Q1＝QatB  　　　　(1)

式中Q1为井下安全阀泄漏气量，m³；QA为井下安全泄漏流量，m³／min，查表1得到，取较大值；tB为背压阀安装时间，min。

2．3．2背压阀泄漏量计算

背压阀泄漏量计算较复杂，可参考气体泄漏扩散模型^[9]。

首先判断气体的流动性质，求取临界压力，即

 

式中pc为临界压力，Pa；p0为环境压力，Pa；g为天然气比热容。

假设当地风速大于或等于1m／s，忽略气体随风向上的湍流扩散，可以用高斯烟羽气体泄漏扩散模型描述，高温高压气井气体泄漏有亚声速流和声速流两种形式。

1)当p≤pc时，气体为亚声速流，亚声速流泄漏流量公式为：

 

2)当p≥pc，气体为声速流，声速流泄漏流量公式为：

 

式中Q为背压阀天然气泄漏质量流量，kg／s；Cd为排放系数，取值见表2；p为泄漏气体压力，Pa；T为泄漏气体温度，K；A为泄漏口面积，m²；R为气体常量，取8.3145J／(mol·K)；Mg＝∑jiMi，天然气分子量，kg／mol；ji为i组分的体积分数；Mi为i组分的分子量。

 

背压阀泄漏流量则为：

Q2＝Q(Q/r)ts 　　   (5)

式中Q2为背压阀泄漏流量，m³；r为天然气密度，kg／m³；ts为更换采气树时间，s。

2．3．3泄漏时间的确定

施工前，通过组织施上单位多次模拟演练，测算带压安装背压阀和整体更换采气树施工分别需要的时间，取演练最长时间。

2．3．4液氮用量计算

为了提高施工过程的安全系数，确保在更换采气树过程中出现气体泄漏时井筒内有足够的氮气而不至于造成含硫天然气泄漏，计算液氮用量时按照可能泄漏气体总量2倍计算，以提高安全系数，计算公式如下：

V＝2Qi/600  　　 (6)

式中Qi为Q1、Q2中取较大值，m³；V为液氮的体积，m³。式中1m³液氮折算到标准状态下约600m³氮气。

1)准备施工所用设备、物资，安装地面泄压放喷流程。进行整体更换采气树演练，准确测算所需的时间，计算所需液氮体积。

2)检测井下安全阀密封性并安装背压阀：通过泄压放喷管线排放井下安全阀以上通道内气体，进放喷池点火燃烧，观察油压，以检验井下安全阀是否泄漏。

3)顶替液氮：连接液氮泵车按照测算量向井筒顶替液氮。

4)安装双向背压阀：若井下安全阀密封，则将井口压力泄至0，再安装背压阀；若不能完全密封，则带压安装背压阀。利用送取工具，将背压阀安装在油管悬挂器内的背压阀座面，封堵油管，从而实现不压井工况下更换采气树。

5)整体更换采气树，试压合格后按照操作规程取出双向背压阀。

1)施工前落实井下安全阀关闭后是否完全密封，油管是否持续带压等井筒情况。

2)组织现场演练，优化施工程序，确定施工最短时间，为设计加注液氮用量提供依据。

3)严格执行高含硫气井安全操作规程，作业时按要求佩戴劳保用品和硫化氢防护装置。

4)现场在上风口配置山地强风车，井场外围配置消防车、救护车、空气呼吸器充气车等，应急救援队员全程监护，确保施工人员人身安全。

已知大湾区块某气井关井压力40MPa，油温为40℃，油管及采气树内通径为76mm，密度为324.7kg/m³，取大气压力为1.013×10⁵Pa。该井附近地面平坦，地面风速为5m/s，天然气组分见表3.

 

假设背压阀渗漏，取泄漏面积为背压阀BPV丝扣间隙，即8.20×10^-5m²，对泄漏扩散进行模拟。为简化计算，取天然气为理想气体进行计算。

经计算，天然气比热容为1.1697，临界压力为0.1776MPa，天然气分子量为21.01kg／mol。根据泄漏特性，排放系数参考表1取0.8。

由于p≥pc，按照声速流泄漏扩散模型计算。将以上各参数带入式(3)，求得Q＝189.29kg／s，折算为体积流量(Qv)为0.5830m³／s。

现场模拟演练，测算带压安装背压阀需20min，整体更换采气树需40min。分别计算出井下安全阀泄漏气量(Q1)为8.0m³，背压阀泄漏气量(Q2)为1399.2m³。取Q2作为液氮用量计算依据。

