Чем расширяющиеся задвижки отличаются от традиционных задвижек при эксплуатации на нефтяных скважинах?

При выборе арматуры для эксплуатации нефтяных скважин выбор между расширяющиеся задвижки и традиционные задвижки имеют значительные последствия для безопасности, производительности и общей стоимости владения. Понимание структурных и функциональных различий имеет важное значение для инженеров и групп по закупкам, работающих в сфере разведки и добычи нефти и газа.

Что такое расширяющиеся задвижки?

Расширяющиеся задвижки представляют собой специализированный тип запорного клапана, разработанный для приложений с критически важными услугами. В отличие от обычных задвижек, они имеют двухсегментный узел задвижки — задвижку и сегмент, который механически расширяется, прижимаясь к седлам как вверх, так и вниз по потоку, когда клапан достигает полностью открытого или полностью закрытого положения. Этот двунаправленный механизм сиденья устраняет трение скольжения между воротами и сиденьями во время движения, что значительно снижает износ сидений.

Эта конструкция особенно распространена в устьевых узлах скважин, конфигурациях «рождественской елки» и системах поверхностных предохранительных клапанов (SSV), где принудительное закрытие и длительные интервалы обслуживания не подлежат обсуждению.

Как работают традиционные задвижки

Традиционные (сплошные или пластинчатые) задвижки работают за счет перемещения плоского диска перпендикулярно потоку. Ворота поддерживают постоянный контакт с седлами во время открытия и закрытия, создавая трение скольжения на протяжении всего хода. Хотя эти клапаны экономически эффективны и хорошо изучены во многих промышленных условиях, этот механизм с приводом от трения ускоряет эрозию седла, особенно в скважинных жидкостях с абразивом, высоким давлением или с содержанием твердых частиц.

Ключевые различия: расширяющиеся задвижки по сравнению с традиционными задвижками

В таблице ниже приведены наиболее важные характеристики и конструктивные различия между двумя типами клапанов при обслуживании нефтяных скважин:

Преимущества производительности расширяющихся задвижек на нефтяных скважинах

1. Превосходные характеристики уплотнения под высоким давлением.

В нефтяных скважинах с высоким давлением, особенно в скважинах HPHT (высокое давление и высокая температура), поддержание надежного уплотнения с нулевой утечкой имеет решающее значение. Расширяющиеся задвижки одновременно подавать напряжение на седла, расположенные выше и ниже по потоку в закрытом положении, обеспечивая стабильное уплотнение металл-металл или эластомерное уплотнение независимо от направления потока. Такую двунаправленную целостность трудно достичь с помощью традиционных конструкций плоских ворот.

2. Снижение эрозии из-за абразивных материалов в стволе скважины.

Скважинные жидкости часто содержат песок, проппант, окалину и другие абразивные частицы. В традиционном задвижке эти частицы задерживаются между шиберной заслонкой и седлами во время каждого цикла срабатывания, вызывая быструю эрозию. Потому что расширяющиеся задвижки перед движением снимите оба седла, седла не подвергаются абразивному контакту во время работы клапана, что значительно продлевает срок службы колец седла и самого затвора.

3. Соответствие стандартам API 6A на устьевое оборудование.

Расширяющиеся задвижки специально разработаны и изготовлены в соответствии с требованиями API 6A — руководящим стандартом для устьевого и елочного оборудования. Традиционные задвижки обычно относятся к категории API 6D (трубопроводные клапаны) и по своей сути не предназначены для рабочего давления на устье скважины или конфигурации ствола скважины. При работе с головками эксплуатационных насосно-компрессорных труб, обсадными колоннами или штуцерными манифольдами соответствует стандарту API 6A. расширяющиеся задвижки являются отраслевым стандартом.

4. Более низкие требования к моменту срабатывания.

Поскольку ворота отсоединяются от сидений перед движением, расширяющиеся задвижки требуют значительно меньшего крутящего момента, особенно в условиях перепада давления. Это позволяет использовать меньшие по размеру и более легкие приводы в автоматизированных установках на устье скважин, снижая вес оборудования на подводных устьях и наземных установках, а также снижая риск выхода из строя штока или крышки при многоцикловой работе.

