Пуск газлифтной скважины: клапаны и скважинные камеры

Кратко о главном

Жидкость глушения в трубах уравновешивает давление газа: в примере урока пусковое давление 10,5 МПа вытесняет рассол из затрубья только до 972 м, а рабочий клапан стоит на 2400 м. Поэтому выше рабочего клапана ставят пусковые.
Пуск идёт сверху вниз: газ входит в трубы через верхний клапан и облегчает столб над ним, а жидкость из затрубья продолжает уходить в трубы через нижние клапаны; когда газ доходит до следующего клапана, давление в затрубье падает, и верхний клапан закрывается.
Сильфонный клапан открывается, когда давление газа на сильфон и давление в трубах на седло пересиливают давление азота в камере, а закрывается, когда давление газа падает до давления азота. Разность давлений открытия и закрытия растёт с отношением площадей седла и сильфона $R$ .
Пусковые клапаны закрываются по очереди, если давления их закрытия, приведённые к устью, убывают сверху вниз. В работе давление газа ниже давлений закрытия всех пусковых клапанов.
Давление азота растёт с температурой, поэтому клапан на стенде заряжают при 15,6 °C (60 °F) с поправкой на его температуру в скважине. Без поправки клапан откроется в скважине на мегапаскали выше расчётного.
Через седло или отверстие клапана газ течёт как через штуцер. Отверстие рабочего клапана подбирают на расчётный расход газа при небольшом перепаде; слишком маленькое поднимает давление газа и открывает пусковые клапаны.

Ключевые соотношения

p_{\text{пуск}}\,e^{\,0{,}03418\,\gamma_{\text{г}} H/(\bar Z \bar T)} = p_{wh} + \rho_{\text{ж}} g H

глубина, до которой пусковое давление вытесняет жидкость глушения

p_{\text{г,откр}} = \frac{p_{\text{з}} - R\,p_{\text{т}}}{1 - R},\qquad R = \frac{A_{\text{о}}}{A_{\text{с}}}

давление газа, открывающее клапан

p_{\text{г,закр}} = p_{\text{з}},\qquad \Delta p_{\text{оз}} = k_{\text{т}}\,(p_{\text{з}} - p_{\text{т}}),\quad k_{\text{т}} = \frac{R}{1 - R}

давление закрытия и разность давлений открытия и закрытия

p_{\text{TRO}} = \frac{C_T\,p_{\text{з}}}{1 - R},\qquad C_T = \frac{1}{1 + 0{,}00215\,(T_{^{\circ}\text{F}} - 60)}

давление открытия на стенде при 60 °F; давления избыточные

Где чаще всего ошибаются

Ставить один рабочий клапан на проектную глубину без пусковых и надеяться на рабочее давление газа.
Настраивать клапаны без поправки на температуру или по температуре пород вместо температуры потока.
Считать давление закрытия клапана равным давлению открытия.
Ставить рабочий клапан с отверстием «поменьше, чтобы сэкономить газ»: давление газа растёт и открывает пусковые клапаны.
Путать избыточные и абсолютные давления: баланс сил одинаков в тех и других, а газовые законы и поправка на температуру относятся к определённым.

После урока вы сможете

объяснить, почему газ не может сразу дойти до рабочего клапана, и оценить, на какую глубину пусковое давление вытеснит жидкость глушения;
описать пуск газлифтной скважины по стадиям и то, как он выглядит по давлениям на устье;
назвать части сильфонного газлифтного клапана и отличить клапаны, управляемые давлением газа и давлением в трубах;
рассчитать по балансу сил давления открытия и закрытия клапана, разность между ними и влияние давления в трубах и проверить, что пусковые клапаны закрываются по очереди;
рассчитать давление открытия клапана на испытательном стенде с поправкой на температуру азота и оценить, что будет без неё;
оценить расход газа через седло или отверстие клапана и подобрать отверстие рабочего клапана.

Почему газ не доходит до рабочего клапана сразу

Перед ремонтом скважину глушат: затрубье и НКТ заполняют рассолом или другой жидкостью глушения, чтобы её столб превышал пластовое давление (глушение перед ремонтом). После ремонта газлифтная скважина стоит заполненной этой жидкостью. Газ подают в затрубье, а жидкости из затрубья некуда деться, кроме как через газлифтные клапаны в НКТ и дальше вверх, в выкидную линию: затрубье и трубы работают как сообщающиеся сосуды.

Пока газ вытесняет жидкость, трубы остаются полны тяжёлой жидкости. Уровень в затрубье опускается до тех пор, пока давление газа на уровне не сравняется с давлением жидкости в трубах на той же глубине. Газ лёгкий, и его давление с глубиной почти не растёт, а давление столба рассола растёт примерно на 10,6 кПа на каждый метр — поэтому уровень останавливается неглубоко.

Глубина, до которой пусковое давление вытесняет жидкость глушения

p_{\text{пуск}}\exp\!\left(\frac{0{,}03418\,\gamma_{\text{г}}\,H}{\bar Z\,\bar T}\right) = p_{wh} + \rho_{\text{ж}}\,g\,H

где:

$p_{\text{пуск}}$ пусковое давление — наибольшее давление газа на устье затрубья, которое может дать компрессор или другой источник, МПа (абс.)
$H$ глубина уровня жидкости в затрубье по вертикали, м
$\gamma_{\text{г}},\ \bar Z,\ \bar T$ относительная плотность газа, средние коэффициент сверхсжимаемости и абсолютная температура газа в затрубье, —, —, К
$p_{wh}$ давление в НКТ на устье (противодавление выкидной линии), МПа (абс.)
$\rho_{\text{ж}}$ плотность жидкости глушения, кг/м³
$g$ ускорение свободного падения, 9,81 м/с²; произведение $\rho_{\text{ж}} g H$ переводят из паскалей в мегапаскали, м/с²
$0{,}03418$ $0{,}02897\cdot 9{,}81/8{,}314$ — молярная масса воздуха (кг/моль), умноженная на $g$ и делённая на универсальную газовую постоянную, К/м

Единицы: метрические промысловые; давления абсолютные

Справедливо, если

левая часть — давление газового столба в затрубье, как в уроке о газлифте; правая — давление жидкости в НКТ, заполненных до устья;
баланс статический: при вытеснении к давлению в трубах добавляется трение потока, и уровень останавливается ещё чуть выше;
внизу НКТ стоит обратный клапан, и жидкость не уходит в пласт; иначе часть её уйдёт в пласт, и сначала пласт вернёт её же.

Решение уравнения — наибольшая глубина, на которой можно поставить верхний пусковой клапан. Чем больше пусковое давление и легче жидкость глушения, тем глубже может стоять верхний клапан.

