井口隱患治理關(guān)鍵技術(shù)研究與應(yīng)用

何弦桀 黃崇君 鄧虎

中國石油集團(tuán)川慶鉆探工程有限公司鉆采工程技術(shù)研究院

隨著油氣田生產(chǎn)進(jìn)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(yán)重銹蝕、閘板承壓能力不足等問題，導(dǎo)致油氣泄漏的發(fā)生［1-2]。井口裝置泄漏會(huì)造成環(huán)境污染及井場(chǎng)周邊人員傷亡，若泄漏得不到及時(shí)治理，可能演變?yōu)榫谑Э兀l(fā)造成巨大損失的災(zāi)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(duì)儲(chǔ)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(shù)[4-5]，但在應(yīng)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(hào)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(jī)械堵塞器更換1#閘閥。此外，老井資料往往遺失嚴(yán)重、油管頭旁通道的背壓閥型號(hào)不明，導(dǎo)致難以送入對(duì)應(yīng)規(guī)格的機(jī)械堵塞器更換2#、3#閘閥；且機(jī)械堵塞器坐封后無法進(jìn)行反向試壓以驗(yàn)證膠筒密封效果，后續(xù)換閥作業(yè)井控風(fēng)險(xiǎn)高［6]。

冷凍暫堵技術(shù)不受管柱尺寸、油管頭背壓閥結(jié)構(gòu)等客觀條件的影響，可同時(shí)封堵油套環(huán)空和油管內(nèi)通道，實(shí)現(xiàn)1#、2#、3#泄漏主控閘閥的一次性更換。該技術(shù)工藝流程簡(jiǎn)單，在快速消除井口隱患，降低施工成本，保護(hù)油氣層，延長生產(chǎn)周期等方面都具有突出的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，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(shù)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(shí)間等關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)均由工程師的現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)決定，人為影響因素較大；面對(duì)不同的工況，技術(shù)參數(shù)設(shè)計(jì)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(zhǔn)確的參數(shù)取值，現(xiàn)場(chǎng)施工存在著一定的“盲目性”，人員勞動(dòng)強(qiáng)度極大、施工成本較高。結(jié)合室內(nèi)實(shí)驗(yàn)及現(xiàn)場(chǎng)施工經(jīng)驗(yàn)，研究了確保冷凍暫堵作業(yè)順利實(shí)施的關(guān)鍵技術(shù)，并在實(shí)踐中取得了良好的應(yīng)用效果，對(duì)于冷凍暫堵施工具有一定的指導(dǎo)意義。

1 冷凍暫堵技術(shù)

冷凍暫堵技術(shù)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(zhì)使井口不斷降溫，經(jīng)過一定時(shí)間的冷凍使得注入的暫堵劑凝結(jié)為橋塞封隔井內(nèi)壓力，從而實(shí)現(xiàn)帶壓更換泄漏井口裝置的技術(shù)。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(shù)優(yōu)勢(shì)：可對(duì)形成的冷凍暫堵橋塞進(jìn)行反向試壓以驗(yàn)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(shí)封堵各層套管環(huán)空及油管內(nèi)通道，實(shí)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(shí)短、井控風(fēng)險(xiǎn)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(duì)儲(chǔ)層無傷害［7-9]。

2 關(guān)鍵技術(shù)

結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)施工經(jīng)驗(yàn)，確保冷凍暫堵作業(yè)順利實(shí)施的關(guān)鍵點(diǎn)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(jié)為橋塞，有充足的冷凍時(shí)間確保形成的冷凍暫堵橋塞強(qiáng)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(jià)陽離子)和鈣基黏土(層間陽離子為二價(jià)陽離子) 2 種［11-12]。一價(jià)陽離子較二價(jià)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(jié)能力不強(qiáng)。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(xué)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(yàn)測(cè)試其黏性，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖2 和表1 所示。測(cè)試結(jié)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(dāng)水、鈉基黏土和增黏劑的體積比為2∶1∶1時(shí)，配制的暫堵劑在管壁的黏附率達(dá)到90%，滿足冷凍暫堵作業(yè)要求。

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

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

2.2 暫堵劑注入量計(jì)算

為了保證形成的冷凍暫堵橋塞強(qiáng)度可靠，需根據(jù)井內(nèi)管柱尺寸準(zhǔn)確計(jì)算暫堵劑注入量。以表層套管+生產(chǎn)套管+油管的管柱結(jié)構(gòu)為例進(jìn)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(zhì)，為了確保形成致密而強(qiáng)度可靠的暫堵劑橋塞段，在理論注入量的基礎(chǔ)上還應(yīng)多注入一定量的暫堵劑用于清洗管壁。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)施工經(jīng)驗(yàn)，實(shí)際注入量宜取理論計(jì)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(zhì)使注入的暫堵劑凝結(jié)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(jié)為橋塞，在現(xiàn)場(chǎng)施工中，均是不間斷地向冷凍盒內(nèi)添加冷凍介質(zhì)對(duì)井口持續(xù)降溫，冷凍介質(zhì)消耗量極大，導(dǎo)致施工成本較高。因此，有必要研究暫堵劑凝結(jié)為橋塞的臨界溫度。

