，如圖1～圖2所示。

圖1 X1井冷凍暫堵作業(yè)過程中井壓變化圖

圖2 X2井冷凍暫堵作業(yè)過程中井壓變化圖

從圖1～圖2看出，在冷凍暫堵作業(yè)過程中油壓和套壓均表現(xiàn)出先降低，中間保持一定時間后壓力回升的變化規(guī)律。

經(jīng)過研究分析，在作業(yè)過程中井口的壓力降低是因在冷凍橋塞的形成過程中，隨著溫度的不斷降低，暫堵劑體積不斷膨脹，干冰盒附近的暫堵劑首先凝固形成暫堵橋塞的凝結核，隨著低溫的傳遞，逐漸向凝結核的兩端擴展形成橋塞，凝結核上端空間全部填滿暫堵劑，下端面為天然氣。受溫度差影響，凝結核兩端介質的壓縮比相差較大，凝結核向井下緩慢移動，當凝結核能夠承受一定壓差時橋塞已基本形成，此時的移動使得橋塞上部空間增大，井口壓力開始減小。

隨著橋塞強度的增加，承壓能力逐漸加強，橋塞移動速度逐漸變慢，最后靜止。此時溫度的傳遞仍在繼續(xù)，離干冰盒較遠的暫堵劑也開始膨脹、橋塞強度逐漸到達最高值，橋塞與井口之間形成圈閉壓力，井口壓力上升。

在井身結構相同的情況下，壓力變化曲線與作業(yè)時間基本一致，井口壓力和暫堵劑的注入量對曲線變化基本無影響?；诖?，不論是油套管環(huán)空或者是油管內，均可根據(jù)井口壓力變化曲線得出冷凍橋塞形成的判斷標準：井口壓力開始下降對應的折點表示橋塞的凝結核已形成并具備一定強度；井口壓力降至最小值對應的折點表示暫堵橋塞已形成并與管壁結合緊密，移動停止；水平段是暫堵橋塞強度穩(wěn)定增加的階段；井口壓力開始回升對應的折點表示橋塞的強度已能達到更換井口作業(yè)的條件。根據(jù)壓力變化的折點對應的時間和管徑可準確計算出不同管徑冷凍暫堵作業(yè)的最優(yōu)時間。

二、現(xiàn)場試驗

冷凍暫堵作業(yè)，精準掌握橋塞狀態(tài)，準確計算出帶壓更換井口作業(yè)的最佳時機至關重要，根據(jù)上述結果，將井口壓力開始回升對應的折點作為帶壓更換井口作業(yè)的最佳時機，現(xiàn)場3口井的實驗結果如表2 所示。

表2 Y1-Y3井冷凍暫堵作業(yè)工況統(tǒng)計表

Y1井和Y2井冷凍作業(yè)10 h后Y1井套壓和Y2井油套壓開始上漲，此時分別對油管內和油套環(huán)空內冷凍橋塞反向試壓35 MPa驗證，橋塞暫堵成功(見圖3～圖4)。具備了帶壓更換井口的條件。

應用研究成果在Y1等3井次的冷凍暫堵作業(yè)施工，充分證實井口壓力變化曲線與冷凍暫堵橋塞形成的關系，避免了過度冷凍，減少了冷凍劑的使用量，縮短了冷凍作業(yè)周期，在Y1、Y2和Y3井現(xiàn)場應用來看，與X1等井對比，冷凍作業(yè)周期平均縮短約40%，冷凍劑使用量也減少約50%。Y1等3口井的順利實施，證明了冷凍暫堵作業(yè)過程中壓力變化規(guī)律研究的重要意義，具有推廣應用價值。

圖3 Y1井冷凍暫堵作業(yè)過程中井壓變化圖

圖4 Y2井冷凍暫堵作業(yè)過程中井壓變化圖

三、結論

(1)通過冷凍暫堵技術在長慶油田應用10余井次的成功應用實例，歸納出了冷凍暫堵作業(yè)井口壓力變化的規(guī)律：在冷凍暫堵作業(yè)過程中，油壓和套壓均表現(xiàn)出現(xiàn)先降低，中間保持一定時間后壓力回升的變化規(guī)律。

(2)提出冷凍暫堵作業(yè)時間隨套管直徑的增大而增加。

(3)形成了井口壓力變化曲線判斷暫堵橋塞形成的準則：井口壓力開始下降對應的折點表示橋塞的凝結核已形成并具備一定強度；井口壓力降至最小值對應的折點表示暫堵橋塞已形成并與管壁結合緊密，移動停止；水平段表示暫堵橋塞強度穩(wěn)定增加；井口壓力開始回升對應的折點表示橋塞的強度已能達到更換井口作業(yè)的條件。

(4)應用研究成果在Y1等3井次的冷凍暫堵作業(yè)施工，充分證實井口壓力變化曲線與冷凍暫堵橋塞形成的關系，避免了過度冷凍，減少了冷凍劑的使用量，縮短了冷凍作業(yè)周期。 Y1等3口井的順利實施，證明了冷凍暫堵作業(yè)過程中壓力變化規(guī)律研究的重要意義，具有推廣應用價值。

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

[2]李艷豐,盛勇,謝意湘,等.冷凍暫堵技術在灌31井的應用[J].鉆采工藝,2009,32(1):11-13.

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

[4]郭南舟,秦本良,王美潔,等.新疆油田冷凍暫堵技術的研究與應用[J].非常規(guī)油氣,2016,3(3):96-100.

[5]彭小強,劉先印,吳虎.新疆油田冷凍井口帶壓換閘技術的研究與應用[J].新疆石油科技,2014,24(2):36-41.