2. 东北石油大学
2. Northeastern Petroleum University
0 引言
目前，我国对气举阀的研究已经渐趋成熟，杨盛余[1]对气举阀的检测、调试技术及排液管柱结构进行了研究，提出以启动压力为基础来区别孔板流量和节流流量，将气举阀作为一个回压调节器进行研究。赵晓波等[2]对气举阀的阀座、浮球防倒流结构和防腐要求提出了改进意见。李小奇等[3]进行了数学模型的建立及解法研究。王言聿等[4]提出了在任意进、出口压力条件下气举阀流量的计算方法，该方法应用于某型号∅25.4 mm(1 in)气举阀，得到合理的阀杆行程。
20世纪80年代初，四川气田就开展了排水釆气工艺试验、研究和推广应用，优选了管柱、泡排、气举、柱塞举升、机抽、电潜泵以及由这些工艺复合而成的复合工艺，取得了显著的效果[5]。1987年，辽河油田从美国Camco公司引进了150套可投捞气举阀和工作筒及2套投捞工具，1988年在消化国外技术的基础上，开始了国产化的研制工作，同年7月国产可投捞气举采油工具经2口井、13级阀、22次投捞试验，成功率达77%以上[6]。2005年马祥凤等[7]依靠已建成的气举阀动态特性测试实验室，对文东油田使用的国产气举阀进行了动态特性参数研究和现场测试，有效指导了生产。2007年张俊杰等[8]利用双温度曲线综合使用的方法改进了传统气举工艺，现场试验证明改进后的气举工艺能使水淹深井恢复生产，且有明显的增产效果。2015年曹毅等[9]针对苏里格气田产水气井数量不断增多的现象，在现场展开不同系列的排水采气措施试验。2016年刘新锋等[10]对气举阀及工作筒结构、防腐材质、密封方式等进行改进，改进后的气举阀进行了室内高温、压力、气密试验和疲劳等功能试验，试验结果达到了设计及气密要求，为海上油气田安全生产奠定了基础。
传统的气举技术在设计上有缺陷，如对获得稳定的油管和套管流体流所需注气速率的限制，最高工作压力较低和回压系统不可靠等，这使传统的气举方法不能满足高压作业的安全要求。由于这些缺陷，许多深水和海底装置没有完备气举系统，但若采用适当的气举系统却可从中受益。为了填补国内在高压气举阀研究领域的空白，东北石油大学于2017年10月根据气举阀性能试验方法和石油行业相关高压标准，设计了高压气举阀地面测试装置。该装置用于测定高压大排量下气举阀的工作特性，完成还原压力测试、打开压力测试、不同温度对打开压力影响测试。这对气举阀在高压大排量下的稳定性和工作性能评价具有重要意义。
1 气举阀工作原理现场气井使用较多的是套管压力操作气举阀，其主要组成部分为充气室、波纹管、阀球和阀球座[11]。套管压力操作气举阀内波纹管为加载元件，在波纹管内预先充入氮气构成加载单元。通过波纹管内充气压力控制气举阀在井下的打开和关闭压力。当套压高于阀的调试打开压力时，阀头上行，阀孔处于开启状态，气举阀开始工作；当套压低于阀的调试关闭压力时，波纹管伸长，阀头下行，气举阀关闭。在关闭状态下，阀球受油管压力产生的上顶力和封包受套管压力产生的上顶力都试图打开阀球，而作用在封包面积上的气室压力则下压使阀球保持关闭状态。
2 技术分析高压气举阀测试装置由气源供应系统、试验测试装置、电气仪表系统、管路系统、放空系统、计量系统、数据采集及处理系统和试验操作台等组成。试验总体流程如图 1所示。
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| 图 1 试验总体流程图 Fig.1 Overall flow chart of test |
2.1 气源供应系统
气源供应系统主要提供气举阀测试装置所需气体。采用5辆泵车作为气源，每辆泵车排量为2.88万m3/d，最高气量可达到14.40万m3/d，最高压力可达到35 MPa，可连续供应气体，满足试验测试要求。
2.2 试验测试装置试验测试装置要保持稳定，且能够承受一定压力(35 MPa)，满足试验强度要求，操作简单，安全可靠。
高压气举阀测试装置可实现以下功能：
(1) 流动性能、流量系数测试A路。DN50管路测试试验时，流程上的其他阀门关闭，利用高压软管连接管路计量系统、气源和放空装置。
