張超偉 李發(fā)全 但偉成 譚羲韋 黃 霞

（中國石化西南石油工程有限公司井下作業(yè)分公司，四川 德陽 618000）

0 引言

中國石化東勝氣田又名杭錦旗氣田，位于鄂爾多斯盆地北部，橫跨伊盟隆起、伊陜斜坡和天環(huán)向斜三個一級構(gòu)造單元，區(qū)塊總面積9 805 km2，控制儲量為5 321.09×108m3，主力儲層埋深2 700～3 300 m，屬于典型的低滲、低壓、低豐度的“三低”氣田[1-4]。冬季（1～3月、11～12月）氣溫低至-30℃，極端低溫下，井下作業(yè)風險增加、施工難度加大，主要難題包括：① 壓井液在井口和地面易凍結(jié)，壓井作業(yè)難度大；② 地面“低洼”和“死角”處殘留積液，結(jié)冰后堵塞通道，安全隱患極大；③ 采氣樹閘門、防噴器閘板、吊卡、液壓鉗、旋塞被冰渣粘連后開關(guān)困難，不利于應(yīng)急關(guān)井，井控風險極高；④ 抽汲等繩索作業(yè)，低溫下防噴盒失效，井口及天滑輪處結(jié)冰易掛卡鋼絲繩，易造成井下復(fù)雜；⑤ 壓裂施工時液罐結(jié)冰嚴重、高低壓積液空間易冰堵，且低溫下壓裂設(shè)備運轉(zhuǎn)困難，影響壓裂作業(yè)正常進行。

1 氣溫下限的分析

目前國內(nèi)使用的常規(guī)石油鉆采設(shè)備必須符合GB／T 19190-2013和API Spec 8C的要求，石油鉆采設(shè)備最低作業(yè)氣溫為-20℃[5-6]，低于-20℃，需用標志為SR2的特殊設(shè)備。東勝氣田冬季井下作業(yè)主要包括試氣（修井）井筒作業(yè)、抽汲作業(yè)、壓裂作業(yè)等三種工況，下面分別進行氣溫下限分析。

1.1 試氣（修井）井筒作業(yè)

常用石油鉆采設(shè)備的最低作業(yè)溫度如下[5-6]：XJ350修井機最低作業(yè)溫度-25℃，吊環(huán)及吊卡最低作業(yè)溫度-20℃，防噴器內(nèi)非金屬密封材料最低使用溫度-26℃。實踐表明，溫度高于-20℃，能夠正常作業(yè)，低于-20℃，超出設(shè)備的使用極限。

試氣（修井）井筒作業(yè)中，吊卡使用位置最高，無法持續(xù)保溫。開展現(xiàn)場實驗：將4具吊卡清洗后，分別靜止1.5 min、2.0 min、2.5 min、3.0 min，分4次置于氣溫-12℃、-16℃、-20℃、-24℃的環(huán)境中，吊卡在關(guān)閉狀態(tài)下，上鎖銷和下鎖銷粘附的自由水迅速結(jié)冰，再用拉力計進行打開。繪出動力-時間曲線變化趨勢，如圖1所示：① 氣溫在-12℃時，吊卡靜止2 min，開啟需16 N，可進行起下鉆作業(yè)；②氣溫在-16℃時，吊卡靜止2 min，開啟需26 N，起下鉆比較困難；③ 氣溫在-20℃時，吊卡靜止2 min，開啟需40 N，對吊卡損傷過大，不宜進行起下鉆作業(yè)；④ 氣溫在-24℃時，吊卡靜止2 min，開啟需80 N，無法進行起下鉆作業(yè)。

圖1 吊卡在低溫下靜止后開啟動力-時間曲線圖

井筒作業(yè)中，合上吊卡、卸扣、擺放油管、吊卡上行至二層臺，至少需要2 min，當氣溫低于-20℃，吊卡開關(guān)困難，考慮一定的安全系數(shù)，井筒作業(yè)推薦氣溫下限為-18℃。

1.2 抽汲作業(yè)

統(tǒng)計低溫下關(guān)閉液壓防噴盒的時間，當氣溫低于-22℃時，關(guān)閉液壓防噴盒的時間明顯增加，溫度進一步降低，關(guān)閉液壓防噴盒時間進一步延長，如圖2所示，此時防噴盒明顯滲漏，抽汲出井的液體外溢，導(dǎo)致環(huán)境污染。

