車強(qiáng) 王凌寒 商艷紅（中國(guó)石化石油機(jī)械股份有限公司研究院）

氣舉技術(shù)是成熟油氣井提高油氣產(chǎn)量常用的人工舉升方法之一。文丘里噴嘴(簡(jiǎn)稱文丘里)氣舉閥在世界范圍內(nèi)的連續(xù)氣舉井中應(yīng)用廣泛，特別是針對(duì)海洋油氣田叢式井完井氣舉，經(jīng)濟(jì)效益明顯。在Kaji-Semoga油田（位于蘇門答臘島南部Rimau區(qū)塊）2口先導(dǎo)井中采用文丘里氣舉閥，使原油平均產(chǎn)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(jì)算機(jī)仿真結(jié)果與實(shí)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(guò)600個(gè)文丘里氣舉閥成功應(yīng)用[2]。斯倫貝謝公司生產(chǎn)的NOVATM文丘里氣舉閥促使了尼日爾三角洲兩個(gè)棕色地帶的5口雙完井氣舉井能夠同時(shí)生產(chǎn)，1年可實(shí)現(xiàn)1 518萬(wàn)美元的經(jīng)濟(jì)效益[3]。

國(guó)外關(guān)于文丘里氣舉閥研究十分成熟，而我國(guó)還沒(méi)有相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道。隨著我國(guó)頁(yè)巖氣大力開(kāi)采，很多井將進(jìn)入人工舉升階段，如何實(shí)現(xiàn)高效增產(chǎn)或恢復(fù)生產(chǎn)將是急需解決的問(wèn)題。文章將針對(duì)國(guó)外文丘里氣舉閥研究現(xiàn)狀及應(yīng)用進(jìn)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(guān)鍵設(shè)計(jì)研究

1.1 文丘里氣舉閥的特性

連續(xù)流動(dòng)氣舉井的作業(yè)效率取決于穩(wěn)定的生產(chǎn)壓力和流量。系統(tǒng)穩(wěn)定性要求氣舉作業(yè)的設(shè)計(jì)能使井下氣舉閥在計(jì)算的臨界流量下注入氣體。在流經(jīng)氣舉閥孔的流體速度達(dá)到聲速時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)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(lái)調(diào)節(jié)。

目前海洋油氣田井氣舉技術(shù)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(guò)56%，且注入速度不穩(wěn)定，導(dǎo)致油管壓力的大幅波動(dòng)；特別針對(duì)遠(yuǎn)離氣舉壓縮機(jī)的邊遠(yuǎn)井，氣舉管線壓降較大，導(dǎo)致套管頭壓力有限，氣舉井注氣量不足，無(wú)法達(dá)到最佳的注氣速度，無(wú)法優(yōu)化產(chǎn)液。

圖1 方孔氣舉閥

文丘里氣舉閥具有獨(dú)特的計(jì)算機(jī)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(guī)氣舉閥（方孔式）的限制，通過(guò)將壓降降至最低10%，實(shí)現(xiàn)了噴射氣體通過(guò)孔板達(dá)到臨界流量狀態(tài)，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。根據(jù)文獻(xiàn)[1]～[3]中有限元模擬計(jì)算，繪制了常規(guī)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(jìn)行了文丘里氣舉閥與常規(guī)氣舉閥的流線圖比較（圖4）。

圖2 文丘里氣舉閥

圖3 常規(guī)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(guī)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(duì)于方孔式氣舉閥，文丘里氣舉閥的流量狀態(tài)實(shí)際上消除了油管壓力對(duì)注氣速度的任何影響，并穩(wěn)定了注氣壓力。穩(wěn)定的注入速度可以帶來(lái)更穩(wěn)定的油管壓力，提高產(chǎn)量，降低操作費(fèi)用。

