气密封检测技术在涪陵页岩气田的应用

陈小龙

(中石化重庆涪陵页岩气勘探开发有限公司，重庆 400000)

气密封检测技术在涪陵页岩气田的应用

陈小龙

(中石化重庆涪陵页岩气勘探开发有限公司，重庆 400000)

涪陵页岩气井生产压力高，对套管的气密封性能提出了更高要求，为避免气井发生气窜和泄漏，涪陵工区通过引入套管气密封检测技术，为页岩气井的生产与环境安全提供了保障。介绍了气密封检测设备和原理，对近年来气密封检测技术在涪陵页岩气的检测结果进行了统计分析。结果表明，几乎所有的施工井都存在管柱丝扣泄漏情况，气密封检测技术检测精度达到1.0×10-7mbar·L/s，可以有效评估管柱密封性能，同时通过气密封检测不合格案例分析，总结给出了影响套管气密封性主要因素和不当操作，提出了下套管作业的注意事项及操作建议。应用该技术可以保障页岩气井的安全运行。

涪陵页岩气；气密封检测；生产套管；丝扣；泄漏

页岩气水平井生产套管柱的功能是为页岩气的压裂改造、生产以及后期重复压裂提供一条安全、规则的通道。生产套管柱的完整性体现在通道密封的完整性和几何形态的规则性。目前国内针对页岩气开发的工程技术研究是初级阶段[1～4]，页岩气开发的技术标准和理论体系尚不健全，部分页岩气井区块在勘探开发过程出现了生产套管完整性失效的情况，如井筒密封失效、套管变形等，影响了页岩气井的压裂改造和后期安全生产。

在下套管过程中，对连接丝扣进行气密封检测，确保整个生产套管柱的完整性。由于现场检测手段有限，对送井套管的检验仅限于套管钢级、壁厚、内径、外径、通径、长度以及外观明显的损伤情况，对一些隐蔽性的套管丝扣损伤情况不能有效判别。为了避免将达不到密封性要求的套管下入井内，优选了氦气密封检测技术。

为提高套管的气密封完整性，自2013年12月在涪陵页岩气田焦石坝区块引进了气密封检测技术，对入井生产套管丝扣连接处的气密封性能进行检测。气井套管检测技术根据生产压力和套管承压等级，确定检测压力，在下生产套管过程中对上部0～2000m井段管柱连接丝扣进行检测，如遇特殊情况将对全井管柱连接丝扣进行检测。气井套管检测技术确保了生产井段整体的密封性，为页岩气井的安全运行提供了保障，并分析了套管丝扣密封不严的一些主要原因，为建立规范的施工程序提供一些依据。

1 套管气密封检测技术

套管本体在出厂时会做气密封检测试验，套管连接丝扣的密封性却被忽略，而导致套管连接丝扣泄漏的原因很多包括：加工误差、运输作业过程中的磕碰、丝扣的清洁度、密封脂的选择、扭矩值等，针对这些原因，气密封检测技术应运而生。

气密封检测采用氦气检漏法，介质为氦气和氮气的混合气体。根据SY/T 6872—2012《套管和油管螺纹连接气密封井口检测系统》规定，检测介质为氮气和氦气，其中氦气的体积比为10%～13%。氦气分子直径小，仅比氢分子大，在气密封扣中易渗透，能及时对泄漏情况进行预报，而且对油套管无腐蚀，是无毒、安全的惰性气体。氮气对油套管无腐蚀，是无毒、安全的不活泼气体。用氦气和氮气作为检测介质，大大提高了施工安全系数高，并对人体无伤害，对环境没有影响。

1.1 设备组成

气密封检测工序需要由5部分的设备来完成，分别是检测工具、动力设备、储能器、绞车和检漏仪。现场施工设备摆放示意图如图1所示。

图1 现场施工示意图

1)检测工具 由上下两个封隔器组成，检测时将工具下到合适位置后，调整绞车阀门，使高压流体从高压管线进入检测工具，高压流体推动滑套分别向两头运动，挤压封隔器胶筒座封，使检测工具和油套管形成环空。继续增压，到达设计的压力开始检测。

2)动力设备 用来提供施工的动力，包括高压泵、液泵等。

3)储能器 利用动力设备的高压源，对进入储能器的氮氦混合气体进行增压，由具备超高压容器设计和制造资质的厂家加工，并按油田要求每年定期进行第三方检测。最高额定工作压力为140MPa。

