钻柱冷冻塞技术在FOX-Z-ST井井控作业中的应用

黄在福

（中国石化集团国际石油勘探开发有限公司，北京 100029）

1 概况

FOX-Z井是中国石化集团国际石油勘探开发有限公司在喀麦隆Makoko Abana区块Foxtrot平台上部署的一口探井，勘探目的层为S5C和S5D砂岩，设计完钻井深3 657 m。Foxtrot平台所在水域水深42 m，使用COSL Seeker自升式钻机进行钻井施工。该井于2018年9月7日开钻，钻井过程中边涌边漏。2018年10月7日在完井起钻过程中发生严重溢流，强行起钻并下入简易钻具，在套管鞋处打、挤水泥塞填井后，于2018年10月21日在2 708 m处侧钻为FOX-Z-ST井。

FOX-Z-ST井钻至2 780 m，又遇井涌和漏失同存情况。2018年10月25日，下注入水泥管柱在2 712 m遇阻，连接顶驱开泵后钻具不通，上下活动及转动均无效，钻具发生埋卡。停泵后观察，钻柱内立压9.61 MPa，环空套压9.79 MPa，钻柱内外放压联动缓慢，且钻柱内外无法建立循环，需断开钻柱寻找其他解卡方法。但是地面转盘到顶驱内防喷阀（IBOP）之前，没有旋塞式安全阀（TIW）等阀件，无法用常规方法实施钻柱断开。

2 钻柱冷冻塞技术

2.1 井控压力屏障

钻柱冷冻塞技术是利用钻柱钢材的导热性能，向钻柱内注入冷冻剂（或对钻柱内已存液体），通过管外吸热制冷手段，使得钻柱内液体有效冻结后作为压力屏障。冷冻塞作为低压临时屏障，在管道维修和维护中已经是比较成熟的技术。

Flak等［1］在1997年7月22日已将“伺服井口的设备和方法组合”申请美国专利（冷冻塞最大有效隔绝压力达70 MPa），2002年利用此专利在阿联酋Sajaa油田应用5口井，并取得了成功［2］。自此，国内外开始大量尝试对不同管径的井口部分进行物理方式冷冻，作为冷冻塞以上部分的设备维修、维护、更换的压力屏障［3-5］。但在钻修井时，对钻柱进行物理方式冷冻，作为高压井控压力屏障，本井应为首例。

2.2 技术要素

FOX-Z-ST井应用的是Boots and Coots IWC公司的钻柱冷冻技术体系，包括冷冻塞位置、长度和温度的确定，冷冻介质、制冷介质的选择以及是否使用带压打孔设备等技术要素。

2.2.1 冷冻塞位置

FOX-Z-ST井钻柱冷冻的主要目的是为了安全断开近钻台面的钻柱，快速换装TIW等控制阀件，为下步爆炸松扣或钻柱内通径作业做准备。因此，冷冻塞位置的选择需要满足5个条件：1）工具接头在冷冻面以上；2）工具接头需要在上扣、卸扣大钳可升降的范围，这样冷冻后，大钳方可实施上扣、卸扣作业；3）冷冻塞有足够的长度，以保证高压隔绝效果；4）可以观察到上、下霜面，判断冷冻是否成功；5）施工面满足人工作业要求。为此，设计了盛放冷冻剂的干冰桶，因干冰桶与冷冻塞位置重合，冷冻塞位置即干冰桶位置。冷冻塞安装位置如图1所示。

图1 冷冻塞安装位置示意

2.2.2 冷冻塞长度

参考Powers等［2］现场实施高压压力屏障的经验，通常最大有效隔绝压力达70 MPa的冷冻塞，需要最小有效长度在0.4 m以上。新疆克拉玛依油田实施的冷冻塞技术也有类似经验。因此，可得到计算冷冻塞长度的经验公式（见式（1）），公式适用于内径 0.114～0.304 m的钻柱。经验公式为

式中：L为冷冻塞最小有效长度，m；K为液体压缩系数，取值0.090 6 MPa-1；p为冷冻塞最大有效隔绝压力，MPa；D为冷冻钻柱的内径或冷冻介质断面的最大直径，m。

