高壓氣舉閥研制

蔡道鋼, 唐寒冰, 胡貴運(yùn), 林盛旺, 王慶蓉

(中國(guó)石油西南油氣田公司工程技術(shù)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(jī)抽、氣舉、電潛泵、射流泵、柱塞氣舉、水力活塞泵、螺桿泵等，機(jī)抽在油井應(yīng)用較廣泛，而氣舉由于具有井筒結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，沒有井下運(yùn)動(dòng)部件，能適應(yīng)深度和產(chǎn)率范圍大，能適應(yīng)斜井，檢閥周期長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，在氣井排水采氣中得到廣泛的應(yīng)用。

氣舉是四川盆地氣田中、后期有水氣藏開發(fā)中應(yīng)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(jīng)從初期的打孔氣舉發(fā)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(fù)合排水采氣工藝。氣舉深度從3 000 m以內(nèi)向大于5 000 m的深井或超深井發(fā)展，排水量從200 m3/d以內(nèi)向400～800 m3/d的大排水量發(fā)展。作為實(shí)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(dòng)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(fā)展到彈簧式氣舉閥、波紋管式氣舉閥、復(fù)合式氣舉閥、膜片式氣舉閥以及電動(dòng)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(fā)力度越來(lái)越大，龍崗、龍王廟、震旦系等高壓含硫氣藏出水后，現(xiàn)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(chǎn)管柱大多帶有永久式封隔器，環(huán)空注有保護(hù)液，現(xiàn)有氣舉閥限制了環(huán)空保護(hù)液高度，酸壓改造過(guò)程中平衡壓力高，對(duì)氣舉閥承壓提出更高要求。另外在高壓深井氣舉時(shí)，提高氣舉閥充氮壓力，可減少布閥數(shù)量，提高管柱可靠性，減少檢閥[7-8]。

據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，近10年來(lái)氣舉閥井下腔室充氮內(nèi)壓超過(guò)25 MPa有4口井，氣舉閥安全系數(shù)最低0.86。高壓氣舉井在布閥過(guò)程中受到氣舉閥充氮壓力25 MPa的制約，如氣舉閥壓力等級(jí)更高，可加深頂閥深度，減少布閥數(shù)量，并加深注氣點(diǎn)深度[9]。

龍王廟等高壓深井氣藏投入開發(fā)對(duì)氣舉工藝提出了新的挑戰(zhàn)。“十一五”以來(lái)，龍崗氣田已實(shí)施氣舉井的氣舉工作壓力多數(shù)高于25 MPa，如掏空到產(chǎn)層頂界附近，所需的連續(xù)氣舉工作壓力將更高[10]。未來(lái)將有越來(lái)越多的深井氣舉注氣壓力超過(guò)25 MPa。實(shí)施氣舉工藝氣舉閥入井3 000～6 000 m，氣舉閥波紋管內(nèi)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(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用的需要，有必要研制更高壓力氣舉閥。

一、高壓氣舉閥設(shè)計(jì)

提高氣舉閥充氮壓力的關(guān)鍵在于波紋管腔室能否單獨(dú)承受更高的內(nèi)壓，波紋管及腔室的承壓能力可通過(guò)改變波紋管及腔室結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)來(lái)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(qiáng)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?cè)O(shè)計(jì)波紋管徑向尺寸、完善腔室結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，從而提高氣舉閥承受內(nèi)壓的能力，通過(guò)氣舉閥腔室設(shè)計(jì)、波紋管設(shè)計(jì)、優(yōu)選材質(zhì)、抗內(nèi)外壓實(shí)驗(yàn)及溫度穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)，成功研制出充氮35 MPa氣舉閥。新氣舉閥最大外徑25.4 mm，長(zhǎng)度425 mm，連接扣型NPT1/2，經(jīng)過(guò)抗內(nèi)外壓及打開壓力實(shí)驗(yàn)，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(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

波紋管有3種改進(jìn)方式:①改變?cè)O(shè)計(jì)波紋管層數(shù)n，由原有的3層增加到4層，相應(yīng)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(shù)的增加，給波紋管有效面積帶來(lái)的變化；②改變?cè)O(shè)計(jì)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(qiáng)度；③層數(shù)n和厚度h同時(shí)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(qiáng)度，見圖2。

圖2 波紋管示意圖

圖2所示為波紋管設(shè)計(jì)示意圖，設(shè)計(jì)外徑D為19.4 mm，內(nèi)徑d由于層數(shù)和壁厚的增加，R作相應(yīng)變化，使波紋管的有效面積無(wú)變化。

