东胜气田冬季井下作业技术探讨

张超伟 李发全 但伟成 谭羲韦 黄 霞

（中国石化西南石油工程有限公司井下作业分公司，四川 德阳 618000）

0 引言

中国石化东胜气田又名杭锦旗气田，位于鄂尔多斯盆地北部，横跨伊盟隆起、伊陕斜坡和天环向斜三个一级构造单元，区块总面积9 805 km2，控制储量为5 321.09×108m3，主力储层埋深2 700～3 300 m，属于典型的低渗、低压、低丰度的“三低”气田[1-4]。冬季（1～3月、11～12月）气温低至-30℃，极端低温下，井下作业风险增加、施工难度加大，主要难题包括：① 压井液在井口和地面易冻结，压井作业难度大；② 地面“低洼”和“死角”处残留积液，结冰后堵塞通道，安全隐患极大；③ 采气树闸门、防喷器闸板、吊卡、液压钳、旋塞被冰渣粘连后开关困难，不利于应急关井，井控风险极高；④ 抽汲等绳索作业，低温下防喷盒失效，井口及天滑轮处结冰易挂卡钢丝绳，易造成井下复杂；⑤ 压裂施工时液罐结冰严重、高低压积液空间易冰堵，且低温下压裂设备运转困难，影响压裂作业正常进行。

1 气温下限的分析

目前国内使用的常规石油钻采设备必须符合GB／T 19190-2013和API Spec 8C的要求，石油钻采设备最低作业气温为-20℃[5-6]，低于-20℃，需用标志为SR2的特殊设备。东胜气田冬季井下作业主要包括试气（修井）井筒作业、抽汲作业、压裂作业等三种工况，下面分别进行气温下限分析。

1.1 试气（修井）井筒作业

常用石油钻采设备的最低作业温度如下[5-6]：XJ350修井机最低作业温度-25℃，吊环及吊卡最低作业温度-20℃，防喷器内非金属密封材料最低使用温度-26℃。实践表明，温度高于-20℃，能够正常作业，低于-20℃，超出设备的使用极限。

试气（修井）井筒作业中，吊卡使用位置最高，无法持续保温。开展现场实验：将4具吊卡清洗后，分别静止1.5 min、2.0 min、2.5 min、3.0 min，分4次置于气温-12℃、-16℃、-20℃、-24℃的环境中，吊卡在关闭状态下，上锁销和下锁销粘附的自由水迅速结冰，再用拉力计进行打开。绘出动力-时间曲线变化趋势，如图1所示：① 气温在-12℃时，吊卡静止2 min，开启需16 N，可进行起下钻作业；②气温在-16℃时，吊卡静止2 min，开启需26 N，起下钻比较困难；③ 气温在-20℃时，吊卡静止2 min，开启需40 N，对吊卡损伤过大，不宜进行起下钻作业；④ 气温在-24℃时，吊卡静止2 min，开启需80 N，无法进行起下钻作业。

图1 吊卡在低温下静止后开启动力-时间曲线图

井筒作业中，合上吊卡、卸扣、摆放油管、吊卡上行至二层台，至少需要2 min，当气温低于-20℃，吊卡开关困难，考虑一定的安全系数，井筒作业推荐气温下限为-18℃。

1.2 抽汲作业

统计低温下关闭液压防喷盒的时间，当气温低于-22℃时，关闭液压防喷盒的时间明显增加，温度进一步降低，关闭液压防喷盒时间进一步延长，如图2所示，此时防喷盒明显渗漏，抽汲出井的液体外溢，导致环境污染。

图2 不同气温下液压防喷盒关闭时间图

根据《抽汲车智能负荷行程显示仪》使用说明书，传感器和放大器的最低工作气温为-20℃，低于-20℃，智能负荷行程显示仪容易失效，无法掌握井下情况，易诱发井下复杂。由于天滑轮、地滑轮、液压防喷盒顶端无法保温，结冰易挂卡钢丝绳；钢丝绳从井下到地面温差过大引起钢丝绳形变过大。综上所述，抽汲作业推荐气温下限为-20℃。

1.3 压裂作业

东胜气田常用压裂改造的方式作为增产措施[7]。压裂车组以电启动方式为主，蓄电池工作环境为-15～45℃，气温低于-15℃，启动容易造成电瓶缺电。液压油、润滑油等各种油料，在气温低于-15℃以下时易稠化和结蜡，不能正常流动，影响压裂设备的正常运行。压裂作业时高压管线和井口注入头保温困难，气温过低易结冰，导致施工泵压异常升高甚至憋压等。

根据SY／T5211-2009[8]，压裂设备的设计工作最低环境温度为-20℃，各项仪器仪表和传感器的工作环境温度为-15～-12℃。综上所述，压裂作业推荐气温下限为-12℃。

