冷凍暫堵技術在陜5X井的應用

雷宇，賈增強，王海峰，劉琳

中國石油長慶油田蘇里格南作業分公司（陜西 西安 710018）

常規帶壓更換井口裝置技術主要有液壓式堵塞器帶壓換閥技術、冷凍暫堵技術等[1]。冷凍暫堵技術具有作業周期短、封固效果好、作業風險低、自然升溫解堵便利等優勢。加拿大SNUBCO 公司研發出冷凍暫堵技術后，已成熟地在加拿大、美國等地應用。自2008年國內首次在罐31井應用冷凍暫堵技術以來[2]，四川油田、新疆油田、長慶油田相繼應用此項技術。

1 冷凍暫堵技術原理

1.1 技術原理

冷凍暫堵技術可進行套管環空和油管內暫時封堵，能進行井口更換和維護等操作（圖1）。該技術是在表層套管周圍安裝冷凍盒并在冷凍盒內加入冷凍劑，然后通過液壓注入系統將封堵劑注入待封堵的井筒空間內，采用冷凍介質在套管外圍持續降溫并保持溫度在-70 ℃至-45 ℃，由外層套管逐漸向油管內冷凍直至暫堵劑與套管、油管緊密結合，形成冰凍橋塞密封環空和油管內徑，封隔井內壓力，從而實現暫閉井筒、隔離井內高壓，達到更換井口控制裝置的目的。

圖1 冷凍暫堵工藝示意圖

1.2 技術特點

1）該技術適用于-35 ℃至-50 ℃環境條件，可以通過溫度傳導同時暫堵多級套管環空和油管內部。

2）暫堵成功后，持續向冷凍盒內加入冷凍劑，可保持穩定溫度場，暫堵橋塞性質穩定，安全系數高。

3）解堵方便。冷凍盒拆除后可通過自然升溫或人工加熱解堵。

4）暫堵壓力高。最大工作壓力70 MPa，反向試壓時要求至少為關井井口壓力的1.5倍。

5）井口壓力越高、空間尺寸越大，冷凍暫堵橋塞長度設計要求越高[3]。

1.3 設備參數

1）整套設備全部安裝在一個6.1 m（20 英尺）的標準集裝箱內（圖2）。

圖2 冷凍設備示意圖

2）注入系統的注入壓力為51.7 MPa。

3）配備有雙注入系統，一用一備。

4）整體式增壓系統使注入系統可以在低壓下工作。

5）閥門、管匯最大工作壓力為70 MPa。

1.4 工藝參數

1.4.1 冷凍劑選擇

現場應用選擇干冰作為冷凍劑。干冰是固態的二氧化碳，是利用干冰從固態升華到氣態的一個物理變化過程。為達到冷凍管柱的效果，需配合低冰點液相物質甲醇進行熱傳導。由表1 可知，干冰在升華過程中，在常壓下氣化時可使周圍溫度降到-78 ℃左右。甲醇的相態穩定，始終以液態形式傳遞熱量，當部分干冰升華消耗后，可以持續添加干冰至液相甲醇中，達到持續冷凍的效果。

表1 冷凍劑物性參數

1.4.2 暫堵劑選擇

實驗效果顯示，選擇蒙脫石為主要成分的膨潤土作為暫堵劑，蒙脫石的化學成分為（Al2，Mg3）-Si4O10OH2·nH2O。它具有增稠性、觸變性、懸浮穩定性、高溫穩定性、耐水性及化學穩定性，是油氣田生產中廣泛應用的一種暫堵材料[4]。暫堵劑的配比對封堵效果起重要作用，按照水土比1：1、1：2、2：1、2：3進行4 組實驗，通過冷凍、取出、解凍，觀察物性，當水土比為1：2 時，混漿相對較稠，冷凍后表面結冰，解凍后靜置仍保持黏稠狀態，因此選取1：2 為暫堵劑配比。

1.4.3 暫堵劑用量

計算暫堵劑的用量，需充分計算油管空間封固體積、油套環空封固體積及采氣樹閥門通道附加體積。此外還需要考慮清洗井內管串所需量，因此注入量一般為計算容積的1.5～2.0倍。

式中：V1為油管封堵體積，L；V2為油套環空封堵體積，L；V3為采氣樹及閥門通道附加體積，L。

1.4.4 冷凍橋塞長度計算

根據前期室內研究，得出冷凍橋塞最短安全長度經驗公式[5]

式中：Lmin為最短安全長度，m；Di為封堵管柱內徑，mm；Psi為管柱內的壓力，MPa。

1.4.5 冷凍橋塞承壓試驗

冷凍橋塞的承壓能力直接影響施工安全，為了直觀掌握冷凍橋塞承壓能力，特別進行了實地試驗。選用Φ273 mm 表層套管、Φ177.8 mm 技術套管、Φ73 mm 油管的管柱結構進行實驗，使用60 cm高冷凍盒形成有效冷凍橋塞長度57 cm，冷凍12 h對油套環空及油管內形成的暫堵橋塞反向試壓50 MPa，觀察30 min無壓降。

