Нефтепромысловая арматура высокого давления в устьевых и трубопроводных системах: руководство по проектированию и применению

A нефтепромысловый клапан высокого давления представляет собой клапан, предназначенный для безопасного контроля, изоляции или направления потока нефти, газа и технологических жидкостей при давлениях, обычно находящихся в диапазоне от от 2000 до 20 000 фунтов на квадратный дюйм , используется в устьевых узлах скважин, рождественских елях, деревьях гидроразрыва, штуцерных манифольдах и сегментах трубопроводов высокого давления. Эти клапаны отличаются от стандартных промышленных клапанов большей толщиной стенок корпуса, кованой (а не литой) конструкцией, более строгим контролем материалов и обязательными гидростатическими и газовыми испытаниями для подтверждения того, что они могут безопасно выдерживать давление как в условиях статической, так и циклической нагрузки.

Распространенные типы клапанов, используемые в условиях высокого давления

Ни одна конструкция клапана не подходит для всех случаев применения при высоком давлении. Выбор типа клапана зависит от того, является ли приоритетом полнопроходной доступ, двустороннее уплотнение, возможность дросселирования или быстрый поворот на четверть оборота.

Задвижки остаются доминирующим выбором для расположения главных и крыльевых клапанов на устье скважины, поскольку их сквозная конструкция позволяет кабелепроводным инструментам беспрепятственно проходить через полностью открытое отверстие ствола скважины — функциональное требование, которому шаровые и пробковые клапаны обычно не могут соответствовать при одинаковой площади.

Руководящие стандарты для нефтепромысловой арматуры высокого давления

В зависимости от того, где находится клапан в системе, применяются разные стандарты — на самом устье скважины, на рождественской елке или ниже по течению в сборном или передающем трубопроводе.

Первичные стандарты по приложениям

• API 6А: Управляет устьевым и елочным оборудованием, включая главные клапаны, крыльевые клапаны и адаптеры.
• API 6D: Управляет трубопроводной арматурой, используемой в системах сбора и транспортировки.
• API 16С: Применяется к оборудованию для дросселирования и глушения, используемому во время бурения и операций по контролю скважины.
• АСМЭ Б16.34: Обеспечивает базовые номинальные значения давления и температуры, на которые ссылаются многие конструкции клапанов.
• NACE MR0175/ISO 15156: Обязательные требования к материалам при наличии H2S в добываемой жидкости

Клапан, сертифицированный по API 6A, имеет уровень спецификации продукта (PSL) от 1 до 4, при этом PSL 3 и PSL 4 обычно назначаются для скважин с высоким давлением, высокой температурой (HPHT) и критически кислых эксплуатационных скважин, поскольку они требуют расширенных проверочных испытаний конструкции, полной сертификации материалов и более строгого неразрушающего контроля, чем PSL 1 или PSL 2.

Классы давления и что они означают в полевых условиях

Выбор класса давления является самым важным решением при выборе клапана высокого давления. Занижение номинального значения создает прямую угрозу безопасности, а завышенное увеличивает вес и стоимость установки.

Каждый клапан также должен иметь температурный класс от U (от -75°F до 82°F) для арктических условий Т (от -18°F до 350°F) для высокотемпературного производства. Температурный класс должен соответствовать фактической температуре текущей жидкости в месте расположения клапана, которая может быть значительно выше температуры окружающей среды на поверхности в добывающих скважинах.

Материалы для условий эксплуатации в кислой среде и HPHT

Выбор материала становится критически важным, когда клапан подвергается воздействию H2S, CO2 или повышенным температурам, поскольку стандартная углеродистая сталь в этих условиях может подвергнуться сульфидному растрескиванию под напряжением или потерять механическую прочность.

• Класс материала AA/BB: Стандартная углеродистая или низколегированная сталь для некислородной среды.
• Класс материала DD/EE/FF: Триммер из углеродистой стали или коррозионностойкого сплава, соответствующий требованиям NACE, для эксплуатации в кислых средах.
• Отделка из инконеля или дуплексной нержавеющей стали: Используется в скважинах HPHT с высоким содержанием CO2 или высокой коррозией для увеличения срока службы.
• PEEK или металлические седла: Предпочтение отдается эластомерным седлам, когда температуры превышают рабочие пределы стандартных резиновых смесей.

Например, добывающая скважина в г. 15 000 фунтов на квадратный дюйм при температуре потока 300°F и обнаружении H2S. обычно требует Класс материала EE, задвижка PSL 3 или 4 с металлическими седлами, тогда как для устья скважины с низким давлением (3000 фунтов на квадратный дюйм) можно использовать стандартный клапан класса материала BB, PSL 2.

