Скважинная добыча нефти

(9.4)

Подставляя (9.4) в (9.3) и решая относительно, получим

(9.5)

В момент пуска газлифтной скважины, т. е. когда уровень жидкости в межтрубном пространстве будет оттеснен до башмака, давление газа, действующее па этот уровень, будет уравновешиваться гидростатическим давлением столба жидкости высотой h + Дh в подъемных трубах. Это и будет то максимальное давление газа, которое называется пусковым, необходимое для пуска газлифтной скважины. Таким образом,

. (9.6)

Подставляя в (9.6) значение Дh согласно (9.5) и вынося h за скобки, получим

. (9.7)

Это и будет формула для определения пускового давления. Повторяя аналогичный вывод для работы газлифтной скважины по центральной системе, обозначая при этом, как и прежде, fг - сечение трубы, куда закачивается газ, и fж - сечение, по которому поднимается жидкость (в этом случае межтрубное пространство), мы получим точно такую же формулу (9.7). Более того, для двухрядного подъемника, обозначая также fг - сечение того пространства, куда закачивается газ, а fж - сечение того пространства (или сумму тех межтрубных пространств), в которое перетекает жидкость, мы получим (формулу, совпадающую с формулой (9.7).

Таким образом, формула (9.7) является наиболее общей для определения пускового давления газлифтной скважины, оборудованной как однорядным, так и двухрядным подъемником, работающим как по кольцевой, так и по центральной системе.

Применительно к схеме, показанной на рис. 9.4, будем иметь

,

, (9.8)

где Dв - внутренний диаметр обсадной колонны; dн , dв - наружный и внутренний диаметры подъемных труб. Подставляя (9.8) в формулу (9.7), получим

(9.9)

Пренебрежем толщиной стенок труб, т. е. примем dн = dв = d и допустим, что б = 1 (поглощения нет - наиболее трудный с точки зрения пускового давления случай). После некоторых преобразований получим



(9.10)

Для того же однорядного подъемника, работающего по центральной системе, имеем

,

, (9.11)

После подстановки (9.11) в основную формулу (9.7) получим

. (9.12)

При указанных выше допущениях (б = 1, dн = dв = d)

. (9.13)

Для двухрядного лифта, работающего но кольцевой системе,

,

, (9.14)



где d1в, d1н - внутренний и наружный диаметры первого ряда труб (большего диаметра), d2в, d2н - то же, для второго ряда труб (малого диаметра).

При подстановке (9.14) в формулу (9.7) получим

. (9.15)

Пренебрегая толщинами стенок и считая, что d1н = d1в = d1 и d2н = d2в = d2, а также принимая б = 1, получим

. (9.16)

Для того же двухрядного подъемника, работающего по центральной системе, имеем

. (9.17)

. (9.18)

При допущениях б = 1, d1н = d1в = d1 и d2н = d2в = d2, получим



. (9.19)

Формула (9.19) совпадает с (9.13), так как пренебрежение толщиной стенок первого ряда труб при работе двухрядного подъемника по центральной системе равносильно их отсутствию.

Для наклонных скважин со средним зенитным углом кривизны в формула пускового давления получит поправку в виде множителя cos в, так как гидростатическое давление столба жидкости определяется его проекцией на вертикаль, т. е.

.

С учетом сказанного общая формула будет иметь вид

. (9.20)

Соответствующим образом преобразуются и формулы для всех частных случаев, т. е. все формулы (9.9, 9.10, 9.12, 9.13, 9.15, 9.16, 9.18, 9.19) приобретут множитель cosв. Пренебрежение толщиной стенок труб уменьшает пусковое давление приблизительно на 3 - 6 %.