(2) 高压气举阀的泄漏量测试。用盲法兰堵住DN50管路进出口，通过1/4管线测试，打开控制阀2、3、6，其余关闭，气体泄漏挤压密闭容器的液体，出来的液体通过量筒计量。
(3) 单流阀密封性能测试。用盲法兰堵住DN50管路出口，通过1/4管线测试，打开控制阀2、5，其余关闭，通过数字压力变送器读数来判断。
(4) 阀杆行程、承载率测试。通过1/4管线测试，打开控制阀1、2、4，其余关闭，通过数字压力变送器和位移传感器记数来计算。
(5) 加热保温功能(流动性能、流量系数测试使用)。
2.3 管路与计量系统管路与计量系统(见图 2)用来输送及计量流体。管路系统包括承压管线(硬管、软管)、气体控制阀门、压力缓冲器和快速接头等。计量系统包含气体流量计、温度计、压力计、气体电动控制阀、电流表和电压表等。
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| 图 2 管路与计量系统 Fig.2 Pipeline and metering system |
安全保护：用管线将环空出气引至放空系统，并安装气体流量传感器和压力传感器。温度传感器等信号通过安装在控制柜内的PLC转化后，可以实现对系统的保护控制，一旦设备出现异常，PLC可以关停机组电源。
该系统的功能：流量计量，控制所需流量和压力，对压力值进行校正，28 MPa时泄压保护。
2.4 仪表控制系统电气仪表系统主要由电源开关柜和电控柜组成，实现整个测试系统的供电、电气保护以及相关参数的测量和显示。电气仪表系统流程见图 3。
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| 图 3 电气仪表系统流程图 Fig.3 Flowchart of electric instrument system |
2.5 数据采集及处理系统
数据采集及处理系统包含压力传感器、数据采集计算机及配套软件。将显示仪表集成在操作台上，在测试过程中可以对功能部件进行控制，实时显示需要采集的参数。该试验系统不仅可在仪表或传感器装置上读数，还可将数据传送至电脑上进行显示。
采集系统包括数据采集所用的各种传感器、信号转换模块、信号传输模块、线性电源、机柜、数显仪表、采集板卡、计算机、采集软件、各种开关和电缆等。
数据采集及处理系统的功能：①实现全部测量过程的自动控制和提示；②实现压力、流量、温度及距离等参数的自动采集和处理；③实现各种交绘图版和报告。
2.6 放空系统试验后所用气体会产生高压，为了对使用气体进行合理排放，减小噪声对周围环境的影响，设置了放空系统。放空系统包括放空阀和放空管线，可以通过打开放空阀门使气体进入放空管线，直接排入大气。
噪声在金属管道中向下游传播时，会随着传播距离的增加而逐渐衰减。其衰减程度可用式(1)进行估算[12]：
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(1) |
式中：Lp(x, r)代表距管道中心轴线距离为r，沿管道走向距噪声源的距离为x处的声压位准，dB；Lp (1, r)代表距管道中心轴线距离为r，沿管道走向距噪声源的距离为1 m处的声压位准，dB；D为管子外径，m；β为衰减系数，dB。
对于输送气体的管道，衰减系数为0.060 dB；对于输送液体的管道，衰减系数为0.017 dB。由此可知，对于一定直径的管道，通过控制管道的长度可以将噪声控制在最低程度。但只有在管道足够长，即管道长度超过3D/β时，才考虑噪声衰减问题。因此，在设计放空系统时放空管线长度远超3D/β，这样可以最大程度降低噪声强度，减小噪声对环境的影响。
2.7 试验装置指标和主要参数井下高压气举阀性能测试系统主要参数：电压220 V，压力0~35 MPa，标况下流量为10万m3/d；测量精度0.5~1.5级。经试验测试，所有装置均可满足压力25 MPa、排量10万m3/d的工作要求。试验装置配套如表 1所示。
| 名称 | 规格及参数 | 单位 | 数量 |
| 气源系统 | 耐压35 MPa，排量14.4万m3/d | 套 | 1 |
