(中石油長慶油田分公司第一采氣廠 陜西靖邊 718500)
靖邊氣田是長慶油田投入開發(fā)建設(shè)的第一個大氣田,目前已開發(fā)20多年,部分氣井采氣樹大四通上下法蘭、雙公短節(jié)、表套技套環(huán)空等部位存在漏氣隱患,給氣田安全生產(chǎn)帶來極大的風險,嚴重影響氣井正常生產(chǎn),需要有針對性地對該類氣井井口滲漏部位進行整改治理。由于這些位置屬承壓部位,傳統(tǒng)治理方法是將壓井液泵入井筒內(nèi),壓住地層油氣后進行整改。由于壓井作業(yè)的液體漏失大,使得壓井作業(yè)難度增大,安全風險高,且對儲層傷害較大,同時壓井液滲入地層孔隙,反排難度大,不利于發(fā)揮氣井產(chǎn)能。
2012年起靖邊氣田試驗采用外部帶壓堵漏技術(shù)治理井口漏氣,該技術(shù)無需壓井作業(yè),既保護了油氣層,又消除了安全隱患。截至目前,靖邊氣田采用該方法共治理10口氣井12處漏氣點,徹底消除了安全隱患,實現(xiàn)了經(jīng)濟效益和社會效益的雙豐收。
如圖1所示,帶壓堵漏技術(shù)的主要原理是:當承壓設(shè)備出現(xiàn)介質(zhì)滲漏時,在保持生產(chǎn)工況不變的情況下,在滲漏點周圍利用專用卡具建立新的密封空腔,以高于系統(tǒng)壓力的推力,向密封腔內(nèi)注入專用密封材料,使腔內(nèi)達到足夠的密封比壓,從而阻止介質(zhì)滲漏,并形成新的可靠的密封結(jié)構(gòu)[1-2]。
圖1 帶壓堵漏示意圖
氣井井口堵漏時,利用機械密封原理和高壓密封脂的密封性,將堵漏卡具安裝固定在井口滲漏部位外面,形成新的密封腔[3-4]。堵漏卡具上下模結(jié)合處有專用密封圈密封,同時堵漏卡具與滲漏處管道外壁設(shè)計專用密封條,當四條連接螺栓將堵漏卡具上下模連接后,首先保證了堵漏卡具自身的密封,再通過高壓注入密封膠,使密封膠在高壓注入過程中受力,在堵漏卡具內(nèi)腔緊密擠壓,在滲漏點四周形成一圈整體密封環(huán),隔離滲漏點,實現(xiàn)滲漏的封堵。
同時,雙公短節(jié)堵漏時,通過在卡具下端面加裝簡易套管頭,連接螺栓的拉力和簡易套管頭的支撐,保證在高壓時卡具不會發(fā)生位移,提高封堵效果。
帶壓堵漏技術(shù)由專用工具、密封劑、專用卡具及堵漏工藝四部分組成[5-6],各部分主要有以下幾項設(shè)計要點:
(1)堵漏卡具設(shè)計。需根據(jù)氣井井口裝置結(jié)構(gòu)特點、滲漏點的位置等因素,設(shè)計與其相匹配的專用卡具,卡具的材質(zhì)和強度均應(yīng)滿足現(xiàn)場的堵漏要求;通過提高卡具對滲漏本體的適應(yīng)能力,為滲漏點預(yù)制卡具,提高該工藝的操作速度。
(2)選用性能穩(wěn)定的堵漏劑。堵漏材料的選擇需考慮天然氣滲漏點的系統(tǒng)壓力、溫度、介質(zhì)特性等因素。
(3)優(yōu)化堵漏工藝。通過設(shè)計符合現(xiàn)場實際的堵漏工藝程序,可以有效提高卡具對滲漏本體的保護能力,避免密封注劑對滲漏本體形成沖擊破壞,以達到最優(yōu)的堵漏效果。
應(yīng)對氣井井口裝置結(jié)構(gòu)進行調(diào)研,并詳細測繪井口裝置基本尺寸(如滲漏處法蘭直徑、法蘭外邊緣到其連接螺栓的最小距離、法蘭副的寬度、法蘭連接螺栓的個數(shù)和規(guī)格等參數(shù));明確滲漏介質(zhì)的組分和地層水理化性質(zhì);仔細判斷具體的滲漏部位,測試系統(tǒng)壓力和預(yù)測滲漏當量等數(shù)據(jù),為堵漏卡具設(shè)計和帶壓堵漏程序設(shè)計提供完整、詳實的現(xiàn)場勘察資料。
