帶壓更換采氣樹主控閥門技術(shù)在蘇里格氣田的應(yīng)用

李林清，李曉輝，曹飛飛，劉昱萍

（中國石油長慶油田分公司第三采氣廠，內(nèi)蒙古烏審旗 017300）

帶壓更換采氣樹主控閥門技術(shù)在蘇里格氣田的應(yīng)用

李林清，李曉輝，曹飛飛，劉昱萍

（中國石油長慶油田分公司第三采氣廠，內(nèi)蒙古烏審旗 017300）

帶壓更換采氣樹主控閥門技術(shù)具有作業(yè)簡單、費(fèi)用低、對(duì)氣層無損傷等優(yōu)點(diǎn)，本文就從該技術(shù)的原理、技術(shù)參數(shù)、在蘇里格氣田現(xiàn)場作業(yè)過程中遇到難點(diǎn)及處理、存在風(fēng)險(xiǎn)、取得效果進(jìn)行了詳細(xì)論述。近兩年，利用該技術(shù)在蘇里格氣田成功更換采氣樹主控閥門14個(gè)，具有實(shí)用高效特性，徹底整改了氣井采氣樹內(nèi)漏主控閥門安全隱患。

采氣樹；帶壓更換；主控閥門；堵塞工具

在蘇里格氣田大規(guī)模發(fā)展的同時(shí)，眾多的氣井關(guān)鍵設(shè)備采氣樹主控閥門由于地層礦物水腐蝕、砂等雜質(zhì)磨損及環(huán)境人為因素的綜合影響，出現(xiàn)極小部分采氣樹主控閥門（1號(hào)、2號(hào)、3號(hào)閘閥）損壞。問題有開關(guān)不到位、閥體滲漏、密封件滲漏、部件銹蝕損壞等情況。這不但給管理操作造成極大的困難，且是形成火災(zāi)和大氣污染的隱患，嚴(yán)重的會(huì)造成氣井失控，甚至井毀人亡。

采氣樹主控閥門作為氣井的最關(guān)鍵屏障，檢修及維修極不易，也不能采用控制其它閥門來實(shí)施更換，只能采取特殊的方法進(jìn)行更換。常規(guī)主要通過壓井方法進(jìn)行更換，但存在動(dòng)用的設(shè)備多、使用的人員多、工期長、費(fèi)用高，并對(duì)產(chǎn)層可能產(chǎn)生二次傷害，甚至將井壓死等風(fēng)險(xiǎn)。

1 帶壓更換采氣樹主控閥門原理

1.1 技術(shù)要求

要成功更換采氣樹損壞主控閥門，關(guān)鍵需做到損壞主控閥門所在位置處的壓力和大氣壓相等，井內(nèi)壓力在更換過程中不會(huì)到達(dá)損壞主控閥門處。更換完之后，新的主控閥門處的壓力要迅速恢復(fù)到更換前的壓力，以保持原有井況。

為此，只有在損壞主控閥門前實(shí)施暫堵技術(shù)，即在損壞主控閥門前的某個(gè)適當(dāng)位置，利用堵塞技術(shù)封堵井內(nèi)壓力，使損壞主控閥門處的壓力降為大氣壓。這項(xiàng)堵塞技術(shù)所用工具要求要放得進(jìn)、坐得牢、封得住、解封容易，并對(duì)井內(nèi)的設(shè)備、工具、井況不產(chǎn)生傷害，做到堵塞工具不丟手。

1.2 工藝原理

用支撐架與液壓缸心軸連接并固定至井口及待換閥門上，液壓工作站產(chǎn)生的液壓力推動(dòng)液壓缸活塞，將連接在液壓缸活塞的堵塞工具送入預(yù)定位置；撤銷堵塞工具上的液壓力，在外力作用下膠筒起封。泄去堵塞工具后的壓力拆松待換閥門連接螺栓。將待換閥門拉出閥座位置后，用高強(qiáng)度卡板卡住堵塞工具尾端，始終保持堵塞工具不丟手，可換上新閥門恢復(fù)采氣樹，具體（見圖1）。

圖1 帶壓更換采氣樹主控閘閥工藝示意圖

2 主要工具及作用

2.1 支撐架系統(tǒng)

根據(jù)更換閥門高度要求，由不同長度組合，外徑為Φ60 mm高強(qiáng)度合金鋼串聯(lián)為龍門架格式，用于支撐堵塞工具密封后形成的外吐力及液壓缸心軸拉力。

2.2 液壓缸

雙作用液壓缸，Φ60 mm的空心心軸配以Φ100 mm大直徑活塞可以得到充分推力。作用是送入堵塞工具、提升被換閥、控制堵塞工具的封堵，結(jié)構(gòu)（見圖2）。

