1327

Уменьшение относительного погружения колонны труб вследствие падения пластового давления и снижения приведенного динамического уровня жидкости ведет к уменьшению начального давления газа, посту­ пающего через башмак в подъемные трубы, и к ухудшению эффективно­ сти работы непрерывного газлифта: уменьшаются дебит и рабочее дав­ ление, давление газа на устье, и сильно растет удельный расход газа. В результате значительно уменьшается коэффициент полезного действия, сильно увеличивается себестоимость добытой нефти, и поэтому работа установки непрерывного газлифта становится невыгодной.

Повысить эффективность работы установки можно уменьшением диаметра подъемных труб при работе непрерывным газлифтом или пе­ реходом на работу периодическим газлифтом. Уменьшение диаметра подъемных труб обычно на практике мало применяется в связи с отсут­ ствием на нефтяных промыслах НКТ малого диаметра (48 мм и менее). Наиболее практичен и эффективен второй путь - переход на периоди­ ческий газлифт.

4.3. ПРИНЦИПИАЛЬНЫЕ СХЕМЫ ПЕРИОДИЧЕСКОГО ГАЗЛИФТА

Установка с пакером и обратным клапаном на башмаке подъемных труб создает закрытую систему, которая предотвращает утечку жидко­ сти обратно в пласт при периодическом нагнетании газа. Обратный клапан на башмаке подъемных труб рекомендуется применять на всех установках периодического газлифта.

При периодическом газлифте по существу происходят циклические продавки жидкости после остановки'скважины на заданное время, не­ обходимое для накопления столба жидкости в подъемных трубах. При этом в отличие от обычных продавок, применяемых для возбуждения скважин, циклическая продавка осуществляется при некоторой депрес­ сии на эксплуатируемый пласт. Жидкость выбрасывается при искусст­ венно увеличенном относительном погружении колонны труб. Хотя это происходит только в начальной стадии сравнительно короткого перио­ да выброса, в результате уменьшается удельный расход газа и увеличи­ вается коэффициент полезного действия установки по сравнению с не­ прерывным газлифтом. В то же время вследствие искусственного уве­ личения относительного погружения колонны подъемных труб при пе­ риодическом газлифте необходимо соответственно большее рабочее Давление газа, чем при эксплуатации этой же скважины непрерывным газлифтом с малым относительным погружением колонны труб.

Вследствие искусственного увеличения относительного погружения колонны труб происходит (как и при любом другом способе периодиче­ ской эксплуатации) подъем динамического уровня жидкости, что приводит к увеличению забойного давления и уменьшению депрессии. Поэтому при периодической эксплуатации скважины газлифтом дебит жидкости должен уменьшиться. Сохранение или рост дебита скважины возможны только при значительном увеличении глубины спуска труб.

Для эффективной работы периодического газлифта любого типа не­ обходимо обеспечить большую скорость поступления газа в подъемные трубы, особенно в начальный период выброса жидкости. Это выполни­ мо только при использовании для выброса столба жидкости энергии сжатого газа, накопленного в затрубном пространстве (в установках двухрядного лифта замещения - в кольцевом пространстве между на­ гнетательными и подъемными трубами).

Установки периодического газлифта делятся на три самостоятель­ ные группы:

1)без подкачки стороннего газа в затрубное пространство;

2)с подкачкой стороннего газа в затрубное пространство;

3)с камерой замещения или лифтом замещения.

В зависимости от источника нагнетаемого газа различают компрес­ сорный и бескомлрессорный периодический газлифтный способ экс­ плуатации скважин.

Установки периодического газлифта конструктивно выполняются с периодически перекрываемым и постоянно открытым выкидом.

Установки периодического действия, работающие без подкачки в затрубное пространство скважины стороннего газа

Указанные установки предназначены для работы в скважинах, экс­ плуатирующих горизонты при режиме растворенного газа. К наиболее подходящим для эксплуатации периодическим газлифтом с помощью названных установок относятся скважины: слабо фонтанирующие с малым буферным давлением, периодически фонтанирующие, прекратившие фонтанирование.