1.4.6 冷凍時間

利用ANSYS數值模擬軟件進行瞬態熱分析，經過參數修正，得出經驗公式：冷凍時間=最大管徑×1.5+1.5-2，單位為h。

根據公式得出Φ177.8 mm 套管冷凍時間不得小于12.5 h；Φ73 mm油管冷凍時間不得小于6.5 h。

1.4.7 冷凍前后鋼材性能

上海寶鋼研究院（技術中心）出具的檢驗報告顯示：冷凍后管材的沖擊性能值與冷凍前沖擊性能值相差不大，且冷凍后管材的沖擊值仍超過規定值，如圖3所示?？梢缘贸鼋Y論：冷凍暫堵后不會對鋼材性能造成影響。

圖3 管材性能檢驗結果

2 陜5X井技術措施

2.1 基本情況

陜5X 井是靖邊氣田西區的一口預探井。該井于1992 年5 月完井，1992 年7 月至11 月開展酸化1次、壓裂1 次、試氣2 層的井下作業，在山西組兩段砂巖儲層獲無阻流量8.642 8×104m3（下古儲層試氣僅見氣顯示，日產水42.66 L，打水泥塞封堵）。自1992年完井以來，該井曾于1998年、2007年開展過測試作業。氣井當前油壓23 MPa，套壓23 MPa。

2.2 隱患診斷

2018 年1 月，發現該井1 號閥門閥桿處有輕微漏氣聲。該井油管1號主閥存在內漏及輕微外漏情況，2、3 號主控閥門均存在內漏問題。該井泄漏閥門可完全打開，閥門型號為KQ600，閥門本體情況較完好，但閥桿處密封件因老化及銹蝕等原因而發生漏氣，且該閥門無注脂孔，無法通過注脂來改善漏氣狀況。

井場周邊農田密布，有多戶農牧民居住，采用常規壓井措施處理存在作業周期長、作業液體量大、放空作業難度大等問題。

2.3 方案制定

通過反復討論后，制定陜5X井冷凍暫堵施工設計，決定利用冷凍暫堵技術先封堵Φ273 mm表層套管和Φ177.8 mm 技術套管之間的環空，再封堵Φ177.8 mm 技術套管和Φ73 mm 油管之間的環空后，泄掉圈閉壓力，更換采氣樹1、2、3號主閥。

3 陜5X井換閥施工過程

3.1 施工準備

2018年9月6日至10日，完成了井口開挖工作，作業面充分暴露。經現場確認，Φ273 mm表層套管和Φ177.8 mm 技術套管之間的環空存在進入通道，無需進行帶壓鉆孔作業。向Φ273 mm 表層套管與Φ177.8 mm技術套管之間環空注入清水6 L，液位達到觀察口。靜置24 h，此環空液位未降低，確認不需要對此環空注入暫堵劑封堵，準備工作完成。

3.2 預冷凍作業

9月11日18：00，在井口表套外安裝60 cm高冷凍盒，使用干冰作為冷凍劑，配合甲醇進行熱力傳導，確保充分起到制冷及傳熱作用。預冷凍2 h后，干冰與甲醇混合物使表套與氣套、氣套至油管、油管內部形成一個低溫場，預冷凍作業順利完成。

3.3 暫堵劑注入

9月11日20：00，由高壓泵將攪拌均勻的膨潤土暫堵劑緩慢擠入油套環空，暫堵劑在冷凍部位掛壁、聚結，形成封堵橋塞，經井口觀察套管壓力穩定。過程中累計注入暫堵劑80 L。9月12日10：00，倒換流程，將注劑管線接到9 號測試閘門下游對油管進行注劑。此過程向油管內注入暫堵劑20 L。

3.4 冷凍候凝

9 月12 日12：00，在完成油管內注暫堵劑后，開始冷凍候凝。候凝期間，繼續向冷凍盒內添加干冰，保證冷凍溫度持續低于-50 ℃，保證封堵塞凝固良好。

3.5 主閥更換

9月13日14點，在環空冷凍40 h、油管冷凍24 h后，正式啟動主閥更換作業。對油管內冷凍橋塞反向試壓28 MPa，觀察15 min 壓降0.5 MPa，泄掉冷凍橋塞上部壓力觀察15 min，壓力不上升，確認暫堵成功，開始進行1 號閥更換作業。在舊閥總成被吊離后，作業人員迅速在7 min內將1號主閥安裝到位。

隨后對油套環空內冷凍橋塞反向試壓28 MPa，觀察15 min 壓降為0，泄掉冷凍橋塞上部壓力觀察15 min，壓力不上升，確認暫堵成功。立即對2、3號主閥進行了拆除搶裝，于17點完成了2、3號主控閥門更換（圖4）。

圖4 主閥更換現場

3.6 試壓

閥門更換完成后利用冷凍暫堵設備對更換好的新閥門連接處試壓28 MPa，觀察15 min，閥門連接處無外漏，試壓合格，恢復井口（表2）。

表2 試壓記錄

4 結論

1）通過陜5X 井冷凍暫堵更換井口主閥作業實踐，證實該工藝是一項高效的封堵高壓流體、快速更換井口主閥的工藝措施。

2）冷凍暫堵技術無需壓井、不產生大量作業液體、作業設備少、占地面積小，較堵塞器作業或壓井作業更安全、環保、高效。

3）蘇南區塊內目前有近50口邊遠探井，部分老井井口壓力高、完井時間較長，井口普遍存在閥門密封件老化問題，下步將繼續對邊遠探井進行排查，確保邊遠老探井安全，筑牢安全生產防線。