При пуске газлифтной скважины возможны такие случаи, когда высота столба жидкости при продавке, равная h + Дh будет превышать общую длину колонн подъемных труб L. В этом случае жидкость будет переливаться на устье в систему нефтесбора, в которой может существовать давление Рл. В таком случае пусковое давление не может превышать гидростатическое давление столба жидкости в лифтовых трубах высотой, равной длине труб L, сложенное с давлением на устье Рл. С учетом среднего угла кривизны в это давление будет равно

. (9.21)

Таким образом, если вычисление пускового давления по обобщенной формуле (9.7) или по формулам для любого частного случая даст Рпуск > (Рпуск)max, то справедливо вычисление по формуле (9.21). Если результат получится обратный, т. е. Рпуск < (Рпуск)max, то справедливо вычисление по обобщенной формуле (9.7) или ее производным. Все полученные для пускового давления формулы дают его величину, приведенную к башмаку подъемных труб. Действительное пусковое давление на устье скважины будет меньше вычисленного на величину гидростатического (пренебрегая силами трения газа) давления газового столба в колонне. Учитывая кривизну скважины и определяя гидростатическое давление газового столба по плотности газа на устье, определим пусковое давление на устье следующим образом:

, (9.22)

, (9.23)

сг - плотность газа при термодинамических условиях в скважине. Из законов газового состояния имеем

, (9.24)



где со - плотность нагнетаемого газа при стандартных условиях (Ро, То); Тср - средняя температура в скважине; То - стандартная температура; zср - средний коэффициент сжимаемости газа для условий Тср и Рсp.

Подставляя (9.24) в (9.23) и далее в (9.22), получим для пускового давления на устье

, (9.25)

где Ро--абсолютное давление, а Рпуск предварительно определяется по обобщенной формуле (9.20) либо, в случае перелива, по формуле (9.21).

Таблица 9.1. Значения коэффициента т [формула (9.26)]

	Однорядный	подъемник	Двухрядный	подъемник
m	кольцевая	центральная	кольцевая	центральная
С учетом толщины стенки	8,49	1,1335	1,285	1,1535
трубы
Без учета толщины стенки	8,93	1,1261	1,308	1,1261
труб

Примечание. Данные приведены для наиболее употребительных диаметров Dв = 150,3 мм

d1н == 101,6 мм, d1в = 88,9 мм, d2н = 60,3 мм, d2в = 50,3 мм, причем б = 1.

Из приведенных формул видно, что пусковое давление зависит от погружения башмака под статический уровень жидкости, от соотношения диаметров труб и обсадной колонны, а также от системы работы лифта (кольцевая или центральная). Ранее было показано, что рабочее давление газлифтной скважины определяется только погружением под динамический уровень, которое всегда меньше погружения под статический уровень. Поэтому пусковое давление всегда больше рабочего. Это осложняет промысловое обустройство и технику эксплуатации газлифтных скважин, так как для их пуска необходимо иметь источник высокого давления газа в виде специального компрессора или газовой линии, рассчитанной на пусковое давление.

Любую формулу пускового давления можно представить в виде

(9.26)

где m - коэффициент, определяемый соотношениями диаметров труб с учетом или без учета толщины их стенки (табл. 9.1).

Однорядный подъемник, работающий по кольцевой системе, дает наибольшее увеличение пускового давления по сравнению со статическим давлением (hсg) у башмака подъемных труб. Тот же подъемник при переходе на центральную систему позволяет существенно снизить пусковое давление. При двухрядном подъемнике пусковое давление увеличивается несущественно, максимум на 30,8 %, и переход на центральную систему уменьшает его назначительно (12,61 %).

Неучет толщины стенок трубы вносит погрешность в определение пускового давления, не превышающую 5 % (при однорядном подъемнике). В случае поглощения жидкости пластом (б < 1) пусковые давления во всех случаях будут меньше.



Коэффициент поглощения б зависит от многих факторов, таких как коэффициент продуктивности скважины при поглощении, репрессия, определяемая величиной m, длительность пуска, вязкость жидкости и др. Однако он всегда может быть определен для реальной скважины по фактическому пусковому давлению. Приравнивая правую часть формулы пускового давления (9.20) фактически измеренному пусковому давлению (Рпус)ф и решая равенство относительно б, найдем

откуда

. (9.27)

Заметим, что для одной и той же скважины величина б непостоянна и зависит от темпа пуска скважины. Чем быстрее происходит пуск, тем ближе значение б к единице и наоборот, так как при быстром запуске пласт не успевает поглотить существенное количество жидкости. Поскольку по определению б = V2/V1 [формула (9.З)], то, зная фактическое б [формула (9.27)], можно определить объем поглощенной пластом жидкости при запуске скважины

,



где V1 - объем вытесняемой газом жидкости в скважине до момента прорыва этого газа через башмак подъемных труб.

