朱 鵬，唐寒冰，葉長(zhǎng)青，段蘊(yùn)琦，王慶蓉，朱 慶，鄧 悟, 張 文

(1中國(guó)石油西南油氣田公司工程技術(shù)研究院 2中國(guó)石油西南油氣田公司蜀南氣礦 3中石化廣元天然氣凈化有限公司)

川渝氣田已開(kāi)發(fā)氣藏均屬于典型的有水氣藏開(kāi)發(fā)，固定式氣舉作為主要的排水采氣工藝措施在氣藏排水、單井連續(xù)排水等方面作用顯著，不但使水淹井恢復(fù)正常生產(chǎn)，提高氣舉成功率，更重要的是降低了注采比，大幅延長(zhǎng)了氣舉井的生產(chǎn)期[1]。目前現(xiàn)場(chǎng)累計(jì)實(shí)施559口井，累計(jì)增產(chǎn)天然氣90 151.36×108m3，排水1 397.186 4×104m3，經(jīng)濟(jì)效益顯著[2]。隨著開(kāi)采的進(jìn)行，固定式氣舉容易導(dǎo)致壓井液傷害地層的缺點(diǎn)日益突出；而偏心式投撈氣舉成功率低，不利于推廣。筆者通過(guò)對(duì)比固定式氣舉、偏心式投撈氣舉的優(yōu)缺點(diǎn)，創(chuàng)造性地提出了同心式投撈氣舉，即利用鋼絲作業(yè)不動(dòng)管柱實(shí)施檢閥作業(yè)，大幅降低了氣舉井作業(yè)成本，縮短了作業(yè)周期，避免修井作業(yè)帶來(lái)的壓井液傷害產(chǎn)層的風(fēng)險(xiǎn)，及時(shí)調(diào)整氣舉參數(shù)[3]。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，建立了同心式投撈氣舉施工方法，解決川渝氣田氣舉檢閥過(guò)程中的局限性，更好地適應(yīng)川渝氣田氣舉工藝現(xiàn)狀。

一、同心式投撈氣舉工具研制

1.同心式投撈氣舉研制思路

同心式投撈氣舉對(duì)氣舉工具要求較高，既要求氣舉閥投撈操作簡(jiǎn)單，又要求氣舉閥與工作筒密封可靠[4]。針對(duì)固定式氣舉工具和偏心式投撈氣舉工具出現(xiàn)的問(wèn)題，借鑒節(jié)流器系列化思路，提出了同心式投撈氣舉工具系列的研制思路：

(1)打撈頸為外打撈頭。

(2)坐放方式由反復(fù)通過(guò)工作筒改為下震擊完成氣舉閥坐放[5]。

(3)研制外徑為51 mm、55 mm、59 mm的三種系列的閥囊。

(4)研制適用于?139.7 mm套管、?177.8 mm套管的工作筒。

按照上述思路，設(shè)計(jì)了同心式投撈氣舉工具。

2.同心式投撈氣舉工作原理

閥囊與工作筒均采用投影同心的設(shè)計(jì)，其中工作筒采用整體鍛件制作，分為上、中、下筒體，筒體間連接方式采用特殊套管扣。這種設(shè)計(jì)方案能有效保證工作筒的整體機(jī)械強(qiáng)度與油管相當(dāng)，同時(shí)氣水過(guò)流通道相當(dāng)于對(duì)應(yīng)油管[6]。

使用時(shí)，在地面上將調(diào)試好的氣舉閥內(nèi)置于閥囊，然后通過(guò)鋼絲作業(yè)將閥囊投放到與油管一起連接入井的氣舉工作筒內(nèi)；氣舉時(shí)，注入高壓氣由工作筒上的唯一通道(單向流動(dòng)閥)進(jìn)入，頂開(kāi)氣舉閥開(kāi)關(guān)后，再與井內(nèi)氣液混合，然后經(jīng)過(guò)工作筒內(nèi)的等效氣水流動(dòng)通道向上經(jīng)油管舉升混合液體[7-8]。

3.同心式投撈氣舉工具組成

3.1 閥囊

3.1.1 結(jié)構(gòu)

閥囊分為內(nèi)錨定系統(tǒng)、氣舉閥坐封系統(tǒng)與密封系統(tǒng)等三大部分，如圖1。而錨定系統(tǒng)由芯軸、卡瓦、卡瓦套與卡簧等四部分組成。密封系統(tǒng)分為內(nèi)、外兩個(gè)密封系統(tǒng)。外密封系統(tǒng)主要用于將氣舉閥封裝系統(tǒng)密封在工作筒內(nèi)；氣舉閥與閥套、氣舉閥封裝系統(tǒng)各絲扣連接處的密封為內(nèi)密封系統(tǒng)。

