何弦桀 黃崇君 鄧虎

中國石油集團川慶鉆探工程有限公司鉆采工程技術研究院

隨著油氣田生產(chǎn)進入中后期，大批油氣井井口閘閥出現(xiàn)了密封件老化、閥桿嚴重銹蝕、閘板承壓能力不足等問題，導致油氣泄漏的發(fā)生［1-2]。井口裝置泄漏會造成環(huán)境污染及井場周邊人員傷亡，若泄漏得不到及時治理，可能演變?yōu)榫谑Э?，引發(fā)造成巨大損失的災難性事故。

井口隱患的傳統(tǒng)治理方式是壓井后更換泄漏閘閥，但壓井施工周期長，投資成本高，壓井液回收過程的環(huán)保問題突出，且對儲層造成不可逆的傷害［3]。后來雖研究出可不壓井的液壓式堵塞器換閥技術[4-5]，但在應用過程中卻存在著較大局限：如長慶油田大多氣井井口裝置型號為KQ65-70(內(nèi)徑65 mm)，但井內(nèi)油管規(guī)格為?88.90 mm(內(nèi)徑76 mm)，此類氣井無法下入機械堵塞器更換1#閘閥。此外，老井資料往往遺失嚴重、油管頭旁通道的背壓閥型號不明，導致難以送入對應規(guī)格的機械堵塞器更換2#、3#閘閥；且機械堵塞器坐封后無法進行反向試壓以驗證膠筒密封效果，后續(xù)換閥作業(yè)井控風險高［6]。

冷凍暫堵技術不受管柱尺寸、油管頭背壓閥結構等客觀條件的影響，可同時封堵油套環(huán)空和油管內(nèi)通道，實現(xiàn)1#、2#、3#泄漏主控閘閥的一次性更換。該技術工藝流程簡單，在快速消除井口隱患，降低施工成本，保護油氣層，延長生產(chǎn)周期等方面都具有突出的技術優(yōu)勢，近年來已逐步成為國內(nèi)井口隱患治理作業(yè)的主流技術手段。但在施工過程中，暫堵劑配方、暫堵劑注入量、冷凍溫度、冷凍時間等關鍵技術參數(shù)均由工程師的現(xiàn)場經(jīng)驗決定，人為影響因素較大；面對不同的工況，技術參數(shù)設計值基本一致，難以有效確保作業(yè)安全。此外，由于未能給出準確的參數(shù)取值，現(xiàn)場施工存在著一定的“盲目性”，人員勞動強度極大、施工成本較高。結合室內(nèi)實驗及現(xiàn)場施工經(jīng)驗，研究了確保冷凍暫堵作業(yè)順利實施的關鍵技術，并在實踐中取得了良好的應用效果，對于冷凍暫堵施工具有一定的指導意義。

1 冷凍暫堵技術

冷凍暫堵技術是一種在井口帶壓狀態(tài)下，向各層套管環(huán)空和油管內(nèi)逐層注入特殊暫堵劑，在表層套管外圍采用冷凍介質使井口不斷降溫，經(jīng)過一定時間的冷凍使得注入的暫堵劑凝結為橋塞封隔井內(nèi)壓力，從而實現(xiàn)帶壓更換泄漏井口裝置的技術。冷凍暫堵作業(yè)示意圖如圖1 所示。

圖 1 冷凍暫堵作業(yè)示意圖Fig. 1 Frozen temporary plugging operation

冷凍暫堵作業(yè)主要技術優(yōu)勢：可對形成的冷凍暫堵橋塞進行反向試壓以驗證密封效果，后續(xù)更換井口裝置作業(yè)安全可控；持續(xù)冷凍下冷凍暫堵橋塞可長久保持封堵效果；可同時封堵各層套管環(huán)空及油管內(nèi)通道，實現(xiàn)冷凍暫堵橋塞上部泄漏井口裝置的整體帶壓更換，換閥作業(yè)耗時短、井控風險低；作業(yè)完成后，井溫回升可使冷凍暫堵橋塞自然解堵，解堵后暫堵劑經(jīng)放噴管線排出，對儲層無傷害［7-9]。

