Чем нефтепромысловый пробковый клапан отличается от шарового крана при добыче нефти и газа?

При добыче нефти и газа как пробковые клапаны а шаровые краны представляют собой четвертьоборотные поворотные клапаны, используемые для изоляции потока, но они не являются взаимозаменяемыми. Пробковые краны превосходят шаровые краны в абразивных, содержащих песок и кислых условиях эксплуатации, в то время как шаровые краны обеспечивают меньший рабочий крутящий момент, более плотное закрытие при чистой эксплуатации и более низкие первоначальные затраты в стандартных применениях. Выбор между ними требует четкого понимания состава скважины, рабочего давления, доступа для технического обслуживания и нормативных требований в каждом конкретном месте. В этом руководстве представлено прямое сравнение отдельных приложений, которое поможет инженерам и отделам закупок сделать правильный выбор.

Фундаментальные различия в конструкции, повышающие производительность

Прежде чем сравнивать производительность, важно понять, что физически разделяет эти два типа клапанов, поскольку конструктивные различия напрямую объясняют каждую характеристику производительности последующих клапанов.

Шаровой клапан

В шаровом кране используется сферический запорный элемент со сквозным отверстием, просверленным в центре. Шар удерживается между двумя подпружиненными или нагруженными давлением седлами (обычно из ПТФЭ, армированным ПТФЭ или металлическими), которые поддерживают постоянный контакт с поверхностью шара как в открытом, так и в закрытом положениях. Когда шар поворачивается на 90°, отверстие либо выравнивается по пути потока, либо блокирует его.

Постоянный контакт седла с шаром является самой сильной стороной шарового крана при чистой эксплуатации (он обеспечивает надежное уплотнение с низким уровнем утечек) и его самым большим недостатком при абразивной работе, когда частицы, попавшие между шаром и седлом, вызывают ускоренную эрозию при каждом цикле срабатывания.

Пробковый клапан

В плунжерном клапане используется цилиндрическая или коническая заглушка с прямоугольным или круглым отверстием. В конструкциях со смазкой впрыскиваемая под давлением смазка-герметик заполняет поверхность раздела между плунжером и корпусом, создавая пленку жидкости, которая одновременно герметизирует и смазывает. В конструкциях с втулками без смазки втулка из эластомера или ПТФЭ поглощает уплотняющую нагрузку. В эксцентричных конструкциях плунжер поднимается над седлом перед вращением, полностью исключая скользящий контакт.

Ключевым конструктивным преимуществом плунжерного клапана является большая площадь уплотняющей поверхности относительно диаметра отверстия по сравнению с шаровым клапаном, а также возможность восстановления герметичности в полевых условиях путем впрыскивания свежей смазки без вывода клапана из эксплуатации.

Производительность в абразивных и песчаных скважинах

Образование песка является одним из наиболее разрушительных условий для любой арматуры, эксплуатируемой в разведке и добыче. Скважины, добывающие из рыхлых пластов — особенно на зрелых месторождениях, при добыче тяжелой нефти и скважин с гидроразрывом — могут нести концентрация песка 100–10 000 мг/л. или выше во время пиков добычи и этапов очистки.

В шаровом кране частицы песка, попадающие в кольцевой зазор между шаром и мягкими седлами, действуют как абразивный шлифовальный состав. При каждом цикле срабатывания эти частицы перетаскиваются через поверхность седла, разрушая посадочную поверхность и ухудшая характеристики отключения. При эксплуатации в условиях высокого содержания песка седла шаровых кранов могут выйти из строя в течение 6–18 месяцев , требующий дорогостоящей замены, включающей полную разгерметизацию, разрыв трубопровода и зачастую замену корпуса клапана.

В смазываемом пробковом клапане впрыскиваемая смазка-герметик физически смывает частицы песка с поверхности уплотнения и удерживает их в смазочной пленке. Герметик можно пополнять в полевых условиях под рабочим давлением, восстанавливая характеристики уплотнения без остановки работы. Полевые данные добывающих скважин с высоким содержанием песка в Западном Техасе и Альберте неизменно показывают, что пробковые клапаны со смазкой превосходят эквивалентные шаровые краны в 3–5 раз. в промежутке времени между мероприятиями по техническому обслуживанию при эксплуатации в песке.

Эксплуатационные характеристики в кислой среде (жидкости, содержащие H₂S)

Сероводород (H₂S) присутствует в значительной части мировой добычи нефти и газа — любая скважина с парциальным давлением H₂S выше 0,05 фунтов на квадратный дюйм (0,34 кПа) классифицируется как кислая среда согласно NACE MR0175/ISO 15156, что обусловливает строгие требования к материалам и твердости для всех компонентов, контактирующих с рабочей средой.

