液氮冷凍暫堵技術(shù)在海上井控處置的可行性分析

張 帥, 苗典遠(yuǎn), 江民盛, 李 鞏, 蔣 凱

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

0 引言

冷凍暫堵技術(shù)最早由加拿大SNUBCO公司開發(fā)，主要用于帶壓油氣井修井和井口修復(fù)更換等作業(yè)，可以封隔各套管環(huán)空和油管壓力，為井口修井作業(yè)提供井控安全保障[1-2]。近幾年國內(nèi)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(yè)中發(fā)揮重要作用[3-5]。目前國內(nèi)冷凍暫堵技術(shù)多使用“干冰+乙醇”[6-7]作為冷凍劑進(jìn)行作業(yè)，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(zhì)，存在一定的安全風(fēng)險。為此國內(nèi)陸地油田開發(fā)了以液氮作為冷凍劑的冷凍暫堵技術(shù)，現(xiàn)場應(yīng)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(yè)壓力達(dá)48 MPa，在川渝、長慶等地得到廣泛應(yīng)用[8]。

相比陸地作業(yè)環(huán)境，海上作業(yè)空間有限、環(huán)境復(fù)雜，特別是井噴失控后的海上井口處置中，面臨的作業(yè)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(shè)備[11]，該設(shè)備可根據(jù)需要調(diào)節(jié)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(xù)可控、作業(yè)效率高的特點。本文結(jié)合海上作業(yè)特點，對液氮冷凍暫堵技術(shù)在海上井噴失控后的井口處置進(jìn)行應(yīng)用探討，為了海上井控應(yīng)急處置和恢復(fù)提供了一些思路。

1 液氮冷凍暫堵技術(shù)

1.1 基本原理

液氮冷凍暫堵技術(shù)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(diào)節(jié)注入氮氣的溫度和流量，使冷卻管柱壁面始終保持連續(xù)恒定低溫氮氣流，通過對冷凍速率的精準(zhǔn)控制，保證對冷卻管柱均勻、平穩(wěn)、安全地降溫，確保管柱內(nèi)形成高強度橋塞，實現(xiàn)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(shù)優(yōu)勢

與干冰冷凍方式不同，液氮冷凍暫堵技術(shù)采用自動控制技術(shù)實現(xiàn)冷凍溫度調(diào)節(jié)和控制，冷凍效率更快、安全性更高。由于液氮冷凍暫堵技術(shù)采用夾套保溫方式，氣態(tài)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(yīng)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(yè)空間狹小

海上油田多以叢式井方式開發(fā)，具有井口密集、井眼數(shù)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(shè)備進(jìn)入。液氮冷凍暫堵設(shè)備為便于運輸，暫堵劑注入系統(tǒng)和液氮及監(jiān)控系統(tǒng)整體采用橇裝結(jié)構(gòu)，設(shè)備無法進(jìn)入狹窄的底層甲板，只能擺放在相對開闊的上層甲板，設(shè)備遠(yuǎn)離井口區(qū)域，需要更長冷凍注入管線連接到井口注入閥門，導(dǎo)致注入壓力增高，對設(shè)備的要求更高。

