Что такое задвижка? Полное руководство для специалистов по добыче нефти

A задвижка представляет собой изоляционное устройство с линейным движением, которое контролирует поток путем поднятия или опускания плоского или клиновидного затвора, перпендикулярного отверстию трубопровода. При добыче нефти оно остается доминирующим типом клапана для изоляции магистральных трубопроводов большого диаметра и высокого давления, где требуется полный, беспрепятственный поток, а частая эксплуатация не требуется. Согласно Отчет о мировом рынке клапанов за 2023 год (MarketsandMarkets) , на задвижки приходится примерно 28% всей арматуры, проданной в сектор разведки и добычи нефти и газа в расчете на единицу объема , уступая только шаровым кранам, с оценкой этого сегмента более 2,1 миллиарда долларов в год. Понимание того, что такое задвижка, как она работает и какое место она занимает в нефтепромысловой системе, является фундаментальным знанием для каждого инженера по бурению, руководителя производства и специалиста по закупкам.

Что такое задвижка и как она работает?

A задвижка работает путем перемещения затвора — плоского диска или конического клина — перпендикулярно направлению потока, либо полностью втягиваясь в полость крышки (полностью открыто), либо полностью блокируя отверстие (полностью закрываясь). В отличие от шарового крана, который поворачивается на 90 градусов, задвижка требует нескольких полных оборотов маховика или штока привода для перемещения между открытым и закрытым положениями, поэтому его классифицируют как задвижку. многооборотный клапан . В полностью открытом положении задвижка полностью убирается в крышку над каналом потока, оставляя беспрепятственный полнопроходной проход с практически нулевым перепадом давления — решающее преимущество в магистральных нефтепроводах с высоким расходом, где даже небольшое ограничение приводит к измеримым потерям добычи.

Основные компоненты нефтяного месторождения задвижка являются:

• Корпус клапана: Корпус, удерживающий давление, обычно выкован из углеродистой стали (ASTM A105), легированной стали (ASTM A182 F22) или нержавеющей стали. В корпусе размещены порты потока и седла, и он выдерживает полное номинальное давление в трубопроводе — до 20 000 фунтов на квадратный дюйм при экстремальных условиях работы на устье скважины HPHT.
• Ворота (Диск): Сдвижной запорный элемент. Сплошные клиновые затворы, гибкие клиновые затворы, разрезные клиновые затворы и параллельные пластинчатые затворы — это четыре основных варианта, используемых в нефтяной отрасли, каждый из которых предлагает различные характеристики уплотнения и устойчивость к термическому связыванию.
• Сиденья: Две посадочные поверхности внутри корпуса, к которым прилегает затвор в закрытом состоянии. В нефтепромысловом обслуживании седла бывают цельными (выточенными на корпусе), вставными (сменные кольца) или с наплавкой из стеллита или карбида вольфрама для защиты от эрозии сырой нефти, содержащей песок.
• Стебель: Передаёт вращательный момент от маховика или привода в линейное движение ворот. Конструкция с выдвижным штоком визуально указывает положение клапана (шток поднимается при открытии); В конструкциях с невыдвижным штоком шток остается полностью закрытым — предпочтителен там, где зазор по высоте на морских платформах ограничен.
• Капот: Верхнее закрытие, которое герметизирует полость тела и направляет шток. Крышки с болтовым креплением являются стандартными для большинства нефтесервисных предприятий; Крышки с герметичным уплотнением используются выше 900# (класс 900 по ASME), где риск протечек из крышки наиболее высок.
• Упаковка и сальник: Система уплотнения штока, предотвращающая внешние утечки. При работе с сернистым газом материалы уплотнений и конструкции сальников должны соответствовать NACE MR0175/ИСО 15156 для предотвращения сульфидного растрескивания под напряжением и выделения токсичного H2S.

Типы задвижек, используемых при добыче нефти

Есть пять основных задвижка конструкции, используемые на нефтедобывающих предприятиях, каждая из которых разработана для работы с определенной комбинацией давления, температуры, типа жидкости и частоты циклов.

1. Задвижка с цельным клином.

