Supape pentru câmpuri petroliere de înaltă presiune în sistemele de cap de sondă și conducte: Ghid de proiectare și aplicare

A supapă pentru câmp petrolier de înaltă presiune este o supapă proiectată pentru a controla, izola sau direcționa în siguranță fluxul de ulei, gaz și fluide de proces la presiuni de obicei variind de la 2.000 psi până la 20.000 psi , utilizat în ansamblurile capului de sondă, pomi de Crăciun, copaci fracționați, colectoare de sufocare și segmente de conducte de înaltă presiune. Aceste supape se deosebesc de supapele industriale standard prin grosimea mai mare a peretelui corpului, construcția forjată (mai degrabă decât turnată), trasabilitatea mai strictă a materialului și testarea hidrostatică și a gazelor obligatorii pentru a confirma că pot conține presiunea în siguranță atât în ​​condiții de încărcare statică, cât și ciclică.

Tipuri comune de supape utilizate în serviciul de înaltă presiune

Niciun design de supapă nu se potrivește fiecărei aplicații de înaltă presiune. Alegerea tipului de supapă depinde de faptul că prioritatea este accesul pe pasul complet, etanșarea bidirecțională, capacitatea de clasificare sau funcționarea rapidă cu un sfert de tură.

Supape cu gură rămân alegerea dominantă pentru pozițiile de supapă principală și de aripă, deoarece designul lor prin conducte permite sculelor cu fir să treacă prin orificiul complet deschis fără obstrucții - o cerință funcțională pe care supapele cu bilă și dopul nu se pot potrivi în general în aceeași amprentă.

Standarde de reglementare pentru supapele pentru câmpuri petroliere de înaltă presiune

Se aplică standarde diferite în funcție de locul în care se află supapa în sistem - la capul sondei, pe pomul de Crăciun sau în aval în conducta de colectare sau de transport.

Standarde primare după aplicație

• API 6A: Guvernează echipamentele capului de puț și ale pomului de Crăciun, inclusiv supapele principale, supapele aripioare și adaptoarele
• API 6D: Guvernează supapele de conducte utilizate în sistemele de colectare și transmisie
• API 16C: Se aplică echipamentelor de sufocare și ucidere utilizate în timpul operațiunilor de foraj și control al puțurilor
• ASME B16.34: Oferă valori nominale de presiune-temperatura de bază la care se face referire de multe modele de supape
• NACE MR0175/ISO 15156: Cerință de material obligatorie atunci când H2S este prezent în fluidul produs

O supapă certificată conform API 6A are un nivel de specificație a produsului (PSL) de la 1 la 4, cu PSL 3 și PSL 4 specificate de obicei pentru puțuri de înaltă presiune, temperatură înaltă (HPHT) și puțuri critice de serviciu acru, deoarece necesită testare extinsă de validare a proiectării, certificare completă a materialului și o examinare nedistructivă mai riguroasă decât PSL 1 sau PSL 2.

Clasele de presiune și ce înseamnă acestea în teren

Selectarea clasei de presiune este cea mai importantă decizie în specificarea unei supape de înaltă presiune. Subevaluarea creează un pericol direct de siguranță, în timp ce supraevaluarea adaugă greutate și costuri inutile instalării.

Fiecare supapă trebuie să aibă, de asemenea, o clasă de temperatură, variind de la U (-75°F până la 82°F) pentru condiţiile arctice să T (-18°F până la 350°F) pentru producția la temperatură înaltă. Clasa de temperatură ar trebui să fie potrivită cu temperatura reală a fluidului care curge la locația supapei, care poate fi semnificativ mai mare decât temperatura ambiantă a suprafeței în puțurile producătoare.

Materiale pentru Service Sour și Condiții HPHT

Selectarea materialului devine critică odată ce o supapă este expusă la H2S, CO2 sau la temperaturi ridicate, deoarece oțelul carbon standard poate suferi fisurarea prin tensiuni de sulfură sau poate pierde rezistența mecanică în aceste condiții.

• Clasa materialului AA/BB: Oțel carbon standard sau slab aliat pentru servicii non-acide
• Clasa materialului DD/EE/FF: Garnitură din oțel carbon sau aliaj rezistent la coroziune conform NACE pentru service acru
• Garnitură Inconel sau duplex din inox: Folosit în puțuri HPHT cu conținut ridicat de CO2 sau foarte corozive pentru o durată de viață extinsă
• Scaune PEEK sau metalice: Selectat față de scaunele din elastomer atunci când temperaturile depășesc limitele de lucru ale compușilor standard de cauciuc

De exemplu, un puț care produce la 15.000 psi cu temperatură de curgere de 300°F și H2S detectabil ar necesita de obicei a Clasa de material EE, PSL 3 sau 4 robinet cu scaune metalice, în timp ce un cap de puț de gaz dulce de joasă presiune la 3.000 psi ar putea fi deservit în mod adecvat de o supapă standard de clasă de materiale BB, PSL 2.

