鉆柱冷凍塞技術在FOX-Z-ST井井控作業中的應用

黃在福

（中國石化集團國際石油勘探開發有限公司，北京 100029）

1 概況

FOX-Z井是中國石化集團國際石油勘探開發有限公司在喀麥隆Makoko Abana區塊Foxtrot平臺上部署的一口探井，勘探目的層為S5C和S5D砂巖，設計完鉆井深3 657 m。Foxtrot平臺所在水域水深42 m，使用COSL Seeker自升式鉆機進行鉆井施工。該井于2018年9月7日開鉆，鉆井過程中邊涌邊漏。2018年10月7日在完井起鉆過程中發生嚴重溢流，強行起鉆并下入簡易鉆具，在套管鞋處打、擠水泥塞填井后，于2018年10月21日在2 708 m處側鉆為FOX-Z-ST井。

FOX-Z-ST井鉆至2 780 m，又遇井涌和漏失同存情況。2018年10月25日，下注入水泥管柱在2 712 m遇阻，連接頂驅開泵后鉆具不通，上下活動及轉動均無效，鉆具發生埋卡。停泵后觀察，鉆柱內立壓9.61 MPa，環空套壓9.79 MPa，鉆柱內外放壓聯動緩慢，且鉆柱內外無法建立循環，需斷開鉆柱尋找其他解卡方法。但是地面轉盤到頂驅內防噴閥（IBOP）之前，沒有旋塞式安全閥（TIW）等閥件，無法用常規方法實施鉆柱斷開。

2 鉆柱冷凍塞技術

2.1 井控壓力屏障

鉆柱冷凍塞技術是利用鉆柱鋼材的導熱性能，向鉆柱內注入冷凍劑（或對鉆柱內已存液體），通過管外吸熱制冷手段，使得鉆柱內液體有效凍結后作為壓力屏障。冷凍塞作為低壓臨時屏障，在管道維修和維護中已經是比較成熟的技術。

Flak等［1］在1997年7月22日已將“伺服井口的設備和方法組合”申請美國專利（冷凍塞最大有效隔絕壓力達70 MPa），2002年利用此專利在阿聯酋Sajaa油田應用5口井，并取得了成功［2］。自此，國內外開始大量嘗試對不同管徑的井口部分進行物理方式冷凍，作為冷凍塞以上部分的設備維修、維護、更換的壓力屏障［3-5］。但在鉆修井時，對鉆柱進行物理方式冷凍，作為高壓井控壓力屏障，本井應為首例。

2.2 技術要素

FOX-Z-ST井應用的是Boots and Coots IWC公司的鉆柱冷凍技術體系，包括冷凍塞位置、長度和溫度的確定，冷凍介質、制冷介質的選擇以及是否使用帶壓打孔設備等技術要素。

2.2.1 冷凍塞位置

FOX-Z-ST井鉆柱冷凍的主要目的是為了安全斷開近鉆臺面的鉆柱，快速換裝TIW等控制閥件，為下步爆炸松扣或鉆柱內通徑作業做準備。因此，冷凍塞位置的選擇需要滿足5個條件：1）工具接頭在冷凍面以上；2）工具接頭需要在上扣、卸扣大鉗可升降的范圍，這樣冷凍后，大鉗方可實施上扣、卸扣作業；3）冷凍塞有足夠的長度，以保證高壓隔絕效果；4）可以觀察到上、下霜面，判斷冷凍是否成功；5）施工面滿足人工作業要求。為此，設計了盛放冷凍劑的干冰桶，因干冰桶與冷凍塞位置重合，冷凍塞位置即干冰桶位置。冷凍塞安裝位置如圖1所示。

圖1 冷凍塞安裝位置示意

2.2.2 冷凍塞長度

參考Powers等［2］現場實施高壓壓力屏障的經驗，通常最大有效隔絕壓力達70 MPa的冷凍塞，需要最小有效長度在0.4 m以上。新疆克拉瑪依油田實施的冷凍塞技術也有類似經驗。因此，可得到計算冷凍塞長度的經驗公式（見式（1）），公式適用于內徑 0.114～0.304 m的鉆柱。經驗公式為

式中：L為冷凍塞最小有效長度，m；K為液體壓縮系數，取值0.090 6 MPa-1；p為冷凍塞最大有效隔絕壓力，MPa；D為冷凍鉆柱的內徑或冷凍介質斷面的最大直徑，m。

