郭永強 ，王 維 ，任越飛

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

冷凍暫堵更換采氣樹主控閥門技術

郭永強1，2，王 維2，任越飛2

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

冷凍暫堵裝備和技術是針對高壓氣井修井開發(fā)的一項新技術。該技術通過注入裝置將暫堵劑注入環(huán)空和油管內部，冷凍后形成暫堵橋塞，封隔井內高壓氣體，達到帶壓更換采氣樹主控閥門的目的。該技術具有安全系數(shù)高、對環(huán)境無污染等優(yōu)點。目前采用該技術在鄂爾多斯盆地已成功更換20多口油氣井主控閥門，消除了井口隱患，為帶壓更換主控閥門提拱了新途徑。冷凍暫堵更換采氣樹主控閥門技術對蘇里格氣田現(xiàn)階段氣井閥門維修及保養(yǎng)有著重要的指導及借鑒意義。

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，井口裝置會因磨損、腐蝕、老化等原因存在很多安全隱患問題[1]。如不及時治理，會影響氣井的安全生產(chǎn)，嚴重破壞周邊環(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，作業(yè)時間長、費用高，產(chǎn)量恢復困難。因此，帶壓更換閥門的技術對井口更換主控閥門有著極為重要的作用。

目前較常規(guī)的帶壓換閘門技術是不丟手更換井口堵技術[2，3]，但對于高含硫的氣井，如果采用堵塞器進行暫堵作業(yè)，固定堵塞器困難，作業(yè)風險大，安全系數(shù)低。在國外，冷凍井口帶壓換閘技術已成功應用1 000井次，成功率達100%，且冷凍井口帶壓換閥技術已形成確定施工參數(shù)的經(jīng)驗公式。在國內，冷凍井口帶壓換閥技術已經(jīng)在四川油田、新疆油田和長慶油田成功應用。但是冷凍井口帶壓換閥技術的工藝流程及安全防護工作需要加強。國內外現(xiàn)場情況不同，需進行相關配套技術的研制[4]。

1 冷凍暫堵技術原理

1.1 技術原理

冷凍暫堵裝備和技術是針對高壓氣井修井開發(fā)的一項新技術，主要用于高壓氣井修井中暫時封堵環(huán)空和油管。冷凍暫堵技術是通過冷凍裝置的注入系統(tǒng)將暫堵劑注入環(huán)空和油管內，在套管周圍實施降溫，采用冷凍介質將套管周圍的溫度保持在-70℃左右，由外層套管逐漸向油管內冷凍，直至暫堵劑與套管、油管緊密結合，形成冰凍橋塞，繼而密封環(huán)空和油管，封隔井內壓力，達到安全更換采氣井口或部分閘閥的目的。采用冷凍技術不僅可進行井口冷凍（豎直），還可以冷凍水平或傾斜管線。

1.2 技術特點

（1）同時封堵：該技術可在環(huán)境溫度-35℃～50℃下，同時暫堵多層套管環(huán)空和油管內部。

（2）冷凍效果好：暫堵成功后，確保溫度在要求范圍內，冷凍效果一直保持。

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

（4）暫堵橋塞長度通常在1 m以上，壓力越高的井，長度設計更高，空間尺寸越大，冷凍的時間越長。

（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。

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

1.3 主要設備

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

表1 主要設備技術參數(shù)

圖1 冷凍暫堵技術工藝流程示意圖

圖2 冷凍暫堵主要設備

2 室內實驗情況

針對現(xiàn)場實際情況開展了模擬井口冷凍暫堵帶壓更換主控閥門實驗，對施工過程中所涉及到的相關技術參數(shù)進行驗證。

2.1 冷凍時間和暫堵劑高度

理論冷凍時間為在干冰冷凍作用下，油套結構由室溫25℃降至-71℃所需的時間。根據(jù)室內測試結果，并結合實際作業(yè)中記錄的冷凍時間，可得經(jīng)驗公式：T=管徑的尺寸（英寸）×1.5小時/英寸＋1.5小時～2小時；根據(jù)設備廠家提供經(jīng)驗值及實驗測試情況，冷凍高度推薦值為550 mm～800 mm。