Cerințe de testare înainte de implementarea pe teren

Fiecare supapă de înaltă presiune pentru câmp petrolier trebuie să treacă o secvență definită de teste de producție înainte de certificare, iar nivelurile PSL mai ridicate necesită testare suplimentară de validare a designului pe un prototip înainte ca proiectul să fie aprobat pentru fabricație.

Secvență standard de testare a producției

1. Test hidrostatic corporal la de 1,5 ori presiunea nominală de lucru
2. Testarea scaunului în ambele direcții de curgere la presiunea nominală de lucru
3. Testarea scaunului din spate sau a etanșării tijei pentru a confirma că nu există scurgeri dincolo de garnitura tijei
4. Test de funcționare cu cursă completă pentru a verifica funcționarea lină
5. Test de gaz pentru supape destinate service-ului pe gaz sau PSL 3/4

Supapele PSL 3 și PSL 4 sunt supuse suplimentar testare ciclică extinsă , implicând uneori câteva mii de cicluri de deschidere-închidere pe un prototip, pentru a simula ani de funcționare pe teren înainte ca proiectarea să fie aprobată pentru producție - o etapă care reduce semnificativ riscul de defecțiune prematură a scaunului sau a etanșării odată ce supapa este instalată în fond.

Puncte de aplicare în sistemele de cap de sondă și conducte

Supapele de înaltă presiune sunt instalate la fiecare punct critic de izolare și control pe traseul de curgere din amonte, de la capul sondei până la rețeaua de conducte.

• Supape de cap de puț și aripi: Izolarea accesului puțului primar pe bradul de Crăciun
• Arbori de fractie: Izolarea fluidului de fracturare de înaltă presiune în timpul stimulării puțului, deseori depășind 10.000 psi
• Distribuitoare de sufocare: Reducerea presiunii ridicate în capul puțului la un nivel gestionabil înainte de a intra în sistemul de colectare
• Supape de blocare a conductei: Secționarea liniilor lungi de transport pentru întreținere și oprire de urgență
• Copaci submarini: Supape de înaltă presiune acționate de la distanță care controlează producția de puțuri submarine

Supapele de blocare a conductelor în special sunt adesea distanțate la intervale de la fiecare 20 până la 30 de mile de-a lungul unei linii de transport, permițând operatorilor să izoleze rapid o secțiune ruptă sau deteriorată și să limiteze volumul de produs eliberat în timpul unei opriri de urgență.

Selectarea supapei potrivite pentru o anumită aplicație

Alegerea corectă a supapei depinde de potrivirea condițiilor puțului sau conductei la presiunea nominală, temperatura, clasa de material și PSL ale supapei - nu pur și simplu alegerea supapei cu cel mai înalt nivel disponibil.

Lista de verificare a selecției

• Confirmați presiunea maximă de funcționare anticipată și selectați o clasă de presiune cu o marjă de siguranță adecvată
• Verificați clasificarea serviciului acru și specificați clasa de materiale conformă NACE dacă este prezent H2S
• Potriviți clasa de temperatură cu temperatura reală a fluidului care curge, nu doar condițiile ambientale de suprafață
• Determinați PSL-ul necesar pe baza criticității sondei, a cerințelor de reglementare sau a specificațiilor operatorului
• Alegeți tipul de supapă în funcție de funcție: poarta pentru izolarea capului de sondă cu gaură completă, bilă sau dop pentru izolarea conductei cu un sfert de tură, șocul pentru reducerea presiunii
• Confirmați că tipul de conectare finală și metoda de acționare se potrivesc cu echipamentul de împerechere și sistemul de control

Practici de întreținere pentru fiabilitate pe termen lung

Supapele de înaltă presiune funcționează în condiții care accelerează uzura scaunelor, etanșărilor și garniturii tijei, făcând un program de întreținere structurat esențial pentru a evita opririle neplanificate sau incidentele de siguranță.

• Efectuați mișcarea de rutină a supapelor acționate manual pentru a preveni blocarea porții sau a bilei
• Inspectați și înlocuiți garnitura tijei pe o bază programată pentru a preveni scurgerile la capotă
• Efectuați periodic teste de scurgere a scaunului pentru a confirma că supapa îndeplinește în continuare clasa de scurgere nominală
• Verificați dacă există coroziune sau eroziune pe supape în funcționare acru sau încărcată cu solide
• Verificați funcționarea dispozitivului de acționare, alimentarea cu aer și integritatea semnalului de control pe supapele operate de la distanță

Majoritatea operatorilor programează fiecare recertificare completă a supapelor critice ale capului de sondă 3 până la 5 ani , cu intervale de inspecție mai frecvente pentru supapele frac tree supuse ciclurilor repetate de înaltă presiune în timpul operațiunilor de stimulare în mai multe etape, unde uzura scaunului și a etanșării se acumulează mult mai repede decât în supapele utilizate pentru serviciul simplu de izolație pornit/oprit.