堵漏卡具的設(shè)計要依據(jù)現(xiàn)場滲漏的大小、系統(tǒng)介質(zhì)的壓力和溫度,選擇合適的堵漏材料和設(shè)計合理的卡具結(jié)構(gòu)[7-8]。堵漏卡具的設(shè)計應(yīng)滿足以下原則:
(1)卡具與滲漏處本體的間隙不大于0.4 mm,防止密封劑外溢;
(2)兩兩卡具之間可以相互分體,確??ň叻奖惆惭b;
(3)需在卡具與滲漏部位之間形成一個合適的密封空腔,以填充密封劑,確??ň叻忾]性能;
(4)堵漏卡具必須具有一定的剛度和強度;
(5)卡具上需設(shè)計帶有內(nèi)螺紋的注劑孔,孔的位置和數(shù)量須確保將密封腔內(nèi)注滿密封劑。
根據(jù)滲漏介質(zhì)的組分、系統(tǒng)壓力、溫度選擇卡具的材料,針對氣井井口裝置結(jié)構(gòu)特點和卡具的加工、現(xiàn)場安裝等方面的因素,一般將卡具設(shè)計為兩塊對稱的結(jié)構(gòu)形式。
卡具材質(zhì)的選擇依據(jù)GB/T 26467-2011《承壓設(shè)備帶壓密封技術(shù)規(guī)范》,選擇碳鋼(Q235-A或20鋼)作為制作氣井堵漏卡具的材料,其具有易加工、焊接性能好等特點。鑒于堵漏卡具目前均用在高壓氣井上,經(jīng)過反復(fù)試驗,卡具材質(zhì)選擇35CrMo鋼,并作調(diào)質(zhì)處理。
(1)卡具承受的力:卡具與氣井原密封結(jié)構(gòu)形成的密閉空腔內(nèi),承受滲漏系統(tǒng)壓力和密封注劑擠壓力。
(2)氣井壓力滲漏到密封空腔內(nèi),以泄放壓力值,作用于空腔內(nèi)壁。泄放壓力值的大小與滲漏孔洞大小成正比,該壓力是均布載荷。
(3)密封注劑擠壓力是由專用工具組成的液壓系統(tǒng),為克服系統(tǒng)壓力和密封注劑在空腔內(nèi)的流動、填滿產(chǎn)生的阻力,施加高壓推力形成的,該壓力是變動載荷。
(4)密封空腔內(nèi)的總力,是指在系統(tǒng)壓力和密封注劑填滿所需力之外,還有為壓實形成密封比壓所施加的力。
需要計算的部分為卡具本體厚度、耳板厚度和緊固螺栓尺寸。
根據(jù)實際應(yīng)用實踐和應(yīng)力測試,采用GB/T 26468-2011《承壓設(shè)備帶壓密封卡具設(shè)計規(guī)范》的壁厚計算公式:
式中:S為卡具厚度,mm;pc為設(shè)計壓力,MPa;D為卡具內(nèi)徑,對法蘭卡具計算直徑等于法蘭外徑,即D=480 mm;[σ]t為材料所在溫度作用下的許用應(yīng)力,MPa,查閱GB150 1~4-2011《壓力容器 第2部分碳素鋼和低合金鋼鋼鍛件許用應(yīng)力》,取20 ℃下為226 MPa;φ為焊接系數(shù),目前卡具采用整體鍛壓,無焊接,因此φ=1。
根據(jù)設(shè)計規(guī)范要求,需對帶壓密封卡具設(shè)計壓力進行修正,一般取設(shè)計壓力pc=pL+5 MPa,pL為系統(tǒng)壓力,依據(jù)是:
(1)密封注劑在密封腔內(nèi)的動態(tài)變化和密封比壓需要。
