Việc lựa chọn van gaslift loại IPO hay PPO phụ thuộc vào người thiết kế và phương thức dỡ tải cho giếng. Mỗi loại van đều có những ưu khuyết điểm riêng. Nhưng van IPO là loại được sử dụng rộng rãi cho hầu hết các giếng gaslift trên thế giới (khoảng 90%). Chính vì lẽ đó, trong luận văn chỉ phân tích cấu tạo, nguyên lý hoạt động của van gaslift IPO để đưa vào thảo luận về phương pháp thiết kế gaslift và những sự cố thường gặp trong cho van IPO.
Về cấu tạo van IPO gặp 6 bộ phận chính: 1. Thân van. 2. Seal làm kín. 3. Buồng Nitơ. 4. Ti van. 5. Lỗ van. 6. Van 1 chiều. Về lực tác dụng: có 3 lực tác dụng lên van. 1. Pc: Áp suất ngoài vành xuyến. 2. Pt: Áp suất trong ống khai thác. 3. Pd: Áp suất trong buồng Nitơ.
Hình minh họa van gaslift được lắp đặt trong trong túi hông (SPM), và các dòng áp suất tác động lên van trong quá trình hoạt động. Khí nén được bơm ép vào các lỗ bên ngoài túi hông (SPM) đi vào van gaslift, tại đây áp suất tác dụng lên diện tích ngoài của buồng Nitơ đến khi thắng được áp suất trong buồng Nitơ ti van sẽ nâng lên và cho phép dòng khí đi vào lỗ van Dòng khí đi qua van 1 chiều vào trong ống khai thác, hòa tan vào dòng chất lưu bên trong ống khai thác. Van 1 chiều bên dưới chỉ cho phép dòng chảy đi từ vành xuyến vào ống khai thác và ngăn dòng chảy đi ngược lại.
Hình 2. 23: Cấu tạo van IPO.
2.6.2 Nguyên lý hoạt động và phân tích các lực tác dụng lên van.
Hình 2. 25: Nguyên lý hoạt động của van gaslift IPO.
Lực đóng van: do áp suất Nitơ nén trong buồng (Pb) tác động lên diện tích mặt
bên trong (Ab) của nắp buồng chứa. Lực đóng van có thể diễn đạt bằng phương trình sau.
c b b
F P A
Lực mở van: lực mở van được tạo nên từ hai dòng áp suất, lực thứ nhất do áp
suất vành xuyến (Pc) đi vào van tác dụng lên mặt ngoài của của buồng Nitơ (Ab – Ap) và lực thứ hai do áp suất bên trong ống khai thác (Pt) đi vào van tác dụng lên diện tích ti van (Ap). Ta có phương trình lực sau:
( )
o c b p t p
F P A A P A
Xét tại thời điểm ngay trước khi van chuyển từ trạng thái đóng sang trạng thái mở, ta có lực đóng van (Fc) cân bằng với lực mở van (Fo), theo phương trình sau:
o c
F F
c b p t p b b
P A A P A P A
Giải phương trình cân bằng lực trên, bằng cách chia hai vế của phương trình cho giá trị(Ab) ta tìm được giá trị áp suất vành xuyến (Pc) hoặc giá trị áp suất trong buồng Nitơ (Pb) tại thời điểm chuyển tiếp giữa hai trạng thái van đóng và mở.
Giá trị áp suất đóng van của buồng Nitơ:
(1 / ) ( / )
b c p b t p b
P P A A P A A
Giá trị áp suất vành xuyến cần để mở van:
( / ) (1 / ) b t p b c p b P P A A P A A Trong đó:
Giá trị Ap/Ab được tra từ bảng thông số kỹ thuật của nhà sản suất van gaslift.
2.6.3 Hệ thống thử áp suất khí nén Nitơ (Test rack).
Sau khi Nitơ được nạp vào van gaslift sẽ được đem đi thử và hiệu chỉnh trên một hệ thống tên gọi là Test rack. Hệ thống này được đặt ở điều kiện chuẩn nhiệt độ 60oF, áp suất 14.7 psia = 0 psig. Hệ thống mô phỏng lại các dòng áp lực tác động lên van. Áp suất đường nạp = áp suất vành xuyến, áp suất khí trời = áp suất ống khai thác. Để hiệu chỉnh áp suất trong buồng Nitơ, người ta tăng dần áp suất đường nạp, cho đến khi bắt đầu có dòng áp suất ở đường ra, áp suất đọc trên đồng tại thời điểm đó ghi nhận lại áp suất mở van (Pc = Ptro).
