Глубинные клапаны

Глубинные клапаны представляют собой приспособления, по­средством которых устанавливается или прекращается связь между межтрубным пространством скважины и подъемными трубами.

По способу применения клапаны подразделяются на пусковые, рабочие и концевые.

Пусковые клапаны используются при освоении сква­жин или при пуске их после остановок.

Рабочие клапаны применяются для создания опти­мальных условий эксплуатации скважины вместо изменения погру­жения насосно-компрессорных труб. Кроме того, клапаны этого типа применяют на скважинах, которые эксплуатируются периодически. Здесь они способствуют поступлению в подъемные трубы закачивае­мого газа в момент, когда внутри них (над клапаном) накопился столб жидкости определенной высоты, и прекращению проникнове­ния газа при снижении уровня ниже клапана.

Концевые клапаны устанавливаются у основания (башмака) подъемных труб и служат для поддержания под ними определенного уровня жидкости в кольцевом пространстве между эксплуатационной колонной и подъемными трубами. Они препят­ствуют проникновению газа в подъемные трубы через баш­мак и предотвращают таким образом пульсацию при работе скважины.

В промысловой зарубежной практике опробованы и широко применяются глубинные клапаны многих конструкций.

Наибольшее распространение в НГДУ получили пусковые кла­паны пружинного дифференциального типа У-1-М конструкции А. П. Крылова и Г. В. Исакова и КПА-2 конструкции М. А. Абдул-лаева. Эти клапаны предназначены для одних и тех же целей, по­этому рассмотрим лишь одну конструкцию — клапан У-1-М (рис. 83 и 84). Корпус 1 клапана (см. рис. 83) приварен к патрубку 2, изго­товленному из насосно-компрессорных труб. К внутренней стенке патрубка приварен козырек 3, служащий для направления выходя­щей из клапана струи газа к центру подъемника.

В корпус 1 ввинчен ниппель 4 с колпачком 5 для пружины. Перед ввинчиванием ниппеля в корпус вкладывается шарик 6. Шарик, прилегающий под действием силы тяжести к верхнему седлу ниппеля 4, при промывке скважины разобщает трубное и затрубное пространства. Во время работы клапана шарик струей газа отбра­сывается к верхнему отверстию корпуса 1 и удерживается избыточ­ным давлением, возникающим в корпусе под действием поворота струи газа.

Внутри ниппеля 4 имеется конический клапан 7, который в обыч­ном (нерабочем) положении плотно прижат действием пружины 5 к малому нижнему седлу. Пружина работает на растяжение. При из­вестных условиях клапан, преодолевая силу растяжения пружины, поднимается и верхним торцом прижимается к верхнему седлу клапана большого сечения. При этом трубное и затрубное простран­ства разобщаются.

В ниппеле 4 сделано несколько отверстий диаметром 2 мм, через которые газ при продавливании жидкости в скважине поступает в клапан и дальше в подъемные трубы.

Наружная поверхность ниппеля нарезана. По резьбе может перемещаться кольцо 9, закрывающее отверстие. Перемещением

кольца можно изменять число откры­тых отверстий и этим регулировать ра­боту клапана.

Работа пускового клапана заклю­чается в следующем.

Клапан, установленный на колонне насосно-компрессорных труб, спускают в скважину на заранее рассчитанную из условий пускового давления глубину. При продавливании жидкости, как только уровень ее будет оттеснен ниже клапана, газ из затрубного пространства начнет поступать через отверстия в нип­пеле 4 в трубы, газировать и выбрасы­вать находящуюся в них жидкость. В результате этого давление в трубах на уровне клапана будет падать, рас­ход газа через отверстия увеличится и давление в трубах еще больше пони­зится.

клапан

Рис. 84.

Пусковой У-1-М.

Рис. 83. Схема пускового клапана У-1-М. а — открыт, б — закрыт.