| 测试装置 | 适用于外径25.4 mm(1 in)压力35 MPa | 套 | 1 |
| 放空装置 | 标况下大于10万m3/d | 套 | 1 |
| 调压控制阀 | 耐压35 MPa，DN50 | 个 | 1 |
| 流量计 | 流量5~5 000 m3/h，耐压35 MPa | 台 | 1 |
| 温度传感器 | 最高耐温125 ℃，精度0.5级 | 个 | 2 |
| 压力传感器 | 测量范围0~40 MPa，精度0.5级 | 个 | 2 |
| 入口控制阀 | 耐压35 MPa，DN50 | 个 | 2 |
| 出口控制阀 | 耐压35 MPa，DN80 | 个 | 2 |
| 管线控制阀 | 耐压3 5MPa，DN25 | 个 | 3 |
| 放空阀 | 耐压35 MPa，DN10 | 个 | 3 |
| 平衡控制阀 | 耐压35 MPa，DN25 | 个 | 1 |
| 数据采集系统 | 套 | 1 | |
| 自动化综合控制系统 | 套 | 1 | |
3 试验情况 3.1 阀杆行程试验
对直径d为8、9、10和11 mm的4种阀杆进行还原压力试验，充气压力从2 MPa增加到9 MPa，每次增加1 MPa。记录还原压力并记录对应阀杆行程，优选出合适直径的阀杆。4种直径阀杆行程试验结果如表 2~表 5所示。
| 充气压力/MPa | 阀杆行程/mm | 还原压力/MPa | 增压比 |
| 2 | 0.7 | 2.6 | 1.30 |
| 3 | 2.2 | 4.8 | 1.60 |
| 4 | 2.2 | 6.6 | 1.65 |
| 5 | 2.2 | 8.2 | 1.64 |
| 6 | 2.2 | 10.2 | 1.70 |
| 7 | 2.2 | 12.4 | 1.77 |
| 8 | 2.2 | 14.0 | 1.75 |
| 9 | 2.2 | 16.2 | 1.80 |
| 充气压力/MPa | 阀杆行程/mm | 还原压力/MPa | 增压比 |
| 2 | 1.2 | 2.8 | 1.40 |
| 3 | 2.2 | 4.8 | 1.60 |
| 4 | 2.2 | 7.0 | 1.75 |
| 5 | 2.2 | 8.4 | 1.68 |
| 6 | 2.2 | 10.6 | 1.77 |
| 7 | 2.2 | 12.8 | 1.83 |
| 8 | 2.2 | 15.8 | 1.98 |
| 9 | 2.2 | 16.8 | 1.87 |
| 充气压力/MPa | 阀杆行程/mm | 还原压力/MPa | 增压比 |
| 2 | 1.0 | 3.0 | 1.50 |
| 3 | 2.1 | 5.6 | 1.87 |
| 4 | 2.1 | 8.0 | 2.00 |
| 5 | 2.1 | 9.6 | 1.92 |
| 6 | 2.1 | 12.2 | 2.03 |
| 7 | 2.1 | 14.0 | 2.00 |
| 8 | 2.1 | 16.0 | 2.00 |
| 9 | 2.1 | 18.2 | 2.01 |
| 充气压力/MPa | 阀杆行程/mm | 还原压力/MPa | 增压比 |
| 2 | 1.0 | 3.80 | 1.90 |
| 3 | 2.0 | 6.20 | 2.07 |
| 4 | 2.2 | 9.00 | 2.25 |
| 5 | 2.2 | 11.20 | 2.24 |
| 6 | 2.2 | 13.40 | 2.23 |
| 7 | 2.2 | 12.40 | 2.31 |
| 8 | 2.2 | 17.40 | 2.32 |
| 9 | 2.2 | 21.06 | 2.34 |
根据上面4组数据绘制充气压力与还原压力关系曲线，如图 4所示。不同阀杆直径与增压比关系曲线如图 5所示。
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| 图 4 充气压力与还原压力的关系曲线 Fig.4 Relationship between inflation pressure and reduced pressure |
