Каковы различные типы нефтепромысловых клапанов высокого давления и как выбрать подходящий для вашего применения?

Задвижки: основной запорный клапан для устья скважин и обслуживания рождественской елки

Задвижка является доминирующим типом клапанов на устьях нефтяных скважин высокого давления и рождественских елках. Он работает путем подъема или опускания сплошного затвора, перпендикулярного пути потока, обеспечивая полнопроходной, двунаправленный, с пузырьковым затвором когда закрыто. В полностью открытом состоянии затвор полностью выдвигается из пути потока, создавая нулевое ограничение потока — критическую особенность для стволов скважин, где через клапан должны проходить канатные инструменты, гибкие трубы и перфорационные пистолеты.

Где используются задвижки

• Главные клапаны (верхняя и нижняя) на рождественских елках: первичное перекрытие ствола скважины, используется нечасто, но должно надежно герметизироваться при полном давлении закрытия
• Крыльчатые клапаны на производственных участках и точках уничтожения/инъекций: изолируйте отдельные пути потока от «рождественской елки»
• Тампонные клапаны на вершине рождественской елки: обеспечивает основной барьер давления во время операций с использованием троса и гибких труб.
• Головка НКТ и выпускные отверстия головки обсадной колонны : изолировать мониторинг давления в затрубном пространстве и точки закачки жидкости глушения

Ключевые параметры выбора

Задвижки для эксплуатации на нефтепромыслах под высоким давлением регулируются API 6А (устьевое и елочное оборудование) или API 6D (трубопроводный сервис). Задвижки API 6А рассчитаны на рабочее давление 2 000–20 000 фунтов на квадратный дюйм и должны быть указаны с указанием класса рабочего давления, класса материала (от AA до HH для кислых условий), уровня спецификации продукта (PSL 1–4) и требований к производительности (PR1 или PR2). Для любого устьевого главного клапана или крыльевого клапана: минимум PSL 3 и PR2 являются правильным базовым уровнем — никогда PSL 1 или PR1 для производственных услуг.

Шаровые краны: четвертьоборотная изоляция для многоциклового и автоматизированного обслуживания

В шаровых кранах используется сферический запорный элемент со сквозным отверстием, который выравнивается по пути потока в открытом состоянии и поворачивается на 90°, блокируя поток в закрытом состоянии. четвертьоборотный режим позволяет шаровым кранам срабатывать значительно быстрее, чем задвижкам. , а их простое вращательное движение более совместимо с электрическими и пневматическими приводами, используемыми в системах автоматического отключения.

Где используются шаровые краны

• Поверхностные предохранительные клапаны (ППВ) и трубопроводные аварийные клапаны : безопасное закрытие при потере управляющего сигнала, требующее быстрого и надежного срабатывания.
• Запорные и запорные клапаны коллектора : работа с большим циклом, при которой уплотнение штока задвижки изнашивается преждевременно.
• Системы впрыска : линии впрыска метанола, ингибитора солеотложений и газлифтные линии, где требуется быстрое отключение.
• Подземные предохранительные клапаны (СССВ) : скважинные шаровые краны, установленные в колонне НКТ, которые закрываются при потере давления в линии управления — последняя линия защиты от неконтролируемого потока в скважине.

Установленный на цапфе против плавающего шара

При высоких давлениях, шаровые краны на цапфе являются правильным выбором. В конструкции с плавающим шаром линейное давление прижимает шар к седлу, расположенному ниже по потоку, для создания уплотнения — при давлении 5000 фунтов на квадратный дюйм и выше результирующая сила контакта седла превышает то, с чем может справиться большинство эластомерных седел без деформации. Конструкции, установленные на цапфе, фиксируют шар на верхней и нижней цапфах, передавая нагрузки давления в трубопроводе на конструкцию корпуса, а не на седла, и позволяя подпружиненным седлам поддерживать постоянную силу уплотнения независимо от давления. Плавающие шаровые краны подходят только для давления примерно до 1500 фунтов на квадратный дюйм при эксплуатации на нефтепромыслах.

Обратные клапаны: предотвращение обратного потока в инъекционных и производственных линиях

Обратные клапаны пропускают поток только в одном направлении и автоматически закрываются при попытке изменения направления потока. Они не содержат внешнего оператора — закрытие полностью осуществляется за счет перепада давления на клапане. В нефтяных месторождениях высокого давления, Неисправность обратного клапана (неспособность закрыться или не удержаться в закрытом состоянии) может привести к обратному току скважинной жидкости под высоким давлением в системы нагнетания, загрязнению линий закачки химикатов или повреждению компрессоров и насосов. .