4)绞车 用于控制检测工具进出套管，用于控制增压和泄压的程序。气密封检测控制系统的一大特点就是通过低压气体来控制高压流体，目的是降低安全风险。

图2 气密封检测原理示意图

5)检漏仪 主要用于检测氦气的泄漏率，根据检测到的氦气泄漏率来判断套管连接丝扣的密封性是否合格。判断标准：如果检测到的氦气泄漏率≥1.0×10-7mbar·L/s(1mbar=0.01MPa)，则该管柱连接丝扣不合格；如果检测到的氦气泄漏率<1.0×10-7mbar·L/s，则该管柱连接丝扣合格。检漏仪的精度为1.0×10-7mbar·L/s，检测灵敏度为1.0×10-7mbar·L/s，反应时间<0.7s，在施工现场能够即时有效地做出判断。与检漏仪配套的是记录仪，作用是将检测压力及泄漏率同步显示、采集，并能输出检测报告。

1.2 气密封检测原理

检测原理示意图如图2所示。施工时先把检测工具放入管柱内，检测工具上的上下卡封器胶筒分别卡在油套管接箍的上下位置；储能器中预充氦氮混合气，高压水泵用水推动储能器中混合气体压缩，向测试工具内注入氦氮混合气，工具坐封；继续运转高压水泵增压，推动储能器内混合气体继续压缩到设计要求的检测压力，此时氦气进入检测工具与管柱之间的密闭环形空间；用带有氦气检漏仪探头的检测集气套把接箍包起来形成密闭空间，集气套里的气体通过检测探头进入检漏仪，如果检漏仪显示氦气含量超过泄漏界定值，说明丝扣密封不合格[5]。

2 涪陵地区套管气密封检测结果分析

表1 涪陵页岩气田气密封检测结果统计表

现场检测结果表明，在检测的7358个管柱连接丝扣中，检测不合格丝扣达245个，占检测丝扣的3.33%；检测出不合格套管达到70根，占检测总量的0.95%。对泄漏丝扣经过若干整改措施：卸扣检查清洁丝扣后重新上扣，加大扭矩，重新涂抹密封脂，更换套管。根据检测结果，大部分泄漏丝扣经过卸扣检查重新上扣以后，都未出现泄漏情况，而部分发生丝扣损坏的套管则必须更换。若从施工时间上统计，施工初期(前12口井)检测不合格丝扣和整改后不合格丝扣比例分别为6.24%、2.44%，远远超过平均水平。在36口施工井中，仅仅只有2口井未出现管柱连接丝扣泄漏现象，出现丝扣泄漏现象的施工井占施工井总数的94.44%。换而言之，每口井都有可能出现丝扣泄漏现象，而气密封检测技术是评估管柱丝扣气密性的有效手段。

通过分析认为涪陵工区丝扣泄漏的原因主要有以下几种：

1)运输过程中套管丝扣磕碰、操作不规范、丝扣清洁度不达标。①套管在上提至钻台过程中，母扣端没有佩戴护丝，存在杂质进到母扣台阶面内没有清理的可能。②套管上扣前丝扣清洁不够彻底，只是使用气体吹扫方式清理，公母丝扣处可能残留杂质。③套管在对扣时没有有效保护，可能碰坏丝扣密封面，建议使用对扣器以保护密封面。④司钻操作存在误操作，游车突然下放，砸伤套管；套管上扣速度不平稳，在即将达到最佳扭矩时，应换低速档缓慢达到最佳扭矩。⑤套管队上扣时没有遵守操作规程，背钳打滑时仍然上扣致使套管受力不均匀，造成丝扣损伤(图3)。⑥套管运输过程中保护不好，致使丝扣损伤(图4)。

图3 套管钳打滑后瑕疵 图4 由于磕碰造成的丝扣损伤

2)套管本身的质量问题。①在钻井施工现场中发现有一批次套管质量非常差，套管本体变形，密封台阶面有凹口，丝扣公扣端的台阶面存在毛刺，经过肉眼就可以分辨出来。加大了这批套管的检测力度，套管检测井数达到了12口，统计发现检测不合格率达到6.24%，远高于丝扣不合格的平均水平。②部分套管气密封检测不合格，卸下来后肉眼分辨不出问题，可能是套管在运输、吊装等过程中存在因碰撞导致轻微损伤，这些情况不可避免，随机因素是无法消除，不通过专业检查无法检测出，影响了丝扣的密封性。③套管上扣过程中套管钳操作不当，套管本体质量会影响气井井筒安全。以焦页11-1HF井为例，该井整个气密封检测施工过程中，共发现4根套管本体轻微变形，变形部位靠近套管公扣位置。套管设计内径为115.02mm，气密封检测工具最大外径113mm，变形致使气密封检测工具无法放到检测位置。经分析认为套管本体质量存在瑕疵，套管钳上扣时钳牙的扭力致使套管本体变形(图5)。为了保证套管丝扣气密性，更换新套管。④部分套管出厂的时候，母扣工厂端上扣不合格。生产中会发现套管母扣接箍存在转动现象，有的母扣接箍不转动，但是会出现母扣工厂端泄漏的现象(图6)。