2 關鍵技術

結合現(xiàn)場施工經(jīng)驗，確保冷凍暫堵作業(yè)順利實施的關鍵點主要有：注入足夠黏性的暫堵劑，注入足夠量的暫堵劑，有足夠低的溫度可使暫堵劑凝結為橋塞，有充足的冷凍時間確保形成的冷凍暫堵橋塞強度可靠。

2.1 暫堵劑配方優(yōu)選

若暫堵劑的黏性不足，其在注入過程中容易直接掉落至井底，難以黏附于管壁形成致密的暫堵劑段；若暫堵劑的黏性過大，則注入阻力過大甚至難以泵送。暫堵劑由黏土、水和增黏劑配制而成，其中，黏土為配制暫堵劑的最主要成分［10]。黏土類型主要分為鈉基黏土(層間陽離子為一價陽離子)和鈣基黏土(層間陽離子為二價陽離子) 2 種［11-12]。一價陽離子較二價陽離子的電荷密度更小，顆粒之間的靜電引力較弱，使得黏土顆粒的聯(lián)結能力不強。因此，鈉基黏土的吸水率更高、可膨脹程度更大，適合作為配制暫堵劑的主要成分。

按照水、鈉基黏土(石家莊竹中科技有限公司生產(chǎn))、增黏劑(JTN-I，常州佳通化學有限公司生產(chǎn))的不同比例配制暫堵劑，在透明管內(nèi)開展暫堵劑注入試驗測試其黏性，實驗結果如圖2 和表1 所示。測試結果表明，按照不同的體積比所配制的暫堵劑呈現(xiàn)出近流體狀、近膠狀物和膠狀物3 種形態(tài)。其中，近流體狀的暫堵劑不能黏附于管壁，近膠狀物的暫堵劑不易黏附于管壁，而呈膠狀物的暫堵劑易黏附于管壁、能夠在透明管內(nèi)形成致密的暫堵劑段。當水、鈉基黏土和增黏劑的體積比為2∶1∶1時，配制的暫堵劑在管壁的黏附率達到90%，滿足冷凍暫堵作業(yè)要求。

圖 2 暫堵劑性能試驗Fig. 2 Performance test of temporary plugging agent

表 1 暫堵劑性能試驗(25 ℃)Table 1 Performance test of temporary plugging agent (25 ℃)

2.2 暫堵劑注入量計算

為了保證形成的冷凍暫堵橋塞強度可靠，需根據(jù)井內(nèi)管柱尺寸準確計算暫堵劑注入量。以表層套管+生產(chǎn)套管+油管的管柱結構為例進行研究。

注入管線內(nèi)損耗的暫堵劑體積為

向表層套管與生產(chǎn)套管之間環(huán)空注入的暫堵劑體積為

向油套環(huán)空注入的暫堵劑體積為

向油管內(nèi)注入的暫堵劑體積為

單井所需暫堵劑的總體積為

式中，V1為暫堵劑注入管線內(nèi)損耗的暫堵劑體積，m3；r1為暫堵劑注入管線的內(nèi)半徑，m；L 為暫堵劑注入管線的長度，m；V2為向表層套管環(huán)空內(nèi)注入的暫堵劑體積，m3；h 為冷凍盒底部到油管頭的高度，m；r2為表層套管的內(nèi)半徑，m；r3為生產(chǎn)套管的外半徑，m；V3為向油套環(huán)空內(nèi)注入的暫堵劑體積，m3；r4為生產(chǎn)套管的內(nèi)半徑，m；r5為油管的外半徑，m；V4為向油管內(nèi)注入的暫堵劑體積，m3；r6為油管的內(nèi)半徑，m；V5為采氣樹內(nèi)容積，m3；μ 為修正系數(shù)；Vt為單井所需的暫堵劑總體積，m3。

