Vysokotlakové ventily pre ropné polia v systémoch vrtných a potrubných systémov: Sprievodca návrhom a aplikáciou

A vysokotlakový ventil ropného poľa je ventil navrhnutý tak, aby bezpečne ovládal, izoloval alebo usmerňoval tok ropy, plynu a procesných kvapalín pri tlakoch typicky v rozsahu od 2 000 psi až 20 000 psi , používa sa na zostavách ústia vrtu, vianočných stromčekov, stromčekov Frac, rozdeľovačov tlmiviek a segmentov vysokotlakového potrubia. Tieto ventily sa od štandardných priemyselných ventilov odlišujú väčšou hrúbkou steny tela, kovanou (skôr ako liatou) konštrukciou, prísnejšou vysledovateľnosťou materiálu a povinným hydrostatickým a plynovým testovaním, aby sa potvrdilo, že dokážu bezpečne udržať tlak pri statickom aj cyklickom zaťažení.

Bežné typy ventilov používané vo vysokotlakovom servise

Žiadna konštrukcia jedného ventilu nie je vhodná pre každú vysokotlakovú aplikáciu. Výber typu ventilu závisí od toho, či je prioritou plný otvor, obojsmerné tesnenie, škrtiaca schopnosť alebo rýchla štvrťotáčková prevádzka.

Uzatváracie ventily zostávajú dominantnou voľbou pre pozície hlavného a krídlového ventilu vrtu, pretože ich dizajn priechodného vedenia umožňuje nástrojom drôtového vedenia prejsť cez úplne otvorený otvor bez prekážok – funkčná požiadavka, s ktorou sa guľové a kužeľové ventily vo všeobecnosti nemôžu zhodovať v rovnakej stope.

Riadiace normy pre vysokotlakové ventily ropných polí

Rôzne normy platia v závislosti od toho, kde je ventil v systéme umiestnený – na samotnom ústí vrtu, na vianočnom stromčeku alebo po prúde v zbernom alebo prenosovom potrubí.

Primárne štandardy podľa aplikácie

• API 6A: Riadi vybavenie ústia vrtu a vianočného stromčeka vrátane hlavných ventilov, krídlových ventilov a adaptérov
• API 6D: Riadi potrubné ventily používané v zberných a prenosových systémoch
• API 16C: Vzťahuje sa na zariadenia na dusenie a usmrcovanie používané počas vŕtania a operácií kontroly studní
• ASME B16.34: Poskytuje základné menovité hodnoty tlaku a teploty, na ktoré odkazuje mnoho konštrukcií ventilov
• NACE MR0175/ISO 15156: Povinná požiadavka na materiál, keď je H2S prítomný vo vyrobenej kvapaline

Ventil certifikovaný podľa API 6A má úroveň špecifikácie produktu (PSL) od 1 do 4, s PSL 3 a PSL 4 typicky špecifikované pre vysokotlakové, vysokoteplotné (HPHT) a kritické kyslé vrty, pretože vyžadujú rozšírené testovanie overenia návrhu, úplnú certifikáciu materiálu a prísnejšie nedeštruktívne preskúmanie ako PSL 1 alebo PSL 2.

Tlakové triedy a čo znamenajú v teréne

Výber tlakovej triedy je najdôležitejším rozhodnutím pri špecifikácii vysokotlakového ventilu. Podhodnotenie vytvára priame bezpečnostné riziko, zatiaľ čo nadhodnotenie pridáva zbytočnú váhu a náklady na inštaláciu.

Každý ventil musí mať aj teplotnú triedu v rozsahu od U (-75 °F až 82 °F) pre arktické podmienky T (-18 °F až 350 °F) pre vysokoteplotnú výrobu. Teplotná trieda by mala zodpovedať skutočnej teplote pretekajúcej kvapaliny v mieste ventilu, ktorá môže byť výrazne vyššia ako povrchová teplota okolia pri ťažobných vrtoch.

Materiály pre kyslý servis a podmienky HPHT

Výber materiálu sa stáva kritickým, keď je ventil vystavený H2S, CO2 alebo zvýšeným teplotám, pretože štandardná uhlíková oceľ môže za týchto podmienok trpieť sulfidovým praskaním alebo stratiť mechanickú pevnosť.

• Trieda materiálu AA/BB: Štandardná uhlíková alebo nízkolegovaná oceľ pre nekyslé použitie
• Trieda materiálu DD/EE/FF: Obloženie z uhlíkovej ocele alebo zliatiny odolnej voči korózii v súlade s NACE pre náročné použitie
• Nerezové obloženie Inconel alebo duplex: Používa sa v vrtoch s vysokým obsahom CO2 alebo vysoko korozívnych HPHT pre predĺženú životnosť
• PEEK alebo kovové sedadlá: Vyberá sa cez elastomérové sedlá, keď teploty prekračujú pracovné limity štandardných gumových zmesí

Napríklad studňa produkujúca pri 15 000 psi s prietokovou teplotou 300 °F a detekovateľným H2S zvyčajne vyžaduje a Materiálová trieda EE, posúvač PSL 3 alebo 4 s kovovými sedlami, zatiaľ čo nízkotlakové ústie vrtu so sladkým plynom pri 3 000 psi by mohlo byť primerane obsluhované štandardným ventilom triedy materiálu BB, PSL 2.

