液氮用于天然气井喷抢险应用前景

霍 宏 博

1.中海石油（中国）有限公司天津分公司 2.海洋石油高效开发国家重点实验室

0 引言

天然气井喷失控后果严重，2003年重庆开县井喷造成大量人员伤亡[1]，2010年美国墨西哥湾井喷再次为世人敲响警钟[2]。处理天然气井喷是一个世界性的难题[3]，天然气井控技术和井喷应急能力急需提高加强[4-5]。

天然气水合物是由天然气和水形成的固态化合物，在低温高压的环境中更易形成。利用天然气这种特性使用液氮创造低温使水合物堵塞井筒可能会对天然气井喷产生暂堵效果。水合物形成导致陆地或海底输气管道堵塞事故频发[6-9]，另外，天然气钻完井过程中水合物堵塞井内测试管柱及地面测试管线也时有发生[10-12]。1778年英国科学家普德斯特里便提出温度和压力影响可燃冰的形成[13]，1810年Davy首次在实验中观察到天然气水合物[14]，1934年首次在输气管道中发现水合物冻堵天然气运输管线，从此揭开了水合物对天然气运输影响的研究[15]，1982年贺承祖研究了天然气水合物生成的条件[16]，也有部分学者研究了水合物的热分解和降压分解机理[17-18]。在钻采过程中，井筒及管汇中也频繁出现了水合物冻堵管线情况[19-20]，深海钻井中钻井液受环境影响会形成水合物，导致钻井液性能变差、堵塞循环通道[21-24]，J.W.Barker记录过2口深水钻井过程中水合物冻结防喷器和冻结钻杆[25]。

水合物冻堵管路，其性质可用于防止天然气井喷，虽然将水合物堵塞井筒应用于治理天然气井喷还未见报道，但一些煤矿已经有液氮快速冻结水层的现场应用。宁夏羊场湾煤矿使用液氮快速有效地进行了防、灭火治理[26]，鄂尔多斯曾用液氮冻结大流速地下水保证矿井施工安全[27]。

石油工业中液氮也有一定应用，华北油田文古3井进行过连续油管注液氮排液的现场作业[28]，川西气田运用液氮增能压裂技术进行过储层改造[29]，因此，液氮促进水合物形成堵塞井筒用于天然气井井喷失控处理具有一定的应用前景，促进水合物形成对于堵塞管道抑制天然气井喷具有现实意义。

天然气水合物被全球能源企业关注[30],但目前研究主要针对影响水合物形成因素、水合物形成条件和抑制剂等方面，而对于利用水合物抑制井喷尚未进行研究和探索。

1 液氮应用于天然气井喷机理

1.1 水合物堵塞对井喷的抑制

在低温、高压环境下水分子形成笼状结构将天然气分子捕获，形成天然气水合物。天然气井喷在井筒内无法形成连续液柱控制地层压力，在低温高压下水合物形成的浆体[31]有利于在井筒内形成液柱控制井底压力，若形成堵塞可更好地抑制井喷。

由天然气运输管线堵塞分析，水合物冻堵可阻碍天然气井喷通道[18]（图1）。液氮应用于煤矿抢险实际案例中，在开挖的井筒中显示，液氮可将垂深126 m井周2.0 m的粗砂冻结为固化圆柱[32]。利用液氮降温控制地层井喷具有很好的应用前景。

图1 水合物堵塞管汇照片

煤矿抢险，液氮通过双层管形式注入[33]，油井气举排液或增能压裂，液氮采用连续油管形式注入井中[28-29]。井喷处理时，液氮可通过在钻杆内下入连续油管注入液氮，气化的氮气从连续油管与钻杆环空返出，液氮本身低温及气化吸热降低井筒温度至水合物形成温度之下。

液氮气举排液及液氮增能压裂的案例中，液氮直接与天然气接触，降低了天然气摩尔浓度，不利于水合物迅速形成，在钻杆内通过连续油管液氮降温更有效果。先注入气态氮气隔绝钻井液与液氮，之后将液氮注入井筒，防止液氮冻结钻井液（图2）。

图2 液氮注入示意图

天然气井喷易燃易爆，液氮除了降低环境温度至着火点以下外，液氮还可隔绝空气起到灭火作用，若天然气井喷着火，可在天然气井喷失控的特殊情况下直接将液氮注入井筒，起到冷冻降温灭火的目的[34]。

