液氮冷凍暫堵技術在海上井控處置的可行性分析

張 帥, 苗典遠, 江民盛, 李 鞏, 蔣 凱

1中海油能源發展股份有限公司工程技術分公司 2國家海上油氣應急救援渤海(天津)基地 3中海油能源發展股份有限公司井控安全與應急技術重點實驗室

0 引言

冷凍暫堵技術最早由加拿大SNUBCO公司開發，主要用于帶壓油氣井修井和井口修復更換等作業，可以封隔各套管環空和油管壓力，為井口修井作業提供井控安全保障[1-2]。近幾年國內陸地油田也開始推廣，在老井井口更換、高壓油氣井修井、井口隱患治理等作業中發揮重要作用[3-5]。目前國內冷凍暫堵技術多使用“干冰+乙醇”[6-7]作為冷凍劑進行作業，該方式存在冷凍溫度偏高(最低-78 ℃)、冷凍溫度不可控、冷凍效率低等缺點，同時使用乙醇作為傳熱介質，存在一定的安全風險。為此國內陸地油田開發了以液氮作為冷凍劑的冷凍暫堵技術，現場應用效果良好。同時針對高壓氣井研制了105 MPa冷凍暫堵裝置，最高作業壓力達48 MPa，在川渝、長慶等地得到廣泛應用[8]。

相比陸地作業環境，海上作業空間有限、環境復雜，特別是井噴失控后的海上井口處置中，面臨的作業條件更加苛刻[9-10]。中海油研制了一套使用低溫氮氣和液氮作為冷凍劑的冷凍暫堵設備[11]，該設備可根據需要調節冷凍劑的注入溫度和注入量，具有注入冷凍溫度低(最低-193 ℃)、溫度連續可控、作業效率高的特點。本文結合海上作業特點，對液氮冷凍暫堵技術在海上井噴失控后的井口處置進行應用探討，為了海上井控應急處置和恢復提供了一些思路。

1 液氮冷凍暫堵技術

1.1 基本原理

液氮冷凍暫堵技術采用液氮加常溫氮氣兌溫的方式，通過閥門控制液氮氣化量和兌溫比例，可以快速調節注入氮氣的溫度和流量，使冷卻管柱壁面始終保持連續恒定低溫氮氣流，通過對冷凍速率的精準控制，保證對冷卻管柱均勻、平穩、安全地降溫，確保管柱內形成高強度橋塞，實現對井筒壓力隔離。低溫氮氣兌溫流程如圖1所示。

圖1 低溫氮氣兌溫及冷凍流程圖

1.2 技術優勢

與干冰冷凍方式不同，液氮冷凍暫堵技術采用自動控制技術實現冷凍溫度調節和控制，冷凍效率更快、安全性更高。由于液氮冷凍暫堵技術采用夾套保溫方式，氣態低溫氮氣相比“干冰+乙醇”流動性更好，適用于尺寸和形狀更加多變的冷凍對象，應用前景更加廣泛。

2 海上平臺液氮冷凍暫堵面臨難點

2.1 作業空間狹小

海上油田多以叢式井方式開發，具有井口密集、井眼數量多的特點。各井以一定間距槽口均勻分布，各槽口間距很小，無法滿足大型設備進入。液氮冷凍暫堵設備為便于運輸，暫堵劑注入系統和液氮及監控系統整體采用橇裝結構，設備無法進入狹窄的底層甲板，只能擺放在相對開闊的上層甲板，設備遠離井口區域，需要更長冷凍注入管線連接到井口注入閥門，導致注入壓力增高，對設備的要求更高。

2.2 井口結構復雜

海上平臺由于槽口數量有限，常采用單筒雙井或單筒單井進行開發，井口裝置交叉分布，對冷凍設備安裝造成一定困難。井口裝置和采油樹閥門損壞后，注入管線很難連接套管環空和油管。因此，對于井口閥門嚴重損壞后的井口裝置，建立一條安全有效的注入通道尤為關鍵。另外，對于海上大尺寸隔水導管直接冷凍，為了達到強度要求，需要更長的冷凍時間，液氮消耗量也更大。

