Các loại van mỏ dầu áp suất cao khác nhau là gì và làm thế nào để bạn chọn loại phù hợp cho ứng dụng của mình?

Van cổng: Van cách ly chính cho dịch vụ đầu giếng và cây thông Khôngel

Van cổng là loại van chiếm ưu thế trên đầu giếng dầu áp suất cao và cây thông Khôngel. Nó hoạt động bằng cách nâng hoặc hạ một cổng đặc vuông góc với đường dẫn dòng chảy, tạo ra một ngắt hoàn toàn, hai chiều, kín bong bóng khi đóng cửa. Khi mở hoàn toàn, cổng rút hoàn toàn ra khỏi đường dẫn dòng chảy, tạo ra hạn chế dòng chảy bằng 0 - một tính năng quan trọng đối với giếng khoan nơi các công cụ dây dẫn, ống cuộn và súng đục lỗ phải đi qua van.

Van cổng được sử dụng ở đâu

• Van chính (trên và dưới) trên cây Giáng sinh: khóa giếng chính, hoạt động không thường xuyên nhưng phải bịt kín chắc chắn dưới áp suất đóng hoàn toàn
• Van cánh trên các cửa hàng sản xuất và tiêu hủy/tiêm: cách ly các đường dẫn riêng lẻ khỏi cây Giáng sinh
• Van gạc trên đỉnh cây Giáng sinh: cung cấp rào cản áp suất chính trong quá trình vận hành đường dây và ống cuộn
• Đầu ống và ổ cắm đầu vỏ : cô lập theo dõi áp suất vòng van và tiêu diệt các điểm phun chất lỏng

Thông số lựa chọn khóa

Van cổng cho dịch vụ mỏ dầu áp suất cao được điều chỉnh bởi API 6A (thiết bị đầu giếng và cây thông Khôngel) hoặc API 6D (dịch vụ đường ống). Van cổng API 6A được định mức ở áp suất làm việc 2.000–20.000 psi và phải được chỉ định với cấp áp suất làm việc, loại vật liệu (AA đến HH cho dịch vụ chua), mức thông số kỹ thuật của sản phẩm (PSL 1–4) và yêu cầu về hiệu suất (PR1 hoặc PR2). Đối với bất kỳ van chính đầu giếng hoặc van cánh nào, PSL 3 và PR2 tối thiểu là đường cơ sở chính xác - không bao giờ có PSL 1 hoặc PR1 đối với dịch vụ sản xuất.

Van bi: Cách ly theo chu kỳ cho dịch vụ tự động hóa và chu kỳ cao

Van bi sử dụng bộ phận đóng hình cầu có lỗ xuyên thẳng hàng với đường dẫn dòng chảy khi mở và quay 90° để chặn dòng chảy khi đóng. các hoạt động quay một phần tư làm cho van bi hoạt động nhanh hơn đáng kể so với van cổng và chuyển động quay đơn giản của chúng tương thích hơn với các bộ truyền động điện và khí nén được sử dụng trong các hệ thống tắt tự động.

Van bi được sử dụng ở đâu

• Van an toàn bề mặt (SSV) và van ESD đường ống : đóng an toàn khi mất tín hiệu điều khiển, yêu cầu kích hoạt nhanh và đáng tin cậy
• Van chặn tiêu đề và cách ly đa dạng : dịch vụ chu kỳ cao trong đó vòng đệm thân van cổng sẽ bị mòn sớm
• Hệ thống phun : metanol, chất ức chế cáu cặn và dây chuyền phun khí nâng khi cần tắt nhanh
• Van an toàn dưới bề mặt (SSSV) : van bi trong lỗ khoan đặt trong dây ống sẽ đóng lại khi mất áp suất đường dây điều khiển - tuyến phòng thủ cuối cùng chống lại dòng chảy giếng không được kiểm soát

Bóng gắn trên trục và bóng nổi

Ở áp suất cao, van bi gắn trên trục là sự lựa chọn đúng đắn. Trong thiết kế quả bóng nổi, áp suất đường đẩy quả bóng vào ghế phía dưới để tạo ra lớp bịt kín - ở mức 5.000 psi trở lên, lực tiếp xúc của ghế sẽ vượt quá mức mà hầu hết các ghế đàn hồi có thể xử lý mà không bị biến dạng. Các thiết kế gắn trên trục cố định quả bóng ở các trục trên và dưới, truyền tải trọng áp suất đường tới cấu trúc thân xe thay vì ghế và cho phép ghế lò xo duy trì lực bịt kín ổn định không phụ thuộc vào áp suất. Van bi nổi chỉ thích hợp với áp suất lên tới khoảng 1.500 psi trong dịch vụ mỏ dầu.

