采气树无控制部位带压堵漏工艺探讨及应用

(中石油长庆油田分公司第一采气厂 陕西靖边 718500)

靖边气田是长庆油田投入开发建设的第一个大气田，目前已开发20多年，部分气井采气树大四通上下法兰、双公短节、表套技套环空等部位存在漏气隐患，给气田安全生产带来极大的风险，严重影响气井正常生产，需要有针对性地对该类气井井口渗漏部位进行整改治理。由于这些位置属承压部位，传统治理方法是将压井液泵入井筒内，压住地层油气后进行整改。由于压井作业的液体漏失大，使得压井作业难度增大，安全风险高，且对储层伤害较大，同时压井液渗入地层孔隙，反排难度大，不利于发挥气井产能。

2012年起靖边气田试验采用外部带压堵漏技术治理井口漏气，该技术无需压井作业，既保护了油气层，又消除了安全隐患。截至目前，靖边气田采用该方法共治理10口气井12处漏气点，彻底消除了安全隐患，实现了经济效益和社会效益的双丰收。

1 井口带压堵漏技术

1.1 基本原理

如图1所示，带压堵漏技术的主要原理是：当承压设备出现介质渗漏时，在保持生产工况不变的情况下，在渗漏点周围利用专用卡具建立新的密封空腔，以高于系统压力的推力，向密封腔内注入专用密封材料，使腔内达到足够的密封比压，从而阻止介质渗漏，并形成新的可靠的密封结构[1-2]。

图1 带压堵漏示意图

气井井口堵漏时，利用机械密封原理和高压密封脂的密封性，将堵漏卡具安装固定在井口渗漏部位外面，形成新的密封腔[3-4]。堵漏卡具上下模结合处有专用密封圈密封，同时堵漏卡具与渗漏处管道外壁设计专用密封条，当四条连接螺栓将堵漏卡具上下模连接后，首先保证了堵漏卡具自身的密封，再通过高压注入密封胶，使密封胶在高压注入过程中受力，在堵漏卡具内腔紧密挤压，在渗漏点四周形成一圈整体密封环，隔离渗漏点，实现渗漏的封堵。

同时，双公短节堵漏时，通过在卡具下端面加装简易套管头，连接螺栓的拉力和简易套管头的支撑，保证在高压时卡具不会发生位移，提高封堵效果。

1.2 技术要点

带压堵漏技术由专用工具、密封剂、专用卡具及堵漏工艺四部分组成[5-6]，各部分主要有以下几项设计要点：

(1)堵漏卡具设计。需根据气井井口装置结构特点、渗漏点的位置等因素，设计与其相匹配的专用卡具，卡具的材质和强度均应满足现场的堵漏要求；通过提高卡具对渗漏本体的适应能力，为渗漏点预制卡具，提高该工艺的操作速度。

(2)选用性能稳定的堵漏剂。堵漏材料的选择需考虑天然气渗漏点的系统压力、温度、介质特性等因素。

(3)优化堵漏工艺。通过设计符合现场实际的堵漏工艺程序，可以有效提高卡具对渗漏本体的保护能力，避免密封注剂对渗漏本体形成冲击破坏，以达到最优的堵漏效果。

2 带压堵漏卡具设计

应对气井井口装置结构进行调研，并详细测绘井口装置基本尺寸(如渗漏处法兰直径、法兰外边缘到其连接螺栓的最小距离、法兰副的宽度、法兰连接螺栓的个数和规格等参数)；明确渗漏介质的组分和地层水理化性质；仔细判断具体的渗漏部位，测试系统压力和预测渗漏当量等数据，为堵漏卡具设计和带压堵漏程序设计提供完整、详实的现场勘察资料。

