Как работает задвижка в нефтяных и газовых скважинах?

A задвижка при работах по добыче нефти и газа путем поднятия или опускания плоского или клиновидного металлического затвора внутри корпуса клапана перпендикулярно потоку сырой нефти, природного газа или пластовой воды. Когда заслонка полностью поднята в крышку, она обеспечивает беспрепятственный полнопроходной проход, позволяющий жидкости течь с минимальным перепадом давления. Когда затвор полностью опущен, он плотно прилегает к двум металлическим уплотнительным поверхностям, полностью перекрывая поток. Согласно спецификации 6A Американского института нефти (API), которая регламентирует устьевое и елочное оборудование, задвижка используемые в нефтепромысловом сервисе, должны быть способны выдерживать давление до 20 000 фунтов на квадратный дюйм и должен пройти испытание на газонепроницаемое закрытие без видимых утечек. Понимание как задвижка работает в суровых условиях нефтяной скважины имеет основополагающее значение для управления скважиной, изоляции трубопровода и безопасного управления потоками углеводородов под высоким давлением на протяжении всего жизненного цикла добычи.

Основной принцип работы задвижки

Задвижка работает по принципу линейного движения: вращение маховика или приведение в действие гидравлического цилиндра поворачивает резьбовой шток, который перемещает задвижку вертикально через корпус клапана, чтобы либо полностью заблокировать, либо полностью открыть путь потока. Ключевыми механическими компонентами, которые делают это возможным, являются шток, затвор, седла и крышка. Шток соединяет маховик или привод вверху с воротами внизу. В конструкции с поднимающимся штоком шток проходит через крышку и заметно приподнимается над маховиком при открытии клапана, обеспечивая четкую визуальную индикацию положения клапана. В конструкции невыдвижного штока шток вращается, но не перемещается вертикально, а затвор перемещается вверх и вниз по внутренней резьбе штока. Сам затвор представляет собой прецизионно обработанную плиту из высокопрочной легированной стали, часто покрытую твердым материалом, таким как карбид вольфрама или оксид хрома, чтобы противостоять абразивному воздействию песка и проппанта, увлекаемых производственным потоком. Затвор перемещается между двумя седловыми кольцами, которые представляют собой металлические кольца, впрессованные или ввинченные в корпус клапана и герметизированные эластомерными или металлическими манжетными уплотнениями. Когда затвор полностью установлен, давление на выходе прижимает затвор к седлу на выходе, создавая контактное давление между металлами, которое превышает давление жидкости и образует герметичный барьер.

На нефтепромыслах задвижка почти всегда используется в полностью открытом или полностью закрытом положении. Это не дроссельный клапан. Попытка использовать задвижку в частично открытом положении для регулирования расхода приводит к тому, что высокоскоростная жидкость разрушает поверхности затвора и седла - явление, известное как волочение проволоки, которое навсегда разрушает способность клапана к уплотнению. Полнопроходная конструкция открытой задвижки является одним из ее главных преимуществ: когда затвор поднят, канал потока имеет тот же внутренний диаметр, что и подключенная труба, что позволяет беспрепятственно проходить скважинным инструментам, кабелю и гибким трубам. Эта функция важна для устьевых рождественских елок, где инструменты для вмешательства должны быть спущены в действующую скважину через главный клапан и тампонный клапан.

Как механизм уплотнения обеспечивает газонепроницаемое перекрытие

Уплотнение в нефтепромысловой задвижке создается за счет механического расклинивающего действия затвора на выходное седло, усиленного давлением самой скважинной жидкости, которая более плотно прижимает пластину затвора к седлу по мере увеличения перепада давления. Этот принцип самодействующего уплотнения означает, что задвижка фактически герметизирует более эффективно при высоком давлении, чем при низком давлении. API 6A требует, чтобы задвижка была герметично закрыта испытательным газом азотом при полном номинальном рабочем давлении, с допустимой скоростью утечки, равной нулю пузырьков во время 15-минутный тест под давлением. Для достижения этой цели поверхности ворот и седла притираются до чистоты поверхности. От 2 до 4 микродюймов Ra , уровень гладкости, который позволяет двум металлическим поверхностям соответствовать друг другу на микроскопическом уровне. В конструкциях плоских ворот ворота представляют собой одну плоскую пластину с просверленным в ней отверстием, которое в открытом состоянии совпадает с путем потока. В конструкциях расширяющихся ворот ворота состоят из двух половин, которые скользят друг по другу по наклонным пандусам и механически расширяются наружу, когда ворота достигают полностью закрытого положения, одновременно прижимаясь к обоим сиденьям. Расширяющиеся задвижки предназначены для критически важных задач по изоляции устья скважин, поскольку они обеспечивают надежное механическое уплотнение в обоих направлениях независимо от перепада давления, что делает их пригодными для двойной блокировки и стравливания, когда требуется абсолютная изоляция как входной, так и выходной сторон.

