海上高壓氣井鋼絲作業關鍵技術

萬宏春

中海油能源發展股份有限公司 工程技術上海分公司（上海 200335）

高壓氣井鋼絲作業中，若工具串重量不夠易被氣流倒托至井口防噴盒，鋼絲被防噴盒密封盤根抱死，形成自鎖，工具串無法靠自重進行下入[1]。高壓氣井具有易生成水合物的特點[2]，在長時間關井后或投產開井過程中，因井口溫度上升緩慢，在井口及近井筒處易生成天然氣水合物，影響鋼絲工具的起下，容易造成工具遇阻卡等復雜情況。高壓氣井因井內壓力較高，開井下入鋼絲工具串，易發生工具串沖頂風險。通過對海上某高壓氣井鋼絲測壓的成功實施，有效解決了高壓致使鋼絲自鎖導致工具串下行困難的難題，抑制了高壓水合物的生成，規避了鋼絲工具串因壓差導致的沖頂風險，形成了一套高壓氣井鋼絲作業關鍵技術。

1 高壓氣井鋼絲作業關鍵技術

根據井口壓力的不同，鋼絲作業井口防噴方式也不同，常壓條件下一般采用防噴盒對鋼絲進行防噴密封[3]，靠防噴盒盤根對鋼絲進行滑動密封；25.58 MPa以上高壓條件下采用注脂密封系統，此時防噴盒不是主要密封機構，主要靠高壓流動密封脂對鋼絲進行動態密封。

高壓氣井鋼絲作業關鍵技術主要有：采用注脂密封系統、優選密封脂材料、合理控制注脂壓力、合理配置阻流管及加重桿數量、水合物防治、連接井口壓力平衡管線等。

1.1 注脂密封系統

1）注脂密封系統。注脂密封系統主要由：防噴盒、泄脂口、上阻流管、注脂口、下阻流管、防噴球閥、化學藥劑注入短節等組成，如圖1所示。阻流管和化學藥劑注入短節已經成為高壓氣井鋼絲作業的標準配置，在起下鋼絲作業時，將高壓密封脂注入阻流管里，高壓密封脂經過鋼絲和阻流管間隙流動，起到動態密封作用；將化學藥劑注入化學藥劑注入短節內，化學藥劑會隨鋼絲進入井口或帶進防噴盒，并粘附在鋼絲上，起到防腐、清潔鋼絲、解堵的作用。一般阻流管需要接在化學藥劑注入短節上部，化學藥劑注入短節可以連接在井口防噴裝置的任意位置。

圖1 注脂密封系統

注脂密封系統密封性能主要由4 個因素決定:井口壓力、阻流管與鋼絲之間的間隙、阻流管的數量、注入密封脂的黏度。其工作原理是：壓縮空氣經過濾清器、空氣壓力調節器、潤滑油杯進入注脂泵，注脂泵將高壓密封脂通過注脂口注入阻流管的下部，并向上流動。在此過程中，密封脂與井下一些油氣相混合后部分排入井筒內，大部分密封脂從阻流管上部泄脂口流出。起下鋼絲時，從注脂管線注入的密封脂沿鋼絲與阻流管之間的間隙擠入，阻流管內充滿承壓的密封脂，由于密封脂黏度較大，阻流管與鋼絲之間的間隙非常小，低磨阻的密封脂將鋼絲與一個多級精密密封筒之間密封起來，在阻流管內產生很大的壓力降[4]，從而達到密封井口、潤滑鋼絲的目的，防止油氣外泄，實現動態密封。

2）合理控制注脂壓力。高壓氣井鋼絲作業時，注脂壓力宜比井口壓力高5.52～6.89 MPa。注脂壓力太低，密封性能差，浪費注脂油；注脂壓力太高，易抱緊鋼絲，影響鋼絲的起下作業。注脂壓力需要提前設定，將注脂泵注脂壓力設定好后，由一個空氣壓力調節器進行自動控制，注脂壓力低于設定值后自動啟動補壓，注脂壓力高于設定值后自動停止，保證注脂密封系統處于一個壓力穩定的狀態。