Установка периодического действия с перекрытым выкидом из одноразмерной колонны подъемных труб, амортизатора на нижнем

конце труб, верхнего пружинного амортизатора, автомата регулятора циклов и выкидного клапана с мембранно-исполнительным м е х а н и з ­ мом (МИМ). Такая установка может работать с поршнем и без него. Работой установки управляют автоматы - регуляторы цикла, срабаты­ вающие (т. е . открывающие и закрывающие выкидной клапан) либо при заданном затрубном давлении, либо через заданный интервал либо от давления и времени.

Рис. 4.3.1. Запись изменения затрубного и бу­ ферного давлений установки с перекрытым выкидом

Рассмотрим цикл работы периодиче­ ской газлифтной установки.

По окончании цикла работы уста­ новки выкидной клапан закрывается, отсекая в подъемных трубах газ, нахо­ дящийся под некоторым давлением, и жидкость, стекшую через зазор между поршнем и насосно-компрессорными

трубами за время выброса. Этому моменту на картограмме записи из­ менений затрубного и буферного давлений (рис. 4.3.1) соответствуют точки Б и Е. Поток газа в подъемных трубах практически прекращается.

Однако в течение некоторого времени (до образования гидравличе­ ского затвора из стекшей жидкости и уравновешивания затрубного и трубного давлений у башмака подземных труб) затрубный газ продолжа­ ет еще поступать в трубы. Поэтому затрубное давление слегка падает (точка В)у а буферное - существенно повышается (отрезок ЕЖ). Таким образом, переток затрубного газа обусловливает определенное буферное давление, необходимое для начала следующего цикла.

Свободный газ из пласта в основном попадает в затрубное про­ странство, повышая в нем давление (отрезок ВА\)Уа жидкость - в подъ­ емные трубы. Одновременно за счет газа, попадающего в подъемные трубы вместе с накапливающейся жидкостью и выделяющегося из нее, происходит некоторый рост буферного давления (отрезок ЖГ\).

Как только затрубное давление поднимается до заданного, автомат открывает выкидной клапан (точки Л\, Г\) и газ, находящийся над стол­ бом жидкости, поступает в сборную систему. При этом буферное дав­ ление падает и практически становится равным давлению в сепараторе (точка Д х). Газ, находящийся под неуравновешенным затрубным давле­ нием, поднимает столб жидкости на устье скважины. При поступлении газа из затрубного пространства в подъемные трубы затрубное давле­ ние снизится (отрезок А\Б\)Уно сравнительно на небольшую величину. Когда столб жидкости поднимается до устья скважины, буферное дав­ ление начинает резко расти (с точки Д 2), так как при поступлении газа из затрубья частично уравниваются давления в затрубном и трубном пространствах.

В установках периодического газлифта всех типов повышение бу­ ферного давления во время выброса всегда вызывается появлением жидкости в потоке и увеличением ее количества. При подходе поршня

к устью автомат закрывает выкидной клапан (точки Бхи Г\) и выброс прекращается. Этим завершается полный цикл работы рассмотренной установки.

Преимуществом данной установки является то, что при одной и той же глубине спуска труб установка может работать при переменном затрубном давлении, так как эта величина задается регулятором циклов.

Недостатки установки: для успешной ее работы пластовое давление должно быть не ниже 3,0 МПа; в начальной стадии выброса при сниже­ нии давления в подъемных трубах групповая замерная установка может оказаться под действием сильного импульса давления. В результате могут открыться предохранительные клапаны на трапах и, следова­ тельно, нарушится работа замерных установок.

Установка с открытым выкидом состоит из тех же основных элемен­ тов, что и описанная установка, и отличается от нее постоянно открытым выкидом и конструкцией плунжера. Постоянно открытый выкид исклю­ чает необходимость в автомате - регуляторе циклов и выкидном клапане с мембранно-исполнительным механизмом. Работой установки управляет сам плунжер с клапаном, закрывающимся снизу вверх. Работа установки без плунжера и замена его поршнем невозможны.