Конфигурации задвижек в устьевых и трубопроводных системах

Задвижки для нефтегазовой отрасли производятся в трех основных конфигурациях корпуса: пластинчатая, расширяющаяся и клиновая, каждая из которых имеет свои отличительные характеристики уплотнения и рекомендуемые области применения. В таблице ниже эти конфигурации сравниваются по параметрам, которые наиболее важны при проектировании устья скважины.

Выбор материала для эксплуатации в кислых средах и средах HPHT

Металлические компоненты задвижки в нефтегазовой отрасли должны быть изготовлены из материалов, устойчивых к сульфидному растрескиванию под напряжением, водородному охрупчиванию и общей коррозии, вызываемой сероводородом, диоксидом углерода и хлоридами, присутствующими в добываемых скважинных флюидах. Спецификация API 6A определяет классы материалов в зависимости от суровости производственной среды. Класс материала AA — это обычная углеродистая сталь, предназначенная для некислой и некоррозионной эксплуатации. Классы EE и FF требуют, чтобы сталь соответствовала требованиям NACE MR0175/ISO 15156 по твердости и термической обработке, которые ограничивают максимальную твердость до 22HRC (шкала Роквелла C) для углеродистых сталей, подвергающихся воздействию сернистого газа, содержащего H₂S, при парциальном давлении выше 0,05 фунтов на квадратный дюйм. Это ограничение твердости имеет решающее значение, поскольку более твердые стали гораздо более подвержены сульфидному растрескиванию под напряжением, которое может распространяться через корпус клапана или шток и вызывать катастрофическое хрупкое разрушение без предварительной видимой деформации. В скважинах с чрезвычайно агрессивной средой шибер, седла и шток изготавливаются из коррозионностойких сплавов, таких как Inconel 718, Hastelloy C-276 или дуплексных нержавеющих сталей. Коррозионная стойкость этих сплавов обусловлена ​​высоким содержанием хрома, никеля и молибдена, и они проходят индивидуальную аттестацию посредством обширных испытаний в моделируемой скважинной жидкости при повышенной температуре и давлении, прежде чем получить одобрение для использования в конкретной скважине. Уплотняющие поверхности затвора и седел часто имеют наплавку из стеллита или карбида вольфрама, нанесенную плазменно-дуговой сваркой, что создает поверхность, устойчивую как к коррозии, так и к абразивному образованию царапин, вызванных частицами песка в производственном потоке. Типичный задвижка при эксплуатации HPHT может иметь корпус, выкованный из легированной стали F22, внутреннюю отделку из Inconel 718 и вставки седла из Stellite 6 - комбинацию, которая может поддерживать газонепроницаемое уплотнение для От 10 000 до 15 000 циклов при полном номинальном давлении и температуре.

Распространенные проблемы с задвижками и виды отказов в нефтепромысловом сервисе

Наиболее распространенными видами отказов задвижек в нефтегазовой отрасли являются утечка седла, вызванная протягиванием проволоки или захватом мусора, утечка уплотнения штока из-за разрушения уплотнения и заклинивание затвора в закрытом положении из-за образования накипи или теплового расширения. В полевых операциях часто встречаются следующие конкретные проблемы:

• Тяга проволоки и эрозия седла: Когда задвижка используется в частично открытом положении, высокоскоростная струя жидкости между задвижкой и седлом стирает твердый материал, создавая канавку, которая предотвращает герметичное уплотнение, даже когда задвижка впоследствии полностью закрывается. После волочения проволоки единственным ремонтом является замена шибера и обоих седловых колец.
• Образование гидратов и накипи: В газовых скважинах быстрое охлаждение, происходящее при расширении газа через закрытый затвор, может привести к образованию гидратов метана — ледоподобных кристаллов воды и метана — внутри корпуса клапана. Эти гидраты могут физически препятствовать движению затвора, а попытка принудительно открыть клапан с помощью мошеннического стержня может погнуть шток или сломать соединение штока с затвором.
• Неисправность сальника и уплотнения крышки: Уплотнение штока представляет собой набор колец из сжатого графита или ПТФЭ, которые уплотняют шток в том месте, где он проходит через крышку. Повторяющаяся езда на велосипеде, особенно в условиях высоких температур, указанных выше. 300°Ф (150°С) , может привести к потере упругости набивки и возникновению путей утечки. Негерметичную упаковку необходимо немедленно устранить, поскольку она представляет собой прямой выброс углеводородов в атмосферу.

Часто задаваемые вопросы о задвижках для нефтегазовой отрасли

В чем разница между задвижкой и шаровым краном при обслуживании устья скважины?

A задвижка обеспечивает полнопроходной беспрепятственный путь потока в открытом состоянии, что делает его предпочтительным выбором для устьевых главных клапанов и тампонных клапанов, через которые должны проходить скважинные инструменты. Шаровой кран также обеспечивает полнопроходной поток, но открывается и закрывается с помощью четверти оборота ручки, что ускоряет работу. Шаровые краны часто используются на крыльевых клапанах и ответвлениях коллекторов, где приоритетом является быстрое закрытие. Задвижки, как правило, более компактны в осевом направлении, что важно для рождественской елки, где вертикальное пространство ограничено. Оба типа клапанов могут быть изготовлены с номинальным давлением API 6A.

Почему никогда не следует использовать задвижку для дросселирования потока?

Дросселирование потока через частично открытый задвижка создает высокоскоростную струю жидкости между затвором и седлом. Эта струя быстро разрушает точно притертые уплотнительные поверхности. Этот процесс называется волочением проволоки. Если на поверхности седла прорезана канавка, клапан будет течь даже в полностью закрытом состоянии, и единственным корректирующим действием будет полный капитальный ремонт внутренних частей клапана. Дроссельная заслонка должна осуществляться с помощью дроссельной заслонки, специально разработанной с устойчивым к эрозии тримом и извилистым путем потока, который постепенно рассеивает энергию давления.

Как часто следует проверять устьевые задвижки?

API 6A рекомендует проверять работоспособность устьевых задвижек не реже одного раза в месяц во время добычи и проводить испытание на закрытие при полном давлении не реже одного раза в год. Главный клапан и тампонный клапан на рождественской елке особенно важны и подпадают под действие программы управления целостностью скважины, которая обычно требует проверки этих первичных барьеров каждый раз. от трех до шести месяцев , в зависимости от регулирующей юрисдикции и конкретной классификации рисков для скважин. Все испытания должны документироваться, а записи сохраняться в течение всего срока службы скважины.

Что означает «обратное расположение» на задвижке?

Заднее сиденье — это конструктивная особенность, при которой шток задвижка имеет вторичный уплотняющий выступ рядом с верхней частью штока, который контактирует с соответствующим седлом внутри крышки, когда клапан полностью открыт. Это заднее седло обеспечивает временное уплотнение, позволяющее заменить уплотнение штока, пока клапан находится под давлением и находится в эксплуатации. Не все задвижки имеют заднее расположение, и эта особенность чаще встречается на клапанах большего размера и на клапанах, предназначенных для применения на нефтеперерабатывающих и перерабатывающих предприятиях, чем на компактных устьевых клапанах.

Понимание как gate valve works в добыче нефти и газа раскрывает элегантное механическое решение серьезной инженерной проблемы: как надежно остановить абразивный и зачастую агрессивный поток углеводородов под высоким давлением с помощью устройства, которое должно оставаться в эксплуатации в течение десятилетий, часто зарыто или погружено в воду и не должно никогда давать утечек. Простое вертикальное движение затвора в сочетании с прецизионно обработанными металлическими уплотнительными поверхностями и автоматическим затвором с давлением обеспечивает абсолютное перекрытие, необходимое для контроля скважины и безопасности трубопровода. Независимо от того, установлен ли задвижка в качестве главного клапана на подводной рождественской елке на высоте 10 000 футов ниже уровня моря или в качестве запорного клапана на удаленном коллекторе в пустыне, он остается незаменимым компонентом глобальной нефтегазовой инфраструктуры.