Характерный процесс пуска газлифтной скважины в функции времени показан на рис. 9.5. После прорыва газа через башмак подъемных труб и выноса части жидкости скважина переходит на установившийся режим работы с соответствующим отбору динамическим уровнем, а следовательно, и соответствующим этому уровню рабочим давлением Рp.

4.4 Методы снижения пусковых давлений

В практике эксплуатации газлифтных скважин, особенно в ранние периоды, было выработано много практических приемов пуска газлифтных скважин и преодоления трудностей, связанных с возникновением высоких пусковых давлений. К этим методам можно отнести следующие.

Применение специальных пусковых компрессоров

При использовании компрессорных станций в качестве источника сжатого газа для газлифтных скважин на этих станциях устанавливается один или несколько компрессоров (в зависимости от потребности), развивающих повышенное давление, достаточное для пуска скважины. Пусковые компрессоры работают в специальную пусковую линию, соединяющую компрессорную станцию с газораспределительным узлом, в котором путем переключения соответствующих задвижек газ из пусковой линии может быть направлен в любую газлифтную скважину. После пуска скважины на распределительном узле новым переключением задвижек в газовую линию этой скважины направляется газ из рабочей магистрали с давлением, соответствующим рабочему давлению. В особых случаях для пуска скважин применяются передвижные компрессоры на автомобильном ходу или на специальных рамах, перемещаемых вертолетами аналогично тому, как это практикуется при освоении скважин и вызове притока.

Последовательный допуск труб

Башмак подъемных труб в этом случае спускается под статический уровень не на проектную глубину, а на такую, при которой можно продавить скважину имеющимся давлением Рк (давление компрессора или в газовой линии). Глубина спуска башмака под уровень находится из формулы пускового давления (9.20) путем приравнивания ее к величине имеющегося давления Рк

,

откуда

(9.28)

После спуска башмака труб под уровень на глубину h1 скважина пускается и продувается до выхода из скважины чистого газа. При этом часть жидкости из скважины выбрасывается. После этого арматура устья снимается, и колонна подъемных труб спускается ниже на величину h2 < h1, после чего снова ставится арматура и скважина снова продувается до чистого газа. Так делается несколько раз, пока башмак труб не достигнет проектной глубины. При каждом очередном допуске труб погружение hi+1 берется на 10--30 % меньше, чем погружение hi в предшествующем допуске. Последовательный допуск труб - очень трудоемкий процесс с ограниченными возможностями. Он применим в скважинах, имеющих очень малый коэффициент продуктивности, а следовательно, медленное восстановление уровня в промежутках между очередными продувками скважины, так как после очередной продувки необходимо разобрать устьевую арматуру, осуществить допуск труб и снова собрать арматуру для следующей продувки.

Переключение работы подъемника с кольцевой системы на центральную

Переключение скважины с кольцевой системы на центральную только на период ее пуска уменьшает пусковое давление при однорядном подъемнике в 8,49/1,1335 = 7,5 раза (см. табл. 9.1). При двухрядном - такое переключение дает незначительный эффект и пусковое давление уменьшается всего лишь на 11 %. Поэтому при однорядном лифте переключение на центральную систему пуска может оказаться очень эффективным средством. После пуска скважины лифт переключается на кольцевую систему для нормальной ее эксплуатации.

Задавка жидкости в пласт



Если скважина при репрессии хорошо поглощает жидкость, то закачкой газа и выдержкой скважины под давлением достаточно длительное время можно задавить жидкость в пласт. Уровень опустится, дойдет до башмака и скважина будет пущена. Длительность выдерживания скважины под максимальным давлением зависит от ее поглотительной способности. Чем она больше, тем время выдержки меньше. В принципе этот прием пуска пригоден при условии, что давление компрессора равно или превышает статическое давление у башмака, т. е. при условии Рк > h1сg.

