Скважинное оборудование для газлифтного способа добычи нефти. Газлифтные клапаны

 

Газлифтные клапаны — устройства для автоматического ус­тановления или прекращения сообщения между внутренней по­лостью колонны подъемных труб и затрубным пространством, занятым нагнетаемым в скважину газом.

Все известные газлифтные клапаны можно классифициро­вать следующим образом [20] (рис. 4.7.1):

• по назначению — пусковые и рабочие;

• по принципу управления — управляемые давлением нагне­таемого газа;

• управляемые давлением газожидкостной смеси в подъем­ных трубах и управ­ляемые перепадом трубного и затрубного дав­лений;

• по способу размещения в колонне подъемных труб — экс­центрично рас­по­ложенные и центральные;

• по типу чувствительного элемента клапана — сильфонные, пружинные, мемб­ранные и комбинированные;

• по способу установки — съемные и стационарные.

Пусковые клапаны обес­печивают пуск скважины методом аэрации при последовательном автоматическом увеличении глу­бины ввода газа. При работе скважины на установившемся ре­жиме пусковые клапаны остаются все время закрытыми, а газ подается через рабочие клапаны. Управляющим давлением для этих клапанов является давление газожидкостной смеси в ко­лонне подъемных труб.

При непрерывном газлифте в качестве нижнего рабочего кла­пана можно использовать пусковой, отрегулированный на от­крытие при давлении, соответствующем глубине ввода газа.

Открытие или закрытие газлифтного клапана осуществляется чувствитель­ным элементом, который настраивается до установ­ки клапана в скважину на опре­деленное усилие. Чувствитель­ным элементом в клапанах может быть силь­фон­ная или мемб­ранная камера, пружина или комбинация их.

Клапаны с сильфонными, пружинными и комбинированны­ми чувствитель­ны­ми элементами могут быть уравновешенными и неуравновешенными. Для урав­но­вешенных клапанов давле­ния открытия и закрытия равны.

 

Рис. 4.7.1. Классификация газлифтных клапанов

 

Широкое применение в нефтедобывающей промышленнос­ти нашли газлифтные клапаны с сильфонным чувствительным элементом. Сильфонную камеру клапана заряжают азотом, дав­ление которого в ней для правильной работы клапана должно быть увязано с параметрами скважины и нагнетаемого газа.

Основными узлами неуравновешенного сильфонного газлифтного клапана, управляемого давлением нагнетаемого газа (рис. 4.7.2, а, б),являются корпус, узел зарядки, сильфон, шток, сед­ло и обратный клапан, предотвращающий обратный переток жидкости, что особо важно при установке пакеров, посадка ко­торых осуществляется гидравлическим или гидромеханическим способами.

Клапан работает следующим образом: давление азота в сильфонной камере действует на его эффективную площадь и созда­ет силу, прижимающую шток к седлу.

Давление нагнетаемого газа в затрубном пространстве и дав­ление газожидкостной смеси в колонне подъемных труб стре­мятся открыть клапан (см. рис. 4.7.2, а). Баланс сил в клапане непосредственно перед открытием имеет следующий вид [10]:

(4.7.1)

где р _с — абсолютное давление в сильфонной камере, МПа; р _г — абсолютное давление нагнетаемого газа на глубине ввода в клапан, МПа; р _т — абсолютное давление газожидкостной смеси в колонне подъемных труб на глубине расположения клапана, МПа; S _эф — эффективная площадь сильфона, см²; S₀ — площадь проходного сечения седла клапана, см².

Рис. 4.7.2. Схема неуравновешенного газлифтного клапана сильфонного типа:

а, б — управляемого давлением нагнетаемого в скважину газа; в, г — управляемого дав­ле­нием газожидкостной смеси в колонне подъемных труб; а, в — клапан в закрытом поло­же­нии; б, г — клапан в открытом положе­нии; 1 — узел зарядки; 2 — кожух; 3 — сильфон; 4 — шток; 5 — седло; 6 — корпус седла; 7 — обратный клапан; 8 — дроссель

Рис. 4.7.3. Газлифтные клапаны Г:

а — Г-20Р; б — Г-25Р; в — 1Г-25Р; г — Г-38Р; д — Г-20; е — Г-25; ж — 1Г-25; з — Г-38

1 — штифт; 2 — втулка; 3 — пружи­на; 4 — фиксатор; 5 — ввертный зарядник; 6 — золотник; 7 — сильфонная ка­мера; 8 — кожух; 9 — шток; 10 — набор манжет; 11 — седло; 12 — обрат­ный кла­пан; 13 — цанга; 14 — втулка; 15 — дроссель

 

Эффективная площадь сильфона определяется в зависимос­ти от наружного (R _н)и внутреннего (R _в) радиусов гофра силь­фона:

(4.7.2)

Отношение площадей S₀/S _эф = R определяет степень неурав­новешенности клапана.

Исходя из (4.7.1) давление в сильфонной камере и давление нагнетаемого га­за, при котором клапан откроется, определяют соответственно по уравне­ниям:

(4.7.3)

(4.7.4)

Конструктивное исполнение газлифтных клапанов представ­лено на рис. 4.7.3.

Клапаны фиксируют в скважинных камерах специальными фиксирую­щи­ми устройствами, выполненными в виде самостоя­тельного изделия либо в виде узла самого клапана.

Клапаны Г-38 и Г-38Р фиксируют при помощи кулачково­го фиксатора ФК-38 (рис. 4.7.4), который наворачивают пе­ред спуском на посадочную головку 3. При посадке клапана в скважинную камеру выступ кулачка 6 задевает за край карма­на камеры и кулачок, поворачиваясь, утопает в окне а, обес­печивая проход фиксатора в расточку кармана. Когда окно со­впадает с расточкой, кулачок под действием пружины 9 выхо­дит из окна и своим выступом фиксирует клапан в расточке кармана.

Рис. 4.7.4. Кулачковый фиксатор ФК-38:

1 — съемная головка; 2 — разрезная втулка; 3 — посадочная головка; 4 — шток отключения; 5 — штифт; 6 — кулачок; 7 — ось; 8 — установоч­ный винт; 9 — пружина

 

При извлечении фиксатора с клапаном из скважинной камеры при помощи инструмента канатной техники срезается штифт 5, шток отключения 4 поднимается и освобождает кулачок, выступ которого под действием пружины утапливается в окне фиксато­ра, позволяя извлечь клапан.