Распространенные типы обратных клапанов в нефтепромысловом сервисе

• Поворотные обратные клапаны : шарнирный диск открывается при прямом потоке и закрывается при обратном давлении. Простой и надежный, но ограничен горизонтальной установкой и относительно низкой скоростью. Обычно используется в коллекторах для закачки воды при давлении 3000–5000 фунтов на квадратный дюйм.
• Поршневые (подъемные) обратные клапаны : поршень или диск поднимается со своего седла при прямом потоке и садится на место под действием обратного давления или нагрузки пружины. Более компактны, чем распашные чеки, и подходят для вертикальной установки; широко используется в иглах для впрыска химикатов и системах дозирования высокого давления до 15 000 фунтов на квадратный дюйм.
• Двухпластинчатые (вафельные) обратные клапаны : две подпружиненные полудисковые пластины быстро закрываются при реверсе потока, сводя к минимуму гидравлический удар. Предпочтительно в системах закачки газа с высоким расходом и газлифтных системах, где медленно закрывающиеся поворотные затворы могут вызвать опасные скачки давления.

Для обратных клапанов, работающих в кислой среде, применяются те же требования к материалам NACE MR0175, которые применяются к корпусам задвижек: все смачиваемые компоненты должны соответствовать требованиям к твердости и сплавам для присутствующего парциального давления H₂S. , включая пружину, диск и седло.

Дроссельные клапаны: контроль расхода и устьевого давления

Дроссельный клапан — это дросселирующее устройство, которое создает контролируемый перепад давления на ограниченном отверстии, позволяя операторам управлять давлением потока на устье скважины и производительностью. В отличие от запорных клапанов, которые либо полностью открыты, либо полностью закрыты, дроссельные клапаны работают постоянно в частично открытом положении в условиях сильной эрозии и кавитации потока. Дроссельный клапан на газовой скважине с давлением 10 000 фунтов на квадратный дюйм может испытывать падение давления на 8 000–9 500 фунтов на квадратный дюйм на триме из карбида вольфрама со скоростью газа, приближающейся к звуковой в седле. .

Фиксированные и регулируемые чоки

• Фиксированные (положительные) дроссели : сменная диафрагма с фиксированным диаметром отверстия. Простая, не требующая особого обслуживания и устойчивая к утечкам конструкция — предпочтительная конструкция для действующих скважин со стабильной производительностью. Размеры отверстий указаны в 64 дюймах (например, дроссель «32/64» имеет отверстие диаметром 1/2 дюйма).
• Регулируемые чоки : конструкция с иглой и седлом или вращающимся диском, которая позволяет оператору изменять площадь отверстия от 0% до 100% открытия, не выводя клапан из эксплуатации. Требуется при испытаниях скважин, операциях обратного притока и на ранних стадиях добычи, когда оптимальный размер штуцера еще не установлен. Регулируемые чоки подвержены значительно более высокой скорости эрозии седла, чем фиксированные чоки, и требуют более частой замены трима.

Выбор материала трима дроссельной заслонки обусловлен эрозионной активностью потока добываемой жидкости. Карбид вольфрама (WC-Co, 94% WC) является стандартным материалом отделки для работы с песком или высокоскоростными газами. , обеспечивая в 5–10 раз большую стойкость к эрозии, чем закаленная нержавеющая сталь 17-4 PH. Для эксплуатации в условиях сильной коррозии или кислой среды в сочетании с сиденьями для унитаза рекомендуется использовать накладку из Stellite 6 или отделку из Inconel 625.

Игольчатые клапаны: прецизионный контроль в линиях инструментального и химического впрыска

В игольчатых клапанах используется тонкий конический плунжер игольчатой формы, который устанавливается в соответствующее коническое седло, обеспечивая точное и точное управление потоком в линиях для инструментов малого диаметра и высокого давления, а также в линиях впрыска химикатов. . Они не предназначены для полной изоляции — тонкая область контакта иглы с седлом не предназначена для обеспечения герметичного закрытия при повторяющихся циклах работы.