Применение пусковых отверстий

На колонне лифтовых труб ниже статического уровня заблаговременно сверлятся так называемые пусковые отверстия. При закачке газа в межтрубное пространство опускающийся уровень жидкости обнажает первое отверстие, через которое газ поступает в НКТ, разгазирует в них жидкость до такой степени, что она начинает переливать. Это явление аналогично работе газлифтной скважины с башмаком, установленным на уровне первого отверстия. После перелива жидкости равенство давлений в межтрубном пространстве и в НКТ на уровне отверстия нарушается. Для восстановления равенства давлений уровень в межтрубном пространстве опускается на определенную величину, зависящую от давления компрессора и плотности ГЖС в НКТ. Если на этой глубине сделать новое отверстие, то после его обнажения через него пойдет газ в НКТ из затрубного пространства. Вследствие усиливающегося поступления газа в подъемник (работа двух отверстий) выброс жидкости увеличится, равенство давлений внутри НКТ на уровне второго отверстия и в межтрубном пространстве снова нарушится и для его восстановления уровень в межтрубном пространстве снова опустится на некоторую глубину, где должно находиться третье отверстие. Таким способом можно понизить уровень в межтрубном пространстве до башмака НКТ, после чего газлифт перейдет на нормальную работу через башмак. Однако при установившейся работе газлифта через эти пусковые отверстия, остающиеся все время открытыми, будет происходить дополнительная утечка газа, что приведет к повышенному удельному расходу нагнетаемого газа, а следовательно, к снижению к. п. д. подъемника по сравнению с его работой при поступлении газа только через башмак. Поэтому эти отверстия после перехода на нормальную работу необходимо закрыть. Для этого используют специальные устройства - пусковые клапаны.

Рассмотрим этот процесс подробнее. На рис. 9.6 показана схема скважины с пусковыми отверстиями. Газ нагнетается в межтрубное пространство, в котором компрессором поддерживается постоянное давление Рк. Приравнивая правую часть формулы для пускового давления (9.20) к давлению компрессора Рк, учитывая при этом противодавление на устье Ру и решая равенство относительно погружения под статический уровень x1, соответствующего давлению Рк, получим [см. формулу (9.28)].

откуда

(9.29)

Таким образом, первое отверстие делается на глубине от устья

, (9.30)



где Sc - статический уровень жидкости в скважине.

После обнажения первого отверстия O1 и поступления через него газа происходит сначала вспенивание, потом подъем и выброс жидкости через устье. В результате давление в НКТ Ро1 на уровне первого отверстия О1 уменьшится. Перепад давления у отверстия увеличится. Увеличится расход газа через отверстие и выброс жидкости. В конце концов процесс стабилизируется и давление Ро1 достигнет минимума (рис. 9.7). Здесь а - начальный перепад давления в отверстии, ДР - изменение перепада давления в отверстии в результате разгазирования жидкости в НКТ и ее выброса. Но на уровень Y1 по-прежнему действует давление Рк. Поэтому для восстановления нарушенного равновесия давления в НКТ и в межтрубном пространстве уровень Y1 должен понизиться на величину x2 (см. рис. 9.6), при которой выполняется равенство давлений

, (9.31)

На этой глубине должно быть сделано второе отверстие O2



(9.32)

После оттеснения уровня жидкости ниже второго отверстия О2 оно вступит в работу; через него пойдет газ, усилится выброс. В результате давления в НКТ Ро2 в точке О2 понизится до (Рo2)min. Снова нарушится равновесие, для восстановления которого уровень в межтрубном пространстве понижается на xз, до положения Yз. Из условия равенства давлений аналогично предыдущему найдем положение отверстия Оз:

(9.33)

Соответственно глубина третьего отверстия Оз будет

и т. д. (9.34)

