105 MPa冷凍暫堵裝置的研制及應用

胡旭光羅衛華劉貴義

（1.中國石油集團川慶鉆探工程有限公司鉆采工程技術研究院，四川 廣漢 618300；2.國家能源高含硫氣藏開采研發中心，四川 成都 610051）

0 引言

2008年，國內引進了70 MPa冷凍暫堵裝置，并在四川氣田罐31井、七里028-X1井等氣井進行了應用［1-6］。其中七里028-X1井在完井后發現采氣樹2號、5號閘門內漏，無法關閉及密封，油套壓力為31 MPa，采用冷凍暫堵技術成功更換了2號、5號閘門，但作業壓力已接近70 MPa冷凍暫堵裝置注入壓力的極限（按照冷凍暫堵裝置設計結構，注入壓力應大于2倍井口壓力與暫堵劑注入管匯壓力損失之和），原有的70 MPa冷凍暫堵裝置已出現注入困難的情況，從而對冷凍暫堵裝置注入壓力提出了更高的要求。隨著油氣勘探開發向著深井、超深井方向發展，隱患井口治理面臨的壓力越來越高，技術難度也越來越大，急需研制更高注入壓力的冷凍暫堵裝置。因此，通過自主研發，成功研制了國內首套105 MPa冷凍暫堵裝置，并在川渝、長慶等區塊開展應用，最高作業壓力達48 MPa，以期達到滿足高壓氣井帶壓更換井口裝置的需要。

1 冷凍暫堵技術

冷凍暫堵技術是指在井口或管柱帶壓狀態下，利用冷凍暫堵裝置注入暫堵介質封堵井口和管路，暫時封隔井內壓力，達到安全更換泄漏井口裝置的技術［7-9］。通過冷凍裝置的注入系統將暫堵劑注入環空和油管內，然后在套管周圍實施降溫，采用冷凍劑將套管周圍的溫度保持在-70℃左右，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，形成冷凍橋塞，密封環空或油管，從而完成對采氣井口及泄漏閘門的檢修或更換［10-15］。冷凍暫堵作業示意圖如圖1所示。

圖1 冷凍暫堵作業示意圖

該技術特點主要包括：①冷凍介質最大注入壓力為105 MPa，冷凍最低溫度為-70℃，冷凍橋塞最大高度為1 m，可承受最大壓差為70 MPa；②冷凍暫堵安全系數高。暫堵成功后如果冷凍劑一直保持在冷凍盒內，封堵強度隨著時間增加會不斷增強；③可通過小通徑管柱封堵大通徑管柱，不受背壓閥結構、油管腐蝕等情況的影響［16-19］；④可同時封堵各層套管環空及油管內通道，實現冷凍橋塞上部泄漏井口裝置的整體更換；⑤解堵方便。拆除冷凍劑后，可加熱升溫解堵或自然升溫解堵，暫堵劑可經放噴管線排出，不污染儲層；⑥多層冷凍暫堵時必須遵循從外到內逐層冷凍的原則。

2 裝置組成及設計優化

研制的105 MPa冷凍暫堵裝置由以下部件組成（圖2）：液壓控制系統、注入缸、增壓缸、預注系統、輔助組件。

1）液壓控制系統控制整套裝置工作流程。主要包括:防爆電機、壓力補償變量泵、液壓控制回路、液壓控制操作臺。通過液壓控制系統可調節暫堵劑注入壓力及速度，以適應不同井況施工要求，同時配套了可監控暫堵劑注入速度及注入量的監控系統，以保證冷凍暫堵施工的成功率。

2）注入缸將暫堵劑推入高壓油氣井管柱內和環空。主要包括：高壓注入缸、高壓旋塞閥、單流閥、高壓管組。注入缸采用內孔鍍鉻，活塞采用雙面J型骨架密封圈，解決液壓油與暫堵劑雙介質高壓密封問題。兩側頂蓋采用卡槽式連接，保證高壓的連接強度的同時減小注入缸整體尺寸。