Как шаровые краны, так и пробковые клапаны могут быть изготовлены в соответствии с требованиями NACE MR0175, но эти два типа клапанов создают разные проблемы эксплуатации в кислой среде:

• Шаровые краны для эксплуатации в кислой среде: мягкие седла (из ПТФЭ или эластомера) могут поглощать H2S и со временем набухать или разрушаться, особенно в газовых скважинах с высоким содержанием H2S и высоким давлением. Быстрые события разгерметизации (продувки) могут вызвать взрывную декомпрессию материала седла, навсегда разрушая герметичность в одном случае.
• Пробковые клапаны в кислой среде: Пробковые клапаны со смазкой и смазочным герметиком, предназначенным для работы в кислой среде, обеспечивают возобновляемую уплотнительную среду, не подверженную абсорбции H₂S или взрывной декомпрессии. Варианты седла «металл по металлу» в пробковых клапанах полностью исключают уязвимость мягкого седла для самых тяжелых условий эксплуатации в кислой среде.

Для скважин с концентрацией H₂S выше 5000 частей на миллион и рабочее давление выше 5000 фунтов на квадратный дюйм Пробковые клапаны со смазкой и седлом «металл по металлу» и материалами корпуса, соответствующими требованиям NACE, обычно являются более предпочтительными по сравнению с шаровыми кранами с мягким седлом.

Требования к рабочему крутящему моменту и срабатыванию

Рабочий крутящий момент напрямую определяет размер привода, потребляемую мощность и возможность ручного управления — все это влияет на стоимость и безопасность при полевых установках.

Шаровые краны постоянно требуют меньший рабочий крутящий момент чем пробковые клапаны эквивалентного размера и номинального давления. Сферическая геометрия шара приводит к меньшей площади контакта между шаром и седлами по сравнению с более крупным цилиндрическим или коническим интерфейсом плунжера к корпусу. Например, 4-дюймовый шаровой кран класса 600 обычно требуется рабочий крутящий момент примерно 200–350 Нм , тогда как для эквивалентного плунжерного клапана со смазкой может потребоваться 400–700 Нм в зависимости от состояния смазки и геометрии конуса плунжера.

Преимущество шаровых кранов в крутящем моменте имеет практические последствия:

• Для установки автоматических шаровых кранов требуются меньшие, более легкие и менее дорогие приводы, а это значительная экономия средств на большой площадке скважины с десятками автоматических клапанов.
• Ручное управление пробковыми клапанами большого размера (более 6 дюймов) в аварийных ситуациях может потребовать физических усилий без оператора редуктора, тогда как эквивалентные шаровые краны часто могут управляться непосредственно с помощью ручного рычага.
• У хорошо обслуживаемого, смазанного плунжерного клапана со свежезакаченным герметиком крутящий момент может значительно снизиться — в некоторых случаях до в пределах 20–30 % от эквивалентного крутящего момента шарового крана — придание дисциплине технического обслуживания решающего значения для работоспособности запорной арматуры.

Характеристики затвора и классификация утечек

Оба типа клапанов могут обеспечить герметичное закрытие, но они делают это с помощью разных механизмов и с разными профилями надежности в течение срока службы клапана.

Шаровые краны с новыми мягкими седлами могут достичь API 598, класс VI (нулевая утечка/герметизация) от газа и жидкости, что делает их предпочтительным выбором для применений, где обязательна абсолютная нулевая утечка, например, изоляция учета продаж газа, изоляция впрыскивающего клапана и конечные элементы автоматизированной системы безопасности (SIS).

Пробковые клапаны со смазкой обычно достигают API 598 Класс II или Класс III отключение при стандартных условиях, но может быть повышено до класса VI за счет впрыска смазки непосредственно перед закрытием. Ключевым отличием является то, что характеристики запирания плунжерного клапана могут быть восстановлен в полевых условиях по мере старения клапана, а шаровой кран с изношенными или поврежденными седлами можно восстановить только заменой вставок седла — операция, выполняемая в мастерской, требующая снятия клапана.

Шаровые краны с металлическим седлом обеспечивают более плотное и долговременное перекрытие, чем плунжерные клапаны со смазкой, при чистой, неабразивной эксплуатации, но при значительно более высоких затратах — обычно в 3–5 раз дороже аналога с мягким седлом — и с более высокими требованиями к рабочему крутящему моменту.

Возможность двойной блокировки и стравливания

Двойная блокировка и стравливание (DBB) является обязательным требованием к изоляции во многих случаях эксплуатации нефтяных месторождений, включая разрешения на огневые работы, изоляцию оборудования для технического обслуживания и операции врезки трубопровода, где перед началом работы необходимо проверить два независимых уплотнения, а между ними должно быть сливное отверстие для подтверждения нулевого давления.

Для достижения DBB со стандартными клапанами обычно требуется три отдельных клапана: два запорных клапана и один выпускной клапан между ними. Расширяющийся пробковый клапан обеспечивает настоящий DBB в одном корпусе клапана - механизм расширения одновременно захватывает седла как на входной, так и на задней стороне плунжера, создавая два независимых уплотнения, при этом полый корпус плунжера действует как полость для слива. Клапан с одним корпусом, обеспечивающий DBB, экономит значительное пространство, вес и стоимость при компактных установках на кустовых площадках и платформах.

