文丘里气举阀的国外研究现状及发展趋势*

车强 王凌寒 商艳红（中国石化石油机械股份有限公司研究院）

气举技术是成熟油气井提高油气产量常用的人工举升方法之一。文丘里喷嘴(简称文丘里)气举阀在世界范围内的连续气举井中应用广泛，特别是针对海洋油气田丛式井完井气举，经济效益明显。在Kaji-Semoga油田（位于苏门答腊岛南部Rimau区块）2口先导井中采用文丘里气举阀，使原油平均产量增加约40%；在相同条件下，注气量增加约30%（相同的套管头压力），计算机仿真结果与实际井况基本吻合[1]。巴西已有大约350口近海油气井都安装该型气举阀，超过600个文丘里气举阀成功应用[2]。斯伦贝谢公司生产的NOVATM文丘里气举阀促使了尼日尔三角洲两个棕色地带的5口双完井气举井能够同时生产，1年可实现1 518万美元的经济效益[3]。

国外关于文丘里气举阀研究十分成熟，而我国还没有相关文献报道。随着我国页岩气大力开采，很多井将进入人工举升阶段，如何实现高效增产或恢复生产将是急需解决的问题。文章将针对国外文丘里气举阀研究现状及应用进行阐述，以期同行在文丘里气举阀研制及气举工艺研究中有所借鉴。

1 文丘里气举阀的关键设计研究

1.1 文丘里气举阀的特性

连续流动气举井的作业效率取决于稳定的生产压力和流量。系统稳定性要求气举作业的设计能使井下气举阀在计算的临界流量下注入气体。在流经气举阀孔的流体速度达到声速时，就会出现临界流量。临界气体流量由气举阀孔的上游压力和下游压力来调节。

目前海洋油气田井气举技术常采用方孔式气举阀（图1）。该系列气举阀特性要求上游和下游压力差超过56%，且注入速度不稳定，导致油管压力的大幅波动；特别针对远离气举压缩机的边远井，气举管线压降较大，导致套管头压力有限，气举井注气量不足，无法达到最佳的注气速度，无法优化产液。

图1 方孔气举阀

文丘里气举阀具有独特的计算机生成的流量剖面，以提高恒定的注气流量，可以很好地克服常规气举阀（方孔式）的限制，通过将压降降至最低10%，实现了喷射气体通过孔板达到临界流量状态，其结构如图2所示。根据文献[1]～[3]中有限元模拟计算，绘制了常规气举阀（方孔式）与文丘里气举阀在恒定上游压力和可变下游压力下的注气速度比较曲线（图3），并进行了文丘里气举阀与常规气举阀的流线图比较（图4）。

图2 文丘里气举阀

图3 常规气举阀与文丘里气举阀在恒定上游压力和可变下游压力下的注气速度比较

图4 常规气举阀和文丘里气举阀的流线图比较

由图3和图4可知，相对于方孔式气举阀，文丘里气举阀的流量状态实际上消除了油管压力对注气速度的任何影响，并稳定了注气压力。稳定的注入速度可以带来更稳定的油管压力，提高产量，降低操作费用。

1.2 文丘里气举阀的设计及制造要求

文丘里气举阀产品及应用已是巴西石油公司的标准设备和成熟技术，它是首选的孔板阀，特别针对海上油井。文献[2]中针对文丘里设计过程中的关键技术参数进行深入研究，重点描述了具有环形喉道的文丘里管的通用剖面和各关键参数之间的关系，详见公式1和图5。由图5可知，喉道在x=xb处是环形的，而切点在x=xc处。定义，ASME标准[4]中建议3.6≤λ≤4.4和2.5°≤α≤6°。考虑到气举阀内的文丘里可用空间，建议采用λ=4和α=6°。

式中：rb——圆弧半径，mm；

rg——吼道半径，mm；

R——端面半径，mm；

xc——切点横坐标；

yc——切点纵坐标；

α——切线与横轴夹角；

xt——文丘里管长度，mm，切线与横轴交点横坐标。

图5 常规带环形喉道的文丘里剖面图

制造文丘里管的材料可采用碳化钨或无污点钢，且要求特别严格，主要体现在以下三点：

1）加工表面光洁度要求很高，MFC-7M-1987标准[4]中要求，最大粗糙度为0.5 mm，表面粗糙度最好为0.1 mm或更小。

2）文丘里相关参数尺寸公差必须保证在+0.01 mm内。

3）喷嘴和喉道之间或喉道和扩散器之间的转换周围不应该有任何缺陷。

1.3 其他相关的创新技术

文献[3]中介绍了一种带爆气装置的文丘里气举阀（图6）。该装置的特点是将气举注入气泡破碎成较小的气泡，使气体均匀化在油管中注入液体，防止堵塞，大幅度提升油管内液体流动的稳定性。