圖1 閥囊結(jié)構(gòu)示意圖

3.1.2 力學(xué)分析

芯軸是閥囊的主要受力部件，并采用螺紋與上打撈頸進(jìn)行連接，連接卡瓦套則通過(guò)芯軸本體上的突出臺(tái)階，芯軸在閥囊的錨定過(guò)程中起傳遞和承擔(dān)載荷的作用，同時(shí)為了計(jì)算、分析數(shù)值，又能描述出芯軸與卡瓦套之間接觸應(yīng)力的分布規(guī)律，對(duì)閥囊的機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行大幅簡(jiǎn)化，建立了力學(xué)模型。

載荷計(jì)算：鋼絲作業(yè)按使用電纜進(jìn)行投撈來(lái)考慮，而芯軸頂端面施加的最大法向拉力按照20 kN進(jìn)行計(jì)算。有限元計(jì)算結(jié)果如圖2所示，芯軸模型最大的對(duì)等應(yīng)力為127.8 MPa，而芯軸材質(zhì)為35CrMo，屈服強(qiáng)度為835 MPa，計(jì)算得出安全系數(shù)為6.69，芯軸零件實(shí)際應(yīng)用是安全的[9]。

圖2 芯軸應(yīng)力云圖

3.2 工作筒

3.2.1 結(jié)構(gòu)

同心式氣舉工作筒分為上接頭、坐放短節(jié)、單流閥與下接頭，與油管均使用螺紋連接，如圖3。

圖3 同心式工作筒結(jié)構(gòu)示意圖

3.2.2 力學(xué)分析

同心式氣舉工作筒的上、下接頭筒體部分為最薄弱部件，同時(shí)為了計(jì)算、分析數(shù)值，又能描述出芯軸與卡瓦套之間接觸應(yīng)力的分布規(guī)律，對(duì)同心式氣舉工作筒的機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行大幅簡(jiǎn)化，建立了相應(yīng)的力學(xué)模型。

因同心式氣舉工作筒上接頭與油管的螺紋連接處應(yīng)力計(jì)算相對(duì)復(fù)雜，本次計(jì)算時(shí)僅考慮上部油管施加在同心式氣舉工作筒上接頭的軸向應(yīng)力[10]。

有限元計(jì)算結(jié)果如圖4示，模型最大的對(duì)等應(yīng)力為443.5 MPa，而卡瓦材質(zhì)為35CrMo，其屈服強(qiáng)度為835 MPa，計(jì)算可知安全系數(shù)為2.2，同心式氣舉工作筒實(shí)際應(yīng)用是安全的。

圖4 工作筒上接頭應(yīng)力云圖

4.同心式投撈氣舉工具性能評(píng)價(jià)

4.1 同心式投撈氣舉工具密封檢驗(yàn)實(shí)驗(yàn)

為了驗(yàn)證同心式投撈氣舉工具的密封性能，共進(jìn)行了3套次靜水壓密封檢測(cè)實(shí)驗(yàn)和密封件耐腐蝕檢測(cè)實(shí)驗(yàn)[11]，見(jiàn)表1。

表1 靜水壓密封檢測(cè)實(shí)驗(yàn)匯總表

由表1實(shí)驗(yàn)結(jié)果知，閥囊與工作筒之間在53.5 MPa范圍內(nèi)均能實(shí)現(xiàn)閥囊與工作筒的有效密封。

4.2 同心式投撈氣舉工具抗拉強(qiáng)度檢測(cè)

委托中石油西安管材研究所進(jìn)行工具整體抗拉強(qiáng)度檢測(cè)實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明整體工具連接強(qiáng)度高于721 MPa時(shí)，其輔助連接短節(jié)失效，而工作筒整體完好。

4.3 同心式投撈氣舉工具模擬井投撈實(shí)驗(yàn)

通過(guò)模擬井對(duì)同心式投撈氣舉工具進(jìn)行實(shí)際投撈試驗(yàn)，為氣舉閥在實(shí)際氣井中應(yīng)用取得可靠資料，見(jiàn)表2。

表2 模擬井氣舉閥投撈試驗(yàn)匯總表

該試驗(yàn)結(jié)果表明，同心投撈式氣舉工具可滿足氣舉要求(氣舉閥投撈順利、操作簡(jiǎn)單、閥囊與工作筒之間密封可靠)，已具備投入現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)條件。