Расчётный примерКуда газ вытеснит жидкость глушения

Исходные данные (условные)

Скважина: из урока Газлифт: принцип и подбор режима: середина перфорации на 2500 м, рабочий клапан на 2400 м; после ремонта заполнена рассолом плотностью 1080 кг/м³; НКТ открыты в выкидную линию, давление на устье 1,2 МПа
Газ: компрессор даёт на устье затрубья 10,5 МПа — на 1,3 МПа больше, чем нужно в работе (9,19 МПа, давление закачки); газ относительной плотности 0,7, средняя температура в затрубье 323,15 К

Решение

Давление в НКТ, заполненных рассолом, на глубине $H$ : $p_{\text{т}} = 1{,}2 + 1080\cdot 9{,}81\cdot 10^{-6}H = 1{,}2 + 0{,}010595\,H$ МПа.
Давление газа на той же глубине: $p_{\text{г}} = 10{,}5\exp\dfrac{0{,}03418\cdot 0{,}7\,H}{\bar Z\cdot 323{,}15}$ . При среднем $\bar Z = 0{,}7953$ показатель экспоненты равен $H/10\,742$ — давление газа растёт в $e$ раз лишь на каждые 10 742 м.
Уровень остановится, где давления равны: $10{,}5\,e^{H/10\,742} = 1{,}2 + 0{,}010595\,H$ . Подбором $H = 971{,}6$ м, оба давления там 11,49 МПа.
Чтобы вытеснить рассол сразу до 2400 м, давление газа там должно быть $1{,}2 + 0{,}010595\cdot 2400 = 26{,}628$ МПа, а на устье, при $\bar Z = 0{,}816$ , — $26{,}628\,e^{-0{,}2178} = 21{,}42$ МПа.

Ответ: Пусковое давление 10,5 МПа вытеснит рассол из затрубья только до глубины около 972 м; чтобы газ сразу дошёл до 2400 м, на устье понадобилось бы 21,42 МПа — вдвое больше, чем даёт компрессор.

Что это значит. Верхний пусковой клапан ставят немного выше найденной глубины — в примере урока на 950 м: так остаётся запас на трение, на ошибку в плотности жидкости и на колебания давления газа. Ниже ставят следующие пусковые клапаны, а их расстановку рассчитывают отдельно (Проектирование газлифта). Высокое давление нужно только на время пуска, а строить ради него компрессор на 21 МПа слишком дорого. Данные примера условные.

Обойти пусковые клапаны можно, только если на время пуска есть газ гораздо большего давления: отдельный пусковой компрессор, азот из передвижной установки или газ высокого давления с соседнего промысла. Так делают, например, в подводных скважинах, где каждый лишний клапан — лишний риск утечки, и ставят единственный клапан. В обычной же газлифтной скважине на НКТ выше рабочего клапана стоят несколько, а в глубоких скважинах и больше десятка скважинных камер с пусковыми клапанами (скважинные камеры).

Пуск шаг за шагом

СхемаСтадии пуска газлифтной скважины (схема, не в масштабе). Голубым показана жидкость, пузырями — газожидкостная смесь, белые клапаны открыты, чёрные закрыты; стрелки у клапанов — куда идут жидкость или газ. В примере урока давление газа на устье при открытии пусковых клапанов — 10,40; 10,25; 10,10; 9,95 МПа, в работе через рабочий клапан — 9,19 МПа.

Как идёт пуск

1
Перед пуском
Затрубье и трубы заполнены жидкостью глушения, НКТ на устье открыты в выкидную линию. Клапаны, над которыми высокий столб жидкости, открыты: давление жидкости у них выше давления азота в камере. Верхние открываются, как только в затрубье подают газ и давление в нём растёт.
2
Вытеснение через все клапаны
Газ подают в затрубье через регулирующий штуцер, медленно поднимая давление. Жидкость из затрубья уходит через все клапаны в трубы и на устье. Если поднять давление резко, жидкость с песком и окалиной пойдёт через маленькие сёдла с большой скоростью и размоет их — потом клапаны будут пропускать газ и в закрытом положении.
3
Газ дошёл до клапана 1
Газ входит в трубы через верхний клапан, смесь над ним облегчается, и давление в трубах у нижних клапанов становится ниже давления жидкости в затрубье — вытеснение продолжается через них. Давление на забое опускается ниже пластового, и пласт начинает отдавать флюид: сначала ту жидкость глушения, которую принял, потом свою продукцию.
4
Передача на клапан 2
Уровень в затрубье доходит до второго клапана, и газ идёт в трубы через оба. Подачу газа на устье ограничивает штуцер, поэтому давление в затрубье падает; когда оно опускается ниже давления закрытия клапана 1, клапан 1 закрывается, и весь газ идёт через клапан 2.
5
До рабочего клапана
Так же газ передаётся на клапаны 3 и 4 и, наконец, на рабочий клапан. С каждой передачей давление в затрубье падает на ступень. Когда газ идёт только через рабочий клапан, расход газа устанавливают проектный, и скважина выходит на режим.

На устье пуск виден по двум давлениям. Давление газа в затрубье сначала растёт до пускового, затем при каждой передаче на следующий клапан падает ступенью и наконец устанавливается на рабочем уровне. Давление в НКТ на устье во время пуска скачет — через трубы идут пробки жидкости и газа — и успокаивается, когда скважина работает через рабочий клапан. По этим записям судят, дошёл ли газ до рабочего клапана.

Затрубье — ёмкость с газом

Затрубье работает как баллон: давление в нём растёт, пока газа с поверхности приходит больше, чем уходит через открытые клапаны, и падает, когда уходит больше. Если подать газа больше, чем пропускает рабочий клапан, давление растёт, и могут открыться пусковые клапаны — газ пойдёт в трубы в нескольких местах (многоточечный ввод). Если меньше — давление падает, и ввод газа может прекратиться. К тому же пуск — неустановившийся процесс: газ запасается в затрубье, температура в скважине меняется, клапаны открываются и закрываются. Поэтому сложные пуски проверяют расчётами неустановившегося течения (Эксплуатация и оптимизация газлифта).

Как устроен газлифтный клапан

Самый распространённый газлифтный клапан — сильфонный с азотной камерой, управляемый давлением газа (IPO, injection-pressure-operated). Его ставят в карман скважинной камеры и меняют канатной техникой без подъёма НКТ (замена клапанов в скважинных камерах).

СхемаГазлифтный клапан, управляемый давлением газа (схема, не в масштабе). Давление азота

p_{\text{з}}

прижимает шарик к седлу; давление газа из затрубья

p_{\text{г}}

давит на сильфон снаружи, давление в НКТ

p_{\text{т}}

— на шарик через седло.