Требования к тестированию перед развертыванием на местах

Каждый нефтепромысловый клапан высокого давления должен пройти определенную последовательность производственных испытаний перед сертификацией, а более высокие уровни PSL требуют дополнительных проверочных испытаний конструкции на прототипе, прежде чем конструкция будет одобрена для производства.

Стандартная последовательность производственных испытаний

1. Гидростатическое испытание кузова при В 1,5 раза превышает номинальное рабочее давление
2. Испытание седла в обоих направлениях потока при номинальном рабочем давлении
3. Испытание заднего седла или уплотнения штока для подтверждения отсутствия утечек через уплотнение штока.
4. Полноходовой эксплуатационный тест для проверки плавности срабатывания.
5. Испытание газа для клапанов, предназначенных для работы на газе или PSL 3/4.

Клапаны PSL 3 и PSL 4 дополнительно проходят расширенное циклическое тестирование , иногда включающий несколько тысяч циклов открытия-закрытия на прототипе, чтобы смоделировать годы эксплуатации на местах до того, как конструкция будет одобрена для производства - шаг, который значительно снижает риск преждевременного выхода из строя седла или уплотнения после установки клапана в скважину.

Точки применения в устьевых и трубопроводных системах

Клапаны высокого давления устанавливаются в каждой критической точке изоляции и контроля на восходящем пути потока, от устья скважины до сети трубопроводов.

• Устьевые главные и боковые клапаны: Первичная изоляция доступа к колодцу на елке
• Деревья трещин: Изоляция жидкости гидроразрыва под высоким давлением во время стимуляции скважины, часто превышающим 10 000 фунтов на квадратный дюйм.
• Дроссельные коллекторы: Снижение высокого устьевого давления до управляемого уровня перед входом в систему сбора.
• Трубопроводная запорная арматура: Секционирование длинных линий электропередачи для технического обслуживания и аварийного отключения.
• Подводные деревья: Клапаны высокого давления с дистанционным управлением, контролирующие добычу подводных скважин

В частности, запорные клапаны трубопроводов часто располагаются с интервалом в каждые 20-30 миль вдоль линии электропередачи, что позволяет операторам быстро изолировать разорванный или поврежденный участок и ограничить объем продукта, выбрасываемого во время аварийного отключения.

Выбор подходящего клапана для конкретного применения

Правильный выбор клапана зависит от соответствия условий скважины или трубопровода номинальному давлению, температуре, классу материала и PSL клапана, а не просто от выбора клапана с самым высоким номиналом из имеющихся.

Контрольный список выбора

• Подтвердите максимальное ожидаемое рабочее давление и выберите класс давления с достаточным запасом прочности.
• Проверьте классификацию кислой среды и укажите класс материала, соответствующий NACE, если присутствует H2S.
• Сопоставьте температурный класс с фактической температурой текущей жидкости, а не только с условиями окружающей среды на поверхности.
• Определите требуемый PSL на основе критичности скважины, нормативных требований или спецификаций оператора.
• Выбирайте тип клапана в зависимости от функции: задвижка для полнопроходной изоляции устья скважины, шаровая или заглушка для четвертьоборотной изоляции трубопровода, дроссель для снижения давления.
• Убедитесь, что тип торцевого соединения и метод приведения в действие соответствуют сопрягаемому оборудованию и системе управления.

Практика технического обслуживания для долгосрочной надежности

Клапаны высокого давления работают в условиях, которые ускоряют износ седел, уплотнений и набивки штока, поэтому структурированная программа технического обслуживания необходима во избежание незапланированных остановов или инцидентов, связанных с безопасностью.

• Выполняйте регулярное перемещение клапанов с ручным управлением, чтобы предотвратить заедание шибера или шара.
• Регулярно проверяйте и заменяйте уплотнение штока, чтобы предотвратить утечку через крышку.
• Периодически проводите испытания седла на герметичность, чтобы убедиться, что клапан по-прежнему соответствует номинальному классу герметичности.
• Проверьте наличие коррозии или эрозии клапанов, работающих в условиях эксплуатации с кислыми средами или твердыми частицами.
• Проверьте работу привода, подачу воздуха и целостность управляющего сигнала на клапанах с дистанционным управлением.

Большинство операторов планируют полную повторную сертификацию критически важных устьевых клапанов каждый раз. от 3 до 5 лет , с более частыми интервалами проверки для клапанов скважины, подвергающихся повторяющимся циклам высокого давления во время многоступенчатых операций по стимуляции, где износ седла и уплотнений накапливается гораздо быстрее, чем в клапанах, используемых для простого обслуживания с включением/выключением.