Van một chiều: Ngăn chặn dòng chảy ngược trong dây chuyền phun và sản xuất

Van một chiều chỉ cho phép dòng chảy theo một hướng, tự động đóng khi dòng chảy cố gắng đảo ngược. Chúng không chứa người vận hành bên ngoài - việc đóng cửa được điều khiển hoàn toàn bởi sự chênh lệch áp suất trên van. Trong các ứng dụng mỏ dầu áp suất cao, Lỗi van một chiều (không đóng hoặc không giữ được đóng) có thể khiến chất lỏng giếng áp suất cao chảy ngược vào hệ thống phun, làm nhiễm bẩn đường phun hóa chất hoặc làm hỏng máy nén và máy bơm .

Các loại van kiểm tra phổ biến trong dịch vụ mỏ dầu

• Van kiểm tra xoay : một đĩa có bản lề mở ra dưới tác động của dòng chảy thuận và đóng lại dưới áp suất ngược lại. Đơn giản và đáng tin cậy nhưng bị hạn chế trong việc lắp đặt theo chiều ngang và các ứng dụng có tốc độ tương đối thấp. Phổ biến trong các đầu phun nước ở áp suất 3.000–5.000 psi.
• Van kiểm tra piston (thang máy) : một pít-tông hoặc đĩa nhấc khỏi chỗ ngồi của nó dưới tác dụng của dòng chảy thuận và chỗ ngồi dưới áp suất ngược hoặc tải trọng lò xo. Nhỏ gọn hơn so với kiểm tra xoay và thích hợp cho việc lắp đặt theo chiều dọc; được sử dụng rộng rãi trong bút tiêm hóa chất và hệ thống đo áp suất cao lên tới 15.000 psi.
• Van một chiều tấm kép (wafer) : hai tấm nửa đĩa có lò xo đóng lại nhanh chóng khi dòng chảy đảo chiều, giảm thiểu hiện tượng búa nước. Được ưa chuộng trong các hệ thống phun khí và nâng khí lưu lượng cao, nơi việc kiểm tra cánh xoay đóng chậm sẽ tạo ra sự gia tăng áp suất có hại.

Đối với van kiểm tra dịch vụ chua, áp dụng các yêu cầu vật liệu tương tự NACE MR0175 chi phối thân van cổng - tất cả các bộ phận bị ướt phải đáp ứng các yêu cầu về độ cứng và hợp kim đối với áp suất riêng phần H₂S hiện tại , bao gồm lò xo, đĩa và vòng đệm.

Van sặc: Kiểm soát tốc độ dòng chảy và áp suất đầu giếng

Van sặc là một thiết bị tiết lưu tạo ra sự sụt giảm áp suất có kiểm soát qua một lỗ bị hạn chế, cho phép người vận hành quản lý áp suất dòng chảy và tốc độ sản xuất ở đầu giếng. Không giống như các van cách ly - mở hoàn toàn hoặc đóng hoàn toàn - van sặc hoạt động liên tục ở vị trí mở một phần trong điều kiện dòng chảy bị ăn mòn và xâm thực nghiêm trọng. Một van sặc trên giếng khí 10.000 psi có thể bị giảm áp suất 8.000–9.500 psi trên phần trang trí cacbua vonfram với vận tốc khí gần bằng âm thanh tại chỗ ngồi .

Cuộn cảm cố định và có thể điều chỉnh

• Đã sửa lỗi cuộn cảm (tích cực) : một hạt lỗ có thể thay thế được với đường kính lỗ khoan cố định. Đơn giản, ít bảo trì và chống rò rỉ — thiết kế được ưu tiên dành cho các giếng đã được thiết lập với tốc độ sản xuất ổn định. Kích thước lỗ khoan được chỉ định theo đơn vị 64 inch (ví dụ: cuộn cảm "32/64" có lỗ 1/2 inch).
• cuộn cảm có thể điều chỉnh : thiết kế dạng kim và chỗ ngồi hoặc đĩa quay cho phép người vận hành thay đổi diện tích lỗ từ mở 0% đến 100% mà không cần tháo van khỏi hoạt động. Cần thiết trong quá trình thử nghiệm giếng, vận hành dòng chảy ngược và sản xuất ban đầu khi kích thước cuộn cảm tối ưu chưa được thiết lập. Cuộn cảm có thể điều chỉnh có tốc độ xói mòn ghế cao hơn đáng kể so với cuộn cảm cố định và yêu cầu thay thế trang trí thường xuyên hơn.