堵漏卡具的设计要依据现场渗漏的大小、系统介质的压力和温度，选择合适的堵漏材料和设计合理的卡具结构[7-8]。堵漏卡具的设计应满足以下原则：

(1)卡具与渗漏处本体的间隙不大于0.4 mm，防止密封剂外溢；

(2)两两卡具之间可以相互分体，确保卡具方便安装；

(3)需在卡具与渗漏部位之间形成一个合适的密封空腔，以填充密封剂，确保卡具封闭性能；

(4)堵漏卡具必须具有一定的刚度和强度；

(5)卡具上需设计带有内螺纹的注剂孔，孔的位置和数量须确保将密封腔内注满密封剂。

2.1 卡具材质的选择

根据渗漏介质的组分、系统压力、温度选择卡具的材料，针对气井井口装置结构特点和卡具的加工、现场安装等方面的因素，一般将卡具设计为两块对称的结构形式。

卡具材质的选择依据GB/T 26467-2011《承压设备带压密封技术规范》，选择碳钢(Q235-A或20钢)作为制作气井堵漏卡具的材料，其具有易加工、焊接性能好等特点。鉴于堵漏卡具目前均用在高压气井上，经过反复试验，卡具材质选择35CrMo钢，并作调质处理。

2.2 堵漏卡具受力分析

(1)卡具承受的力：卡具与气井原密封结构形成的密闭空腔内，承受渗漏系统压力和密封注剂挤压力。

(2)气井压力渗漏到密封空腔内，以泄放压力值，作用于空腔内壁。泄放压力值的大小与渗漏孔洞大小成正比，该压力是均布载荷。

(3)密封注剂挤压力是由专用工具组成的液压系统，为克服系统压力和密封注剂在空腔内的流动、填满产生的阻力，施加高压推力形成的，该压力是变动载荷。

(4)密封空腔内的总力，是指在系统压力和密封注剂填满所需力之外，还有为压实形成密封比压所施加的力。

需要计算的部分为卡具本体厚度、耳板厚度和紧固螺栓尺寸。

2.3 卡具本体厚度计算

根据实际应用实践和应力测试，采用GB/T 26468-2011《承压设备带压密封卡具设计规范》的壁厚计算公式：

式中：S为卡具厚度，mm；pc为设计压力，MPa；D为卡具内径，对法兰卡具计算直径等于法兰外径，即D=480 mm；[σ]t为材料所在温度作用下的许用应力，MPa，查阅GB150 1～4-2011《压力容器 第2部分碳素钢和低合金钢钢锻件许用应力》，取20 ℃下为226 MPa；φ为焊接系数，目前卡具采用整体锻压，无焊接，因此φ=1。

根据设计规范要求，需对带压密封卡具设计压力进行修正，一般取设计压力pc=pL+5 MPa，pL为系统压力，依据是：

(1)密封注剂在密封腔内的动态变化和密封比压需要。

按密封原理只有空腔内密封注剂压力pp大于渗漏系统压力pL才能达到密封效果； 注入到密封空腔内，且已填满的密封注剂，有出现体积收缩的可能，使已形成的工作密封比压下降，必须提高注剂压力以保持工作密封比压； 密封空腔内的密封注剂，由于系统温度作用，会发生热失重现象，造成工作密封比压下降，必须提高注剂压力以保持工作密封比压。

(2)提高卡具刚性稳定需要。

(3)对不同系统压力和不同卡具结构，应结合实际受力状况区别选取修正值。

假设渗漏系统压力为30 MPa，卡具本体厚度为

卡具设计不但要考虑强度，而且要考虑刚性，以保证施工安全和密封的成功[9]。为保证堵漏时，卡具在高温高压下不产生过大的变形，且保证堵漏时间长久，卡具的设计厚度取强度计算厚度的2～4倍。根据计算结果并乘以安全系数，其大四通下法兰与下部法兰渗漏处卡具本体厚度范围为32.5～65 mm；根据室内反复试验，确定的大四通下法兰与下部法兰渗漏处卡具本体厚度为70 mm，生产套管与表层套管渗漏处卡具本体厚度为40 mm。