按密封原理只有空腔內(nèi)密封注劑壓力pp大于滲漏系統(tǒng)壓力pL才能達到密封效果; 注入到密封空腔內(nèi),且已填滿的密封注劑,有出現(xiàn)體積收縮的可能,使已形成的工作密封比壓下降,必須提高注劑壓力以保持工作密封比壓; 密封空腔內(nèi)的密封注劑,由于系統(tǒng)溫度作用,會發(fā)生熱失重現(xiàn)象,造成工作密封比壓下降,必須提高注劑壓力以保持工作密封比壓。
(2)提高卡具剛性穩(wěn)定需要。
(3)對不同系統(tǒng)壓力和不同卡具結(jié)構(gòu),應(yīng)結(jié)合實際受力狀況區(qū)別選取修正值。
假設(shè)滲漏系統(tǒng)壓力為30 MPa,卡具本體厚度為
卡具設(shè)計不但要考慮強度,而且要考慮剛性,以保證施工安全和密封的成功[9]。為保證堵漏時,卡具在高溫高壓下不產(chǎn)生過大的變形,且保證堵漏時間長久,卡具的設(shè)計厚度取強度計算厚度的2~4倍。根據(jù)計算結(jié)果并乘以安全系數(shù),其大四通下法蘭與下部法蘭滲漏處卡具本體厚度范圍為32.5~65 mm;根據(jù)室內(nèi)反復(fù)試驗,確定的大四通下法蘭與下部法蘭滲漏處卡具本體厚度為70 mm,生產(chǎn)套管與表層套管滲漏處卡具本體厚度為40 mm。
堵漏卡具與采氣裝置滲漏部位的外表面應(yīng)構(gòu)成密閉空腔,便于填充密封劑;空腔的寬度應(yīng)當超過滲漏缺陷的實際尺寸20~40 mm;空腔的高度(即形成新密封結(jié)構(gòu)的密封劑厚度)應(yīng)在5~30 mm,加工精度應(yīng)達到±0.1 mm。
堵漏卡具與采氣裝置接觸間隙應(yīng)密切配合,避免接觸間隙過大導致密封劑外溢,參考GB/T 26468-2011《承壓設(shè)備帶壓密封夾具設(shè)計規(guī)范》,表1給出了堵漏卡具與采氣裝置接觸間隙的參考值。若參考數(shù)據(jù)無法滿足現(xiàn)場實際要求時,還需增加輔助密封結(jié)構(gòu)。
表1 卡具與滲漏部位接觸間隙參考值
卡具本體空腔內(nèi)承受的力,傳遞到耳板和連接螺栓上,因此卡具空腔內(nèi)承受的力是承壓構(gòu)件受力的力源。
卡具耳板厚度的計算公式為
式中:t為耳板最小厚度,mm;C為卡具密封腔寬度,mm,對于法蘭用卡具,C為法蘭副間隙,由于許多法蘭副間隙非常小,甚至間隙為0,因此C取40 mm;pc為設(shè)計壓力,MPa;D為卡具計算直徑,480 mm;b為耳板寬度,150 mm;L為耳板螺孔中心至卡具外緣的距離,40 mm;[σ]t為耳板材料所處溫度下的許用應(yīng)力,MPa,取20 ℃下為230 MPa。
計算得耳板厚度為:t=48.35 mm??紤]附加值后實際設(shè)計卡具耳板厚度取值t=60~70 mm。
連接螺栓直徑計算公式為
式中:d為螺栓計算直徑,mm,其值應(yīng)對照標準螺紋小徑,并對應(yīng)確定螺栓的標準規(guī)格外徑;Ck為預(yù)緊力和剛度系數(shù),取值1.5;C為卡具密封腔寬度,mm,取40 mm;pc為設(shè)計壓力,MPa;D為卡具計算直徑,mm,對法蘭卡具D等于法蘭外徑;n為卡具連接螺栓數(shù)量;[σ]t為卡具連接螺栓所處溫度下的許用應(yīng)力,MPa,取20 ℃下為228 MPa。
計算得螺栓直徑為:d=32 mm。
因此,最終選用的連接螺栓為4根M39高強度螺栓,2根螺紋底徑為35.5 mm,材料為35CrMo,材料經(jīng)過調(diào)質(zhì)處理,抗拉強度σb>800 MPa。