3)密封脂使用不当。套管丝扣密封脂效果是在实验室条件下达到的，但在实际生产过程中，温度差异较大可能造成密封脂效果改变，密封脂涂抹不均匀导致上扣时丝扣受力分布不均匀，尤其是涪陵地区多风多雨致使丝扣上的密封脂可能会附着一些杂质，导致套管连接丝扣气密性不合格(图7)。建议施工过程中，套管厂家的专家进行技术指导。

4)上扣扭矩过大或者过小。扭矩范围的确定是在理想环境下，而实际生产中，天气温度等变化很大。如果扭矩达不到要求，会造成管柱密封性不合格。实际生产中，几乎所有的套管泄漏以后，卸扣检查重新上扣时都会稍微加大扭矩，而大部分的管柱连接丝扣经过检测都是合格的。

图5 套管丝扣卸扣后出现瑕疵图

图6 套管母扣工厂端泄漏图 图7 套管丝扣瑕疵图

3 施工建议

涪陵页岩气田经过3年的高速发展已钻完井200多口，在这些井中出现了几口套管密封性不严、试压试不住的问题，为解决这几口井的问题，花费了大量的人力和物力，而气密封检测技术的应用，有效地减少了该类事故的发生，为页岩气井的安全运行提供了保障。但无法否认的是各种因素会造成套管丝扣气密性不合格，为了杜绝事故的发生，降低成本，在使用气密封检测技术的同时，还要做到以下几点：

1)加强套管检测。套管出厂之前，应当加大套管检测力度，确保套管在出厂时的质量满足现场施工需求。

2)套管在运输、吊装过程中要加强管理，套管丝扣护丝佩戴齐全，并合理固定套管，减小在运输、吊装过程中磕碰对丝扣造成损伤。

3)施工井队要规范操作行为，套管入井前必须做好套管丝扣的清洁和保护。在场地上把套管丝扣清洗干净并检查丝扣是否有瑕疵，确保其合格后应再次戴好干净的公母护丝，上扣前取下护丝，保护丝扣及防止杂质进入到丝扣影响其密封性；套管在上扣时，对扣要轻放，避免对扣过程中损坏丝扣台阶和密封端面影响气密封性，建议使用尼龙材质对扣器。

4)套管队规范操作行为，确保上扣过程中套管钳处于一个正常的工作状态。套管队应严格按照操作规程作业，当套管背钳打滑的时候，应停止作业，以免因受力不均匀对丝扣造成损伤。

综上所述，套管连接丝扣不密封是综合原因造成的，现场生产中施工操作不规范、扭矩不合格、密封脂不适用、丝扣不清洁、运输生产中的磕碰都会造成丝扣气密性失效，因此要加强管理，避免在运输及生产过程中对油套管丝扣造成损伤，同时要加强油套管丝扣保护，严格按照规范清洗丝扣，均匀涂抹密封脂，根据设计扭矩上扣，避免气密封性能失效。只有从各个方面加强管理，规范操作，才能将隐患降到最低。

4 结论

1)套管气密封检测技术用氦气和氮气作为检测介质，施工安全系数高，对人体无伤害，对环境无影响。

2)通过对涪陵地区页岩气井套管气密封检测结果进行分析，表明每口井都有可能出现丝扣泄漏现象，而气密封检测技术是评估管柱丝扣气密性的有效手段。

3)通过分析认为涪陵工区丝扣泄漏的主要原因有运输过程中套管丝扣磕碰和操作不规范、套管本身的质量问题、密封脂使用不当、上扣扭矩过大或者过小等。

4)为保证套管气密封性，降低成本，在使用气密封检测技术的同时，应注意加强套管检测，套管在运输、吊装过程中要加强管理。同时，施工井队和套管队要规范操作行为，保证下入套管丝扣密封性。

[1]林勇，薛伟，李治，等.气密封检测技术在储气库注采井中的应用[J].天然气与石油，2012，30(1)：55～58.

[2]刘啸峰，陈实.气密封检测技术在高压深井中的应用[J].内蒙古石油化工，2010，20(23)：81～82.

[3]柳季君.干气密封的工作机理及其典型结构[J].化学工业与工程技术，2002，23(4)：38～39.

[4]陈秀琴，朱维兵，王和顺.干气密封技术研究现状及发展趋势[J].液压与气动，2008，(2)：52～56.

[5]徐凤廷.气密封封隔器的研制与应用[J].石油矿场机械，2014，43(5)：89～92.

[编辑] 帅群

2016-10-10

陈小龙(1987-)，男，工程师，从事钻井技术管理工作，cxlong2008@126.com。

TE26

A

1673-1409(2017)3-0075-06

[引著格式]陈小龙.气密封检测技术在涪陵页岩气田的应用[J].长江大学学报(自科版), 2017,14(3):75～80a.