同心式投撈氣舉工具研制及在川渝氣田的應用

朱 鵬，唐寒冰，葉長青，段蘊琦，王慶蓉，朱 慶，鄧 悟, 張 文

(1中國石油西南油氣田公司工程技術研究院 2中國石油西南油氣田公司蜀南氣礦 3中石化廣元天然氣凈化有限公司)

川渝氣田已開發(fā)氣藏均屬于典型的有水氣藏開發(fā)，固定式氣舉作為主要的排水采氣工藝措施在氣藏排水、單井連續(xù)排水等方面作用顯著，不但使水淹井恢復正常生產，提高氣舉成功率，更重要的是降低了注采比，大幅延長了氣舉井的生產期[1]。目前現(xiàn)場累計實施559口井，累計增產天然氣90 151.36×108m3，排水1 397.186 4×104m3，經(jīng)濟效益顯著[2]。隨著開采的進行，固定式氣舉容易導致壓井液傷害地層的缺點日益突出；而偏心式投撈氣舉成功率低，不利于推廣。筆者通過對比固定式氣舉、偏心式投撈氣舉的優(yōu)缺點，創(chuàng)造性地提出了同心式投撈氣舉，即利用鋼絲作業(yè)不動管柱實施檢閥作業(yè)，大幅降低了氣舉井作業(yè)成本，縮短了作業(yè)周期，避免修井作業(yè)帶來的壓井液傷害產層的風險，及時調整氣舉參數(shù)[3]。通過現(xiàn)場試驗，建立了同心式投撈氣舉施工方法，解決川渝氣田氣舉檢閥過程中的局限性，更好地適應川渝氣田氣舉工藝現(xiàn)狀。

一、同心式投撈氣舉工具研制

1.同心式投撈氣舉研制思路

同心式投撈氣舉對氣舉工具要求較高，既要求氣舉閥投撈操作簡單，又要求氣舉閥與工作筒密封可靠[4]。針對固定式氣舉工具和偏心式投撈氣舉工具出現(xiàn)的問題，借鑒節(jié)流器系列化思路，提出了同心式投撈氣舉工具系列的研制思路：

(1)打撈頸為外打撈頭。

(2)坐放方式由反復通過工作筒改為下震擊完成氣舉閥坐放[5]。

(3)研制外徑為51 mm、55 mm、59 mm的三種系列的閥囊。

(4)研制適用于?139.7 mm套管、?177.8 mm套管的工作筒。

按照上述思路，設計了同心式投撈氣舉工具。

2.同心式投撈氣舉工作原理

閥囊與工作筒均采用投影同心的設計，其中工作筒采用整體鍛件制作，分為上、中、下筒體，筒體間連接方式采用特殊套管扣。這種設計方案能有效保證工作筒的整體機械強度與油管相當，同時氣水過流通道相當于對應油管[6]。

使用時，在地面上將調試好的氣舉閥內置于閥囊，然后通過鋼絲作業(yè)將閥囊投放到與油管一起連接入井的氣舉工作筒內；氣舉時，注入高壓氣由工作筒上的唯一通道(單向流動閥)進入，頂開氣舉閥開關后，再與井內氣液混合，然后經(jīng)過工作筒內的等效氣水流動通道向上經(jīng)油管舉升混合液體[7-8]。

3.同心式投撈氣舉工具組成

3.1 閥囊

3.1.1 結構

閥囊分為內錨定系統(tǒng)、氣舉閥坐封系統(tǒng)與密封系統(tǒng)等三大部分，如圖1。而錨定系統(tǒng)由芯軸、卡瓦、卡瓦套與卡簧等四部分組成。密封系統(tǒng)分為內、外兩個密封系統(tǒng)。外密封系統(tǒng)主要用于將氣舉閥封裝系統(tǒng)密封在工作筒內；氣舉閥與閥套、氣舉閥封裝系統(tǒng)各絲扣連接處的密封為內密封系統(tǒng)。

圖1 閥囊結構示意圖

3.1.2 力學分析

芯軸是閥囊的主要受力部件，并采用螺紋與上打撈頸進行連接，連接卡瓦套則通過芯軸本體上的突出臺階，芯軸在閥囊的錨定過程中起傳遞和承擔載荷的作用，同時為了計算、分析數(shù)值，又能描述出芯軸與卡瓦套之間接觸應力的分布規(guī)律，對閥囊的機械結構進行大幅簡化，建立了力學模型。

載荷計算：鋼絲作業(yè)按使用電纜進行投撈來考慮，而芯軸頂端面施加的最大法向拉力按照20 kN進行計算。有限元計算結果如圖2所示，芯軸模型最大的對等應力為127.8 MPa，而芯軸材質為35CrMo，屈服強度為835 MPa，計算得出安全系數(shù)為6.69，芯軸零件實際應用是安全的[9]。

圖2 芯軸應力云圖

3.2 工作筒

3.2.1 結構

同心式氣舉工作筒分為上接頭、坐放短節(jié)、單流閥與下接頭，與油管均使用螺紋連接，如圖3。

圖3 同心式工作筒結構示意圖

3.2.2 力學分析

同心式氣舉工作筒的上、下接頭筒體部分為最薄弱部件，同時為了計算、分析數(shù)值，又能描述出芯軸與卡瓦套之間接觸應力的分布規(guī)律，對同心式氣舉工作筒的機械結構進行大幅簡化，建立了相應的力學模型。