3 海上平臺液氮冷凍暫堵工藝探討

3.1 纏繞法液氮冷凍方式

纏繞法液氮冷凍方式工作原理與低溫氮氣冷凍方式相似，將保溫夾套更換成導熱性能良好的合金軟管或銅管，在導熱軟管與管柱壁面涂覆一層導熱硅脂，填充軟管與管柱間隙，以增大傳熱效果，并向導熱軟管中注入液氮，達到一定溫度后在軟管周圍包裹一層隔熱布，減少能量損失[12]。這種方式在國外修井作業和井口處理已取得廣泛應用，具有冷凍時間快、冷凍劑消耗量小、環境適應性強、易安裝等優勢。這種方式可用于任意尺寸和形狀的管柱，配合低溫液氮，冷凍溫度更低，冷凍效率更高，對于海上井噴后的井口處置很合適。但以溫度更低的液氮作為冷凍介質對低碳鋼及合金鋼材質油套管在低溫下機械性能有更嚴苛的要求，考慮作業過程中的安全，因此需要進一步分析研究不同油套管在低溫條件下機械性能和強度變化。

3.2 “帶壓開孔+冷凍暫堵”組合方式

對于沒有暫堵劑注入的有效通道的井口閥門受損嚴重后的帶壓油氣井，先通過帶壓開孔技術在管柱打孔建立有效的暫堵劑注入通道[13-14]。帶壓開孔設備主要由管柱夾具、閥門、刀具、轉動手輪、氣動馬達、導向桿等組成。工作原理為氣源驅動氣動馬達轉動，馬達帶動導向桿和刀具轉動，轉動手輪可以控制刀具的進給與退出，在對管柱進行開孔后，關閉機具上的閥門，連接暫堵劑注入管線，可以向管內環空注入暫堵劑。配合液氮冷凍暫堵設備即可完成帶壓油氣井的封堵作業。這種組合方式可以解決沒有暫堵劑注入通道的井筒冷凍，在陸地井口隱患治理已有應用。

海上平臺不帶壓油氣井或注水井封堵井口后可直接更換井口，而帶壓油氣井常規做法是封堵井口后注壓井液壓井，觀察井口無返出后再更換井口。壓井作業周期長，風險大，可能壓漏地層，對產層造成傷害，影響后續復產。低溫氮氣冷凍暫堵工藝可以在短時間內完成帶壓井的封堵，井口閥門狀態良好可連接管線注入暫堵劑后進行冷凍作業；對于井口閥門已經損壞，無有效注入通道的井，可采用“帶壓開孔+冷凍暫堵”工藝進行封堵。同時對于存在溢油的井，通過帶壓開孔注入高黏暫堵劑，配合纏繞式液氮冷凍方法，快速封堵溢油井。結合海上作業環境和井噴后井口狀況，通過優化和改進工藝技術，液氮冷凍暫堵技術可以在井噴搶險中發揮重要的作用，具有良好的發展前景。

4 案例模擬分析

以海上油田某平臺槽口井為例，其井身結構為?508.0 mm隔水導管+?339.7 mm技術套管+?244.5 mm生產套管+?177.8 mm懸掛尾管。該井?339.7 mm套管水泥返至井口，?244.5 mm生產套管內為完井液，是一口產油井。某次井控事件后，井口裝置完全損壞，井下安全閥失效，井口處生產套管環空和油管帶壓，鑒于井口損壞后無有效注入通道，采用“帶壓開孔+冷凍暫堵”組合方式，對管柱進行冷凍封堵，為臨時井口安裝提供物理屏障。

4.1 冷凍效果分析

使用數值軟件模擬冷凍?508.0 mm管柱，冷凍過程溫度變化見圖2。其中油管、生產套管和技術套管均為N80套管，隔水導管為K55套管，低溫氮氣流入溫度為-150 ℃，氮氣注入速度為1 m/s。