3）增壓缸將粘稠的暫堵劑推入高壓注入缸，主要包括：螺桿泵、輔助注入缸及注入管路。采用雙節組合式結構，減小了內腔室加工難度，確保高壓密封有效。

4）預注系統使暫堵劑混合均勻后進行預注，包括防爆電機、攪拌器等。

5）輔助組件主要包括：維修臺、工具柜、高壓熱水洗消泵、配電柜、照明系統、視頻監控系統等。

3 缸體設計與校核

注入缸與增壓缸為冷凍暫堵裝置核心部件，通過重新設計注入缸與增壓缸實現工作壓力由70 MPa向105 MPa的提升。設計的105 MPa冷凍暫堵裝置只有注入缸及增壓缸為非標準件，故設計只需對注入缸及增壓缸做強度校核，其他部件均為標準件，可不做強度校核。

圖2 105 MPa冷凍暫堵裝置組成示意圖

3.1 缸體體積設計

目前常見隱患井需冷凍的套管尺寸為Φ139.7 mm，但考慮可能出現的特殊井大尺寸冷凍需要，設計時模擬冷凍Φ177.8 mm的光套管，一般注入暫堵劑高度約為3 m，則共需暫堵劑為0.068 m3。

1）注入缸體積設計

設定注入缸有效直徑為200 mm，則每米容積為0.031 m3，若有效行程為1.2～1.5 m，則容積可達0.037～0.047 m3，采用雙缸設計，則容積可達0.075～0.094 m3，大于0.068 m3，注入缸設計體積滿足需注入暫堵劑量，可一次完成注入。

根據上述情況，按照《液壓缸設計與制造》［20］確定注入缸尺寸及參數如下：缸徑為Φ160 mm，行程為1 067 mm，工作壓力為105 MPa，單程注入容量為21 L。

2）增壓缸體積設計

若增壓缸外形尺寸與注入缸一致，保證增壓缸正常工作壓力為105 MPa，根據施工經驗，選擇增壓比為5，計算缸徑為89.4 mm，選擇標件缸徑為80 mm，若增壓缸有效行程為600 mm，則增壓缸行走一次可注入暫堵劑達0.003 m3，注完一個注入缸體積的暫堵劑需要增壓缸往復運轉10～15次。為盡量減少增壓缸往復運轉次數，盡量實現一次注入完成，同時根據參數計算查閱《液壓缸設計與制造》后確定增壓缸的尺寸及參數如下：

增壓缸輸入端缸徑為Φ280 mm，桿徑為100 mm，行程為575 mm，工作壓力為21 MPa。

增壓缸輸出端缸徑為Φ125 mm，行程為575 mm，增壓比為5，最大輸出壓力為105 MPa，單程增壓容量為7 L。

3.2 缸體壁厚計算

根據《液壓缸設計與制造》的要求，高壓液壓缸按厚壁筒計算，可得壁厚δ計算公式：

式中，δ為壁厚，mm；D為缸體內徑，mm；［σ］為缸體材料許用應力，［σ］＝σb／n，σb為材料的抗拉強度，對于35CrMo鋼正火處理，取值為980 MPa，n為安全系數，取2.5；Py為使用壓力，取值為105 MPa。

根據公式（1）計算得出：注入缸缸體理論厚度δ為55.89 mm，缸體外徑為Φ271 mm。

輸入端缸體理論厚度δ為43.55 mm，缸體外徑為Φ367.1 mm。輸出端缸體理論厚度δ為52.24 mm，缸體外徑為Φ229 mm。

3.3 缸體強度計算與校核

1）缸體最高使用壓力

根據《液壓缸設計與制造》，缸體最高使用壓力可由以下公式求出。

式中，Pmax為缸體最高使用壓力，MPa；σS為缸體材料的屈服強度，對于35CrMo鋼正火處理，σS＝850 MPa；D1為缸體外徑，mm；D為缸體內徑，mm。

2）缸體塑性變形應力計算

式中，Pd為缸筒發生塑性變形的應力。

3）缸筒徑向變形量計算

式中，ΔD為缸體材料在試驗壓力下的變形量，mm；E為缸體材料彈性模數，對于鋼材E＝2.1×105 MPa；γ為缸體材料的泊松系數，對于鋼材γ＝0.3。

4）注入缸參數校核

根據式（2），可計算出注入缸缸體最高使用壓力Pmax＝197 MPa，大于冷凍暫堵裝置設定的最大工作壓力105 MPa，滿足設計要求；

根據式（3），可計算出注入缸缸體塑性變形應力Pd＝460 MPa，大于冷凍暫堵裝置設定的最大工作壓力105 MPa，在105 MPa時缸體不會發生塑性變形，滿足設計要求；

