冰塞技术在特殊井控施工中的应用

刘大勇

摘要：本文以冰塞（Ice Plug）技术在国外某海上钻井平台处理特殊井控的实际应用为例，阐述了该应用技术的原理、特点以及在处理特殊井控方面的独特优势。

关键词：冰塞 特殊井控 应用

一、前言

在钻井作业过程中发现井涌时，及时关井并采用合适的压井方法进行压井是井控作业成功的关键。但关井作业后，如遇钻具水眼堵塞且环空部分堵塞无法建立循环通道，而钻具内没有安装浮阀，无法卸开顶驱进行电测爆炸钻具建立循环通道时，压井作业将很难顺利进行。而冰塞技术的应用将不受上述情形的影响，其能封隔钻具内的压力，从而顺利卸开顶驱，安装安全阀，电测爆炸钻具，最后运用常规压井方法即可成功进行常规的压井作业。为如何解决带压钻具建立循环通道，从而进行常规压井作业提供了一种新的方法。

二、冰塞（Ice plug） 技术简介

冰塞技术是用来封堵住钻具，高压阀门，井口或者压力容器，释放封堵点以上的压力，进而安装安全阀。这种技术的关键点是形成一段强度可靠的冰塞。冰塞主要是依靠在钻具内注入一段可以冻结的流体（通常采用稠塞），在钻具外利用制冷剂（干冰或者液氮）在自然环境下快速气化从而吸收大量热量使得钻具内可冻结流体因温度下降而冻结成为可以承受高压的一段固体塞子，简称冰塞。

经验表明，一般形成冰塞的不会超过在冰线（Frost Line）以外6英寸，冰线一般不会超过有制冷剂的最外沿以外3英寸。

所需要的冰塞的长度由其所需要封隔的压力决定。公式如下（哈利巴顿公司提供经验公式）：

L = P * ID / 1600

注：1) P: 压力，单位psi;

2. ID: 钻具内径，单位 英寸（要求不小于4.5英寸）

3. L：固体塞子的长度，单位英寸（要求最少不低于12英寸）

三、冰塞技术在某井控施工中的应用

1、井控施工面临的问题

在国外某海上钻井平台进行某井作业。24”隔水管打桩至155米。17.5”井眼钻进至1115米，下入54.5lb/ft, K55,BTC,13-3/8” 套管至1110米。12-1/4”井眼钻进至2706米，下入47lb/ft, L80,BTC,9-5/8” 套管至2703米。地漏实验做到1.95sg。

8.5”井段是用1.61SG的油基泥浆钻进目的层作业。钻进至3603米发生井涌，硬关井，增加钻井液密度至1.65SG并运用司钻法成功压井。继续钻进至3657米，发生井漏，测得在1500升/分钟的排量下动态漏失速率为2.5-3.4方/小时，此时钻井液密度为1.66SG,ECD=1.881SG。停止钻进，循环井眼干净，测得无静态漏失，在1500升/分钟的排量下动态漏失速率为1.2方/小时。开泵运用LWD从3657米至3576米井段测井。下钻到底，垫入LCM至井底。从3657米倒划眼至2689米（9-5/8套管鞋在2703米）。计量罐检测，井眼稳定。继续起钻至2377米，发现计量罐灌入量减少。监督要求倒划眼起钻至1086米。发现井涌，关井。运用Mud cap well kill （Mud cap 钻井液比重为1.87SG）方法成功压井。

起钻，下入光钻杆至2695米，漏失速率为0.7方/小时，挤入9方堵漏剂，无漏失。进行第一次打水泥塞作业。

起钻，侯凝，成功侧钻至2800米时录井气体分析发现目的层未被水泥塞完全封住，于是起钻准备进行二次打水泥塞，井内是1.76sg的油基泥浆。在用5.5”光钻杆（底部为mule shoe，钻具内没有浮阀）下至2712米（9-5/8”套管鞋为2703米）时遇阻，按照监督指令，接顶驱划眼。在划眼过程中司钻发现高架槽泥浆返流增加5%报警而泥浆泵排量未变，司钻立即停止划眼操作，停转，提钻具至接头避开防喷器（此时一柱5.5”钻杆在转盘面上，顶驱在二层台位置），停泵，硬关井，待压力稳定后记录SIDP（关井立压）=1425psi, SICP（关井套压）=1415psi。通知钻井监督。

