高壓氣舉閥研制

蔡道鋼, 唐寒冰, 胡貴運, 林盛旺, 王慶蓉

(中國石油西南油氣田公司工程技術研究院)

人工舉升工藝是解決氣井筒積液的有效方法，常用的工藝有機抽、氣舉、電潛泵、射流泵、柱塞氣舉、水力活塞泵、螺桿泵等，機抽在油井應用較廣泛，而氣舉由于具有井筒結構簡單，沒有井下運動部件，能適應深度和產率范圍大，能適應斜井，檢閥周期長等優點，在氣井排水采氣中得到廣泛的應用。

氣舉是四川盆地氣田中、后期有水氣藏開發中應用效果最好的排水采氣工藝措施之一[1-2]。四川盆地氣舉排水采氣已有近40多年的歷史[3]，已經從初期的打孔氣舉發展到氣體加速泵、球塞氣舉以及泡排+氣舉、增壓+氣舉、增壓+氣舉+泡排工藝等復合排水采氣工藝。氣舉深度從3 000 m以內向大于5 000 m的深井或超深井發展，排水量從200 m3/d以內向400～800 m3/d的大排水量發展。作為實施氣舉工藝的重要工具，氣舉閥用于氣水井氣舉排水采氣，主要是降低氣舉啟動壓力，為注入氣提供注入通道，氣舉閥已由早期的鋼絲操作氣舉閥發展到彈簧式氣舉閥、波紋管式氣舉閥、復合式氣舉閥、膜片式氣舉閥以及電動氣舉閥等多種類型，目前最常用的是波紋管式氣舉閥，腔室最高承壓25 MPa[4]。

隨著“三高”氣井的勘探、開發力度越來越大，龍崗、龍王廟、震旦系等高壓含硫氣藏出水后，現有最高充氮25 MPa氣舉閥不能滿足深井氣舉的需要[5-6]。高壓含硫氣井生產管柱大多帶有永久式封隔器，環空注有保護液，現有氣舉閥限制了環空保護液高度，酸壓改造過程中平衡壓力高，對氣舉閥承壓提出更高要求。另外在高壓深井氣舉時，提高氣舉閥充氮壓力，可減少布閥數量，提高管柱可靠性，減少檢閥[7-8]。

據不完全統計，近10年來氣舉閥井下腔室充氮內壓超過25 MPa有4口井，氣舉閥安全系數最低0.86。高壓氣舉井在布閥過程中受到氣舉閥充氮壓力25 MPa的制約，如氣舉閥壓力等級更高，可加深頂閥深度，減少布閥數量，并加深注氣點深度[9]。

龍王廟等高壓深井氣藏投入開發對氣舉工藝提出了新的挑戰。“十一五”以來，龍崗氣田已實施氣舉井的氣舉工作壓力多數高于25 MPa，如掏空到產層頂界附近，所需的連續氣舉工作壓力將更高[10]。未來將有越來越多的深井氣舉注氣壓力超過25 MPa。實施氣舉工藝氣舉閥入井3 000～6 000 m，氣舉閥波紋管內壓高于25 MPa[11-12]。

綜上所述，目前氣舉閥腔室最高承壓25 MPa，不能滿足現場應用的需要，有必要研制更高壓力氣舉閥。

一、高壓氣舉閥設計

提高氣舉閥充氮壓力的關鍵在于波紋管腔室能否單獨承受更高的內壓，波紋管及腔室的承壓能力可通過改變波紋管及腔室結構設計來解決，在保持氣舉閥外徑25.4 mm的情況下，如何既要保證波紋管腔室耐壓強度，又要確保波紋管的溫度性能是高壓氣舉閥研制的核心。為此采取的措施：采用高抗硫材料加工，改變設計波紋管徑向尺寸、完善腔室結構設計，從而提高氣舉閥承受內壓的能力，通過氣舉閥腔室設計、波紋管設計、優選材質、抗內外壓實驗及溫度穩定性實驗，成功研制出充氮35 MPa氣舉閥。新氣舉閥最大外徑25.4 mm，長度425 mm，連接扣型NPT1/2，經過抗內外壓及打開壓力實驗，氣舉閥抗外壓90 MPa、充氮壓力35 MPa，見圖1。