堵漏卡具与采气装置渗漏部位的外表面应构成密闭空腔，便于填充密封剂；空腔的宽度应当超过渗漏缺陷的实际尺寸20～40 mm；空腔的高度(即形成新密封结构的密封剂厚度)应在5～30 mm，加工精度应达到±0.1 mm。

堵漏卡具与采气装置接触间隙应密切配合，避免接触间隙过大导致密封剂外溢，参考GB/T 26468-2011《承压设备带压密封夹具设计规范》，表1给出了堵漏卡具与采气装置接触间隙的参考值。若参考数据无法满足现场实际要求时，还需增加辅助密封结构。

表1 卡具与渗漏部位接触间隙参考值

2.4 耳板厚度与连接螺栓的计算

卡具本体空腔内承受的力，传递到耳板和连接螺栓上，因此卡具空腔内承受的力是承压构件受力的力源。

卡具耳板厚度的计算公式为

式中：t为耳板最小厚度，mm；C为卡具密封腔宽度，mm，对于法兰用卡具，C为法兰副间隙，由于许多法兰副间隙非常小，甚至间隙为0，因此C取40 mm；pc为设计压力，MPa；D为卡具计算直径，480 mm；b为耳板宽度，150 mm；L为耳板螺孔中心至卡具外缘的距离，40 mm；[σ]t为耳板材料所处温度下的许用应力，MPa，取20 ℃下为230 MPa。

计算得耳板厚度为：t=48.35 mm。考虑附加值后实际设计卡具耳板厚度取值t=60～70 mm。

连接螺栓直径计算公式为

式中：d为螺栓计算直径，mm，其值应对照标准螺纹小径，并对应确定螺栓的标准规格外径；Ck为预紧力和刚度系数，取值1.5；C为卡具密封腔宽度，mm，取40 mm；pc为设计压力，MPa；D为卡具计算直径，mm，对法兰卡具D等于法兰外径；n为卡具连接螺栓数量；[σ]t为卡具连接螺栓所处温度下的许用应力，MPa，取20 ℃下为228 MPa。

计算得螺栓直径为：d=32 mm。

因此，最终选用的连接螺栓为4根M39高强度螺栓，2根螺纹底径为35.5 mm，材料为35CrMo,材料经过调质处理，抗拉强度σb>800 MPa。

单个螺栓可承受拉力为

197 959.44(N)

根螺栓可承受的拉力为

F总=4×197 959.44=791 837.76(N)

工作时密封属于局部密封，对螺栓产生的压力很小，故螺栓的拉力完全可承受的气体渗漏产生的拉力，主要用于螺栓拉紧的预紧力。

3 密封剂的选用

密封剂通常由高分子材料及其他辅料组成，以黏稠胶状物形态存在，在设备渗漏部位重新建立的密封结构中，密封剂传递挤压并与渗漏介质接触，既要耐介质、温度，又要能承受一定的压力。密封剂的性能及指标应符合表2所示的规定。

表2 密封剂性能指标

依据国家标准GB/T 26556-2011《承压设备带压密封剂技术条件》选择适合的密封剂。因天然气的易燃、易爆、腐蚀性能，选用填充型非固化密封脂作为带压堵漏密封材料，该密封剂注入卡具内永远不固化，在卡具内一直为松散流动状，这样在任何时候都可以向卡具内补胶，温度的变化不会因其性能的过大变化。

该密封脂与天然气不会产生任何化学反应，最佳的适用温度范围为-50～260 ℃，压力至35 MPa。该密封脂加入了高分子化合物和无机填料，它在一定温度和压力作用下，具有良好的注射和填充性(即流动性)，经注射枪加压注入卡具后，对天然气具有良好的化学稳定性、耐老化和不透气性能，收缩率较小，流动性好，以保证堵漏成功。

4 堵漏卡具模拟试验

4.1 试验装置

针对气井井口装置的结构特点，设计研发了一套专门的井口模拟装置(试验模拟装置所需材料如表3所示)，在实验室内使用氮气模拟现场天然气的渗漏[10]，可模拟气井口采气树大四通上下法兰、双公短节、表套技套环空等部位漏气情况，从而为现场实施带压堵漏提供相关数据和经验。

