Тема 5: Газлифтные клапаны

Современная технология зксплуатации газлифтных скважин неразрывно связана с широким использованием глубинных клапанов специальной конструкции, с помощью которых устанавливается или прекращается связь между трубами и межтрубным пространством и регулируется поступление газа в НКТ. В настоящее время существует большое число глубинных клапанов разнообразных конструкций.

Все клапаны по своему назначению можно разделить на три группы.

1. Пусковые клапаны для пуска газлифтных скважин и их освоения.

2. Рабочие клапаны для непрерывной или периодической работы газлифтных скважин, оптимизации режима их работы при изменяющихся условиях в скважине путем ступенчатого изменения места ввода газа в НКТ. При периодической эксплуатации через эти клапаны происходит переток газа в НКТ в те моменты, когда над клапаном накопится столб жидкости определенной высоты и эти клапаны перекрывают подачу газа после выброса из НКТ жидкости на поверхность.

3. Концевые клапаны для поддержания уровня жидкости в межтрубном пространстве ниже клапана на некоторой глубине, что обеспечивает более равномерное поступление через клапан газа в НКТ и предотвращает пульсацию. Они устанавливаются вблизи башмака колонны труб.

По конструктивному исполнению газлифтные клапаны очень разнообразны. В качестве упругого элемента в них используется либо пружина (пружинные клапаны), либо сильфонная камера, в которую заблаговременно закачан азот до определенного давления (сильфонные клапаны). В этих клапанах упругим элементом является сжатый азот. Существуют комбинированные клапаны, в которых используются и пружина, и сильфон. По принципу действия большинство клапанов являются дифференциальными, т. е. открываются или закрываются в зависимости от перепада давлений в межтрубном пространстве и в НКТ на уровне клапана. Они используются как в качестве пусковых, так и в качестве рабочих. В отечественной практике нефтедобычи пружинные клапаны были разработаны (А. П. Крылов и Г. В. Исаков) и испытаны на нефтяных промыслах Баку.

Рис. 9.8. Принципиальная схема пружинного клапана

Пружинный дифференциальный клапан (рис. 9.8) укрепляется на внешней стороне НКТ. Он имеет основной 1 и вспомогательный 2 штуцера. Газ поступает через отверстия 3, число которых можно изменять. На обоих концах штока 4 имеются две клапанные головки, причем пружины, натяжение которых регулируется гайкой 6, держат шток прижатым к нижнему штуцеру 2. Таким образом, нормально клапан открыт. При его обнажении газ через отверстие 3 и штуцер 1 проникает в НКТ и газирует в них жидкость. В результате давление в НКТ Р_т падает, а Р_к остается постоянным. Возникает сила, стремящаяся преодолеть натяжение пружины Р_п и закрыть клапан. Если f₂ - площадь сечения нижнего штуцера, Р_т - давление внутри клапана (потерями на трение пренебрегаем), а Р_к - давление, действующее на нижний клапан, то условие закрытия клапана запишется как

или

где DР_зак = Р_к - Р_т - такая разность давлений, при которой преодолевается сила пружины F_п и клапан закрывается (закрывающий перепад). После закрытия верхняя головка прижмется к штуцеру 1, площадь которого f₁ намного больше f₂. При закрытии давление на клапане ниже штуцера 1 станет равным Р_к. Оно будет действовать на большую площадь верхнего штуцера f_1, и клапан будет надежно удерживаться в закрытом состоянии при условии

Поскольку f₁>> f₂, то согласно (9.36) клапан будет оставаться закрытым даже при малом перепаде давлений Р_к - Р_т. При уменьшении разницы Р_к - Р_т до определенного минимума пружина преодолеет силу f₁(Р_к - Р_т) и клапан откроется. Эта разница давлений называется открывающим перепадом. Таким образом, открытие клапана произойдет при условии

Сопоставляя (9.35) и (9.37) и учитывая, что f₁>> f₂, можно видеть, что DР_зак >> DР_от. Величины DР_зак и DР_от можно регулировать, изменяя натяжение пружины регулировочной гайкой 6, а также изменением сечения f₂ штуцера 2. Пропускная способность клапана по газу регулируется числом или размером отверстий 3. Важной характеристикой для клапана является зависимость его пропускной способности от перепада давлений на клапане (рис. 9.9). К моменту закрытия клапана и отсечки газа уровень жидкости в межтрубном пространстве обнажает следующий клапан, который вступает в действие вместо закрытого предыдущего.

Рис. 9.9. Зависимость расхода газа через клапан от перепада давлений

Сильфонные клапаны бывают двух типов:

- работающие от давления в межтрубном пространстве Р_к;

- работающие от давления в НКТ Р_т.

Сильфонный клапан, управляемый давлением Р_к, (рис. 9.10), состоит из сильфонной камеры 1, заряженной азотом до давления. Эффективная площадь сечения сильфона f_с. На штоке 2 имеется клапан 3, сечение седла которого f_к. Через штуцерное отверстие 4 газ поступает из межтрубного пространства через клапан в НКТ.

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

При закрытом клапане давление Р_к в нем будет действовать на площадь сильфона f_с за вычетом площади клапана f_к. Со стороны НКТ на площадь f_к будет действовать давление Р_т. Обе эти силы будут стремиться открыть клапан. Препятствовать открытию будет давление газа в сильфоне Р_с, действующее на площадь f_c. Открытие клапана произойдет, если

Давление, при котором откроется клапан, будет равно

или

Деля числитель и знаменатель справа на f_с и обозначая f_к / f_с =R, получим

Это будет давление в межтрубном пространстве, при котором клапан откроется. Решая (9.38) относительно Р_с - 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 (Р_к)_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 (Р_а)_зак

Откуда видно, что (Р_к)_зак = Р_с.

Тогда разница открывающего и закрывающего перепадов будет равна

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

или

Из (9.41) видно, что R = f_к / f_с 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 Р_т, 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 Р_т, будет действовать на всю площадь сильфона f_с. 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.