采氣樹無控制部位帶壓堵漏工藝探討及應用

(中石油長慶油田分公司第一采氣廠 陜西靖邊 718500)

靖邊氣田是長慶油田投入開發建設的第一個大氣田，目前已開發20多年，部分氣井采氣樹大四通上下法蘭、雙公短節、表套技套環空等部位存在漏氣隱患，給氣田安全生產帶來極大的風險，嚴重影響氣井正常生產，需要有針對性地對該類氣井井口滲漏部位進行整改治理。由于這些位置屬承壓部位，傳統治理方法是將壓井液泵入井筒內，壓住地層油氣后進行整改。由于壓井作業的液體漏失大，使得壓井作業難度增大，安全風險高，且對儲層傷害較大，同時壓井液滲入地層孔隙，反排難度大，不利于發揮氣井產能。

2012年起靖邊氣田試驗采用外部帶壓堵漏技術治理井口漏氣，該技術無需壓井作業，既保護了油氣層，又消除了安全隱患。截至目前，靖邊氣田采用該方法共治理10口氣井12處漏氣點，徹底消除了安全隱患，實現了經濟效益和社會效益的雙豐收。

1 井口帶壓堵漏技術

1.1 基本原理

如圖1所示，帶壓堵漏技術的主要原理是：當承壓設備出現介質滲漏時，在保持生產工況不變的情況下，在滲漏點周圍利用專用卡具建立新的密封空腔，以高于系統壓力的推力，向密封腔內注入專用密封材料，使腔內達到足夠的密封比壓，從而阻止介質滲漏，并形成新的可靠的密封結構[1-2]。

圖1 帶壓堵漏示意圖

氣井井口堵漏時，利用機械密封原理和高壓密封脂的密封性，將堵漏卡具安裝固定在井口滲漏部位外面，形成新的密封腔[3-4]。堵漏卡具上下模結合處有專用密封圈密封，同時堵漏卡具與滲漏處管道外壁設計專用密封條，當四條連接螺栓將堵漏卡具上下模連接后，首先保證了堵漏卡具自身的密封，再通過高壓注入密封膠，使密封膠在高壓注入過程中受力，在堵漏卡具內腔緊密擠壓，在滲漏點四周形成一圈整體密封環，隔離滲漏點，實現滲漏的封堵。

同時，雙公短節堵漏時，通過在卡具下端面加裝簡易套管頭，連接螺栓的拉力和簡易套管頭的支撐，保證在高壓時卡具不會發生位移，提高封堵效果。

1.2 技術要點

帶壓堵漏技術由專用工具、密封劑、專用卡具及堵漏工藝四部分組成[5-6]，各部分主要有以下幾項設計要點：

(1)堵漏卡具設計。需根據氣井井口裝置結構特點、滲漏點的位置等因素，設計與其相匹配的專用卡具，卡具的材質和強度均應滿足現場的堵漏要求；通過提高卡具對滲漏本體的適應能力，為滲漏點預制卡具，提高該工藝的操作速度。

(2)選用性能穩定的堵漏劑。堵漏材料的選擇需考慮天然氣滲漏點的系統壓力、溫度、介質特性等因素。

(3)優化堵漏工藝。通過設計符合現場實際的堵漏工藝程序，可以有效提高卡具對滲漏本體的保護能力，避免密封注劑對滲漏本體形成沖擊破壞，以達到最優的堵漏效果。

2 帶壓堵漏卡具設計

應對氣井井口裝置結構進行調研，并詳細測繪井口裝置基本尺寸(如滲漏處法蘭直徑、法蘭外邊緣到其連接螺栓的最小距離、法蘭副的寬度、法蘭連接螺栓的個數和規格等參數)；明確滲漏介質的組分和地層水理化性質；仔細判斷具體的滲漏部位，測試系統壓力和預測滲漏當量等數據，為堵漏卡具設計和帶壓堵漏程序設計提供完整、詳實的現場勘察資料。