Việc lựa chọn vật liệu trang trí van cuộn cảm được thúc đẩy bởi tính ăn mòn của dòng chất lỏng được tạo ra. Cacbua vonfram (WC-Co, 94% WC) là vật liệu trang trí tiêu chuẩn cho dịch vụ khí chứa nhiều cát hoặc tốc độ cao , cung cấp 5–10× khả năng chống xói mòn của thép không gỉ 17-4 PH đã cứng. Đối với dịch vụ có tính ăn mòn cao hoặc có tính axit cao, lớp phủ Stellite 6 hoặc lớp trang trí Inconel 625 được chỉ định kết hợp với ghế WC.

Van kim: Điều khiển chính xác trong dây chuyền phun dụng cụ và hóa chất

Van kim sử dụng một pít tông hình kim thon, mảnh đặt vào một đế hình nón phù hợp để cung cấp Kiểm soát dòng chảy tốt, chính xác trong đường kính nhỏ, dụng cụ áp suất cao và dây chuyền phun hóa chất . Chúng không được thiết kế cho nhiệm vụ cách ly hoàn toàn - khu vực tiếp xúc mỏng giữa kim với chỗ ngồi không nhằm mục đích cung cấp khả năng ngắt kín bong bóng khi đạp xe lặp đi lặp lại.

Van kim được sử dụng ở đâu

• Van gốc dụng cụ và cách ly máy đo : cách ly các máy phát áp suất, đồng hồ đo và kết nối mẫu khỏi áp suất giếng khoan trực tiếp; thường được đánh giá ở mức 10.000–20.000 psi ở kích thước đường 1/4 inch đến 1 inch
• Bút tiêm hóa chất : chất ức chế cặn mét, chất ức chế ăn mòn và tốc độ phun chất ức chế hydrat ở đầu giếng; van kim cung cấp khả năng điều chỉnh tốc độ phun mà van cổng hoặc van bi không thể đạt được
• Kết nối chảy máu và thông hơi : giảm áp suất trong ống dụng cụ hoặc bình đựng mẫu theo cách được kiểm soát và đo lường thay vì xả áp đột ngột
• Bảng điều khiển thủy lực : tinh chỉnh tốc độ dòng chất lỏng thủy lực tới đường dây điều khiển van an toàn trong hố khoan và bộ truyền động đầu giếng

Van kim mỏ dầu áp suất cao thường được sản xuất từ ​​ Thép không gỉ 316, Inconel 625 hoặc thép không gỉ song công đối với vật liệu thân và kim, với kích thước kết nối từ 1/4 inch đến 1 inch NPT hoặc kết nối ren và hình nón áp suất trung bình (MP) và áp suất cao (HP) được định mức đến 20.000 psi.

Van cắm: Cách ly nhỏ gọn cho các ứng dụng đa cổng và đa tạp

Van cắm sử dụng phích cắm hình trụ hoặc côn có cổng xuyên qua xoay 90° trong thân để mở hoặc đóng đường dẫn dòng chảy - có chức năng tương tự như van bi nhưng có phần tử đóng hình trụ thay vì hình cầu. Trong dịch vụ mỏ dầu áp suất cao, van cắm bôi trơn là biến thể phổ biến nhất: chất bịt kín được bơm vào không gian hình khuyên giữa phích cắm và thân, cung cấp dầu bôi trơn trong quá trình quay và bổ sung cho vòng đệm kim loại chính với kim loại.