Theo phương trình phân tích lực đã tìm ra ở phần trước ta có
(1 / ) ( / ) b c p b t p b P P A A P A A Với: Pc = Ptro Pt = 0 (1 / ) b tro p b P P A A
2.6.4 Hệ số ảnh hưởng của áp suất khai thác.
Như đã thảo luận ở phần trước, lực mở van bao gồm áp suất vành xuyến Pc tác động lên diện tích (Ab-Ap) và áp suất Pt tác động lên diện tích Ap. Nếu không có ảnh hưởng từ áp suất Pt, thì để mở được van, giá trị Pc cần phải lớn hơn. Từ đó, khái niệm hệ số ảnh hưởng củau áp suất trong ống khai thác (Producion Pressure Effect Factor
PPEF) được đưa ra theo công thức sau:
1 / / p b p b A A PPEF A A
Phương trình tính áp suất vành xuyến cần để mở van trở thành.
(1 / ) b c b p b P P P PPEF A A
Bảng 2. 6: Bảng tra các thông số van gaslift của nhà sản xuất CAMCO (Schlumberger).
2.7 Thiết kế phương pháp gaslift liên tục bằng phương pháp đồ thị - van IPO.
Thiết kế gaslift ban đầu có vài trò rất quan trọng và ảnh hưởng rất lớn đối với việc vận hành gaslift về sau. Nếu thiết kế không phù hợp với điều kiện của giếng, có thể dẫn đến nhiều rắc rối trục trặc trong lúc vận hành. Ngày nay, việc thiết kế gaslift đã được tích hợp trong nhiều phần mềm như: Pipesim, IPM prosper… nhờ có sự giúp đỡ của máy tính mà thiết kế gaslift ngày càng đơn giản và chính xác hơn. Nhưng để sử dụng được phần mềm cũng như hiểu rõ các thông số đầu vào, kết quả đầu ra của nó. Ta cần phải hiểu rõ trình tự thiết kế gaslift.
Kết quả đạt được sau quá trình thiết kế gaslift: 1. Xác định độ sâu đặt van.
2. Xác định kích thước lỗ yêu cầu cho từng van. 3. Tính toán áp suất làm việc tại mỗi van.
4. Xác định nhiệt độ từng van.
5. Xác định áp suất mở van ở test rack cho từng van.
Trước khi đi vào các bước thiết kế gaslift. Chúng ta cần hiểu rõ các chú thích và định nghĩa sau:
1. Depth (L) = độ sâu đặt van.
2. Valve type = loại van, kích thước van. Phụ thuộc vào đặc tích giếng và các thiết bị lòng giếng như là kích thước ống khai thác, loại túi hông (SPM). 3. Valve port size = kích thước lỗ van. Được xác định bằng cách so sánh giữa
lưu lượng khí bơm ép yêu cầu và khả năng cho lưu lượng khí đi qua của từng kích thước lỗ van. Kích thước lỗ van phải đủ lớn cho lưu lượng khí yêu cầu đi qua, nhưng nếu kích thước lỗ van quá lớn nó sẽ tạo ra hiệu ứng áp suất khai thác lớn ảnh hưởng đến chiều sâu đặt van bên dưới.
4. Minimum Production Pressure (Ppmin) = áp suất tối thiểu trong ống khai thác cần để chuyển sang van kế tiếp. Ppmin được xác định tại giao điểm của đường vị trí đặt van và đường đặc tính dòng trong ống khai thác (Tubing curve performance TCP).
5. Maximum Production Pressure (Ppmax) = áp suất tối đa có thể xuất hiện trong ống khai thác tại vị trí đặt van.
6. Production Pressure Effect (PPE) = ảnh hưởng của áp suất trong ống khai thác lên van, được xác định bằng phương trình bên dưới.
pmax pmin
PPE P P PPEF
7. Summation of production pressure effect (PPE) = tổng ảnh hưởng của áp suất trong ống khai thác của các van nằm trên van đang khảo sát.
8. Injection pressure at depth (Pi@L) = áp suất bơm ép của khí nén tại độ sâu nhất định.
9. Operating pressure at depth (Pi@L) = áp suất mở van cần thiết. Được xác định qua phương trình sau.
(1 / ) bt t tro p b P C P A A
10.Bellows charge pressure at depth (Pbt) = áp suất trong buồng khí của van, tại độ sâu nhất định. Áp suất trong buồng khí ở độ sâu đặt van luôn cao hơn so với áp suất nạp ban đầu tại bề mặt, do ảnh hưởng của sự tăng nhiệt độ từ bề mặt xuống giếng.