通过经验公式计算出冷冻塞最小有效长度，参照此长度设计制冷剂容器的高度或缠绕管波及的长度。

2.2.3 冷冻塞温度

根据低温金属学研究成果［3］，普通碳钢的低温结晶临界温度为-101℃，低于临界温度后，金属分子结晶，钻柱将很快失效。

在有载荷的情况下，临界温度可能会进一步升高。因此，施工后钻柱冷冻温度应远高于此温度。一般情况下，根据施工经验，建议在施工现场保持钻柱冷冻的最低温度不低于-73 ℃［4］。 也有文献［5］认为，钻柱冷冻最低温度保持在-20℃，这为制冷介质和冷冻介质的选择提供了参考。

2.2.4 冷冻介质

纯净水在大气压下的冰点温度为0℃，是比较理想的冷冻介质。但在现场施工中，因为钻柱内部有镀层，使用油基钻井液或含油钻井液会在镀层表面形成一层油膜。如果使用纯净水作为冷冻介质，这层油膜将不能起到隔绝压力的作用。同时，水在结冰时的膨胀体积比大于水基钻井液，对压力监测的控制难度要稍加复杂。考虑到这2种情况，加入烧碱和膨润土制成可亲油的碱水钻井液就是理想的选择。也有文献［5］认为，配浆使用的膨润土质量分数在40%以上，膨润土中蒙脱土占比在90%以上时，效果最好。此外，现场钻井液至少预水化6 h，加入适量烧碱进行处理，达到黏度适中，pH值在10以上，保证钻井液形成的冷冻塞在钻柱内壁附着。

2.2.5 制冷介质

制冷介质的选择根据市场条件来决定，通常比较经济实用的是液氮和干冰。液氮储存温度在-217.7℃，远远低于普通碳钢的低温结晶临界温度，因此不宜直接与管体接触。在现场施工中，选择黄铜或合金材质的螺旋绕管，制冷介质在绕管中循环，借助绕管和钻柱良好的导热性能，将钻柱中的热量带走，实现管体冷冻降温的目的。通过控制流过绕管的液氮流量，结合绕管表面温度，可以控制冷冻塞温度。由于液氮储存温度低，因此施工时用量少，施工效率高。

干冰常规储存温度适中（-78.5℃），可以直接与被冷冻的管体接触。将干冰与甲醇混合盛放在容器中，用于不规则的管体表面。施工时，干冰直接以气化形式从管体吸热，达到冷冻的目的。干冰冷冻一般无法控制冷冻温度，只能依靠施工者的经验来确定加冰的时间和数量［6-13］。由于液氮在该地区市场条件下不能满足施工要求，喀麦隆FOX-Z-ST井在现场使用了干冰作为冷冻介质。

2.2.6 带压打孔设备

带压打孔设备是钻柱冷冻工艺的辅助设备。该设备主要用于有压力的情况下，通过钻柱表面打孔连通，达到监测压力和输送冷冻介质到达待冷冻部位的目的。带压打孔具有一定的风险，容易破坏封闭压力系统。如果施工现场可以用其他方式进行压力监测，同时冷冻介质比较容易输送到位，也可以不使用带压打孔设备。

2.2.7 不可控风险

虽然钻柱冷冻塞技术是比较成熟的技术，但是由于施工现场具体情况不同，施工不可控风险依然存在。不可控风险主要与管体的低温结晶临界温度，管材的金属组分、使用年限、合金成分、管壁厚度以及钻柱的实际使用情况有关，现场无法在短时间内确定哪种温度是针对该管体的合适临界温度。在现场施工时，尽量提高冷冻塞温度，降低钻柱在冷冻施工时的负荷，以及避免冷冻施工过程中的人为撞击，这些都是风险控制的常用措施。

3 现场应用

2018年10月25日，FOX-Z-ST井面临压井过程中钻柱发生卡钻、钻柱内外带压的紧急情况。通过钻柱内尝试开泵循环不通，无法实现循环压井；同时，钻柱内外压力持续缓慢升高，如不采取紧急措施，关井时间太长会带来更多的井控风险。因此，现场决定对钻台面上的部分钻柱实施安全断开。通过使用冷冻塞临时暂堵，实现管内密封，断开钻柱后装上控制阀件，后续使用带压射孔或者带压爆炸松扣等其他手段，对该井实现控制。