3）優選密封脂材料。注脂密封系統采用的是一種用聚氨脂材料制成的特殊密封油脂，一般用在34.47 MPa 以上壓力的氣井。密封脂常用PLUSCO品牌，分為 416、426 和 428 三種型號，416 型黏度較低，426黏度適中，428型黏度較高。除了密封脂外，還可以用800號、1100號、1500號齒輪油，分別適用于低溫、常溫和較高溫度環境。作業時，可根據表1進行選擇。

表1 環境溫度與密封脂選擇對應表

1.2 合理配置阻流管

使用注脂密封系統井口防噴裝置時，選擇合適的阻流管是實現密封的一個重要因素。阻流管是一種內壁光滑的鋼管，阻流管選擇主要考慮兩個因素：一是阻流管的內徑與鋼絲外徑的間隙，需要控制在0.762～1.778 mm；二是根據井口壓力和井內流體介質，選擇阻流管的數量。通常對于油井或水井，一根阻流管能夠耐壓差13.78 MPa；而對于氣井，一根阻流管能夠耐壓差10.34 MPa。高壓氣井鋼絲作業可根據表2選擇高壓阻流管數量。

表2 高壓氣井阻流管的選擇

1.3 加重桿數量選擇

高壓氣井由于井口壓力高，鋼絲工具串往往在過井口時下入比較困難，一般采用加重桿配重的方式來對鋼絲工具串進行增重，從而克服井口壓力過高，導致防噴盒密封盤根鎖緊力。

加重桿主要用于克服防噴盒盤根的摩擦力[5]和井內壓力產生的上頂力使鋼絲作業工具能到達井下一定的深度。入井加重桿重量的選擇需要考慮鋼絲直徑、密封系統的摩擦力、工具串浮力和生產時流體向上的攜帶力。其中，鋼絲受井口壓力作用的力可按下列公式計算：

式中：W為平衡質量，kgf；D為鋼絲直徑，mm；P為井口壓力，MPa。

對于其他因素的力，一般鋼絲作業增加15 kgf，如果井為定向井，需要將算出的平衡質量乘以測點處斜度的余弦（cosα，α為井的斜度）才是實際質量。

大部分加重桿由鋼鐵制成，常用加重桿質量對應表3，一般工具串中繩帽、萬向節、機械震擊器、工具等按照0.91 m加重桿質量計算，根據上述公式計算所需要的加重桿數量。

表3 常用加重桿長度質量對應表

1.4 水合物防治

根據計算顯示，井口壓力小于20 MPa 時，水合物生成臨界溫度小于10 ℃，井口壓力48.26 MPa 時水合物生成臨界溫度為21 ℃，故高壓氣井正常生產情況下不會產生水合物，長期關井狀態下容易產生水合物。

實踐證明高壓氣井長期關井狀態下容易在地面防噴裝置、采氣樹井口和近井筒位置形成水合物[6]。為了消除水合物對鋼絲作業的影響，通常通過化學藥劑注入短節向井內注入乙二醇或甲醇，乙二醇或甲醇是一種很好的化學藥劑，具有良好的解凍能力，可以很好地抑制水合物生成；通過纏繞蒸汽管線加熱防噴管，對水合物進行解凍。

1）地面防噴裝置水合物預防。鋼絲工具下入前，采用乙二醇和水的混合物進行試壓，試壓合格后泄壓至略高于井內壓力，作為開井的安全背壓，緩慢打開采氣樹清蠟閥。同時對井口以上防噴管外表面纏繞蒸汽管線，注入熱蒸汽，對整個防噴管系統進行加溫，提高防噴系統內溫度，抑制水合物的形成，對已形成的水合物進行解凍。

2）采氣樹井口水合物預防。鋼絲作業前確認采氣樹閥門無內漏、防噴器與井口連接處無外漏。對井口采氣樹纏繞蒸汽管線進行保溫處理。鋼絲作業期間通過化學藥劑注入短節向井口內注入水合物抑制劑，進行水合物預防。

3）近井筒水合物預防。高壓氣井極易在距井口1 000 m的生產管柱內發生天然氣水合物冰堵[7]，鋼絲作業上提至近井筒位置時，如長時間停留，很容易因水合物冰堵造成工具遇卡。因此，鋼絲作業上提工具至井口2 000 m 左右時，應直接將工具提出井口，不宜長時間停留，如遇鋼絲測壓作業，小于2 000 m 的井不宜停點測壓力梯度。為有效防止近井筒位置產生水合物冰堵，需提前通過化學藥劑注入短節向井筒內注入水合物抑制劑。