堵漏卡具的設計要依據現場滲漏的大小、系統介質的壓力和溫度，選擇合適的堵漏材料和設計合理的卡具結構[7-8]。堵漏卡具的設計應滿足以下原則：

(1)卡具與滲漏處本體的間隙不大于0.4 mm，防止密封劑外溢；

(2)兩兩卡具之間可以相互分體，確保卡具方便安裝；

(3)需在卡具與滲漏部位之間形成一個合適的密封空腔，以填充密封劑，確保卡具封閉性能；

(4)堵漏卡具必須具有一定的剛度和強度；

(5)卡具上需設計帶有內螺紋的注劑孔，孔的位置和數量須確保將密封腔內注滿密封劑。

2.1 卡具材質的選擇

根據滲漏介質的組分、系統壓力、溫度選擇卡具的材料，針對氣井井口裝置結構特點和卡具的加工、現場安裝等方面的因素，一般將卡具設計為兩塊對稱的結構形式。

卡具材質的選擇依據GB/T 26467-2011《承壓設備帶壓密封技術規范》，選擇碳鋼(Q235-A或20鋼)作為制作氣井堵漏卡具的材料，其具有易加工、焊接性能好等特點。鑒于堵漏卡具目前均用在高壓氣井上，經過反復試驗，卡具材質選擇35CrMo鋼，并作調質處理。

2.2 堵漏卡具受力分析

(1)卡具承受的力：卡具與氣井原密封結構形成的密閉空腔內，承受滲漏系統壓力和密封注劑擠壓力。

(2)氣井壓力滲漏到密封空腔內，以泄放壓力值，作用于空腔內壁。泄放壓力值的大小與滲漏孔洞大小成正比，該壓力是均布載荷。

(3)密封注劑擠壓力是由專用工具組成的液壓系統，為克服系統壓力和密封注劑在空腔內的流動、填滿產生的阻力，施加高壓推力形成的，該壓力是變動載荷。

(4)密封空腔內的總力，是指在系統壓力和密封注劑填滿所需力之外，還有為壓實形成密封比壓所施加的力。

需要計算的部分為卡具本體厚度、耳板厚度和緊固螺栓尺寸。

2.3 卡具本體厚度計算

根據實際應用實踐和應力測試，采用GB/T 26468-2011《承壓設備帶壓密封卡具設計規范》的壁厚計算公式：

式中：S為卡具厚度，mm；pc為設計壓力，MPa；D為卡具內徑，對法蘭卡具計算直徑等于法蘭外徑，即D=480 mm；[σ]t為材料所在溫度作用下的許用應力，MPa，查閱GB150 1～4-2011《壓力容器 第2部分碳素鋼和低合金鋼鋼鍛件許用應力》，取20 ℃下為226 MPa；φ為焊接系數，目前卡具采用整體鍛壓，無焊接，因此φ=1。

根據設計規范要求，需對帶壓密封卡具設計壓力進行修正，一般取設計壓力pc=pL+5 MPa，pL為系統壓力，依據是：

(1)密封注劑在密封腔內的動態變化和密封比壓需要。

按密封原理只有空腔內密封注劑壓力pp大于滲漏系統壓力pL才能達到密封效果； 注入到密封空腔內，且已填滿的密封注劑，有出現體積收縮的可能，使已形成的工作密封比壓下降，必須提高注劑壓力以保持工作密封比壓； 密封空腔內的密封注劑，由于系統溫度作用，會發生熱失重現象，造成工作密封比壓下降，必須提高注劑壓力以保持工作密封比壓。

(2)提高卡具剛性穩定需要。

(3)對不同系統壓力和不同卡具結構，應結合實際受力狀況區別選取修正值。

假設滲漏系統壓力為30 MPa，卡具本體厚度為

卡具設計不但要考慮強度，而且要考慮剛性，以保證施工安全和密封的成功[9]。為保證堵漏時，卡具在高溫高壓下不產生過大的變形，且保證堵漏時間長久，卡具的設計厚度取強度計算厚度的2～4倍。根據計算結果并乘以安全系數，其大四通下法蘭與下部法蘭滲漏處卡具本體厚度范圍為32.5～65 mm；根據室內反復試驗，確定的大四通下法蘭與下部法蘭滲漏處卡具本體厚度為70 mm，生產套管與表層套管滲漏處卡具本體厚度為40 mm。