2 低温条件下作业措施

为了保证地区天然气供应，降低冬季井下作业安全风险，在高于作业气温下限的情况下，制订低温条件下的作业措施。

2.1 压井液设计

2.1.1 压井液材料优选

东胜气田地压系数为0.85～0.91，根据SY／T5587.3-2013，压井液密度需附加0.07～0.15 g／cm3[9]，故压井液密度控制在0.92～1.06 g／cm3，井下作业常使用无固相压井液。考虑压井液体系与地层的配伍性，调研东胜气田地层水型以氯化钙为主，阳离子主要包括Ca2+、K+、Na+，阴离子主要包括Cl-、Br-，考虑与地层配伍性，用CaCl2、KCl、NaCl作为压井介质，其中CaCl2溶液密度偏高，NaCl溶液成本较高，优选确定采用KCl溶液配制压井液。

2.1.2 压井液配方优化

1882年法国物理学家F.-M.拉乌尔将29种有机物分别溶于水中，发现凝固点降低值正比于溶质的克分子浓度，拉乌尔（F．Raoult）推进了这个问题的研究。从中发现了一条经验性定律——“拉乌尔定律”，该定律指出：在1升水中溶解1克分子有机化合物，其凝固点降低值几乎为一常数，等于18.5℃。凝固点降低的拉乌尔定律的数学表达式为：

式中：ΔTf为溶液的凝固点降低值，K；Tf*为纯溶剂的凝固点，K；Tf为加入溶质后的凝固点，K；Kf为溶剂凝固点降低常数，kg／mol，水的凝固点常数为1.86 K.kg／mol；nB为溶质的物质的量，mol；mA为溶剂的质量，kg。

根据公式（1），溶质的物质的量越大，即浓度越高，溶液凝固点越低。1升KCl溶液中不同浓度下的氯根含量和凝固点关系变化情况见图3。

图3 氯化钾溶液氯根含量和凝固点关系图

东胜气田地层水氯根含量为1.5×104～3.0×104mg／L，考虑与地层配伍性，优选4%氯化钾溶液作为压井液，密度为1.005 g／cm3，氯根含量为1.928 2×104mg／L，凝固点为-1.04℃。

2.1.3 井口液面

气温低于0℃，压井液在井口，防喷器、大四通、套管头等处易结冰，故液面不能保持在井口。低温下地表土为冻土状态，通过多年观测得出，地下水位（指距地表的深度）越低，冻深越小，地下水位越深，冻深越大，冻深的大小与地下水位呈正相关系，根据冻深、土质、气温、地表温度等确定冻土期间地下水位最小距离[10]，因此，按照最大冻深确定地下水位，低于此地下水位，水为液态，井内液面在此高度即可。

地下水位对土层冻胀的影响主要取决于土的毛细管上升高度，当冻前地下水位达到某一临界深度后，地表不产生冻胀。一般来说，能使土体湿润，但又不发生冻胀的情况下，各类型土质在冻结期间地下水位低于冻深的最小距离见表1。

表1 各类型土质冻结期间地下水位低于冻深的最小距离表

查阅《鄂尔多斯地区环评资料》和《鄂尔多斯环境条件》可知，鄂尔多斯地区最大冻土深度1.57 m。鄂尔多斯地区土壤质地以细砂和粉砂为主，含部分黏土，最小冻深距离取2 m，计算地下水位临界深度为3.57 m。东胜气田施工区域，调研地面工程建设部冬季管线埋地的情况，地下3 m以下可见地下水。

综上所述，冬季井筒作业井口液面控制在地面以下4 m即可，避免井口结冰，对于垂深为3 000 m的井、压井液密度为1.005 g／cm3，折算压井液当量密度为1.0037 g／cm3，处于压井液密度0.92～1.06 g／cm3的安全范围内。

2.2 地面流程设计

地面流程具备正反循环、压井、解堵、放喷、测试等功能[12-13]。设计如下：① 积液预防：从井口→管汇台→水套炉→分离器→放喷口，流程安装按照逐步降低的原则，连接管线与地面有一定的倾角，避免积水“滞留”在流程中；“死角”和“低洼”处设置三通，并在三通下面挖40 cm×40 cm×20 cm的凹坑，流程不使用时立即拆卸堵头，排出积液至凹坑。② 水套炉保温：测试管汇台后安装水套炉，对井内排出的天然气进行加热，水套炉与分离器之间设置“小管汇”节流降压，东胜气田常用水套炉型号为HJ250-Q／60-Q，热负荷为250 kW，最大工作压力为60 MPa。③ 井口至水套炉之间管线保温：用电热带缠绕，由电热材料和绝缘材料等组成，电热材料为镍铬合金带，绝缘材料为多层无碱玻璃纤维，缠绕圈数大于等于5圈／m；在加热带表面包裹一层厚度为10 mm的毛毡或保温棉。东胜气田冬季地面流程示意图见图4。