單個螺栓可承受拉力為
197 959.44(N)
根螺栓可承受的拉力為
F總=4×197 959.44=791 837.76(N)
工作時密封屬于局部密封,對螺栓產(chǎn)生的壓力很小,故螺栓的拉力完全可承受的氣體滲漏產(chǎn)生的拉力,主要用于螺栓拉緊的預(yù)緊力。
密封劑通常由高分子材料及其他輔料組成,以黏稠膠狀物形態(tài)存在,在設(shè)備滲漏部位重新建立的密封結(jié)構(gòu)中,密封劑傳遞擠壓并與滲漏介質(zhì)接觸,既要耐介質(zhì)、溫度,又要能承受一定的壓力。密封劑的性能及指標應(yīng)符合表2所示的規(guī)定。
表2 密封劑性能指標
依據(jù)國家標準GB/T 26556-2011《承壓設(shè)備帶壓密封劑技術(shù)條件》選擇適合的密封劑。因天然氣的易燃、易爆、腐蝕性能,選用填充型非固化密封脂作為帶壓堵漏密封材料,該密封劑注入卡具內(nèi)永遠不固化,在卡具內(nèi)一直為松散流動狀,這樣在任何時候都可以向卡具內(nèi)補膠,溫度的變化不會因其性能的過大變化。
該密封脂與天然氣不會產(chǎn)生任何化學反應(yīng),最佳的適用溫度范圍為-50~260 ℃,壓力至35 MPa。該密封脂加入了高分子化合物和無機填料,它在一定溫度和壓力作用下,具有良好的注射和填充性(即流動性),經(jīng)注射槍加壓注入卡具后,對天然氣具有良好的化學穩(wěn)定性、耐老化和不透氣性能,收縮率較小,流動性好,以保證堵漏成功。
針對氣井井口裝置的結(jié)構(gòu)特點,設(shè)計研發(fā)了一套專門的井口模擬裝置(試驗?zāi)M裝置所需材料如表3所示),在實驗室內(nèi)使用氮氣模擬現(xiàn)場天然氣的滲漏[10],可模擬氣井口采氣樹大四通上下法蘭、雙公短節(jié)、表套技套環(huán)空等部位漏氣情況,從而為現(xiàn)場實施帶壓堵漏提供相關(guān)數(shù)據(jù)和經(jīng)驗。
表3 試驗?zāi)M裝置材料
試驗的過程如下:
(1)清理卡具,確??ň弑砻娓蓛?、平整;
(2)將高強快固膠均勻地涂抹在卡具后半體表面;
(3)將卡具安裝在已經(jīng)建好的試驗裝置上;
(4)等待膠體固化后,試驗裝置打壓至25 MPa,然后連接注劑槍向模具的腹腔內(nèi)加注密封劑;注劑壓力打壓至30 MPa,穩(wěn)壓15 min;
(5)當卡具連接處溢出注劑時停止加注,觀察壓力表讀數(shù),當壓力穩(wěn)定在30 MPa時,記錄該數(shù)值,進行各項檢測;
(6)檢測卡具是否存在滲漏點,若未發(fā)現(xiàn)氣體滲漏,堵漏試驗成功完成;
(7)卸下卡具,重復(fù)(1)~(6)進行二次試壓,檢測無氣體滲漏,堵漏試驗成功完成。堵漏試驗成功后,方可進行現(xiàn)場應(yīng)用。
帶壓堵漏整體作業(yè)過程主要分為三步:起始注入、順序注入、終點補注,整體作業(yè)過程如圖2所示。
(1)遠離主滲漏點起始注入,防止注劑吹散外噴(圖a);初期注入時,密封劑由于抗拉伸、抗撕裂強度低,容易被吹散外噴;密封劑被吹散后其表層呈現(xiàn)一定固化特性,自黏性降低,容易將密封劑注入到滲漏介質(zhì)系統(tǒng)。