I — регулировочная гайка; 2,6 — шайбы; г — пружина; 4 — стер­ жень; 5 — колпачок пружины; 7 — нижний ниппель; В — клапан; 9 — кольцо;.10— верхний ниппель; II — шарик; 12 — корпус клапана.

Этот процесс будет продолжаться до известного предела, после чего даль­нейшего увеличения расхода газа через отверстия и снижения давления в трубах

наблюдаться не будет. В этот момент клапан должен закрыться, и сжатый газ в затрубном пространстве станет отжимать жидкость до башмака подъемных труб или до следующего клапана в зависимости от длины подъемника. Клапан закроется под действием

увеличивающейся разницы в давлении газа, находящегося под клапаном и над клапаном 7. Под клапаном давление остается постоян­ным и равным пусковому давлению; над клапаном в ниппеле 4 давле­ние будет приблизительно равно давлению в трубах, так как весь перепад давления в пусковом клапане происходит в отверстиях ниппеля 4, диаметр которых в 4—7 раз меньше поперечного сечения внутреннего канала ниппеля.

Когда разность давления под клапаном и над клапаном 7, дей­ствуя на площадь нижнего торца клапана, ограниченную малым седлом ниппеля 4, превысит силу растяжения пружины, клапан 7 оторвется от седла. При этом затрубное давление сразу распростра­нится на всю площадь торца клапана, закрывающая сила резко воз­растет, и клапан тотчас сядет в верхнее седло ниппеля 4, прекратив доступ газа в трубы.

Так как сечение верхнего седла ниппеля в несколько раз больше сечения нижнего седла, то для поддержания клапана в закрытом состоянии потребуется значительно меньшая разность давлений, чем для его закрытия.

Для клапана У-1-М максимальный закрывающий перепад давле­ния равен около 35-Ю⁵ Па (35 кгс/см²), открывающий перепад составляет

роткр =1+0,1 Дрзакр-

Пропускная способность клапана эквивалентна пропускной спо­собности отверстия площадью 44 мм² или круглому отверстию диа­метром 7,4 мм.

Схема клапана У-1-М представлена на рис. 84.

Клапаны устанавливаются на колонне труб при помощи специаль­ных патрубков, изготовленных из насосно-компрессорных труб. В патрубке вырезается окно, в которое затем вставляется корпус клапана и приваривается к патрубку.

В колонне подъемных труб можно устанавливать несколько клапанов, число которых зависит от размеров труб, диаметра обсад­ной колонны и статического уровня жидкости. Расстояние между клапанами определяется максимальным перепадом, полученным в каждом предыдущем клапане и допускающим соответствующее понижение уровня жидкости. Величина перепада в клапане опре­деляется высотой газируемого столба жидкости и пропускной спо­собностью. клапана. С глубиной эти перепады уменьшаются и рас­стояния между клапанами сокращаются.

Пусковые клапаны могут быть использованы только в однорядных подъемниках, работающих по кольцевой системе.

Рабочие и концевые клапаны. В процессе эксплуатации забойное давление в скважине может снизиться вслед­ствие падения пластового давления. Это влечет за собой снижение динамического уровня жидкости в скважине и уменьшение погру­жения подъемных труб. Поэтому рабочее давление компрессоров полностью не используется.

Для сохранения постоянного дебита жидкости необходимо спу­стить подъемные трубы так, чтобы сохранить их погружение под уровень неизменным. Эту операцию очень трудно выполнять во время эксплуатации скважины. Для решения этой проблемы на подъемных трубах устанавливают рабочие клапаны, которые при их включении или выключении уменьшают или увеличивают глу­бину места закачки газа в скважину, и погружение труб под уровень сохраняется постоянным.

Установка рабочих клапанов рекомендуется и в тех случаях, когда давление газа в распределительной сети по тем или иным причинам колеблется.

Рис. 85. Схема кон­цевого клапана.