1.2 文丘里氣舉閥的設(shè)計(jì)及制造要求

文丘里氣舉閥產(chǎn)品及應(yīng)用已是巴西石油公司的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備和成熟技術(shù)，它是首選的孔板閥，特別針對(duì)海上油井。文獻(xiàn)[2]中針對(duì)文丘里設(shè)計(jì)過(guò)程中的關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)進(jìn)行深入研究，重點(diǎn)描述了具有環(huán)形喉道的文丘里管的通用剖面和各關(guān)鍵參數(shù)之間的關(guān)系，詳見(jiàn)公式1和圖5。由圖5可知，喉道在x=xb處是環(huán)形的，而切點(diǎn)在x=xc處。定義，ASME標(biāo)準(zhǔn)[4]中建議3.6≤λ≤4.4和2.5°≤α≤6°?？紤]到氣舉閥內(nèi)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(diǎn)橫坐標(biāo)；

yc——切點(diǎn)縱坐標(biāo)；

α——切線與橫軸夾角；

xt——文丘里管長(zhǎng)度，mm，切線與橫軸交點(diǎn)橫坐標(biāo)。

圖5 常規(guī)帶環(huán)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(wú)污點(diǎn)鋼，且要求特別嚴(yán)格，主要體現(xiàn)在以下三點(diǎn)：

1）加工表面光潔度要求很高，MFC-7M-1987標(biāo)準(zhǔn)[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(guān)參數(shù)尺寸公差必須保證在+0.01 mm內(nèi)。

3）噴嘴和喉道之間或喉道和擴(kuò)散器之間的轉(zhuǎn)換周圍不應(yīng)該有任何缺陷。

1.3 其他相關(guān)的創(chuàng)新技術(shù)

文獻(xiàn)[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(diǎn)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(nèi)液體流動(dòng)的穩(wěn)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(guò)程中的“虛擬”結(jié)構(gòu)（方便井的增壓活動(dòng)）切換到生產(chǎn)過(guò)程中的“實(shí)時(shí)”結(jié)構(gòu)能力，不需要任何外部電纜干預(yù)。通過(guò)使用由專用可降解合金制成的臨時(shí)可拆卸插頭，可以在客戶要求的時(shí)間范圍內(nèi)完全解體，從而實(shí)現(xiàn)從虛擬狀態(tài)到實(shí)時(shí)狀態(tài)的轉(zhuǎn)換。通過(guò)消除傳統(tǒng)氣舉閥中需要的電纜干預(yù)步驟，智能氣舉閥可以為客戶提供一些優(yōu)勢(shì)，如節(jié)省時(shí)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(lián)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(shè)計(jì)很重要。通過(guò)低濃度商用泡沫劑在噴嘴前后的泡沫流動(dòng)與沒(méi)有噴嘴的泡沫流動(dòng)相比，在泡沫流動(dòng)過(guò)程中噴嘴對(duì)壓力梯度和氣體特性沒(méi)有顯著影響。然而，泡沫穩(wěn)定性和質(zhì)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(duì)不同井參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，并提出一種噴嘴定徑方法。

2 存在的問(wèn)題

目前廣泛使用的氣舉工藝是沿管柱不同深度安裝幾個(gè)側(cè)袋氣舉閥[7]。文丘里氣舉閥僅是側(cè)袋式氣舉管線的一種新型工具，可以通過(guò)電纜回收。相對(duì)于其他人工舉升具有明顯的優(yōu)勢(shì)，特別在海洋油氣田應(yīng)用中經(jīng)濟(jì)效益明顯，然而在使用過(guò)程中仍然存在一些限制，影響了氣舉系統(tǒng)的整體效率。主要問(wèn)題有以下幾點(diǎn)：