(2)順序注入?yún)^(qū)域擠壓,利于填滿壓實(圖b—c),避免形成死角,確保建立均勻致密的密封結(jié)構(gòu);通過區(qū)域擠壓,使自然推進層面含有的滲漏氣體通過擠壓逸出,實現(xiàn)腔體內(nèi)密封劑均勻、致密;當順序注入逐漸向主滲漏點靠近時,須嚴格控制加注速度和密封劑用量,觀察注入壓力變化情況,避免密封劑注入到滲漏介質(zhì)系統(tǒng)。
(3)終點補注壓緊(圖d),防止產(chǎn)生應(yīng)力松弛,根據(jù)系統(tǒng)溫度采用順序補注或局部壓緊。
作業(yè)前需確認起始注入點的選擇,對只有一個滲漏點時,首先從遠離主滲漏點開始注入堵漏劑;對于存在多個滲漏點時,要對稱地從漏點兩側(cè)的注劑孔注入,可以有效預(yù)防密封劑被吹散外噴和將密封注劑注入到滲漏介質(zhì)系統(tǒng)中。同時通過實施多點注入,能夠限定注入推進距離,操作過程密切觀察注入壓力變化情況,調(diào)整操作壓力,均勻平穩(wěn)施壓,同時注意密封劑固化時間與注入速度之間的協(xié)調(diào),避免卡具及法蘭螺栓超載,確保封堵質(zhì)量和防止局部超壓。
針對氣井口采氣樹大四通上下法蘭、雙公短節(jié)、表套技套環(huán)空等部位漏氣情況,靖邊氣田自2012年起引進應(yīng)用外部帶壓堵漏技術(shù)進行治理井口漏氣[11],截至目前采用該方法共治理10口氣井12處漏氣點,其中:大四通法蘭盤連接處漏氣點4處,雙公短節(jié)處漏氣點5處,下法蘭與生產(chǎn)套管的密封螺紋連接部位漏氣點2處,套管頭漏氣點1處。
在此分別選取典型井分別對大四通法蘭盤連接處、雙公短節(jié)、下法蘭與生產(chǎn)套管的密封部位、套管頭等漏點治理方式進行簡要介紹。
針對氣井井口的大四通法蘭盤連接處存在漏氣現(xiàn)象,根據(jù)氣井井口大四通結(jié)構(gòu),設(shè)計了專門的法蘭封堵裝置,如圖3所示。該型堵漏卡具結(jié)構(gòu)簡單,現(xiàn)場安裝方便,操作平穩(wěn)。
圖3 大四通與法蘭盤連接處堵漏卡具結(jié)構(gòu)示意圖
圖4 大四通與法蘭盤連接處堵漏卡具現(xiàn)場安裝圖
針對靖邊氣田氣井的雙公短節(jié)特點,設(shè)計了專用雙公短節(jié)堵漏卡具,加裝了特制的上下支撐結(jié)構(gòu),防止加壓過程中卡具因受力不均勻而產(chǎn)生垂向移動,保證卡具安裝方便、同時保證了堵漏效果,經(jīng)過現(xiàn)場驗證,效果顯著。卡具的結(jié)構(gòu)圖如圖5所示。
圖5 雙公短節(jié)卡具安裝示意圖
下法蘭與生產(chǎn)套管連接處屬于特殊位置,空間有限,因此將該類井卡具設(shè)計為:上部開口狀,有一突起,可將突起處上頂至底法蘭與大四通螺栓之間;下部為環(huán)形并在帶有密封位(如圖6所示)。由于該處卡具打膠后卡具會向下移動,所以拆除4條大四通螺栓,在卡具上設(shè)計了4個連接螺栓孔,使用特制螺栓將卡具固定在下法蘭下部,在注入密封劑時,堵漏卡具有下擠力,螺栓可克服下擠力,以固定卡具并防止卡具下移,保證了卡具的穩(wěn)定工作。如果上下2個卡具活動會造成密封不嚴而出現(xiàn)漏氣現(xiàn)象,所以在2個卡具中間用自制螺栓來支撐固定,防止上下2個卡具活動。最終的卡具結(jié)構(gòu)如圖6所示。
圖6 下法蘭與生產(chǎn)套管連接處堵漏卡具結(jié)構(gòu)圖
靖A井的下法蘭與生產(chǎn)套管連接部位以及套管頭部位存在滲漏,由于該井沒有安裝簡易套管頭,而是在表套的頂端焊接一個厚度為30 mm的環(huán)形鋼板(如圖7所示),井口沒有扶正導致表層套管和生產(chǎn)套管發(fā)生37 mm的偏心,給施工帶來較大的難度。
