車強 王凌寒 商艷紅（中國石化石油機械股份有限公司研究院）

氣舉技術(shù)是成熟油氣井提高油氣產(chǎn)量常用的人工舉升方法之一。文丘里噴嘴(簡稱文丘里)氣舉閥在世界范圍內(nèi)的連續(xù)氣舉井中應(yīng)用廣泛，特別是針對海洋油氣田叢式井完井氣舉，經(jīng)濟效益明顯。在Kaji-Semoga油田（位于蘇門答臘島南部Rimau區(qū)塊）2口先導井中采用文丘里氣舉閥，使原油平均產(chǎn)量增加約40%；在相同條件下，注氣量增加約30%（相同的套管頭壓力），計算機仿真結(jié)果與實際井況基本吻合[1]。巴西已有大約350口近海油氣井都安裝該型氣舉閥，超過600個文丘里氣舉閥成功應(yīng)用[2]。斯倫貝謝公司生產(chǎn)的NOVATM文丘里氣舉閥促使了尼日爾三角洲兩個棕色地帶的5口雙完井氣舉井能夠同時生產(chǎn)，1年可實現(xiàn)1 518萬美元的經(jīng)濟效益[3]。

國外關(guān)于文丘里氣舉閥研究十分成熟，而我國還沒有相關(guān)文獻報道。隨著我國頁巖氣大力開采，很多井將進入人工舉升階段，如何實現(xiàn)高效增產(chǎn)或恢復(fù)生產(chǎn)將是急需解決的問題。文章將針對國外文丘里氣舉閥研究現(xiàn)狀及應(yīng)用進行闡述，以期同行在文丘里氣舉閥研制及氣舉工藝研究中有所借鑒。

1 文丘里氣舉閥的關(guān)鍵設(shè)計研究

1.1 文丘里氣舉閥的特性

連續(xù)流動氣舉井的作業(yè)效率取決于穩(wěn)定的生產(chǎn)壓力和流量。系統(tǒng)穩(wěn)定性要求氣舉作業(yè)的設(shè)計能使井下氣舉閥在計算的臨界流量下注入氣體。在流經(jīng)氣舉閥孔的流體速度達到聲速時，就會出現(xiàn)臨界流量。臨界氣體流量由氣舉閥孔的上游壓力和下游壓力來調(diào)節(jié)。

目前海洋油氣田井氣舉技術(shù)常采用方孔式氣舉閥（圖1）。該系列氣舉閥特性要求上游和下游壓力差超過56%，且注入速度不穩(wěn)定，導致油管壓力的大幅波動；特別針對遠離氣舉壓縮機的邊遠井，氣舉管線壓降較大，導致套管頭壓力有限，氣舉井注氣量不足，無法達到最佳的注氣速度，無法優(yōu)化產(chǎn)液。

圖1 方孔氣舉閥

文丘里氣舉閥具有獨特的計算機生成的流量剖面，以提高恒定的注氣流量，可以很好地克服常規(guī)氣舉閥（方孔式）的限制，通過將壓降降至最低10%，實現(xiàn)了噴射氣體通過孔板達到臨界流量狀態(tài)，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。根據(jù)文獻[1]～[3]中有限元模擬計算，繪制了常規(guī)氣舉閥（方孔式）與文丘里氣舉閥在恒定上游壓力和可變下游壓力下的注氣速度比較曲線（圖3），并進行了文丘里氣舉閥與常規(guī)氣舉閥的流線圖比較（圖4）。

圖2 文丘里氣舉閥

圖3 常規(guī)氣舉閥與文丘里氣舉閥在恒定上游壓力和可變下游壓力下的注氣速度比較

圖4 常規(guī)氣舉閥和文丘里氣舉閥的流線圖比較

由圖3和圖4可知，相對于方孔式氣舉閥，文丘里氣舉閥的流量狀態(tài)實際上消除了油管壓力對注氣速度的任何影響，并穩(wěn)定了注氣壓力。穩(wěn)定的注入速度可以帶來更穩(wěn)定的油管壓力，提高產(chǎn)量，降低操作費用。