Отсюда видно, что с помощью пусковых отверстий, расположенных соответствующим образом по длине НКТ, можно оттеснить уровень жидкости в межтрубном пространстве до проектной глубины, т. е. до башмака НКТ, и осуществить пуск газлифтной скважины имеющимся давлением Рк. С увеличением глубины расстояния между отверстиями уменьшаются, так как х1 > х2 > х3 > … > хi. Для гарантированного пуска число отверстий делается на 10--15 % больше расчетного, причем все они пропорционально смещаются вверх. Размер отверстий рассчитывается по предельному расходу газа (по подаче компрессора), при котором скорость его истечения в отверстии не превышает критических значений (скорости звука). Предельное давление в НКТ Рoimin рассчитывается по формулам работы подъемника на нулевой подаче или находится по специальным графикам. После перехода на нормальный режим работы через башмак отверстия, остающиеся открытыми, увеличивают удельный расход газа, поэтому этот метод снижения пускового давления практически не применяется. Здесь описаны принципиальные возможности пуска скважины с помощью пусковых отверстий и полная методика расчета не приводится, так как она достаточна сложна и содержит много таких деталей, как, например, особенности расчета размещения отверстий при начальном переливе и при вступлении в работу самого пласта.

Имеются и другие приемы преодоления трудностей пуска газлифтных скважин, как, например, предварительное понижение уровня жидкости в скважине путем поршневания или оттартывания желонкой.

В настоящее время для пуска газлифтных скважин используются более надежные и рациональные методы снижения пусковых давлений с помощью пусковых и рабочих клапанов.

4.5 Газлифтные клапаны

забой скважина нефтяной газлифтный

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.



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 Рт падает, а Рк остается постоянным. Возникает сила, стремящаяся преодолеть натяжение пружины Рп и закрыть клапан. Если f2 - площадь сечения нижнего штуцера, Рт - давление внутри клапана (потерями на трение пренебрегаем), а Рк - давление, действующее на нижний клапан, то условие закрытия клапана запишется как

где Рзак = Рк - Рт - такая разность давлений, при которой преодолевается сила пружины Fп 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 Рк. Оно будет действовать на большую площадь верхнего штуцера f1, 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 Рк - Рт. При уменьшении разницы Рк - Рт до определенного минимума пружина преодолеет силу f1(Рк - Рт) 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 Рзак >> Рот. Величины Рзак и Рот 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.

Сильфонные клапаны бывают двух типов:

работающие от давления в межтрубном пространстве Рк;

работающие от давления в НКТ Рт.

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

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

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

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.

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.

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.

4.6 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.



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



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).

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 со - 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 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 ДР1 = 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 ДРз1 будет равен расстоянию от точки б до точки Р'т1. Для второго клапана ДРз2 - 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.

4.7 Принципы расчета режима работы газлифта

Определение параметров режима работы газлифтной скважины основано на использовании кривых распределения давления при движении ГЖС в трубе. Важнейшими величинами, подлежащими определению, являются удельный расход нагнетаемого газа и давление нагнетания. Причем задача установления режима работы газлифта может быть поставлена по-разному. Например, ограничений на рабочее давление газа не накладывается; рабочее давление газа ограничено; рабочее давление не ограничено, но ограничен удельный расход газа; расход удельной энергии на подъем жидкости должен быть минимальным и т. д.

Инженерный расчет газлифта, как и любого другого способа эксплуатации, возможен лишь в том случае, если уравнения притока жидкости и газа известны.



При давлении на забое выше давления насыщения газовый фактор постоянный, и поэтому уравнение притока газа не требуется. Однако дренируемые пласты при вскрытии нескольких пропластков общим фильтром могут содержать чисто газовые прослои, для которых закон притока газа может существенно отличаться от закона притока жидкости. В таких случаях для расчета нужна индикаторная линия для газа или уравнение его притока.