.4-

а: 1 — дефлектор; 2 — клапан; 3 — седло; 4 — пружина; б: 1 — нип­пель; 2 — клапан; з — корпус; 4 — пружина; 5 — колпачок пружины; 6 — дефлектор.

а

Подъемные трубы с рабочими клапанами спускают до фильтра, а при постоянстве пластового давления — до глубины, соответству­ющей максимальному рабочему давлению компрессоров.

Глубина установки первого клапана определяется из выраже­ния (143).

Для более полного использования рабочего давления газорас­пределительной сети рабочие клапаны располагаются как можно ближе один к другому, обычно на расстоянии 45—50 м.

В качестве рабочих клапанов в большинстве случаев могут быть использованы пусковые клапаны. Например, описанный выше пусковой клапан У-1-М после некоторого конструктивного изменения может быть использован как рабочий. Изменение в сборке по срав­нению со сборкой пускового клапана заключается лишь в положении ниппеля 7 (см. рис. 84). В рабочем клапане ниппель 7 перевернут, и клапан садится на седло значительно большего сечения, в резуль­тате чего резко снижается величина закрывающего перепада.

При компрессорной эксплуатации рекомендуется подавать рабо­чий агент в подъемные трубы не через открытый башмак, а через

концевой клапан, расположенный на 50—60 м выше башкака. Это предотвращает пульсацию при работе скважины и обеспечивает наиболее эффективное использование газовоздушного подъемника.

На рис. 85 представлена схема концевого клапана. Собственно клапан 2 прижимается пружиной 4 к седлу 3. Таким образом, в обыч­ном состоянии клапан закрыт.

Когда газ в затрубном пространстве отожмет жидкость ниже клапана и на уровне клапана перепад давления между затрубным и трубным пространствами достигнет 100—150 кПа, клапан откроется

га

и газ, отклоняемый дефлектором 1 к цилиндру трубы, начнет посту­пать в трубы. У клапана, изображенного на рис. 85, при изменении перепада давления от 100 до 130 кПа площадь проходного сечения меняется от 0 до 150 мм². Следовательно, при изменении режима работы подъемника в широких пределах перепад, создаваемый кла­паном, будет оставаться неизменным и в подъемник через клапан всегда будет поступать только газ, а через башмак — жидкость. В качестве концевого клапана также может быть использован клапан У-1-М. В этом клапане (см. рис. 84) кольца 9 либо совсем удаляют, либо они должны полностью открывать отверстия нип­пеля 10. Перед ввинчиванием ниппель 7 перевертывают, благодаря чему газ может проходить не только через отверстия ниппеля 10, но и ниппеля 7. Суммарное сечение всех отверстий становится рав­ным около 120 мм².

На рис. 86 представлена схема работы компрессорной скважины с использованием для ее пуска и эксплуатации пусковых 8_П, рабо­чих 5_р и концевого $_к клапанов:

а — скважина перед началом освоения;

б — жидкость в затрубном пространстве оттеснена до пускового клапана $_П1', первый выброс жидкости через подъемные трубы;

в — уровень жидкости в затрубном пространстве падает до кла­пана 5_П2; в этот момент клапан «_П1 закрывается, а газ поступает через клапан 8_П2;

г — скважина работает при подаче газа через рабочий кла­пан 5_Р1; все пусковые клапаны закрыты;

д — вследствие изменения условий работы подъемника (падения пластового давления, повышение давления в газораспределительной сети) скважина работает через рабочий клапан з_р2.

В результате изменения условий работы подъемника рабочие клапаны последовательно включаются в работу, в то время как верхние клапаны закрываются под действием перепада давления, которое возрастает с опусканием уровня жидкости ниже клапанов;

е — после того как уровень жидкости опустится ниже концевого клапана $_к, газ поступит в трубы только через этот клапан, который остается открытым все время, пока давление в кольцевом простран­стве на уровне клапана превышает давление в подъемных трубах.