冷凍暫堵工藝參數優化探討及應用

馮鈿芳，張 鋒，王曉磊，洪將領，楊曉麗

(中國石油新疆油田公司采氣一廠)

冷凍暫堵技術[1-2]是引進國外公司的新工藝技術，它可進行套管環空和油管暫時封堵，無需壓井即可隔絕井內壓力，達到換裝井口裝置和主控閥門的目的，相較于機械式帶壓換閥技術[3]，具有適應性更強等優點。目前該工藝每年應用達100余口井，效果顯著，但作為引進技術，國內均采取國外推薦的經驗參數。不同的井況，設計的參數應當有所區別，否則一方面無法確定安全系數，另一方面造成不必要的成本。因此，有必要對該工藝技術參數進行研究優化探討，對指導該工藝在現場的應用和推廣有重要的意義。

一、冷凍暫堵技術原理

一定體積濃度的暫堵劑在泵入井筒后，經過低溫冷凍膨脹與油管壁發生凍黏效應，形成凍塞，控制井內壓力，達到封堵井筒的目的。暫堵劑與油管冷凍后，凍黏強度反應了暫堵劑的暫堵強度，暫堵劑主要受到油管內壓力p的作用，暫堵強度表現為一個切向平行于界面的切向力Fτ，相應有切向凍黏系數τ[4]。則切向應力[4]:

Fτ=τ·Sice

(1)

式中:Fτ—切向應力，Pa；Sice—黏附面積，cm2；τ—凍黏系數，kg/cm3。

二、冷凍暫堵劑材料及體積配比濃度優化

1. 暫堵材料的選擇優化

暫堵劑選擇主要有三個方面要求：①黏滯性，在井筒中不發生剪切流動，實現井筒封閉；②吸水性，保證能夠產生凍黏效應，承受封閉井內的壓力；③流變性，實現泵送。

經調研，黏土礦物與水混合形成的漿體最為符合暫堵劑性能要求。實驗研究相同體積濃度的漿體，屈服應力影響的大小為蒙脫石>伊利石>綠泥石>高嶺土，因此選擇蒙脫石為暫堵劑的主要材料。

2. 暫堵材料濃度配比分析

泵入過程中，因暫堵劑未全封井筒，暫堵劑上下壓力近似相等，則暫堵劑要滿足在重力的作用下不發生流動，才可實現封閉井筒的目的，即G

T=30SC2e22CP

(2)

式中：G—暫堵劑的最大自重應力，Pa；T—膨潤土漿體的屈服應力，Pa；C—體積濃度，%；S—系數，當C>0.55時，S=e30(C-0.55)；C≤0.55時，P<20%，S=2.0；P≥20%，S=4.0。

根據式(2)，結合現場情況，現場使用膨潤土中蒙脫石含量大于95%，取P=95%。則可得出暫堵劑屈服應力與暫堵劑受到最大自重應力的曲線對比圖，如圖1所示。

從圖1中可以看出，暫堵劑濃度達到40%以上后，隨著濃度繼續增加，其屈服應力將遠遠大于暫堵劑所受到最大的自重應力，因此不會在油管中發生剪切流動，確定膨潤土漿的最低濃度為40%。因此在平常實施過程中，若是試壓不合格，可能為體積濃度過低，部分暫堵劑流動至井底，沒有實現井筒封閉，可適當增加暫堵劑體積濃度，保證其暫堵效果。

圖1 屈服應力與自重應力對比曲線

三、冷凍溫度及冷凍時間優化

1.冷凍溫度優化分析

1.1 冷凍溫度與暫堵強度關系

冷凍的溫度直接影響凍黏系數的大小，進而影響暫堵強度。經過實驗數據分析，在溫度降低到0℃以下的過程中水由液態轉變為固態，在這一過程中隨著溫度的降低，凍黏系數逐漸增加并在達到一定的值后基本保持不變，如圖2。