堵漏卡具與采氣裝置滲漏部位的外表面應構成密閉空腔，便于填充密封劑；空腔的寬度應當超過滲漏缺陷的實際尺寸20～40 mm；空腔的高度(即形成新密封結構的密封劑厚度)應在5～30 mm，加工精度應達到±0.1 mm。

堵漏卡具與采氣裝置接觸間隙應密切配合，避免接觸間隙過大導致密封劑外溢，參考GB/T 26468-2011《承壓設備帶壓密封夾具設計規范》，表1給出了堵漏卡具與采氣裝置接觸間隙的參考值。若參考數據無法滿足現場實際要求時，還需增加輔助密封結構。

表1 卡具與滲漏部位接觸間隙參考值

2.4 耳板厚度與連接螺栓的計算

卡具本體空腔內承受的力，傳遞到耳板和連接螺栓上，因此卡具空腔內承受的力是承壓構件受力的力源。

卡具耳板厚度的計算公式為

式中：t為耳板最小厚度，mm；C為卡具密封腔寬度，mm，對于法蘭用卡具，C為法蘭副間隙，由于許多法蘭副間隙非常小，甚至間隙為0，因此C取40 mm；pc為設計壓力，MPa；D為卡具計算直徑，480 mm；b為耳板寬度，150 mm；L為耳板螺孔中心至卡具外緣的距離，40 mm；[σ]t為耳板材料所處溫度下的許用應力，MPa，取20 ℃下為230 MPa。

計算得耳板厚度為：t=48.35 mm。考慮附加值后實際設計卡具耳板厚度取值t=60～70 mm。

連接螺栓直徑計算公式為

式中：d為螺栓計算直徑，mm，其值應對照標準螺紋小徑，并對應確定螺栓的標準規格外徑；Ck為預緊力和剛度系數，取值1.5；C為卡具密封腔寬度，mm，取40 mm；pc為設計壓力，MPa；D為卡具計算直徑，mm，對法蘭卡具D等于法蘭外徑；n為卡具連接螺栓數量；[σ]t為卡具連接螺栓所處溫度下的許用應力，MPa，取20 ℃下為228 MPa。

計算得螺栓直徑為：d=32 mm。

因此，最終選用的連接螺栓為4根M39高強度螺栓，2根螺紋底徑為35.5 mm，材料為35CrMo,材料經過調質處理，抗拉強度σb>800 MPa。

單個螺栓可承受拉力為

197 959.44(N)

根螺栓可承受的拉力為

F總=4×197 959.44=791 837.76(N)

工作時密封屬于局部密封，對螺栓產生的壓力很小，故螺栓的拉力完全可承受的氣體滲漏產生的拉力，主要用于螺栓拉緊的預緊力。

3 密封劑的選用

密封劑通常由高分子材料及其他輔料組成，以黏稠膠狀物形態存在，在設備滲漏部位重新建立的密封結構中，密封劑傳遞擠壓并與滲漏介質接觸，既要耐介質、溫度，又要能承受一定的壓力。密封劑的性能及指標應符合表2所示的規定。

表2 密封劑性能指標

依據國家標準GB/T 26556-2011《承壓設備帶壓密封劑技術條件》選擇適合的密封劑。因天然氣的易燃、易爆、腐蝕性能，選用填充型非固化密封脂作為帶壓堵漏密封材料，該密封劑注入卡具內永遠不固化，在卡具內一直為松散流動狀，這樣在任何時候都可以向卡具內補膠，溫度的變化不會因其性能的過大變化。

該密封脂與天然氣不會產生任何化學反應，最佳的適用溫度范圍為-50～260 ℃，壓力至35 MPa。該密封脂加入了高分子化合物和無機填料，它在一定溫度和壓力作用下，具有良好的注射和填充性(即流動性)，經注射槍加壓注入卡具后，對天然氣具有良好的化學穩定性、耐老化和不透氣性能，收縮率較小，流動性好，以保證堵漏成功。

4 堵漏卡具模擬試驗

4.1 試驗裝置

針對氣井井口裝置的結構特點，設計研發了一套專門的井口模擬裝置(試驗模擬裝置所需材料如表3所示)，在實驗室內使用氮氣模擬現場天然氣的滲漏[10]，可模擬氣井口采氣樹大四通上下法蘭、雙公短節、表套技套環空等部位漏氣情況，從而為現場實施帶壓堵漏提供相關數據和經驗。

