Общие принципы газлифтной эксплуатации

   В помещениях, где размещаются ГРБ, устанавливаются взрывобезопасное освещение и вентиляционные устройства. Кроме того, в нагнетаемый в  газлифтные скважины газ часто вводят различные ингибиторы или ПАВы для  борьбы с образованием стойких эмульсий и лучшего диспергирования газожидкостных смесей, которое снижает потери давления на относительное скольжение газа и повышает к. п. д. подъема. Обработка эмульсий ПАВами уменьшает их эффективную вязкость, что также приводит к повышению к.п.д. и снижению удельных расходов нагнетаемого газа. Вводить ингибиторы и ПАВы удобнее всего на ГРП, на которых для этих целей кроме ГРБ устанавливают специальные дозировочные насосы с регулируемой и очень малой подачей. При ГРП сооружают легкое помещение для хранения затаренных ПАВов и для приготовления их растворов в специальных емкостях. Из емкости дозировочные насосы раствор ПАВа подают индивидуально в газовую линию каждой скважины пропорционально расходу газа пли подаче скважин. В чисто нефтяные скважины растворы ПАВа не подаются. 
 

   5 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.

   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.  

   

   Рисунок 7 – Принципиальная схема пружинного клапана  

   Пружинный дифференциальный клапан (рис. 7) 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  

                                                   (3)

   

где ∆Р_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 f₁, и клапан будет надежно удерживаться в закрытом состоянии при условии  

                                                 (4)

   Поскольку f₁>> f₂, то согласно (4) 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  

                                                 (5)

   Сопоставляя (3) и (5) и учитывая, что f₁>> f₂, можно видеть, что ∆Р_зак >> ∆Р_от. Величины ∆Р_зак и ∆Р_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. 8). К моменту закрытия клапана и отсечки газа уровень жидкости в межтрубном пространстве обнажает следующий клапан, который вступает в действие вместо закрытого предыдущего.  

   

   Рисунок 8 – 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), 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.  

   

   Рисунок 9 – 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  

                                         (6)

   Это будет давление в межтрубном пространстве, при котором клапан откроется. Решая (6) относительно Р_с - давления зарядки сильфона, найдем  

                                       (7)

   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 (Ра)зак  

   

   Откуда  видно, что (Р_к)_зак = Р_с.

   Тогда разница открывающего и закрывающего перепадов будет равна  

                         (8)

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

                     (9)

   

   Из (9) 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). 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.  

   

   Рисунок 10 – Принципиальная схема клапана, управляемого давлением в трубах

   Принципиальная  схема клапана, чувствительного  к изменениям давления в трубах, показана на рис. 10. 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.  

   

   Рисунок 11 – 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. 11. Клапан предназначен для крепления снаружи НКТ. Принципиальная схема такого клапана была показана на рис. 10. Такой газлифтный клапан комплектуется обратным клапаном, привинченным к нижнему концу.  
 

   6 Пуск газлифтной скважины в эксплуатацию (пусковое давление)

   Эксплуатация  скважин не протекает бесперебойно. По различным причинам их приходится останавливать для ремонта и  вновь пускать в эксплуатацию. Пуск газлифтных скважин имеет некоторые  особенности, связанные с принципом  их работы. Рассмотрим пуск газлифтной скважины, оборудованной однорядным подъемником, работающим по кольцевой системе. Процесс пуска состоит в доведении закачиваемого газа до башмака подъемных труб, т. е. в отжатии газом уровня жидкости до башмака. Это означает, что объем жидкости в межтрубном пространстве V₁ должен быть вытеснен нагнетаемым газом.

   Вытесняемая жидкость перетекает в подъемные  трубы, в результате чего уровень  в них становится выше статического. Возникает репрессия на пласт, определяемая превышением столба жидкости Δh над статическим уровнем, под действием которой должно произойти частичное поглощение жидкости пластом.