Камера с азотом (dome) — заряжена на поверхности азотом под давлением $p_{\text{з}}$ ; азот давит на сильфон и через шток прижимает шарик к седлу. Часть камеры иногда заполняют вязкой силиконовой жидкостью, которая гасит вибрацию штока.
Сильфон (bellows) — гофрированная металлическая гармошка с эффективной площадью $A_{\text{с}}$ ; снаружи на него давит газ из затрубья, и он сжимается, поднимая шток. Пружина или упор не дают сильфону сжаться слишком сильно и потерять упругость.
Шток с шариком и седло — запорная пара; площадь седла по линии касания шарика $A_{\text{о}}$ (port area). Через седло газ проходит в трубы, а пока клапан закрыт, на шарик снизу давит давление в НКТ.
Окна и уплотнения — газ из затрубья входит в клапан через окна кармана камеры; уплотнения выше и ниже окон отделяют его от НКТ.
Обратный клапан — не даёт продукции из НКТ пройти в затрубье, когда давление в трубах больше давления газа.

Виды газлифтных клапанов

Клапан: Сильфонный с азотной камерой, управляемый давлением газа
Что его открывает и закрывает: давление газа на сильфон против давления азота; давление в трубах влияет немного
Где применяют: пусковые клапаны непрерывного газлифта — основной вид

Клапан: С пружиной вместо азота или вместе с ним
Что его открывает и закрывает: давление газа против силы пружины; от температуры почти не зависит
Где применяют: там, где трудно учесть температуру; при высоких давлениях пружину добавляют к азоту

Клапан: Управляемый давлением в трубах
Что его открывает и закрывает: давление в трубах на сильфон; давление газа действует только на седло
Где применяют: периодический газлифт; скважины, где газ из одного затрубья идёт в два лифта

Клапан: Отверстие (без запорной части)
Что его открывает и закрывает: всегда открыто; расход задают отверстие и перепад давлений
Где применяют: рабочий клапан непрерывного газлифта

Клапан: Глухая пробка
Что его открывает и закрывает: закрывает карман камеры
Где применяют: камеры, которые пока не нужны или поставлены на будущее

Клапан	Что его открывает и закрывает	Где применяют
Сильфонный с азотной камерой, управляемый давлением газа	давление газа на сильфон против давления азота; давление в трубах влияет немного	пусковые клапаны непрерывного газлифта — основной вид
С пружиной вместо азота или вместе с ним	давление газа против силы пружины; от температуры почти не зависит	там, где трудно учесть температуру; при высоких давлениях пружину добавляют к азоту
Управляемый давлением в трубах	давление в трубах на сильфон; давление газа действует только на седло	периодический газлифт; скважины, где газ из одного затрубья идёт в два лифта
Отверстие (без запорной части)	всегда открыто; расход задают отверстие и перепад давлений	рабочий клапан непрерывного газлифта
Глухая пробка	закрывает карман камеры	камеры, которые пока не нужны или поставлены на будущее

Клапаны выпускают диаметром около 25 мм (1″) и 38 мм (1½″), реже меньше; бо́льшие пропускают больше газа и позволяют поставить седло большего диаметра.

Баланс сил: давления открытия и закрытия

Пока клапан закрыт, на подвижную систему «сильфон — шток — шарик» действуют три силы. Азот давит на всю площадь сильфона и прижимает шарик к седлу: сила закрытия $p_{\text{з}}A_{\text{с}}$ . Газ из затрубья давит на сильфон снаружи, но только на кольцевую площадь $A_{\text{с}} - A_{\text{о}}$ : внутри седла шарик снизу подпирает давление в трубах, которое действует на площадь $A_{\text{о}}$ . Клапан открывается, когда сумма двух последних сил сравняется с первой.

Давление газа, открывающее клапан

p_{\text{з}}A_{\text{с}} = p_{\text{г}}\,(A_{\text{с}} - A_{\text{о}}) + p_{\text{т}}A_{\text{о}}\quad\Rightarrow\quad p_{\text{г,откр}} = \frac{p_{\text{з}} - R\,p_{\text{т}}}{1 - R},\qquad R = \frac{A_{\text{о}}}{A_{\text{с}}}

где:

$p_{\text{з}}$ давление азота в камере при температуре клапана в скважине, МПа
$p_{\text{г}}$ давление газа в затрубье на глубине клапана, МПа
$p_{\text{т}}$ давление в НКТ на глубине клапана, МПа
$A_{\text{с}},\ A_{\text{о}}$ эффективная площадь сильфона и площадь седла по линии касания шарика, см²
$R$ отношение площадей седла и сильфона; у пусковых клапанов обычно сотые доли, —

Единицы: любые согласованные; давления все абсолютные или все избыточные — уравнение от этого не меняется, потому что площади с каждой стороны в сумме равны $A_{\text{с}}$

Справедливо, если

клапан без пружины; упругость самого сильфона не учитывают;
давления постоянны по площадям, на которые они действуют.

Давление газа, открывающее клапан, тем ниже, чем выше давление в трубах: чем тяжелее столб в НКТ у клапана, тем легче клапану открыться. Насколько сильно — задаёт отношение площадей $R$ : при малом седле давление в трубах почти не влияет, и клапан реагирует только на давление газа.

Давление закрытия и разность давлений открытия и закрытия

p_{\text{г,закр}} = p_{\text{з}},\qquad \Delta p_{\text{оз}} = p_{\text{г,откр}} - p_{\text{г,закр}} = k_{\text{т}}\,(p_{\text{з}} - p_{\text{т}}),\qquad k_{\text{т}} = \frac{R}{1 - R}

где:

$p_{\text{г,закр}}$ давление газа, при котором открытый клапан закрывается, МПа
$\Delta p_{\text{оз}}$ разность давлений открытия и закрытия (valve spread), МПа
$k_{\text{т}}$ коэффициент влияния давления в трубах (TEF): на сколько снижается давление открытия при росте давления в трубах на единицу, —

Единицы: любые согласованные

Справедливо, если

когда шарик отошёл от седла, давление газа действует на всю площадь сильфона, и клапан держится открытым, пока $p_{\text{г}} > p_{\text{з}}$ ;
клапан без пружины; на деле упругость сильфона сдвигает давление закрытия — об этом ниже.

Открытый клапан закрывается при меньшем давлении газа, чем открылся: разность растёт с $R$ и с перепадом между давлением азота и давлением в трубах. Для пусковых клапанов это решающее свойство: чтобы верхний клапан закрылся, давление газа после передачи на нижний должно упасть на эту разность.

РасчётДавление газа, открывающее клапан № 2 примера (давление азота 11,710 МПа), в зависимости от давления в трубах у клапана — для седла 4,8; 6,4 и 7,9 мм (

R

= 0,036; 0,064; 0,098). Штриховая линия — давление закрытия, равное давлению азота. Все линии сходятся там, где давление в трубах равно давлению азота.