图4 东胜气田冬季地面流程示意图

2.3 作业过程控制

2.3.1 蒸汽保温

对液压钳、吊卡、旋塞、采气树、防喷器、抽汲防喷盒等进行实时保温，融化粘附在设备表面和内腔的残冰。井下作业现场使用全自动电热蒸汽发生器，产生蒸汽后连接至加热管，加热管末端排出蒸汽，使用插管插入需要保温的部位，对各个可能结冰的部位进行加热，使液体的温度大于10℃，以便上述设备正常运行。

根据GB50235-2010工业金属管道工程施工规范，蒸汽管道应以大流量蒸汽进行吹扫，流速应大于等于30 m／s[6]，东胜气田地面流程管线内径为62 mm，计算移动蒸汽发生器的最低排量为：

根据理想气体状态方程：

式中，P为一个标准大气压，1.013 25×102kPa；V为324×103L水蒸气；R为理想气体常数8.314 41；T取100℃，即373.15 K。计算得到n等于0581 mol，即190.47 kg，移动蒸汽发生器的产汽量大于等于190.47 kg／h。

对于压裂作业现场，压裂施工液量大，设备较多，通常使用燃煤锅炉的型号为WNS2-1.25-Y／Q，额定蒸发量为2 000 kg／h，额定工作压力为1.25 MPa，额定蒸汽温度为193℃，同时对压裂液罐、采气树、低压管线等10个易冻堵部位进行保温，保温后压裂液温度大于10℃，保证了压裂液能够顺利泵入储层。

2.3.2 积液吹扫

由于工作液温度低等因素，随着时间的增加，地面管线内壁特别是截流部分会出现结冰甚至是冰堵现象，及时排出管线内的积液是防冻的重要措施，积液空间液体静置时间不应超过10 min，特别在施工中途停待期间，必须泄压后吹扫排尽残液。使用压缩空气吹扫要达到一定的流速，根据GB 50235-2010，在直管道吹扫最低空气流速大于等于20 m／s[14]，东胜气田地面流程管线内径为62 mm，计算积液吹扫时最低排量为：

东胜气田常用Z-4.0／10型空气压缩机，最大输出排量为4 m3／min，额定工作压力1 MPa，通过进、排气阀的开闭将常压的空气压缩成具有额定工作压力的空气，由单向阀进入储气罐。能够吹扫出管内的积液，压力源尽可能选取管线的较高位置，使用前打开地面流程的三通，进行自上而下地吹扫，将积液吹扫至凹坑。

3 现场应用与分析

JPH-X井是东胜气田一口开发水平井，完钻井深为4387m，作业期间气温为-20～-5℃，对该井实施了试气井筒作业、抽汲作业、压裂作业[15]。

使用4%氯化钾溶液作为压井液，井筒作业时控制井口液面高度在4 m以下。按照图3进行地面流程的安装。井筒作业和抽汲作业使用型号为HX-3 80 KW 380 V的蒸汽发生器对井口和压井液等保温，加砂压裂作业期间使用型号为WNS2-1.25-Y／Q的燃煤锅炉进行保温；现场配置型号为Z-4.0／10型空气压缩机，测试流程不使用时，吹扫出管线内残液。

该井井筒作业经历起下压裂管柱、拆换井口、压井、下完井管柱、求产等工序，最低气温为-18℃。抽汲排液为198 m3，最低气温为-20℃。加砂压裂作业，入地液量为4 537.8 m3，入地砂量为514.7 m3，入地液氮量为333.9 m3，最低气温为-10℃。

在严寒的气温下，该井在井口油压为12 MPa，套压为15.8 MPa，平均上流压力为1.028 MPa，平均气流温度为3℃，地层A点流压为19.513 MPa／3 187.0 m（垂深：2 990.81 m），地层A点流温为91.62℃／3 187.0 m（垂深：2 990.81 m）的条件下，天然气产量为4.564 7×104m3／d，天然气无阻流量为9.262 7×104m3／d。

4 结论与建议

1）通过分析类比，试气（修井）井筒作业推荐气温下限为-18℃，抽汲作业推荐气温下限为-20℃，压裂作业推荐气温下限为-12℃。

2）考虑与地层配伍性和降低凝固点的需要，优选4%氯化钾溶液作为压井液；为预防井口结冰，冬季作业时，井口液面需控制在4 m以下。

3）流程设计应在保证试气（修井）、压裂等各项作业的基础上，以排净积液的原则进行设计，同时兼顾保温、压井、放喷等功能。

4）试气（修井）井筒作业、抽汲作业配置移动蒸汽发生器保温，压裂作业配置大功率燃煤锅炉保温，三种工况均应配置空气压缩机及时吹扫管线内残液。

5）根据东胜气田的特点通过冬季井下作业技术的探讨，发现在高于作业气温下限的情况下，东胜气田冬季井下作业是可行的。