Где используются игольчатые клапаны

• Корневые клапаны КИП и изоляция манометров : изолировать датчики давления, манометры и соединения для отбора проб от действующего скважинного давления; обычно рассчитан на давление 10 000–20 000 фунтов на квадратный дюйм для линий размером от 1/4 до 1 дюйма.
• Иглы для инъекций химикатов : скорость закачки ингибитора отложений, ингибитора коррозии и ингибитора гидратообразования на устье скважины; игольчатый клапан обеспечивает нониусную регулировку скорости впрыска, чего не может достичь задвижка или шаровой клапан
• Выпускные и вентиляционные соединения : сбрасывайте давление в трубках инструментов или цилиндрах для проб контролируемым, дозированным способом, а не резким сбросом давления.
• Гидравлические панели управления : точная настройка расхода гидравлической жидкости на линии управления скважинными предохранительными клапанами и устьевые приводы.

Игольчатые клапаны высокого давления обычно изготавливаются из Нержавеющая сталь 316, Inconel 625 или дуплексная нержавеющая сталь. для материалов корпуса и иглы с размерами соединений от 1/4 дюйма до 1 дюйма NPT или конусно-резьбовыми соединениями среднего давления (MP) и высокого давления (HP) в автоклавном стиле, рассчитанными на давление 20 000 фунтов на квадратный дюйм.

Пробковые клапаны: компактная изоляция для многопортовых и коллекторных систем

В пробковых клапанах используется цилиндрическая или коническая заглушка со сквозным отверстием, которое поворачивается на 90° внутри корпуса для открытия или закрытия пути потока — функционально аналогично шаровому клапану, но с цилиндрическим, а не сферическим запорным элементом. В нефтесервисном обслуживании под высоким давлением пробковые клапаны со смазкой являются наиболее распространенным вариантом: в кольцевое пространство между плунжером и корпусом впрыскивается герметик, обеспечивающий смазку при вращении и дополняющий первичное уплотнение металл-металл.

Где используются пробковые клапаны

• Многопортовое отклонение устья скважины и манифольда : пробковые клапаны доступны в 3-ходовой и 4-ходовой конфигурациях, которые могут перенаправлять поток между несколькими выходами за одну четверть оборота — функция, для воспроизведения которой потребуются две или более задвижки или шаровые краны.
• Работа с высоким содержанием твердых частиц или навозной жижи : система впрыска герметика позволяет плунжерному клапану работать в потоках, содержащих песок или окалину, которые могут быстро истирать седло шарового клапана.
• Манифольды для испытания на приток и испытания скважин : там, где возможность направлять поток к испытательным сепараторам, факелам или хранилищам без использования нескольких клапанов снижает сложность испытаний.

Пробковые клапаны при эксплуатации нефтепромыслов под высоким давлением чаще всего рассчитаны на 3000–10 000 фунтов на квадратный дюйм и изготавливаются по API 6D или API 6А в зависимости от места обслуживания. При давлении выше 10 000 фунтов на квадратный дюйм обычно предпочтительнее использовать шаровые и шиберные клапаны из-за сложности поддержания стабильной производительности впрыска герметика при очень высоких перепадах давления.

Сравнение типов клапанов: краткий обзор основных отличий

В таблице ниже приведены функциональные различия между шестью типами нефтепромысловых клапанов высокого давления для облегчения первоначального выбора:

Как правильно выбрать нефтепромысловый клапан высокого давления: четырехэтапная схема

Выбор клапана должен следовать структурированной последовательности. Пропуск этапов — особенно переход к каталогам производителей перед определением условий эксплуатации — является основной причиной большинства ошибок, связанных с неверными спецификациями.

Шаг 1 — Определите требуемую функцию

Начните с того, что должен делать клапан, а не с того, какой он тип. В нефтесервисе всего четыре функции клапана:

• Изоляция : полностью открыт или полностью закрыт; без дросселирования — задвижка или шаровой кран с цапфой
• Дросселирование/управление потоком : бесступенчатое положение — дроссельная заслонка (большое отверстие, высокое ΔP) или игольчатый клапан (малое отверстие, точное дозирование)
• Предотвращение невозврата/обратного потока : автоматический, оператор не требуется — обратный клапан
• Диверсия : направление потока между несколькими путями — пробковый клапан (многоходовой) или несколько шаровых/задвижек в коллекторе.