Другим примером эффективного применения периодического газ­ лифта может быть способ добычи природного газа из обводненного газового пласта. При этом способе в скважину на насосно­ компрессорных трубах спускают лакер, а ниже пакера газлифтный кла­ пан и обратный клапан. Перфорированная часть ствола скважины ра­ зобщается пакером таким образом, чтобы в подпакерную зону попала обводнившаяся часть пласта. Газ из верхней части пласта по затрубному пространству поступает к устью скважины, а газоводяная смесь - в подпакерное пространство, где создается повышенное давление. Для того, чтобы давление в этой зоне не превышало давление в коллекторе, газлифтный клапан тарируется на 50...70 % ниже давления в пласте. Указанное позволяет периодически, по мере накопления жидкости и газа и аккумулирования давления в зумпфе, удалять газоводяную смесь через трубы из скважины.

Установки периодического действия, работающие с подкачкой стороннего газа в затрубное пространство скважины

Установки периодического газлифта с подкачкой стороннего газа применяются при эксплуатации скважин с низким газовым фактором. Для работы таких установок режим разработки эксплуатируемого гори­ зонта не имеет существенного значения.

Если скважина дает какое-то, хотя бы и недостаточное, количество газа, то для его использования следует применять установки с п е р е к р ы ­

лифта, но отличается от него периодической подачей газа в затрубное

пространство.

Недостатком этой установки является следующее. После выброса жидкости и прекращения подачи газа из нагнетательной линии проис­ ходит почти полная самопроизвольная разрядка как трубного, гак и затрубного пространств (установка без пакера), которые затем прихо­ дится снова заполнять нагнетаемым газом для очередного выброса, что ведет к высоким удельным расходам газа.

Лифты замещения

Лифты замещения - это единственный вид периодического газлиф­ та, с помощью которого возможно эксплуатировать нефтяные скважи­ ны при очень низких забойных давлениях.

Независимо от конструктивных различий все установки лифта за­ мещения имеют одну характерную особенность: на нижнем конце груб должна располагаться камера замещения той или иной конструкции с обратным клапаном.

Установки лифта замещения подразделяются на двухрядные и одно­ рядные, а каждая из них может быть с отсечкой нагнетаемого газа на устье или на забое (у камеры замещения).

Пластовый газ, накапливаясь в камере замещения, уменьшает ее по­ лезный объем и ухудшает работу установки. Для выпуска газа из каме­ ры и из-под п а к е р а обычно устанавливают специальные п е р е п у с к н ы е клапаны в верхней части камеры.

Установка двухрядного лифта замещения с отсечкой газа на устье скважины состоит из двух рядов труб - наружного для нагнетания газа и внутреннего для подъема жидкости. На нижнем конце наружного ря­ да труб устанавливается камера замещения из труб максимально воз­ можного диаметра с обратным клапаном для предотвращения передачи давления нагнетаемого газа на пласт.

По окончании выброса жидкости автомат, воздействуя на трехходо­ вой клапан, прекращает подкачку газа в скважину и сообщает кольце­ вое пространство с атмосферой через выкид. Давление в кольцевом пространстве и подъемных трубах постепенно снижается до атмосфер­ ного, и жидкость из затрубного пространства и пласта поступает в ка­ меру. Начинается период накопления. Основным недостатком лифтов замещения с отсечкой газа на устье является то, что при каждом цикле сжатый газ в объеме кольцевого пространства расходуется бесполезно, не совершая работу по подъему жидкости, что существенно ет удельный расход газа. Этот недостаток ликвидируется переносом

отсекающего газ устройства с устья скважины в верхнюю часть камеры замещения.

Установка двухрядного лифта замещения с отсечкой газа на забое имеет следующие особенности. На газовой нагнетательной линии вме­ сто трехходового крана стоит клапан для подачи газа, управляемый электрическим автоматом. На верхней части камеры замещения уста­ новлено устройство, отсекающее или соединяющее кольцевое про­ странство с камерой замещения. На устье скважины установлено обо­ рудование, управляющее работой отсекающего устройства.