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| 图 5 不同阀杆直径与增压比的关系曲线 Fig.5 Relationship between valve stem diameters and boost ratio |
根据图 4回归曲线方程计算得到25 MPa还原压力下，直径8、9、10和11 mm的阀杆对应波纹管充气压力分别为13.67、12.86、12.15和11.18 MPa。由此得到还原压力25 MPa时对应波纹管内外压差分别为11.33、12.14、12.85和13.82 MPa。由于波纹管能承受内外压力差极限为15 MPa，所以阀杆直径选取9和10 mm较合适，如果还原压力需进一步提升，则阀杆应选取小直径。根据图 5的回归曲线得到：阀杆直径越大，增压比越大，但随着阀杆直径的进一步增大，增压比的增长趋势逐渐变缓，因此应选取合适的阀杆直径。采用图 4的优选结果，选取直径9和10 mm的阀杆。
3.2 打开压力试验 3.2.1 常温下打开压力试制加工高压气举阀，其阀球和阀座密封直径为9 mm，对气举阀预充压1.5 MPa，将气举阀放入气举工装，通过空气压缩机连续充压，记录开启时压力；对气举阀分别充压2.5、3.0、4.5、5.5、6.0、7.0、8.0、9.0、13.0和14.5 MPa，记录开启时压力。试验结果如图 6所示。
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| 图 6 不同预充压力下气举阀打开压力 Fig.6 Gas lift valve opening pressure under different pre-charge pressures |
从图 6可以得到：气举阀预充压力对打开压力有一定比例的放大作用，放大倍数为1.891 6；预充压力与打开压力呈正相关关系，线性相关性为0.997 3，预充压力越大，打开压力越大；当预充压力为14.5 MPa时，高压气举阀打开压力达到26.1 MPa，达到高压工作状态。
3.2.2 加热条件下打开压力为了研究温度对打开压力的影响，采用加热的方式改变气举阀及气举阀内气体温度。将气举阀预充气，预充压力为2.5 MPa，加热器设置温度40 ℃，使用空气压缩机连续充压，流量示数突然增大时记录入口压力。分别将温度设置成60和90 ℃，重复上述步骤。将预充气压力提升到3.6、5.8 MPa，重复40、60和90 ℃等3种温度下打开压力试验，记录流量示数突然增大时入口压力。
通过对预充压力p为2.5、3.6和5.8 MPa的气举阀进行加热，得到3组数据，根据3组数据绘制打开压力与温度的关系曲线，如图 7所示。由图 7可以得到：打开压力与温度呈线性正相关关系，随加热温度的升高打开压力逐渐增大；预充压力越大，打开压力受温度的影响越大；当预充压力为2.5、3.6和5.8 MPa时，温度每升高1 ℃，打开压力分别增加0.016 8、0.017 2和0.051 9 MPa。因此，在使用气举阀时需要考虑温度的影响。
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| 图 7 不同预充压力下打开压力与温度的关系曲线 Fig.7 Relationship between opening pressure and temperature under different pre-charge pressures |
4 结论
(1) 阀杆作为气举阀内的增压机构，其直径越大，增压比越大，但随着阀杆直径的进一步增大，增压比的增长趋势逐渐变缓，因此应选取合适的阀杆直径与阀球阀座配套使用。
(2) 气举阀预充压力对打开压力有一定比例的放大作用，且与打开压力呈线性正相关关系，即预充压力越大，打开压力越大，在预充压力达到一定值时必须使用高压设备才能满足生产要求。
(3) 加热温度与打开压力呈线性正相关关系，温度越高，打开压力越大，在使用气举阀过程中需要考虑井筒温度的影响。
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