1）工作空間小，氣舉閥通過(guò)電纜回收或更換時(shí)，工作周期時(shí)間長(zhǎng)；

2）流量調(diào)節(jié)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(tǒng)設(shè)計(jì)的參數(shù)很多，如井口和井底壓力的變化、產(chǎn)液類型、儲(chǔ)層產(chǎn)能指數(shù)等。因此，氣舉系統(tǒng)設(shè)計(jì)是一個(gè)比較復(fù)雜的工程設(shè)計(jì)，通過(guò)一套工具串不可能適用各種工況，需要大量的井況數(shù)據(jù)進(jìn)行支撐。文獻(xiàn)[6]中提到現(xiàn)有的氣舉效率均比較低，甚至在經(jīng)濟(jì)上無(wú)法滿足當(dāng)今作業(yè)的高性能和安全需求。尤其是在深水和海底完井作業(yè)中，氣舉作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)極高，成本也很高。這一切都意味著需要在該領(lǐng)域進(jìn)行創(chuàng)新，需要新技術(shù)，通過(guò)賦予作業(yè)者更多的控制權(quán)和對(duì)油井性能的洞察，提高作業(yè)靈活性。

3 氣舉系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)

隨著海洋油氣的不斷開(kāi)采，深水、超深水以及其他偏遠(yuǎn)地區(qū)的油氣井將面臨高壓流量?jī)?yōu)化氣舉與地面控制氣舉流量的技術(shù)問(wèn)題，這將是油氣氣舉最具挑戰(zhàn)性的課題。對(duì)此，國(guó)外研究人員提出了一種新型的智能氣舉系統(tǒng)[7-8]，關(guān)鍵核心是電控氣舉閥，主要是在修井作業(yè)過(guò)程中隨管柱一起輸送和安裝油管。該氣舉系統(tǒng)具有以下五個(gè)特點(diǎn)：

1）氣舉閥包括多達(dá)6個(gè)獨(dú)立的注入孔，每個(gè)孔都由地面單獨(dú)控制，具有較大的注氣量。

2）操作人員可以通過(guò)打開(kāi)或關(guān)閉任何組合的閥門來(lái)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(tǒng)控制，通過(guò)典型的井下電氣控制線與氣舉閥連接。一個(gè)單控制線的控制系統(tǒng)可以在同一管柱上與多個(gè)數(shù)字氣舉閥進(jìn)行控制和通信。

4）每個(gè)數(shù)字氣舉閥還配有壓力傳感器，測(cè)量油管和套管壓力，以及測(cè)量油管溫度的溫度傳感器。傳感器數(shù)據(jù)通過(guò)控制線發(fā)送并存儲(chǔ)在控制系統(tǒng)中，可遠(yuǎn)程監(jiān)察及操作該裝置，陸地作業(yè)人員在辦公室就可以打開(kāi)和關(guān)閉海上生產(chǎn)井的氣舉閥，并實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)沿油管的壓力和溫度數(shù)據(jù)。

5）系統(tǒng)的數(shù)字功能集成到智能氣舉領(lǐng)域，在操作員的監(jiān)督下自動(dòng)完成卸井、優(yōu)化生產(chǎn)、優(yōu)化用氣、排除故障等多個(gè)過(guò)程。

智能氣舉技術(shù)的突破將是整個(gè)油氣田氣舉作業(yè)的一個(gè)重大變革，有潛力成為氣舉油田的首選技術(shù)。

4 結(jié)論與建議

1）文丘里氣舉閥相比常規(guī)氣舉閥有一定的優(yōu)勢(shì)，可以很好地實(shí)現(xiàn)注氣壓力的穩(wěn)定性，并得到國(guó)外油氣田的廣泛應(yīng)用。

2）文丘里氣舉閥的關(guān)鍵參數(shù)設(shè)定需要根據(jù)井況參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，同時(shí)可以考慮截止閥的特性進(jìn)行深入研究，并且對(duì)文丘里管的材料選擇及加工要求高，基于我國(guó)技術(shù)現(xiàn)狀，也將是一個(gè)不小的挑戰(zhàn)。

3）數(shù)字氣舉技術(shù)是整個(gè)油氣田氣舉作業(yè)的一個(gè)重大變革，有潛力成為氣舉油田的首選技術(shù)。