4.2. Глубинные газлифтные клапаны

Глубинные клапаны предназначены для установления или прекращения взаимосвязи подъемника с различными межтрубными пространствами. Глубинные клапаны можно классифицировать по следующим признакам:

1. По назначению:

Пусковые.

Рабочие.

Концевые.

2. По конструкции:

Пружинные.

Сильфонные.

Комбинированные.

3. По характеру работы:

Нормально открытые.

Нормально закрытые.

4. По давлению срабатывания:

От давления в затрубном пространстве.

От давления в НКТ (подъемнике).

По принципу действия клапаны являются дифференциальными.

Пусковые клапаны предназначены, в основном, для запуска газлифтных скважин в эксплуатацию, а также применяются для повышения эффективности работы скважин при явлении пульсации (сглаживание пульсаций).

Рабочие клапаны предназначены для ввода газа в подъемник при газлифтной эксплуатации.

Концевые клапаны предназначены для поддержания рабочего уровня жидкости ниже этого клапана и обеспечивают равномерное поступление газа в подъемник через клапан при изменении расчетных параметров газлифта, предотвращая явление пульсации. Устанавливаются эти клапаны вблизи башмака подъемника.

На рис. 4.2 приведены принципиальные схемы глубинных клапанов. Все клапаны в нижней части имеют промывочные обратные клапаны (на рис. 4.2 они не показаны).

П ружинный клапан (рис. 4.2,a) - по характеру работы относится к нормально открытым клапанам дифференциального типа. Клапан состоит из двух сёдел 1 и 10, двух клапанов 2 и 9, соединенных штоком 3. На штоке имеется пружина 6, один конец которой связан через упор 7 с корпусом клапана 11, а другой - со штоком 3 через регулировочную гайку 5, закрепленную на нем. Клапан размещен в корпусе 11 и устанавливается на внешней стороне колонны НКТ12. В рабочем (открытом) положении нижнее седло 1 закрыто клапаном 2 за счет силы сжатой пружины 6. Верхний клапан 9 открыт. Газ под давлением Р_к из затрубного пространства через отверстие 8 и верхнее седло 10 поступает в колонну НКТ (подъемник), газирует продукцию скважины, в результате чего через определенный промежуток времени давление Р_Т в НКТ и внутри к орпуса клапана снижается.

4.3. Расчет газлифтных клапанов

Рассмотрим силы, действующие на шток клапана, когда клапан находится в открытом и закрытом состояниях.

1. Клапан 9 открыт

Обозначим (индекс «о» означает, что клапан открыт):

Р_ТО - давление в НКТ и внутри клапана, Па;

Р_КО - давление компримированного газа в затрубном пространстве, Па;

F_ПО - сила сжатия пружины, действующая на шток и направленная сверху вниз, Н.

Баланс сил, действующих на шток, таков:

, (4.1)

где f₁ - площадь поперечного сечения нижнего седла, м².

Таким образом, условие (4.1) - условие устойчиво открытого положения клапана.

Клапан закрывается, когда баланс сил, действующих на шток, соответствует условию:

(4.2)

Обозначим

Р_КО-Р_ТО=ΔР₃ (4.3)

и назовем этот перепад давлений ΔР₃ закрывающим перепадом, величина которого такова:

 (4.4)

2. Клапан 9 закрыт

Обозначим (индекс «з» означает, что клапан закрыт): Р_тз - давление в НКТ, Па; Р_кз - давление компримированного газа в затрубном пространстве и внутри клапана, Па; - сила сжатия пружины, действующая на шток и направленная сверху вниз, Н.

Баланс сил. действующих на шток таков

(4.5)

где f₁₀ - площадь поперечного сечения верхнего седла, м².

При этом: f₁₀ > f₁ (4.6)

При выполнении условия (4.5) клапан устойчиво закрыт. Клапан открывается тогда, когда баланс сил, действующих на шток, соответствует условию:

F_ПЗ

(4.7)

Обозначим

(4.8)

и назовем этот перепад давлений ΔР_О открывающим перепадом, величина которого такова:

(4.9)

Сравнивая (4.4) и (4.9) и учитывая условие (4.6), можно сделать вывод, что закрывающий перепад давлений ΔР₃ больше открывающего ΔР₀, т.е.

ΔР₃ > ΔР₀ (4.10)

Данное условие справедливо только в том случае, если F_П3/F_ПО меньше, чем f₁₀/f₁.

Сильфонные клапаны выполняются по двум схемам: срабатывающие от давления в затрубном пространстве Р_к (рис. 4.2б) и от давления в трубах (рис. 4.2, в). Основным элементом таких клапанов является сильфонная камера 4, заполненная, как правило, азотом до давления Р_с.

