水溶性管道封堵工藝在蘇東氣田的應(yīng)用評(píng)價(jià)

郭玉杰，王 力，李先兵，呂抒桓，郝 潔，劉 銳，孫 彧，張海均，韓江南

（中國(guó)石油長(zhǎng)慶油田分公司第五采氣廠，內(nèi)蒙古烏審旗 017300）

天然氣一般采用管網(wǎng)輸送，由于接入新井等需求，需要在老管線上實(shí)施焊接動(dòng)火作業(yè)。目前，蘇東氣田主要采用“氮?dú)?封堵隔離”工藝，先采用氮?dú)庵脫Q天然氣，使動(dòng)火管線內(nèi)的可燃介質(zhì)濃度低于爆炸極限，之后采用“饅頭+黃油”、隔離球或冷凍封堵工藝封堵[1-9]，而蘇東氣田主要采用“饅頭+黃油”封堵工藝。

上述方法操作規(guī)程標(biāo)準(zhǔn)、指標(biāo)控制嚴(yán)格、安全等級(jí)高，但存在以下不足：（1）工序多；（2）重復(fù)關(guān)井、開井操作強(qiáng)度大；（3）來(lái)回井場(chǎng)檢測(cè)頻繁、次數(shù)多；（4）氮?dú)庵芷陂L(zhǎng)、氮?dú)庥昧看?；?）停產(chǎn)時(shí)間長(zhǎng)、經(jīng)濟(jì)損失大。僅以2018 年為例，共計(jì)動(dòng)火20 次，平均動(dòng)用氮?dú)廛?.9 輛/次，平均置換時(shí)間10 h～15 h，單次平均動(dòng)火氮?dú)馐褂昧?0.4 t，平均單次動(dòng)火置換費(fèi)用19.1 萬(wàn)元，平均單次動(dòng)火檢測(cè)點(diǎn)17 個(gè)。以上缺點(diǎn)增加了新井投產(chǎn)周期、經(jīng)濟(jì)損失和安全隱患，尤其給“新增天然氣生產(chǎn)能力9 億立方米、當(dāng)年新井投產(chǎn)率100 %”的產(chǎn)建任務(wù)的完成帶來(lái)巨大挑戰(zhàn)（見圖1）。

圖1 第五采氣廠2018 年各作業(yè)區(qū)動(dòng)火次數(shù)及氮?dú)馐褂昧?/p>

為加快投產(chǎn)進(jìn)度、降本增效，蘇東氣田引進(jìn)新型水溶性暫堵器工藝，截止目前已先后組織實(shí)施過(guò)15 次動(dòng)火，取得了初步成效。本文將主要從水溶性封堵器工藝的封堵原理、工藝特點(diǎn)入手，結(jié)合蘇東氣田的應(yīng)用實(shí)例進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。

1 新型水溶性封堵器原理

圖2 新型水溶性封堵器產(chǎn)品結(jié)構(gòu)及封堵過(guò)程示意圖

水溶性封堵器主要由圓形封堵板、支撐板、水溶密封膠等組成[10，11]，結(jié)構(gòu)（見圖2）。其主要依靠承壓部的倒刺結(jié)構(gòu)及密封膠實(shí)現(xiàn)承壓及密封性能，在經(jīng)過(guò)短時(shí)間的氮?dú)獯狄汉?，待天然氣鋼管?nèi)壓力泄壓為0 MPa后，即可實(shí)施封堵，經(jīng)檢測(cè)合格后，可進(jìn)行動(dòng)火連頭，而后經(jīng)過(guò)開井沖壓和管道中積液的作用，水溶性封堵器自行分解溶于水中。

2 水溶性封堵器工藝性能測(cè)試

2.1 封堵器密封性能測(cè)試

現(xiàn)場(chǎng)性能測(cè)試：為驗(yàn)證水溶管道封堵器適用于蘇里格氣田工況，采用小型模擬試驗(yàn)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試（見圖3），其模擬液體為高含凝析油的管道液體，模擬的管道規(guī)格為長(zhǎng)4 m、管徑φ114×5 的常用動(dòng)火管道。主要測(cè)試性能內(nèi)容如下：

