冷冻井口带压换阀技术的应用

冉 婧，赵 青，何 婷，贾 腾，李 浩，高 欣，于 洋

（西安石油大学，陕西西安 710065）

国外冷冻井口带压换闸技术已形成确定施工参数的经验公式，国内外现场井况不同，需进行相关配套技术的研制，冷冻井口带压换闸技术的工艺流程及安全防护工作需要加强[1-5]。

加拿大SNUBCO公司率先提出冷冻暂堵换阀技术；冷冻井口带压换闸技术已成功应用1 000井次，成功率达100%；在国内，冷冻井口带压换闸技术在西南油气田沙罐坪气田罐31井首次成功应用，为保护油气层而需要进行带压整改井口又找到了一项新的技术途径。

2014年新疆油田采用冷冻暂堵技术更换井口主控阀门，值得油田修井业务的推广应用。

2016年长庆油田公司引入冷冻井口带压换阀技术，成功更换12口气井，20个阀门，消除了井口安全隐患。

1 冷冻暂堵带压换阀技术机理及设备简介

1.1 技术原理

通过注入系统将暂堵剂注入采气树的环空和油管，然后在套管外围用冷冻剂实施降温，利用干冰保持温度在-70℃，最后逐层冷冻，直至暂堵剂和管壁紧密结合，封隔井内压力（见图1）。

1.2 主要设备

车载式柴油发电机：用于驱动液压电气装置。

液压控制系统：液压泵、暂堵剂注入液缸、液压发动机、助推增压液缸、控制操作台、液压管汇。

暂堵剂注入系统：注入液缸、湿膨润土暂堵剂储备罐、螺杆送入泵、暂堵剂注入管汇等。

暂堵剂混合装置：用于混合暂堵剂。

加热式高压清洗机∶作用是解冻和清洁。

1.3 工艺参数优选及配套技术

1.3.1 暂堵剂选配及用量计算 暂堵剂的选择：据现场作业需求，实验结果表示以蒙脱石－（Al2，Mg3）-Si4O10OH2·nH2O为主的膨润土作为暂堵剂，可以较好的吸附在油套管管壁，且具有良好的化学稳定性，易返排等特性（水土比：1∶1.3）（见图 2）。

暂堵剂的用量：V=V1+V2+V3

式中：V1－油管空间封堵体积；V2－油套环空封堵体积；V3-采气树及阀门通道附加体积。

1.3.2 段塞长度计算及验证 根据公式计算，现场并进行承压实验，数据显示当管柱内段塞达到600 mm时，承压均高于55 MPa，根据本厂地层压力分析，推荐值为 550 mm～800 mm（见图 3，表 1）。

图1 冷冻暂堵带压换阀技术原理图

式中：Lmin-最短安全长度；ID-封堵管柱内径；PSI-管柱内的压力。

图2 暂堵剂筛选流程图

图3 段塞结构图

表1 油管承压冷冻实验表

1.3.3 冷冻时间的优化 假设干冰作为恒温源，温度为-78℃，各层套管及油管形成同心圆柱不传热，油管与油套空间由常温25℃降至-71℃。根据现场实验：分组讨论冷冻时间。数值分析，利用ANSYS数值模拟软件进行瞬态热分析，确定达到设定温度所需时间，经过参数修正，得出经验公式：

由此得出常规51/2"气套气井的冷冻时间约为12 h。

1.3.4 技术特点

（1）可以同时暂堵多层套管环空和油管内部；（2）暂堵成功后，确保温度在要求范围内，冷冻效果一直保持；（3）暂堵压力较高，最高工作压力达 70 MPa；（4）解堵方便，采用自然升温或加热升温解堵。

2 冷冻井口带压换阀技术在双X井的应用

2.1 井场现状

2017年6月发现该井1#、2#主控阀门存在外漏情况，为处理井口隐患，决定采用冷冻暂堵技术更换该井 1#、2#、3#主控阀门（见图 4）。

2.2 阀门漏控制

在1#、3#阀门上安装外漏控制器，确保阀门能够正常开关无外漏。

2.3 连接压井放喷流程

图4 工艺流程图

更换1#阀门作业时，压井放喷管线接于3#阀门外法兰处，更换2#、3#阀门作业时，压井放喷管线接于1#阀门外法兰处。

2.4 冷冻工作

子洲气田外泄问题日趋严峻，当地老乡频繁阻挠，设置路障，并索要超高赔偿，使得道路损毁时无法及时修复，导致部分气井配套措施不及时实施，出现井堵时无法解堵，给生产组织管理带来很多困难，影响气井正常生产。

2.5 外泄影响

在双公短接处安装冷冻盒，并加入冷冻介质（干冰），冷冻1 h以上的同时：

（1）在3#阀上连接冷冻暂堵装置，设备试压50 MPa合格后，向油套环空注入暂堵剂，不间断向冷冻盒中加入冷冻介质，冷冻油套环空，冷冻时间2 h以上。

（2）在4#阀上连接冷冻暂堵装置，试压50 MPa合格后，通过4#、1#阀向油管内注入暂堵剂，不间断向冷冻盒中加入冷冻介质，冷冻油管内通道，冷冻时间10 h～12 h以上。

工艺要点：（1）根据热量计算控制干冰加入量，预冷 2 h；（2）冷冻暂堵装置，试压压力为 50 MPa；（3）冷冻油管内通道，冷冻时间10 h～12 h以上。

2.6 更换主控阀

（1）在3#阀上安装试压/泄压装置，缓慢打开3#阀，观察30 min若无泄漏，则反向试压，试压为井口压力1.5倍；观察15 min若无压降，泄压后再观察15 min，确认暂堵成功。

（2）在4#阀上安装试压/泄压装置，缓慢打开4#阀，观察30 min若无泄漏，则反向试压，试压为井口压力1.5倍；观察15 min若无压降，泄压后再观察15 min，确认暂堵成功。

（3）拆除并更换采气树1#、2#、3#主控阀。

施工要点：（1）更换阀门过程中，及时调整连接压井/放喷流程；（2）换阀作业过程中，不间断向冷冻盒中加入冷冻介质，确保作业过程中冷冻桥塞一直处于冷冻暂堵状态。

2.7 解冻恢复井口

（1）拆除冷冻盒，冷冻桥塞自然解冻。

（2）按《试油（气）作业井控实施细则》相关要求安装地面放喷管线，通过放喷管线将暂堵剂排出。

（3）拆除冷冻暂堵设备及辅助设备。

（4）按要求恢复井场完井，做到工完料净、井场清。

施工要点：（1）更换阀门过程中，及时调整连接压井/放喷流程；（2）换阀作业过程中，不间断向冷冻盒中加入冷冻介质，确保作业过程中冷冻桥塞一直处于冷冻暂堵状态。

3 结论与认识

（1）优化冷冻暂堵技术相关施工工艺参数及配套设备。

（2）使本厂首次使用冷冻技术解决井口隐患问题成功开展。

（3）配合指导后续冷冻暂堵施工，提高效率，降低风险，有一定的推广价值。