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 Р_с > Р_п притока жидкости из пласта в скважину не будет, и расчет размещения клапанов ведется без его учета. При условии Р_с < Р_п 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 S_с и давления газа в межтрубном пространстве, выраженного в м столба жидкости,

где Р_к - 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 Р_к1 - 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 Р_к и гидростатического давления негазированного столба жидкости в НКТ высотой от уровня жидкости до устья с учетом давления на устье Р_у и смещения клапана вверх на 20 м:

откуда

Место установки второго клапана определится из равенства давлений в межтрубном пространстве Р_к2 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 Р_к2 - 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 Р_у 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 Р_с > Р_п, 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 Р_б 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.).

До сих пор были наложены основные принципы размещения пусковых клапанов, которые не учитывают гидравлических потерь в самих клапанах при прохождении через них газа. Эти потери зависят от конструкции клапанов, сечения проточных каналов (отверстий штуцеров) и расхода газа. Для определения потерь на испытательных стендах снимаются характеристики пропускной способности клапанов и зависимости от перепада давления до и после клапана, а также регулируются их закрывающие и

Рис. 9.14. Графический метод размещения пусковых клапанов с учетом поправок на открывающий

и закрывающий перепад давлений: 1 - Р (х) в НКТ - при нормальной работе газлифта; 2 - Р (х) в

межтрубном пространстве (давление газа); 3 - распределение гидростатического давления при

переливе; 4 - распределение гидростатического давления в НКТ между 1 и 2 клапанами

открывающие перепады. Кроме того, для инициирования прохождения газа через клапан необходимо создавать начальный перепад давления примерно в 20 м столба жидкости аналогичному тому, как это делается при размещении пусковых отверстий. Изложенная методика расчета размещения позволяет определить минимально необходимое число клапанов при данном пусковом давлении рк. Если увеличить рк (см. рис. 9.13), что соответствует смещению линии 2 вправо, то число ступеней между линиями 1 и 2 уменьшится, а следовательно, уменьшится число необходимых клапанов. Однако для уверенного пуска газлифта число клапанов берется с некоторым запасом. Это означает, что закрытие, например, верхнего (первого) клапана происходит не при выходе на нормальный режим (точка Рт1 рис. 9.13), а несколько раньше, т. е. при давлении в НКТ, несколько большем, чем Рт1. Для уяснения этих деталей рассмотрим размещение первого клапана (рис. 9.14). Точка Рк1 определяет равенство давлений в НКТ и в межтрубном пространстве. Для создания инициирующего перепада клапан надо установить на такой глубине, чтобы давление за ним Р'к1 было бы меньше Рк1. Этот начальный перепад будет определяться расстоянием по горизонтали между точками б и Р'к1. Если задается перепад в 20 м столба жидкости, то необходимо эту величину отложить в единицах давления на горизонтальной линии а - б, начиная от точки б. Глубина установки первого клапана с учетом упомянутой поправки будет уже не на L₁, как прежде, a L^'₁, т. е. несколько меньшая.

Для гарантирования пуска расчетное давление в НКТ на уровне первого клапана L'₁ несколько увеличивают. С этой целью закрывающий перепад первого клапана ΔР₁ = Рк₁ - Рт₁, полученный ранее, уменьшают примерно на 10 % и откладывают его в масштабе по горизонтальной линии а - б, начиная с точки а, и получают точку Р'т1, - давление в НКТ, при котором должен закрыться первый клапан, установленный на глубине L₁. Положение второго клапана определяют проведением прямой 4, параллельной линии 3. Но в отличие от предыдущего эта новая линия 4 начинается в точке Р'т1, а не в точке Рт1, как раньше. Пересечение линии 4 с линией давления газа даст точку Р'к2, обеспечивающую начальный перепад давления в 20 м столба жидкости на уровне второго клапана, и определит глубину его установки L'₂. Аналогично продолжается определение глубин установки и других клапанов. Очевидно, что с учетом этих поправок число клапанов увеличится, но увеличится и надежность системы. Учет этих поправок вносит изменения и в закрывающие перепады. Для первого клапана закрывающий перепад ΔΠз₁ будет равен расстоянию от точки б до точки Р'т1. Для второго клапана ΔΠз₂ - расстояние от точки в до точки Р'т2 и т. д.

Здесь не рассмотрен случай, когда при пуске газлифтной скважины перелива не происходит и вся жидкость остается в НКТ. В этом случае уровень в НКТ не доходит до устья на некоторую величину, которую можно определить из формулы пускового давления (9.20). Если на устье скважины при ее пуске существует давление Ру, то формула (9.20) несколько изменится. К давлению пуска прибавится противодавление на устье Ру, которое надо преодолеть. С учетом этого формула для пускового давления (9.20) примет вид

где h - погружение башмака под статический уровень. Подставляя вместо Рпус давление в межтрубном пространстве Рк, и решая (9.54) относительно h, получим возможное понижение уровня жидкости в межтрубном пространстве:

Таким образом, h есть понижение уровня, отсчитанное от статического в межтрубном пространстве, когда на него действует давление газа Рк, а в НКТ имеется противодавление Ру. Давление в межтрубном пространстве Рк уравновешивается столбом жидкости в НКТ высотой х и противодавлением на устье Ру. Из равенства этих давлений получим

Откуда

Здесь величина x отсчитывается от уровня жидкости в межтрубном пространстве, оттесненного от статического на величину h. Тогда расстояние S этого уровня жидкости в НКТ от устья будет равно

Подставляя в (9.58) значение h согласно (9.55) и значение х согласно (9.57), получим

или после преобразований

Таким образом, если S > 0, т. e. уровень в НКТ ниже устья, то построение линии 3 должно начинаться из точки с координатами Ру и S, а не из точки Ру, 0, как это показано на рис. 9.13 и 9.14. В остальном графические построения остаются прежними.