同心式投捞气举工具研制及在川渝气田的应用

朱 鹏，唐寒冰，叶长青，段蕴琦，王庆蓉，朱 庆，邓 悟, 张 文

(1中国石油西南油气田公司工程技术研究院 2中国石油西南油气田公司蜀南气矿 3中石化广元天然气净化有限公司)

川渝气田已开发气藏均属于典型的有水气藏开发，固定式气举作为主要的排水采气工艺措施在气藏排水、单井连续排水等方面作用显著，不但使水淹井恢复正常生产，提高气举成功率，更重要的是降低了注采比，大幅延长了气举井的生产期[1]。目前现场累计实施559口井，累计增产天然气90 151.36×108m3，排水1 397.186 4×104m3，经济效益显著[2]。随着开采的进行，固定式气举容易导致压井液伤害地层的缺点日益突出；而偏心式投捞气举成功率低，不利于推广。笔者通过对比固定式气举、偏心式投捞气举的优缺点，创造性地提出了同心式投捞气举，即利用钢丝作业不动管柱实施检阀作业，大幅降低了气举井作业成本，缩短了作业周期，避免修井作业带来的压井液伤害产层的风险，及时调整气举参数[3]。通过现场试验，建立了同心式投捞气举施工方法，解决川渝气田气举检阀过程中的局限性，更好地适应川渝气田气举工艺现状。

一、同心式投捞气举工具研制

1.同心式投捞气举研制思路

同心式投捞气举对气举工具要求较高，既要求气举阀投捞操作简单，又要求气举阀与工作筒密封可靠[4]。针对固定式气举工具和偏心式投捞气举工具出现的问题，借鉴节流器系列化思路，提出了同心式投捞气举工具系列的研制思路：

(1)打捞颈为外打捞头。

(2)坐放方式由反复通过工作筒改为下震击完成气举阀坐放[5]。

(3)研制外径为51 mm、55 mm、59 mm的三种系列的阀囊。

(4)研制适用于Ø139.7 mm套管、Ø177.8 mm套管的工作筒。

按照上述思路，设计了同心式投捞气举工具。

2.同心式投捞气举工作原理

阀囊与工作筒均采用投影同心的设计，其中工作筒采用整体锻件制作，分为上、中、下筒体，筒体间连接方式采用特殊套管扣。这种设计方案能有效保证工作筒的整体机械强度与油管相当，同时气水过流通道相当于对应油管[6]。

使用时，在地面上将调试好的气举阀内置于阀囊，然后通过钢丝作业将阀囊投放到与油管一起连接入井的气举工作筒内；气举时，注入高压气由工作筒上的唯一通道(单向流动阀)进入，顶开气举阀开关后，再与井内气液混合，然后经过工作筒内的等效气水流动通道向上经油管举升混合液体[7-8]。

3.同心式投捞气举工具组成

3.1 阀囊

3.1.1 结构

阀囊分为内锚定系统、气举阀坐封系统与密封系统等三大部分，如图1。而锚定系统由芯轴、卡瓦、卡瓦套与卡簧等四部分组成。密封系统分为内、外两个密封系统。外密封系统主要用于将气举阀封装系统密封在工作筒内；气举阀与阀套、气举阀封装系统各丝扣连接处的密封为内密封系统。

图1 阀囊结构示意图

3.1.2 力学分析

芯轴是阀囊的主要受力部件，并采用螺纹与上打捞颈进行连接，连接卡瓦套则通过芯轴本体上的突出台阶，芯轴在阀囊的锚定过程中起传递和承担载荷的作用，同时为了计算、分析数值，又能描述出芯轴与卡瓦套之间接触应力的分布规律，对阀囊的机械结构进行大幅简化，建立了力学模型。

载荷计算：钢丝作业按使用电缆进行投捞来考虑，而芯轴顶端面施加的最大法向拉力按照20 kN进行计算。有限元计算结果如图2所示，芯轴模型最大的对等应力为127.8 MPa，而芯轴材质为35CrMo，屈服强度为835 MPa，计算得出安全系数为6.69，芯轴零件实际应用是安全的[9]。

图2 芯轴应力云图

3.2 工作筒

3.2.1 结构

同心式气举工作筒分为上接头、坐放短节、单流阀与下接头，与油管均使用螺纹连接，如图3。

图3 同心式工作筒结构示意图

3.2.2 力学分析

同心式气举工作筒的上、下接头筒体部分为最薄弱部件，同时为了计算、分析数值，又能描述出芯轴与卡瓦套之间接触应力的分布规律，对同心式气举工作筒的机械结构进行大幅简化，建立了相应的力学模型。