在低溫下，不同材料會(huì)與管柱壁面發(fā)生不同程度的黏結(jié)，材料凝結(jié)后與管壁的黏結(jié)強(qiáng)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(jié)界面的面積有關(guān)。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(jié)強(qiáng)度(即冷凍暫堵橋塞的強(qiáng)度)表現(xiàn)為一個(gè)沿切線方向的應(yīng)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(jié)強(qiáng)度，kg；S 為暫堵劑凝結(jié)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(jié)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(jìn)而決定了材料發(fā)生凍黏后的黏結(jié)強(qiáng)度。通過室內(nèi)實(shí)驗(yàn)研究了暫堵劑凍黏系數(shù)隨冷凍溫度的變化規(guī)律，實(shí)驗(yàn)結(jié)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(dāng)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(shí)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(duì)于加強(qiáng)橋塞強(qiáng)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(duì)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(shí)間確定

究竟需要多長的冷凍時(shí)間，低溫可使油套環(huán)空和油管內(nèi)的冷凍暫堵橋塞達(dá)到封隔井內(nèi)壓力的強(qiáng)度，目前還沒有準(zhǔn)確定論。實(shí)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(qiáng)度的冷凍暫堵橋塞)，往往持續(xù)實(shí)施冷凍作業(yè)20 h以上，人員不得不值夜班、勞動(dòng)強(qiáng)度極大。

采用統(tǒng)計(jì)學(xué)分析方法，詳細(xì)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(zhì)用量、管柱尺寸等參數(shù)與冷凍時(shí)間的關(guān)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(shí)間密切相關(guān)［14]。A 井冷凍暫堵作業(yè)井口壓力變化趨勢(shì)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(shì)。

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

分析認(rèn)為，井口壓力降低是因?yàn)闀憾聞┦艿蜏氐挠绊懫潴w積會(huì)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(dòng)使得凝固段上部出現(xiàn)空間并不斷增大，導(dǎo)致井口壓力不斷減小。隨著冷凍時(shí)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(shí)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(qiáng)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?yàn)槔鋬鰰憾聵蛉膹?qiáng)度達(dá)到最大值后，低溫主要作用于橋塞上部的暫堵劑，導(dǎo)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(gè)確定冷凍時(shí)間的經(jīng)驗(yàn)判別方法：井口油壓(套壓)降至最低值所對(duì)應(yīng)的時(shí)間點(diǎn)為油管內(nèi)(油套環(huán)空內(nèi))冷凍暫堵橋塞形成的臨界點(diǎn)，井口油壓(套壓)開始上升時(shí)所對(duì)應(yīng)的時(shí)間點(diǎn)為油管內(nèi)(油套環(huán)空內(nèi))冷凍暫堵橋塞強(qiáng)度滿足帶壓換閥施工要求的臨界點(diǎn)。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(shì)，就可暫停冷凍作業(yè)、對(duì)冷凍暫堵橋塞進(jìn)行反向試壓驗(yàn)證封堵效果。

3 應(yīng)用情況

近年來，應(yīng)用研究成果成功指導(dǎo)冷凍暫堵作業(yè)50 余井次，節(jié)約壓井液費(fèi)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(shí)現(xiàn)總經(jīng)濟(jì)效益5 600 余萬元。成功更換了一大批存在突出井控風(fēng)險(xiǎn)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(cái)產(chǎn)安全，作業(yè)過程基本實(shí)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(hù)了油氣層。部分井應(yīng)用效果如表2 所示，在相似工況下，關(guān)鍵技術(shù)應(yīng)用后單井可縮短冷凍作業(yè)時(shí)間約50%，節(jié)約冷凍介質(zhì)約40%，人員勞動(dòng)強(qiáng)度與施工成本大大降低，作業(yè)效率明顯提高。

表 2 關(guān)鍵技術(shù)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果統(tǒng)計(jì)Table 2 Statistical field application effects of key technologies

4 結(jié)論

(1)冷凍暫堵技術(shù)在儲(chǔ)層保護(hù)、清潔生產(chǎn)等方面具有突出的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，彌補(bǔ)了液壓式堵塞器換閥技術(shù)的不足，為井口隱患帶壓治理提供了新的技術(shù)途徑以及安全可靠的技術(shù)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(jì)算暫堵劑的注入量是確保形成可靠強(qiáng)度冷凍暫堵橋塞的關(guān)鍵，需附加1.2～1.4的修正系數(shù)；-20 ℃為暫堵劑凝結(jié)為足夠強(qiáng)度橋塞的臨界溫度；井口壓力降至最小值對(duì)應(yīng)的時(shí)間點(diǎn)為冷凍暫堵橋塞形成的臨界點(diǎn)，井口壓力開始上升時(shí)對(duì)應(yīng)的時(shí)間點(diǎn)為冷凍暫堵橋塞強(qiáng)度達(dá)到帶壓換閥施工要求的臨界點(diǎn)。

(3)冷凍暫堵作業(yè)關(guān)鍵技術(shù)在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果良好，對(duì)于優(yōu)化冷凍暫堵施工設(shè)計(jì)、提高作業(yè)效率具有重要意義。