Шаг 2 — Определите условия обслуживания

Прежде чем обращаться к производителю, для каждого местоположения клапана определите полный пакет услуг:

• Максимальное рабочее давление : используйте SIWHP для устьевой арматуры, MAOP для трубопроводной и поверхностной арматуры.
• Диапазон температур : минимальная температура окружающей среды и максимальная температура добываемой жидкости.
• Состав жидкости : Парциальное давление H₂S, содержание CO₂, концентрация хлоридов, содержание песка и соленость добываемой воды — все это влияет на выбор материала.
• Частота цикла : как часто клапан будет эксплуатироваться в день или в год; в приложениях с большим циклом предпочтение отдается шаровым кранам, а не задвижкам
• Требование срабатывания : ручное, гидравлическое аварийное закрытие, пневматическое или электрическое — и доступный источник питания управления на месте установки

Шаг 3. Примените регулирующий стандарт

Место установки определяет, какой стандарт API или ASME регулирует технические характеристики клапана:

Шаг 4. Укажите уровень качества и требования к документации

После определения типа клапана и руководящего стандарта последним слоем спецификации становятся требования к качеству и испытаниям. Для клапанов API 6A это означает PSL и PR. Для клапанов API 6D это означает определение дополнительных требований к испытаниям из приложения к стандарту, включая испытания седел под низким давлением, неразрушающий контроль сварных швов корпуса и испытания на удар по Шарпи. Всегда требуйте полный пакет документации по отслеживанию материалов и тестированию в качестве условия поставки. — без него вы не сможете продемонстрировать соответствие нормативным требованиям или провести анализ первопричин, если клапан выйдет из строя в эксплуатации.

Sour Service и HPHT: когда стандартных спецификаций недостаточно

Две рабочие среды — высокосернистый газ (H₂S-содержащий) и высокое давление/высокая температура (HPHT, определяемая как выше 15 000 фунтов на квадратный дюйм и/или выше 300 °F) — предъявляют требования, выходящие за рамки тех, которые соответствуют стандартным спецификациям клапанов API. В этих средах стандартные клапаны каталога, соответствующие номинальному классу давления API и марке материала, часто не подходят , и операторы должны привлечь производителей к детальному анализу конструкции, прежде чем давать спецификации.

• Кислый сервис : все компоненты, контактирующие с рабочей средой — корпус, крышка, шибер или шар, седла, шток, крепежные детали и пружины — должны соответствовать требованиям NACE MR0175/ISO 15156 к твердости и сплавам. Порог парциального давления H₂S составляет 0,05 фунтов на квадратный дюйм, что достигается при удивительно низких концентрациях H₂S в газовых потоках высокого давления.
• HPHT : стандартные эластомерные уплотнения корпуса и уплотнение штока не рассчитаны на температуру выше ~350 °F. Для клапанов HPHT требуются подпружиненные уплотнения из ПТФЭ, графитовая набивка или цельнометаллические уплотнительные элементы. Толщина стенок кузова должна быть подтверждена методом конечных элементов (FEA) при расчетном давлении и температуре, а не по стандартной формуле толщины стенки API, которая не была разработана для условий HPHT.
• Комбинированный кислый HPHT : наиболее требовательная комбинация, требующая трима CRA (коррозионностойкий сплав) и потенциально покрытых CRA или цельных корпусов клапанов CRA, цельнометаллических уплотнений, а также сторонней сертификации материалов и конструкции в соответствии с API 6A Приложение F. Срок поставки этих клапанов обычно составляет 16–26 недель от квалифицированных производителей.

Заключение

Шесть типов нефтепромысловых клапанов высокого давления — задвижка, шар, обратный, дроссель, игла и пробка — не являются взаимозаменяемыми. Каждый из них существует, потому что он решает конкретную проблему управления потоком, которую другие не могут решить так же эффективно. Выбор подходящего клапана начинается с определения требуемой функции, а не с просмотра каталога продукции. : изоляция, регулирование, невозврат или перенаправление. Отсюда рабочее давление, состав жидкости, температура, частота циклов и нормативные стандарты сужают область применения до точной спецификации.

В условиях нефтяных месторождений с высоким давлением, где рабочее давление достигает 10 000–20 000 фунтов на квадратный дюйм, а жидкости могут содержать H₂S, CO₂, песок и пластовую воду, клапан, который правильно типизирован, но неправильно указан для класса материала, PSL или соответствия требованиям эксплуатации в кислой среде, так же опасен, как и полностью неправильный тип клапана. Четырехэтапная схема — функция, условия эксплуатации, руководящие стандарты и уровень качества — последовательно применяемая на этапе проектирования, является наиболее надежным способом гарантировать, что каждый клапан в устьевой системе работает так, как задумано, в течение всего срока службы.