Расчётный примерДавления открытия и закрытия пускового клапана

Исходные данные (условные)

Клапан: пусковой клапан № 2 на глубине 1570 м: эффективная площадь сильфона 5,0 см², седло диаметром 4,8 мм, пружины нет
Расчёт пуска задал: клапан должен открыться, когда давление газа на устье затрубья 10,25 МПа, а давление в НКТ у клапана 7,588 МПа (проектные данные этой скважины, приняты; как расставляют клапаны — урок Проектирование газлифта); давления абсолютные
Газ в затрубье: как в предыдущем примере: относительная плотность 0,7, средняя температура 323,15 К

Решение

Площадь седла $A_{\text{о}} = \pi\cdot 0{,}48^2/4 = 0{,}1810$ см²; $R = 0{,}1810/5{,}0 = 0{,}0362$ ; $k_{\text{т}} = R/(1 - R) = 0{,}0376$ .
Давление газа у клапана при 10,25 МПа на устье: $10{,}25\exp\dfrac{0{,}03418\cdot 0{,}7\cdot 1570}{0{,}79465\cdot 323{,}15} = 11{,}865$ МПа.
Давление азота в скважине, при котором клапан откроется именно так: $p_{\text{з}} = p_{\text{г}}(1 - R) + R\,p_{\text{т}} = 11{,}865\cdot 0{,}9638 + 0{,}0362\cdot 7{,}588 = 11{,}435 + 0{,}275 = 11{,}710$ МПа.
Закроется клапан, когда давление газа у него упадёт до 11,710 МПа. Разность давлений открытия и закрытия $11{,}865 - 11{,}710 = 0{,}155$ МПа — то же даёт $k_{\text{т}}(p_{\text{з}} - p_{\text{т}}) = 0{,}0376\cdot(11{,}710 - 7{,}588) = 0{,}155$ МПа.
Приведённое к устью по формуле газового столба давление закрытия — 10,12 МПа: при таком давлении газа на устье клапан № 2 закроется.
С седлом 7,9 мм ( $R = 0{,}0980$ ) при том же давлении азота клапан открылся бы при $(11{,}710 - 0{,}0980\cdot 7{,}588)/(1 - 0{,}0980) = 12{,}158$ МПа, а разность давлений открытия и закрытия выросла бы до 0,448 МПа.

Ответ: Камеру клапана № 2 заряжают так, чтобы в скважине давление азота было 11,710 МПа: клапан откроется при 11,865 МПа газа у клапана и закроется при 11,710 МПа — на 0,155 МПа ниже.

Что это значит. Малое седло пусковых клапанов — сознательный выбор. Разность давлений открытия и закрытия мала, поэтому верхний клапан закрывается, как только давление газа после передачи на следующий клапан немного упадёт, и давление в трубах почти не сдвигает его настройку. С большим седлом клапан пропустил бы больше газа, но закрывался бы только при заметно меньшем давлении, а при росте давления в трубах мог бы открыться снова, когда газ уже идёт глубже. Данные примера условные.

Давление закрытия не всегда равно давлению азота

Простой баланс сил не учитывает собственную упругость сильфона. Испытания клапанов разных изготовителей с сёдлами от 12/64 до 16/64 дюйма (4,8–6,4 мм), опубликованные в 2024 году, показали расхождение давления закрытия и давления азота от 0,14 до более чем 1,7 МПа (20–250 psi) в зависимости от модели. Поэтому при проектировании пользуются данными изготовителя о конкретных клапанах, а не только формулой.

Теперь видно, когда пуск пройдёт как задумано. Когда газ дошёл до клапана 2 и идёт через оба клапана, давление газа падает; клапан 1 закроется раньше клапана 2, если его давление закрытия выше. Значит, давления закрытия, приведённые к устью, должны убывать сверху вниз, а в работе давление газа на устье должно быть ниже давлений закрытия всех пусковых клапанов.

Пусковые клапаны примера: давления открытия и закрытия (абсолютные)

Клапан, глубина: 1, 950 м
Открытие на устье, МПа: 10,40
Открытие у клапана, МПа: 11,360
Азот в камере = закрытие у клапана, МПа: 11,132
Закрытие на устье, МПа: 10,19

Клапан, глубина: 2, 1570 м
Открытие на устье, МПа: 10,25
Открытие у клапана, МПа: 11,865
Азот в камере = закрытие у клапана, МПа: 11,710
Закрытие на устье, МПа: 10,12

Клапан, глубина: 3, 1980 м
Открытие на устье, МПа: 10,10
Открытие у клапана, МПа: 12,148
Азот в камере = закрытие у клапана, МПа: 12,044
Закрытие на устье, МПа: 10,02

Клапан, глубина: 4, 2250 м
Открытие на устье, МПа: 9,95
Открытие у клапана, МПа: 12,273
Азот в камере = закрытие у клапана, МПа: 12,203
Закрытие на устье, МПа: 9,90

Клапан, глубина: рабочий, 2400 м
Открытие на устье, МПа: 9,19 (в работе)
Открытие у клапана, МПа: 11,465
Азот в камере = закрытие у клапана, МПа: —
Закрытие на устье, МПа: —

Клапан, глубина	Открытие на устье, МПа	Открытие у клапана, МПа	Азот в камере = закрытие у клапана, МПа	Закрытие на устье, МПа
1, 950 м	10,40	11,360	11,132	10,19
2, 1570 м	10,25	11,865	11,710	10,12
3, 1980 м	10,10	12,148	12,044	10,02
4, 2250 м	9,95	12,273	12,203	9,90
рабочий, 2400 м	9,19 (в работе)	11,465	—	—

Седло 4,8 мм, $R$ = 0,0362; давление в трубах при открытии каждого клапана — по расчёту пуска. Давления закрытия на устье убывают сверху вниз (10,19; 10,12; 10,02; 9,90), и при каждой передаче верхний клапан закрывается раньше нижнего. В работе давление газа на устье, 9,19 МПа, на 0,7–1,0 МПа ниже давлений закрытия пусковых клапанов, а открыться они могли бы в работе лишь при 10,42; 10,27; 10,11; 9,95 МПа на устье. Данные условные.

Клапаны, управляемые давлением в трубах, и другие

В клапане, управляемом давлением в трубах (его называют и клапаном, управляемым давлением жидкости; PPO, production-pressure-operated, или fluid-operated), роли давлений меняются: карман скважинной камеры устроен так, что на сильфон снаружи давит давление в НКТ, а газ из затрубья подходит к седлу. Баланс сил получается тот же, только $p_{\text{г}}$ и $p_{\text{т}}$ меняются местами.

Давление в трубах, открывающее клапан, управляемый давлением в трубах

p_{\text{т,откр}} = \frac{p_{\text{з}} - R\,p_{\text{г}}}{1 - R}

где:

$p_{\text{т,откр}}$ давление в НКТ у клапана, при котором он открывается, МПа
$p_{\text{з}},\ p_{\text{г}},\ R$ давление азота при температуре клапана, давление газа у клапана, отношение площадей седла и сильфона, МПа, МПа, —

Единицы: любые согласованные; давления все абсолютные или все избыточные

Справедливо, если

клапан без пружины; на сильфон снаружи действует давление в трубах, на седло — давление газа.