老井井內(nèi)管柱壁面往往存在較多雜質，為了確保形成致密而強度可靠的暫堵劑橋塞段，在理論注入量的基礎上還應多注入一定量的暫堵劑用于清洗管壁。根據(jù)現(xiàn)場施工經(jīng)驗，實際注入量宜取理論計算值的1.2～1.4 倍。

2.3 冷凍溫度分析

在注入暫堵劑之后，需要向冷凍盒內(nèi)添加冷凍介質使注入的暫堵劑凝結為橋塞封隔井內(nèi)壓力。但是，由于不清楚暫堵劑在什么溫度下可以凝結為橋塞，在現(xiàn)場施工中，均是不間斷地向冷凍盒內(nèi)添加冷凍介質對井口持續(xù)降溫，冷凍介質消耗量極大，導致施工成本較高。因此，有必要研究暫堵劑凝結為橋塞的臨界溫度。

在低溫下，不同材料會與管柱壁面發(fā)生不同程度的黏結，材料凝結后與管壁的黏結強度可用凍黏系數(shù)來表示［13]。暫堵劑凍黏系數(shù)的大小與暫堵劑在井內(nèi)的受力狀態(tài)以及暫堵劑凝結界面的面積有關。暫堵劑在井內(nèi)主要受到井壓產(chǎn)生的上頂力的作用，因而暫堵劑與管壁的黏結強度(即冷凍暫堵橋塞的強度)表現(xiàn)為一個沿切線方向的應力，則暫堵劑的凍黏系數(shù)可表示為

式中，c 為暫堵劑的凍黏系數(shù)，kg/m2；Fτ為暫堵劑與管壁的黏結強度，kg；S 為暫堵劑凝結界面的面積，m2。

凍黏現(xiàn)象是材料在低溫環(huán)境下存在的一種特殊黏結現(xiàn)象，因而冷凍溫度的變化直接影響著材料凍黏系數(shù)的大小，進而決定了材料發(fā)生凍黏后的黏結強度。通過室內(nèi)實驗研究了暫堵劑凍黏系數(shù)隨冷凍溫度的變化規(guī)律，實驗結果如圖3 所示。隨著冷凍溫度的降低，暫堵劑的凍黏系數(shù)不斷增大；但當溫度降低至-20 ℃以后，暫堵劑的凍黏系數(shù)趨于一恒定值，幾乎不再增大，即暫堵劑約在-20 ℃時形成能夠封隔井內(nèi)壓力的冷凍暫堵橋塞，而后持續(xù)的降溫對于加強橋塞強度的意義并不大。因此，冷凍溫度降至-20 ℃以下即可滿足冷凍暫堵作業(yè)需求。

圖 3 冷凍溫度對暫堵劑凍黏系數(shù)的影響Fig. 3 Effect of freezing temperature on the freezing adhesive coefficient of temporary plugging agent

2.4 冷凍時間確定

究竟需要多長的冷凍時間，低溫可使油套環(huán)空和油管內(nèi)的冷凍暫堵橋塞達到封隔井內(nèi)壓力的強度，目前還沒有準確定論。實際施工中，為了確保冷凍暫堵橋塞反向試壓一次性成功(即確保形成可靠強度的冷凍暫堵橋塞)，往往持續(xù)實施冷凍作業(yè)20 h以上，人員不得不值夜班、勞動強度極大。

采用統(tǒng)計學分析方法，詳細研究了50 余口冷凍暫堵施工井的井口壓力、暫堵劑用量、冷凍介質用量、管柱尺寸等參數(shù)與冷凍時間的關系，發(fā)現(xiàn)井口壓力(油壓和套壓)的變化與冷凍暫堵橋塞的形成時間密切相關［14]。A 井冷凍暫堵作業(yè)井口壓力變化趨勢圖如圖4 所示，在冷凍暫堵作業(yè)過程中，井口油壓和套壓均呈現(xiàn)出先降低后升高的趨勢。

圖 4 A 井冷凍暫堵作業(yè)井口壓力變化趨勢Fig. 4 Wellhead pressure change trend of Well A during frozen temporary plugging operation