通過經驗公式計算出冷凍塞最小有效長度，參照此長度設計制冷劑容器的高度或纏繞管波及的長度。

2.2.3 冷凍塞溫度

根據低溫金屬學研究成果［3］，普通碳鋼的低溫結晶臨界溫度為-101℃，低于臨界溫度后，金屬分子結晶，鉆柱將很快失效。

在有載荷的情況下，臨界溫度可能會進一步升高。因此，施工后鉆柱冷凍溫度應遠高于此溫度。一般情況下，根據施工經驗，建議在施工現場保持鉆柱冷凍的最低溫度不低于-73 ℃［4］。 也有文獻［5］認為，鉆柱冷凍最低溫度保持在-20℃，這為制冷介質和冷凍介質的選擇提供了參考。

2.2.4 冷凍介質

純凈水在大氣壓下的冰點溫度為0℃，是比較理想的冷凍介質。但在現場施工中，因為鉆柱內部有鍍層，使用油基鉆井液或含油鉆井液會在鍍層表面形成一層油膜。如果使用純凈水作為冷凍介質，這層油膜將不能起到隔絕壓力的作用。同時，水在結冰時的膨脹體積比大于水基鉆井液，對壓力監測的控制難度要稍加復雜。考慮到這2種情況，加入燒堿和膨潤土制成可親油的堿水鉆井液就是理想的選擇。也有文獻［5］認為，配漿使用的膨潤土質量分數在40%以上，膨潤土中蒙脫土占比在90%以上時，效果最好。此外，現場鉆井液至少預水化6 h，加入適量燒堿進行處理，達到黏度適中，pH值在10以上，保證鉆井液形成的冷凍塞在鉆柱內壁附著。

2.2.5 制冷介質

制冷介質的選擇根據市場條件來決定，通常比較經濟實用的是液氮和干冰。液氮儲存溫度在-217.7℃，遠遠低于普通碳鋼的低溫結晶臨界溫度，因此不宜直接與管體接觸。在現場施工中，選擇黃銅或合金材質的螺旋繞管，制冷介質在繞管中循環，借助繞管和鉆柱良好的導熱性能，將鉆柱中的熱量帶走，實現管體冷凍降溫的目的。通過控制流過繞管的液氮流量，結合繞管表面溫度，可以控制冷凍塞溫度。由于液氮儲存溫度低，因此施工時用量少，施工效率高。

干冰常規儲存溫度適中（-78.5℃），可以直接與被冷凍的管體接觸。將干冰與甲醇混合盛放在容器中，用于不規則的管體表面。施工時，干冰直接以氣化形式從管體吸熱，達到冷凍的目的。干冰冷凍一般無法控制冷凍溫度，只能依靠施工者的經驗來確定加冰的時間和數量［6-13］。由于液氮在該地區市場條件下不能滿足施工要求，喀麥隆FOX-Z-ST井在現場使用了干冰作為冷凍介質。

2.2.6 帶壓打孔設備

帶壓打孔設備是鉆柱冷凍工藝的輔助設備。該設備主要用于有壓力的情況下，通過鉆柱表面打孔連通，達到監測壓力和輸送冷凍介質到達待冷凍部位的目的。帶壓打孔具有一定的風險，容易破壞封閉壓力系統。如果施工現場可以用其他方式進行壓力監測，同時冷凍介質比較容易輸送到位，也可以不使用帶壓打孔設備。

2.2.7 不可控風險

雖然鉆柱冷凍塞技術是比較成熟的技術，但是由于施工現場具體情況不同，施工不可控風險依然存在。不可控風險主要與管體的低溫結晶臨界溫度，管材的金屬組分、使用年限、合金成分、管壁厚度以及鉆柱的實際使用情況有關，現場無法在短時間內確定哪種溫度是針對該管體的合適臨界溫度。在現場施工時，盡量提高冷凍塞溫度，降低鉆柱在冷凍施工時的負荷，以及避免冷凍施工過程中的人為撞擊，這些都是風險控制的常用措施。

3 現場應用

2018年10月25日，FOX-Z-ST井面臨壓井過程中鉆柱發生卡鉆、鉆柱內外帶壓的緊急情況。通過鉆柱內嘗試開泵循環不通，無法實現循環壓井；同時，鉆柱內外壓力持續緩慢升高，如不采取緊急措施，關井時間太長會帶來更多的井控風險。因此，現場決定對鉆臺面上的部分鉆柱實施安全斷開。通過使用冷凍塞臨時暫堵，實現管內密封，斷開鉆柱后裝上控制閥件，后續使用帶壓射孔或者帶壓爆炸松扣等其他手段，對該井實現控制。