Nơi sử dụng van cắm

• Chuyển hướng đa dạng đầu giếng và đa dạng : van cắm có sẵn ở cấu hình 3 chiều và 4 chiều có thể chuyển hướng dòng chảy giữa nhiều cửa ra chỉ với một vòng một phần tư - một chức năng cần có hai hoặc nhiều van cổng hoặc van bi để tái tạo
• Dịch vụ chất rắn hoặc bùn cao : hệ thống phun chất bịt kín cho phép van cắm hoạt động trong dòng chảy có chứa cát hoặc cặn có thể nhanh chóng làm mòn đế van bi
• Kiểm tra dòng chảy và kiểm tra giếng đa tạp : trong đó khả năng định tuyến dòng chảy đến các thiết bị phân tách, đốt lửa hoặc lưu trữ thử nghiệm mà không cần vận hành nhiều van làm giảm độ phức tạp của thử nghiệm

Van cắm trong dịch vụ mỏ dầu áp suất cao được đánh giá phổ biến nhất là 3.000–10.000 psi và được sản xuất theo API 6D hoặc API 6A tùy thuộc vào địa điểm dịch vụ. Trên 10.000 psi, van bi và van cổng thường được ưa chuộng hơn do khó duy trì hiệu suất phun chất bịt kín ổn định ở áp suất chênh lệch rất cao.

So sánh loại van: Sơ lược về sự khác biệt chính

Bảng dưới đây tóm tắt sự khác biệt về chức năng giữa sáu loại van mỏ dầu áp suất cao để hỗ trợ lựa chọn ban đầu:

Cách chọn van mỏ dầu áp suất cao phù hợp: Khung bốn bước

Việc lựa chọn van phải tuân theo một trình tự có cấu trúc. Bỏ qua các bước - đặc biệt là chuyển sang danh mục sản phẩm của nhà sản xuất trước khi xác định điều kiện sử dụng - là nguyên nhân cốt lõi của hầu hết các lỗi do thông số kỹ thuật sai.

Bước 1 - Xác định chức năng cần thiết

Bắt đầu với những gì van phải làm, chứ không phải loại van đó. Chỉ có bốn chức năng van trong dịch vụ mỏ dầu:

• Cách ly : mở hoàn toàn hoặc đóng hoàn toàn; không tiết lưu - van cổng hoặc van bi trục
• Điều tiết/kiểm soát dòng chảy : vị trí thay đổi liên tục - van sặc (lỗ khoan lớn, ΔP cao) hoặc van kim (lỗ khoan nhỏ, đo sáng chính xác)
• Ngăn chặn dòng chảy ngược / không quay trở lại : tự động, không cần người vận hành - van một chiều
• chuyển hướng : định tuyến luồng giữa nhiều đường dẫn - van cắm (đa cổng) hoặc nhiều van bi/cổng theo cách sắp xếp đa dạng

Bước 2 - Xác định điều kiện dịch vụ

Đối với mỗi vị trí van, hãy thiết lập phạm vi dịch vụ đầy đủ trước khi liên hệ với nhà sản xuất:

• Áp suất làm việc tối đa : sử dụng SIWHP cho van đầu giếng, MAOP cho van đường ống và van bề mặt
• Phạm vi nhiệt độ : nhiệt độ môi trường tối thiểu và nhiệt độ chất lỏng được tạo ra tối đa
• Thành phần chất lỏng : Áp suất riêng phần H₂S, hàm lượng CO₂, nồng độ clorua, hàm lượng cát và độ mặn của nước được tạo ra - tất cả đều ảnh hưởng đến việc lựa chọn vật liệu
• Tần số chu kỳ : tần suất van sẽ được vận hành mỗi ngày hoặc mỗi năm; các ứng dụng chu kỳ cao ưa chuộng van bi hơn van cổng
• Yêu cầu kích hoạt : đóng bằng tay, đóng an toàn bằng thủy lực, khí nén hoặc điện - và nguồn điện điều khiển có sẵn tại vị trí lắp đặt

Bước 3 - Áp dụng Tiêu chuẩn Quản trị

Vị trí lắp đặt xác định tiêu chuẩn API hoặc ASME nào chi phối thông số kỹ thuật của van:

Bước 4 - Chỉ định mức chất lượng và yêu cầu tài liệu

Sau khi loại van và tiêu chuẩn quản lý được thiết lập, lớp thông số kỹ thuật cuối cùng là yêu cầu về chất lượng và thử nghiệm. Đối với van API 6A, điều này có nghĩa là PSL và PR. Đối với van API 6D, điều này có nghĩa là chỉ định các yêu cầu thử nghiệm bổ sung từ phụ lục của tiêu chuẩn, bao gồm thử nghiệm chỗ ngồi áp suất thấp, NDE trên các mối hàn trên thân và thử nghiệm tác động Charpy. Luôn yêu cầu gói tài liệu kiểm tra và truy xuất nguồn gốc nguyên liệu đầy đủ làm điều kiện giao hàng — nếu không có nó, bạn không thể chứng minh sự tuân thủ quy định hoặc thực hiện phân tích nguyên nhân cốt lõi nếu van không hoạt động.