2. 腔室結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

氣舉閥腔室是氣舉閥核心部件，為了提高氣舉閥腔室強(qiáng)度，盡量減少焊縫數(shù)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(shí)際壁厚尺寸，氣舉閥腔室結(jié)構(gòu)見圖3。

圖3 氣舉閥新舊腔室對(duì)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(jì)算腔室充氮壓力35 MPa的結(jié)構(gòu)應(yīng)力，材料選擇1Cr18Ni9Ti，抗拉強(qiáng)度586 MPa，屈服應(yīng)力207 MPa，劃分結(jié)構(gòu)有限元網(wǎng)格，在?20 mm外壁設(shè)置固定約束，在左端面約束軸向位移為0，計(jì)算結(jié)果顯示結(jié)構(gòu)最大變形約為1 μm，主要在退刀槽(?20 mm變?yōu)?18.4 mm處)出現(xiàn)應(yīng)力集中，計(jì)算得到最大應(yīng)力約84 MPa，稍高于經(jīng)驗(yàn)公式校核用的耐內(nèi)壓應(yīng)力σ=84 MPa < [σ]=189 MPa (GB150), 氣舉閥安全, 能達(dá)到承壓要求[13]。

逐漸增大腔內(nèi)壓力，結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力呈線性增加趨勢(shì)，內(nèi)壓增大到75 MPa時(shí)，結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力為197 MPa，已經(jīng)接近材料屈服強(qiáng)度(207 MPa)，內(nèi)壓達(dá)到約72 MPa時(shí)，達(dá)到GB150要求的許用應(yīng)力189 MPa，內(nèi)壓達(dá)到約78 MPa時(shí)，達(dá)到材料屈服強(qiáng)度207 MPa，高于此壓力腔壁可能產(chǎn)生屈服，預(yù)期內(nèi)壓范圍內(nèi)不會(huì)產(chǎn)生結(jié)構(gòu)破壞，見圖4。

圖4 氣舉閥腔室抗內(nèi)壓性能

對(duì)材質(zhì)為1Cr18Ni9Ti鋼施加75～220 MPa的外壓和10 MPa內(nèi)壓進(jìn)行強(qiáng)度校核，在75 MPa外壓下已經(jīng)接近GB150規(guī)定的許用壓力，90 MPa時(shí)已經(jīng)超過(guò)了材料屈服極限，結(jié)構(gòu)會(huì)產(chǎn)生永久性變形，如果要不產(chǎn)生屈服，外壓應(yīng)小于83 MPa，220 MPa外壓下，最大應(yīng)力達(dá)到材料抗拉強(qiáng)度，此時(shí)將發(fā)生結(jié)構(gòu)破壞。對(duì)718材質(zhì)鋼腔室施加75～220 MPa外壓和10 MPa內(nèi)壓進(jìn)行強(qiáng)度校核，按照GB150的安全系數(shù)，許用應(yīng)力約為366 MPa，外壓142 MPa時(shí)達(dá)到許用應(yīng)力。外壓約360 MPa時(shí)將達(dá)到材料屈服極限980 MPa，結(jié)構(gòu)會(huì)產(chǎn)生永久性變形。外壓約400 MPa時(shí)結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力達(dá)到材料抗拉強(qiáng)度1 100 MPa，此時(shí)將發(fā)生結(jié)構(gòu)破壞，見圖5。

圖5 抗外壓性能

4. 氣舉閥選材及強(qiáng)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(huán)境中可以采用1Cr18Ni9Ti、316材質(zhì)，在外壓力高于80 MPa以上或者中高含硫環(huán)境中采用718材質(zhì)。氫化丁腈橡膠，耐溫-55℃～180℃且機(jī)械性能優(yōu)良，具有高強(qiáng)度，高撕裂性能、耐磨性能優(yōu)異等特點(diǎn)，氣舉閥密封件采用氫化丁腈橡膠。

腔室承壓后應(yīng)力主要分布在腔室筒壁，已知充氣腔室內(nèi)壓6.5 MPa狀態(tài)下承受最高外壓p為90 MPa，計(jì)算內(nèi)壓力為35 MPa，閥體最薄處外徑D=18.4 mm，計(jì)算內(nèi)徑d=10 mm，壁厚δ=4.2 mm，材質(zhì)718，其屈服強(qiáng)度為σs=834 MPa，抗拉強(qiáng)度σb=1 054 MPa。耐內(nèi)壓計(jì)算:

