氣井不壓井作業主要工程風險分析與對策研究

張 平

(川慶鉆探公司工程技術和質量標準處)

不壓井技術作業具有常規作業不可替代的技術優勢，最大限度保持產層的原始狀態、提高產能和采收率、降低作業成本、安全環保的獨特的優勢，對實現轉變經濟發展方式，改進作業手段，走高效、低耗、零排放的可持續發展之路，具有重要的現實意義[1]。

一、主要工程風險分析

氣井相對油水井來說具有更大的風險，主要體現在：氣體更易泄漏，容易發生爆炸；管柱腐蝕程度嚴重，修井難度大；普遍含H2S，對設備要求高，對人體危害大；原井油管可能含FeS,到井口碰撞易產生火花，容易引起爆炸；井口可能有水合物產生，危害大；要防止氧氣混入井內。本文不對油氣水井具有相同危害的風險進行分析，僅對具有氣井特色的較為重點的風險進行分析[2]。

1.內堵塞易失效的原因分析

內堵塞易失效的原因包括工具坐封不嚴、脫落、工具承壓能力過低、工具受較大沖擊、回壓凡爾密封失效等因素。內堵塞失效是帶壓作業最大的風險，也是最難以處理控制的風險。這是因為國內完井油管普遍沒有安裝坐放短節，因此油管的堵塞只能坐在沒有機械阻擋位置的油管本體上，同時因氣井油管普遍含腐蝕性介質，因此油管內壁易形成坑蝕影響堵塞工具密封效果，坐封不牢固甚至落井，這樣會給不壓井作業帶來極大的井控風險[2-3]。

2.氣井作業易形成水合物的原因分析

對氣井不壓井作業來說，即使沒有流動也可形成水合物，在冬季夜晚暫停作業后，第二天重啟作業時 ，管柱也可能被“凍住”。天然氣在節流降溫的過程中可能產生水合物，可能形成一定的圈閉壓力，當沒有預見到該風險時，可能引起人身傷害。帶壓作業過程中，防噴器組內需要不斷平衡壓力、釋放壓力，由于閘板腔較小，在懸掛器起下作業時也容易形成水合物。2014年加拿大某井在連接套管側平衡/泄壓管線時，發現水合物堵在閥門處因為采取了不當的措施，導致了嚴重的人身傷害；2014年12月在JY6-3HF井在下入懸掛器時，由于對水合物預見不夠，在平衡泄壓過程中發生了懸掛器“凍結”在閘板腔位置，不僅處理水合物耽誤大量時間，也給作業帶來較大安全風險。

3.容易發生爆炸、燃燒的原因分析

發生爆炸、燃燒的原因包括在井筒內與空氣混合達到爆炸極限、逸出地表與空氣混合達到爆炸極限、卡瓦與管壁撞擊火花、動力源排氣管距離井口太近、違章動火等因素。油管通過防噴器時會在接箍位置圈閉一定的天然氣，在井口容易聚集天然氣，卡瓦的撞擊容易產生火星，特別是含硫氣井，管壁上常常附著硫化鐵(FeS)更極易產生火花，如果沒有采取措施減少天然氣聚集、防止產生火花就容易發生著火或爆炸。

同時也可能引起井下爆炸，2001年加拿大石油公司發生了兩起氣井井下爆炸事故，都發生在2 000 m左右的氣井內，主要原因是在取堵塞器時油管內混入了空氣，達到了爆炸極限，在上提打撈工具時與油管發生撞擊產生火花發生了爆炸。

4.易發生氣體滲漏的原因分析

由于天然氣密度為0.717 4 kg/m3，分子量低，密度約0.58～0.65 g/cm3，易壓縮膨脹、易滑脫竄漏，所以對防噴器密封元件的氣密性要求高、管柱絲扣的氣密性要求高、內堵塞工具的氣密性要求高。

