气举阀动态流量试验系统研制

梁升平，李 垚，于继林，马永刚

（1.中石油长庆油田分公司第六采油厂，陕西榆林 718606；2.渤海装备钻采装备销售公司，天津 300280；3.上海蓝滨石化设备有限责任公司，上海 201518）

0 引言

气举采油是用人工举升的方式提高油井产液量的一种方法，放大生产压差的效果显著。气举采油把一定量的高压天然气通过油套环空经气举阀连续不断地注入油管，在油管内与井液充分混合形成混合流体，从而降低井液密度，能在较低的地层压力条件下将混合井液举出，达到举升采油的目的。为做好我国自有的气举技术品牌，达到性能可靠、质量优良、技术先进，气举配套阀是非常重要的一环，而一项优秀产品的开发，离不开对其各个性能指标的试验和检验。气举阀作为气举采油工艺流程中非常重要的执行元件，作为主要过气通道，由油套管环空将高压气体送进油管，其使用性能及调节性能将直接决定整个气举采油工艺的优劣与成败。

1 试验系统建设方案

气举阀动态特性研究需要专有的试验装置和配套的数据采集评价系统，需要建立气举阀动态特性测试系统，完成各类气举阀的性能测定，预测阀在井下的工作状况，为提高气举设计精度提供理论支持。本试验系统可以完成的气举阀试验项目，见表1。

表1 气举阀特性试验系统试验项目

（1）气举阀流量系数试验。目的在于确定作为阀杆行程函数的气举阀流量，需要对阀作特定结构的改造，改进的阀包括使阀杆能相对于阀座准确定位而不影响阀的内部流道几何形状，阀杆可以准确定位并在试验时锁紧。这个试验阀放在固定装置上，能使气体类似于在井底时那样流过阀。将几种不同的压差加在阀上并记录下压力和温度。

（2）气举阀动态特性试验。将气举阀放在模拟偏心工作筒的固定装置上，要求有附加的固定装置来控制和测量流过阀的压力和气体流量。

2 试验系统实施方案

动态流量试验台作为气举阀流量系数试验和动态特性试验装置，设计实施原理如图1 所示，其技术关键在于：①提供稳定、准确的试验筒进、出口压力；②为流量系数试验提供精确的阀杆行程定位；③保证流量测试精度在5%以内，以符合SY/T 6400《气举阀性能试验方法》。

图1 动态流量试验台原理

试验系统其他配置元器件包括：①试验筒进、出口压力采用TESCOM EMERSON 公司的ER3000 压力控制器、26-20 减压阀、26-12 大流量减压阀和54-27 大流量背压阀配合使用进行控制；②阀杆行程定位采用自行设计的螺纹螺杆机构进行；③流量计采用美国EMERSON 公司的质量流量计，气体流量的测量精度能保证在0.35%以内。

3 试验系统关键元器件设计方案

流量系数试验和动态特性试验（稳定生产压力试验及稳定注入压力试验），均需要在指定的试验筒进出口压力下进行，试验具有高压、大流量的特点，稳定控制压力是本试验台系统设计实施的技术关键。

试验系统组合使用ER3000 压力控制器、26-20 减压阀、26-12 大流量减压阀，降低制氮车输送的高压氮气的压力，获得指定的试验筒进口压力。制氮车的最大流量约为20 m3/min，动态流量试验的最大压力为20 MPa，26-12 大流量减压阀的技术参数满足此工况。26-12 大流量减压阀的出口压力由其气室压力控制，出口压力与气室压力相等。若ER3000 压力控制器直接给26-12 减压阀的气室供气，ER3000 输出的控制压力太低，使26-12 减压阀无法得到高压的出口压力。本设计方案采用26-20 减压阀给26-12 大流量减压阀的气室供压，由ER3000 压力控制器控制26-20 减压阀的出口压力（即26-12减压阀气室压力），从而间接控制26-12 减压阀的出口压力。空压负载式的26-20 减压阀内部有1 空压比例阀，ER3000 压力控制器输入的控制压力通过空压比例阀进行放大，作用于26-20 减压阀阀芯上部，减压阀节流孔的压力则作用于阀芯下部。通过调整减压阀节流孔面积，两者达到平衡，这样便获得稳定的26-20 减压阀出口压力，即26-12 减压阀气室压力，这样26-12 减压阀输出与气室压力相同的出口压力。ER3000 控制压力的方法是通过比较测点的压力测试值和压力设定值，采用比例微积分算法，计算获得需调整的输出控制压力，使测点压力尽量符合设定压力，ER3000 的压力控制精度能达到设定值的0.1%。

为获得指定的试验筒出口压力，试验系统组合使用ER3000 压力控制器、26-20 减压阀、54-27 大流量背压阀。由于试验具有高压、大流量的特点，一般的背压阀无法满足要求。54-27 大流量背压阀的进口压力由其气室压力控制，阀的进口压力与气室压力相等。若采用ER3000 压力控制器给54-27 背压阀的气室供气，由于ER3000 输出的控制压力太低，使26-12 减压阀无法得到高压的进口压力。本设计方案采用26-20 减压阀给54-27 背压阀的气室供压，由ER3000 压力控制器控制26-20 减压阀的出口压力（即54-27 背压阀的气室压力），从而间接控制54-27 背压阀的出口压力。试验方案中2 个缓冲罐，可以对试验筒进出口压力起到稳定作用。

4 气举阀测试过程

气举阀流量系数试验和动态特性试验的进出口压力根据SY/T 6400《气举阀性能试验方法》设定，两类试验操作过程基本相同，差别仅在于流量系数试验需事先调节阀杆位置，并测量记录其固定的阀杆行程。气举阀流量系数试验和动态特性试验的基本流程如下：①在试验筒中插入试验阀，在数据采集控制系统的计算机控制界面上，设定试验筒的进出口压力，即气举阀的进出口压力；②开启所有（3 个）大流量截止阀，关闭所有（4 个）小流量截止阀，启动数据采集系统，制氮车开始供气；③数据采集控制系统实时采集试验过程中所有压力、温度和流量信号；④当进出口压力达到稳定的设定值时，便可在计算机控制界面上设定另一对进出口压力，这样重复直至完成所有工况；⑤试验结束后，制氮车停止供气。

在数据采集控制系统的计算机控制界面上，设置试验筒进出口压力为0 时，进行初步压力卸载。打开所有小流量截止阀，观察数据采集系统计算机控制界面上的压力显示，所有压力均为0 时即可取出试验阀。如遇停电，制氮车立即停止供气，打开所有小流量截止阀，当试验筒进出口压力表显示的压力均为0时，即可取出试验阀。

5 结束语

本试验系统设计实施完全依据SY/T 6400《气举阀性能试验方法》对气举阀流量系数试验和动态特性试验要求，可完成标准要求的所有测试功能。试验系统的成功研制，为深入研究气举阀流量系数、动态特性创造了研究条件，为提升气举阀产品性能等级，提供了技术保障依据。运用本试验系统初步对KFT-25.4 气举阀流量系数、动态特性进行了研究，发现了不同流量及压力下阀门的流量系数变化，以及阀门工作动态特性对准确预测井下的工作状况和气举管柱设计的精度有着重要意义。