圖2 液壓缸結(jié)構(gòu)示意圖

2.3 防噴筒

用于施工準(zhǔn)備及結(jié)束時(shí)放置堵塞工具，同時(shí)連接液壓缸與更換閥門的過渡短節(jié)。

2.4 堵塞工具

結(jié)構(gòu)圖（見圖 3），實(shí)物圖（見圖4），標(biāo)準(zhǔn)為長度362 mm。主要密封部件為膠筒，在兩端擠壓下可收縮膨脹達(dá)到膠料分子密度增大，增加膠筒強(qiáng)度，提高密封性。

圖3 標(biāo)準(zhǔn)堵塞工具結(jié)構(gòu)圖

圖4 標(biāo)準(zhǔn)堵塞工具實(shí)物圖

根據(jù)采氣樹型號(hào)不同，配置了多種不同型號(hào)的堵塞工具。

堵塞工具是帶壓更換閥門中的關(guān)鍵技術(shù)，利用氣井本身壓力作為膠筒起封動(dòng)力，使膠筒在封堵過程中一直保持了外力擠壓狀態(tài)。試驗(yàn)狀態(tài)下，可應(yīng)用10次、72 h以上。

油管堵塞工具外徑為58 mm，膠筒長度為70 mm，下入深度為大四通上法蘭向下200～300 mm。

2.5 液壓控制箱

將液壓工作站產(chǎn)生的液壓力、流量進(jìn)行分配，分別供給雙作用液壓缸正反向工作、平衡堵塞工具內(nèi)外壓力。

控制輸出工作壓力0～25 MPa，輸出流量0～400 L/h，同時(shí)可以達(dá)到6組輸出端供給不同的工具應(yīng)用。該液壓控制箱外形小巧，性能可靠，適宜野外工作。

2.6 液壓工作站

為適應(yīng)野外施工惡劣環(huán)境要求，動(dòng)力配備性能可靠的小型汽油發(fā)動(dòng)機(jī)。應(yīng)用3缸液壓泵達(dá)到最高輸出壓力60 MPa、輸出流量400 L/h。并配有泄壓閥、溢流閥、手動(dòng)0～60 MPa調(diào)壓閥、超載泄壓安全閥等安全裝置。

3 主要技術(shù)參數(shù)

3.1 關(guān)鍵設(shè)備技術(shù)參數(shù)

液壓泵額定壓力：60 MPa，常規(guī)工作壓力：≤30 MPa。密封件適用工作溫度范圍：-20～80℃（額定壓力下）。適用介質(zhì)：石油、水、空氣、天然氣。

3.2 系統(tǒng)安全計(jì)算

3.2.1 膠筒封堵力學(xué)條件計(jì)算

式中：P壓—堵塞工具封住井筒所加壓力，N；E—膠筒彈性系數(shù)，180～200 Kg/cm2；D筒—膠筒外徑，cm；d內(nèi)—膠筒內(nèi)徑，cm；D井—井筒直徑，cm。

計(jì)算：D筒—膠筒外徑，6.0 cm；d內(nèi)—膠筒內(nèi)徑，3.0 cm；D井—井筒直徑，6.5 cm。

對(duì)于20 MPa氣井活塞（直徑4.6 cm）產(chǎn)生的推力為32614 N，大于膠筒所需的14994 N。使用的膠筒密封性能穩(wěn)定、可靠。

為使堵塞工具成功坐封，受膠筒彈性系數(shù)限制，最低井口壓力不得低于10 MPa。井口壓力為低壓狀態(tài)時(shí)，可選擇膠筒彈性系數(shù)較低的產(chǎn)品，以便堵塞工具安全坐封。

3.2.2 使用支柱強(qiáng)度計(jì)算 支柱的薄弱位置為螺栓，故計(jì)算最薄弱位置：螺栓標(biāo)稱：M36×4；螺紋底徑：φ31 mm；材質(zhì)：45#鋼質(zhì)；其抗拉強(qiáng)度 δb≥600 MPa（材料調(diào)質(zhì)后抗拉強(qiáng)度可以達(dá)到δb≥650 MPa，按照材料正火熱處理計(jì)算）。