При заданном дебите проектируемой газлифтной скважины по уравнению притока или по индикаторной линии можно определить забойное Давление Рс, соответствующее заданному дебиту Q. Должен быть известен пластовый газовый фактор Го При заданном дебите. Кроме того, должны быть известны или обоснованно приняты все остальные данные, необходимые для расчета кривой распределения давления Р(х). Начиная от точки Рс, по методу снизу вверх, по шагам, используя ту или иную методику расчета, определяют давления на разных глубинах и по этим данным строят кривую распределения Р(х) (рис. 9.15, кривая 1).

Если Рс > Рнас, то в методику расчета вносится соответствующее изменение, и расчет кривой распределения давления для ГЖС начинается не от точки Рс, а от точки Рнас, лежащей выше.

Далее рассчитывается также по шагам вторая кривая распределения Р(х), начиная от давления на устье, которое должно быть задано (рис. 9.15, кривая 2) по методу сверху вниз. Для построения второй кривой Р(х) принимается заданный дебит Q и другие параметры, которые использовались при расчете первой кривой Р(х). Однако расчетный газовый фактор Гр принимается с учетом удельного расхода нагнетаемого с поверхности газа Rн, т. е.

Гр=Го+Rн.



Величиной Rн можно задаться, исходя из реальных возможностей или технологических соображений. Если в последующем окажется, что принятый для расчета удельный расход нагнетаемого газа Rн дает неприемлемые результаты, то задаются другими Rн. Таким образом, вторая кривая Р(х) рассчитывается по тому же дебиту, что и первая, но для увеличенного газового фактора Гр=Го+Rн. Расчет и построение второй линии продолжаются до тех пор, пока обе линии (1 и 2) не пересекутся (рис. 9.15, точка а). Проекция этой точки на ось ординат определяет глубину ввода газа в НКТ Lг, а на ось абсцисс дает рабочее давление нагнетаемого газа у башмака Рб.

Зная закон изменения давления газового столба и пренебрегая потерями на трение при движении газа по межтрубному пространству (рис. 9. 15, кривая 3), которые малы, можно определить рабочее давление нагнетаемого газа на устье Рp. Например, при использовании упрощенной формулы (9.53), решая ее относительно давления на устье, получим

В данном случае Рр и Рб - абсолютные давления. Увеличение удельного расхода газа Гр приводит к уменьшению средней плотности ГЖС и градиента давления в трубах; это равносильно перемещению точки а (см. рис. 9.15) влево и вверх по линии 1 и, наоборот, уменьшение Гр увеличивает плотность и давление внизу подъемника и передвигает точку а вправо и вниз по линии 1. Из рис. 9.15 можно также видеть, что уменьшение Гр приводит к увеличению глубины ввода газа в НКТ, т. е. величины Lг, и увеличению рабочего давления. Увеличение Гр, наоборот, уменьшает рабочее давление и глубину места ввода газа в НКТ. Определенное по графику рабочее давление Рб и принятый удельный расход нагнетаемого газа Rн случайны и не всегда могут соответствовать технологическим возможностям эксплуатации. Для более обоснованного выбора режимных параметров работы газлифтной скважины при заданном дебите Q необходимо получить результат для нескольких Rн. С этой целью вычисляются и строятся несколько кривых распределения давления Р(х) для нескольких разумно выбранных значений Rн, а следовательно, и Гр, но для одного заданного дебита Q (рис. 9.16).

Для получения более надежных результатов и их анализа необходимо принять не менее четырех значений Rн и построить столько же кривых Р{х). Все кривые Р{х) рассчитываются по методу сверху вниз для заданного дебита Q и строятся из одной общей точки Ру. От точки Рс, как и прежде, строится линия распределения давления Р(х) для пластового газового фактора Го и заданного дебита Q (рис. 9.16, кривая 5). Пересечения кривых Р(х), построенных из точки ру, с нижней кривой Р(х) (точки 1, 2, 3, 4) дадут глубины ввода газа в НКТ Lг1, Lг2, Lг3, Lг4 и соответствующие им рабочие давления у башмака Рб1, Рб2, Рб3, Рб4.