圖3 小型水溶性封堵器密封性能測(cè)試示意圖

（1）有殘留凝析油工況下的水溶性封堵器的承壓和密封性能；

（2）含殘留凝析油并伴有≤1/3D（D 管道直徑）積液工況下水溶性封堵器的承壓和密封性能；

（3）含殘留凝析油并伴有＞1/3D（D 管道直徑）積液工況下水溶性封堵器的承壓和密封性能。

測(cè)試結(jié)果：

（1）將試驗(yàn)管段充入天然氣并緩慢增壓至0.5 MPa。觀察壓力表數(shù)值以及可燃?xì)怏w檢測(cè)儀上的數(shù)值，試驗(yàn)持續(xù)4 h，壓力表數(shù)值恒定不變，管道內(nèi)壓力穩(wěn)定，可燃?xì)怏w檢測(cè)結(jié)果始終為0，密封性良好。

（2）將試驗(yàn)管段內(nèi)注入≤1/3D 高度的井液，再充入可燃?xì)怏w并緩慢增壓至0.5 MPa，觀察壓力表數(shù)值以及可燃?xì)怏w檢測(cè)儀上的數(shù)值，試驗(yàn)持續(xù)4 h，壓力表數(shù)值無(wú)變化，管道內(nèi)壓力穩(wěn)定，可燃?xì)怏w檢測(cè)結(jié)果始終為0，密封性良好。

（3）將試驗(yàn)管段內(nèi)注入1/3D～1/2D 高度的井液，再充入可燃?xì)怏w并緩慢增壓至0.9 MPa，觀察壓力表數(shù)值以及可燃?xì)怏w檢測(cè)儀上的數(shù)值，壓力表示數(shù)不穩(wěn)定，由0.5 MPa 逐漸變小，可燃?xì)怏w濃度增加，并出現(xiàn)可燃?xì)怏w超標(biāo)報(bào)警，說(shuō)明水溶性封堵器出現(xiàn)溶解，密封性不好。

2.2 水溶性性能測(cè)試

取蘇東氣田2～8 干管內(nèi)的管道積液40 L 作為溶解介質(zhì)，將水溶性封堵器放入玻璃杯中，觀察溶解情況（見圖4），15 min 后水溶性封堵器物理形態(tài)分解后松軟的固液混合物質(zhì)、整體較為柔軟；1.5 h 后固液混合物中的固體由大塊溶解為較小固體，未發(fā)現(xiàn)大型不溶解物質(zhì)；2.5 h 后進(jìn)一步分解，變成可溶于水的液體物質(zhì)。由此可知，水溶性封堵器在蘇東氣田氣井采出液的溶解效果較好。

圖4 水溶性封堵器在蘇東氣田中的采出液溶解性能

2.3 水溶性封堵工藝流程

圖5 蘇東氣田單井管道新型水溶性封堵器動(dòng)火工藝流程圖

水溶性管道封堵工藝與常規(guī)動(dòng)火工藝流程相似，不同之處在于只需短時(shí)間氮?dú)獯狄海?.5 h～1.5 h），無(wú)需對(duì)站內(nèi)、井場(chǎng)的所有檢測(cè)點(diǎn)進(jìn)行檢測(cè)，只檢測(cè)動(dòng)火點(diǎn)處安裝水溶性封堵器后的可燃?xì)怏w濃度。待封堵完成后檢測(cè)可燃?xì)鈿怏w濃度低于爆炸極限，30 min 內(nèi)管內(nèi)壓力或可燃?xì)怏w濃度無(wú)上升趨勢(shì)，即可進(jìn)行動(dòng)火連頭。其操作步驟（見圖5）如下：

（1）關(guān)井放空：將涉及氣源的井場(chǎng)進(jìn)行關(guān)井、天然氣進(jìn)行放空；

（2）氮?dú)獯狄海焊鶕?jù)現(xiàn)場(chǎng)情況選擇氮?dú)獾淖⑷肟诤团欧趴?，從管線上游處用氮?dú)獯祾撸饕康氖谴祾吖艿纼?nèi)的可燃?xì)怏w和積液；