Сплошной клин является самым простым и наиболее широко используемым. задвижка проектирование в нефтесервисе. Цельный конический затвор прилегает к двум наклонным седлам в корпусе, обеспечивая надежную герметизацию в широком диапазоне давлений и температур. Конструкции с цельным клином являются стандартными для работы с неагрессивной сырой нефтью до класса 2500 по ASME (приблизительно 6250 фунтов на квадратный дюйм при 100°F). Их ограничением является восприимчивость к тепловому схватыванию: при горячей эксплуатации дифференциальное тепловое расширение между шибером и корпусом может заблокировать шибер от седла, что сделает открытие клапана невозможным. Вот почему цельноклиновые клапаны редко используются для закачки пара или эксплуатации скважин при высоких температурах (выше 500°F).

2. Гибкая клиновая задвижка

Гибкий клин имеет кольцевую канавку, прорезанную в затворе, которая позволяет двум посадочным поверхностям изгибаться независимо, компенсируя незначительное смещение седла и уменьшая термическое заедание. Гибкий клин задвижкаs являются предпочтительной конструкцией для линий нагнетания парового вытеснения и термического повышения нефтеотдачи (EOR), где температура может превышать 650°F (343°C). Согласно АСМЭ Б16.34 (2021 г.) Гибкие клинья обеспечивают более плотное уплотнение при работе при высоких температурах, чем цельные клинья, сохраняя при этом эквивалентное номинальное давление.

3. Задвижка с параллельными пластинами (расширяющаяся задвижка)

Параллельная плита задвижкаs используйте два параллельных сегмента ворот — пластину и проставку — которые механически раздвигаются в закрытом положении для одновременного зацепления обоих седел, обеспечивая двойное уплотняющее действие. Этот дизайн является доминирующим выбором для обслуживание устья скважины и рождественской елки согласно API 6А, поскольку он полностью устраняет проблему термического связывания (шибер не заклинивает в седлах), позволяет скребкам трубопровода проходить через отверстие с плоской поверхностью и обеспечивает герметичное уплотнение металл-металл при давлениях до 20 000 фунтов на квадратный дюйм. Расширяющаяся задвижка имеет самые высокие технические характеристики. задвижка в нефтяной промышленности.

4. Ножевая задвижка

В ножевых задвижках используется тонкая задвижка с острыми краями, которая пропускает вязкую жидкость или жидкость шламового типа и обеспечивает закрытие. В нефтепромысловых целях нож задвижкаs используются в системах очистки пластовой воды, перекачке бурового раствора и линиях шлама, где обычные клиновые затворы засоряются из-за скопления твердых частиц в полости корпуса. Они не подходят для работы под высоким давлением (максимальное номинальное давление обычно составляет от 150 до 300 фунтов на квадратный дюйм), но очень эффективны при работе с жидкостями с высоким содержанием твердых частиц при низком давлении.

5. Проходная задвижка

Сквозной канал задвижкаs имеют полнопроходное отверстие в самом затворе, так что, когда клапан открыт, путь потока проходит через затвор, а не над ним. Это устраняет карман в полости корпуса, где могут накапливаться твердые частицы, воск или гидраты в традиционных конструкциях ворот. Сквозные конструкции широко используются для трубопроводы для экспорта сырой нефти и устройства для приема свиней где внутренняя чистота и возможность очистки скребков являются обязательными. Они также используются на заглубленных береговых станциях изоляции трубопроводов, где дренаж полости клапана нецелесообразен.

Задвижка против шарового клапана против шарового клапана: какой вариант подходит для добычи нефти?

Выбор неправильного типа клапана для применения на нефтяном месторождении является одной из наиболее распространенных и дорогостоящих ошибок при закупках: задвижка, указанная там, где требуется шаровой клапан, может означать неудачную реакцию ESD, в то время как шаровой клапан, указанный там, где требуется задвижка, увеличивает ненужные затраты. В таблице ниже представлено прямое техническое сравнение на основе сервисных требований API 6D, API 6A и ASME B16.34:

Таблица 1: Техническое сравнение задвижки, шарового крана и шарового крана для добычи нефти. Данные основаны на спецификациях API 6A, API 6D и ASME B16.34.

Где используются задвижки в цепочке создания стоимости добычи нефти

Задвижки появляются в конкретных, четко определенных местах в каждой разведочной системе нефтедобычи – выбранные не потому, что они универсальны, а потому, что их сочетание полнопроходного потока, способности работать под высоким давлением и низкочастотной работы лучше, чем любой другой тип клапанов, соответствует требованиям изоляции магистральной линии и обслуживания главного клапана на устье скважины.

