高壓氣舉閥排液技術研究與應用

魏瑞玲

（中原油田分公司石油工程技術研究院，河南濮陽 457000）

目前常壓氣舉閥額定充氣壓力為15MPa，井深4 000m的氣井，至少需要下入7級氣舉閥，由于常壓氣舉閥充氣壓力、配套氣源壓力限制，理論上不能再通過增加氣舉閥級數來增加氣舉管柱下深。近年來，隨著頁巖氣的規模化開發，壓裂氣舉一體化施工工藝逐步推廣，以及新投產區塊的高壓強排水需求逐漸增多，如中原油田與華東油氣分公司合作攻關的國家科技重大專項《大型油氣田及煤層氣開發》課題四，《彭水地區常壓頁巖氣勘探開發示范工程》中的目標區塊，大部分有排液需求的氣井為新投井，要求壓裂氣舉一趟管柱實施，部分井井口回壓高，排液深度大，最深4 500m，常壓氣舉閥已經不能滿足使用要求，需要研發設計一套新的耐高壓的氣舉閥和工作筒，以滿足現場需要。

1 高壓氣舉閥及工作筒設計

1.1 高壓氣舉閥設計

從氣舉閥工作原理可以得出：

高壓氣舉閥排液時，與常規氣舉閥的打開性能及密封性要求一樣，要求氣舉閥波紋管有較高的靈敏性。

排液管柱與生產管柱通用，而頁巖氣井投產初期套壓較高，有時恢復至15MPa，因此要求氣舉閥能在此壓力下不得打開，需要將氣舉閥的內充壓力提高至20MPa左右。要實現壓裂氣舉使用一趟管柱，即壓裂時最大壓差70MPa情況下，氣舉閥能夠正常工作，需要氣舉閥及工作筒耐壓達到70MPa。

氣舉閥的耐壓部件主要為波紋管、充氣腔室、氣門芯，其性能主要受材質、壁厚和密封形式的影響，因此要提高氣舉閥的耐壓等級，需要從改進波紋管的材質和結構，增加充氣腔室的壁厚，改進氣門芯的密封形式等方面進行研究改進。

1.1.1 波紋管的改進設計

常見的波紋管有U形、Ω形、C形、S形四種，其中U形波紋管在同等壁厚條件下承壓能力較強，補償能力較大，應力分布均勻。從波紋管的承壓能力、剛度值、疲勞壽命及失穩性綜合考慮，選擇比較常用的“U”形波紋管。如圖1所示。

圖1 U型波紋管

高壓注氣時，波紋管作為受力件存在失穩的風險，即波紋所在平面不再與管軸線保持垂直，影響波紋管的使用壽命，采用內藏式波紋管可以有效降低失穩風險。

波紋管設計采用三層Ni-Cu合金，可有效降低波紋管的剛度值；同時設計機械限位裝置，降低波紋管的有效行程，可提高疲勞壽命。如圖2所示。

圖2 波紋管失穩

1.1.2 氣門芯改進

氣門芯是氣舉閥充氣、調試的共用通道，其密封性關系到氣舉閥充氣腔室壓力的大小，控制著氣舉閥的開啟和關閉，也是關系到氣舉排液的關鍵。將氣門芯的單級密封膠圈改進為雙膠圈，為氣門芯的密封性提供雙重保障。如圖3所示。

圖3 雙膠圈氣門芯

1.1.3 充氣腔室強度校核

氣舉閥腔室結構設計中采用ANSI標準B1.1統一螺紋尺寸13/16-20UNC作為腔室殼體連接螺紋，根據腔室設計，承壓后應力主要分布在腔室筒壁。因此，對受力最大的筒壁承壓能力進行校核。如表1所示。

表1 參數校核表

許用壓力[σ]=σb/3=189MPa。當σ小于或等于[σ]時為安全。采用有限元分析的計算方法，耐內壓應力計算公式：

比較：σ=86.15MPa；[σ]=189MPa，σ＜[σ]。根據上述校核計算，所以設計選用壁厚δ=2.6mm合理。

1.2 高壓工作筒設計

1.2.1 材質優選

常壓氣舉閥配套的工作筒一般選用N80鋼級，以2-7/8″的氣舉管柱為例，分析其抗拉強度為645kN，抗內壓強度為72.9MPa，抗外擠強度為76.9MPa。根據現場井況條件對氣舉管柱進行強度核算，要滿足抗拉安全系數＞1.6，需選擇C90鋼級的氣舉工作筒。

1.2.2 結構改進

常壓氣舉閥配套的固定式工作筒主要包括氣舉閥托筒、工作筒本體，兩者的連接方式為焊接，可以滿足常壓排液要求，但在高壓情況下，焊接處難以保證長期穩定可靠，有可能發生腐蝕斷裂，導致氣舉管柱失效。因此設計采用整體切割工藝加工工作筒，保證工作筒的機械強度和完整性，以適應高壓、壓裂施工等工況條件。

2 現場應用

A井是華東油氣分公司的一口新鉆開發井，地質預測日產氣2.6×104m3，初期需要快速返排壓裂液，地層壓力39.6MPa，地層溫度104℃，井口回壓6.5MPa，井深4 800m，油層套管為5-1/2″套管，內徑121mm。為在最短時間內排出井內壓裂液，提高氣井產量，研究決定對該井實施高壓氣舉強排水，目標排水量350m3/d。

2.1 氣舉設計

通過注氣壓力與氣舉深度的敏感性分析，在壓縮機最高壓力25MPa的條件下，注氣壓力越高，對應的氣舉深度越深，當注氣壓力增高到一定值后，氣舉深度的增加幅度變小。根據模擬結果，選擇注氣壓力23MPa，氣舉效果最佳。如圖4所示。

圖4 注氣壓力與氣舉深度關系曲線

通過注氣量與氣舉排液量的敏感性分析，在注氣壓力23MPa下，注氣量越大，對應的排液量越大，當注氣量增加到一定值后，對應的排液量不再增加。根據模擬結果，選擇6×104m3/d的注氣量，氣舉排液效果最佳，可達到370m3/d的排液量，滿足排液要求。如圖5所示。

圖5 注氣量與排液量關系曲線

根據該井基本條件，對氣舉管柱進行模擬設計，氣舉閥設計的充氣壓力越高，需要下入的氣舉閥級數越少，根據注氣壓力最高23MPa，計算需要下4級高壓氣舉閥，可滿足排液深度4 500m的要求，氣舉閥最高調試壓力為18.56MPa。

2.2 實施效果

該井下入4級氣舉閥排液管柱，實施高壓氣舉排液，注氣壓力22.7MPa，日注氣量，6.3×104m3/d，日均排液量376m3/d。如圖6所示。

圖6 A井氣舉排液生產曲線

3 結束語

通過改進氣舉閥的結構形式和材質，可實現氣舉閥內充氣壓力從15MPa提高到20MPa，并保持長期穩定可靠。

高壓氣舉閥排液技術的研究應用成功解決了高壓深井、高回壓井氣舉排液難題，實現了井口回壓7MPa下，排液深度達到4 500m的目標，對其他類似氣井的排液具有指導借鑒意義。