由于氣井不同于油水井，在起下管柱作業中無法對管柱進行潤濕和降溫，摩擦作用會降低防噴器膠芯的密封性能；國內油氣井完井管柱結構上多數沒有考慮預置工作筒，同時氣井普遍含有腐蝕介質，對油管的腐蝕也將影響內堵塞的效果，這給帶壓作業油管內的堵塞效果帶來很大不確定性；由于氣密封對絲扣要求比水密封要高，在氣井作業時，對一般外加厚油管或平式油管，無論高壓井或是低壓井均有可能發生滲漏，如CW202H1-1井作業時發現油管內帶壓3～4 MPa，經檢查發現就是絲扣滲漏所致[4-5]。

5.井下管柱的腐蝕給作業帶來潛在安全隱患

由于天然氣井普遍含硫化氫、二氧化碳、地層水等腐蝕性介質，這些腐蝕介質對油管可能腐蝕減薄、穿孔，使得原井油管腐蝕情況、剩余強度不清楚，因此油管內堵塞可能需要多次堵塞，管體強度可能無法承受卡瓦的夾持力，容易發生管柱落井和井噴事故。

6.易引發管柱噴出或出現屈曲的原因分析

氣井作業壓力相對較高，由于截面力的影響，帶壓作業設備的下壓力較大，而一定尺寸、鋼級、壁厚的管柱，其固有的無支撐長度也是固有的，因此，管柱的安全無支撐長度就更短，稍有錯誤極易發生失穩，甚至發生折斷。

Y108井井口壓力23.5 MPa，?178 mm的懸掛器,計算得到上頂力573 kN，坐掛后防噴器內壓力無法卸掉，且管柱上頂，經檢查發現該井口設計僅有8顆鎖緊螺釘，無法克服該壓力下的截面力(上頂力)。

二、氣井不壓井作業主要風險的對策研究

1.防止管柱發生屈曲、拉斷、落井或噴出

不壓井作業管柱失效主要容易發生在兩個方面：壓彎(或折斷)管柱、拉斷管柱，另外也可能由于計算不準確或操作不當發生管柱落井或噴出。因此需要計算無支撐長度和井口有壓力的情況下的管柱最大抗拉強度(即最大允許舉升力)[6]。

1.1 安全無支撐長度

帶壓下入管柱時，管柱在軸向上受壓不產生彎曲變形的臨界長度稱為最大無支撐長度，它與下壓力和管柱強度有關，最大下壓力計算時管柱受到的摩擦力一般取截面力的20%，因此無支撐長度還需采用一定的安全系數來確保作業安全，這個長度就是安全無支撐長度，一般對?60.3 mm、?73.0 mm和?88.9 mm油管的安全無支撐長度系數取70%。

2011年中共中央國務院下發《關于加快水利改革發展的決定》[2]文件,指出“水是生命之源、生產之要、生態之基。水利是現代農業建設不可或缺的首要條件，是經濟社會發展不可替代的基礎支撐，是生態環境改善不可分割的保障系統。”這是新中國成立62 a來中共中央首次系統部署水利改革發展全面工作的決定。文件強調水資源開發利用控制紅線，要建立“最嚴格的水資源管理制度”，為今后的水權改革指明了方向。

若油管為N-80(非抗硫規格)舊油管，井筒壓力大于35 MPa或H2S濃度超出1.0%(1.5×104mg/L)，則將無支撐長度降低25%。

1.2 最大允許舉升力

管柱一旦遇卡，如封隔器卡、砂卡，不同于常規壓井作業解卡措施，它需要考慮環空壓力對軸向拉力的影響，即油管的抗外擠毀壓力必須大于環空壓力，這也是不同于常規壓井后的解卡作業。