表3 試驗模擬裝置材料

4.2 試驗過程

試驗的過程如下：

(1)清理卡具，確保卡具表面干凈、平整；

(2)將高強快固膠均勻地涂抹在卡具后半體表面；

(3)將卡具安裝在已經建好的試驗裝置上；

(4)等待膠體固化后，試驗裝置打壓至25 MPa，然后連接注劑槍向模具的腹腔內加注密封劑；注劑壓力打壓至30 MPa，穩壓15 min；

(5)當卡具連接處溢出注劑時停止加注，觀察壓力表讀數，當壓力穩定在30 MPa時，記錄該數值，進行各項檢測；

(6)檢測卡具是否存在滲漏點，若未發現氣體滲漏，堵漏試驗成功完成；

(7)卸下卡具，重復(1)～(6)進行二次試壓，檢測無氣體滲漏，堵漏試驗成功完成。堵漏試驗成功后，方可進行現場應用。

5 現場施工流程

帶壓堵漏整體作業過程主要分為三步：起始注入、順序注入、終點補注，整體作業過程如圖2所示。

(1)遠離主滲漏點起始注入，防止注劑吹散外噴(圖a)；初期注入時，密封劑由于抗拉伸、抗撕裂強度低，容易被吹散外噴；密封劑被吹散后其表層呈現一定固化特性，自黏性降低，容易將密封劑注入到滲漏介質系統。

(2)順序注入區域擠壓，利于填滿壓實(圖b—c)，避免形成死角，確保建立均勻致密的密封結構；通過區域擠壓，使自然推進層面含有的滲漏氣體通過擠壓逸出，實現腔體內密封劑均勻、致密；當順序注入逐漸向主滲漏點靠近時，須嚴格控制加注速度和密封劑用量，觀察注入壓力變化情況，避免密封劑注入到滲漏介質系統。

(3)終點補注壓緊(圖d)，防止產生應力松弛，根據系統溫度采用順序補注或局部壓緊。

作業前需確認起始注入點的選擇，對只有一個滲漏點時，首先從遠離主滲漏點開始注入堵漏劑；對于存在多個滲漏點時，要對稱地從漏點兩側的注劑孔注入，可以有效預防密封劑被吹散外噴和將密封注劑注入到滲漏介質系統中。同時通過實施多點注入，能夠限定注入推進距離，操作過程密切觀察注入壓力變化情況，調整操作壓力，均勻平穩施壓，同時注意密封劑固化時間與注入速度之間的協調，避免卡具及法蘭螺栓超載，確保封堵質量和防止局部超壓。

6 現場應用情況

針對氣井口采氣樹大四通上下法蘭、雙公短節、表套技套環空等部位漏氣情況，靖邊氣田自2012年起引進應用外部帶壓堵漏技術進行治理井口漏氣[11]，截至目前采用該方法共治理10口氣井12處漏氣點，其中：大四通法蘭盤連接處漏氣點4處，雙公短節處漏氣點5處，下法蘭與生產套管的密封螺紋連接部位漏氣點2處，套管頭漏氣點1處。

在此分別選取典型井分別對大四通法蘭盤連接處、雙公短節、下法蘭與生產套管的密封部位、套管頭等漏點治理方式進行簡要介紹。

6.1 大四通法蘭盤連接處漏點

針對氣井井口的大四通法蘭盤連接處存在漏氣現象，根據氣井井口大四通結構，設計了專門的法蘭封堵裝置，如圖3所示。該型堵漏卡具結構簡單，現場安裝方便，操作平穩。

圖3 大四通與法蘭盤連接處堵漏卡具結構示意圖

圖4 大四通與法蘭盤連接處堵漏卡具現場安裝圖

6.2 雙公短節處漏點

針對靖邊氣田氣井的雙公短節特點，設計了專用雙公短節堵漏卡具，加裝了特制的上下支撐結構，防止加壓過程中卡具因受力不均勻而產生垂向移動，保證卡具安裝方便、同時保證了堵漏效果，經過現場驗證，效果顯著。卡具的結構圖如圖5所示。