2.2 暫堵劑注入后運移方式

從室內實驗可以看出，暫堵劑注入管柱內部后先向管柱上方運移，當上部填滿后再向下方運移，最終在管柱內形成致密的暫堵劑段（見圖3）。

圖3 暫堵劑運移方式

2.3 暫堵劑理論注入量

在進行冷凍井口時，需要分別向表套環(huán)空、技套環(huán)空、油套環(huán)空及油管內部注入暫堵劑。注入量為注入口至冷凍盒底部管柱內容積，計算時需附加采氣樹閥門通道體積。同時還需要考慮2個因素：

（1）油套及油管內壁不干凈，暫堵劑不能全部附在油套內壁上。

（2）在注入管匯空間上，有一定的暫堵劑。暫堵劑實際用量比計算暫堵劑用量大。結合國內外大量成功案例可得到暫堵劑注入量經(jīng)驗值：①27/8″油管內徑暫堵劑注入量：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證

選用 95/8″表層套管、7″技術套管、27/8″油管的管柱結構進行實驗，冷凍高度570 mm，對油套環(huán)空及油管內形成的暫堵橋塞反向試壓50 MPa，觀察30 min無壓降（見圖4）。

圖4 冷凍橋塞承壓能力實驗

2.5 冷凍前后鋼材性能影響

根據(jù)檢驗報告顯示：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規(guī)定值。可以得出結論：冷凍暫堵后不會對鋼材的機械性能造成影響（見表2）。

表2 管材性能檢驗結果（上海寶鋼研究院（技術中心））

3 現(xiàn)場應用

2015-2016年，利用冷凍暫堵帶壓換閥技術，在長慶油田成功更換12口氣井，20個閥門，消除了井口安全隱患（見表3）。

表3 冷凍暫堵帶壓更換氣井閥門統(tǒng)計表

3.1 標準套管頭氣井施工S-5-47H2井

S-5-47H2井是S區(qū)塊產(chǎn)建井，完井后1#閥門內漏，油/套壓18.15 MPa/18.26 MPa。該井配備標準套管頭，施工時間為2016年10月20日-21日。利用冷凍暫堵技術依次封堵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″油管內通道，形成冷凍橋塞，泄掉圈閉壓力后更換采氣樹1號主控閥門，其施工步驟為：

（1）井口開挖（長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和冷凍劑。

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

（5）從7號閥門向31/2″油管內注入暫堵劑40 L；不間斷向冷凍盒中加入冷凍介質和冷凍劑，冷凍23 h。

（6）對油管內冷凍橋塞反向試壓，壓力33 MPa觀察15min無壓降；泄壓后觀察15min，壓力始終為0MPa。

（7）拆除1號閥與大四通連接螺栓，將1號閥及以上部分吊移。

（8）拆除舊鋼圈，清理鋼圈槽，安裝新鋼圈、安裝新1號閥。

（9）安裝1號閥以上部分，并對新閥試壓33 MPa，觀察30 min無壓降。

（10）拆除冷凍盒及作業(yè)設備。

3.2 無標準套管頭氣井施工X436井

X436 井油/套壓為：22.05 MPa/22.06 MPa，該井 1#主控閥門內漏，由于該井無標準套管頭，需利用帶壓鉆孔技術在表層套管上鉆開Φ25 mm的孔后進行冷凍暫堵施工作業(yè)。

帶壓鉆孔技術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施帶壓開孔，為后期作業(yè)的開展提供有利條件（見圖5，表4）。

圖5 帶壓鉆孔作業(yè)施工示意圖

表4 液控帶壓鉆孔機技術參數(shù)

X436井帶壓鉆孔施工作業(yè)步驟為：

（1）井口開挖。套管周圍挖一個直徑1.5 m（一側拓寬至5 m用于安置鉆孔機）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與泄壓流程。

（4）對帶壓鉆孔裝置試壓10 MPa，穩(wěn)壓15 min無壓降。

（5）打開鉆孔主控平板閥，帶壓在103/4″套管上鉆開Φ25 mm的孔。

（6）拆除帶壓鉆孔裝置，轉入冷凍暫堵作業(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部依次冷凍，暫堵成功后更換1#主控閥門（見表5）。

表5 更換井口主控閥門技術對比表

4 結論

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

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

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

（3）暫堵劑與管壁完全緊密結合，無氣體排放，對環(huán)境無污染，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與應用［J］.鉆采工藝，2014，37（3）：1-4.

［2］彭小強，等.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.

［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］李艷豐，等.冷凍暫堵技術在灌31井的應用［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