冷冻暂堵工艺参数优化探讨及应用

2019-08-30冯钿芳王晓磊洪将领杨晓丽

钻采工艺 2019年4期

冯钿芳，张锋，王晓磊，洪将领，杨晓丽

(中国石油新疆油田公司采气一厂)

冷冻暂堵技术[1-2]是引进国外公司的新工艺技术，它可进行套管环空和油管暂时封堵，无需压井即可隔绝井内压力，达到换装井口装置和主控阀门的目的，相较于机械式带压换阀技术[3]，具有适应性更强等优点。目前该工艺每年应用达100余口井，效果显著，但作为引进技术，国内均采取国外推荐的经验参数。不同的井况，设计的参数应当有所区别，否则一方面无法确定安全系数，另一方面造成不必要的成本。因此，有必要对该工艺技术参数进行研究优化探讨，对指导该工艺在现场的应用和推广有重要的意义。

一、冷冻暂堵技术原理

一定体积浓度的暂堵剂在泵入井筒后，经过低温冷冻膨胀与油管壁发生冻黏效应，形成冻塞，控制井内压力，达到封堵井筒的目的。暂堵剂与油管冷冻后，冻黏强度反应了暂堵剂的暂堵强度，暂堵剂主要受到油管内压力p的作用，暂堵强度表现为一个切向平行于界面的切向力Fτ，相应有切向冻黏系数τ[4]。则切向应力[4]:

Fτ=τ·Sice

(1)

式中:Fτ—切向应力，Pa；Sice—黏附面积，cm2；τ—冻黏系数，kg/cm3。

二、冷冻暂堵剂材料及体积配比浓度优化

1. 暂堵材料的选择优化

暂堵剂选择主要有三个方面要求：①黏滞性，在井筒中不发生剪切流动，实现井筒封闭；②吸水性，保证能够产生冻黏效应，承受封闭井内的压力；③流变性，实现泵送。

经调研，黏土矿物与水混合形成的浆体最为符合暂堵剂性能要求。实验研究相同体积浓度的浆体，屈服应力影响的大小为蒙脱石>伊利石>绿泥石>高岭土，因此选择蒙脱石为暂堵剂的主要材料。

2. 暂堵材料浓度配比分析

泵入过程中，因暂堵剂未全封井筒，暂堵剂上下压力近似相等，则暂堵剂要满足在重力的作用下不发生流动，才可实现封闭井筒的目的，即G

T=30SC2e22CP

(2)

式中：G—暂堵剂的最大自重应力，Pa；T—膨润土浆体的屈服应力，Pa；C—体积浓度，%；S—系数，当C>0.55时，S=e30(C-0.55)；C≤0.55时，P<20%，S=2.0；P≥20%，S=4.0。

根据式(2)，结合现场情况，现场使用膨润土中蒙脱石含量大于95%，取P=95%。则可得出暂堵剂屈服应力与暂堵剂受到最大自重应力的曲线对比图，如图1所示。

从图1中可以看出，暂堵剂浓度达到40%以上后，随着浓度继续增加，其屈服应力将远远大于暂堵剂所受到最大的自重应力，因此不会在油管中发生剪切流动，确定膨润土浆的最低浓度为40%。因此在平常实施过程中，若是试压不合格，可能为体积浓度过低，部分暂堵剂流动至井底，没有实现井筒封闭，可适当增加暂堵剂体积浓度，保证其暂堵效果。

图1 屈服应力与自重应力对比曲线

三、冷冻温度及冷冻时间优化

1.冷冻温度优化分析

1.1 冷冻温度与暂堵强度关系

冷冻的温度直接影响冻黏系数的大小，进而影响暂堵强度。经过实验数据分析，在温度降低到0℃以下的过程中水由液态转变为固态，在这一过程中随着温度的降低，冻黏系数逐渐增加并在达到一定的值后基本保持不变，如图2。

从图2中可以看出，当温度下降到-20℃后，界面趋于稳定，继续降温，冻黏系数几乎不变，暂堵强度也不再增加，因此确定冷冻温度需低于-20℃。

图2 温度与冻粘系数的关系曲线

1.2 冷冻剂优选

从温度对冻黏强度的影响可以发现，一般材料在温度到了-20℃，继续进行降温，冻黏系数不会增加，即暂堵强度也不会增加。因此选择的冷冻剂只要能够制造小于-20℃的温度场即可。目前常用的冷冻剂主要有干冰、液氮、液氨等。

冰无法满足温度要求；液氮制造温度较低，且容易造成窒息，现场气化过程中不容易控制；液氨有腐蚀性、毒性，现场操作困难，因此选干冰作为冷冻剂。

2.冷冻时间优化分析

2.1 冷冻时间与暂堵强度关系

在特定温度下冻黏系统的平衡依赖于冻结时间，实验表明，在系统未进入热量平衡之前，冻结时间与冻结强度呈线性增长关系。当系统进入热平衡之后，冻结时间基本不影响冻结效果，如图3所示。从图3可以看出，材料的冻黏界面形成都在3 h内达到平衡，3 h后冻黏系数没有太大的变化，因此长时间的冷冻对于冻黏强度没有较大的提升，冷冻时间在到达冷冻温度的基础上3 h即可以达到冷冻效果。

图3 冻结时间与冻黏系数关系曲线

2.2 冷冻时间优化分析

根据现场情况，冷冻时从表层套管向油管逐步冷冻，假设在干冰冷冻作用下，油套结构由室温25℃降至-78℃所需的时间，假定干冰作为恒温源，温度保持-78℃不变。各层套管及油管形成的同心圆柱两端不传热。通过瞬态热分析，在Ø339 mm外层套管、Ø177.8 mm油层套管、Ø73 mm油管的管柱结构中注暂堵剂，干冰冷冻3.5 h后，油套环空的最高温度降至-23℃。根据前面的冻黏强度实验，温度的继续降低并不会增加冻黏强度，在温度降至-23℃后，继续冷冻3 h后，可完成冷冻的过程，确定整个冷冻完成时间为6.5 h。

四、暂堵剂用量优化分析

暂堵剂用量直接代表着暂堵剂与油管接触的面积，暂堵剂的冻黏强度需大于井内作用在暂堵剂上的压力，根据暂堵强度计算公式(1)，可以确定不同压力下所需要的暂堵剂长度，如式(3)所示。

Fz=τ·Sice·g≥FP=p·STub

(3)

式中:Fz—冻黏强度，N；FP—作用在暂堵剂上的上顶力，N；p—油压，MPa；STub—油管内截面积，m3。

根据气井情况，可以确定不同油管尺寸下，井口压力所需泵注的暂堵剂长度，如图4所示。在保证相同冷冻温度和时间的基础上，从曲线可以看出暂堵剂越长，与油管接触面积越大，形成的暂堵强度越大，可以有效提高暂堵压力，保证暂堵效果。

图4 井口压力与暂堵剂长度关系曲线

表1 施工井情况

五、现场应用

根据优化分析结论，在DX180X、DX170X两口气井实施冷冻暂堵工艺，均获得成功，情况如表1所示。

DX180X井1#阀门开关不动作，无法开井；DX170X井2015年7月发现BT密封注脂阀泄露，存在井口失控的风险。根据现场问题，选择冷冻暂堵井口带压作业技术，为了保证施工安全，将浆体浓度、暂堵剂使用量、冷冻时间均进行优化提高，其中暂堵剂按60%进行配比，暂堵剂长度1 m，可控制50 MPa井口压力，均备用800 kg干冰，成功完成施工。解决井口问题，消除了安全隐患。