11.Temperature correction factor (Ct) = hệ số hiệu chính cho áp suất nạp trong buồng khí của van từ nhiệt độ ở độ sâu nhất định về áp suất ở điều kiện nhiệt độ bề mặt 60oF.
12.Test rack opening pressure (TRO) = áp suất mở van ở điều kiện bề mặt đặt tại test rack. (1 / ) bt t tro p b P C P A A
13.Surface opening pressure (Pso) = áp suất bơm của máy nén ở điều kiện bề mặt.
2.7.1 Các bước tiến hành thiết kế gaslift liên tục bằng phương pháp đồ thị - van IPO IPO
Bước 1: Vẽ trục tọa độ với trục tung thể hiện độ sâu, trục hoành theo áp suất. Xác định độ sâu đặt packer bằng đường nét đứt, vị trí bắn mở vỉa bằng nét liền.
Hình 2. 27: Bước 1 thiết kế gaslift cho van IPO.
Bước 2: Sử dụng công thức tính gradient áp suất khí nén theo độ sâu . 53.34 @ @ S G L T Z P L P S e
. Để xác định đường gradient áp suất của khí nén từ bề mặt xuống đến độ sâu bắn mở vỉa.
Hình 2. 28: Bước 2 thiết kế gaslift cho van IPO.
Bước 3: Kẻ đường gradient áp suất thủy tĩnh của dung dịch trong giếng P = static fuild gradient x depth
Hình 2. 29: Bước 3 thiết kế gaslift cho van IPO.
Bước 4: Đánh dấu áp suất đầu giếng trên trục áp suất. Kẻ đường cong thể hiện đặc tính dòng chảy trong ống khai thác (Tubing curve performance).
Hình 2. 30: Bước 4 thiết kế gaslift cho van IPO.
Bước 5: Xác định độ sâu đặt van gaslift thứ nhất bằng cách từ điểm áp suất đầu giếng kẻ đường song song với đường áp suất thủy tĩnh của dung dịch. Đường này cắt đường gradient của khí bơm ép ở điểm nào, thì điểm đó chính là độ sâu đặt van thứ nhất. Nhưng vì để đảm bảo áp suất ngoài vành xuyến có thể đi vào bên trong dễ dàng, ta cần đặt một giá trị chênh lệch áp suất khoảng 30 – 50 psia tại điểm đặt van. Như vậy, điểm đặt van sau khi trừ đi phần chênh lệch áp suất 30 – 50 psia sẽ nằm trên đường song song với đường áp suất thủy tĩnh, và cách đường gradient của khí bơm ép 30 – 50 psia.
Hình 2. 31: Bước 5 thiết kế gaslift cho van IPO.
Bước 6: Xác định nhiệt độ tại độ sâu đặt van thứ nhất. Gradient nhiệt độ theo độ sâu được tính theo công thức.
@ s bh s/ t
T L T L T T L
Ts = nhiệt độ bề mặt Tbh = nhiệt độ đáy giếng L = độ sâu khảo sát Lt = độ sâu tại đáy giếng
Và cũng theo công thức trên ta tính được đường gradient nhiệt động ở trạng thái tĩnh.
Hình 2. 32: Bước 6 thiết kế gaslift cho van IPO.
Bước 7: Xác định giá trị Ppmin là giao điểm giữa đường TCP và đường xác định độ sâu van. Xác định lượng lưu lượng bơm ép tương ứng với giá trị GLR của đường TCP theo công thức. gt QC BPD GLR Với: 0.0544 ( @ 460) gt C SG T L
Từ lưu lượng tính được chọn kích lỗ van phù hợp.
Bước 8: Xác định độ sâu đặt van thứ 2 bằng cách từ điểm Ppmin kẻ đường song song với đường áp suất thủy tĩnh cắt đường gradient áp suất khí bơm ép tại đâu, thì đó là điểm đặt van thứ hai. Nhưng cũng như van thứ nhất, để đảm bảo dòng khí từ vành xuyến có thể dễ dàng đi vào van thứ hai thì ta lại trừ đi 30-50psia để tạo ra một khoảng chênh áp. Vậy vị trí đặt van hai nằm trên đường song song với đường áp suất thủy tĩnh và cách đường gradient áp suất khí bơm ép 30-50 psia. Đồng thời ta cũng xác định được giá trị Ppmax là giao điểm của đường kẻ từ điểm đặt van thứ hai đến áp suất đầu giếng với đường xác định độ sâu của van thứ nhất.
Hình 2. 33: Bước 7, bước 8 thiết kế gaslift cho van IPO.
