Van mỏ dầu áp suất cao trong hệ thống đầu giếng và đường ống: Hướng dẫn thiết kế và ứng dụng

A van mỏ dầu áp suất cao là một van được thiết kế để kiểm soát, cách ly hoặc điều khiển dòng dầu, khí và xử lý chất lỏng một cách an toàn ở áp suất thường dao động từ 2.000 psi đến 20.000 psi , được sử dụng trên các cụm đầu giếng, cây Giáng sinh, cây frac, ống góp sặc và các đoạn đường ống áp suất cao. Các van này được phân biệt với các van công nghiệp tiêu chuẩn bởi độ dày thành thân nặng hơn, cấu trúc rèn (chứ không phải đúc), truy xuất nguồn gốc vật liệu chặt chẽ hơn và thử nghiệm thủy tĩnh và khí bắt buộc để xác nhận chúng có thể chứa áp suất an toàn trong cả điều kiện tải tĩnh và tuần hoàn.

Các loại van phổ biến được sử dụng trong dịch vụ áp suất cao

Không có thiết kế van đơn nào phù hợp với mọi ứng dụng áp suất cao. Việc lựa chọn loại van phụ thuộc vào việc ưu tiên là tiếp cận toàn bộ lỗ khoan, bịt kín hai chiều, khả năng tiết lưu hay vận hành quay một phần tư nhanh chóng.

Van cổng vẫn là lựa chọn ưu tiên cho các vị trí van chính và van cánh vì thiết kế xuyên ống dẫn của chúng cho phép các công cụ đi dây đi qua lỗ khoan mở hoàn toàn mà không bị tắc nghẽn - một yêu cầu chức năng mà van bi và van cắm thường không thể đáp ứng trong cùng một diện tích.

Tiêu chuẩn quản lý cho van mỏ dầu áp suất cao

Các tiêu chuẩn khác nhau được áp dụng tùy thuộc vào vị trí của van trong hệ thống - tại chính đầu giếng, trên cây thông Noel hoặc hạ lưu trong đường ống thu gom hoặc truyền tải.

Tiêu chuẩn chính theo ứng dụng

• API 6A: Quản lý thiết bị đầu giếng và cây thông Noel, bao gồm van chính, van cánh và bộ điều hợp
• API 6D: Quản lý các van đường ống được sử dụng trong hệ thống thu thập và truyền tải
• API 16C: Áp dụng cho các thiết bị nghẹt thở và tắt được sử dụng trong quá trình khoan và kiểm soát giếng
• ASME B16.34: Cung cấp xếp hạng nhiệt độ áp suất cơ bản được tham chiếu bởi nhiều thiết kế van
• NACE MR0175/ISO 15156: Yêu cầu vật liệu bắt buộc khi có H2S trong chất lỏng được sản xuất

Van được chứng nhận theo API 6A có Mức thông số kỹ thuật sản phẩm (PSL) từ 1 đến 4, với PSL 3 và PSL 4 thường được chỉ định cho các giếng dịch vụ có áp suất cao, nhiệt độ cao (HPHT) và axit quan trọng vì chúng yêu cầu thử nghiệm xác nhận thiết kế mở rộng, chứng nhận vật liệu đầy đủ và kiểm tra không phá hủy nghiêm ngặt hơn PSL 1 hoặc PSL 2.

Các cấp độ áp lực và ý nghĩa của chúng trên thực địa

Lựa chọn cấp áp suất là quyết định quan trọng nhất trong việc xác định van áp suất cao. Xếp hạng thấp tạo ra mối nguy hiểm trực tiếp về an toàn, trong khi xếp hạng quá cao sẽ tăng thêm trọng lượng và chi phí không cần thiết cho việc lắp đặt.

Mỗi van cũng phải mang một lớp nhiệt độ, từ U (-75°F đến 82°F) đối với điều kiện Bắc cực T (-18°F đến 350°F) cho sản xuất nhiệt độ cao. Loại nhiệt độ phải phù hợp với nhiệt độ chất lỏng chảy thực tế tại vị trí van, nhiệt độ này có thể cao hơn đáng kể so với nhiệt độ môi trường bề mặt trong giếng sản xuất.

Vật liệu cho dịch vụ chua và điều kiện HPHT

Việc lựa chọn vật liệu trở nên quan trọng khi van tiếp xúc với H2S, CO2 hoặc nhiệt độ cao, vì thép cacbon tiêu chuẩn có thể bị nứt do ứng suất sunfua hoặc mất độ bền cơ học trong những điều kiện này.

• Loại vật liệu AA/BB: Thép carbon hoặc thép hợp kim thấp tiêu chuẩn cho dịch vụ không chua
• Loại vật liệu DD/EE/FF: Thép carbon hoặc hợp kim chống ăn mòn tuân thủ NACE dành cho dịch vụ chua
• Trang trí bằng thép không gỉ Inconel hoặc song công: Được sử dụng trong các giếng HPHT có hàm lượng CO2 cao hoặc có tính ăn mòn cao để kéo dài tuổi thọ sử dụng
• Ghế PEEK hoặc kim loại: Được lựa chọn trên ghế đàn hồi khi nhiệt độ vượt quá giới hạn làm việc của hợp chất cao su tiêu chuẩn

Ví dụ, một giếng sản xuất ở 15.000 psi với nhiệt độ chảy 300°F và có thể phát hiện được H2S thường sẽ yêu cầu một Loại vật liệu EE, van cổng PSL 3 hoặc 4 với ghế kim loại, trong khi đầu giếng khí ngọt áp suất thấp ở 3.000 psi có thể được cung cấp đầy đủ bởi van PSL 2, Loại Vật liệu tiêu chuẩn BB,.