圖1 35 MPa氣舉閥主要組成

1. 波紋管結構設計

波紋管有3種改進方式:①改變設計波紋管層數n，由原有的3層增加到4層，相應的在保證波紋管有效面積200 mm2的情況下，增大R，以滿足波紋管層數的增加，給波紋管有效面積帶來的變化；②改變設計波紋管每層厚度h，由原有的0.13 mm厚度增加為0.16 mm，以滿足波紋管腔室耐壓強度；③層數n和厚度h同時增加，由原有3層增加到4層,增大R，厚度0.13 mm厚度增加為0.16 mm，以滿足波紋管腔室耐壓強度，見圖2。

圖2 波紋管示意圖

圖2所示為波紋管設計示意圖，設計外徑D為19.4 mm，內徑d由于層數和壁厚的增加，R作相應變化，使波紋管的有效面積無變化。

2. 腔室結構設計

氣舉閥腔室是氣舉閥核心部件，為了提高氣舉閥腔室強度，盡量減少焊縫數量，將氣門芯與上閥體一次加工成形，與原有氣舉閥相比，少了一道焊縫。改善波紋管焊接工藝，滿足承壓要求，樣件加工和焊接按實際壁厚尺寸，氣舉閥腔室結構見圖3。

圖3 氣舉閥新舊腔室對比

3. 氣舉閥腔室抗外壓性能

建立氣舉閥腔室的幾何模型，計算腔室充氮壓力35 MPa的結構應力，材料選擇1Cr18Ni9Ti，抗拉強度586 MPa，屈服應力207 MPa，劃分結構有限元網格，在?20 mm外壁設置固定約束，在左端面約束軸向位移為0，計算結果顯示結構最大變形約為1 μm，主要在退刀槽(?20 mm變為?18.4 mm處)出現應力集中，計算得到最大應力約84 MPa，稍高于經驗公式校核用的耐內壓應力σ=84 MPa < [σ]=189 MPa (GB150), 氣舉閥安全, 能達到承壓要求[13]。

逐漸增大腔內壓力，結構最大應力呈線性增加趨勢，內壓增大到75 MPa時，結構最大應力為197 MPa，已經接近材料屈服強度(207 MPa)，內壓達到約72 MPa時，達到GB150要求的許用應力189 MPa，內壓達到約78 MPa時，達到材料屈服強度207 MPa，高于此壓力腔壁可能產生屈服，預期內壓范圍內不會產生結構破壞，見圖4。

圖4 氣舉閥腔室抗內壓性能

對材質為1Cr18Ni9Ti鋼施加75～220 MPa的外壓和10 MPa內壓進行強度校核，在75 MPa外壓下已經接近GB150規定的許用壓力，90 MPa時已經超過了材料屈服極限，結構會產生永久性變形，如果要不產生屈服，外壓應小于83 MPa，220 MPa外壓下，最大應力達到材料抗拉強度，此時將發生結構破壞。對718材質鋼腔室施加75～220 MPa外壓和10 MPa內壓進行強度校核，按照GB150的安全系數，許用應力約為366 MPa，外壓142 MPa時達到許用應力。外壓約360 MPa時將達到材料屈服極限980 MPa，結構會產生永久性變形。外壓約400 MPa時結構最大應力達到材料抗拉強度1 100 MPa，此時將發生結構破壞，見圖5。

圖5 抗外壓性能

4. 氣舉閥選材及強度校核

氣舉閥殼體金屬部件在外壓力小于80 MPa，不含硫或低含硫環境中可以采用1Cr18Ni9Ti、316材質，在外壓力高于80 MPa以上或者中高含硫環境中采用718材質。氫化丁腈橡膠，耐溫-55℃～180℃且機械性能優良，具有高強度，高撕裂性能、耐磨性能優異等特點，氣舉閥密封件采用氫化丁腈橡膠。

腔室承壓后應力主要分布在腔室筒壁，已知充氣腔室內壓6.5 MPa狀態下承受最高外壓p為90 MPa，計算內壓力為35 MPa，閥體最薄處外徑D=18.4 mm，計算內徑d=10 mm，壁厚δ=4.2 mm，材質718，其屈服強度為σs=834 MPa，抗拉強度σb=1 054 MPa。耐內壓計算:

(1)

計算的σ應小于或等于[σ](焊縫許用壓力按GB150第3.6.1條計算，許用壓力[σ]=σb/3=351 MPa。)比較：σ=59.2 MPa，[σ]=351 MPa,σ<[σ]故安全。