(1)

計(jì)算的σ應(yīng)小于或等于[σ](焊縫許用壓力按GB150第3.6.1條計(jì)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(yīng)力當(dāng)D/δ=18.4/4.2=4.38時(shí)選用:

(2)

計(jì)算的p應(yīng)大于或等于Δp(內(nèi)外壓力壓差),比較：p/Δp≈4.5 即安全系數(shù)為4.5，故安全。

上述校核計(jì)算表明腔室承壓結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì)能夠達(dá)到內(nèi)壓35 MPa，抗外壓90 MPa。

二、高壓氣舉閥性能實(shí)驗(yàn)

氣舉閥單獨(dú)抗內(nèi)壓實(shí)驗(yàn)：氣舉閥經(jīng)充氮6～10 MPa后充氣壓40 MPa持續(xù)17 min無(wú)滲漏，氣舉閥完好無(wú)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(wú)損，氣舉閥打開壓力38～39 MPa，見圖6。

圖6 氣舉閥抗內(nèi)外壓試驗(yàn)

氣舉閥溫度穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)主要檢測(cè)氣舉閥在不同溫度下的穩(wěn)定性能，檢測(cè)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(jìn)行氣舉閥穩(wěn)定性能實(shí)驗(yàn)，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(wěn)定性。主要步驟如下：①調(diào)試氣舉閥。依正常調(diào)閥流程按照給定充氮壓力調(diào)試氣舉閥;②閥打開壓力。檢測(cè)氣舉閥15.6℃打開壓力值;③抗外壓實(shí)驗(yàn)。將氣舉閥放入高壓容器中加水壓到90 MPa老化，穩(wěn)定90 MPa壓力15 min后，釋放壓力，并重復(fù)老化4次以上(反復(fù)時(shí)穩(wěn)壓10 min)，試驗(yàn)完后觀察氣舉閥損傷情況;④穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)。檢測(cè)氣舉閥在不同溫度下打開壓力。

氣舉閥經(jīng)充氮6～10 MPa后給氣舉閥加外壓90～93 MPa后完好無(wú)損，打開壓力變化在允許范圍內(nèi)，氣舉閥在不同溫度下打開壓力與理論值絕對(duì)誤差小于0.9 MPa，相對(duì)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(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

X井位于柴達(dá)木盆地阿爾金山前東段東坪鼻隆，是XX氣田主力產(chǎn)區(qū)邊緣一口生產(chǎn)井。根據(jù)該井情況，通過(guò)大修作業(yè)將井內(nèi)打撈管柱及橋塞起出，后沖砂至人工井底，實(shí)現(xiàn)射孔層段合采。將管柱更換為?73 mm帶氣舉閥的生產(chǎn)管柱，提高氣井?dāng)y液生產(chǎn)能力，同時(shí)為后期壓裂液快速返排、連續(xù)氣舉排水采氣工藝應(yīng)用等工作提供有利的井筒條件[14]。氣舉閥參數(shù)見表1。

表1 氣舉閥參數(shù)

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施，氣舉施工啟動(dòng)壓力19.5 MPa，正常氣舉壓力17～18 MPa，注氣量(3.8～5.5)×104m3/d,產(chǎn)水量20～30 m3/d,產(chǎn)氣量(0.3～0.5)×104m3/d，氣舉施工參數(shù)和氣舉設(shè)計(jì)較吻合，見表2。

表2 施工與氣舉設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)比

圖7 氣舉閥穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)

圖8 氣舉閥打開壓力絕對(duì)誤差

圖9 氣舉閥打開壓力相對(duì)誤差

四、結(jié)論

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

(2)通過(guò)改進(jìn)波紋管層數(shù)和厚度，重新設(shè)計(jì)腔室，改進(jìn)加工方式，減少焊縫，提高氣舉閥抗壓性能，并優(yōu)選氣舉閥本體金屬材質(zhì)718材料，橡膠密封件采用氫化丁腈橡膠，成功研制了抗內(nèi)壓35 MPa、抗外壓90 MPa氣舉閥，拓展了氣舉工藝適應(yīng)范圍，提高了氣舉工藝可靠性。

(3)氣舉閥溫度敏感性實(shí)驗(yàn)表明氣舉閥在不同溫度下打開壓力穩(wěn)定，與理論打開壓力基本重合。在入井現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用中新閥氣舉施工參數(shù)和氣舉設(shè)計(jì)吻合，氣舉閥在井下狀態(tài)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(shù)支撐。