圖2 10 h內?508.0 mm管柱溫度變化示意圖

通過軟件瞬態熱分析可知，?508.0 mm管柱使用低溫氮氣冷凍10 h后，油管最低溫度降至-31 ℃，溫度降低速度為5.1℃/h，難以達到冷凍技術要求。為提升冷凍效果，可切割剝開?508.0 mm隔水導管，露出?339.7 mm技術套管管柱，直接對?339.7 mm技術套管進行冷凍。相同條件下?339.7 mm管柱使用低溫氮氣冷凍10 h后，油管最低溫度降至-68 ℃，降低速度為8.8 ℃/h。由圖3可知，與?508.0 mm管柱相比，?339.7 mm冷凍10 h后管內最低溫度更低，冷凍速率提升近73%，更低的溫度和更快的冷凍速率可以形成強度更高的橋塞，大大提升了作業效率。

圖3 冷凍?508.0 mm和?339.7 mm套管管內溫度變化曲線圖

4.2 橋塞強度分析

橋塞強度受結冰溫度、界面特性、化學因素等影響，暫無有效數值預測方法，以試驗研究為主[15]。橋塞凍黏強度影響因素主要有接觸面積、接觸面粗糙度、暫堵劑材料特性、冷凍時間、冷凍溫度等。接觸面積和接觸面粗糙度屬于界面特性因素，通常接觸面積增大，橋塞黏結強度增大[16]。一般認為冰黏結強度來源于冰與管壁靜電力作用或其他分子間作用，接觸面粗糙不平會極大提高黏結強度。暫堵劑由水和膨潤土按一定比例混合而成，對于大尺寸管柱來說，水含量過大，暫堵劑黏度低，掛壁性差，無法黏附在管壁上；水含量過小，暫堵劑黏度大，流動性差，注入壓力高，同時水的含量減小也會造成黏結強度的降低，在實際水與膨潤土比例選擇中，需綜合考慮流體流動性能、掛壁性、注入壓力和黏結強度的影響，確定最佳的水土配比。

冷凍溫度是影響橋塞黏結強度的一個重要因素，隨著凍結溫度降低，暫堵劑水分與管柱表面熱交換速率增大。相同條件下，冷凍溫度逐漸降低，橋塞黏結強度會逐漸增大，同時冰塞與管壁接觸面開始趨于穩定狀態。當冷凍溫度降低到一定值后，即臨界冷凍溫度，橋塞黏結強度增長速率減小，強度趨于穩定，繼續降低冷凍溫度對強度沒有太大影響[17]。冷凍時間決定冷凍后的管柱溫度，在系統未進入熱平衡前，持續冷凍會使管柱溫度不斷降低，冷凍溫度達到臨界溫度前，橋塞黏結強度逐漸增大。當冷凍溫度達到臨界溫度時，強度趨于穩定，繼續冷凍對強度沒有太大影響。在實際作業中，即使冷凍溫度已經達到臨界溫度，應該繼續保持冷凍狀態，維持橋塞強度。

5 結論與建議

(1)直接冷凍?339.7 mm套管柱與冷凍?508.0 mm套管柱相比，相同冷凍條件下暫堵劑的冷凍溫度更低，冷凍速度提升近73%。在井控處置確保安全的前提下，應盡量減少冷凍管柱的層數，提升冷凍效率。

(2)液氮冷凍暫堵技術目前在海上應用面臨一些困難和挑戰，通過技術改進和優化，如“帶壓開孔+冷凍暫堵”和纏繞法冷凍暫堵技術，可以有效提升冷凍暫堵技術在復雜環境下適應性和應用范圍。

(3)液氮冷凍暫堵設備僅完成?127.0 mm鉆桿等小管柱試驗，對于大管柱的冷凍暫無試驗與應用，后續需對冷凍大尺寸管柱時暫堵劑配比、橋塞強度影響因素、冷凍效率等內容進行進一步試驗研究，確定不同結構管柱時最佳注入冷凍溫度、冷凍時間以及暫堵劑配比等參數，為海上現場應用提供技術參考。