Wysokociśnieniowe zawory na polach naftowych w głowicach odwiertów i systemach rurociągów: przewodnik projektowania i stosowania

A zawór wysokiego ciśnienia na polu naftowym to zawór zaprojektowany do bezpiecznego kontrolowania, izolowania lub kierowania przepływem oleju, gazu i płynów procesowych pod ciśnieniem zwykle w zakresie od 2000 psi do 20 000 psi , stosowany w głowicach odwiertów, choinkach bożonarodzeniowych, choinkach szczelinowych, kolektorach dławiących i odcinkach rurociągów wysokociśnieniowych. Zawory te różnią się od standardowych zaworów przemysłowych większą grubością ścianek korpusu, kutą (a nie odlewaną) konstrukcją, bardziej rygorystyczną identyfikowalnością materiałów oraz obowiązkowymi testami hydrostatycznymi i gazowymi w celu potwierdzenia, że ​​mogą bezpiecznie utrzymać ciśnienie zarówno w warunkach obciążenia statycznego, jak i cyklicznego.

Typowe typy zaworów stosowane w instalacjach wysokociśnieniowych

Żadna konstrukcja pojedynczego zaworu nie pasuje do każdego zastosowania wysokociśnieniowego. Wybór typu zaworu zależy od tego, czy priorytetem jest dostęp do pełnego otworu, dwukierunkowe uszczelnienie, możliwość dławienia, czy też szybka praca ćwierćobrotowa.

Zasuwy pozostają dominującym wyborem w przypadku zaworów głównych i skrzydełkowych głowicy odwiertu, ponieważ ich konstrukcja przelotowa umożliwia narzędziom przewodowym przejście przez całkowicie otwarty otwór bez przeszkód – jest to wymóg funkcjonalny, któremu zawory kulowe i grzybkowe na ogół nie są w stanie sprostać przy tej samej powierzchni.

Obowiązujące normy dotyczące wysokociśnieniowych zaworów na polach naftowych

W zależności od tego, gdzie zawór znajduje się w systemie, obowiązują różne standardy — na samej głowicy odwiertu, na choince lub w dalszej części rurociągu zbiorczego lub przesyłowego.

Podstawowe standardy według zastosowania

• API6A: Reguluje wyposażenie głowicy odwiertu i choinek, w tym zawory główne, zawory skrzydełkowe i adaptery
• API 6D: Reguluje zawory rurociągów stosowane w systemach zbierających i przesyłowych
• API 16C: Dotyczy sprzętu używanego podczas wierceń i kontroli odwiertów
• ASME B16.34: Zapewnia podstawowe wartości znamionowe ciśnienia i temperatury, do których odwołuje się wiele konstrukcji zaworów
• NACE MR0175/ISO 15156: Obowiązkowe wymagania materiałowe, jeśli w wytwarzanym płynie występuje H2S

Zawór certyfikowany zgodnie z API 6A ma poziom specyfikacji produktu (PSL) od 1 do 4, przy czym PSL 3 i PSL 4 zwykle określane dla odwiertów wysokociśnieniowych, wysokotemperaturowych (HPHT) i odwiertów o krytycznym znaczeniu, ponieważ wymagają rozszerzonych testów walidacyjnych projektu, pełnej certyfikacji materiałów i bardziej rygorystycznych badań nieniszczących niż PSL 1 lub PSL 2.

Klasy ciśnienia i ich znaczenie w terenie

Wybór klasy ciśnienia jest najważniejszą decyzją przy wyborze zaworu wysokociśnieniowego. Zaniżenie wartości znamionowych stwarza bezpośrednie zagrożenie bezpieczeństwa, natomiast zawyżenie wartości znamionowych zwiększa niepotrzebną wagę i koszty instalacji.

Każdy zawór musi również posiadać klasę temperaturową, począwszy od U (-75°F do 82°F) dla warunków arktycznych T (-18°F do 350°F) do produkcji w wysokich temperaturach. Klasa temperaturowa powinna być dostosowana do rzeczywistej temperatury przepływającego płynu w miejscu lokalizacji zaworu, która w odwiertach produkcyjnych może być znacznie wyższa niż temperatura otoczenia na powierzchni.

Materiały do ​​warunków kwaśnych i HPHT

Wybór materiału staje się krytyczny, gdy zawór zostanie wystawiony na działanie H2S, CO2 lub podwyższonych temperatur, ponieważ w tych warunkach standardowa stal węglowa może ulec pękaniu naprężeniowemu siarczkowemu lub utracić wytrzymałość mechaniczną.

• Klasa materiału AA/BB: Standardowa stal węglowa lub niskostopowa do zastosowań niekwaśnych
• Klasa materiału DD/EE/FF: Elementy wykończenia ze stali węglowej zgodnej z NACE lub ze stopu odpornego na korozję do zastosowań kwaśnych
• Wykończenie ze stali nierdzewnej Inconel lub duplex: Stosowany w odwiertach o wysokiej zawartości CO2 lub wysoce korozyjnych studniach HPHT w celu przedłużenia żywotności
• Siedziska PEEK lub metalowe: Wybierany zamiast gniazd elastomerowych, gdy temperatury przekraczają granice robocze standardowych mieszanek gumowych

Na przykład studnia produkująca przy ul 15 000 psi przy temperaturze przepływu 300°F i wykrywalnym H2S zazwyczaj wymagałoby: Zasuwa zasuwowa klasy materiałowej EE, PSL 3 lub 4 z metalowymi gniazdami, podczas gdy niskociśnieniowa głowica odwiertu słodkiego gazu pod ciśnieniem 3000 psi może być odpowiednio obsługiwana przez standardowy zawór klasy materiałowej BB, PSL 2.