Клапан открывается, когда растёт давление в трубах у клапана — когда над ним накопилась жидкость. Поэтому такие клапаны удобны в периодическом газлифте и там, где давление газа в затрубье не годится как сигнал, например когда газ из одного затрубья идёт в несколько лифтов. Расстановку клапанов для них ведут по другим правилам (Проектирование газлифта).

У клапанов с пружиной закрывающую силу создаёт пружина, и от температуры их настройка почти не зависит; в клапанах высокого давления пружину иногда добавляют к азоту, потому что одна пружина не даёт нужной силы. Клапаны пропорционального действия открываются не скачком, а постепенно: проходное сечение растёт вместе с давлением, и расход газа следует за ним. Они точнее подстраивают подачу газа, но сложнее устроены и требуют точной настройки.

Настройка на стенде и поправка на температуру

Камеру клапана заряжают азотом в мастерской. Затем клапан ставят на испытательный стенд: в термостат с постоянной температурой, сторону НКТ оставляют открытой в атмосферу, а со стороны затрубья плавно поднимают давление газа, пока клапан не откроется. Это давление — давление открытия на стенде (test-rack opening pressure) — проверяет, что камера заряжена правильно. Большинство изготовителей настраивают клапаны при 60 °F (15,6 °C), некоторые — при 80 °F (26,7 °C); какая температура принята, уточняют у изготовителя.

Давление открытия на стенде

p_{\text{TRO}} = \frac{p_{\text{з}}^{\text{ст}}}{1 - R}

где:

$p_{\text{TRO}}$ давление газа, открывающее клапан на стенде, МПа (изб.)
$p_{\text{з}}^{\text{ст}}$ давление азота в камере при температуре стенда, МПа (изб.)
$R$ отношение площадей седла и сильфона, —

Единицы: давления избыточные, как их показывают манометры стенда

Справедливо, если

со стороны НКТ атмосферное давление, то есть $p_{\text{т}} = 0$ по манометру; уравнение — частный случай баланса сил.

Стендовое давление больше давления азота в $1/(1 - R)$ раз: при закрытом клапане газ давит только на кольцевую площадь сильфона.

Азот в камере — газ в замкнутом объёме: в горячей скважине его давление выше, чем на стенде. Клапан должен открываться в скважине при расчётном давлении, поэтому на стенде его заряжают до меньшего давления, пересчитанного к температуре стенда. Камеру заряжают именно газом, а не жидкостью: жидкость почти не сжимается, и при нагреве давление в камере выросло бы настолько, что разорвало бы сильфон. Из газов берут азот: он инертен — не горит и не вызывает коррозии, — дёшев и продаётся в баллонах, а рост его давления при нагреве давно измерен и сведён в таблицы.

Поправка на температуру азота в камере

C_T = \frac{p_{\text{з}}^{\text{ст}}}{p_{\text{з}}} = \frac{1}{1 + 0{,}00215\,(T_{^{\circ}\text{F}} - 60)}

где:

$C_T$ поправочный коэффициент от температуры клапана к температуре стенда 60 °F, —
$p_{\text{з}}$ давление азота при температуре клапана в скважине, МПа (изб.)
$T_{^{\circ}\text{F}}$ температура клапана в скважине, °F

Единицы: температура в градусах Фаренгейта; давления избыточные, как в принятой промысловой методике

Справедливо, если

эмпирическая линейная аппроксимация свойств азота при постоянном объёме камеры; по ней составлены таблицы коэффициентов для настройки клапанов;
достаточно точна при давлении азота около 4 МПа; при более высоком давлении реальный азот при нагреве поднимает давление сильнее, и поправка его недооценивает (дополнительный раздел);
если часть камеры заполнена силиконовой жидкостью, при нагреве она тоже расширяется и добавляет давления.

Давление азота на стенде меньше, чем в скважине: при 80 °C — примерно на пятую часть. Для идеального газа при постоянном объёме коэффициент при $(T - 60)$ был бы $1/520 = 0{,}00192$ на градус Фаренгейта (для абсолютного давления); у азота при давлениях в камерах клапанов он больше.

В других системах единиц (1)

Температура в градусах Цельсия

C_T = \frac{1}{1 + 0{,}00387\,(T_{^{\circ}\text{C}} - 15{,}6)}

$T$ — °C; давления избыточные.

$0{,}00387 = 0{,}00215\cdot 1{,}8$ : градус Цельсия равен 1,8 градуса Фаренгейта, а 60 °F = 15,6 °C.

Расчётный примерНастройка пускового клапана на стенде

Исходные данные (условные)

Клапан: № 2 из предыдущего примера: давление азота в скважине 11,710 МПа (абсолютное), $R = 0{,}0362$
Температура: поток в НКТ на устье 40 °C, у перфорации на 2500 м — 85 °C; температуру клапана берут на прямой между ними (принято)
Стенд: 60 °F (15,6 °C), со стороны НКТ — атмосферное давление 0,101 МПа; давления на стенде избыточные

Решение

Температура клапана: $40 + 45\cdot 1570/2500 = 68{,}26$ °C, или $1{,}8\cdot 68{,}26 + 32 = 154{,}87$ °F.
Поправочный коэффициент: $C_T = 1/[1 + 0{,}00215\cdot(154{,}87 - 60)] = 0{,}8306$ .
Избыточное давление азота в скважине: $11{,}710 - 0{,}101 = 11{,}609$ МПа; при 15,6 °C оно будет $0{,}8306\cdot 11{,}609 = 9{,}642$ МПа — до него и заряжают камеру.
Давление открытия на стенде: $p_{\text{TRO}} = 9{,}642/(1 - 0{,}0362) = 10{,}004$ МПа (изб.).
Если забыть о поправке и зарядить камеру до 11,609 МПа, в скважине давление азота вырастет до $11{,}609/0{,}8306 = 13{,}977$ МПа (изб.), и клапан откроется при давлении газа примерно на $(13{,}977 - 11{,}609)/(1 - 0{,}0362) = 2{,}46$ МПа выше расчётного.
Ошибка в температуре клапана на 10 °C меняет давление азота в скважине примерно на $0{,}00387\cdot 10\cdot 9{,}642 = 0{,}37$ МПа.

Ответ: Клапан № 2 настраивают на давление открытия на стенде 10,004 МПа (изб.) при 15,6 °C; без поправки на температуру он открылся бы в скважине на 2,46 МПа выше расчётного — газ компрессора его просто не открыл бы.

Что это значит. Поправка на температуру — не уточнение, а основа настройки: она сдвигает давления на мегапаскали, а давления открытия соседних клапанов различаются на десятые доли мегапаскаля. Даже ошибка в оценке температуры на 10 °C сдвигает давление азота больше, чем на шаг между клапанами. Если температура в скважине окажется выше принятой, клапаны откроются и закроются при большем давлении газа, чем рассчитано, — верхний клапан может не открыться, и пуск остановится; если ниже — клапаны закроются позже, и газ может пойти в трубы в нескольких местах. Данные примера условные.