表3 试验模拟装置材料

4.2 试验过程

试验的过程如下：

(1)清理卡具，确保卡具表面干净、平整；

(2)将高强快固胶均匀地涂抹在卡具后半体表面；

(3)将卡具安装在已经建好的试验装置上；

(4)等待胶体固化后，试验装置打压至25 MPa，然后连接注剂枪向模具的腹腔内加注密封剂；注剂压力打压至30 MPa，稳压15 min；

(5)当卡具连接处溢出注剂时停止加注，观察压力表读数，当压力稳定在30 MPa时，记录该数值，进行各项检测；

(6)检测卡具是否存在渗漏点，若未发现气体渗漏，堵漏试验成功完成；

(7)卸下卡具，重复(1)～(6)进行二次试压，检测无气体渗漏，堵漏试验成功完成。堵漏试验成功后，方可进行现场应用。

5 现场施工流程

带压堵漏整体作业过程主要分为三步：起始注入、顺序注入、终点补注，整体作业过程如图2所示。

(1)远离主渗漏点起始注入，防止注剂吹散外喷(图a)；初期注入时，密封剂由于抗拉伸、抗撕裂强度低，容易被吹散外喷；密封剂被吹散后其表层呈现一定固化特性，自黏性降低，容易将密封剂注入到渗漏介质系统。

(2)顺序注入区域挤压，利于填满压实(图b—c)，避免形成死角，确保建立均匀致密的密封结构；通过区域挤压，使自然推进层面含有的渗漏气体通过挤压逸出，实现腔体内密封剂均匀、致密；当顺序注入逐渐向主渗漏点靠近时，须严格控制加注速度和密封剂用量，观察注入压力变化情况，避免密封剂注入到渗漏介质系统。

(3)终点补注压紧(图d)，防止产生应力松弛，根据系统温度采用顺序补注或局部压紧。

作业前需确认起始注入点的选择，对只有一个渗漏点时，首先从远离主渗漏点开始注入堵漏剂；对于存在多个渗漏点时，要对称地从漏点两侧的注剂孔注入，可以有效预防密封剂被吹散外喷和将密封注剂注入到渗漏介质系统中。同时通过实施多点注入，能够限定注入推进距离，操作过程密切观察注入压力变化情况，调整操作压力，均匀平稳施压，同时注意密封剂固化时间与注入速度之间的协调，避免卡具及法兰螺栓超载，确保封堵质量和防止局部超压。

6 现场应用情况

针对气井口采气树大四通上下法兰、双公短节、表套技套环空等部位漏气情况，靖边气田自2012年起引进应用外部带压堵漏技术进行治理井口漏气[11]，截至目前采用该方法共治理10口气井12处漏气点，其中：大四通法兰盘连接处漏气点4处，双公短节处漏气点5处，下法兰与生产套管的密封螺纹连接部位漏气点2处，套管头漏气点1处。

在此分别选取典型井分别对大四通法兰盘连接处、双公短节、下法兰与生产套管的密封部位、套管头等漏点治理方式进行简要介绍。

6.1 大四通法兰盘连接处漏点

针对气井井口的大四通法兰盘连接处存在漏气现象，根据气井井口大四通结构，设计了专门的法兰封堵装置，如图3所示。该型堵漏卡具结构简单，现场安装方便，操作平稳。

图3 大四通与法兰盘连接处堵漏卡具结构示意图

图4 大四通与法兰盘连接处堵漏卡具现场安装图

6.2 双公短节处漏点

针对靖边气田气井的双公短节特点，设计了专用双公短节堵漏卡具，加装了特制的上下支撑结构，防止加压过程中卡具因受力不均匀而产生垂向移动，保证卡具安装方便、同时保证了堵漏效果，经过现场验证，效果显著。卡具的结构图如图5所示。