Главный устьевой клапан (наземный и подводный)

Главный устьевой клапан — основной запорный клапан между пластом и наземной системой добычи — присутствует в большинстве устьевых узлов скважины, соответствующих стандарту API 6A. расширяющаяся параллельная задвижка (также называемый пластинчатой задвижкой). Такая конструкция обеспечивает герметичное уплотнение металл по металлу при давлении до 20 000 фунтов на квадратный дюйм, справляется с песком и окалиной, не закупоривая полость клапана (конфигурация со сквозным кабелепроводом), и сохраняет целостность уплотнения даже после длительных периодов простоя — важнейшее требование для редко используемых главных клапанов. Согласно Спецификация API 6A (двадцать первое издание, 2018 г.) Все устьевые задвижки должны пройти гидростатическое испытание корпуса при 1,5-кратном номинальном рабочем давлении и испытание седла при номинальном рабочем давлении с нулевой видимой утечкой.

Изоляция магистрального нефтепровода и экспортного трубопровода

На нефтепроводах большого диаметра (номинальный внутренний диаметр от 12 до 48 дюймов) задвижкаs являются экономичным выбором для станций запорной арматуры магистральных линий, изоляции ловушек для скребков и мест аварийных блоков. При таких больших размерах полнопроходной шаровой кран с цапфой может стоить в 3–5 раз дороже, чем эквивалентная задвижка API 6D. Поскольку магистральные запорные клапаны срабатывают нечасто — обычно менее 12 раз в год — преимущество шаровых кранов в скорости не имеет значения, что делает задвижки экономически оптимальным выбором. По данным компании, 24-дюймовый сквозной задвижной клапан API 6D класса 600 на типичной изоляционной станции примерно на 40 % ниже по капитальным затратам, чем эквивалентный полнопроходной шаровой клапан. данные сравнительного анализа отраслевых закупок, опубликованные в журнале Pipeline and Gas Journal (2022 г.) .

Операции по бурению и заканчиванию скважин

Задвижки являются неотъемлемой частью противовыбросового превентора (ПВО) и систем изоляции ствола скважины во время бурения. сверление золотниковых задвижек на блоке противовыбросовых превенторов должен обрабатывать жидкость глушения скважин, цементный раствор и газовые выбросы под высоким давлением — и все это в одном клапане. Задвижки с рейтингом API 16A на штуцерных и глушильных линиях превентора должны выдерживать давление до 20 000 фунтов на квадратный дюйм и надежно работать в самых сложных условиях потока, встречающихся на любом месторождении. Аналогичным образом, при освоении скважины задвижкаs на колонне заканчивания, изоляционный манифольд, контроль циркуляции жидкости в затрубном пространстве и выравнивание рождественской елки.

Закачка воды и увеличение нефтеотдачи (EOR)

В системах закачки воды, поддерживающих пластовое давление или реализующих методы повышения нефтеотдачи заводнением, используется большое количество задвижкаs на впрыскивающих коллекторах и распределительных коллекторах. Давление закачки обычно колеблется от 1000 до 5000 фунтов на квадратный дюйм, а скорость потока может превышать 100 000 баррелей в день (баррелей в день) на одну нагнетательную станцию, что требует использования клапанов большого диаметра там, где экономически выгодна задвижка. Для термического увеличения нефтеотдачи с помощью закачки пара (используется при добыче тяжелой нефти на таких месторождениях, как канадские нефтеносные пески), гибкий клин задвижкаs Согласно ASME класс 900 или класс 1500, нержавеющая сталь или легированная сталь предназначены для работы с паром при температуре до 650 °F (343 °C) и давлении до 2500 фунтов на квадратный дюйм.

Очистка и утилизация пластовой воды

Пластовую воду — соленую воду, добываемую совместно с сырой нефтью — необходимо отделять, очищать и либо повторно закачивать, либо утилизировать. На каждом этапе обращения с пластовой водой задвижкаs (часто конструкции с ножевыми затворами для высокого содержания твердых частиц) изолируют фильтры, пескоотделители и впрыскивающие насосы. Коррозионная активность пластовой воды (с высоким содержанием хлоридов, часто содержащей CO2 и H2S) требует, чтобы корпуса задвижек были изготовлены из дуплексной нержавеющей стали (UNS S31803) или супердуплексной (UNS S32750) для предотвращения точечной и щелевой коррозии, которая может привести к преждевременному выходу из строя углеродистой стали.