二、川渝氣田應(yīng)用效果

以川渝氣田典型井白X、邛西X井為例。

1.白X井

該井于2017年11月入同心式投撈氣舉閥，氣舉工作狀態(tài)穩(wěn)定，日產(chǎn)氣0.68×104m3，日排水29 m3。

白X井氣舉設(shè)計(jì)參數(shù)：①井口油壓：1～2.5 MPa；②啟動(dòng)壓力：8～10 MPa；③工作壓力：6～8 MPa；④注氣量：(3～4)×104m3/d；⑤排液量：40～70 m3/d；⑥產(chǎn)氣量：(1.5～2.5)×104m3/d。

歷時(shí)200 d后，于2018年7月對(duì)該井同心式投撈氣舉閥進(jìn)行檢閥作業(yè)，成功更換同心式投撈氣舉閥，氣舉工作狀態(tài)與檢閥前一致，創(chuàng)造了同心式投撈氣舉工具檢閥間隔周期最長(zhǎng)記錄。

2.邛西X

該井為斜井，最大井斜30.1°(井深2 576.6 m)，最大狗腿度為8.45°/30 m(井深2 595 m)。2017年3月下入同心式投撈氣舉閥，氣舉工作狀態(tài)穩(wěn)定。

邛西X井氣舉設(shè)計(jì)參數(shù)：①井口油壓：2.5 MPa;②啟動(dòng)壓力：12～14 MPa;③工作壓力：6～8 MPa;④注氣量：(4～5)×104m3/d;⑤排液量：(30～60)m3/d;⑥產(chǎn)氣量：(1～2)×104m3/d。

2017年8月成功對(duì)同心式投撈氣舉閥(井斜21.3°)進(jìn)行了檢閥作業(yè)，氣舉工作狀態(tài)與檢閥前一致，突破了同心式投撈氣舉工具最大實(shí)施井斜。

截止目前，同心式投撈氣舉工具累計(jì)開(kāi)展了26井次的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，完善了同心式投撈氣舉工藝技術(shù)。試驗(yàn)井中，氣舉閥的最大下閥深度為3 080 m。在進(jìn)行的氣舉試驗(yàn)中，各試驗(yàn)井均能順利卸載，其最高注氣壓力9.6 Pa，最大注氣量6.0×104m3/d，最大排液量130 m3/d，排液效果較好。采用同心式投撈氣舉工具后，試驗(yàn)井累計(jì)排水10.93×104m3，增產(chǎn)天然氣3 162.58×104m3，直接節(jié)約修井費(fèi)用6 000萬(wàn)元，經(jīng)濟(jì)效益顯著。

總體來(lái)說(shuō)，分級(jí)同心式氣舉工具現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)取得了較好的效果，也充分證明了分級(jí)同心式投撈氣舉工具性能穩(wěn)定可靠，滿足川渝氣田老井開(kāi)發(fā)需求及投撈式氣舉排水采氣工藝的要求，見(jiàn)表3、表4。

表3 試驗(yàn)井氣舉效果統(tǒng)計(jì)表

表4 試驗(yàn)井投撈試驗(yàn)匯總表

三、結(jié)論

(1)研制了一種分級(jí)同心式投撈氣舉工具系列，該氣舉工具不僅可以達(dá)到常規(guī)氣舉的功效，而且具有不動(dòng)管柱即可實(shí)施檢閥作業(yè)，大幅降低氣舉井作業(yè)成本，避免修井作業(yè)帶來(lái)的壓井液傷害產(chǎn)層的風(fēng)險(xiǎn)。

(2)分級(jí)同心式投撈氣舉工具耐溫120℃、承壓差70 MPa，可適應(yīng)外徑177.8 mm套管、139.7 mm套管，并具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)。相比固定式氣舉和偏心式投撈氣舉具有投撈操作簡(jiǎn)單易行、成功率高、檢閥時(shí)間短、成本低的優(yōu)點(diǎn)。

(3)分級(jí)同心式投撈氣舉工具在川渝氣舉井套管多樣、氣舉閥多級(jí)方面，比固定式氣舉和偏心式投撈氣舉更優(yōu)異，是提高川渝氣田有水氣井經(jīng)濟(jì)開(kāi)發(fā)的有效手段，同時(shí)，對(duì)采油、采氣工藝技術(shù)的發(fā)展與完善和老區(qū)塊采收率的提高具有重要支撐作用。

(4)截至目前，開(kāi)展了26井次現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，累計(jì)排水10.93×104m3，增產(chǎn)天然氣3 162.58×104m3，經(jīng)濟(jì)效益顯著?，F(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)表明，該型氣舉工具滿足川渝氣田投撈式氣舉要求，具有推廣應(yīng)用價(jià)值。