Геологические процессы и документы

Рис. 9.10. Принципиальная схема клапана, управляемого давлением в межтрубном пространстве

 

При закрытом клапане  давление Рк  в нем будет действовать  на площадь сильфона fс за вычетом  площади клапана fк. Со стороны НКТ  на площадь fк будет действовать  давление Рт. Обе эти силы будут стремиться открыть клапан. Препятствовать открытию будет давление газа в сильфоне Рс, действующее на площадь fc. Открытие клапана произойдет, если

Давление, при котором  откроется клапан, будет равно 

или

Деля числитель и  знаменатель справа на fс и обозначая fк / fс =R, получим

Это будет давление в  межтрубном пространстве, при котором  клапан откроется. Решая (9.38) относительно Рс - давления зарядки сильфона, найдем

Это будет давление, которое  необходимо создать в сильфонной камере при ее зарядке на поверхности при заданном давлении в межтрубном пространстве для открытия клапана (Рк)от.

После открытия клапана  давление внутри клапана будет действовать  на всю площадь сильфона, поэтому  будет справедливо равенство  сил

Непосредственно перед закрытием клапана в нем под сильфоном должно быть давление закрытия (Ра)зак

Откуда видно, что (Рк)зак = Рс.

Тогда разница открывающего и закрывающего перепадов будет  равна

После подстановки в (9.40) значения Рс согласно (9.39) найдем

или

Из (9.41) видно, что R = fк / fс  является важной величиной, определяющей характеристику клапана.

Обычно диаметр седла  клапана колеблется в пределах от 3 до 12 мм, а R от 0,08 до 0,5. Однако действительная величина R из-за неучета сил трения газа в клапане меньше расчетной, определяемой формулой (9.41). Это означает, что эффективное значение R меньше действительного. Уменьшение составляет ~ 6 - 7 %. Таким образом, изменением давления в межтрубном пространстве можно управлять работой клапана, т.е. открывать его или закрывать.

Рис. 9.11. Принципиальная схема клапана, управляемого давлением  в трубах

 

Принципиальная схема  клапана, чувствительного к изменениям давления в трубах, показана на рис. 9.11. В нем на сильфон  всегда действует  давление Рт, устанавливающееся в трубах. При накопленни жидкости в НКТ и соответствующем увеличении давления сопротивление сильфона преодолевается, и клапан открывается, впуская газ в НКТ из мсжтрубного пространства. После открытия давление Рт, будет действовать на всю площадь сильфона fс. При снижении давления в трубах до некоторой величины клапан закроется, так как сила, действующая со стороны сильфона, станет больше, чем сила, дсйствующая со стороны камеры клапана. Комбинированные клапаны имеют в дополнение к сильфону цилиндрическую пружину, которая воспринимает на себя часть нагрузки. Это позволяет делать сильфон более чувствительным к изменениям давления, действующего на него при прямом и обратном ходе.

Рис. 9.12. Газлифтный клапан для наружного крепления, управляемый  давлением в НКТ:

1 - ниппель дли зарядки  сильфоонной камеры азотом, 2 - сильфонная  камера, 3 - сильфон,

4 -центрирующий шток, 5 - шток клапана, б - клапан, 7 - штуцерное  отверстие для

поступления газа в НКТ, 8, 9 - каналы, по которым газ поступает  в НКТ

 

Клапаны этого типа могут применяться при периодической  газлифтной эксплуатации. После выброса жидкости клапан  закроется и откроется вновь только при накоплении жидкости  в НКТ до определенной величины. Газлифтные клапаны в  зависимости от конструкции укрепляются на колонне НКТ либо снаружи, либо внутри в специальных камерах, имеющих эллиптическое сечение. При наружном креплении клапанов для их замены при поломке или при необходимости изменения регулировки из скважины извлекают всю колонну труб. При креплении клапанов в эллиптических камерах внутри НКТ они извлекаются с помощью специальной, так называемой канатной техники, а колонна труб остается и скважине.