分析認為，井口壓力降低是因為暫堵劑受低溫的影響其體積會不斷膨脹，冷凍盒所包圍的暫堵劑段首先凝固。由于凝固段上端充滿暫堵劑，無膨脹空間，因而暫堵劑不斷向井下膨脹，暫堵劑的移動使得凝固段上部出現(xiàn)空間并不斷增大，導致井口壓力不斷減小。隨著冷凍時間的增加，凝固段能夠承受的壓差越來越大直至形成冷凍暫堵橋塞(此時井口壓力降至最小值)。冷凍溫度的持續(xù)降低，使得冷凍暫堵橋塞的強度逐漸接近最大值，暫堵劑向井下膨脹的速度逐漸變緩，最后靜止(井壓變化曲線水平段)。井口壓力回升是因為冷凍暫堵橋塞的強度達到最大值后，低溫主要作用于橋塞上部的暫堵劑，導致暫堵劑緩慢向上膨脹使得上部空間不斷減小、形成圈閉壓力，因而井口壓力逐漸上升。

基于此，得出了一個確定冷凍時間的經(jīng)驗判別方法：井口油壓(套壓)降至最低值所對應的時間點為油管內(nèi)(油套環(huán)空內(nèi))冷凍暫堵橋塞形成的臨界點，井口油壓(套壓)開始上升時所對應的時間點為油管內(nèi)(油套環(huán)空內(nèi))冷凍暫堵橋塞強度滿足帶壓換閥施工要求的臨界點。即在施工過程中，若觀察到井口壓力降低到某一值后突然出現(xiàn)上升的趨勢，就可暫停冷凍作業(yè)、對冷凍暫堵橋塞進行反向試壓驗證封堵效果。

3 應用情況

近年來，應用研究成果成功指導冷凍暫堵作業(yè)50 余井次，節(jié)約壓井液費用4 300 余萬元，節(jié)約生產(chǎn)周期內(nèi)的(約7 d)產(chǎn)氣效益1 300 余萬元，實現(xiàn)總經(jīng)濟效益5 600 余萬元。成功更換了一大批存在突出井控風險的井口裝置，消除了安全隱患，確保了這類井周邊人民群眾的生命和財產(chǎn)安全，作業(yè)過程基本實現(xiàn)了“零排放”，有效避免了傳統(tǒng)壓井作業(yè)存在的環(huán)境污染，保護了油氣層。部分井應用效果如表2 所示，在相似工況下，關鍵技術應用后單井可縮短冷凍作業(yè)時間約50%，節(jié)約冷凍介質約40%，人員勞動強度與施工成本大大降低，作業(yè)效率明顯提高。

表 2 關鍵技術現(xiàn)場應用效果統(tǒng)計Table 2 Statistical field application effects of key technologies

4 結論

(1)冷凍暫堵技術在儲層保護、清潔生產(chǎn)等方面具有突出的技術優(yōu)勢，彌補了液壓式堵塞器換閥技術的不足，為井口隱患帶壓治理提供了新的技術途徑以及安全可靠的技術保障。

(2)水、黏土和增黏劑按照2∶1∶1 的體積比配制的暫堵劑呈膠狀物、易黏附于管壁，滿足冷凍暫堵作業(yè)需要；根據(jù)管柱尺寸計算暫堵劑的注入量是確保形成可靠強度冷凍暫堵橋塞的關鍵，需附加1.2～1.4的修正系數(shù)；-20 ℃為暫堵劑凝結為足夠強度橋塞的臨界溫度；井口壓力降至最小值對應的時間點為冷凍暫堵橋塞形成的臨界點，井口壓力開始上升時對應的時間點為冷凍暫堵橋塞強度達到帶壓換閥施工要求的臨界點。

(3)冷凍暫堵作業(yè)關鍵技術在現(xiàn)場應用效果良好，對于優(yōu)化冷凍暫堵施工設計、提高作業(yè)效率具有重要意義。