2.2 井口結(jié)構(gòu)復(fù)雜

海上平臺由于槽口數(shù)量有限，常采用單筒雙井或單筒單井進(jìn)行開發(fā)，井口裝置交叉分布，對冷凍設(shè)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(huán)空和油管。因此，對于井口閥門嚴(yán)重?fù)p壞后的井口裝置，建立一條安全有效的注入通道尤為關(guān)鍵。另外，對于海上大尺寸隔水導(dǎo)管直接冷凍，為了達(dá)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(dǎo)熱性能良好的合金軟管或銅管，在導(dǎo)熱軟管與管柱壁面涂覆一層導(dǎo)熱硅脂，填充軟管與管柱間隙，以增大傳熱效果，并向?qū)彳浌苤凶⑷胍旱_(dá)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(yè)和井口處理已取得廣泛應(yīng)用，具有冷凍時間快、冷凍劑消耗量小、環(huán)境適應(yīng)性強、易安裝等優(yōu)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(zhì)對低碳鋼及合金鋼材質(zhì)油套管在低溫下機械性能有更嚴(yán)苛的要求，考慮作業(yè)過程中的安全，因此需要進(jìn)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(yán)重后的帶壓油氣井，先通過帶壓開孔技術(shù)在管柱打孔建立有效的暫堵劑注入通道[13-14]。帶壓開孔設(shè)備主要由管柱夾具、閥門、刀具、轉(zhuǎn)動手輪、氣動馬達(dá)、導(dǎo)向桿等組成。工作原理為氣源驅(qū)動氣動馬達(dá)轉(zhuǎn)動，馬達(dá)帶動導(dǎo)向桿和刀具轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)動手輪可以控制刀具的進(jìn)給與退出，在對管柱進(jìn)行開孔后，關(guān)閉機具上的閥門，連接暫堵劑注入管線，可以向管內(nèi)環(huán)空注入暫堵劑。配合液氮冷凍暫堵設(shè)備即可完成帶壓油氣井的封堵作業(yè)。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(yīng)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(guī)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(yè)周期長，風(fēng)險大，可能壓漏地層，對產(chǎn)層造成傷害，影響后續(xù)復(fù)產(chǎn)。低溫氮氣冷凍暫堵工藝可以在短時間內(nèi)完成帶壓井的封堵，井口閥門狀態(tài)良好可連接管線注入暫堵劑后進(jìn)行冷凍作業(yè)；對于井口閥門已經(jīng)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(jìn)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(jié)合海上作業(yè)環(huán)境和井噴后井口狀況，通過優(yōu)化和改進(jìn)工藝技術(shù)，液氮冷凍暫堵技術(shù)可以在井噴搶險中發(fā)揮重要的作用，具有良好的發(fā)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(jié)構(gòu)為?508.0 mm隔水導(dǎo)管+?339.7 mm技術(shù)套管+?244.5 mm生產(chǎn)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(chǎn)套管內(nèi)為完井液，是一口產(chǎn)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(chǎn)套管環(huán)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(jìn)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(shù)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(chǎn)套管和技術(shù)套管均為N80套管，隔水導(dǎo)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(nèi)?508.0 mm管柱溫度變化示意圖

通過軟件瞬態(tài)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(dá)到冷凍技術(shù)要求。為提升冷凍效果，可切割剝開?508.0 mm隔水導(dǎo)管，露出?339.7 mm技術(shù)套管管柱，直接對?339.7 mm技術(shù)套管進(jìn)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(nèi)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(yè)效率。

圖3 冷凍?508.0 mm和?339.7 mm套管管內(nèi)溫度變化曲線圖

4.2 橋塞強度分析

橋塞強度受結(jié)冰溫度、界面特性、化學(xué)因素等影響，暫無有效數(shù)值預(yù)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(jié)強度增大[16]。一般認(rèn)為冰黏結(jié)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(jié)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(jié)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(jié)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(jié)強度的一個重要因素，隨著凍結(jié)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(jié)強度會逐漸增大，同時冰塞與管壁接觸面開始趨于穩(wěn)定狀態(tài)。當(dāng)冷凍溫度降低到一定值后，即臨界冷凍溫度，橋塞黏結(jié)強度增長速率減小，強度趨于穩(wěn)定，繼續(xù)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(tǒng)未進(jìn)入熱平衡前，持續(xù)冷凍會使管柱溫度不斷降低，冷凍溫度達(dá)到臨界溫度前，橋塞黏結(jié)強度逐漸增大。當(dāng)冷凍溫度達(dá)到臨界溫度時，強度趨于穩(wěn)定，繼續(xù)冷凍對強度沒有太大影響。在實際作業(yè)中，即使冷凍溫度已經(jīng)達(dá)到臨界溫度，應(yīng)該繼續(xù)保持冷凍狀態(tài)，維持橋塞強度。

5 結(jié)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(yīng)盡量減少冷凍管柱的層數(shù)，提升冷凍效率。

(2)液氮冷凍暫堵技術(shù)目前在海上應(yīng)用面臨一些困難和挑戰(zhàn)，通過技術(shù)改進(jìn)和優(yōu)化，如“帶壓開孔+冷凍暫堵”和纏繞法冷凍暫堵技術(shù)，可以有效提升冷凍暫堵技術(shù)在復(fù)雜環(huán)境下適應(yīng)性和應(yīng)用范圍。

(3)液氮冷凍暫堵設(shè)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(yīng)用，后續(xù)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(nèi)容進(jìn)行進(jìn)一步試驗研究，確定不同結(jié)構(gòu)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(shù)，為海上現(xiàn)場應(yīng)用提供技術(shù)參考。