Газлифтные клапаны  и особенно его рабочие органы изготавливаются из специальных  сталей и сплавов, стойких к действию коррозии и износу. Для того чтобы можно было осуществлять при необходимости промывку скважины, оборудованной газлифтными клапанами, последние снабжаются дополнительным узлом, выполняющим роль обратного клапана. При создании давления внутри НКТ обратный клапан закрывается, и поток промывочной жидкости идет не через газлифтный клапан, а через башмак колонны труб. Газлифтные клапаны, несмотря на их кажущуюся простоту, как это может показаться, если рассматривать их принципиальные схемы, в действительности являются сложными приборами, для изготовления которых нужна совершенная технология и высокая точность производства. Конструкция газлифтного клапана, управляемого давлением в трубах, показана в качестве примера на рис. 9.12. Клапан предназначен для крепления снаружи НКТ. Принципиальная схема такого клапана была показана на рис. 9.11. Такой газлифтный клапан комплектуется обратным клапаном, привинченным к нижнему концу.

9.6. Принципы размещения  клапанов

Пусковые клапаны должны обладать большим закрывающим перепадом давлений, чтобы закрыться тогда, когда оттесняемый уровень жидкости достигнет следующего клапана и даст доступ газу через второй клапан. В такой последовательности клапаны работают до тех пор, пока уровень жидкости не достигнет башмака НКТ или рабочего клапана. После этого скважина переходит на нормальный режим работы, а давление газа становится равным рабочему давлению. При больших закрывающих перепадах число клапанов на колонне труб будет наименьшим. При последовательной работе пусковых клапанов с некоторого момента времени начинается приток жидкости из скважины, и это вносит изменения в порядок расчета их размещения. Очевидно, что при условии Рс > Рп притока жидкости из пласта в скважину не будет, и расчет размещения клапанов ведется без его учета. При условии Рс < Рп начнется приток, что необходимо учитывать. Глубина уровня жидкости в межтрубном пространстве, при котором можно не учитывать приток, так как давление на забое скважины будет оставаться больше пластового, определится как сумма глубины статического уровня Sс и давления газа в межтрубном пространстве, выраженного в м столба жидкости,

где Рк - давление газа в  межтрубном пространстве на уровне жидкости.

При

начнется приток, который  необходимо учитывать при расчете  размещения клапанов.

Ранее было показано, что  первое пусковое отверстие необходимо делать на глубине L1, которая определяется формулой (9.30), с учетом (9.29). Однако пусковые клапаны необходимо устанавливать  на 15 - 20 м выше расчетной величины. Это создает начальный перепад давления у клапана, равный а = 15 -  20 м столба жидкости, и ускоряет прохождение газа через клапан в начальный момент времени. При установке клапана точно на глубине L1 давления по обе стороны его будут одинаковыми и движения газа через клапан не будет. С учетом сказанного формула для определения глубины установки первого клапана будет

где Рк1 - давление газа на уровне первого клапана.

Если перелив жидкости происходит раньше, чем газ в межтрубном пространстве достигнет глубины  установки первого клапана, определяемой формулой (9.44), то первый клапан необходимо установить на глубине L1', которая определится из равенства давления в межтрубном пространстве Рк и гидростатического давления негазированного столба жидкости в НКТ высотой от уровня жидкости до устья с учетом давления на устье Ру и смещения клапана вверх на 20 м:

откуда

Место установки второго  клапана определится из равенства  давлений в межтрубном пространстве Рк2 на глубине установки второго  клапана и давления в НКТ на той же глубине с учетом негазированного столба жидкости в НКТ между первым и вторым клапанами и давлением в НКТ на уровне первого клапана после выброса жидкости Рт. Аналогично случаю размещения пусковых отверстий [формула (9.31)] для равенства давлений будем иметь следующее соотношение:

где Рк2 - давление газа в  межтрубном пространстве на уровне второго  клапана; Рт1- давление в НКТ на уровне первого клапана после выброса  жидкости; х2 - расстояние между первым и вторым клапанами (негазированный столб жидкости); 20м - поправка на смещение клапана для создания начального перепада давлений.

