假設(shè)當(dāng)?shù)仫L(fēng)速大于或等于1m／s，忽略氣體隨風(fēng)向上的湍流擴(kuò)散，可以用高斯煙羽氣體泄漏擴(kuò)散模型描述，高溫高壓氣井氣體泄漏有亞聲速流和聲速流兩種形式。
式中Q為背壓閥天然氣泄漏質(zhì)量流量，kg／s；Cd為排放系數(shù)，取值見(jiàn)表2；p為泄漏氣體壓力，Pa；T為泄漏氣體溫度，K；A為泄漏口面積，m2；R為氣體常量，取8.3145J／(mol·K)；Mg＝∑jiMi，天然氣分子量，kg／mol；ji為i組分的體積分?jǐn)?shù)；Mi為i組分的分子量。
施工前，通過(guò)組織施上單位多次模擬演練，測(cè)算帶壓安裝背壓閥和整體更換采氣樹(shù)施工分別需要的時(shí)間，取演練最長(zhǎng)時(shí)間。
為了提高施工過(guò)程的安全系數(shù)，確保在更換采氣樹(shù)過(guò)程中出現(xiàn)氣體泄漏時(shí)井筒內(nèi)有足夠的氮?dú)舛恢劣谠斐珊蛱烊粴庑孤?jì)算液氮用量時(shí)按照可能泄漏氣體總量2倍計(jì)算，以提高安全系數(shù)，計(jì)算公式如下：
式中Qi為Q1、Q2中取較大值，m
3；V為液氮的體積，m
3。式中1m
3液氮折算到標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下約600m
3氮?dú)狻?/div>
2．4 工藝步驟
1)準(zhǔn)備施工所用設(shè)備、物資，安裝地面泄壓放噴流程。進(jìn)行整體更換采氣樹(shù)演練，準(zhǔn)確測(cè)算所需的時(shí)間，計(jì)算所需液氮體積。
2)檢測(cè)井下安全閥密封性并安裝背壓閥：通過(guò)泄壓放噴管線排放井下安全閥以上通道內(nèi)氣體，進(jìn)放噴池點(diǎn)火燃燒，觀察油壓，以檢驗(yàn)井下安全閥是否泄漏。
3)頂替液氮：連接液氮泵車(chē)按照測(cè)算量向井筒頂替液氮。
4)安裝雙向背壓閥：若井下安全閥密封，則將井口壓力泄至0，再安裝背壓閥；若不能完全密封，則帶壓安裝背壓閥。利用送取工具，將背壓閥安裝在油管懸掛器內(nèi)的背壓閥座面，封堵油管，從而實(shí)現(xiàn)不壓井工況下更換采氣樹(shù)。
5)整體更換采氣樹(shù)，試壓合格后按照操作規(guī)程取出雙向背壓閥。
3 安全保障措施
1)施工前落實(shí)井下安全閥關(guān)閉后是否完全密封，油管是否持續(xù)帶壓等井筒情況。
2)組織現(xiàn)場(chǎng)演練，優(yōu)化施工程序，確定施工最短時(shí)間，為設(shè)計(jì)加注液氮用量提供依據(jù)。
3)嚴(yán)格執(zhí)行高含硫氣井安全操作規(guī)程，作業(yè)時(shí)按要求佩戴勞保用品和硫化氫防護(hù)裝置。
4)現(xiàn)場(chǎng)在上風(fēng)口配置山地強(qiáng)風(fēng)車(chē)，井場(chǎng)外圍配置消防車(chē)、救護(hù)車(chē)、空氣呼吸器充氣車(chē)等，應(yīng)急救援隊(duì)員全程監(jiān)護(hù)，確保施工人員人身安全。
4 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用
已知大灣區(qū)塊某氣井關(guān)井壓力40MPa，油溫為40℃，油管及采氣樹(shù)內(nèi)通徑為76mm，密度為324.7kg/m3，取大氣壓力為1.013×105Pa。該井附近地面平坦，地面風(fēng)速為5m/s，天然氣組分見(jiàn)表3.
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4．1 液氮用量計(jì)算
假設(shè)背壓閥滲漏，取泄漏面積為背壓閥BPV絲扣間隙，即8.20×10-5m2，對(duì)泄漏擴(kuò)散進(jìn)行模擬。為簡(jiǎn)化計(jì)算，取天然氣為理想氣體進(jìn)行計(jì)算。
經(jīng)計(jì)算，天然氣比熱容為1.1697，臨界壓力為0.1776MPa，天然氣分子量為21.01kg／mol。根據(jù)泄漏特性，排放系數(shù)參考表1取0.8。
由于p≥pc，按照聲速流泄漏擴(kuò)散模型計(jì)算。將以上各參數(shù)帶入式(3)，求得Q＝189.29kg／s，折算為體積流量(Qv)為0.5830m3／s。
現(xiàn)場(chǎng)模擬演練，測(cè)算帶壓安裝背壓閥需20min，整體更換采氣樹(shù)需40min。分別計(jì)算出井下安全閥泄漏氣量(Q1)為8.0m3，背壓閥泄漏氣量(Q2)為1399.2m3。取Q2作為液氮用量計(jì)算依據(jù)。
利用式(6)可以計(jì)算出所需液氮量4.7m3，準(zhǔn)備液氮量為5.0m3。
4．2 泵注液氦隔離井筒
1)注液氮前先利用水泥泵車(chē)加注無(wú)固相隔離液2.0m3，以避免氮?dú)馀c井內(nèi)高含硫氣體混合交換。緊接著利用液氮泵車(chē)向井筒內(nèi)泵注液氮5.0m3。
2)關(guān)閉井下安全閥、對(duì)安全閥以上進(jìn)行放空，出口點(diǎn)長(zhǎng)明火，用管匯臺(tái)節(jié)流閥控制進(jìn)行放噴，靜止觀察15min，確認(rèn)井口是否有壓力。
4．3 安裝堵塞工具并更換采氣樹(shù)
利用背壓閥送取工具向油管懸掛器下入背壓閥封堵油管，泄掉井口油壓，使之降為0，然后拆除原采氣樹(shù)，進(jìn)行更換作業(yè)。
5 結(jié)論
普光氣田通過(guò)井筒過(guò)量頂替液氮，利用取送工具帶壓安裝背壓閥等工藝集成，同時(shí)現(xiàn)場(chǎng)安全保障措施有力，解決了普光氣田高含硫氣井帶壓更換采氣樹(shù)的安全要求，并在現(xiàn)場(chǎng)成功實(shí)施2口井。
1)根據(jù)高含硫氣井作業(yè)安全要求和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，創(chuàng)造性地總結(jié)出了“兩封堵一隔離”高含硫氣井帶壓更換采氣樹(shù)工藝技術(shù)，填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)高含硫氣田開(kāi)發(fā)技術(shù)領(lǐng)域的空白。
2)該技術(shù)的成功實(shí)施，解決了普光高含硫氣井不壓井更換采氣樹(shù)的安全技術(shù)難題，在國(guó)內(nèi)高含硫氣田開(kāi)發(fā)史上尚屬首創(chuàng)。同時(shí)為高含硫氣田后期開(kāi)發(fā)維護(hù)，以及儲(chǔ)層保護(hù)方面探索出了一天新路子，可在高含硫氣田推廣使用。
3)該技術(shù)避免了施工過(guò)程的含硫氣體溢出，降低了施工風(fēng)險(xiǎn)，保護(hù)了儲(chǔ)層，具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益和積極的社會(huì)效益。
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