Bước 9: Xác định giá trị ảnh hưởng của áp suất khai thác lên van thứ nhất PPE@L1.
1 max 1 min 1
@ ( p @ p @ )
PPE L P L P L PPEF
Bước 10: Tính áp suất làm việc tại bề mặt của van thứ hai Pso@L2.
2 1 1
@ @ @
so so
P L P L PPE L
Bước 11: Tiếp tục lặp lại các bước ở trên để xác định Ppmin, Ppmax, nhiệt độ, kích thước lỗ, ảnh hưởng của áp suất khai thác tại van hai. Và làm tương tự cho van thứ ba và các van còn lại. 2 max 2 min 2 @ ( p @ p @ ) PPE L P L P L PPEF 3 2 2 @ @ @ so so P L P L PPE L
2.7.2 Xác định áp suất mở van ở Test Rack
Sau khi đã xác định vị trí đặt van, kích thước lỗ van, áp suất làm việc của từng van. Việc còn lại là ta phải xác định áp suất mở van ở Test Rack, theo các bước sau.
Bước 1: Xác định áp suất trong buồng khí tại điều kiện nhiệt độ đặt van.
@ @ 1 / ( / )
bt o p b p p b
P LP L A A P A A
Bước 2: Nhân thêm hệ số hiệu chỉnh nhiệt độ (Ct) để chuyển áp suất trong buồng khí tại nhiệt độ đặt van về áp suất buồng khí tại nhiệt độ bề mặt.
Bước 3: Áp suất mở van Test Rack được tính như sau.
1 / bt t tro p b P C P A A 2.7.3 Xác định van làm việc
Sau khi hệ thống van đã được xác định xong. Ta cần xác định van nào là van làm việc theo các bước sau.
Bước 1: Xác định đường đặc tính dòng chảy từ vỉa vào theo giá trị GLR của vỉa. Bước 2: Kẻ đường đặc tính dòng chảy từ vỉa vào từ điểm áp suất đáy giếng lúc khai thác. Đường này cắt vị trí đặt van nào đầu tiên thì van đó là van làm việc.
Hình 2. 35: Xác định van làm việc trong thiết kế gaslift.
2.7.4 Những lưu ý trong design gaslift và các hệ số an toàn cần thiết
Lưu ý về khoảng cách đặt van, khoảng cách giữa 2 van liên tiếp không nên bé hơn 450ft (150m).
1. Tranfer factor (%) = thường được từ bằng phần trăm chênh lệch giữa áp suất bơm ép và áp suất khai thác.
2. Locating DP = là phần áp suất chênh lệnh tại vị trí đặt van giữa áp suất ngoài vành xuyến và áp suất trong ống khai thác nhằm đảm bảo cho dòng khí bơm ép có thể dễ dàng đi vào trong ống khai thác. Locating DP thường được chọn là 50psia.
3. Injection pressure drop = là phần áp suất bơm ép bị giảm giữa hai van kề nhau nhằm đảm bảo khi ta bơm ép ở van dưới thì van trên sẽ đóng do sự giảm áp suất.
2.7.5 Cách tính độ giảm áp suất bơm ép giữa hai van.
Có hai phương pháp chọn giá trị áp suất bơm ép giảm giữa hai van.
Chọn giá trị áp suất giảm là hằng số: đây là một phương pháp chọn đơn giản, không cần phải tính toán phức tạp, mà chủ yếu dựa vào kinh nghiệm của kỹ sư thiết kế. Thông thường giá trị này là 50 – 150 psia.
Chọn giá trị áp suất giảm theo phương pháp “Ppmax – Ppmin”: phương pháp này thể hiện mối liên hệ giữa cơ chế hoạt đóng của van và vị trí đặt van trong thiết kế. Nó đòi hỏi một số tính toán để cần thiết để xác định được độ giảm áp suất cho từng cặp van liền nhau.
Lực mở van tác dụng bởi áp suất bên trong ống khai thác là hàm theo PPEF
oe p
P P PPEF
Trong suốt quá trình dỡ tải, áp suất bên trong ống khai thác luôn nằm trong khoảng từ Ppmin Ppmax. Do đó sự thay đổi của áp suất bên trong ống khai thác không thể vượt quá hiệu số (Ppmax – Ppmin), hiệu số (Ppmax – Ppmin) được xem là độ tăng tối đa của áp suất bên trong ống khai thác.
Chính vì lẽ đó, để ngăn không cho van phía trên mở lại do tác động của dòng áp suất bên trong ống khai thác tạo ra do khí bơm ép từ van bên dưới. Ta cần phải giảm