Požiadavky na testovanie pred nasadením v teréne

Každý vysokotlakový ventil ropného poľa musí pred certifikáciou prejsť definovanou sekvenciou výrobných testov a vyššie úrovne PSL vyžadujú dodatočné overenie návrhu na prototype pred schválením návrhu na výrobu.

Štandardná výrobná testovacia sekvencia

1. Hydrostatická skúška tela pri 1,5-násobok menovitého pracovného tlaku
2. Skúška sedla v oboch smeroch prúdenia pri menovitom pracovnom tlaku
3. Skúška tesnenia zadného sedla alebo drieku, aby sa potvrdilo, že nedochádza k úniku cez tesnenie drieku
4. Prevádzková skúška s plným zdvihom na overenie hladkého chodu
5. Skúška plynu pre ventily určené pre plyn alebo službu PSL 3/4

Ventily PSL 3 a PSL 4 dodatočne podliehajú rozšírené cyklické testovanie , niekedy zahŕňajúce niekoľko tisíc cyklov otvorenia a zatvorenia na prototype, aby sa simulovali roky prevádzky v teréne pred schválením návrhu na výrobu – krok, ktorý výrazne znižuje riziko predčasného zlyhania sedla alebo tesnenia, keď je ventil nainštalovaný dole.

Aplikačné body v vrtných a potrubných systémoch

Vysokotlakové ventily sú inštalované v každom kritickom izolačnom a kontrolnom bode naprieč protiprúdovou prietokovou cestou, od ústia vrtu až po potrubnú sieť.

• Hlavné a krídlové ventily vrtu: Primárna prístupová izolácia na vianočný stromček
• Frac stromy: Izolácia vysokotlakovej štiepnej tekutiny počas stimulácie studne, často presahujúca 10 000 psi
• Rozdeľovače tlmivky: Zníženie vysokého tlaku v ústí vrtu na zvládnuteľnú úroveň pred vstupom do zberného systému
• Potrubné blokové ventily: Rozdelenie dlhých prenosových vedení na údržbu a núdzové odstavenie
• Podmorské stromy: Diaľkovo ovládané vysokotlakové ventily kontrolujúce ťažbu podmorských vrtov

Najmä blokové ventily potrubia sú často rozmiestnené v intervaloch každých 20 až 30 míľ pozdĺž prenosovej linky, čo umožňuje operátorom rýchlo izolovať prasknutý alebo poškodený úsek a obmedziť objem produktu uvoľneného počas núdzového odstavenia.

Výber správneho ventilu pre danú aplikáciu

Správny výber ventilu závisí od prispôsobenia podmienok vrtu alebo potrubia menovitému tlaku, teplote, triede materiálu a PSL ventilu – nielen výber ventilu s najvyššou hodnotou, ktorý je k dispozícii.

Kontrolný zoznam výberu

• Potvrďte maximálny predpokladaný prevádzkový tlak a vyberte tlakovú triedu s primeranou bezpečnostnou rezervou
• Overte klasifikáciu kyslých služieb a špecifikujte triedu materiálu vyhovujúcu NACE, ak je prítomný H2S
• Prispôsobte teplotnú triedu skutočnej teplote prúdiacej kvapaliny, nielen podmienkam okolia
• Určte požadované PSL na základe kritickosti vrtu, regulačných požiadaviek alebo špecifikácií operátora
• Vyberte typ ventilu na základe funkcie: vrátka na izoláciu ústia vrtu s plným vrtom, guľa alebo zátka na izoláciu štvrťotáčkového potrubia, tlmivka na zníženie tlaku
• Potvrďte, že typ koncového pripojenia a spôsob ovládania sa zhodujú s príslušným zariadením a riadiacim systémom

Postupy údržby pre dlhodobú spoľahlivosť

Vysokotlakové ventily fungujú v podmienkach, ktoré urýchľujú opotrebenie sediel, tesnení a upchávok vretena, takže štruktúrovaný program údržby je nevyhnutný, aby sa predišlo neplánovaným odstávkam alebo bezpečnostným incidentom.

• Vykonajte rutinné hladenie ručne ovládaných ventilov, aby ste predišli zadretiu brány alebo gule
• Pravidelne kontrolujte a vymeňte upchávku vretena, aby ste predišli úniku na kapote
• Vykonajte pravidelné testovanie netesnosti sedla, aby ste sa uistili, že ventil stále spĺňa svoju menovitú triedu netesnosti
• Skontrolujte koróziu alebo eróziu na ventiloch v prevádzke s kyslými alebo pevnými látkami
• Overte funkciu pohonu, prívod vzduchu a integritu riadiaceho signálu na diaľkovo ovládaných ventiloch

Väčšina prevádzkovateľov naplánuje úplnú recertifikáciu kritických ventilov ústia studní každých 3 až 5 rokov , s častejšími intervalmi kontroly pre ventily Frac Tree, ktoré sú vystavené opakovanému vysokotlakovému cyklovaniu počas viacstupňových stimulačných operácií, kde sa opotrebovanie sedla a tesnenia hromadí oveľa rýchlejšie ako pri ventiloch používaných na jednoduché zapnutie/vypnutie izolácie.