圖5 雙公短節卡具安裝示意圖

6.3 下法蘭與生產套管連接處漏點

下法蘭與生產套管連接處屬于特殊位置，空間有限，因此將該類井卡具設計為：上部開口狀，有一突起，可將突起處上頂至底法蘭與大四通螺栓之間；下部為環形并在帶有密封位(如圖6所示)。由于該處卡具打膠后卡具會向下移動，所以拆除4條大四通螺栓，在卡具上設計了4個連接螺栓孔，使用特制螺栓將卡具固定在下法蘭下部，在注入密封劑時，堵漏卡具有下擠力，螺栓可克服下擠力，以固定卡具并防止卡具下移，保證了卡具的穩定工作。如果上下2個卡具活動會造成密封不嚴而出現漏氣現象，所以在2個卡具中間用自制螺栓來支撐固定，防止上下2個卡具活動。最終的卡具結構如圖6所示。

圖6 下法蘭與生產套管連接處堵漏卡具結構圖

6.4 套管頭處漏點

靖A井的下法蘭與生產套管連接部位以及套管頭部位存在滲漏，由于該井沒有安裝簡易套管頭，而是在表套的頂端焊接一個厚度為30 mm的環形鋼板(如圖7所示)，井口沒有扶正導致表層套管和生產套管發生37 mm的偏心，給施工帶來較大的難度。

圖7 生產套管和表層套管偏心井口現場結構圖

針對這類氣井的套管頭生產套管和表層套管嚴重偏心問題，設計了上、下偏心堵漏卡具，保證卡具安裝方便、同時保證了堵漏效果，經過現場驗證，成功消除了井口存在的安全隱患，卡具的結構圖如圖8所示。

圖8 生產套管和表層套管偏心井口堵漏卡具結構圖

6.5 應用效果

截至目前，靖邊氣田已一次性成功帶壓堵漏治理10口氣井12處井口隱患，經現場應用，井口帶壓堵漏技術取得了以下效益：

(1)治理整改措施對油氣層無傷害。施工過程中，保持現有井況，無需關井及壓井，作業后對油氣層沒有任何傷害，且作業周期短，平均堵漏作業時間持續2—3天，無需通過排液復產等措施即可投產，減少了關井時間，降低了作業成本。

(2)作業過程安全環保。整個作業過程都是在地面進行，施工過程中井口一直處于受控狀態，壓力表實時顯示密封情況，易觀察、易受控；作業過程由液壓操作來實現，操作平穩準確，安全風險低；由于無需壓井，不存在壓井液或地層水污染環境的風險。

7 結論及建議

通過帶壓堵漏技術近年來在靖邊氣田的應用，得出以下結論、建議：

(1)天然氣井井口帶壓堵漏技術成功應用的重要環節在于堵漏卡具的設計，應根據井口裝置結構特點、基本尺寸、氣井的系統壓力和溫度等因素，合理地選材和確定卡具結構；并對卡具的可靠性進行驗證，才能確保現場成功應用，徹底消除氣井井口漏氣隱患。

(2)相對于其他同類技術，井口帶壓堵漏整個作業過程都是在地面進行，卡具直接安裝在井口裝置滲漏處，作業過程易于觀察、便于操作，堵漏效果好。

(3)堵漏過程中通過操作液壓設備來實現密封劑平穩加注，可由液壓系統壓力表觀察、控制操作過程，確保安全、可靠，整個施工過程中井口一直處于受控狀態。

(4)帶壓堵漏操作過程中，保持氣井現有井況，不用壓井，對氣層無傷害，作業完即可投產，靖邊氣田的現場應用情況表明，該技術具有適應性強、作業周期短、快速高效、不污染地層、安全經濟的特點，是保障氣井安全生產的一項重要的技術。

主要有以下幾個方面的建議：

(1)在對井口大四通法蘭盤連接處進行帶壓堵漏治理時，為防止氣體介質對法蘭盤連接螺栓造成腐蝕，作業前須確保法蘭盤連接螺栓為抗硫材質或更換為抗硫材質螺栓，保證治理后氣井安全。

(2)帶壓堵漏技術是一種被動的治理井口漏氣的應急性措施，要從根本上消除氣井井口漏氣，還需加強前期井口采氣樹材料選擇以及施工質量的管理，避免在氣井投產后出現漏氣隱患，而增加治理難度。