Dịch vụ chua chát và HPHT: Khi thông số kỹ thuật tiêu chuẩn không đủ

Hai môi trường sử dụng — khí chua (chứa H₂S) và áp suất cao/nhiệt độ cao (HPHT, được xác định là trên 15.000 psi và/hoặc trên 300 °F) — áp đặt các yêu cầu vượt quá những yêu cầu được đáp ứng bởi thông số kỹ thuật của van API tiêu chuẩn. Trong những môi trường này, van danh mục tiêu chuẩn đáp ứng cấp áp suất API danh nghĩa và cấp vật liệu thường không đủ và người vận hành phải thu hút nhà sản xuất xem xét thiết kế chi tiết trước khi chỉ định.

• Dịch vụ chua : tất cả các bộ phận bị ướt - thân máy, nắp ca-pô, cổng hoặc bóng, ghế, thân, ốc vít và lò xo - phải tuân thủ các yêu cầu về độ cứng và hợp kim của NACE MR0175/ISO 15156. Ngưỡng áp suất riêng phần H₂S là 0,05 psia, đạt được ở nồng độ H₂S thấp đáng ngạc nhiên trong dòng khí áp suất cao.
• HPHT : Các vòng đệm thân đàn hồi tiêu chuẩn và đệm thân van không được đánh giá trên ~350 °F. Van HPHT yêu cầu các vòng đệm PTFE được cung cấp năng lượng bằng lò xo, lớp đệm bằng than chì hoặc các bộ phận làm kín hoàn toàn bằng kim loại. Độ dày thành thân phải được xác nhận bằng phân tích phần tử hữu hạn (FEA) ở áp suất và nhiệt độ thiết kế, không phải bằng công thức độ dày thành API tiêu chuẩn, vốn không được phát triển cho các điều kiện HPHT.
• HPHT chua tổng hợp : sự kết hợp đòi hỏi khắt khe nhất, yêu cầu trang trí CRA (hợp kim chống ăn mòn) và có thể được bọc CRA hoặc thân van CRA rắn, vòng đệm hoàn toàn bằng kim loại cũng như chất lượng thiết kế và vật liệu của bên thứ ba theo API 6A Phụ lục F. Thời gian thực hiện các van này thường kéo dài 16–26 tuần từ các nhà sản xuất đủ tiêu chuẩn.

Kết luận

Sáu loại van mỏ dầu áp suất cao - cổng, bi, kiểm tra, cuộn cảm, kim và phích cắm - không thể thay thế cho nhau. Mỗi cái tồn tại bởi vì nó giải quyết một vấn đề kiểm soát luồng cụ thể mà những cái khác không thể giải quyết một cách hiệu quả. Chọn van phù hợp bắt đầu bằng việc xác định chức năng cần thiết, không duyệt qua danh mục sản phẩm : cô lập, hạn chế, không quay trở lại hoặc chuyển hướng. Từ đó, áp suất sử dụng, thành phần chất lỏng, nhiệt độ, tần số chu kỳ và tiêu chuẩn quy định sẽ thu hẹp phạm vi thành thông số kỹ thuật chính xác.

Trong môi trường mỏ dầu áp suất cao, nơi áp suất vận hành đạt 10.000–20.000 psi và chất lỏng có thể chứa H₂S, CO₂, cát và nước được tạo ra, một van được phân loại chính xác nhưng được chỉ định không chính xác cho loại vật liệu, PSL hoặc tuân thủ dịch vụ chua cũng nguy hiểm như loại van sai hoàn toàn. Khung bốn bước - chức năng, điều kiện dịch vụ, tiêu chuẩn quản lý, mức chất lượng - được áp dụng nhất quán ở giai đoạn kỹ thuật là cách đáng tin cậy nhất để đảm bảo mọi van trong hệ thống đầu giếng đều hoạt động như thiết kế trong suốt thời gian sử dụng của nó.