图6 带爆气装置的文丘里气举阀

Baker Hughes公司2018年研制出智能气举阀[5]（图7）。该阀具有从安装过程中的“虚拟”结构（方便井的增压活动）切换到生产过程中的“实时”结构能力，不需要任何外部电缆干预。通过使用由专用可降解合金制成的临时可拆卸插头，可以在客户要求的时间范围内完全解体，从而实现从虚拟状态到实时状态的转换。通过消除传统气举阀中需要的电缆干预步骤，智能气举阀可以为客户提供一些优势，如节省时间和成本。

图7 带有可降解堵头的智能气举阀

文丘里喷嘴与泡沫器的联合使用是一种新型的人工举升方法[6]。由于气举阀本身属于背压阀，文丘里喉道直径越小，背压越大，因此，文丘里喷嘴的尺寸设计很重要。通过低浓度商用泡沫剂在喷嘴前后的泡沫流动与没有喷嘴的泡沫流动相比，在泡沫流动过程中喷嘴对压力梯度和气体特性没有显著影响。然而，泡沫稳定性和质量受到喷嘴的影响，这取决于注入泡沫剂的位置(喷嘴之前或之后)，需要针对不同井参数进行优化，并提出一种喷嘴定径方法。

2 存在的问题

目前广泛使用的气举工艺是沿管柱不同深度安装几个侧袋气举阀[7]。文丘里气举阀仅是侧袋式气举管线的一种新型工具，可以通过电缆回收。相对于其他人工举升具有明显的优势，特别在海洋油气田应用中经济效益明显，然而在使用过程中仍然存在一些限制，影响了气举系统的整体效率。主要问题有以下几点：

1）工作空间小，气举阀通过电缆回收或更换时，工作周期时间长；

2）流量调节范围有限；

3）随着油管压力变化，需要不断改变流量。

影响气举系统设计的参数很多，如井口和井底压力的变化、产液类型、储层产能指数等。因此，气举系统设计是一个比较复杂的工程设计，通过一套工具串不可能适用各种工况，需要大量的井况数据进行支撑。文献[6]中提到现有的气举效率均比较低，甚至在经济上无法满足当今作业的高性能和安全需求。尤其是在深水和海底完井作业中，气举作业风险极高，成本也很高。这一切都意味着需要在该领域进行创新，需要新技术，通过赋予作业者更多的控制权和对油井性能的洞察，提高作业灵活性。

3 气举系统的发展趋势

随着海洋油气的不断开采，深水、超深水以及其他偏远地区的油气井将面临高压流量优化气举与地面控制气举流量的技术问题，这将是油气气举最具挑战性的课题。对此，国外研究人员提出了一种新型的智能气举系统[7-8]，关键核心是电控气举阀，主要是在修井作业过程中随管柱一起输送和安装油管。该气举系统具有以下五个特点：

1）气举阀包括多达6个独立的注入孔，每个孔都由地面单独控制，具有较大的注气量。

2）操作人员可以通过打开或关闭任何组合的阀门来改变注气量，每种阀门都有不同大小的端口，注气量范围宽泛，操作人员可以灵活控制。

3）气举阀由控制系统控制，通过典型的井下电气控制线与气举阀连接。一个单控制线的控制系统可以在同一管柱上与多个数字气举阀进行控制和通信。

4）每个数字气举阀还配有压力传感器，测量油管和套管压力，以及测量油管温度的温度传感器。传感器数据通过控制线发送并存储在控制系统中，可远程监察及操作该装置，陆地作业人员在办公室就可以打开和关闭海上生产井的气举阀，并实时监测沿油管的压力和温度数据。

5）系统的数字功能集成到智能气举领域，在操作员的监督下自动完成卸井、优化生产、优化用气、排除故障等多个过程。

智能气举技术的突破将是整个油气田气举作业的一个重大变革，有潜力成为气举油田的首选技术。

4 结论与建议

1）文丘里气举阀相比常规气举阀有一定的优势，可以很好地实现注气压力的稳定性，并得到国外油气田的广泛应用。

2）文丘里气举阀的关键参数设定需要根据井况参数进行优化，同时可以考虑截止阀的特性进行深入研究，并且对文丘里管的材料选择及加工要求高，基于我国技术现状，也将是一个不小的挑战。

3）数字气举技术是整个油气田气举作业的一个重大变革，有潜力成为气举油田的首选技术。