Давление Рт1 включает противодавление на устье Ру и  определястся либо по кривым распределения  давления Р(х) в НКТ, либо по формулам, описывающим работу газожидкостного  подъемника на режиме нулевой подачи, либо по среднему градиенту давления в НКТ при работе газлифта через первый клапан.

Решая (9.46) относительно х2 и зная глубину установки первого  клапана L1 [формулы (9.45) или (9.44)], получим

или

По аналогии можно  написать общую формулу для глубины установки i-го клапана

Формула (9.48) справедлива  для расчета глубины установки  клапанов независимо от того, есть или  нет приток жидкости. Все различие расчета заключается в методе определения величины Ртi. Если при  Рс > Рп, т. е. при отсутствии притока,  Ртi желательно определять по нулевому дебиту, так как такой подход позволит определить наименьшее число клапанов, то при  Рс > Рп, т. е. при наличии притока,  Ртi надо определять с учетом притока. При наличии кривой Р(х) распределения давления в НКТ при нормальной работе лифта величины Ртi могут быть сняты с этой кривой.

Существует также графический  метод определения мест установки  клапанов. При этом делаются предположения, что давления в НКТ на уровне клананов не падают ниже величины, соответствующей нормальной работе скважины; расход газа через клапан равен расходу газа в подъемнике при нормальной его работе; закон распределения давления в НКТ - линейный; давления у башмака Рб и на устье Ру при нормальной работе лифта известны.

При линейном законе распределения давление на глубине х в НКТ равно

Для определения Li по формуле (9.48) величина Рт(i-1) с учетом (9.49) находится  так:

Таким образом, по (9.50) определяется давление внутри НКТ на уровне предыдущего  клапана Рт(i-1), а затем по формуле (9.48) глубина установки последующего клапана. Расчет прекращается, когда Li+1 > L, где L - длина спущенных труб или расстояние от устья до точки ввода газа в НКТ при нормальной работе скважин. Такой точкой может быть место установки концевого рабочего клапана или рабочего отверстия в однорядном лифте.

Графический метод расчета  размещения пусковых клапанов нагляднее  и проще (рис. 9.13). Для его использования  необходимо иметь кривые распределения  давления Р(х) в НКТ при нормальной работе газлифта (кривая 1), изменения давления газа в межтрубном пространстве (кривая 2) и изменения температуры (кривая 3).

Рис. 9.13. Графический метод  размещения пусковых клапанов

 

Если при пуске скважины происходит перелив жидкости - из точки  Ру проводится линия 4 изменения гидростатического давления столба негазированной жидкости в НКТ до пересечения с линией давления газа 2 (точка а). Наклон этой линии зависит от плотности негазированной нефти и определяется простым уравнением (трением за малостью пренебрегаем)