（3）卡開隔離：根據(jù)動(dòng)火計(jì)劃書進(jìn)行卡開隔離，上鎖掛簽，確保動(dòng)火管線內(nèi)無(wú)壓力；

（4）切割：確認(rèn)動(dòng)火管道壓力為零后，采用冷切割方式切割動(dòng)火部位處；

（5）封堵：將與管道內(nèi)徑相符的管道封堵器分別安裝在動(dòng)火部位的上、下兩端，對(duì)焊接熱影響區(qū)外的管線進(jìn)行封堵；

（6）測(cè)試：安裝完成后，使用可燃?xì)怏w測(cè)試儀檢測(cè)可燃?xì)怏w濃度低于10 %后，方可動(dòng)火；

（7）動(dòng)火焊接：按動(dòng)火方案組織管線動(dòng)火作業(yè)，動(dòng)火結(jié)束后，按操作規(guī)程對(duì)焊接好的管線進(jìn)行投產(chǎn)，生產(chǎn)過(guò)程中水溶管道封堵器會(huì)遇液自行溶解進(jìn)入下游。

3 礦場(chǎng)先導(dǎo)試驗(yàn)研究

為研究水溶性封堵器工藝實(shí)際工況的可行性，進(jìn)行了10 次先導(dǎo)試驗(yàn)，分別選取了不同管徑、不同長(zhǎng)度、不同井?dāng)?shù)、動(dòng)火點(diǎn)高低位置的動(dòng)火點(diǎn)，研究液氮用量、管道含液量、壓力對(duì)水溶性封堵工藝的影響（見表1）。從表1 中的SD36-66C4/SD51-59C2/SD55-30C1 可知，隨著液氮吹液量的增加，動(dòng)火點(diǎn)封堵前的可燃?xì)怏w濃度Xbefore逐漸下降，這一結(jié)論與常規(guī)工藝的氮?dú)庵脫Q結(jié)論一致。

表1 水溶性封堵器工藝試驗(yàn)氮?dú)獯祾邊?shù)

為進(jìn)一步研究含液量對(duì)水溶性封堵器的影響，選取了蘇東8 站SD34-64C1/SD35-65、蘇東2 站SD40-65C2、蘇東2 站統(tǒng)104 等三個(gè)液量較大的管線作為試驗(yàn)對(duì)象。試驗(yàn)初期切割動(dòng)火點(diǎn)管線后，出現(xiàn)噴液，無(wú)法滿足封堵要求，通過(guò)敞放30 min 左右，管道內(nèi)液體排放干凈，壓力泄為0。對(duì)蘇東8 站SD34-64C1/SD35-65和蘇東2 站SD40-65C2 采取直接水溶性封堵器封堵，對(duì)蘇東2 站統(tǒng)104 采取先用饅頭阻水，之后再用水溶性封堵器封堵，管內(nèi)壓力無(wú)上升趨勢(shì)，3 個(gè)研究對(duì)象均達(dá)到動(dòng)火條件。上述研究表明：對(duì)于含液量較大的干管，通過(guò)充分敞放排液，再進(jìn)行水溶性封堵是可行的（為安全起見，排液后建議先用饅頭阻水再封堵）。

表2 水溶性工藝與常規(guī)工藝使用液氮量對(duì)比

為研究管道內(nèi)壓力對(duì)水溶性封堵器的影響，以蘇東SD12 站同一干管的SD19-30C4/SD20-30C1 作為試驗(yàn)對(duì)象：（1）試驗(yàn)初期在達(dá)到封堵器封堵條件下進(jìn)行封堵，檢測(cè)可燃?xì)怏w濃度為0，達(dá)到動(dòng)火條件；（2）恢復(fù)該干管的若干卡開點(diǎn)和隔離點(diǎn)，發(fā)現(xiàn)壓力逐漸回升，可燃?xì)怏w濃度由0 升為100 %，水溶性封堵器封堵失??；（3）通過(guò)重新卡開、隔離、泄壓、敞放，確定壓力為0 后，再次封堵，檢測(cè)可燃?xì)怏w濃度為0，達(dá)到動(dòng)火條件。研究表明：壓力是影響水溶性封堵工藝的關(guān)鍵因素，卡開、隔離是必要的安全措施。