Рассмотрим более подробно работу клапана, представленного на рис. 4.2, б. Обозначим эффективную площадь поперечного сечения сильфона через f_с. На штоке 3, соединенном с сильфонной камерой 4, имеется клапан 2, площадь поперечного сечения седла которого 1 обозначим через f_к. Через отверстия 8 и открытый клапан 2 газ из затрубного пространства при давлении Р_к поступает в НКТ. Одной из основных характеристик сильфонного клапана является давление зарядки сильфона Р_с. Рассмотрим, от чего зависит это давление.

При закрытом клапане седло 1 перекрыто клапаном 2. Давление внутри корпуса 11 равно Р_к. Это давление действует на дифференциальную площадь (f_с-f_к), создавая силу, приложенную к штоку 3 и направленную снизу вверх: Р_к(f_с-f_к).

Со стороны колонны НКТ на клапан 2 действует сила Р_Тf_к, направленная снизу вверх. Обе эти силы стремятся открыть клапан. Открытию клапана препятствует сила, равная Р_сf_с и направленная сверху вниз. Клапан будет устойчиво закрыт при следующем балансе этих сил:

(4.11)

_{где Рт - давление в НКТ на уровне клапана, Па.}

_{Баланс сил, при котором произойдет открытие клапана, таков:}

_(4.12)

_{где Рко - давление газа в затрубном пространстве, при котором происходит открытие клапана}

Перепишем полученное выражение следующим образом:

(4.12)

Введем следующие обозначения:

(4.13)

(4.14)

(4.15)

откуда

(4.16)

где К_с - коэффициент сильфона; К_к - коэффициент клапана.

Введенные параметры (4.13) - (4.15) являются характеристиками газлифтных клапанов.

С учетом обозначения (4.15) окончательно получим давление в затрубном пространстве Р_ко, при котором произойдет открытие клапана:

Р_КО ≥ К_СР_С – К_КР_Т. (4.17)

Из полученного выражения найдем давление зарядки сильфона для открытия клапана при заданном давлении в затрубном пространстве Р_ко и известных характеристиках клапана:

(4.18)

Когда клапан открыт, а давление внутри него равно Р_к, это давление действует на площадь поперечного сечения сильфона f_с. Баланс сил в этом случае таков:

(4.19)

Чтобы клапан закрылся, давление внутри клапана Р_к должно снизиться до величины Р_кз; при этом баланс сил должен быть таковым:

Или

(4.20)

Разность открывающего и закрывающего давлений ΔР равна

или с учетом выражений (4.17) и (4.20):

(4.21)

Подставляя Р_с из (4.18) в (4.21), окончательно получаем:

(4.22)

Таким образом, при постоянном давлении зарядки сильфона и известных характеристиках клапана управление его работой, т.е. открытие или закрытие может осуществляться изменением давления газа в затрубном пространстве Р_к

Рассмотрим клапан, изображенный на рис. 4.2, в.

При закрытом клапане седло 1 перекрыто клапаном 2. Давление внутри корпуса клапана 11 равно Р_т. Рассмотрим силы, действующие на шток клапана: сверху вниз — Р_сf_с и Р_тf_к; снизу вверх — Р_тf_с и Р_кf_к. Клапан 2 будет устойчиво закрытым при следующем соотношении действующих сил:

(4.23)

Используя обозначение (4.15), получим:

(4.24)

Давление в трубах, при котором произойдет открытие клапана, обозначим через Р_то. Зависимость (4.24) в этом случае принимает вид:

откуда давление Р_то с учетом (4.16) таково:

(4.25)

Из полученного выражения найдем давление зарядки сильфона для открытия клапана при заданном давлении в трубах Р_то и известных характеристиках клапана:

(4.26)

При открытом клапане давление внутри корпуса клапана равно Р_т. Это давление действует на площадь поперечного сечения сильфона. Баланс сил при устойчиво открытом клапане таков:

(4.27)

Клапан закроется, если давление внутри него Р_т снизится до величины Р_тз, а баланс сил в этом случае должен быть следующим:

Или

Р_ТЗ < Р_с (4.28)

Разность открывающего и закрывающего давлений ΔР равна:

или с учетом выражений (4.25) и (4.28):

(4.29)

Подставляя Р_с из (4.26) в (4.29), окончательно получаем:

(4.30)

При постоянном давлении зарядки сильфона и известных характеристиках клапана управление его работой, т.е. открытие и закрытие, может осуществляться изменением давления в трубах Р_т.

Таким образом, рассмотренные сильфонные клапаны могут управляться как давлением в трубах Р_т, так и давлением в затрубном пространстве Р_к, что существенно расширяет возможности газлифтной эксплуатации скважин.

Комбинированный клапан, представленный на рис. 4.2 г, является синтезом клапанов, рассмотренных на рис. 4.2 а и 4.2 в.

Газлифтные клапаны являются дорогостоящими сложными системами и требуют не только высококачественных материалов, но и высокоточной технологии их изготовления.