圖2 不同氣溫下液壓防噴盒關(guān)閉時間圖

根據(jù)《抽汲車智能負荷行程顯示儀》使用說明書，傳感器和放大器的最低工作氣溫為-20℃，低于-20℃，智能負荷行程顯示儀容易失效，無法掌握井下情況，易誘發(fā)井下復(fù)雜。由于天滑輪、地滑輪、液壓防噴盒頂端無法保溫，結(jié)冰易掛卡鋼絲繩；鋼絲繩從井下到地面溫差過大引起鋼絲繩形變過大。綜上所述，抽汲作業(yè)推薦氣溫下限為-20℃。

1.3 壓裂作業(yè)

東勝氣田常用壓裂改造的方式作為增產(chǎn)措施[7]。壓裂車組以電啟動方式為主，蓄電池工作環(huán)境為-15～45℃，氣溫低于-15℃，啟動容易造成電瓶缺電。液壓油、潤滑油等各種油料，在氣溫低于-15℃以下時易稠化和結(jié)蠟，不能正常流動，影響壓裂設(shè)備的正常運行。壓裂作業(yè)時高壓管線和井口注入頭保溫困難，氣溫過低易結(jié)冰，導(dǎo)致施工泵壓異常升高甚至憋壓等。

根據(jù)SY／T5211-2009[8]，壓裂設(shè)備的設(shè)計工作最低環(huán)境溫度為-20℃，各項儀器儀表和傳感器的工作環(huán)境溫度為-15～-12℃。綜上所述，壓裂作業(yè)推薦氣溫下限為-12℃。

2 低溫條件下作業(yè)措施

為了保證地區(qū)天然氣供應(yīng)，降低冬季井下作業(yè)安全風險，在高于作業(yè)氣溫下限的情況下，制訂低溫條件下的作業(yè)措施。

2.1 壓井液設(shè)計

2.1.1 壓井液材料優(yōu)選

東勝氣田地壓系數(shù)為0.85～0.91，根據(jù)SY／T5587.3-2013，壓井液密度需附加0.07～0.15 g／cm3[9]，故壓井液密度控制在0.92～1.06 g／cm3，井下作業(yè)常使用無固相壓井液?？紤]壓井液體系與地層的配伍性，調(diào)研東勝氣田地層水型以氯化鈣為主，陽離子主要包括Ca2+、K+、Na+，陰離子主要包括Cl-、Br-，考慮與地層配伍性，用CaCl2、KCl、NaCl作為壓井介質(zhì)，其中CaCl2溶液密度偏高，NaCl溶液成本較高，優(yōu)選確定采用KCl溶液配制壓井液。

2.1.2 壓井液配方優(yōu)化

1882年法國物理學(xué)家F.-M.拉烏爾將29種有機物分別溶于水中，發(fā)現(xiàn)凝固點降低值正比于溶質(zhì)的克分子濃度，拉烏爾（F．Raoult）推進了這個問題的研究。從中發(fā)現(xiàn)了一條經(jīng)驗性定律——“拉烏爾定律”，該定律指出：在1升水中溶解1克分子有機化合物，其凝固點降低值幾乎為一常數(shù)，等于18.5℃。凝固點降低的拉烏爾定律的數(shù)學(xué)表達式為：

式中：ΔTf為溶液的凝固點降低值，K；Tf*為純?nèi)軇┑哪厅c，K；Tf為加入溶質(zhì)后的凝固點，K；Kf為溶劑凝固點降低常數(shù)，kg／mol，水的凝固點常數(shù)為1.86 K.kg／mol；nB為溶質(zhì)的物質(zhì)的量，mol；mA為溶劑的質(zhì)量，kg。

根據(jù)公式（1），溶質(zhì)的物質(zhì)的量越大，即濃度越高，溶液凝固點越低。1升KCl溶液中不同濃度下的氯根含量和凝固點關(guān)系變化情況見圖3。

圖3 氯化鉀溶液氯根含量和凝固點關(guān)系圖

東勝氣田地層水氯根含量為1.5×104～3.0×104mg／L，考慮與地層配伍性，優(yōu)選4%氯化鉀溶液作為壓井液，密度為1.005 g／cm3，氯根含量為1.928 2×104mg／L，凝固點為-1.04℃。