按GB150第6.2.1條要求，耐外壓應力當D/δ=18.4/4.2=4.38時選用:

(2)

計算的p應大于或等于Δp(內外壓力壓差),比較：p/Δp≈4.5 即安全系數為4.5，故安全。

上述校核計算表明腔室承壓結構尺寸設計能夠達到內壓35 MPa，抗外壓90 MPa。

二、高壓氣舉閥性能實驗

氣舉閥單獨抗內壓實驗：氣舉閥經充氮6～10 MPa后充氣壓40 MPa持續17 min無滲漏，氣舉閥完好無損，未見形變。氣舉閥充壓36～37 MPa后將氣舉閥放入高壓釜中加外壓95～99 MPa，15 min后氣舉閥完好無損，氣舉閥打開壓力38～39 MPa，見圖6。

圖6 氣舉閥抗內外壓試驗

氣舉閥溫度穩定性實驗主要檢測氣舉閥在不同溫度下的穩定性能，檢測氣舉閥在不同溫度下打開壓力與理論值的吻合程度。具體是在氣舉閥充氮6～35 MPa、抗外壓90 MPa、耐溫15.6℃～140℃條件下進行氣舉閥穩定性能實驗，獲得氣舉閥不同充氮壓力下老化90 MPa后在不同溫度下的穩定性。主要步驟如下：①調試氣舉閥。依正常調閥流程按照給定充氮壓力調試氣舉閥;②閥打開壓力。檢測氣舉閥15.6℃打開壓力值;③抗外壓實驗。將氣舉閥放入高壓容器中加水壓到90 MPa老化，穩定90 MPa壓力15 min后，釋放壓力，并重復老化4次以上(反復時穩壓10 min)，試驗完后觀察氣舉閥損傷情況;④穩定性實驗。檢測氣舉閥在不同溫度下打開壓力。

氣舉閥經充氮6～10 MPa后給氣舉閥加外壓90～93 MPa后完好無損，打開壓力變化在允許范圍內，氣舉閥在不同溫度下打開壓力與理論值絕對誤差小于0.9 MPa，相對誤差小于8%。不同溫度下打開壓力與理論值吻合度比較好，見圖7～圖9。

三、高壓氣舉閥現場試驗

X井位于柴達木盆地阿爾金山前東段東坪鼻隆，是XX氣田主力產區邊緣一口生產井。根據該井情況，通過大修作業將井內打撈管柱及橋塞起出，后沖砂至人工井底，實現射孔層段合采。將管柱更換為?73 mm帶氣舉閥的生產管柱，提高氣井攜液生產能力，同時為后期壓裂液快速返排、連續氣舉排水采氣工藝應用等工作提供有利的井筒條件[14]。氣舉閥參數見表1。

表1 氣舉閥參數

通過現場實施，氣舉施工啟動壓力19.5 MPa，正常氣舉壓力17～18 MPa，注氣量(3.8～5.5)×104m3/d,產水量20～30 m3/d,產氣量(0.3～0.5)×104m3/d，氣舉施工參數和氣舉設計較吻合，見表2。

表2 施工與氣舉設計參數對比

圖7 氣舉閥穩定性實驗

圖8 氣舉閥打開壓力絕對誤差

圖9 氣舉閥打開壓力相對誤差

四、結論

(1)氣舉工藝作業的深度從3 000 m以內向大于5 000 m的深井或超深井發展，一些超深井、異常高壓井及高含硫氣井投入開發，25 MPa氣舉閥不能滿足排水采氣的需要。

(2)通過改進波紋管層數和厚度，重新設計腔室，改進加工方式，減少焊縫，提高氣舉閥抗壓性能，并優選氣舉閥本體金屬材質718材料，橡膠密封件采用氫化丁腈橡膠，成功研制了抗內壓35 MPa、抗外壓90 MPa氣舉閥，拓展了氣舉工藝適應范圍，提高了氣舉工藝可靠性。

(3)氣舉閥溫度敏感性實驗表明氣舉閥在不同溫度下打開壓力穩定，與理論打開壓力基本重合。在入井現場應用中新閥氣舉施工參數和氣舉設計吻合，氣舉閥在井下狀態良好。高壓氣舉閥的成功研制，拓展了氣舉工藝范圍，為龍崗、龍王廟等高壓深井氣舉排水采氣提供技術支撐。