1.2 液氮降温作用

水合物最易形成于管道中节流部位，流速虽高但被节流后气体膨胀对外界做功吸收热量温度降低，造成水合物形成的环境[35-36]。

液氮也可在井筒内创造低温环境，本身液氮温度极低，且液氮在冻结管内气化吸热带走地层热量[37]。常压下,液氮温度为－196 ℃,其蒸发温度－195 ℃ ,蒸发潜热 16 112 MJ/m3,定压比热为 1 103 kJ/( kg·℃)[32]。除降温外，封闭条件下笼形结构捕获天然气分子可降低井筒压力。

液氮注入井内后井筒温度可计算求得[26]。

式中：Ci表示环空流体组分比热容J/(kg·℃)；ρi表示组分密度，kg/m3；Vi表示组分体积，m3；q液氮注入量，m3；H表示液氮汽化焓值，kJ/kg；表示氮气分子质量，g/mol；ξ表示液氮冷量损耗系数；V表示体积，m3；C1表示组分比热容，J/(kg·℃)；a1表示组分所占百分比。

曾有多位学者研究过水合物形成的热力学条件（图3）[38]，液氮注入后，井筒内可达到天然气水合物形成的温度。

图3 水合物形成的热力学条件

1.3 水合物堵塞化解

利用水合物的可逆性，井喷得到有效控制之后可将水合物消除，继续进行后续作业，不影响油井开发。

堵塞的水合物可以通过在钻杆外环空注入化学抑制剂，使水合物分解，或在钻杆内环空注入热流体加热井筒，使水合物分解[39-40]。钻完井中天然气水合物预防及破坏水合物现场已有实施[41]。

2 液氮控制天然气井喷面临的挑战

液氮安全控制技术已经有所应用，具有在石油工业中推广的价值，但是仍有许多技术难题等待攻克，存在诸多挑战。

1）液氮注入设备研发。目前液氮注入设备压力最高约300 Bar，达到更高的注入压力较困难，钻杆内外压差超过钻杆抗压极限会造成钻杆挤扁，需要研发更高压力设备。液氮存储设备为液氮罐，在陆地油气田交通运输较方便，海上运输还存在一定的困难。液氮会造成金属晶格破坏，变脆易碎，液氮注入后是否对套管或钻杆强度造成影响还需研究。

2）水合物对井喷抑制作用预测。虽然目前对于水合物形成条件研究较多，但是仍然难以精确预测水合物会在井筒内何处形成。水合物强度与温度、压力及天然气组分相关，钻井液对天然气水合物形成的影响及水合物堵塞对井喷的抑制作用多大难以预估。水合物形成要经过气态、浆状、固态的变化，液氮造成水合物堵塞最好的时机仍需探索。

3）液氮注入参数。液氮注入后其相态改变需要一定时间，需要根据不同井况调整注入参数。液氮注入分多段，多次注入井内，每次注入液氮量以及注入间隔仍需研究。

3 液氮在井控作业中的应用前景

以上论述了将液氮注入井筒，利用水合物堵塞井喷，其作用效果还是不够直接。若未来能够使液氮直接注入井喷地层冷冻井壁可从根源上解决井喷问题。

救援井利用液氮冷冻技术，通过钻杆向井筒注入液氮冷冻井喷地层。且液氮冷冻能够利用天然气的特性，其封堵不像水泥塞封堵具有不可逆性。

液氮还可用于易漏失地层的冷冻，提高易漏地层的封堵性，通过液氮冷冻，可解决当前老井区由于注水造成压力系统紊乱，调整天然气井钻井期间发生“上喷下漏”或“上漏下喷”的井控难题，液氮冻结井喷层、提高漏失层的承压能力，增加钻井液安全密度窗口，留出下套管固井的时间窗口。

液氮还可以用于冷冻产层，使产层硬化，避免钻井液、水泥浆造成的储层污染。

综上，液氮用于井控处理具有非常广阔的前景。

4 结论

1）液氮已经应用在煤矿中，用于处理降温、灭火等安全事故，实际应用证明效果较好。目前石油工业装备具备将液氮注入井内，并利用液氮低温、吸热等特性处理安全事故的能力；

2）天然气水合物在运输管道中形成可阻塞管道，且所形成的冻堵具有一定承压能力；

3）液氮注入井内有利于达到天然气水合物形成条件。利用液氮制造井筒中的低温高压环境制造水合物堵塞，用于抑制天然气井喷失控具有可行性；

4）应用液氮抑制井喷需要解决的问题主要为：设备研发、水合物堵塞作用以及作业工艺研究等；

液氮在井喷控制领域的前景十分广阔，有助于为抑制天然气井喷争取作业时间。