3.1 第1次施工

利用經驗公式計算可知，只要冷凍塞最小有效長度在0.2 m以上，則FOX-Z-ST井的最大有效隔絕壓力可達21 MPa。考慮到現場的可操作空間，設計了制冷劑容器（見圖2）。2018年11月9日第1次施工。首先，將鉆柱盡量上提，置于轉盤面，放松負荷，保證鉆具接頭和冷凍塞處于自由不受力的狀態；然后，關內防噴閥，卸開內防噴閥上的頂蓋，連接到水泥車，向鉆柱內泵入預先配制的堿水鉆井液0.510 0 m3，當泵壓為35 MPa時停泵。堿水鉆井液和油基鉆井液的接觸面位于鉆臺面以下14.00 m，距冷凍塞下端面14.45 m。在容器中加入干冰，外敷保溫層，靜置10.5 h，同時觀察立壓和套壓，基本無變化。當觀察到容器有明顯上、下霜面時，冷凍操作完成，之后在鉆柱內進行正反向試壓。當泵入堿水鉆井液0.130 0 m3，鉆柱內壓力上升至42.00 MPa后，開始緩慢放壓；當壓力下降至8.83 MPa，返出堿水鉆井液0.570 0 m3，繼續放壓至0.35 MPa，返出堿水鉆井液0.300 0 m3，此時可判斷冷凍操作失敗。第1次施工失敗后關井。

圖2 制冷劑容器示意

3.2 第2次施工

2018年11月10日第2次施工，用帶壓打孔設備在鉆臺面以上4.5 m處打孔，連接水泥車。為改變鉆柱內壁潤濕性，首先，由打孔處泵入0.636 0 m3清水和沖洗液至冷凍塞下端面20.0 m處，放壓回吐0.300 0 m3后，立壓為9.6 MPa；然后，由打孔處再泵入0.330 0 m3堿水鉆井液，泵壓至21.0 MPa時停泵。在容器中加入干冰，外敷保溫層，靜置10 h，同時觀察立壓和套壓的變化。立壓在21.0 MPa左右波動，先緩慢降低至18.5 MPa，然后緩慢回升至21.0 MPa，套壓基本無變化。當觀察到容器有明顯的上、下霜面時，冷凍操作完成，之后在鉆柱內進行正反向試壓。當緩慢放壓至0 MPa，僅返出0.011 5 m3堿水鉆井液，之后不再返出。持續觀察20 min，立壓仍然保持在0 MPa，此時可判斷冷凍操作成功。

4 施工分析

通過FOX-Z-ST井第1次與第2次施工參數對比（見表1），得到如下5點認識：

表1 第1次與第2次施工參數對比

1）由經驗公式計算的FOX-Z-ST井冷凍塞最小有效長度為0.2 m，而實際施工的冷凍塞長度為0.89 m，實際長度是計算長度的4倍多。實際冷凍塞最大有效隔絕壓力為21 MPa，是文獻［1］冷凍塞最大有效隔絕壓力70 MPa的30%。結果表明，本井施工是安全可靠的，此冷凍塞操作可以重復使用。

2）冷凍塞承壓成功與否，通常與冷凍塞長度、冷凍介質、制冷介質和制冷時間有關。FOX-Z-ST井的實踐證明，冷凍塞承壓成功與否也與鉆柱內壁潤濕性有關。FOX-Z-ST井第1次與第2次施工條件相同，但是結果不同，說明鉆柱內壁潤濕性不足也會導致冷凍操作失敗。

3）在有井控風險的情形下，保證鉆柱完整性是施工首先考慮的問題，帶壓打孔設備是FOX-Z-ST井鉆柱冷凍塞施工成功的必要設備。FOX-Z-ST井實踐證明，當鉆柱完整而施工不成功之后，不得不靠近冷凍塞位置泵入清水和沖洗液以改變鉆柱內壁潤濕性的條件下，才可以使用帶壓打孔設備。

4）冷凍塞長度為計算的最小有效長度，冷凍塞越長，施工成功率越高［14-20］。冷凍塞實際長度應根據現場施工條件，盡量選取最長的冷凍塞進行施工，以保證達到壓力阻隔的目的。

5）制冷劑的選取需要綜合考慮制冷劑的市場條件、施工現場所具備的工具、制冷容器，以及制冷劑的保存、運輸、施工要求等，并結合鉆柱表面的可接觸性進行選取。

5 結論

1）FOX-Z-ST井的成功實踐，證明使用物理冷凍塞作為高壓井控壓力屏障是可行的，可實現冷凍塞最大有效隔絕壓力達21 MPa。

2）考慮到冷凍塞作業時，需要改變鉆柱內壁潤濕性，因此在以后的施工中，對于鉆柱內使用油基鉆井液的井，建議在沖洗液中加入乳化劑，以改變冷凍塞與鉆柱接觸面的潤濕性。

3）FOX-Z-ST井鉆柱冷凍塞技術作為高壓井控壓力屏障雖然已經成功，但由于施工中存在一些不可控因素，且冷凍塞會隨著時間自然融化后失效，作為唯一井控壓力屏障是存在風險的。建議只有在迫不得已的情形下，才按照FOX-Z-ST井的參數來施工。