Ключевые стандарты, регулирующие задвижки при добыче нефти

Каждый задвижка используемые при добыче нефти, должны соответствовать как минимум одному обязательному отраслевому стандарту, а несоответствующие клапаны отбраковываются при проверке перед установкой, что приводит к дорогостоящим задержкам и времени повторных закупок, составляющему 8–20 недель для изделий большого диаметра и высокого давления.

Таблица 2. Основные отраслевые стандарты, применимые к задвижкам при добыче нефти, с указанием органа, выдавшего сертификат, области применения и основных требований соответствия. Источники: API, ASME, NACE International, ISO.

Выбор материала для задвижек на нефтяных месторождениях

Правильный выбор материала для задвижка при добыче нефти предотвращает три наиболее распространенных вида отказов — сульфидное растрескивание под напряжением (SSC) при работе с H2S, хлоридную питтингу при эксплуатации пластовой воды и разрушение ползучести при высокотемпературной закачке МУН. Выбор неправильного сплава может привести к катастрофическому выходу клапана из строя в течение нескольких недель после установки.

• Углеродистая сталь (ASTM A216 WCB/A105N): Стандарт для малосернистой нефти (парциальное давление H2S ниже 0,05 фунтов на квадратный дюйм) при температуре от -20°F до 800°F. Послесварочная термообработка (PWHT) и контроль твердости ниже 22 HRC требуются в соответствии с NACE MR0175 даже при номинально сладкой эксплуатации в качестве меры предосторожности против кратковременного воздействия H2S.
• Низкотемпературная углеродистая сталь (ASTM A352 LCB/LCC): Обязательно для применения на суше и на глубоководном море в Арктике, где расчетная температура падает до -50°F (-46°C). В соответствии с ASME B16.34 и API 6D требуется испытание на удар по Шарпи при минимальной расчетной температуре.
• Легированная сталь (ASTM A182 F11/F22/F91): Требуется для работы при высоких температурах выше 750°F (399°C) в парозаводящих скважинах EOR и коллекторах для закачки пара под высоким давлением. F91 (9Cr-1Mo-V) обеспечивает превосходное сопротивление ползучести при эксплуатации при температуре до 1100°F (593°C) и является предпочтительным материалом для впрыска сверхкритического пара.
• Нержавеющая сталь 316/316L: Подходит для закачки пластовой и морской воды при температуре ниже 140°F (60°C). Выше этой температуры возникает опасность коррозионного растрескивания под напряжением, вызванного хлоридами (Cl-SCC), и требуются дуплексные марки.
• Дуплексная нержавеющая сталь (UNS S31803/2205): Стандартный материал для пластовой воды, закачки морской воды и эксплуатации в условиях умеренной кислой среды (парциальное давление H2S ниже 1 фунт на квадратный дюйм). Обеспечивает примерно в два раза больший предел текучести, чем у нержавеющей стали 316, и эквивалентное число точечной коррозии (PREN) выше 32, что обеспечивает устойчивость к хлоридной точечной коррозии при температуре до 150°F (65°C).
• Супердуплексная нержавеющая сталь (UNS S32750/2507): Предназначен для эксплуатации в условиях агрессивного сернистого газа и попутной воды с высоким содержанием хлоридов. PREN выше 40 обеспечивает устойчивость к точечной коррозии в морской воде при температуре до 185°F (85°C). Пер NACE MR0175 Часть 3 Супердуплекс допускается использовать в кислой среде при отжиге в растворе и закалке для достижения правильной микроструктуры и твердости (максимум 310 HV10).
• Инконель 625/718 (UNS N06625/N07718): Зарезервировано для самых агрессивных условий эксплуатации — высокое парциальное давление H2S (более 100 фунтов на квадратный дюйм), высокое парциальное давление CO2 (более 30 фунтов на квадратный дюйм) и повышенные температуры. Используется в основном для штоков, седел и внутренней отделки задвижек в скважинах HPHT, где углеродистая сталь и сплавы нержавеющей стали подвержены коррозии. Внутренние детали задвижек из Inconel 625 позволяют увеличить интервалы технического обслуживания с 2 до более 10 лет в тяжелых условиях эксплуатации в кислой среде, что представляет собой значительную экономию затрат в течение жизненного цикла, несмотря на более высокие первоначальные затраты на материалы.