利用式(6)可以计算出所需液氮量4.7m³，准备液氮量为5.0m³。

1)注液氮前先利用水泥泵车加注无固相隔离液2.0m³，以避免氮气与井内高含硫气体混合交换。紧接着利用液氮泵车向井筒内泵注液氮5.0m³。

2)关闭井下安全阀、对安全阀以上进行放空，出口点长明火，用管汇台节流阀控制进行放喷，静止观察15min，确认井口是否有压力。

利用背压阀送取工具向油管悬挂器下入背压阀封堵油管，泄掉井口油压，使之降为0，然后拆除原采气树，进行更换作业。

普光气田通过井筒过量顶替液氮，利用取送工具带压安装背压阀等工艺集成，同时现场安全保障措施有力，解决了普光气田高含硫气井带压更换采气树的安全要求，并在现场成功实施2口井。

1)根据高含硫气井作业安全要求和现场实际情况，创造性地总结出了“两封堵一隔离”高含硫气井带压更换采气树工艺技术，填补了国内高含硫气田开发技术领域的空白。

2)该技术的成功实施，解决了普光高含硫气井不压井更换采气树的安全技术难题，在国内高含硫气田开发史上尚属首创。同时为高含硫气田后期开发维护，以及储层保护方面探索出了一天新路子，可在高含硫气田推广使用。

3)该技术避免了施工过程的含硫气体溢出，降低了施工风险，保护了储层，具有显著的经济效益和积极的社会效益。

 

[1]李莲明，谭中国，龙运辉，李晓芸．带压更换天然气井口采气树主控制阀新技术[J]．钻采工艺，2007，30(3)：93-95．

Li Lianming，Tan Zhongguo，Long Yunhui，Li Xiaoyun．A new technology of replacing the master valves of gas wells Christmas tree with pressure[J]．Drilling＆Production Technology，2007，30(3)：93-95．

[2]文成槐，尹强，文蜀江．带压安全更换井口闸阀技术的研究与应用[J]．钻采工艺，2002，25(2)：49-52．

Wen Chenghuai，Yin Qiang，Wen Shujiang．Research and application of technology of replacement wellhead controlvalve with pressure[J]．Drilling&Production Technology，2002，25(2)：49-52．

[3]李志龙．不压井换阀采气井口的开发与应用[J]．石油机械，2008，36(12)：51-53．

Li Zhilong．Development and application of non well killing valve-replacing gas production wellhead[J]．China Petroleum Machinery，2008，36(12)：51-53．

[4]张庆生，耿波，史晓贞．普光气田主体开发方案(采气工程)[R]．达州：中国石化中原油田普光分公司，2006．

Zhang Qingsheng，Geng Bo，Shi Xiaozhen．Puguang gas field development proj ect(the main gas production engineering)[R]．Dazho u：Puguang Branch of Sinopec Zhongyuan Oilfield Company，2006．

[5]李顺林，姚慧智，赵果，李海风，千洪松．酸性气田井筒管材及完井方案优选[J]．天然气工业，2011，3l(9)：79-81．

Li Shunlin，Yao H uizhi，Zhao Guo，Li Haifeng，Wang Hongsong．Optimal selection of downhole tubular goods and well completion programs for the Puguang Sour Gas Field[J]．Natural Gas Industry，2011，31(9)：79-81．

[6]Hill Jr TG．Equalizing valve seat for a subsurface safety valve：US Patent：5，884，705[P]．1999-03-23[2014-07-03]．

[7]张俊．锥面密封的应力分析及其应用[J]．阀门，1990(4)：79-81．

Zhang Jun．Stress analysis and application of sealing cone[J]．valve，1990(4)：79-81．

[8]石油工业标准化研究所翻译．Spec 14A／ISO 10432：1999井下安全阀设备规范[S]．北京：石油工业标准化研究所，2005．

PSRI．Spec 14A／ISO 10432：1999 Specification for subsurface safety valve equipment／petroleum and natural gas industries-Downhole equipment-Subsurface safety valve equipment[S]．PSRI trans．Beijing：Petroleum Standardization Research Institute，2005．

[9]张静，樊建春，张来斌，王培玺．高温高压气井测试泄漏扩散三维模拟分析[J]．油气井测试，2010，19(1)：17-20．

Zhang Jing，Fan Jianchun，Zhang Laibin，Wang Peixi．3-D simulation analysis of leakage diffusion in testing wells with high temperature and high pressure[J]．Well Testing，2010，l9(1)：17-20．

[10]杜学平，刘燕，刘蓉，张应辉．天然气管道火灾危险区域预测方法与预防措施[J]．煤气与热力，2010，30(10)：78-82．

Du Xueping，Liu Yan，Liu Rong，Zhang Yinghui．Predicted method and preventive measures for fire danger area of natural gas pipeline[J]．Gas&Heat，2010，30(10)：78-82．