Настройка пусковых клапанов примера на стенде при 15,6 °C

Клапан, глубина: 1, 950 м
Температура, °C: 57,10
Азот в скважине, МПа изб.: 11,031
$C_T$: 0,8615
Открытие на стенде, МПа изб.: 9,860

Клапан, глубина: 2, 1570 м
Температура, °C: 68,26
Азот в скважине, МПа изб.: 11,609
$C_T$: 0,8306
Открытие на стенде, МПа изб.: 10,004

Клапан, глубина: 3, 1980 м
Температура, °C: 75,64
Азот в скважине, МПа изб.: 11,943
$C_T$: 0,8113
Открытие на стенде, МПа изб.: 10,053

Клапан, глубина: 4, 2250 м
Температура, °C: 80,50
Азот в скважине, МПа изб.: 12,102
$C_T$: 0,7991
Открытие на стенде, МПа изб.: 10,034

Клапан, глубина	Температура, °C	Азот в скважине, МПа изб.	$C_T$	Открытие на стенде, МПа изб.
1, 950 м	57,10	11,031	0,8615	9,860
2, 1570 м	68,26	11,609	0,8306	10,004
3, 1980 м	75,64	11,943	0,8113	10,053
4, 2250 м	80,50	12,102	0,7991	10,034

Азот в скважине — давление из предыдущей таблицы минус 0,101 МПа. Давление азота при 15,6 °C — произведение третьего и четвёртого столбцов, округлённое до 0,001 МПа; давление открытия на стенде — оно же, делённое на $1 - R$ = 0,9638. В скважине нижние клапаны должны открываться при меньшем давлении газа на устье, а на стенде их давления открытия почти одинаковы: чем глубже клапан, тем он горячее, и поправка на температуру съедает разницу. Данные условные.

РасчётНасколько давление реального азота в камере при нагреве выше, чем предсказывает поправка 0,00215, при трёх давлениях зарядки на стенде (абсолютных). Расчёт по уравнению состояния Пенга — Робинсона из урока Кубические уравнения состояния; при давлении зарядки около 4 МПа поправка почти точна, при 8–12 МПа и 80 °C она занижает давление на 1,7–3 %.

Какую температуру брать

Клапан нагревается потоком в НКТ, и его температура зависит от дебита: при пуске, пока дебит мал, клапаны холоднее, в работе — теплее (температура потока в скважине). Если настроить клапаны по температуре пород, в работе они окажутся горячее, откроются и закроются при большем давлении газа, и пуск может остановиться на верхнем клапане. Обычно берут прямую от температуры потока на устье при наибольшем ожидаемом дебите до пластовой температуры: она немного ниже фактической, и в работе верхние клапаны надёжнее остаются закрытыми.

Сколько газа пропускает клапан

Через седло или отверстие клапана газ течёт так же, как через штуцер (расход газа через штуцер): пока давление в трубах выше критического — примерно 0,55 давления газа для природного газа, — течение докритическое, и расход растёт с перепадом; ниже — критическое, и расход перестаёт зависеть от давления в трубах (критическое и докритическое течение). В газлифтной практике эту формулу для отверстия клапана называют по именам её авторов — Торнхилла и Крейвера (Thornhill–Craver).

РасчётРасход газа через отверстие рабочего клапана на 2400 м в зависимости от давления в трубах при давлении газа у клапана 11,465 МПа, для отверстий 8,0; 9,7 и 11,1 мм (коэффициент расхода 0,85, показатель адиабаты 1,27). Левее штриховой линии течение критическое. Точка — рабочий режим урока: 60 тыс. м³/сут при 10,965 МПа в трубах.

Расчётный примерКакое отверстие нужно рабочему клапану

Исходные данные (условные)

Рабочий клапан: отверстие с острой кромкой на 2400 м; через него нужно 60 тыс. м³/сут газа при давлении газа у клапана 11,465 МПа и в НКТ 10,965 МПа — перепад 0,5 МПа, как принято в уроке Газлифт: принцип и подбор режима
Газ: относительная плотность 0,7, показатель адиабаты 1,27, температура у клапана 83,2 °C; коэффициент расхода отверстия 0,85 (принят)

Решение

Отношение давлений $10{,}965/11{,}465 = 0{,}956$ больше критического $(2/2{,}27)^{1{,}27/0{,}27} = 0{,}551$ : течение докритическое, и расход газа зависит от давления в трубах.
По формуле расхода газа через штуцер 60 тыс. м³/сут при этих давлениях проходят через отверстие диаметром 9,70 мм.
Если давление в трубах упадёт ниже $0{,}551\cdot 11{,}465 = 6{,}32$ МПа, течение станет критическим, и отверстие пропустит не больше 138 тыс. м³/сут.
Отверстие 7,0 мм пропустило бы 60 тыс. м³/сут только при давлении газа у клапана 12,83 МПа — на устье 10,25 МПа. Это выше давлений, при которых в работе открываются клапаны № 3 и № 4: 10,11 и 9,95 МПа на устье (давление в трубах у них в работе ниже, чем при пуске, и давления открытия чуть выше пусковых).

Ответ: Рабочему клапану нужно отверстие около 9,7 мм. Отверстие 7,0 мм потребовало бы давления газа на устье 10,25 МПа — клапаны № 3 и № 4 открылись бы, и газ пошёл бы в трубы сразу в трёх местах.

Что это значит. Отверстие рабочего клапана — главный «регулятор» режима: оно должно пропускать расчётный газ при небольшом перепаде, иначе давление газа поднимется в область настройки пусковых клапанов. В докритическом режиме расход через отверстие зависит от давления в трубах, поэтому пульсации потока в НКТ раскачивают и подачу газа — это одна из причин неустойчивой работы (Эксплуатация и оптимизация газлифта). Отверстия со специально профилированным каналом (сопло с диффузором), по данным изготовителей, выходят на критический режим уже при перепаде около 10 % и подают газ ровнее. Отверстие подбирают и на будущее: при росте обводнённости газа понадобится больше, а сменить клапан можно канатной техникой. Данные примера условные.

С сильфонным клапаном сложнее: шарик отходит от седла не сразу на полный ход, а постепенно, по мере роста давления газа, и в начале хода клапан пропускает меньше, чем открытое седло. Насколько — показывают испытания клапана на потоке газа (их методику задаёт рекомендованная практика API RP 11V2): по ним находят жёсткость клапана — перепад давления, нужный, чтобы сдвинуть шток на единицу хода, — и пропускную способность при разных ходах. Простой расчёт по полному сечению седла приемлем для малых сёдел; для больших берут запас — меньшую долю расчётного расхода или седло на размер больше.