2.1.3 井口液面

氣溫低于0℃，壓井液在井口，防噴器、大四通、套管頭等處易結(jié)冰，故液面不能保持在井口。低溫下地表土為凍土狀態(tài)，通過多年觀測得出，地下水位（指距地表的深度）越低，凍深越小，地下水位越深，凍深越大，凍深的大小與地下水位呈正相關(guān)系，根據(jù)凍深、土質(zhì)、氣溫、地表溫度等確定凍土期間地下水位最小距離[10]，因此，按照最大凍深確定地下水位，低于此地下水位，水為液態(tài)，井內(nèi)液面在此高度即可。

地下水位對土層凍脹的影響主要取決于土的毛細管上升高度，當凍前地下水位達到某一臨界深度后，地表不產(chǎn)生凍脹。一般來說，能使土體濕潤，但又不發(fā)生凍脹的情況下，各類型土質(zhì)在凍結(jié)期間地下水位低于凍深的最小距離見表1。

表1 各類型土質(zhì)凍結(jié)期間地下水位低于凍深的最小距離表

查閱《鄂爾多斯地區(qū)環(huán)評資料》和《鄂爾多斯環(huán)境條件》可知，鄂爾多斯地區(qū)最大凍土深度1.57 m。鄂爾多斯地區(qū)土壤質(zhì)地以細砂和粉砂為主，含部分黏土，最小凍深距離取2 m，計算地下水位臨界深度為3.57 m。東勝氣田施工區(qū)域，調(diào)研地面工程建設(shè)部冬季管線埋地的情況，地下3 m以下可見地下水。

綜上所述，冬季井筒作業(yè)井口液面控制在地面以下4 m即可，避免井口結(jié)冰，對于垂深為3 000 m的井、壓井液密度為1.005 g／cm3，折算壓井液當量密度為1.0037 g／cm3，處于壓井液密度0.92～1.06 g／cm3的安全范圍內(nèi)。

2.2 地面流程設(shè)計

地面流程具備正反循環(huán)、壓井、解堵、放噴、測試等功能[12-13]。設(shè)計如下：① 積液預(yù)防：從井口→管匯臺→水套爐→分離器→放噴口，流程安裝按照逐步降低的原則，連接管線與地面有一定的傾角，避免積水“滯留”在流程中；“死角”和“低洼”處設(shè)置三通，并在三通下面挖40 cm×40 cm×20 cm的凹坑，流程不使用時立即拆卸堵頭，排出積液至凹坑。② 水套爐保溫：測試管匯臺后安裝水套爐，對井內(nèi)排出的天然氣進行加熱，水套爐與分離器之間設(shè)置“小管匯”節(jié)流降壓，東勝氣田常用水套爐型號為HJ250-Q／60-Q，熱負荷為250 kW，最大工作壓力為60 MPa。③ 井口至水套爐之間管線保溫：用電熱帶纏繞，由電熱材料和絕緣材料等組成，電熱材料為鎳鉻合金帶，絕緣材料為多層無堿玻璃纖維，纏繞圈數(shù)大于等于5圈／m；在加熱帶表面包裹一層厚度為10 mm的毛氈或保溫棉。東勝氣田冬季地面流程示意圖見圖4。

圖4 東勝氣田冬季地面流程示意圖

2.3 作業(yè)過程控制

2.3.1 蒸汽保溫

對液壓鉗、吊卡、旋塞、采氣樹、防噴器、抽汲防噴盒等進行實時保溫，融化粘附在設(shè)備表面和內(nèi)腔的殘冰。井下作業(yè)現(xiàn)場使用全自動電熱蒸汽發(fā)生器，產(chǎn)生蒸汽后連接至加熱管，加熱管末端排出蒸汽，使用插管插入需要保溫的部位，對各個可能結(jié)冰的部位進行加熱，使液體的溫度大于10℃，以便上述設(shè)備正常運行。

根據(jù)GB50235-2010工業(yè)金屬管道工程施工規(guī)范，蒸汽管道應(yīng)以大流量蒸汽進行吹掃，流速應(yīng)大于等于30 m／s[6]，東勝氣田地面流程管線內(nèi)徑為62 mm，計算移動蒸汽發(fā)生器的最低排量為：

根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程：

式中，P為一個標準大氣壓，1.013 25×102kPa；V為324×103L水蒸氣；R為理想氣體常數(shù)8.314 41；T取100℃，即373.15 K。計算得到n等于0581 mol，即190.47 kg，移動蒸汽發(fā)生器的產(chǎn)汽量大于等于190.47 kg／h。