根據式（4），可計算出注入缸缸筒徑向變形量ΔD＝0.19 mm，小于缸筒材質35CrMo允許徑向變形量，滿足設計要求。

5）增壓缸參數校核

①增壓缸輸入端

根據式（2），可計算出增壓缸缸體最高使用壓力Pmax＝127 MPa，大于輸入端設定的工作壓力21 MPa，滿足設計要求；

根據式（3），可計算出增壓缸缸體塑性變形應力Pd＝237 MPa，大于輸入端設定的工作壓力21 MPa，在21 MPa時缸體不會發生塑性變形，滿足設計要求；

根據式（4），可計算出輸入端缸筒徑向變形量ΔD＝0.11 mm，小于缸筒材質35CrMo允許徑向變形量，滿足設計要求。

②增壓缸輸出端

根據式（2），可計算出增壓缸缸體最高使用壓力Pmax＝264 MPa，大于輸出端設定的最大工作壓力105 MPa，滿足設計要求；

根據式（3），可計算出增壓缸缸體塑性變形應力Pd＝237 MPa，大于輸出端設定的最大工作壓力105 MPa，在105 MPa時缸體不會發生塑性變形，滿足設計要求；

根據式（4），可計算出輸出端缸筒徑向變形量ΔD＝0.10 mm，小于缸筒材質35CrMo允許徑向變形量，滿足設計要求。

3.4 參數性能對比

自主研發的105 MPa冷凍暫堵裝置如圖3所示，暫堵劑最大注入壓力為105 MPa，高于國外主流設備最大注入壓力，增壓比為5，高于國外主流設備增壓比（表1），性能參數先進，同時該裝置也是國內首套自制冷凍暫堵裝置。

4 應用情況

圖3 105 MPa冷凍暫堵裝置圖

表1 與國外主流設備參數對比表

自2015年以來，該研究成果在川渝、長慶等油氣田推廣應用44井次，最高作業壓力達48 MPa，成功更換了一大批存在突出井控風險生產井、老井的井口裝置，解決了原有70 MPa冷凍暫堵裝置無法向高壓井注入暫堵劑的難題，消除了安全隱患，作業過程基本實現“零排放”，有效避免了傳統壓井作業存在的儲層傷害與環境污染，節約了施工成本，縮短了作業周期，具有一定的經濟效益與社會效益。

4.1 經濟效益評估情況

節約壓井液。若壓井后更換隱患井口，平均單井需壓井液量約為55 m3，1 m3壓井液按0.96萬元計算，則44井次節約壓井液費用為：55 m3×0.96 m3／元×44＝2 323.2萬元。

增加產氣量。單井冷凍暫堵施工周期為2 d，壓井后作業周期約為9 d，則單井可增加7 d天然氣生產日期。單井產量按5×104m3／d計算，每方天然氣按0.9元計算，則增加的經濟效益為：5×104×33×7×0.9元／m3＝1 039.5萬元。

4.2 社會效益評估情況

研究成果成功應用后更換了一批存在突出井控風險的高壓氣井井口裝置，消除了安全隱患，確保了周邊人民群眾生命和財產安全，提升了企業社會形象。作業過程基本實現“零排放”，有效避免了傳統壓井作業帶來的環境污染，積極落實和響應了國家環境保護政策。

5 結論

1）研制的國內首套105 MPa冷凍暫堵裝置由液壓控制系統、注入缸、增壓缸、預注系統、輔助組件五部分組成。

2）結合冷凍暫堵作業需要，以模擬冷凍Φ177.8 mm光套管為對象，設計了105 MPa冷凍暫堵裝置關鍵部件注入缸及增壓缸的尺寸及參數。

3）通過對注入缸與增壓缸缸體最高使用壓力、塑性變形應力、徑向變形量的計算與校核，驗證了設計的注入缸及增壓缸性能參數滿足冷凍暫堵作業最高注入壓力105 MPa的要求。

4）研制的105 MPa冷凍暫堵裝置已在川渝、長慶等地區高壓氣井隱患井口治理中推廣應用，解決了70 MPa冷凍暫堵裝置無法向高壓井注入暫堵劑的難題，極大提升了國內冷凍暫堵作業技術水平，經濟效益與社會效益顯著。