鉆柱冷凍塞技術(shù)在FOX-Z-ST井井控作業(yè)中的應(yīng)用

黃在福

（中國石化集團國際石油勘探開發(fā)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(fā)有限公司在喀麥隆Makoko Abana區(qū)塊Foxtrot平臺上部署的一口探井，勘探目的層為S5C和S5D砂巖，設(shè)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(fā)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(cè)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(qū)開泵后鉆具不通，上下活動及轉(zhuǎn)動均無效，鉆具發(fā)生埋卡。停泵后觀察，鉆柱內(nèi)立壓9.61 MPa，環(huán)空套壓9.79 MPa，鉆柱內(nèi)外放壓聯(lián)動緩慢，且鉆柱內(nèi)外無法建立循環(huán)，需斷開鉆柱尋找其他解卡方法。但是地面轉(zhuǎn)盤到頂驅(qū)內(nèi)防噴閥（IBOP）之前，沒有旋塞式安全閥（TIW）等閥件，無法用常規(guī)方法實施鉆柱斷開。

2 鉆柱冷凍塞技術(shù)

2.1 井控壓力屏障

鉆柱冷凍塞技術(shù)是利用鉆柱鋼材的導(dǎo)熱性能，向鉆柱內(nèi)注入冷凍劑（或?qū)︺@柱內(nèi)已存液體），通過管外吸熱制冷手段，使得鉆柱內(nèi)液體有效凍結(jié)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(jīng)是比較成熟的技術(shù)。

Flak等［1］在1997年7月22日已將“伺服井口的設(shè)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(lián)酋Sajaa油田應(yīng)用5口井，并取得了成功［2］。自此，國內(nèi)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(shè)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(yīng)為首例。

2.2 技術(shù)要素

FOX-Z-ST井應(yīng)用的是Boots and Coots IWC公司的鉆柱冷凍技術(shù)體系，包括冷凍塞位置、長度和溫度的確定，冷凍介質(zhì)、制冷介質(zhì)的選擇以及是否使用帶壓打孔設(shè)備等技術(shù)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(nèi)通徑作業(yè)做準(zhǔn)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(yè)；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(yè)要求。為此，設(shè)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(xiàn)場實施高壓壓力屏障的經(jīng)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(shù)也有類似經(jīng)驗。因此，可得到計算冷凍塞長度的經(jīng)驗公式（見式（1）），公式適用于內(nèi)徑 0.114～0.304 m的鉆柱。經(jīng)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(shù)，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(nèi)徑或冷凍介質(zhì)斷面的最大直徑，m。

通過經(jīng)驗公式計算出冷凍塞最小有效長度，參照此長度設(shè)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(jù)低溫金屬學(xué)研究成果［3］，普通碳鋼的低溫結(jié)晶臨界溫度為-101℃，低于臨界溫度后，金屬分子結(jié)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(yīng)遠高于此溫度。一般情況下，根據(jù)施工經(jīng)驗，建議在施工現(xiàn)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(zhì)和冷凍介質(zhì)的選擇提供了參考。

2.2.4 冷凍介質(zhì)

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(zhì)。但在現(xiàn)場施工中，因為鉆柱內(nèi)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(zhì)，這層油膜將不能起到隔絕壓力的作用。同時，水在結(jié)冰時的膨脹體積比大于水基鉆井液，對壓力監(jiān)測的控制難度要稍加復(fù)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(zhì)量分數(shù)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(xiàn)場鉆井液至少預(yù)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(nèi)壁附著。

2.2.5 制冷介質(zhì)

制冷介質(zhì)的選擇根據(jù)市場條件來決定，通常比較經(jīng)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(jié)晶臨界溫度，因此不宜直接與管體接觸。在現(xiàn)場施工中，選擇黃銅或合金材質(zhì)的螺旋繞管，制冷介質(zhì)在繞管中循環(huán)，借助繞管和鉆柱良好的導(dǎo)熱性能，將鉆柱中的熱量帶走，實現(xiàn)管體冷凍降溫的目的。通過控制流過繞管的液氮流量，結(jié)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(guī)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(guī)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(jīng)驗來確定加冰的時間和數(shù)量［6-13］。由于液氮在該地區(qū)市場條件下不能滿足施工要求，喀麥隆FOX-Z-ST井在現(xiàn)場使用了干冰作為冷凍介質(zhì)。