Распространенные виды отказов задвижек при добыче нефти

Понимание задвижка Механизмы отказа позволяют группам технического обслуживания реализовывать целевые программы проверок и продлевать срок службы клапанов, сокращая частоту незапланированных остановов, которые, по оценкам, обходятся операторам добычи. Ежегодные потери производства во всем мире составляют 38 миллиардов долларов (Wood Mackenzie, 2022). .

• Эрозия седла из-за песка и твердых частиц: Нефтяная нефть, насыщенная песком, при скорости выше 10 футов/сек постепенно разрушает поверхности седла затвора, особенно в частично открытых положениях. Седла из стеллита или карбида вольфрама с твердым покрытием повышают стойкость к эрозии в 5–8 раз по сравнению с мягкими или незакаленными седлами. Все задвижкаs скважины, добывающие песок, должны эксплуатироваться либо полностью открытыми, либо полностью закрытыми, но не приоткрытыми частично.
• Утечка через уплотнение штока: Внешняя утечка штока является наиболее распространенной проблемой при обслуживании на поверхности. задвижкаs , что составляет примерно 35–40% всех заказов на техническое обслуживание арматуры на производственных объектах (Источник: Руководство по передовой практике энергетического института по управлению клапанами, 2021 г. ). Графитовое уплотнение сохраняет герметизацию дольше, чем ПТФЭ, при работе в горячих условиях, но требует тщательной регулировки толкателя сальника, чтобы предотвратить чрезмерное сжатие и заклинивание штока.
• Термическое связывание (конструкции с цельным клином): Впрыск пара и работа при высоких температурах могут привести к тому, что твердый клин при охлаждении зафиксируется в седлах, что потребует гидравлического подъема или применения тепла, чтобы освободить затвор. Этот сбой может вывести из строя главный устьевой клапан скважины, что потенциально потребует остановки производства для устранения неполадок. Решение состоит в том, чтобы использовать конструкции гибких клиновых или расширяющихся пластинчатых ворот для любых условий эксплуатации при температуре выше 300°F (149°C).
• Кавитационные и вибрационные повреждения: Задвижки operated in the partially open position generate turbulent flow and pressure differentials that cause cavitation and internal vibration. Over time, this erodes body walls, damages seats, and can fracture the gate. The correct solution is to install a dedicated control valve or choke for flow modulation and keep gate valves fully open or fully closed.
• Сульфидное растрескивание под напряжением (SSC) в кислой среде: Стержни задвижек и болты, изготовленные из высокопрочной стали с твердостью более 22 HRC, чувствительны к SSC в присутствии растворенного H2S — растрескивание может произойти в течение нескольких часов после первого воздействия. Эта проблема решается соответствием материалов NACE MR0175 на этапе закупок. Замена несоответствующих требованиям высокопрочных болтов для снижения затрат является документально подтвержденной основной причиной катастрофических отказов задвижек на скважинах, добывающих высокосернистый газ.
• Приступы, вызванные бездействием: Задвижки that remain open for years without operation — common on mainline block valves — can develop corrosion, scale, or wax deposits that bond the gate to the seats, making the valve impossible to close when needed. Annual partial-stroke or full-stroke exercise testing per the Рекомендуемая программа технического обслуживания API 6A предотвращает заклинивание и подтверждает работоспособность до возникновения чрезвычайной ситуации.

Варианты приводов для автоматических задвижек в нефтедобыче

Хотя большинство задвижкаs в нефтесервисном обслуживании управляются вручную, на необслуживаемых буровых площадках, подводных установках и критических с точки зрения безопасности точках изоляции требуется дистанционное и автоматическое приведение в действие. В таблице ниже сравниваются варианты приводов для задвижек в сфере разведки и добычи нефти:

Таблица 3: Сравнение типов приводов для автоматических задвижек при добыче нефти, включая скорость срабатывания, отказоустойчивость и рекомендуемое применение.

Часто задаваемые вопросы о задвижках при добыче нефти