Газлифтные клапаны

Современная технология эксплуатации 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.

Рисунок 84. Принципиальная схема пружинного клапана

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.

Пружинный дифференциальный клапан (рис. 84) 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  падает, а остается постоянным. Возникай сила, стремящаяся преодолеть натяжение пружины  и закрыть клапан. Если — площадь сечения нижнего штуцера, — давление внутри клапана (потерями на трение пренебрегаем), а — давление, действующее на нижний клапан, то условие закрытия клапана запишется как

 или

                                                                                            (1)

 где— такая разность давлений, при которой преодолевается сила пружины  и клапан закрывается (закрывающий перепад). После закрытия верхняя головка прижмется к штуцеру 1, площадь которого  намного большеПри закрытии давление в клапане ниже штуцера 1 станет равным  Оно будет действовать на большую площадь верхнего штуцера  и клапан будет надежно удерживаться в закрытом состоянии при условии

                                                                (2)

Поскольку  то согласно (2) клапан будет оставаться закрытым даже при малом перепаде давленийПри уменьшении разницы  до определенного минимума пружина преодолеет силу  и клапан откроется. Эта разница давлений называется открывающим перепадом. Таким образом, открытие клапана произойдет при условии

                                                                                 (3)

Сопоставляя (1) и (2) и учитывая, что можно видеть, что . Величины  можно регулировать, изменяя натяжение пружины регулировочной гайкой 6, а также изменением сечения 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. 85). К моменту закрытия клапана и отсечки газа уровень жидкости в межтрубном пространстве обнажает следующий клапан, который вступает в действие вместо закрытого предыдущего.

Сильфонные клапаны бывают двух типов:

работающие от давления в межтрубном  пространстве

работающие от давления в НКТ .

Сильфонный клапан, управляемый давлением  (рис. 86), состоит из сильфонной камеры 1, заряженной азотом на давления  Эффективная площадь сечения сильфона  На штоке 2 имеется клапан 3, сечение седла которого  Через штуцерное отверстие 4 газ поступает из межтрубного пространства через клапан в НКТ.

При закрытом клапане давление в нем будет действовать на площадь сильфона  за вычетом площади клапана

Рисунок 85. Зависимость расхода газа через клапан от перепада давлений

Рисунок 86. Принципиальная схема клапана, управляемого давлением в межтрубном пространстве

Со стороны НКТ на площадь  будет действовать давлениеОбе эти силы будут стремиться открыть клапан. Препятствовать открытию будет давление газа в сильфоне  действующее на площадь . Открытие клапана произойдет, если

Давление, при  котором откроется клапан, будет равно

или

Деля числитель и знаменатель справа на и обозначая получим

                                                                           (4)

Это   будет  давление   в   межтрубном   пространстве,   при   котором клапан откроется.

Решая   (4)   относительно  — давления   зарядки   сильфона, найдем

                                                   (5)

Это   будет давление,   которое  необходимо  создать  в  сильфонной камере при ее зарядке на  поверхности при задание давлении   в   межтрубном   пространстве  для   открытия   клапана

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

Откуда видно, что

Тогда   разница   открывающего   и  закрывающего  перепадов будет равна

После подстановки в  (5)  значения  согласно найдем  (4)

или

                                                                         (6)

Из  (6) видно, что  является важной величиной, определяющей характеристику клапана.

Обычно диаметр седла клапана колеблется в пределах от 3 до 12 мм, a R от 0,08 до 0,5. Однако действительная величина R из-за неучета сил трения газа в клапане меньше расчетной, определяемой формулой (6). 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.

Принципиальная схема клапана, чувствительного к изменениям давления  в  трубах,  показана  на  рис. 87. В  нем  на сильфон всегда   действует давление  устанавливающееся трубах. При накоплении жидкости в НКТ и соответствующем увеличении давления сопротивление сильфона  преодолевается, и  клапан  открывается,  впуская  газ  в  НКТ   из   межтрубного пространства.  После открытия давление будет действовать на  всю площадь сильфона  При снижении давления в трубах  до  некоторой  величины  клапан   закроется,  так  как  сила, действующая  со стороны сильфона,  станет больше,  чем  сила, действующая   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.

Рисунок 87. Принципиальная схема клапана, управляемого давлением в трубах