單根支持柱受力計(jì)算：P=π（D/2）2×δb

承壓狀態(tài)受力計(jì)算：P1=Pg1/2

故安全系數(shù)：P/P1=452631/49749.375=9.098

式中：P-單根支持柱拉力，N；P1-工具外吐推力，N；Pg1-井口壓力（按 30 MPa）計(jì)算：Pg1=3316.625×30=99498.75 N

支柱強(qiáng)度遠(yuǎn)大于承壓狀態(tài)下的壓力，使用支柱可靠。

3.2.3 液壓缸壓力計(jì)算 液壓油缸內(nèi)徑：φ100 mm，活塞桿直徑：φ60 mm。

液壓油缸環(huán)空面積 S=3.14159×（50×50-30×30）=5024 mm2

井口油管受力截面面積 S=3.14159×31×31=3017.54 mm2

井口旁通受力截面面積S=3.14159×32.5×32.5=3316.625 mm2

30 MPa下液壓油缸產(chǎn)生的壓力：P=5024×30=150720 N

井口壓力（按 30 MPa）計(jì)算：Pg2=3017.54×30=90526.2 N

P>Pg1；P>Pg2。更換 1 號(hào)閥門及 2 號(hào)、3 號(hào)閥門，液壓缸均能滿足送入堵塞工具及解封的力學(xué)條件。

4 帶壓更換2號(hào)、3號(hào)閥門的難點(diǎn)

對(duì)于更換1號(hào)閥門的油管堵塞工具設(shè)計(jì)比較容易，有相對(duì)成熟的井下堵塞技術(shù)以及堵塞空間。

采氣樹2號(hào)、3號(hào)閥門直接和大四通相連，與大四通兩側(cè)的旁通相通。它所承受的壓力是套管壓力，大四通中間是油管懸掛接頭，油管懸掛接頭的外徑與大四通主通徑間距23～25 mm，大四通旁通與套管成90°的角度相通。而2號(hào)、3號(hào)閥門前的直線距離僅大四通的壁厚加上油管懸掛接頭與大四通主通徑的間距，長160 mm。如此短的距離，采用井下油管堵塞工具（長320 mm）實(shí)施封堵不可行。

根據(jù)采氣樹2號(hào)、3號(hào)套管閥門所處的特殊位置和所連接的大四通的特殊結(jié)構(gòu)，需設(shè)計(jì)出旁通堵塞工具。在設(shè)計(jì)中重點(diǎn)考慮：（1）工具堵塞后所承壓力：設(shè)計(jì)現(xiàn)場工作壓力考慮在35 MPa以內(nèi)，作為全裝置工作壓力基準(zhǔn)。（2）外徑：以旁通內(nèi)徑Φ65.1 mm為準(zhǔn)。此內(nèi)徑為調(diào)研的KQ35、KQ70型采氣井口大四通旁通內(nèi)徑。（3）長度：以旁通長度 160 mm 為準(zhǔn)。（4）結(jié)構(gòu)：為了使堵塞工具膠筒有效作用在旁通壁上，密封件應(yīng)該有足夠的長度，膠筒兩端接受本體施壓膨脹，將旁通壁上的銹蝕紋路凹點(diǎn)和粘貼的顆粒凸點(diǎn)有效封堵。同時(shí)向膠筒施壓的本體必須長時(shí)間保壓，滿足膠筒長時(shí)間密封。

工廠進(jìn)行中間試驗(yàn)，套管堵塞工具采用外徑為61mm，膠筒長度為70 mm，下入深度為大四通套壓通道內(nèi)120 mm，在各個(gè)不同工況條件試驗(yàn)反復(fù)進(jìn)行，井口壓力為5～35 MPa時(shí)，旁通堵塞工具送入、坐封、解封都獲得成功。在5～35 MPa的情況下，坐封0.1～24 h，套管堵塞工具均未發(fā)生漏失、位移，說明此工具安全可靠。

5 現(xiàn)場應(yīng)用情況

5.1 現(xiàn)場施工情況

2010-2011年，利用帶壓更換采氣樹主控閥門技術(shù)，成功更換11口氣井14個(gè)閥門，單井平均現(xiàn)場施工1.5次，均安全更換，解決了井口隱患。

5.2 作業(yè)問題及處理

5.2.1 井筒臟，堵塞工具難以坐封 現(xiàn)場通過放空，將井筒壁的雜質(zhì)帶出。進(jìn)一步可通過注醇，對(duì)井壁進(jìn)行潤滑，第二次作業(yè)堵塞工具順利坐封。

5.2.2 工具本身的密封問題 工具本身作為承壓使用，在使用前必須對(duì)密封環(huán)等部件進(jìn)行檢查，防止出現(xiàn)工具密封部位的刺漏。

5.2.3 氣候條件影響（風(fēng)沙等）遇到風(fēng)沙等天氣，更換作業(yè)因登高存在一定的風(fēng)險(xiǎn)，且在冬季堵塞工具膠體受溫度影響，不易坐封。為此，蘇里格氣田在5～9月現(xiàn)場作業(yè)最宜。