1.2 文丘里氣舉閥的設(shè)計及制造要求

文丘里氣舉閥產(chǎn)品及應(yīng)用已是巴西石油公司的標準設(shè)備和成熟技術(shù)，它是首選的孔板閥，特別針對海上油井。文獻[2]中針對文丘里設(shè)計過程中的關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)進行深入研究，重點描述了具有環(huán)形喉道的文丘里管的通用剖面和各關(guān)鍵參數(shù)之間的關(guān)系，詳見公式1和圖5。由圖5可知，喉道在x=xb處是環(huán)形的，而切點在x=xc處。定義，ASME標準[4]中建議3.6≤λ≤4.4和2.5°≤α≤6°?？紤]到氣舉閥內(nèi)的文丘里可用空間，建議采用λ=4和α=6°。

式中：rb——圓弧半徑，mm；

rg——吼道半徑，mm；

R——端面半徑，mm；

xc——切點橫坐標；

yc——切點縱坐標；

α——切線與橫軸夾角；

xt——文丘里管長度，mm，切線與橫軸交點橫坐標。

圖5 常規(guī)帶環(huán)形喉道的文丘里剖面圖

制造文丘里管的材料可采用碳化鎢或無污點鋼，且要求特別嚴格，主要體現(xiàn)在以下三點：

1）加工表面光潔度要求很高，MFC-7M-1987標準[4]中要求，最大粗糙度為0.5 mm，表面粗糙度最好為0.1 mm或更小。

2）文丘里相關(guān)參數(shù)尺寸公差必須保證在+0.01 mm內(nèi)。

3）噴嘴和喉道之間或喉道和擴散器之間的轉(zhuǎn)換周圍不應(yīng)該有任何缺陷。

1.3 其他相關(guān)的創(chuàng)新技術(shù)

文獻[3]中介紹了一種帶爆氣裝置的文丘里氣舉閥（圖6）。該裝置的特點是將氣舉注入氣泡破碎成較小的氣泡，使氣體均勻化在油管中注入液體，防止堵塞，大幅度提升油管內(nèi)液體流動的穩(wěn)定性。

圖6 帶爆氣裝置的文丘里氣舉閥

Baker Hughes公司2018年研制出智能氣舉閥[5]（圖7）。該閥具有從安裝過程中的“虛擬”結(jié)構(gòu)（方便井的增壓活動）切換到生產(chǎn)過程中的“實時”結(jié)構(gòu)能力，不需要任何外部電纜干預(yù)。通過使用由專用可降解合金制成的臨時可拆卸插頭，可以在客戶要求的時間范圍內(nèi)完全解體，從而實現(xiàn)從虛擬狀態(tài)到實時狀態(tài)的轉(zhuǎn)換。通過消除傳統(tǒng)氣舉閥中需要的電纜干預(yù)步驟，智能氣舉閥可以為客戶提供一些優(yōu)勢，如節(jié)省時間和成本。

圖7 帶有可降解堵頭的智能氣舉閥

文丘里噴嘴與泡沫器的聯(lián)合使用是一種新型的人工舉升方法[6]。由于氣舉閥本身屬于背壓閥，文丘里喉道直徑越小，背壓越大，因此，文丘里噴嘴的尺寸設(shè)計很重要。通過低濃度商用泡沫劑在噴嘴前后的泡沫流動與沒有噴嘴的泡沫流動相比，在泡沫流動過程中噴嘴對壓力梯度和氣體特性沒有顯著影響。然而，泡沫穩(wěn)定性和質(zhì)量受到噴嘴的影響，這取決于注入泡沫劑的位置(噴嘴之前或之后)，需要針對不同井參數(shù)進行優(yōu)化，并提出一種噴嘴定徑方法。

2 存在的問題

目前廣泛使用的氣舉工藝是沿管柱不同深度安裝幾個側(cè)袋氣舉閥[7]。文丘里氣舉閥僅是側(cè)袋式氣舉管線的一種新型工具，可以通過電纜回收。相對于其他人工舉升具有明顯的優(yōu)勢，特別在海洋油氣田應(yīng)用中經(jīng)濟效益明顯，然而在使用過程中仍然存在一些限制，影響了氣舉系統(tǒng)的整體效率。主要問題有以下幾點：