Установка работает следующим образом. В период накопления клапан и отсекающее устройство закрыты. В кольцевом пространстве между на­ гнетательными и подъемными трубами сохраняется сжатый газ, оставший­ ся от предыдущего цикла. В заданный момент времени автомат открывает клапан и сжатый газ поступает в кольцевое пространство. Отсекающее устройство тоже открывается и пропускает газ в камеру замещения. Жид­ кость выдавливается в подъемные трубы и выбрасывается. По достижении устья скважины автомат прекращает подачу газа, а отсекающее устройство закрывается, сохраняя сжатый газ в кольцевом пространстве. После выбро­ са давление снижается только в подъемных трубах и в камере. Таким обра­ зом, при отсекании газа на забое уменьшается его расход за цикл и повы­ шается коэффициент полезного действия лифта замещения.

Двухрядные установки лифта замещения сконструированы для ра­ боты без поршня. Однако при установке верхних и нижних амортизато­ ров они могут работать с поршнем.

Недостатками двухрядного лифта замещения являются высокая ме­ таллоемкость и сложность устройств, управляющих работой механиз­ ма, отсекающего газ у камеры замещения.

Установка однорядного лифта замещения состоит из одного ряда подъ­ емных труб с камерой замещения. Камера имеет обратный клапан. Подъем­ ные трубы посажены на пакер, над которым установлен рабочий газлифт­ ный клапан, выполняющий роль отсекающего устройства для пропуска газа в подъемные трубы. Газ в затрубное пространство подается через кла­ пан с МИМ, управляемый автоматом, работающим по заданному времени.

В установленное время через клапан в затрубное пространство подает­ ся сжатый газ в течение заданного промежутка времени, после чего клапан закрывается. В этот период затрубное давление достигает давления откры­ тия рабочего газлифтного клапана и клапан открывается. Газ поступает в камеру замещения, выдавливает жидкость в трубы и поднимает ее на устье. При снижении затрубного давления до давления закрытия рабочего газлифтного клапана подача газа в подъемные трубы прекращается. В затрубном пространстве остается сжатый газ под давлением закрытия рабо­ чего клапана. После выброса жидкости в подъемных трубах и камере за­ мещения давление снижается до давления в сборной системе.

4 4 РАСЧЕТ УСТАНОВОК НЕПРЕРЫВНОГО ГАЗЛИФТА.

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ КРИВЫХ ДИНАМИЧЕСКОГО И СТАТИЧЕСКОГО ГРАДИЕНТОВ ДАВЛЕНИЯ ДЛЯ РАСЧЕТА РАССТАНОВКИ КЛАПАНОВ

Расчет режима работы газлифта включает расчеты пускового режи­ ма и режима установившейся работы.

Необходимость пуска газлифтной скважины возникает при вводе ее в эксплуатацию из бурения (освоение скважин) и после ремонтных ра­ бот и геолого-технических мероприятий (обработка призабойной зоны, изоляция вод, перевод скважины с фонтанного на газлифтный способ эксплуатации и т. д.).

В первом случае скважина заполнена жидкостью повышенной плот­ ности (буровым раствором, водным раствором солей, сырой нефтью и т. д.), во втором - в скважине находится продукция пласта (в верхнем части ствола - газ, в нижней - нефть или нефть и вода). Давление газа и напор, создаваемый столбом скважинной жидкости, уравновешивают пластовое давление.

Пуск газлифтной скважины сводится к удалению из нее жидкости в установлению заданного режима работы. При этом используют извест­ ные приемы освоения скважин, например замену жидкости глушения на нефть с последующим продавливанием столба жидкости в скважине газом. В этом случае пусковое давление значительно превосходит рабо­ чее. Для уменьшения пусковых давлений в настоящее время повсеме­ стно применяют пусковые клапаны, которые позволяют запускать скважину при давлении, близком к рабочему. В некоторых случаях для пуска скважин применяют метод аэрации, используя передвижные компрессорные станции высокого давления, или подводят к скважине линию воздуха или газа высокого давления.

Рассмотрим запуск скважины, оборудованной клапанами, дейст­ вующими от давления газа в затрубном пространстве.