為了與常規(guī)工藝做對(duì)比，采用2018 年的114 mm和159 mm 的氮?dú)庵脫Q數(shù)據(jù)做擬合，得到氮?dú)庵脫Q量與管徑D、管線長(zhǎng)度L、井?dāng)?shù)（檢查點(diǎn)）N 的公式：

根據(jù)式（1），可以分別計(jì)算得到采用常規(guī)工藝的液氮使用量，從表2 可知，采用水溶性管道封堵器可大量節(jié)省液氮使用量。

4 綜合評(píng)價(jià)

4.1 影響關(guān)井時(shí)間

水溶管道封堵器與傳統(tǒng)封堵工藝相比關(guān)井時(shí)間較短，具體時(shí)間對(duì)比（見表3、表4），由表3、表4 可知，干管涉及井?dāng)?shù)、管線越長(zhǎng)，節(jié)省時(shí)間效果越顯著，可省時(shí)1 d～3.5 d。

表3 傳統(tǒng)封堵工藝和水溶管道封堵器工藝對(duì)比

4.2 增產(chǎn)經(jīng)濟(jì)效益

根據(jù)不同封堵工藝影響的關(guān)井時(shí)間計(jì)算增產(chǎn)經(jīng)濟(jì)效益，以蘇東2 站2#～8#干管為例，節(jié)省停產(chǎn)損失9.28萬(wàn)元；以蘇東4 站7#干管為例，節(jié)省5.78 萬(wàn)元；研究表明在管徑規(guī)格相同的情況下，隨著長(zhǎng)度和配產(chǎn)的增加而增加（見表5）。

4.3 不同封堵工藝直接成本

以蘇東2 站2#～8#干管為例，可節(jié)省40.6 萬(wàn)元；以蘇東4 站7#干管為例，可節(jié)省氮?dú)赓M(fèi)用5.56 萬(wàn)元。由此可知，節(jié)省的氮?dú)赓M(fèi)用隨著干管長(zhǎng)度、井?dāng)?shù)的增加而增加（見表6）。

5 結(jié)論

（1）小型測(cè)試和礦場(chǎng)先導(dǎo)試驗(yàn)表明新型水溶性封堵器的承壓性和密封性較良好，可滿足在不同情況下的封堵要求，且水溶效果良好。

表4 傳統(tǒng)封堵工藝和水溶管道封堵器工藝對(duì)比

表5 傳統(tǒng)封堵工藝和水溶管道封堵器工藝停產(chǎn)影響費(fèi)用對(duì)比

表6 傳統(tǒng)封堵工藝和水溶管道封器工藝成本費(fèi)用對(duì)比

（2）水溶性封堵器工藝與常規(guī)工藝大致相同，但只需短時(shí)間吹液置換，無(wú)需到各個(gè)檢測(cè)點(diǎn)檢測(cè)可燃?xì)怏w濃度，確定管道內(nèi)壓力為0 后，即可進(jìn)行封堵，工藝流程簡(jiǎn)化，可降低來(lái)回井場(chǎng)檢測(cè)次數(shù)和人工成本。

（3）礦場(chǎng)先導(dǎo)試驗(yàn)表明管道內(nèi)含液量、壓力是影響水溶性管道封堵工藝的關(guān)鍵因素，采取排液、敞放、泄壓、卡開、隔離措施是保證安全施工的必要條件。

（4）水溶性管道封堵工藝相比常規(guī)工藝可縮短液氮置換時(shí)間，節(jié)省大量液氮，降低直接成本費(fèi)用和停產(chǎn)經(jīng)濟(jì)損失，提速和降本增效效果明顯。