1）工作空間小，氣舉閥通過電纜回收或更換時，工作周期時間長；

2）流量調(diào)節(jié)范圍有限；

3）隨著油管壓力變化，需要不斷改變流量。

影響氣舉系統(tǒng)設(shè)計的參數(shù)很多，如井口和井底壓力的變化、產(chǎn)液類型、儲層產(chǎn)能指數(shù)等。因此，氣舉系統(tǒng)設(shè)計是一個比較復(fù)雜的工程設(shè)計，通過一套工具串不可能適用各種工況，需要大量的井況數(shù)據(jù)進行支撐。文獻[6]中提到現(xiàn)有的氣舉效率均比較低，甚至在經(jīng)濟上無法滿足當今作業(yè)的高性能和安全需求。尤其是在深水和海底完井作業(yè)中，氣舉作業(yè)風險極高，成本也很高。這一切都意味著需要在該領(lǐng)域進行創(chuàng)新，需要新技術(shù)，通過賦予作業(yè)者更多的控制權(quán)和對油井性能的洞察，提高作業(yè)靈活性。

3 氣舉系統(tǒng)的發(fā)展趨勢

隨著海洋油氣的不斷開采，深水、超深水以及其他偏遠地區(qū)的油氣井將面臨高壓流量優(yōu)化氣舉與地面控制氣舉流量的技術(shù)問題，這將是油氣氣舉最具挑戰(zhàn)性的課題。對此，國外研究人員提出了一種新型的智能氣舉系統(tǒng)[7-8]，關(guān)鍵核心是電控氣舉閥，主要是在修井作業(yè)過程中隨管柱一起輸送和安裝油管。該氣舉系統(tǒng)具有以下五個特點：

1）氣舉閥包括多達6個獨立的注入孔，每個孔都由地面單獨控制，具有較大的注氣量。

2）操作人員可以通過打開或關(guān)閉任何組合的閥門來改變注氣量，每種閥門都有不同大小的端口，注氣量范圍寬泛，操作人員可以靈活控制。

3）氣舉閥由控制系統(tǒng)控制，通過典型的井下電氣控制線與氣舉閥連接。一個單控制線的控制系統(tǒng)可以在同一管柱上與多個數(shù)字氣舉閥進行控制和通信。

4）每個數(shù)字氣舉閥還配有壓力傳感器，測量油管和套管壓力，以及測量油管溫度的溫度傳感器。傳感器數(shù)據(jù)通過控制線發(fā)送并存儲在控制系統(tǒng)中，可遠程監(jiān)察及操作該裝置，陸地作業(yè)人員在辦公室就可以打開和關(guān)閉海上生產(chǎn)井的氣舉閥，并實時監(jiān)測沿油管的壓力和溫度數(shù)據(jù)。

5）系統(tǒng)的數(shù)字功能集成到智能氣舉領(lǐng)域，在操作員的監(jiān)督下自動完成卸井、優(yōu)化生產(chǎn)、優(yōu)化用氣、排除故障等多個過程。

智能氣舉技術(shù)的突破將是整個油氣田氣舉作業(yè)的一個重大變革，有潛力成為氣舉油田的首選技術(shù)。

4 結(jié)論與建議

1）文丘里氣舉閥相比常規(guī)氣舉閥有一定的優(yōu)勢，可以很好地實現(xiàn)注氣壓力的穩(wěn)定性，并得到國外油氣田的廣泛應(yīng)用。

2）文丘里氣舉閥的關(guān)鍵參數(shù)設(shè)定需要根據(jù)井況參數(shù)進行優(yōu)化，同時可以考慮截止閥的特性進行深入研究，并且對文丘里管的材料選擇及加工要求高，基于我國技術(shù)現(xiàn)狀，也將是一個不小的挑戰(zhàn)。

3）數(shù)字氣舉技術(shù)是整個油氣田氣舉作業(yè)的一個重大變革，有潛力成為氣舉油田的首選技術(shù)。