因同心式氣舉工作筒上接頭與油管的螺紋連接處應力計算相對復雜，本次計算時僅考慮上部油管施加在同心式氣舉工作筒上接頭的軸向應力[10]。

有限元計算結果如圖4示，模型最大的對等應力為443.5 MPa，而卡瓦材質為35CrMo，其屈服強度為835 MPa，計算可知安全系數(shù)為2.2，同心式氣舉工作筒實際應用是安全的。

圖4 工作筒上接頭應力云圖

4.同心式投撈氣舉工具性能評價

4.1 同心式投撈氣舉工具密封檢驗實驗

為了驗證同心式投撈氣舉工具的密封性能，共進行了3套次靜水壓密封檢測實驗和密封件耐腐蝕檢測實驗[11]，見表1。

表1 靜水壓密封檢測實驗匯總表

由表1實驗結果知，閥囊與工作筒之間在53.5 MPa范圍內均能實現(xiàn)閥囊與工作筒的有效密封。

4.2 同心式投撈氣舉工具抗拉強度檢測

委托中石油西安管材研究所進行工具整體抗拉強度檢測實驗，實驗結果表明整體工具連接強度高于721 MPa時，其輔助連接短節(jié)失效，而工作筒整體完好。

4.3 同心式投撈氣舉工具模擬井投撈實驗

通過模擬井對同心式投撈氣舉工具進行實際投撈試驗，為氣舉閥在實際氣井中應用取得可靠資料，見表2。

表2 模擬井氣舉閥投撈試驗匯總表

該試驗結果表明，同心投撈式氣舉工具可滿足氣舉要求(氣舉閥投撈順利、操作簡單、閥囊與工作筒之間密封可靠)，已具備投入現(xiàn)場試驗條件。

二、川渝氣田應用效果

以川渝氣田典型井白X、邛西X井為例。

1.白X井

該井于2017年11月入同心式投撈氣舉閥，氣舉工作狀態(tài)穩(wěn)定，日產氣0.68×104m3，日排水29 m3。

白X井氣舉設計參數(shù)：①井口油壓：1～2.5 MPa；②啟動壓力：8～10 MPa；③工作壓力：6～8 MPa；④注氣量：(3～4)×104m3/d；⑤排液量：40～70 m3/d；⑥產氣量：(1.5～2.5)×104m3/d。

歷時200 d后，于2018年7月對該井同心式投撈氣舉閥進行檢閥作業(yè)，成功更換同心式投撈氣舉閥，氣舉工作狀態(tài)與檢閥前一致，創(chuàng)造了同心式投撈氣舉工具檢閥間隔周期最長記錄。

2.邛西X

該井為斜井，最大井斜30.1°(井深2 576.6 m)，最大狗腿度為8.45°/30 m(井深2 595 m)。2017年3月下入同心式投撈氣舉閥，氣舉工作狀態(tài)穩(wěn)定。

邛西X井氣舉設計參數(shù)：①井口油壓：2.5 MPa;②啟動壓力：12～14 MPa;③工作壓力：6～8 MPa;④注氣量：(4～5)×104m3/d;⑤排液量：(30～60)m3/d;⑥產氣量：(1～2)×104m3/d。

2017年8月成功對同心式投撈氣舉閥(井斜21.3°)進行了檢閥作業(yè)，氣舉工作狀態(tài)與檢閥前一致，突破了同心式投撈氣舉工具最大實施井斜。

截止目前，同心式投撈氣舉工具累計開展了26井次的現(xiàn)場試驗，完善了同心式投撈氣舉工藝技術。試驗井中，氣舉閥的最大下閥深度為3 080 m。在進行的氣舉試驗中，各試驗井均能順利卸載，其最高注氣壓力9.6 Pa，最大注氣量6.0×104m3/d，最大排液量130 m3/d，排液效果較好。采用同心式投撈氣舉工具后，試驗井累計排水10.93×104m3，增產天然氣3 162.58×104m3，直接節(jié)約修井費用6 000萬元，經(jīng)濟效益顯著。

總體來說，分級同心式氣舉工具現(xiàn)場試驗取得了較好的效果，也充分證明了分級同心式投撈氣舉工具性能穩(wěn)定可靠，滿足川渝氣田老井開發(fā)需求及投撈式氣舉排水采氣工藝的要求，見表3、表4。

表3 試驗井氣舉效果統(tǒng)計表

表4 試驗井投撈試驗匯總表

三、結論

(1)研制了一種分級同心式投撈氣舉工具系列，該氣舉工具不僅可以達到常規(guī)氣舉的功效，而且具有不動管柱即可實施檢閥作業(yè)，大幅降低氣舉井作業(yè)成本，避免修井作業(yè)帶來的壓井液傷害產層的風險。

(2)分級同心式投撈氣舉工具耐溫120℃、承壓差70 MPa，可適應外徑177.8 mm套管、139.7 mm套管，并具有自主知識產權。相比固定式氣舉和偏心式投撈氣舉具有投撈操作簡單易行、成功率高、檢閥時間短、成本低的優(yōu)點。

(3)分級同心式投撈氣舉工具在川渝氣舉井套管多樣、氣舉閥多級方面，比固定式氣舉和偏心式投撈氣舉更優(yōu)異，是提高川渝氣田有水氣井經(jīng)濟開發(fā)的有效手段，同時，對采油、采氣工藝技術的發(fā)展與完善和老區(qū)塊采收率的提高具有重要支撐作用。

(4)截至目前，開展了26井次現(xiàn)場試驗，累計排水10.93×104m3，增產天然氣3 162.58×104m3，經(jīng)濟效益顯著?，F(xiàn)場試驗表明，該型氣舉工具滿足川渝氣田投撈式氣舉要求，具有推廣應用價值。