Надёжность пуска и контроль на устье

Запасы в расчёте. Давления открытия соседних клапанов различают с запасом: на ошибки настройки на стенде, неточность температуры, колебания давления газа в сети, перепад, нужный, чтобы шток прошёл свой ход. Чем точнее данные, тем меньше нужен запас и тем глубже удаётся ввести газ (Проектирование газлифта).
Взаимовлияние клапанов (valve interference). Если давление в трубах у верхнего клапана выросло — например, дебит увеличился, когда газ пошёл глубже, — его давление открытия снижается и он может открыться снова. Клапаны с малым седлом к этому малочувствительны: в примере урока, чтобы в работе снова открыть клапан № 4, давление в трубах у него должно было бы вырасти до десятков мегапаскалей.
Контрольный нижний клапан (flag valve). Нижний клапан иногда настраивают на заметно меньшее давление газа, чем остальные: тогда по давлению на устье сразу видно, что газ идёт через него, — если, конечно, нет утечки в НКТ выше.
Проверка по замерам. Где на самом деле входит газ, показывают записи давлений на устье, глубинные замеры давления и температуры в НКТ (у точки ввода газ охлаждает поток) и расчёт режима по модели скважины; неполадки и их признаки разобраны в уроке Эксплуатация и оптимизация газлифта.

Газ высокого давления и заряженные клапаны

При пуске в затрубье — газ под давлением порядка 10 МПа, а из НКТ на устье выходят жидкость глушения, газ и пластовый флюид, иногда с сероводородом. Камера клапана, заряженного азотом, — сосуд под давлением: заряжают и испытывают клапаны только в мастерской обученные специалисты. Описание в уроке учебное, а не порядок работ: пуск скважины, смену клапанов и работы под давлением выполняют по утверждённым планам и инструкциям обученные и допущенные специалисты.

Термины и обозначения

Пуск газлифтной скважины: вытеснение жидкости глушения газом через пусковые клапаны сверху вниз до рабочего клапана.
Пусковое давление: наибольшее давление газа на устье затрубья, доступное при пуске; задаёт глубину верхнего пускового клапана.
Пусковой и рабочий клапаны: пусковые работают только при пуске и закрываются, когда газ ушёл ниже; через рабочий газ идёт постоянно.
Клапан, управляемый давлением газа: сильфонный клапан, который открывает давление газа в затрубье; давление в трубах влияет на него слабо.
Клапан, управляемый давлением в трубах: сильфон клапана нагружен давлением в НКТ; клапан открывается при росте давления в трубах.
$p_{\text{з}}$ , $A_{\text{с}}$ , $A_{\text{о}}$ , $R$: давление азота в камере, эффективная площадь сильфона, площадь седла и их отношение.
Разность давлений открытия и закрытия: $k_{\text{т}}(p_{\text{з}} - p_{\text{т}})$ ; мала у клапанов с малым седлом.
Коэффициент влияния давления в трубах: $k_{\text{т}} = R/(1 - R)$ — на сколько снижается давление открытия при росте давления в трубах на единицу.
Давление открытия на стенде: избыточное давление газа, открывающее клапан на стенде при 15,6 °C и атмосферном давлении со стороны НКТ.
$C_T$: поправочный коэффициент давления азота от температуры клапана в скважине к температуре стенда.
Многоточечный ввод газа: газ входит в трубы одновременно через несколько клапанов; признак неправильной настройки или неполадок.

Частые ошибки и заблуждения

Неверно

«Компрессор даёт достаточно давления для работы — значит, и пустит скважину через рабочий клапан».

На самом деле

В работе газу противостоит лёгкая смесь, а при пуске — столб жидкости глушения. В примере урока давление, достаточное для работы через клапан на 2400 м (9,19 МПа), при пуске вытесняет рассол лишь до 821 м, а пусковые 10,5 МПа — до 972 м; без пусковых клапанов понадобилось бы 21,4 МПа.

Неверно

«Клапан закрывается при том же давлении, при котором открылся».

На самом деле

Открытый клапан закрывается при давлении газа, равном давлению азота, — ниже давления открытия на $k_{\text{т}}(p_{\text{з}} - p_{\text{т}})$ . В примере урока это 0,155 МПа для седла 4,8 мм и 0,448 МПа для седла 7,9 мм.

Неверно

«Поправка на температуру — тонкость, ею можно пренебречь».

На самом деле

Без неё клапан № 2 урока открылся бы в скважине почти на 2,5 МПа выше расчётного — при давлениях, которых компрессор не даёт. Даже ошибка в температуре на 10 °C сдвигает давление азота больше, чем шаг между давлениями соседних клапанов.

Неверно

«Отверстие рабочего клапана лучше взять поменьше — газа уйдёт меньше».

На самом деле

Расход газа задают на поверхности; маленькое отверстие лишь поднимает давление газа, нужное, чтобы пропустить этот расход. Когда оно доходит до давлений открытия пусковых клапанов, они открываются, и газ идёт в трубы выше рабочего клапана.

Подробно: для продвинутых

Откуда разность давлений открытия и закрытия

Вычтем из давления открытия $p_{\text{г,откр}} = (p_{\text{з}} - Rp_{\text{т}})/(1 - R)$ давление закрытия $p_{\text{з}}$ : $\Delta p_{\text{оз}} = \dfrac{p_{\text{з}} - Rp_{\text{т}} - p_{\text{з}} + Rp_{\text{з}}}{1 - R} = \dfrac{R}{1 - R}(p_{\text{з}} - p_{\text{т}})$ . На стенде $p_{\text{т}} = 0$ , и разность равна $k_{\text{т}}\,p_{\text{з}}^{\text{ст}}$ — такую разность измеряют, когда на стенде проверяют и давление закрытия клапана.

Смысл прост. Пока клапан закрыт, площадь внутри седла занимает давление в трубах, обычно меньшее давления газа, и газу приходится «доплачивать» за эту площадь. Как только шарик отошёл от седла, давление газа действует на всю площадь сильфона, и для того же равновесия его нужно меньше. Чем больше седло относительно сильфона и чем ниже давление в трубах, тем больше разность. Поэтому пусковым клапанам дают малые сёдла, а для пропускной способности ставят клапан большего диаметра с большим сильфоном.

Когда поправки 0,00215 мало

Поправка $C_T$ — линейная аппроксимация, подобранная по свойствам азота. Для идеального газа при постоянном объёме давление пропорционально абсолютной температуре. Реальный азот при давлениях в камерах клапанов при нагреве поднимает давление сильнее, и тем сильнее, чем выше давление зарядки. Расчёт по уравнению состояния Пенга — Робинсона (Кубические уравнения состояния), которое для азота в этом диапазоне передаёт рост давления при нагреве в постоянном объёме с точностью около 0,2 % (сами плотности оно даёт с ошибкой 1–2 %, но в отношении давлений она почти сокращается), даёт при 80 °C отношение давлений 1,247 для зарядки 4 МПа и 1,277 для 10 МПа, а поправка 0,00215 — 1,243 и 1,247; идеальный газ — 1,223.