對于壓裂作業(yè)現(xiàn)場，壓裂施工液量大，設(shè)備較多，通常使用燃煤鍋爐的型號為WNS2-1.25-Y／Q，額定蒸發(fā)量為2 000 kg／h，額定工作壓力為1.25 MPa，額定蒸汽溫度為193℃，同時對壓裂液罐、采氣樹、低壓管線等10個易凍堵部位進行保溫，保溫后壓裂液溫度大于10℃，保證了壓裂液能夠順利泵入儲層。

2.3.2 積液吹掃

由于工作液溫度低等因素，隨著時間的增加，地面管線內(nèi)壁特別是截流部分會出現(xiàn)結(jié)冰甚至是冰堵現(xiàn)象，及時排出管線內(nèi)的積液是防凍的重要措施，積液空間液體靜置時間不應(yīng)超過10 min，特別在施工中途停待期間，必須泄壓后吹掃排盡殘液。使用壓縮空氣吹掃要達到一定的流速，根據(jù)GB 50235-2010，在直管道吹掃最低空氣流速大于等于20 m／s[14]，東勝氣田地面流程管線內(nèi)徑為62 mm，計算積液吹掃時最低排量為：

東勝氣田常用Z-4.0／10型空氣壓縮機，最大輸出排量為4 m3／min，額定工作壓力1 MPa，通過進、排氣閥的開閉將常壓的空氣壓縮成具有額定工作壓力的空氣，由單向閥進入儲氣罐。能夠吹掃出管內(nèi)的積液，壓力源盡可能選取管線的較高位置，使用前打開地面流程的三通，進行自上而下地吹掃，將積液吹掃至凹坑。

3 現(xiàn)場應(yīng)用與分析

JPH-X井是東勝氣田一口開發(fā)水平井，完鉆井深為4387m，作業(yè)期間氣溫為-20～-5℃，對該井實施了試氣井筒作業(yè)、抽汲作業(yè)、壓裂作業(yè)[15]。

使用4%氯化鉀溶液作為壓井液，井筒作業(yè)時控制井口液面高度在4 m以下。按照圖3進行地面流程的安裝。井筒作業(yè)和抽汲作業(yè)使用型號為HX-3 80 KW 380 V的蒸汽發(fā)生器對井口和壓井液等保溫，加砂壓裂作業(yè)期間使用型號為WNS2-1.25-Y／Q的燃煤鍋爐進行保溫；現(xiàn)場配置型號為Z-4.0／10型空氣壓縮機，測試流程不使用時，吹掃出管線內(nèi)殘液。

該井井筒作業(yè)經(jīng)歷起下壓裂管柱、拆換井口、壓井、下完井管柱、求產(chǎn)等工序，最低氣溫為-18℃。抽汲排液為198 m3，最低氣溫為-20℃。加砂壓裂作業(yè)，入地液量為4 537.8 m3，入地砂量為514.7 m3，入地液氮量為333.9 m3，最低氣溫為-10℃。

在嚴寒的氣溫下，該井在井口油壓為12 MPa，套壓為15.8 MPa，平均上流壓力為1.028 MPa，平均氣流溫度為3℃，地層A點流壓為19.513 MPa／3 187.0 m（垂深：2 990.81 m），地層A點流溫為91.62℃／3 187.0 m（垂深：2 990.81 m）的條件下，天然氣產(chǎn)量為4.564 7×104m3／d，天然氣無阻流量為9.262 7×104m3／d。

4 結(jié)論與建議

1）通過分析類比，試氣（修井）井筒作業(yè)推薦氣溫下限為-18℃，抽汲作業(yè)推薦氣溫下限為-20℃，壓裂作業(yè)推薦氣溫下限為-12℃。

2）考慮與地層配伍性和降低凝固點的需要，優(yōu)選4%氯化鉀溶液作為壓井液；為預(yù)防井口結(jié)冰，冬季作業(yè)時，井口液面需控制在4 m以下。

3）流程設(shè)計應(yīng)在保證試氣（修井）、壓裂等各項作業(yè)的基礎(chǔ)上，以排凈積液的原則進行設(shè)計，同時兼顧保溫、壓井、放噴等功能。

4）試氣（修井）井筒作業(yè)、抽汲作業(yè)配置移動蒸汽發(fā)生器保溫，壓裂作業(yè)配置大功率燃煤鍋爐保溫，三種工況均應(yīng)配置空氣壓縮機及時吹掃管線內(nèi)殘液。

5）根據(jù)東勝氣田的特點通過冬季井下作業(yè)技術(shù)的探討，發(fā)現(xiàn)在高于作業(yè)氣溫下限的情況下，東勝氣田冬季井下作業(yè)是可行的。