從圖2中可以看出，當溫度下降到-20℃后，界面趨于穩定，繼續降溫，凍黏系數幾乎不變，暫堵強度也不再增加，因此確定冷凍溫度需低于-20℃。

圖2 溫度與凍粘系數的關系曲線

1.2 冷凍劑優選

從溫度對凍黏強度的影響可以發現，一般材料在溫度到了-20℃，繼續進行降溫，凍黏系數不會增加，即暫堵強度也不會增加。因此選擇的冷凍劑只要能夠制造小于-20℃的溫度場即可。目前常用的冷凍劑主要有干冰、液氮、液氨等。

冰無法滿足溫度要求；液氮制造溫度較低，且容易造成窒息，現場氣化過程中不容易控制；液氨有腐蝕性、毒性，現場操作困難，因此選干冰作為冷凍劑。

2.冷凍時間優化分析

2.1 冷凍時間與暫堵強度關系

在特定溫度下凍黏系統的平衡依賴于凍結時間，實驗表明，在系統未進入熱量平衡之前，凍結時間與凍結強度呈線性增長關系。當系統進入熱平衡之后，凍結時間基本不影響凍結效果，如圖3所示。從圖3可以看出，材料的凍黏界面形成都在3 h內達到平衡，3 h后凍黏系數沒有太大的變化，因此長時間的冷凍對于凍黏強度沒有較大的提升，冷凍時間在到達冷凍溫度的基礎上3 h即可以達到冷凍效果。

圖3 凍結時間與凍黏系數關系曲線

2.2 冷凍時間優化分析

根據現場情況，冷凍時從表層套管向油管逐步冷凍，假設在干冰冷凍作用下，油套結構由室溫25℃降至-78℃所需的時間，假定干冰作為恒溫源，溫度保持-78℃不變。各層套管及油管形成的同心圓柱兩端不傳熱。通過瞬態熱分析，在?339 mm外層套管、?177.8 mm油層套管、?73 mm油管的管柱結構中注暫堵劑，干冰冷凍3.5 h后，油套環空的最高溫度降至-23℃。根據前面的凍黏強度實驗，溫度的繼續降低并不會增加凍黏強度，在溫度降至-23℃后，繼續冷凍3 h后，可完成冷凍的過程，確定整個冷凍完成時間為6.5 h。

四、暫堵劑用量優化分析

暫堵劑用量直接代表著暫堵劑與油管接觸的面積，暫堵劑的凍黏強度需大于井內作用在暫堵劑上的壓力，根據暫堵強度計算公式(1)，可以確定不同壓力下所需要的暫堵劑長度，如式(3)所示。

Fz=τ·Sice·g≥FP=p·STub

(3)

式中:Fz—凍黏強度，N；FP—作用在暫堵劑上的上頂力，N；p—油壓，MPa；STub—油管內截面積，m3。

根據氣井情況，可以確定不同油管尺寸下，井口壓力所需泵注的暫堵劑長度，如圖4所示。在保證相同冷凍溫度和時間的基礎上，從曲線可以看出暫堵劑越長，與油管接觸面積越大，形成的暫堵強度越大，可以有效提高暫堵壓力，保證暫堵效果。

圖4 井口壓力與暫堵劑長度關系曲線

表1 施工井情況

五、現場應用

根據優化分析結論，在DX180X、DX170X兩口氣井實施冷凍暫堵工藝，均獲得成功，情況如表1所示。

DX180X井1#閥門開關不動作，無法開井；DX170X井2015年7月發現BT密封注脂閥泄露，存在井口失控的風險。根據現場問題，選擇冷凍暫堵井口帶壓作業技術，為了保證施工安全，將漿體濃度、暫堵劑使用量、冷凍時間均進行優化提高，其中暫堵劑按60%進行配比，暫堵劑長度1 m，可控制50 MPa井口壓力，均備用800 kg干冰，成功完成施工。解決井口問題，消除了安全隱患。

六、結論與認識

(1)通過對不同黏土礦物特性、體積濃度對暫堵劑屈服應力的影響分析，優化了冷凍暫堵劑材料及體積配比濃度優化，確定了膨潤土漿的最佳體積濃度。

(2)通過冷凍時間、冷凍溫度和暫堵劑用量等因素對暫堵強度影響研究評價，優化了冷凍溫度、冷凍時間和冷凍暫堵劑的用量等現場施工參數。

(3)根據研究結論，有效指導了現場作業，達到安全施工的目的，為氣井正常安全生產提供了重要保障。