5.2.4 遇到套壓特殊旁通通道，常規(guī)的堵塞工具不能進(jìn)入 在施工過程中，相繼遇見三款特殊旁通井口。

特殊旁通1：在160 mm長的旁通通道最外為Φ65 mm直通道，中間為普通公制螺紋，最里端為Φ48 mm直通道。

特殊旁通2：在160 mm長的旁通通道最外圓錐自密封螺紋，最里端為Φ52 mm直通道。

特殊旁通3：在160 mm長的旁通通道最外為Φ65 mm直通道，最里端為普通公制螺紋。

由于行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)未涉及到氣井采氣樹旁通道內(nèi)部結(jié)構(gòu)，生產(chǎn)廠家生產(chǎn)的旁通通道結(jié)構(gòu)尺寸不同，完井交接書也未記錄有關(guān)數(shù)據(jù)。施工時(shí)往往堵塞工具進(jìn)入旁通道后不能到位，才能確定是特殊旁通井口，給帶壓更換主控閘閥帶來了一定困難。

針對(duì)以上三種類型的旁通特殊采氣樹，通過改進(jìn)堵塞工具直徑及性能，可以在160 mm的通道上實(shí)現(xiàn)坐封，順利完成更換作業(yè)。為此，在2號(hào)、3號(hào)閥門更換時(shí)，要詳細(xì)了解采氣樹大四通套壓通道的結(jié)構(gòu)，避免盲目的堵塞，防止意外發(fā)生。

5.3 存在的安全風(fēng)險(xiǎn)

采氣樹主控閥門在更換過程中，不管是與油管連通的1號(hào)閥門，還是與大四通連接的2號(hào)、3號(hào)閥門，均做到了堵塞工具不丟手，最大限度的降低了安全風(fēng)險(xiǎn)。

為防止堵塞工具失效等意外情況發(fā)生，需要在施工過程中平穩(wěn)操作，嚴(yán)格按照操作程序，堵塞工具不能重復(fù)使用，且做好堵塞工具坐封后的2次半小時(shí)坐封穩(wěn)壓，有滲漏等情況嚴(yán)禁繼續(xù)作業(yè)，堅(jiān)決禁止堵塞工具失效情況發(fā)生。

6 結(jié)語

根據(jù)現(xiàn)場更換采氣樹主控閥門的施工，總結(jié)以下三點(diǎn)：

（1）簡便高效：帶壓更換主控閥門技術(shù)現(xiàn)場操作需要5名人員，1輛小卡車即可開展作業(yè)，現(xiàn)場操作簡單。更換單個(gè)閥門僅需要4～5 h，而壓井至少需要5 d以上，作業(yè)效率很大程度提高。

（2）可靠性強(qiáng)：施工工具經(jīng)過試驗(yàn)及相關(guān)技術(shù)部門的檢查，符合安全要求。該技術(shù)具有不丟手特性，最大程度減少了堵塞工具移動(dòng)的可能，且避免了壓井液對(duì)儲(chǔ)層造成污染和傷害，現(xiàn)場施工未發(fā)生安全問題，可靠性強(qiáng)。

（3）低成本：帶壓更換作業(yè)成本費(fèi)用為單個(gè)閥門20余萬元，較常規(guī)壓井施工節(jié)約60萬元。

蘇里格氣田每年都有極少數(shù)氣井主控閥門出現(xiàn)內(nèi)漏等問題，應(yīng)用該技術(shù)將很大程度節(jié)約成本，且可高效排除安全隱患。

[1] 文成槐，等.帶壓安全更換井口閘閥技術(shù)的研究與應(yīng)用[J] .鉆采工藝，2002，25（2）：57-60.

[2] 尚萬寧，等.不壓井更換閘閥技術(shù)在氣井維護(hù)中的應(yīng)用[J] .天然氣工業(yè)，2006，26（1）：98-100.

[3] 雒繼忠，等.不壓井帶壓作業(yè)裝置的引進(jìn)與改進(jìn)[J] .石油化工應(yīng)用，2009，28（1）：10-12.

[4] 李蓮明，等.帶壓更換天然氣井口采氣樹主控制閥新技術(shù)[J] .鉆采工藝，2007，30（3）：93-95.

Gas recovery by replacing trees with pressure master valve technology and its application in Sulige gas field

LI Linqing，LI Xiaohui，CAO Feifei，LIU Yuping
（Gas Production Plant 3 of PetroChina Changqing Company，Wushengqi Neimenggu 017300，China）

Gas recovery by replacing trees with pressure master valve technology with simple,low cost,no gas to a job injury,and other advantages,this article from the Sulige Gas Field,technical principles,technical parameters,difficulties encountered during field operations and treatment,there are risks,results were discussed in detail.The past two years,take advantage of this technology successfully replaced in Sulige Gas Field and gas tree main control valve 14,with practical and efficient features,thorough rectification of inner leakage in gas well gas production tree master valve security risks.

gas trees；belt replacement；main control valve；plug tools

10.3969/j.issn.1673-5285.2012.11.025

TE927

B

1673－5285（2012）11－0097－04

2012－10－18