Wymagania testowe przed wdrożeniem w terenie

Każdy wysokociśnieniowy zawór na polu naftowym musi przejść określoną sekwencję testów produkcyjnych przed certyfikacją, a wyższe poziomy PSL wymagają dodatkowych testów walidacyjnych projektu na prototypie przed zatwierdzeniem projektu do produkcji.

Standardowa sekwencja testu produkcyjnego

1. Próba hydrostatyczna nadwozia o godz 1,5-krotność znamionowego ciśnienia roboczego
2. Test gniazda w obu kierunkach przepływu przy znamionowym ciśnieniu roboczym
3. Test uszczelnienia tylnego siedzenia lub trzpienia w celu potwierdzenia braku wycieków za uszczelnieniem trzpienia
4. Test działania przy pełnym skoku w celu sprawdzenia płynnego działania
5. Test gazowy dla zaworów przeznaczonych do obsługi gazowej lub PSL 3/4

Dodatkowo poddawane są zaworom PSL 3 i PSL 4 rozszerzone testy cykliczne , czasami obejmujących kilka tysięcy cykli otwarcia i zamknięcia prototypu, w celu symulacji lat pracy w terenie przed zatwierdzeniem projektu do produkcji — jest to krok, który znacznie zmniejsza ryzyko przedwczesnej awarii gniazda lub uszczelnienia po zainstalowaniu zaworu w odwiercie.

Punkty zastosowania w głowicach odwiertów i systemach rurociągów

Zawory wysokociśnieniowe są instalowane w każdym krytycznym punkcie izolacji i kontroli na całej trasie przepływu, od głowicy odwiertu do sieci rurociągów.

• Zawory główne i skrzydłowe głowicy odwiertu: Podstawowa izolacja dostępu do studni na choince
• Drzewa frakowe: Izolowanie płynu szczelinującego pod wysokim ciśnieniem podczas stymulacji odwiertu, często przekraczającym 10 000 psi
• Kolektory dławikowe: Obniżenie wysokiego ciśnienia w głowicy odwiertu do możliwego do opanowania poziomu przed wejściem do systemu gromadzenia
• Zawory blokujące rurociąg: Dzielenie długich linii przesyłowych na sekcje w celu konserwacji i wyłączania awaryjnego
• Drzewa podmorskie: Zdalnie uruchamiane zawory wysokociśnieniowe sterujące wydobyciem ze studni podmorskich

Zwłaszcza zawory blokujące rurociągi są często rozmieszczone w odstępach co co 20-30 mil wzdłuż linii przesyłowej, umożliwiając operatorom szybkie odizolowanie pękniętego lub uszkodzonego odcinka i ograniczenie objętości produktu uwalnianego podczas awaryjnego wyłączenia.

Wybór odpowiedniego zaworu dla danego zastosowania

Prawidłowy wybór zaworu zależy od dopasowania warunków studni lub rurociągu do ciśnienia znamionowego zaworu, temperatury, klasy materiału i PSL – a nie tylko od wyboru zaworu o najwyższej dostępnej wartości znamionowej.

Lista kontrolna wyboru

• Potwierdź maksymalne przewidywane ciśnienie robocze i wybierz klasę ciśnienia z odpowiednim marginesem bezpieczeństwa
• Sprawdź klasyfikację substancji kwaśnych i określ klasę materiału zgodną z NACE, jeśli występuje H2S
• Dopasuj klasę temperaturową do rzeczywistej temperatury przepływającego płynu, a nie tylko warunków otoczenia na powierzchni
• Określ wymagany poziom PSL w oparciu o krytyczność odwiertu, wymagania regulacyjne lub specyfikację operatora
• Wybierz typ zaworu w zależności od funkcji: zasuwa do pełnego odwiertu odwiertu, kula lub korek do ćwierćobrotowej izolacji rurociągu, dławik do redukcji ciśnienia
• Potwierdź, że typ połączenia końcowego i metoda uruchamiania odpowiadają współpracującemu sprzętowi i systemowi sterowania

Praktyki konserwacyjne zapewniające długoterminową niezawodność

Zawory wysokociśnieniowe działają w warunkach, które przyspieszają zużycie gniazd, uszczelek i uszczelnień trzpienia, co sprawia, że zorganizowany program konserwacji jest niezbędny, aby uniknąć nieplanowanych przestojów lub zdarzeń związanych z bezpieczeństwem.

• Wykonuj rutynowe głaskanie ręcznie sterowanych zaworów, aby zapobiec zakleszczeniu się bramy lub kuli
• Regularnie sprawdzaj i wymieniaj uszczelnienie trzpienia, aby zapobiec wyciekom z maski
• Przeprowadzaj okresowe testy szczelności gniazda, aby potwierdzić, że zawór nadal spełnia znamionową klasę szczelności
• Sprawdź, czy nie ma korozji lub erozji na zaworach pracujących w środowisku kwaśnym lub obciążonym ciałami stałymi
• Sprawdź działanie siłownika, dopływ powietrza i integralność sygnału sterującego na zdalnie sterowanych zaworach

Większość operatorów planuje co roku pełną ponowną certyfikację kluczowych zaworów głowicy odwiertu 3 do 5 lat , z częstszymi przeglądami zaworów do szczelinowania, poddawanych powtarzającym się cyklom wysokiego ciśnienia podczas wielostopniowych operacji stymulacji, gdzie zużycie gniazda i uszczelki narasta znacznie szybciej niż w przypadku zaworów używanych do prostej usługi izolacji włączającej/wyłączającej.