2.2.6 帶壓打孔設(shè)備

帶壓打孔設(shè)備是鉆柱冷凍工藝的輔助設(shè)備。該設(shè)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(jiān)測壓力和輸送冷凍介質(zhì)到達待冷凍部位的目的。帶壓打孔具有一定的風(fēng)險，容易破壞封閉壓力系統(tǒng)。如果施工現(xiàn)場可以用其他方式進行壓力監(jiān)測，同時冷凍介質(zhì)比較容易輸送到位，也可以不使用帶壓打孔設(shè)備。

2.2.7 不可控風(fēng)險

雖然鉆柱冷凍塞技術(shù)是比較成熟的技術(shù)，但是由于施工現(xiàn)場具體情況不同，施工不可控風(fēng)險依然存在。不可控風(fēng)險主要與管體的低溫結(jié)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(guān)，現(xiàn)場無法在短時間內(nèi)確定哪種溫度是針對該管體的合適臨界溫度。在現(xiàn)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(fēng)險控制的常用措施。

3 現(xiàn)場應(yīng)用

2018年10月25日，F(xiàn)OX-Z-ST井面臨壓井過程中鉆柱發(fā)生卡鉆、鉆柱內(nèi)外帶壓的緊急情況。通過鉆柱內(nèi)嘗試開泵循環(huán)不通，無法實現(xiàn)循環(huán)壓井；同時，鉆柱內(nèi)外壓力持續(xù)緩慢升高，如不采取緊急措施，關(guān)井時間太長會帶來更多的井控風(fēng)險。因此，現(xiàn)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(xiàn)管內(nèi)密封，斷開鉆柱后裝上控制閥件，后續(xù)使用帶壓射孔或者帶壓爆炸松扣等其他手段，對該井實現(xiàn)控制。

3.1 第1次施工

利用經(jīng)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(xiàn)場的可操作空間，設(shè)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(zhuǎn)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(tài)；然后，關(guān)內(nèi)防噴閥，卸開內(nèi)防噴閥上的頂蓋，連接到水泥車，向鉆柱內(nèi)泵入預(yù)先配制的堿水鉆井液0.510 0 m3，當(dāng)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(dāng)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(nèi)進行正反向試壓。當(dāng)泵入堿水鉆井液0.130 0 m3，鉆柱內(nèi)壓力上升至42.00 MPa后，開始緩慢放壓；當(dāng)壓力下降至8.83 MPa，返出堿水鉆井液0.570 0 m3，繼續(xù)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(guān)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(shè)備在鉆臺面以上4.5 m處打孔，連接水泥車。為改變鉆柱內(nèi)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(dāng)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(nèi)進行正反向試壓。當(dāng)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(xù)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(shù)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(shù)對比

1）由經(jīng)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(jié)果表明，本井施工是安全可靠的，此冷凍塞操作可以重復(fù)使用。

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

3）在有井控風(fēng)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(shè)備是FOX-Z-ST井鉆柱冷凍塞施工成功的必要設(shè)備。FOX-Z-ST井實踐證明，當(dāng)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(nèi)壁潤濕性的條件下，才可以使用帶壓打孔設(shè)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(yīng)根據(jù)現(xiàn)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(xiàn)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(jié)合鉆柱表面的可接觸性進行選取。

5 結(jié)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(xiàn)冷凍塞最大有效隔絕壓力達21 MPa。

2）考慮到冷凍塞作業(yè)時，需要改變鉆柱內(nèi)壁潤濕性，因此在以后的施工中，對于鉆柱內(nèi)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(shù)作為高壓井控壓力屏障雖然已經(jīng)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(fēng)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(shù)來施工。