准备进行司钻法压井时，开泵发现立压迅速增加，套压不变，无返出。无法建立循环。尝试用固井泵从环空中逐步打压至5000psi，发现立压保持关井立压1425psi不变。尝试用固井泵从钻柱内逐步打压至5000psi，发现套压保持关井套压1415psi不变。尝试从钻具内放压至1300psi，观察到立压逐渐恢复至1425psi。

由此确认钻具水眼堵塞且无法解堵，环空部分堵塞，失去循环通道，无法进行常规的司钻法或者工程师法压井作业，体积法和置换法进行压井作业也很困难进行。

如何安全建立循环通道是此次压井作业的关键。如何封住钻具内的压力，卸开顶驱，安装安全阀，是进行带压爆炸钻杆建立循环通道的前提。由于钻具内没有浮阀，封住钻具内的压力常规方法几乎无法实现。

顶驱上有上下钻具内防喷器（IBOP），但是顶驱在二层台的位置，关闭IBOP将顶驱从上防喷器处卸开，没有空间去安装带压电测设备进行爆炸作业建立循环通道。在此位置钻具已经遇阻，也不可能实现强行下钻将顶驱下放到转盘面的高度，利用顶驱的内防喷器来封住钻具内的压力。

冰塞技术为封住钻具内的压力提供了较为可靠的方法。

2、冰塞技术的作业流程

平台使用的钻杆是5.5”, 21.9 磅/英尺，钻杆内径为4.778”，内壁涂有一层TK34XT的涂层，而钻具内是1.80 sg 的油基泥浆，不容易形成可靠的冰塞。最终运用哈利巴顿的hot tap技术（带压的钻杆上钻开一个小眼），再用5000psi的压力泵入一段1.5bbl的稠塞，具体程序如下：

1. 在需要封隔的钻具外安装盛干冰的桶

由 公式计算得固体塞子的长度L=5000x4.778/1600=14.94”。取整数为15”，大于12”的最低要求。在钻杆外安装高为20”，体积为55加仑的桶。

2. 在带压的钻杆上打眼（Hot tap 技术）

3. 泵入一段稠塞

用固井泵泵入1.5 bbl，PH=14的稠塞，固井泵压力为5000psi。

4. 在干冰桶里不断添加干冰，并用隔热层隔开。

5. 确认冰线形成。

在盛有干冰的桶的上下两段可明显观察到形成的冰线。同时由于液态的稠塞逐渐固态化，体积膨胀，可以观察到立管的压力增加而套压基本不变。

6. 正向试压和负压测试(negative test)来测试固态稠塞的强度。

A：正向试压：

由固井泵从5000psi逐步增加到10000psi，每次增加1250psi（25%）并观察压力需稳定10分钟。

B：负压测试（Negative test）:

由固井泵处从10000psi逐步泄压为0psi，每次泄压2500psi(25%)并观察压力需稳定10分钟。

在泄压阀处于关闭的状态下观察30分钟，压力没有变化，再在泄压阀处于打开的状态下观察30分钟，如果没有回流，则可以确认冰塞的强度足以封隔住冰塞以下的压力。

7. 卸开顶驱，卸开冰塞以上的立柱，安装安全阀（Full open safety valve），并关闭安全阀。

8. 安装三通管串（side entry assembly）（一根5.5”钻杆，处于关闭的安全阀，三通），接带有旋塞阀门的地面管线至固井泵，接顶驱，并对地面管线进行压力测试300psi/7500psi（1.5倍冰塞以下的压力），测试合格后，固井泵打平衡压力，打开下安全阀（第一次安装的安全阀），逐步移走干冰，使得冰塞在自然的温度下逐渐融化。

9）安装电测防喷器，并试压

10）用电缆下炸药，在需要的位置炸开钻杆，建立循环通道

11）司钻法进行压井作业。

4. 结束语

冰塞技术凭借其独特的优势成功解决了特殊井控中存在的问题，避免了安全风险，节省了作业时间，在失去循环通道时如何安全进行井控作业方面具有重大的指导意义，也为国内海上钻井平台处理特殊井控作业时提供了范例。