где Рх - гидростатическое давление на глубине х, откладываемой по оси ординат. Ордината точки а определяет глубину установки первого клапана L1, так как при этом гидростатическос давление жидкости в НКТ равно давлению газа в межтрубном пространстве. Пересечение горизонтали, проведенной из точки а, с линией 1 даст давление в НКТ Рт1 на уровне первого клапана после разгазирования и выброса жидкости из НКТ на участке L1 тем количеством газа, которое равно расчетному для нормальной работы газлифта через башмак. Первый клапан на глубине L1 должен быть рассчитан на пропуск именно такого количества газа. После достижения в НКТ давления Рт1 вследствие нарушения равновесия уровень жидкости в межтрубном пространстве понизится до восстановления равенства давления в НКТ и межтрубном пространстве. Этому состоянию равновесия соответствует точка б. Эта точка находится проведением линии 5, параллельной линии 4, от точки Рт1 на линии 1 до пересечения с линией 2, соответствующей изменению давления газа в межтрубном пространстве. Линия 5 является изменением гидростатического давления негазированной жидкости в НКТ между первым и вторым клапанами. Точка б соответствует равенству давлений в НКТ и межтрубном пространстве. Горизонтальная линия, проведенная через точку б до пересечения с осью ординат, даст глубину установки второго клапана L2, а ее пересечение с линией 1 - давление Рт2 в НКТ после выброса жидкости из НКТ на участке L2 - L1. Далее из точки Рт2, проводится линия 6, параллельная линиям 5 и 4, до пересечения с линией 2. Получаем точку в - глубину L3 установки третьего клапана. Указанный порядок графических построений продолжается до тех пор, пока глубина установки (i+1)- го клапана Li+1 не станет больше длины НКТ L. Из рис. 9.13 видно, что для данного случая необходимо установить пять пусковых клапанов на глубинах L1; L2; L3; L4; L5. Шестой клапан будет уже ниже башмака труб, находящегося на глубине L.

Пересечение горизонтальных линий с температурной кривой Т(х) определит рабочие температуры  пусковых клапанов на глубинах их установки. Эти температуры должны быть учтены при регулировке пусковых клапанов на поверхности и зарядке их сильфонных камер. Для уменьшения числа пусконых клапанов применяется повышенное давление газа (рис. 9.13, линия 2). Как видно, линия имеет небольшой наклон, учитывающий увеличение давления газа с глубиной за счет собственного веса. Линия 2 для газа строится по известной барометрической формуле

где ρо - плотность газа при стандарных условиях; g - ускорение  силы тяжести; Тср, zср - средние абсолютная температура в скважине и коэффициент сжимаемости соответственно;

Рк - давление в межтрубном пространстве на устье скважины (абсолютное); Р(х) - давление на глубине х (абсолютное),

Распределение давления газа Р(х) можно рассчитать по упрощенной формуле через параметры на устье скважины, а именно

Так как (9.53) - уравнение  прямой, то достаточно вычислить давления Р, задавшись одним  значением  х. Полученную точку нанести на график и соединить ее прямой с точкой, соответствующей давлению на устье  Рк. Температурная линия 3 строится путем соединения прямой линией пластовой температуры Тп и температуры на устье Ту. После того как газ достигнет башмака НКТ и начнется его поступление через башмак, давление в межтрубном пространстве может быть снижено до рабочего Рр, которое определяется нормальным режимом работы газлифтной скважины, характеризуемым расчетной линией распределения давления в НКТ 1. При нормальной работе газлифта черед башмак давления в НКТ и межтрубном пространстве на уровне башмака практически равны (рис. 9.13. точка с). Проводя линию 7, параллельную линии 2, до пересечения с горизонтальной линией на устье скважины, получим рабочее давление на устье Рр. Из принципов работы пусковых клапанов следует, что первый клапан закрывается при вступлении в работу второго, второй - при вступлении в работу третьего и т. д.  Процесс разгазирования столба жидкости на участке L1, газом, поступающим через первый клапан, характеризуется перемещением точки Рт1 (по горизонтальной линии от точки а влево к линии 1, пока давление в НКТ не снизится до Рт1. К этому времени уровень жидкости обнажает второй клапан, через который газ начинает поступать в НКТ на глубине L2. Верхний клапан должен закрыться. Следовательно, закрывающий перепад первого клапана должен равняться расстоянию между точками а и Рт1 в соответствующем масштабе. Аналогично, для второго клапана закрывающий перепад будет равен расстоянию между точками б и Рт2 и т. д. Все клапаны должны быть отрегулированы на эти открываюшие перепады созданием соответствующих натяжения пружины или давления в сильфонных камерах при их зарядке на поверхности в специальной испытательной установке, с учетом температуры на глубине их установки (Т1, Т2 и т. д.).