圖7 生產(chǎn)套管和表層套管偏心井口現(xiàn)場結(jié)構(gòu)圖
針對這類氣井的套管頭生產(chǎn)套管和表層套管嚴重偏心問題,設(shè)計了上、下偏心堵漏卡具,保證卡具安裝方便、同時保證了堵漏效果,經(jīng)過現(xiàn)場驗證,成功消除了井口存在的安全隱患,卡具的結(jié)構(gòu)圖如圖8所示。
圖8 生產(chǎn)套管和表層套管偏心井口堵漏卡具結(jié)構(gòu)圖
截至目前,靖邊氣田已一次性成功帶壓堵漏治理10口氣井12處井口隱患,經(jīng)現(xiàn)場應(yīng)用,井口帶壓堵漏技術(shù)取得了以下效益:
(1)治理整改措施對油氣層無傷害。施工過程中,保持現(xiàn)有井況,無需關(guān)井及壓井,作業(yè)后對油氣層沒有任何傷害,且作業(yè)周期短,平均堵漏作業(yè)時間持續(xù)2—3天,無需通過排液復(fù)產(chǎn)等措施即可投產(chǎn),減少了關(guān)井時間,降低了作業(yè)成本。
(2)作業(yè)過程安全環(huán)保。整個作業(yè)過程都是在地面進行,施工過程中井口一直處于受控狀態(tài),壓力表實時顯示密封情況,易觀察、易受控;作業(yè)過程由液壓操作來實現(xiàn),操作平穩(wěn)準確,安全風險低;由于無需壓井,不存在壓井液或地層水污染環(huán)境的風險。
通過帶壓堵漏技術(shù)近年來在靖邊氣田的應(yīng)用,得出以下結(jié)論、建議:
(1)天然氣井井口帶壓堵漏技術(shù)成功應(yīng)用的重要環(huán)節(jié)在于堵漏卡具的設(shè)計,應(yīng)根據(jù)井口裝置結(jié)構(gòu)特點、基本尺寸、氣井的系統(tǒng)壓力和溫度等因素,合理地選材和確定卡具結(jié)構(gòu);并對卡具的可靠性進行驗證,才能確?,F(xiàn)場成功應(yīng)用,徹底消除氣井井口漏氣隱患。
(2)相對于其他同類技術(shù),井口帶壓堵漏整個作業(yè)過程都是在地面進行,卡具直接安裝在井口裝置滲漏處,作業(yè)過程易于觀察、便于操作,堵漏效果好。
(3)堵漏過程中通過操作液壓設(shè)備來實現(xiàn)密封劑平穩(wěn)加注,可由液壓系統(tǒng)壓力表觀察、控制操作過程,確保安全、可靠,整個施工過程中井口一直處于受控狀態(tài)。
(4)帶壓堵漏操作過程中,保持氣井現(xiàn)有井況,不用壓井,對氣層無傷害,作業(yè)完即可投產(chǎn),靖邊氣田的現(xiàn)場應(yīng)用情況表明,該技術(shù)具有適應(yīng)性強、作業(yè)周期短、快速高效、不污染地層、安全經(jīng)濟的特點,是保障氣井安全生產(chǎn)的一項重要的技術(shù)。
主要有以下幾個方面的建議:
(1)在對井口大四通法蘭盤連接處進行帶壓堵漏治理時,為防止氣體介質(zhì)對法蘭盤連接螺栓造成腐蝕,作業(yè)前須確保法蘭盤連接螺栓為抗硫材質(zhì)或更換為抗硫材質(zhì)螺栓,保證治理后氣井安全。
(2)帶壓堵漏技術(shù)是一種被動的治理井口漏氣的應(yīng)急性措施,要從根本上消除氣井井口漏氣,還需加強前期井口采氣樹材料選擇以及施工質(zhì)量的管理,避免在氣井投產(chǎn)后出現(xiàn)漏氣隱患,而增加治理難度。