Где традиционные задвижки по-прежнему играют роль

Традиционные задвижки не лишены достоинств. Они остаются уместными в сценариях, где:

• Рабочее давление низкое (ниже 600 фунтов на квадратный дюйм в некритических линиях)
• Частота срабатываний минимальна и жидкость чистая, неабразивная
• Бюджетные ограничения являются основным драйвером во вторичных системах с низким уровнем риска
• Замена или модернизация быстро и недорого в трубопроводах, не связанных с устьем скважины

Однако на любом основном маршруте добычи, критически важном для безопасности режиме изоляции или устьевой установке ограничения производительности традиционных задвижек создают неприемлемый риск утечек, незапланированных простоев и дорогостоящих вмешательств в скважину.

Анализ затрат жизненного цикла: долгосрочная перспектива

Хотя расширяющиеся задвижки имеют более высокую первоначальную закупочную цену, общая экономика жизненного цикла явно благоприятствует им при обслуживании нефтяных скважин. К основным факторам затрат, которые следует учитывать, относятся:

Варианты материалов и конфигурации для обслуживания нефтяных скважин

Расширяющиеся задвижки предназначены для применения на нефтяных скважинах, доступны в различных марках материалов и конфигурациях торцевых соединений, соответствующих конкретным требованиям условий эксплуатации:

• Материалы корпуса: легированная сталь AISI 4130, 4140; нержавеющая сталь 316; Инконель 625 для кислых условий (H₂S)
• Варианты обрезки: Седла со стеллитом для защиты от эрозии; покрытия из карбида вольфрама для применений HPHT
• Концевые соединения: Кольцевое соединение, фланцевое (RJ), резьбовое, стыковое приварное соединение и ступичное соединение API 6A.
• Температурные классы: Температурные классы API 6A L, P, R, S, T, U для стандартных и экстремальных температурных диапазонов.
• Уровни спецификации продукта: PSL1–PSL4 для различных требований к качеству и документации.
• Требования к производительности: PR1 и PR2 для циклических испытаний под давлением и испытаний при повышенной температуре согласно API 6A.

Сценарии применения, в которых расширяющиеся задвижки превосходны

Устьевые и рождественские елки в сборе

Расширяющиеся задвижки являются основными запорными клапанами в устьевых узлах скважин, расположенных на катушках головки насосно-компрессорных труб, катушках обсадных труб и боковых выпускных отверстиях «рождественской елки». Их седла металл-металл с нулевой утечкой обеспечивают герметизацию скважины, что имеет решающее значение во время капитального ремонта, производственных испытаний и операций аварийного закрытия.

Системы наземных предохранительных клапанов (SSV) и подземных предохранительных клапанов (USV)

Нормативные требования BSEE (Бюро по обеспечению безопасности и охраны окружающей среды) и эквивалентные международные стандарты требуют наличия отказоустойчивых запорных клапанов на морских и наземных добывающих скважинах. Расширяющиеся задвижки интегрированные с гидравлическими или пневматическими приводами, служат основным запорным элементом в этих системах безопасности благодаря надежному полнопроходному закрытию и проверенной герметичности.

Кислый сервис (H₂S) Уэллс

Для скважин, содержащих сероводород (H₂S), требуются материалы и конструкции, соответствующие требованиям NACE MR0175/ISO 15156. Расширяющиеся задвижки изготовленные из сплавов, соответствующих требованиям NACE, с эластомерными уплотнениями, рассчитанными на эксплуатацию в кислых средах, представляют собой комплексное решение, с которым традиционные задвижки из углеродистой стали не могут безопасно сравниться без значительных модификаций.

Заключение

Для нефтяных скважин, требующих надежной изоляции, целостности при высоком давлении и увеличенного срока службы, расширяющиеся задвижки представляют собой технически превосходящий и экономически оправданный выбор по сравнению с традиционными задвижками. Их уникальный механизм расширения исключает эрозию седла, свойственную конструкциям скользящих затворов, а соответствие стандарту API 6A гарантирует, что они отвечают строгим требованиям обслуживания устьев скважин и рождественских елок.

Традиционные задвижки сохраняют свою ценность в системах с низким давлением, но они не являются жизнеспособной заменой расширяющиеся задвижки в первичном производстве, критической изоляции или средах HPHT. Операторы, отдающие приоритет целостности скважин, уменьшению частоты вмешательств и долгосрочной экономической эффективности, последовательно выбирают расширяющиеся задвижки в качестве предпочтительного решения для изоляции устья скважины.