Yêu cầu kiểm tra trước khi triển khai hiện trường

Mỗi van mỏ dầu áp suất cao phải vượt qua một trình tự thử nghiệm sản xuất xác định trước khi được chứng nhận và mức PSL cao hơn yêu cầu thử nghiệm xác nhận thiết kế bổ sung trên nguyên mẫu trước khi thiết kế được phê duyệt để sản xuất.

Trình tự thử nghiệm sản xuất tiêu chuẩn

1. Kiểm tra thủy tĩnh cơ thể tại 1,5 lần áp suất làm việc định mức
2. Kiểm tra chỗ ngồi ở cả hai hướng dòng chảy ở áp suất làm việc định mức
3. Kiểm tra độ kín của ghế sau hoặc thân xe để xác nhận không có rò rỉ qua lớp đệm thân xe
4. Kiểm tra vận hành toàn hành trình để xác minh hoạt động trơn tru
5. Kiểm tra khí cho các van dành cho dịch vụ khí hoặc PSL 3/4

Van PSL 3 và PSL 4 cũng trải qua thử nghiệm chu kỳ mở rộng , đôi khi bao gồm hàng nghìn chu kỳ đóng mở trên nguyên mẫu, để mô phỏng nhiều năm vận hành tại hiện trường trước khi thiết kế được phê duyệt để sản xuất - một bước giúp giảm đáng kể nguy cơ hư hỏng mặt tựa hoặc vòng đệm sớm sau khi van được lắp vào lỗ hạ lưu.

Điểm ứng dụng trong hệ thống đầu giếng và đường ống

Van áp suất cao được lắp đặt tại mọi điểm cách ly và kiểm soát quan trọng trên đường dẫn dòng chảy ngược dòng, từ đầu giếng đến mạng lưới đường ống.

• Van chính và van cánh: Cách ly lối vào chính trên cây thông Noel
• Cây Frac: Cô lập chất lỏng nứt vỡ áp suất cao trong quá trình kích thích giếng, thường vượt quá 10.000 psi
• Choke đa tạp: Giảm áp suất đầu giếng cao đến mức có thể quản lý được trước khi vào hệ thống thu gom
• Van chặn đường ống: Phân đoạn đường dây truyền tải dài để bảo trì và dừng khẩn cấp
• Cây dưới biển: Van áp suất cao được kích hoạt từ xa kiểm soát hoạt động khai thác giếng dưới biển

Van chặn đường ống nói riêng thường được đặt cách nhau khoảng cứ sau 20 đến 30 dặm dọc theo đường truyền, cho phép người vận hành cách ly nhanh chóng phần bị đứt hoặc hư hỏng và hạn chế lượng sản phẩm thoát ra trong quá trình tắt khẩn cấp.

Chọn van phù hợp cho một ứng dụng nhất định

Việc lựa chọn van chính xác phụ thuộc vào việc kết hợp các điều kiện đường ống hoặc giếng với áp suất, nhiệt độ, loại vật liệu và PSL định mức của van - không chỉ đơn giản là chọn van được đánh giá cao nhất hiện có.

Danh sách kiểm tra lựa chọn

• Xác nhận áp suất vận hành dự đoán tối đa và chọn loại áp suất có giới hạn an toàn phù hợp
• Xác minh phân loại dịch vụ chua và chỉ định loại vật liệu tuân thủ NACE nếu có H2S
• Phù hợp với loại nhiệt độ với nhiệt độ chất lỏng chảy thực tế, không chỉ điều kiện môi trường xung quanh bề mặt
• Xác định PSL cần thiết dựa trên mức độ quan trọng của giếng, yêu cầu quy định hoặc thông số kỹ thuật của nhà điều hành
• Chọn loại van dựa trên chức năng: cổng để cách ly toàn bộ đầu giếng, bi hoặc phích cắm để cách ly đường ống một phần tư, cuộn cảm để giảm áp suất
• Xác nhận loại kết nối cuối và phương thức truyền động phù hợp với thiết bị kết nối và hệ thống điều khiển

Thực hành bảo trì để có độ tin cậy lâu dài

Van áp suất cao hoạt động trong các điều kiện làm tăng tốc độ mài mòn của ghế, vòng đệm và đệm thân, khiến chương trình bảo trì có cấu trúc trở nên cần thiết để tránh ngừng hoạt động ngoài kế hoạch hoặc sự cố an toàn.

• Thực hiện thao tác định kỳ các van vận hành bằng tay để ngăn chặn hiện tượng kẹt cổng hoặc bi
• Kiểm tra và thay thế bao bì gốc theo lịch trình để tránh rò rỉ ở nắp ca-pô
• Tiến hành kiểm tra rò rỉ mặt tựa định kỳ để xác nhận van vẫn đáp ứng mức rò rỉ định mức
• Kiểm tra sự ăn mòn hoặc xói mòn trên các van trong môi trường chua hoặc chứa nhiều chất rắn
• Xác minh chức năng truyền động, cung cấp không khí và tính toàn vẹn tín hiệu điều khiển trên các van vận hành từ xa

Hầu hết các nhà khai thác đều lên kế hoạch chứng nhận lại đầy đủ các van đầu giếng quan trọng mỗi 3 đến 5 năm , với khoảng thời gian kiểm tra thường xuyên hơn đối với các van cây frac chịu chu kỳ áp suất cao lặp đi lặp lại trong các hoạt động kích thích nhiều giai đoạn, trong đó độ mài mòn của đế và vòng đệm tích tụ nhanh hơn nhiều so với các van được sử dụng cho dịch vụ cách ly bật/tắt đơn giản.