Шаровые краны DBB существуют, но требуют специально разработанного корпуса с двумя независимыми узлами седла и вентиляционным отверстием полости корпуса — более сложная и дорогостоящая конструкция, чем эквивалент клапана с расширяющейся пробкой. Для услуги DBB, расширяющиеся пробковые клапаны, как правило, являются предпочтительной спецификацией. в добывающих приложениях из-за их более простой конструкции и более низкой общей стоимости установки.

Требования к техническому обслуживанию и общая стоимость владения

Первоначальная закупочная цена является лишь одним из компонентов стоимости арматуры при добыче и добыче нефти. Трудозатраты на техническое обслуживание, отсрочка производства во время обслуживания клапана и частота замены в течение Срок эксплуатации 20–30 лет обычно значительно превышают первоначальную стоимость закупок.

Рекомендация для каждого приложения

Основываясь на приведенных выше различиях в характеристиках, ниже приведены прямые рекомендации по наиболее распространенным решениям по выбору клапанов для добычи и добычи нефти:

• Устьевые главные клапаны и крыльевые клапаны (высокое давление, потенциально кислые): Пробковый клапан со смазкой — превосходная производительность в кислых и абразивных условиях, уплотнение, восстанавливаемое в полевых условиях, конструкции, соответствующие API 6A, доступны до 15 000 фунтов на квадратный дюйм.
• Газлифтные инжекторные клапаны и обслуживание чистого газа: Шаровой кран — меньший крутящий момент, герметичное закрытие с мягкими седлами и более низкая стоимость являются решающими преимуществами при работе с чистым, неабразивным газом.
• Отклонение потока производственного манифольда: Пробковый клапан (3-ходовой или 4-ходовой) — многопортовые возможности пробковых клапанов устраняют необходимость в нескольких клапанах и значительно упрощают обвязку трубопроводов коллектора.
• Изоляция скважины с высоким содержанием песка или абразивного материала: Пробковый клапан со смазкой или эксцентриковый пробковый клапан — механизм промывки смазки и увеличенные уплотнительные поверхности обеспечивают значительно более длительный срок службы, чем шаровые краны любой конструкции при длительной эксплуатации в условиях песка.
• Двойная блокировка и изоляция от кровотечения: Расширяющийся пробковый клапан — DBB с одним корпусом, имеет более низкую стоимость и более простую конструкцию, чем альтернативные шаровые краны DBB.
• Клапаны отключения ПСБ: Шаровой кран с металлическими седлами — быстрое закрытие на четверть оборота, надежное герметичное закрытие при чистой эксплуатации и широкая доступность комплектов приводов с рейтингом SIL делают шаровые краны доминирующим выбором для приложений ESD.
• Закачка воды и обработка пластовой воды: Пробковый клапан с втулкой без смазки или шаровой клапан — оба варианта пригодны; пробковый клапан предпочтителен, если вода содержит взвешенные вещества выше 50 мг/л .
• Удаленные или необслуживаемые автоматические клапаны буровой площадки: Шаровой кран — более низкие требования к крутящему моменту привода уменьшают размер, вес и энергопотребление привода, что имеет решающее значение в условиях ограниченного питания пневмопитания или электроэнергии.

Когда инженеры делают неправильный выбор — и чего это стоит

Наиболее распространенной и дорогостоящей ошибкой при выборе клапана на входе является выбор шарового клапана с мягким седлом для эксплуатации, в которой присутствует добываемый песок или периодические пробки абразивных твердых частиц. Первоначальная экономия средств 1000–3000 долларов за клапан. по сравнению с пробковым клапаном, быстро выходит из строя из-за многократной замены седла, задержки производства и увеличения нагрузки на техническое обслуживание на морских или удаленных объектах, где мобилизация бригады технического обслуживания может стоить 5 000–50 000 долларов США за одно вмешательство в зависимости от местоположения.

И наоборот, использование плунжерных клапанов со смазкой во всех положениях системы сбора чистого газа увеличивает ненужные затраты и налагает программу технического обслуживания смазочных материалов там, где ничего не требуется — шаровые краны будут работать одинаково хорошо при меньших затратах на установку и без постоянной необходимости в смазке.

Правильный подход заключается не в том, чтобы использовать по умолчанию один тип клапана для всех позиций, а в выборе типа клапана по положению на основе конкретного состава жидкости, давления, температуры и доступа для обслуживания в каждом месте. На типичной кустовой площадке с 20–30 положениями клапанов смешанная спецификация с использованием пробковых клапанов на устье скважины и манифольда, а также шаровых кранов на чистых инженерных линиях и линиях газоснабжения будет последовательно обеспечивать самую низкую совокупную стоимость владения в течение всего производственного срока эксплуатации объекта.