1.5 井口壓力平衡管線

高壓氣井鋼絲作業時，打開清蠟閥，下放工具串時，由于上下壓差較大，清蠟閥手輪難以轉動；若借助外力強行開啟清蠟閥，高壓氣體高速沖進鋼絲防噴管內，容易沖蝕清蠟閥閥門，且容易造成鋼絲工具串沖頂[8]，纏攪鋼絲，造成鋼絲意外事故。

通過研究分析，在采氣樹測試翼閥一側法蘭接口連接Φ6.35 mm 的控制管線，將控制管連接至采氣樹帽以上鋼絲防噴管，如圖2所示。

圖2 井口壓力平衡管線連接示意圖

通過連接傳壓管線，達到清蠟閥上下壓力自平衡目的。緩慢開啟測試翼閥，打開自平衡管線上的截止閥，將井內壓力傳遞至鋼絲防噴管以上，由于傳壓管線較細，氣體傳輸過程平穩，沖擊力小，易于控制，且在對鋼絲防噴管充壓過程中隨時監測防噴管壓力變化，對鋼絲防噴管進行氣密封測試。待清蠟閥上下壓力平衡后，再次打開清蠟閥，這樣保證充壓過程中對鋼絲工具串產生零傷害，同時防止沖蝕清蠟閥閥門。

2 現場應用

2.1 基本數據

海上油氣田某區塊B6井為一口高壓生產氣井，直井，關井油壓48.26 MPa，開井生產期間油嘴25.4 mm，油壓7.23 MPa，嘴后溫度44.9 ℃，產氣24×104m3/d，產油約32.0 m3/d，產水約15.4 m3/d。由于地質資料錄取需求，需要進行鋼絲測壓作業。

生產管柱結構如圖3 所示，油管尺寸88.9 mm，內徑76 mm，井下安全閥內徑71.45 mm，F型坐落接頭內徑69.85 mm。

圖3 生產管柱示意圖

2.2 關鍵技術運用

1）根據井口壓力48.26 MPa，選擇阻流管48.26/10.34=4.66，最終選擇5根阻流管。

2）井口壓力48.26 MPa 時，選用黏度較高、溫度較高的428 密封脂，注脂壓力控制在55.15 MPa左右。

3）加重桿數量選擇，工具串中繩帽、萬向節、機械震擊器、工具等按照0.91 m普通47.625 mm加重桿質量計算，普通47.625 mm 加重桿磅級13.69kg/m。選用3.175 mm 超強鋼絲，鋼絲受井口壓力作用的力為：

計算加重桿的長度為：W實/W加=53.19/13.69=3.89 m，除去鋼絲工具串，選擇加重桿長度為3.89-0.91=2.98 m，最終選擇47.625 mm普通加重桿（長度1.52 m）2根。

4）連接高壓氣井鋼絲井口裝置如圖4 所示，自上而下分別為：防噴盒、注脂短節、化學藥劑注入短節、工具捕捉器、防噴管、工具防掉裝置、液壓雙閘板防噴器、三通接頭、升高油管等組成。

圖4 高壓氣井鋼絲井口裝置圖

5）通過Φ6.35 mm 控制管線，將采氣樹測試翼閥一側法蘭接口連接至采氣樹帽以上鋼絲防噴管。

6）地面備足乙二醇或甲醇。

2.3 實施過程

1）組下鋼絲通井作業工具串，工具串組合：47.625 mm繩帽+47.625 mm旋轉節+47.625 mm普通加重桿（長度1.52 m）+47.625 mm 萬向節+47.625 mm 普通加重桿（長度1.52 m）+47.625 mm 機械震擊器（長度0.762 m）+47.625 mm 萬向節+69.34 mm 通徑規。連接注脂密封系統高壓井口裝置，防噴管內注滿乙二醇，對注脂密封系統、鋼絲防噴管、清蠟閥整體試壓48.26 MPa，時間15 min，壓力不降。連接井口壓力平衡管線，清蠟閥對零，緩慢打開清蠟閥，下入鋼絲工具串，緩慢下鋼絲工具串，通井至65.024 mm 生產滑套，深度4 283 m。起鋼絲通井工具串至防噴管內，關閉清蠟閥，泄鋼絲防噴管內壓力至0。

