文丘里氣舉閥的國外研究現狀及發展趨勢*

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）

氣舉技術是成熟油氣井提高油氣產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的連續氣舉井中應用廣泛，特別是針對海洋油氣田叢式井完井氣舉，經濟效益明顯。在Kaji-Semoga油田（位于蘇門答臘島南部Rimau區塊）2口先導井中采用文丘里氣舉閥，使原油平均產量增加約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用[2]。斯倫貝謝公司生產的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，1年可實現1 518萬美元的經濟效益[3]。

國外關于文丘里氣舉閥研究十分成熟，而我國還沒有相關文獻報道。隨著我國頁巖氣大力開采，很多井將進入人工舉升階段，如何實現高效增產或恢復生產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狀及應用進行闡述，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 文丘里氣舉閥的關鍵設計研究

1.1 文丘里氣舉閥的特性

連續流動氣舉井的作業效率取決于穩定的生產壓力和流量。系統穩定性要求氣舉作業的設計能使井下氣舉閥在計算的臨界流量下注入氣體。在流經氣舉閥孔的流體速度達到聲速時，就會出現臨界流量。臨界氣體流量由氣舉閥孔的上游壓力和下游壓力來調節。

目前海洋油氣田井氣舉技術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，無法優化產液。

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氣舉閥（方孔式）的限制，通過將壓降降至最低10%，實現了噴射氣體通過孔板達到臨界流量狀態，其結構如圖2所示。根據文獻[1]～[3]中有限元模擬計算，繪制了常規氣舉閥（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氣舉閥的流線圖比較（圖4）。

圖2 文丘里氣舉閥

圖3 常規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實際上消除了油管壓力對注氣速度的任何影響，并穩定了注氣壓力。穩定的注入速度可以帶來更穩定的油管壓力，提高產量，降低操作費用。

1.2 文丘里氣舉閥的設計及制造要求

文丘里氣舉閥產品及應用已是巴西石油公司的標準設備和成熟技術，它是首選的孔板閥，特別針對海上油井。文獻[2]中針對文丘里設計過程中的關鍵技術參數進行深入研究，重點描述了具有環形喉道的文丘里管的通用剖面和各關鍵參數之間的關系，詳見公式1和圖5。由圖5可知，喉道在x=xb處是環形的，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°。考慮到氣舉閥內的文丘里可用空間，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 常規帶環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）文丘里相關參數尺寸公差必須保證在+0.01 mm內。

3）噴嘴和喉道之間或喉道和擴散器之間的轉換周圍不應該有任何缺陷。

1.3 其他相關的創新技術

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，大幅度提升油管內液體流動的穩定性。

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”結構（方便井的增壓活動）切換到生產過程中的“實時”結構能力，不需要任何外部電纜干預。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完全解體，從而實現從虛擬狀態到實時狀態的轉換。通過消除傳統氣舉閥中需要的電纜干預步驟，智能氣舉閥可以為客戶提供一些優勢，如節省時間和成本。

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，泡沫穩定性和質量受到噴嘴的影響，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進行優化，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袋氣舉閥[7]。文丘里氣舉閥僅是側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勢，特別在海洋油氣田應用中經濟效益明顯，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）流量調節范圍有限；

3）隨著油管壓力變化，需要不斷改變流量。

影響氣舉系統設計的參數很多，如井口和井底壓力的變化、產液類型、儲層產能指數等。因此，氣舉系統設計是一個比較復雜的工程設計，通過一套工具串不可能適用各種工況，需要大量的井況數據進行支撐。文獻[6]中提到現有的氣舉效率均比較低，甚至在經濟上無法滿足當今作業的高性能和安全需求。尤其是在深水和海底完井作業中，氣舉作業風險極高，成本也很高。這一切都意味著需要在該領域進行創新，需要新技術，通過賦予作業者更多的控制權和對油井性能的洞察，提高作業靈活性。

3 氣舉系統的發展趨勢

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

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可以在同一管柱上與多個數字氣舉閥進行控制和通信。

4）每個數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。傳感器數據通過控制線發送并存儲在控制系統中，可遠程監察及操作該裝置，陸地作業人員在辦公室就可以打開和關閉海上生產井的氣舉閥，并實時監測沿油管的壓力和溫度數據。

5）系統的數字功能集成到智能氣舉領域，在操作員的監督下自動完成卸井、優化生產、優化用氣、排除故障等多個過程。

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

4 結論與建議

1）文丘里氣舉閥相比常規氣舉閥有一定的優勢，可以很好地實現注氣壓力的穩定性，并得到國外油氣田的廣泛應用。

2）文丘里氣舉閥的關鍵參數設定需要根據井況參數進行優化，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，基于我國技術現狀，也將是一個不小的挑戰。

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