Для клапанов примера это значит: камеры, заряженные по поправке 0,00215, в скважине будут иметь давление азота выше расчётного — на 0,18 МПа у клапана № 1 и на 0,28 МПа у клапана № 4. Все клапаны откроются и закроются примерно на столько же выше расчёта, а это больше шага давлений между клапанами (0,15 МПа на устье). Порядок закрытия в примере сохраняется, но запас между давлениями закрытия клапанов № 1 и № 2 уменьшается с 0,075 до 0,041 МПа.

Поэтому для глубоких скважин с высокими давлениями зарядки пользуются более точными зависимостями, учитывающими давление зарядки (их строили по свойствам азота, например Винклер и Идс), или считают давление азота прямо по уравнению состояния. Ещё точнее — испытать клапан при температуре, близкой к скважинной.

Связь с другими темами

Газлифт: принцип и подбор режима — газлифт, рабочая точка, давление закачки и глубина ввода газа — исходные данные пуска.
Оборудование лифтовой колонны — скважинные камеры, в которые ставят газлифтные клапаны.
Канатные работы в скважине — замена газлифтных клапанов канатной техникой.
Штуцеры, наземные потери и температура в скважине — расход газа через штуцер и критическое течение; температура потока в скважине.
Кубические уравнения состояния — уравнение Пенга — Робинсона, по которому проверена поправка на температуру азота.
Проектирование газлифта — расстановка пусковых клапанов и запасы в расчёте.
Эксплуатация и оптимизация газлифта — неполадки газлифтных скважин и их диагностика.

Проверьте себя

1
Почему газлифтную скважину нельзя запустить, подав газ сразу на рабочий клапан, если давления компрессора хватает для работы через этот клапан?
1. А.При пуске газу противостоит столб жидкости глушения в трубах, а в работе — лёгкая газожидкостная смесь
2. Б.Пусковые клапаны нужны только для экономии газа
3. В.Газ при пуске холоднее и тяжелее
4. Г.Рабочий клапан при пуске всегда закрыт
Показать ответ
Правильный ответ: А. При пуске газу противостоит столб жидкости глушения в трубах, а в работе — лёгкая газожидкостная смесь
Пока трубы заполнены жидкостью глушения, давление в них на глубине рабочего клапана равно весу всего столба жидкости — в примере урока больше 26 МПа на 2400 м. В работе в трубах над рабочим клапаном лёгкая смесь, давление в них у клапана около 11 МПа, и газу хватает 11,5 МПа. Пусковые клапаны позволяют вытеснять жидкость по частям, облегчая столб сверху.
2
Пусковое давление на устье 7,0 МПа, жидкость глушения — рассол плотностью 1150 кг/м³, давление на устье НКТ 0,8 МПа (давления абсолютные). Оцените глубину верхнего пускового клапана, сначала пренебрегая весом газа, затем учтя, что давление газа растёт в $e$ раз на каждые 12 000 м.
Показать ответ
Без веса газа: $7{,}0 = 0{,}8 + 1150\cdot 9{,}81\cdot 10^{-6}H = 0{,}8 + 0{,}01128H$ , откуда $H = 6{,}2/0{,}01128 \approx 550$ м. С весом газа давление газа на 550 м — $7{,}0\,e^{550/12\,000} \approx 7{,}33$ МПа, больше давления рассола там же, поэтому уровень уйдёт глубже: уравнение $7{,}0\,e^{H/12\,000} = 0{,}8 + 0{,}01128H$ даёт $H \approx 580$ м — вес газового столба добавляет около 30 м. Клапан ставят немного выше, оставляя запас.
3
У клапана, управляемого давлением газа, давление азота в скважине 9,0 МПа, $R = 0{,}06$ , давление в трубах у клапана 5,0 МПа. При каком давлении газа он откроется и при каком закроется?
Показать ответ
Открытие: $p_{\text{г}} = (9{,}0 - 0{,}06\cdot 5{,}0)/(1 - 0{,}06) = 8{,}7/0{,}94 \approx 9{,}26$ МПа. Закрытие — при давлении газа, равном давлению азота, 9,0 МПа. Разность 0,26 МПа; то же даёт $k_{\text{т}}(p_{\text{з}} - p_{\text{т}}) = 0{,}0638\cdot 4{,}0 \approx 0{,}26$ МПа.
4
Клапан будет работать при 90 °C, и давление азота при этой температуре должно быть 10,0 МПа (изб.); $R = 0{,}06$ . На какое давление открытия его настраивают на стенде при 60 °F?
Показать ответ
90 °C = 194 °F; $C_T = 1/[1 + 0{,}00215\cdot(194 - 60)] = 1/1{,}2881 = 0{,}7763$ . Давление азота при 60 °F: $0{,}7763\cdot 10{,}0 = 7{,}763$ МПа; давление открытия на стенде $7{,}763/(1 - 0{,}06) \approx 8{,}26$ МПа (изб.). Без поправки клапан открылся бы в скважине примерно на 3 МПа выше расчётного: камера при 90 °C имела бы $10{,}0/0{,}7763 \approx 12{,}88$ МПа.
5
Во время работы скважины давление газа на устье выросло и стало выше давлений открытия двух нижних пусковых клапанов. Что произойдёт?
1. А.Пусковые клапаны откроются, и газ пойдёт в трубы в нескольких местах — выше рабочего клапана
2. Б.Ничего: пусковые клапаны после пуска заблокированы
3. В.Дебит обязательно вырастет, потому что газа в трубах станет больше
4. Г.Рабочий клапан закроется
Показать ответ
Правильный ответ: А. Пусковые клапаны откроются, и газ пойдёт в трубы в нескольких местах — выше рабочего клапана
Закрытый пусковой клапан открывается, когда давление газа у него превысит давление открытия, и дальше держится открытым, пока давление газа выше давления азота. При избытке газа или слишком маленьком отверстии рабочего клапана давление газа растёт, пусковые клапаны открываются, и часть газа входит выше рабочего клапана — многоточечный ввод. Газ на облегчение столба над рабочим клапаном расходуется хуже, и дебит обычно падает.
6
Почему пусковым клапанам дают малые сёдла, хотя большое седло пропускает больше газа?
Показать ответ
С малым седлом мало отношение площадей $R$ : мала разность давлений открытия и закрытия, и верхний клапан закрывается при небольшом падении давления газа после передачи на нижний; мало и влияние давления в трубах, поэтому клапан не открывается снова, когда давление в трубах растёт. Газа для пуска нужно немного, и малого седла хватает; рабочему клапану, через который газ идёт постоянно, ставят большее отверстие.

Обновлено: 19 октября 2026 г.