魏瑞玲

（中原油田分公司石油工程技術(shù)研究院，河南濮陽(yáng) 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(jí)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(guò)增加氣舉閥級(jí)數(shù)來(lái)增加氣舉管柱下深。近年來(lái)，隨著頁(yè)巖氣的規(guī)模化開(kāi)發(fā)，壓裂氣舉一體化施工工藝逐步推廣，以及新投產(chǎn)區(qū)塊的高壓強(qiáng)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(guān)的國(guó)家科技重大專項(xiàng)《大型油氣田及煤層氣開(kāi)發(fā)》課題四，《彭水地區(qū)常壓頁(yè)巖氣勘探開(kāi)發(fā)示范工程》中的目標(biāo)區(qū)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(shí)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(jīng)不能滿足使用要求，需要研發(fā)設(shè)計(jì)一套新的耐高壓的氣舉閥和工作筒，以滿足現(xiàn)場(chǎng)需要。

1 高壓氣舉閥及工作筒設(shè)計(jì)

1.1 高壓氣舉閥設(shè)計(jì)

從氣舉閥工作原理可以得出：

高壓氣舉閥排液時(shí)，與常規(guī)氣舉閥的打開(kāi)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(chǎn)管柱通用，而頁(yè)巖氣井投產(chǎn)初期套壓較高，有時(shí)恢復(fù)至15MPa，因此要求氣舉閥能在此壓力下不得打開(kāi)，需要將氣舉閥的內(nèi)充壓力提高至20MPa左右。要實(shí)現(xiàn)壓裂氣舉使用一趟管柱，即壓裂時(shí)最大壓差70MPa情況下，氣舉閥能夠正常工作，需要?dú)馀e閥及工作筒耐壓達(dá)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(zhì)、壁厚和密封形式的影響，因此要提高氣舉閥的耐壓等級(jí)，需要從改進(jìn)波紋管的材質(zhì)和結(jié)構(gòu)，增加充氣腔室的壁厚，改進(jìn)氣門芯的密封形式等方面進(jìn)行研究改進(jìn)。

1.1.1 波紋管的改進(jìn)設(shè)計(jì)

常見(jiàn)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(qiáng)，補(bǔ)償能力較大，應(yīng)力分布均勻。從波紋管的承壓能力、剛度值、疲勞壽命及失穩(wěn)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(shí)，波紋管作為受力件存在失穩(wěn)的風(fēng)險(xiǎn)，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(nèi)藏式波紋管可以有效降低失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)。

波紋管設(shè)計(jì)采用三層Ni-Cu合金，可有效降低波紋管的剛度值；同時(shí)設(shè)計(jì)機(jī)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(wěn)

1.1.2 氣門芯改進(jìn)

氣門芯是氣舉閥充氣、調(diào)試的共用通道，其密封性關(guān)系到氣舉閥充氣腔室壓力的大小，控制著氣舉閥的開(kāi)啟和關(guān)閉，也是關(guān)系到氣舉排液的關(guān)鍵。將氣門芯的單級(jí)密封膠圈改進(jìn)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(qiáng)度校核

氣舉閥腔室結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中采用ANSI標(biāo)準(zhǔn)B1.1統(tǒng)一螺紋尺寸13/16-20UNC作為腔室殼體連接螺紋，根據(jù)腔室設(shè)計(jì)，承壓后應(yīng)力主要分布在腔室筒壁。因此，對(duì)受力最大的筒壁承壓能力進(jìn)行校核。如表1所示。

表1 參數(shù)校核表

許用壓力[σ]=σb/3=189MPa。當(dāng)σ小于或等于[σ]時(shí)為安全。采用有限元分析的計(jì)算方法，耐內(nèi)壓應(yīng)力計(jì)算公式：

比較：σ=86.15MPa；[σ]=189MPa，σ＜[σ]。根據(jù)上述校核計(jì)算，所以設(shè)計(jì)選用壁厚δ=2.6mm合理。

1.2 高壓工作筒設(shè)計(jì)

1.2.1 材質(zhì)優(yōu)選

常壓氣舉閥配套的工作筒一般選用N80鋼級(jí)，以2-7/8″的氣舉管柱為例，分析其抗拉強(qiáng)度為645kN，抗內(nèi)壓強(qiáng)度為72.9MPa，抗外擠強(qiáng)度為76.9MPa。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)井況條件對(duì)氣舉管柱進(jìn)行強(qiáng)度核算，要滿足抗拉安全系數(shù)＞1.6，需選擇C90鋼級(jí)的氣舉工作筒。

1.2.2 結(jié)構(gòu)改進(jìn)

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(zhǎng)期穩(wěn)定可靠，有可能發(fā)生腐蝕斷裂，導(dǎo)致氣舉管柱失效。因此設(shè)計(jì)采用整體切割工藝加工工作筒，保證工作筒的機(jī)械強(qiáng)度和完整性，以適應(yīng)高壓、壓裂施工等工況條件。

2 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

A井是華東油氣分公司的一口新鉆開(kāi)發(fā)井，地質(zhì)預(yù)測(cè)日產(chǎn)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(nèi)徑121mm。為在最短時(shí)間內(nèi)排出井內(nèi)壓裂液，提高氣井產(chǎn)量，研究決定對(duì)該井實(shí)施高壓氣舉強(qiáng)排水，目標(biāo)排水量350m3/d。

2.1 氣舉設(shè)計(jì)

通過(guò)注氣壓力與氣舉深度的敏感性分析，在壓縮機(jī)最高壓力25MPa的條件下，注氣壓力越高，對(duì)應(yīng)的氣舉深度越深，當(dāng)注氣壓力增高到一定值后，氣舉深度的增加幅度變小。根據(jù)模擬結(jié)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(guān)系曲線

通過(guò)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(duì)應(yīng)的排液量越大，當(dāng)注氣量增加到一定值后，對(duì)應(yīng)的排液量不再增加。根據(jù)模擬結(jié)果，選擇6×104m3/d的注氣量，氣舉排液效果最佳，可達(dá)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(guān)系曲線

根據(jù)該井基本條件，對(duì)氣舉管柱進(jìn)行模擬設(shè)計(jì)，氣舉閥設(shè)計(jì)的充氣壓力越高，需要下入的氣舉閥級(jí)數(shù)越少，根據(jù)注氣壓力最高23MPa，計(jì)算需要下4級(jí)高壓氣舉閥，可滿足排液深度4 500m的要求，氣舉閥最高調(diào)試壓力為18.56MPa。

2.2 實(shí)施效果

該井下入4級(jí)氣舉閥排液管柱，實(shí)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(chǎn)曲線

3 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)改進(jìn)氣舉閥的結(jié)構(gòu)形式和材質(zhì)，可實(shí)現(xiàn)氣舉閥內(nèi)充氣壓力從15MPa提高到20MPa，并保持長(zhǎng)期穩(wěn)定可靠。

高壓氣舉閥排液技術(shù)的研究應(yīng)用成功解決了高壓深井、高回壓井氣舉排液難題，實(shí)現(xiàn)了井口回壓7MPa下，排液深度達(dá)到4 500m的目標(biāo)，對(duì)其他類似氣井的排液具有指導(dǎo)借鑒意義。