3.1 第1次施工

利用经验公式计算可知，只要冷冻塞最小有效长度在0.2 m以上，则FOX-Z-ST井的最大有效隔绝压力可达21 MPa。考虑到现场的可操作空间，设计了制冷剂容器（见图2）。2018年11月9日第1次施工。首先，将钻柱尽量上提，置于转盘面，放松负荷，保证钻具接头和冷冻塞处于自由不受力的状态；然后，关内防喷阀，卸开内防喷阀上的顶盖，连接到水泥车，向钻柱内泵入预先配制的碱水钻井液0.510 0 m3，当泵压为35 MPa时停泵。碱水钻井液和油基钻井液的接触面位于钻台面以下14.00 m，距冷冻塞下端面14.45 m。在容器中加入干冰，外敷保温层，静置10.5 h，同时观察立压和套压，基本无变化。当观察到容器有明显上、下霜面时，冷冻操作完成，之后在钻柱内进行正反向试压。当泵入碱水钻井液0.130 0 m3，钻柱内压力上升至42.00 MPa后，开始缓慢放压；当压力下降至8.83 MPa，返出碱水钻井液0.570 0 m3，继续放压至0.35 MPa，返出碱水钻井液0.300 0 m3，此时可判断冷冻操作失败。第1次施工失败后关井。

图2 制冷剂容器示意

3.2 第2次施工

2018年11月10日第2次施工，用带压打孔设备在钻台面以上4.5 m处打孔，连接水泥车。为改变钻柱内壁润湿性，首先，由打孔处泵入0.636 0 m3清水和冲洗液至冷冻塞下端面20.0 m处，放压回吐0.300 0 m3后，立压为9.6 MPa；然后，由打孔处再泵入0.330 0 m3碱水钻井液，泵压至21.0 MPa时停泵。在容器中加入干冰，外敷保温层，静置10 h，同时观察立压和套压的变化。立压在21.0 MPa左右波动，先缓慢降低至18.5 MPa，然后缓慢回升至21.0 MPa，套压基本无变化。当观察到容器有明显的上、下霜面时，冷冻操作完成，之后在钻柱内进行正反向试压。当缓慢放压至0 MPa，仅返出0.011 5 m3碱水钻井液，之后不再返出。持续观察20 min，立压仍然保持在0 MPa，此时可判断冷冻操作成功。

4 施工分析

通过FOX-Z-ST井第1次与第2次施工参数对比（见表1），得到如下5点认识：

表1 第1次与第2次施工参数对比

1）由经验公式计算的FOX-Z-ST井冷冻塞最小有效长度为0.2 m，而实际施工的冷冻塞长度为0.89 m，实际长度是计算长度的4倍多。实际冷冻塞最大有效隔绝压力为21 MPa，是文献［1］冷冻塞最大有效隔绝压力70 MPa的30%。结果表明，本井施工是安全可靠的，此冷冻塞操作可以重复使用。

2）冷冻塞承压成功与否，通常与冷冻塞长度、冷冻介质、制冷介质和制冷时间有关。FOX-Z-ST井的实践证明，冷冻塞承压成功与否也与钻柱内壁润湿性有关。FOX-Z-ST井第1次与第2次施工条件相同，但是结果不同，说明钻柱内壁润湿性不足也会导致冷冻操作失败。

3）在有井控风险的情形下，保证钻柱完整性是施工首先考虑的问题，带压打孔设备是FOX-Z-ST井钻柱冷冻塞施工成功的必要设备。FOX-Z-ST井实践证明，当钻柱完整而施工不成功之后，不得不靠近冷冻塞位置泵入清水和冲洗液以改变钻柱内壁润湿性的条件下，才可以使用带压打孔设备。

4）冷冻塞长度为计算的最小有效长度，冷冻塞越长，施工成功率越高［14-20］。冷冻塞实际长度应根据现场施工条件，尽量选取最长的冷冻塞进行施工，以保证达到压力阻隔的目的。

5）制冷剂的选取需要综合考虑制冷剂的市场条件、施工现场所具备的工具、制冷容器，以及制冷剂的保存、运输、施工要求等，并结合钻柱表面的可接触性进行选取。

5 结论

1）FOX-Z-ST井的成功实践，证明使用物理冷冻塞作为高压井控压力屏障是可行的，可实现冷冻塞最大有效隔绝压力达21 MPa。

2）考虑到冷冻塞作业时，需要改变钻柱内壁润湿性，因此在以后的施工中，对于钻柱内使用油基钻井液的井，建议在冲洗液中加入乳化剂，以改变冷冻塞与钻柱接触面的润湿性。

3）FOX-Z-ST井钻柱冷冻塞技术作为高压井控压力屏障虽然已经成功，但由于施工中存在一些不可控因素，且冷冻塞会随着时间自然融化后失效，作为唯一井控压力屏障是存在风险的。建议只有在迫不得已的情形下，才按照FOX-Z-ST井的参数来施工。