2）更換組下投底部壓力計（兩支）鋼絲工具串，工具串組合：47.625 mm 繩帽+47.625 mm 旋轉節+47.625 mm 普通加重桿（長度1.52 m）+47.625 mm 萬向節+47.625 mm 普通加重桿（長度1.52 m）+47.625 mm機械震擊器（長度0.762 m）+47.625 mm萬向節+電子脫手工具總成（控制器+EP-TS 電子脫手工具+定位器）+53.59 mm 扶正器+38.1 mm 萬向節+38.1 mm減震器+31.75 mmTQPR壓力計+變扣+31.75 mm TQPR 壓力計+倒錐。電子脫手工具設定脫手時間3.5 h。清蠟閥對零，緩慢打開清蠟閥，下入鋼絲工具串，鋼絲工具串過井下工具時控制下放速度，每500 m測量鋼絲上提下放懸重，下放工具串至4 277 m，上提至4 275 m定位，等待脫手。

3）上提鋼絲，脫手壓力計，鋼絲懸重由362.87 kg 下降到322.05 kg，判斷壓力計脫手，壓力計深度4 274 m。起出鋼絲工具串至清蠟閥以上，關閉清蠟閥，泄鋼絲防噴管內壓力至0，拆開防噴管，檢查壓力計脫手成功。

4）開井，在產量25×104m3/d、20×104m3/d、15×104m3/d、10×104m3/d下進行產能測試。

5）產能測試結束，關井恢復地層壓力，油壓48.26 MPa。

6）回收底部壓力計工具串組合：47.625 mm 繩帽+47.625 mm旋轉節+47.625 mm普通加重桿（長度1.52 m）+47.625 mm 萬向節+47.625 mm 普通加重桿（長度1.52 m）+47.625 mm 機械震擊器（長度0.762 m）+47.625 mm 萬向節+JDL。連接注脂密封系統高壓井口裝置，對注脂密封系統、鋼絲防噴管、清蠟閥整體試壓48.26 MPa，時間15 min，壓力不降。清蠟閥對零，緩慢打開清蠟閥，下入鋼絲工具串，鋼絲工具串過井下工具時控制下放速度，每500 m 測量鋼絲上提下放懸重，下入回收底部壓力計鋼絲工具串到位。

7）緩慢下放鋼絲工具串，遇阻深度4 274 m，試起鋼絲工具串，上提懸重由385.55 kg增加到635.02 kg，確認抓住壓力計，多次活動，成功回收底部壓力劑。

8）上提壓力計，分別在 4 266、4 265、4 264、4 263、4 250、4 000、3 500、3 000、2 500 m 停點 15 min，測靜壓梯度。

9）回收鋼絲工具串至防噴管內，關清蠟閥，泄鋼絲防噴管內壓力至0，拆開防噴管，回放壓力計數據，壓力計數據正常。

2.4 應用效果

1）在關井油壓48.26 MPa 下進行鋼絲測壓作業，井口防噴裝置無氣體泄漏，起下鋼絲懸重正常，地面鋼絲防噴裝置、井口和近井筒三處位未生成水合物。

2）成功對B6井實施鋼絲測壓作業，鋼絲作業期間順利，壓力計數據回放正常，滿足了地質資料錄取的需求。

3 結論與建議

1）現場應用表明，高壓氣井采用注脂密封系統，滿足高壓氣井鋼絲作業要求。實現鋼絲與阻流管之間動態密封，可對井內壓力進行有效密封和控制，解決了鋼絲被防噴盒抱死無法正常下入的難題。

2）高壓氣井鋼絲作業中，配合使用阻流管和化學藥劑注入短節能有效的預防水合物的生成，降低高壓氣井作業水合物冰堵風險[9]。

3）通過根據井口壓力合理配置阻流管及加重桿數量、化學藥劑注入短節注入水合物抑制劑、連接井口壓力平衡管線等一系列有效措施，順利完成關井油壓48.26 MPa 的高壓氣井鋼絲測壓作業，取全地質資料。現場應用表明，該技術成熟可靠，可為類似高壓氣井鋼絲作業提供重要借鑒。