После подачи газа в затрубное пространство скважины начинается вы­ теснение жидкости из него в подъемник через открытые газлифтные кла­ паны. Уровень жидкости в затрубном пространстве снижается и, когда он достигает глубины установки верхнего клапана, начинается поступление газа в подъемник. По мере аэрации жидкости давление в подъемнике нал верхним клапаном снижается. Одновременно происходит снижение уровня жидкости в затрубном пространстве и в тот момент, когда он достигает глубины установки второго клапана, начинается поступление газа в лифт через второй клапан. Так как второй клапан настроен на давление откры­ тия меньшее, чем у первого клапана, верхний клапан закрывается.

При аэрации столба жидкости над вторым клапаном давление в лифте над и под клапаном уменьшается, уровень жидкости в затрубном пространстве снижается и, когда он достигает глубины третьего клапа­ на, начинается поступление газа через него. При этом давление в за­ трубном пространстве снижается. Давление открытия третьего клапана меньше, чем второго, и второй клапан закрывается. Процесс продолжа­ ется до тех пор, пока в работу не вступит нижний рабочий клапан.

Рассмотрим запуск скважины, оборудованной клапанами, дейст­ вующими от давления в подъемных трубах. После подачи газа в меж­ трубное пространство начинается вытеснение жидкости из него в подъ­ емник через газлифтные клапаны, открытые давлением жидкости в подъемнике. Уровень жидкости в затрубном пространстве снижается и, когда он достигает глубины верхнего клапана, начинается поступление газа в подъемник через верхний клапан. По мере аэрации жидкости давление в лифте снижается, одновременно снижается и уровень жид­ кости в затрубном пространстве. В какой-то момент давление в лифте становится равным давлению закрытия клапана, и он закрывается. Не­ много раньше, чем закрывается верхний клапан, уровень жидкости снижается до глубины второго клапана и газ начинает поступать в подъемник через второй клапан.

При оборудовании газлифтной установки клапанами, действующи­ ми от давления газожидкостной смеси в подъемнике, клапаны закры­ ваются при падении давления в последнем. Пуск скважины продолжа­ ется до тех пор, пока в работу' не вступит рабочий клапан.

Расчет газлифтной установки

Расчет газлифтной установки предусматривает определение сле­ дующих параметров:

•диаметра насосно-компрессорных труб, необходимого для подъема заданного количества жидкости;

•глубины точки ввода газа (рабочего клапана) и удельного рас­ хода газа;

•числа пусковых клапанов и глубины их установки.

Воснове расчетов всех параметров газлифтного подъемника ис­ пользуются данные распределения давления по глубине скважины в зависимости от удельного расхода газа, диаметра подъемных труб, де- °ита жидкости, обводненности, вязкости и плотности нефти и т. д. В качестве примера на рис. 4.4.1 представлена типовая номограмма рас­ пределения давления по длине лифта.

Вприложении приведены данные распределения давления по длине лифта для различных технологических характеристик скважин, рассчи-

тайные во ВНИПИморнефтегазе. Результаты представлены в виде таб­ лиц. Для удобства их использования в последующих расчетах необходи­ мо сделать следующее. По исходным технологическим параметрам сква­ жины (диаметр труб, дебит жидкости, обводненность, вязкость и плот­ ность нефти и т. д.) выбирают соответствующую таблицу. На прозрачной палетке по оси ординат откладывают глубину скважины (м), а по оси абсцисс - давление (МПа). Для каждого значения удельного расхода строят кривую распределения давления по глубине. Таким образом, по­ лучается номограмма, тип которой представлен на рис. 4.4.1. Метод ис­ пользования этих номограмм в конкретных расчетах изложен ниже.

Определение диаметра газлифтного подъемника

Эта задача формируется следующим образом. Необходимо выбрать оптимальный диаметр газлифтного подъемника для заданных отбора жидкости, обводненности, глубины скважины, пластового давления, коэффициента продуктивности или забойного давления, газового фак­ тора, устьевого давления, свойств нефти и газа. Последовательность расчета следующая (рис. 4.4.2). На оси ординат откладывают глубину