1.3 管柱落井與噴出

發生管柱落井或噴出主要原因是由于管柱中和點計算錯誤或操作失誤。中和點計算僅是理論計算，它與管柱自身重量不均、井筒壓力的變化、管柱與防噴器的摩擦力、管柱與套管的摩擦力、液壓系統的摩擦力等因素有關，因此理論與實際中和點有一定誤差，所以下入一定數量管柱后，在接近管柱中和點前5根時，應逐根進行重管柱測試，防止管柱落井；起管柱時，預計還有5根進入輕管柱時，要進行輕管柱測試，防止管柱噴出。

2.防止油管內堵塞失效的對策措施

油管內壓力控制工具的工作壓差不低于最大井底壓力，應根據管柱內通徑、井內壓力、溫度和流體性質及工藝要求選擇油管內壓力控制工具。

一般應設置兩個及以上的油管內壓力控制工具作為機械屏障；在坐放接頭內能有效坐封時，可以只用一個堵塞器作為機械屏障。

工具下井前應測量堵塞工具鋼體外徑和長度，并檢查各部件完好。地面安裝的堵塞工具，下井前堵塞工具應從下向上進行清水試壓，應先做1.4～2.1 MPa的低壓試壓，穩壓10 min，壓力不降為合格；再用1.2倍于預計井底壓力的測試壓力對油管堵塞器進行試壓，穩定30 min，壓降小于0.7 MPa為合格。記錄所有的壓力測試值。油管堵塞工具坐封后，逐級卸掉油管內壓力，每次觀察15 min，觀察油管壓力是否上升。直至油管壓力降到0，若油管壓力不上升，油管封堵合格；若油管堵塞失效，應分析原因，并重新堵塞作業直至合格。對井下有多級滑套等工具時，應在每級滑套以上進行多級堵塞，并驗證堵塞效果[7-8]。

3.預防水合物的對策措施

天然氣在通過節流處時，將產生急劇的壓降和膨脹，溫度將驟然降低，為判斷在某一節流壓力下是否形成水化物，可利用節流曲線法求解。

當發現已經有水合物存在時，應采用保溫措施或注入水合物抑制劑(如乙二醇等)，使水合物融化。切忌采用敲打、硬撬等機械處理方法，防止圈閉壓力沖出造成人身傷害[9]。

4.防火防爆對策措施

氣井不壓井作業不同于油水井，氣體容易發生泄漏，燃點低，具有著火或爆炸，一旦出現火星或火花就極易發生爆炸。所以在氣井不壓井作業時要采用適當的隔離屏障，隨時做到發生爆炸著火的先決條件。

作業前除應安裝至少一條放噴管線外，還應在出口處安裝防回火裝置，阻斷空氣(氧氣)經放噴管線進入防噴器和平衡/泄壓系統內。

開始起下管柱前應吹掃工作防噴器組2～3次，將工作防噴器內空氣置換吹掃出去。起下管柱過程中，利用平衡泄壓進行壓力控制時開關速度要慢，以減少沖擊、刺漏；起管柱(特別是含硫油氣井)過程中，應在環形防噴器以上噴淋適當的不易燃液體，如清水、氯化鉀液體等，防止卡瓦與管壁(主要是硫化鐵)碰撞產生火花。在打撈油管堵塞器之前，應在油管柱內注入一段阻燃液體，防止天然氣與空氣混合產生爆炸危險。

三、認識與建議

(1)氣井不壓井作業相對油水井來說，施工壓力高、含有毒有害氣體、更易發生絲扣和密封泄漏、爆炸著火、易形成水合物，安全風險更大。

(2)正確的工程參數計算與強度校核，有利于減少安全作業風險。

(3)作業前應制定應急響應計劃，并組織對環空密封失效、內堵塞失效、液壓動力失效、儲能器失效、卡瓦失效等應急響應程序進行演練，明確應急作業各自崗位分工與組織。

(4)制定防止地面燃燒、地面爆炸、井下爆炸等防火防爆應急響應程序，明確隔離液的使用，惰性氣體置換操作等。

(5)制定長時間關井及重新啟動應急響應程序，明確卡瓦的使用，防噴器的使用，重啟后的防噴器、堵塞器的試壓驗漏等。