В дополнение к этим данным будем иметь четыре значения для удельного расхода нагнетаемого газа: Rн1 для кривой 1; Rн2 для кривой 2; Rн3 для кривой 3 и Rн4 для кривой 4. Поскольку с уменьшением расхода газа градиент давления растет и, следовательно, наклон линии Р(х) увеличивается, то можно сделать вывод о следующем соотношении:

В результате таких расчетов получится совокупность данных, состоящая из нескольких значений Rн и соответствующих им значений Lг и Рб. Эти данные могут быть дополнены новыми важными данными об удельной энергии, расходуемой на подъем единицы массы или объема жидкости при различных режимах работы газлифта. Поскольку подъем происходит частично за счет пластовой энергии, обусловленной давлением на забое и пластовым газовым фактором, а частично за счет энергии, вводимой в скважину с поверхности и определяемой давлением нагнетаемого газа и удельным расходом нагнетаемого газа, то при оценке удельной энергии, затрачиваемой на подъем жидкости, представляет интерес только та энергия, которая затрачивается на поверхности в виде работы компрессорной станции при сжатии газа до определенного давления. Пластовая энергия хотя и расходуется на подъем жидкости, но в данном случае не должна учитываться. Газ в скважину нагнетается при рабочем давлении на поверхности. Поэтому указанная выше совокупность данных должна быть дополнена сведениями о рабочих давлениях на устье скважины Рp1, Рp2, Рp3, Рp4, соответствующих четырем значениям Rн. Величины Рр вычисляются, как и п предыдущем случае (см. рис. 9.15), по формуле (9.60).

Знание рабочих давлений на устье скважины позволит определить удельную энергию на подъем жидкости для сравнительной оценки возможных режимов скважины с энергетической точки зрения, если предположить изотермическое расширение газа в НКТ, а энергию газа, выделяющегося дополнительно из жидкости, не учитывать, так как она относится к естественной пластовой энергии. В таком случае удельную энергию, отнесенную к 1 м3 жидкости, можно определить по формуле для изотермического процесса



Применяя эту формулу для нашего случая и учитывая при этом, что газ расширяется при некоторой средней абсолютной температуре в НКТ Тср, что газ реальный, т. е. его сжатие или расширение характеризуется поправочным коэффициентом zср, а также что на подъем 1 м3 жидкости расходуется Rн м3 газа при стандартных условиях Ро и То, можно формулу (9.61) переписать следующим образом:

В этой формуле zcp определяется для среднего давления в скважине Рср = (Рр+Ру)/2 и средней температуры Тср. Заметим, что в формуле (9.62) давления должны быть взяты в абсолютных единицах. Определяя удельную энергию по формуле (9.62) для рассматриваемых четырех режимов, получим четыре значения удельной энергии.

В результате получим следующую совокупность данных:

удельный расход нагнетаемого газа Rн1, Rн2, Rн3; Rн4;

рабочее давление Рр1, Рр2, Рр3, Рр4;

глубина ввода газа Lг1, Lг2 Lг3, Lг4;

удельная энергия W1, W2, W3, W4;

рабочее давление у башмака Рб1, Р62, Рб3, Р64.

По этим данным можно построить различные графические зависимости, которые позволят выбрать режим работы газлифта, отвечающий техническим возможностям промысла. Если учитывать главные режимные параметры - расход газа и его давление, то достаточно построить график Рp = f(Rн) (рис. 9.17). Через нанесенные на график четыре точки проводим плавную кривую 1, которая позволит выбрать любой промежуточный режим, лежащий между расчетными точками. График должен быть дополнен кривой зависимости Lp = f(Rн) (рис. 9.17, кривая 2). Если при выборе режима работы газлифта должны быть приняты во внимание энергетические условия, то на тот же график необходимо нанести кривую W = f(Rн). Этот график может иметь минимум (рис. 9.17, кривая 3). Построение таких графиков позволяет выбрать любой промежуточный режим, отличающийся от расчетных, и установить параметры оптимального режима работы газлифта, отвечающего минимальной удельной энергии. Как видно из рис. 9.17, минимуму W соответствуют оптимальные рабочее давление Рроп, расход газа Rноп и глубина спуска башмака или установки рабочего клапана Lгoп.