因同心式气举工作筒上接头与油管的螺纹连接处应力计算相对复杂，本次计算时仅考虑上部油管施加在同心式气举工作筒上接头的轴向应力[10]。

有限元计算结果如图4示，模型最大的对等应力为443.5 MPa，而卡瓦材质为35CrMo，其屈服强度为835 MPa，计算可知安全系数为2.2，同心式气举工作筒实际应用是安全的。

图4 工作筒上接头应力云图

4.同心式投捞气举工具性能评价

4.1 同心式投捞气举工具密封检验实验

为了验证同心式投捞气举工具的密封性能，共进行了3套次静水压密封检测实验和密封件耐腐蚀检测实验[11]，见表1。

表1 静水压密封检测实验汇总表

由表1实验结果知，阀囊与工作筒之间在53.5 MPa范围内均能实现阀囊与工作筒的有效密封。

4.2 同心式投捞气举工具抗拉强度检测

委托中石油西安管材研究所进行工具整体抗拉强度检测实验，实验结果表明整体工具连接强度高于721 MPa时，其辅助连接短节失效，而工作筒整体完好。

4.3 同心式投捞气举工具模拟井投捞实验

通过模拟井对同心式投捞气举工具进行实际投捞试验，为气举阀在实际气井中应用取得可靠资料，见表2。

表2 模拟井气举阀投捞试验汇总表

该试验结果表明，同心投捞式气举工具可满足气举要求(气举阀投捞顺利、操作简单、阀囊与工作筒之间密封可靠)，已具备投入现场试验条件。

二、川渝气田应用效果

以川渝气田典型井白X、邛西X井为例。

1.白X井

该井于2017年11月入同心式投捞气举阀，气举工作状态稳定，日产气0.68×104m3，日排水29 m3。

白X井气举设计参数：①井口油压：1～2.5 MPa；②启动压力：8～10 MPa；③工作压力：6～8 MPa；④注气量：(3～4)×104m3/d；⑤排液量：40～70 m3/d；⑥产气量：(1.5～2.5)×104m3/d。

历时200 d后，于2018年7月对该井同心式投捞气举阀进行检阀作业，成功更换同心式投捞气举阀，气举工作状态与检阀前一致，创造了同心式投捞气举工具检阀间隔周期最长记录。

2.邛西X

该井为斜井，最大井斜30.1°(井深2 576.6 m)，最大狗腿度为8.45°/30 m(井深2 595 m)。2017年3月下入同心式投捞气举阀，气举工作状态稳定。

邛西X井气举设计参数：①井口油压：2.5 MPa;②启动压力：12～14 MPa;③工作压力：6～8 MPa;④注气量：(4～5)×104m3/d;⑤排液量：(30～60)m3/d;⑥产气量：(1～2)×104m3/d。

2017年8月成功对同心式投捞气举阀(井斜21.3°)进行了检阀作业，气举工作状态与检阀前一致，突破了同心式投捞气举工具最大实施井斜。

截止目前，同心式投捞气举工具累计开展了26井次的现场试验，完善了同心式投捞气举工艺技术。试验井中，气举阀的最大下阀深度为3 080 m。在进行的气举试验中，各试验井均能顺利卸载，其最高注气压力9.6 Pa，最大注气量6.0×104m3/d，最大排液量130 m3/d，排液效果较好。采用同心式投捞气举工具后，试验井累计排水10.93×104m3，增产天然气3 162.58×104m3，直接节约修井费用6 000万元，经济效益显著。

总体来说，分级同心式气举工具现场试验取得了较好的效果，也充分证明了分级同心式投捞气举工具性能稳定可靠，满足川渝气田老井开发需求及投捞式气举排水采气工艺的要求，见表3、表4。

表3 试验井气举效果统计表

表4 试验井投捞试验汇总表

三、结论

(1)研制了一种分级同心式投捞气举工具系列，该气举工具不仅可以达到常规气举的功效，而且具有不动管柱即可实施检阀作业，大幅降低气举井作业成本，避免修井作业带来的压井液伤害产层的风险。

(2)分级同心式投捞气举工具耐温120℃、承压差70 MPa，可适应外径177.8 mm套管、139.7 mm套管，并具有自主知识产权。相比固定式气举和偏心式投捞气举具有投捞操作简单易行、成功率高、检阀时间短、成本低的优点。

(3)分级同心式投捞气举工具在川渝气举井套管多样、气举阀多级方面，比固定式气举和偏心式投捞气举更优异，是提高川渝气田有水气井经济开发的有效手段，同时，对采油、采气工艺技术的发展与完善和老区块采收率的提高具有重要支撑作用。

(4)截至目前，开展了26井次现场试验，累计排水10.93×104m3，增产天然气3 162.58×104m3，经济效益显著。现场试验表明，该型气举工具满足川渝气田投捞式气举要求，具有推广应用价值。