图5 双公短节卡具安装示意图

6.3 下法兰与生产套管连接处漏点

下法兰与生产套管连接处属于特殊位置，空间有限，因此将该类井卡具设计为：上部开口状，有一突起，可将突起处上顶至底法兰与大四通螺栓之间；下部为环形并在带有密封位(如图6所示)。由于该处卡具打胶后卡具会向下移动，所以拆除4条大四通螺栓，在卡具上设计了4个连接螺栓孔，使用特制螺栓将卡具固定在下法兰下部，在注入密封剂时，堵漏卡具有下挤力，螺栓可克服下挤力，以固定卡具并防止卡具下移，保证了卡具的稳定工作。如果上下2个卡具活动会造成密封不严而出现漏气现象，所以在2个卡具中间用自制螺栓来支撑固定，防止上下2个卡具活动。最终的卡具结构如图6所示。

图6 下法兰与生产套管连接处堵漏卡具结构图

6.4 套管头处漏点

靖A井的下法兰与生产套管连接部位以及套管头部位存在渗漏，由于该井没有安装简易套管头，而是在表套的顶端焊接一个厚度为30 mm的环形钢板(如图7所示)，井口没有扶正导致表层套管和生产套管发生37 mm的偏心，给施工带来较大的难度。

图7 生产套管和表层套管偏心井口现场结构图

针对这类气井的套管头生产套管和表层套管严重偏心问题，设计了上、下偏心堵漏卡具，保证卡具安装方便、同时保证了堵漏效果，经过现场验证，成功消除了井口存在的安全隐患，卡具的结构图如图8所示。

图8 生产套管和表层套管偏心井口堵漏卡具结构图

6.5 应用效果

截至目前，靖边气田已一次性成功带压堵漏治理10口气井12处井口隐患，经现场应用，井口带压堵漏技术取得了以下效益：

(1)治理整改措施对油气层无伤害。施工过程中，保持现有井况，无需关井及压井，作业后对油气层没有任何伤害，且作业周期短，平均堵漏作业时间持续2—3天，无需通过排液复产等措施即可投产，减少了关井时间，降低了作业成本。

(2)作业过程安全环保。整个作业过程都是在地面进行，施工过程中井口一直处于受控状态，压力表实时显示密封情况，易观察、易受控；作业过程由液压操作来实现，操作平稳准确，安全风险低；由于无需压井，不存在压井液或地层水污染环境的风险。

7 结论及建议

通过带压堵漏技术近年来在靖边气田的应用，得出以下结论、建议：

(1)天然气井井口带压堵漏技术成功应用的重要环节在于堵漏卡具的设计，应根据井口装置结构特点、基本尺寸、气井的系统压力和温度等因素，合理地选材和确定卡具结构；并对卡具的可靠性进行验证，才能确保现场成功应用，彻底消除气井井口漏气隐患。

(2)相对于其他同类技术，井口带压堵漏整个作业过程都是在地面进行，卡具直接安装在井口装置渗漏处，作业过程易于观察、便于操作，堵漏效果好。

(3)堵漏过程中通过操作液压设备来实现密封剂平稳加注，可由液压系统压力表观察、控制操作过程，确保安全、可靠，整个施工过程中井口一直处于受控状态。

(4)带压堵漏操作过程中，保持气井现有井况，不用压井，对气层无伤害，作业完即可投产，靖边气田的现场应用情况表明，该技术具有适应性强、作业周期短、快速高效、不污染地层、安全经济的特点，是保障气井安全生产的一项重要的技术。

主要有以下几个方面的建议：

(1)在对井口大四通法兰盘连接处进行带压堵漏治理时，为防止气体介质对法兰盘连接螺栓造成腐蚀，作业前须确保法兰盘连接螺栓为抗硫材质或更换为抗硫材质螺栓，保证治理后气井安全。

(2)带压堵漏技术是一种被动的治理井口漏气的应急性措施，要从根本上消除气井井口漏气，还需加强前期井口采气树材料选择以及施工质量的管理，避免在气井投产后出现漏气隐患，而增加治理难度。