高压气举阀排液技术研究与应用

2021-03-15魏瑞玲

化工设计通讯 2021年2期

魏瑞玲

（中原油田分公司石油工程技术研究院，河南濮阳 457000）

目前常压气举阀额定充气压力为15MPa，井深4 000m的气井，至少需要下入7级气举阀，由于常压气举阀充气压力、配套气源压力限制，理论上不能再通过增加气举阀级数来增加气举管柱下深。近年来，随着页岩气的规模化开发，压裂气举一体化施工工艺逐步推广，以及新投产区块的高压强排水需求逐渐增多，如中原油田与华东油气分公司合作攻关的国家科技重大专项《大型油气田及煤层气开发》课题四，《彭水地区常压页岩气勘探开发示范工程》中的目标区块，大部分有排液需求的气井为新投井，要求压裂气举一趟管柱实施，部分井井口回压高，排液深度大，最深4 500m，常压气举阀已经不能满足使用要求，需要研发设计一套新的耐高压的气举阀和工作筒，以满足现场需要。

1 高压气举阀及工作筒设计

1.1 高压气举阀设计

从气举阀工作原理可以得出：

高压气举阀排液时，与常规气举阀的打开性能及密封性要求一样，要求气举阀波纹管有较高的灵敏性。

排液管柱与生产管柱通用，而页岩气井投产初期套压较高，有时恢复至15MPa，因此要求气举阀能在此压力下不得打开，需要将气举阀的内充压力提高至20MPa左右。要实现压裂气举使用一趟管柱，即压裂时最大压差70MPa情况下，气举阀能够正常工作，需要气举阀及工作筒耐压达到70MPa。

气举阀的耐压部件主要为波纹管、充气腔室、气门芯，其性能主要受材质、壁厚和密封形式的影响，因此要提高气举阀的耐压等级，需要从改进波纹管的材质和结构，增加充气腔室的壁厚，改进气门芯的密封形式等方面进行研究改进。

1.1.1 波纹管的改进设计

常见的波纹管有U形、Ω形、C形、S形四种，其中U形波纹管在同等壁厚条件下承压能力较强，补偿能力较大，应力分布均匀。从波纹管的承压能力、刚度值、疲劳寿命及失稳性综合考虑，选择比较常用的“U”形波纹管。如图1所示。

图1 U型波纹管

高压注气时，波纹管作为受力件存在失稳的风险，即波纹所在平面不再与管轴线保持垂直，影响波纹管的使用寿命，采用内藏式波纹管可以有效降低失稳风险。

波纹管设计采用三层Ni-Cu合金，可有效降低波纹管的刚度值；同时设计机械限位装置，降低波纹管的有效行程，可提高疲劳寿命。如图2所示。

图2 波纹管失稳

1.1.2 气门芯改进

气门芯是气举阀充气、调试的共用通道，其密封性关系到气举阀充气腔室压力的大小，控制着气举阀的开启和关闭，也是关系到气举排液的关键。将气门芯的单级密封胶圈改进为双胶圈，为气门芯的密封性提供双重保障。如图3所示。

图3 双胶圈气门芯

1.1.3 充气腔室强度校核

气举阀腔室结构设计中采用ANSI标准B1.1统一螺纹尺寸13/16-20UNC作为腔室壳体连接螺纹，根据腔室设计，承压后应力主要分布在腔室筒壁。因此，对受力最大的筒壁承压能力进行校核。如表1所示。

表1 参数校核表

许用压力[σ]=σb/3=189MPa。当σ小于或等于[σ]时为安全。采用有限元分析的计算方法，耐内压应力计算公式：

比较：σ=86.15MPa；[σ]=189MPa，σ＜[σ]。根据上述校核计算，所以设计选用壁厚δ=2.6mm合理。

1.2 高压工作筒设计

1.2.1 材质优选

常压气举阀配套的工作筒一般选用N80钢级，以2-7/8″的气举管柱为例，分析其抗拉强度为645kN，抗内压强度为72.9MPa，抗外挤强度为76.9MPa。根据现场井况条件对气举管柱进行强度核算，要满足抗拉安全系数＞1.6，需选择C90钢级的气举工作筒。

1.2.2 结构改进

常压气举阀配套的固定式工作筒主要包括气举阀托筒、工作筒本体，两者的连接方式为焊接，可以满足常压排液要求，但在高压情况下，焊接处难以保证长期稳定可靠，有可能发生腐蚀断裂，导致气举管柱失效。因此设计采用整体切割工艺加工工作筒，保证工作筒的机械强度和完整性，以适应高压、压裂施工等工况条件。

2 现场应用

A井是华东油气分公司的一口新钻开发井，地质预测日产气2.6×104m3，初期需要快速返排压裂液，地层压力39.6MPa，地层温度104℃，井口回压6.5MPa，井深4 800m，油层套管为5-1/2″套管，内径121mm。为在最短时间内排出井内压裂液，提高气井产量，研究决定对该井实施高压气举强排水，目标排水量350m3/d。