3 режима работы фонтанной арматуры

Фонтанная арматура — комплекс устройств, узлов, труб, фланцев, которые в совокупности обеспечивают работу фонтанирующей скважины. Это относится к области нефтегазовой арматуры, которая монтируется в устье скважины, работает в сложных условиях повышенного давления, которое создается пластовой энергией нефте-, газо-, конденсатоносного пласта. Именуется еще устьевым оборудованием.

Помимо устойчивости к высокому уровню давления, к нему предъявляются требования возможности замеров давления и возможности выпуска или закачки газа при функционировании.

Арматурный комплект такого типа используется на начальном этапе разработки месторождений, когда добыча ведется

• Фонтанным способом, когда под пластовым давлением углеводород активно выходит на поверхность.
• Газлифтным способом, когда после прекращения фонтанирования в пласт закачивают сжатый газ.

Скважины насосного типа требуют модифицированных вариантов фонтанной арматуры: штангонасосной или электронасосной.

Виды оборудования фонтанного типа

Оборудование, применяемое на устьях фонтанирующих скважин, бывает наземным и подземным.

Подземная часть – это обвязка обсадных колонн. Она предназначена для соединения нижней части оборудования, которое находится над землей, с верхушечной частью этих колонн, которые бывают двух типов: эксплуатационные и технические. Обеспечивает герметичность расстояния между колоннами, отведение раствора , применяемого для бурения, различные технологические работы.

Наземная сборка включает устьевую арматуру, которую прикрепляют к обвязке колонн, и манифольда. Последний представляет собой вентильный блок., состоящий из ряда трубопроводов, крепящихся на одном основании, объединенных общей схемой. На нем присутствует запорная арматура, буровые рукава S-R, компенсаторы КРК, другие элементы.

Фонтанная арматура используется для двух типов скважин:

• Добывающие. Для них изготавливается фонтанная арматура нефтяных скважин.
  В них происходит забор основного пластового компонента — нефти или газа
• Нагнетательные. Применяется устьевая нагнетательная арматура для закачивания воды, теплоносителя, газа, замещающих пластовой флиюд, поднимающих его на поверхность.

Функции фонтанной арматуры

Оборудование используют:

• Когда проводится герметизация скважины.
• Когда обеспечивается отвод продукции.
• При необходимости регулирования дебита скважины, то есть ее производительности в единицу времени.
• Когда необходим доступ к забою скважины.
• Когда проводятся технологические работы, различные операции по забору проб из межтрубного пространства без остановки производственного процесса, по изменению показателей температуры и давления.

Можно определить задачи оборудования следующим образом:

1. Удержание насосно-компрессорных труб, опускаемых под землю, в подвешенном виде.
2. Герметизация затрубного, межтрубного пространства.
3. Управление режимами работы скважины для ее непрерывного, равномерного, эффективного функционирования.
4. Контрольные функции, связанные с измерительными процедурами, выявлением показателей работы скважины.

Арматура работает под большими нагрузками, связанными с избыточным давлением, с наличием агрессивных сред при добыче основного компонента. Другие факторы, способствующие задействованию оборудования – абразивные нагрузки. Они проявляются, когда вода содержит большое число примесей разных пород.
Эти задачи, которые решаются с применением фонтанной арматуры предъявляют к ней повышенные требования с точки зрения прочности, износостойкости материалов и узлов, из которых она изготовлена.

Требования закреплены в нормативных документах типа ГОСТ и ТУ, где фиксируются основные характеристики, параметры оборудования.

Устройство фонтанного оборудования

В состав арматуры включены узлы:

Колонная головка

Ее основная функция – подвеска обсадных колонн, создание герметичного межтрубного пространства. Она нужна также для того, чтобы измерять и контролировать уровень давления внутри труб.

Трубная головка

Главная задача — подвеска и обеспечение герметичности лифтовых колонн. Это имеет особое значение, когда колонны опускаются параллельным или концентрическим способом.

Помимо этого трубная головка нужна для осуществления технологических операций, которые необходимы по ходу эксплуатационных и ремонтных работ.

Подвешиваются колонны резьбовым способом. Однорядная лифтовая система держится на резьбе катушки. Двухрядная предполагает применение двух видов резьбы: для внутренней колонны – это резьба катушки, для наружной – резьба крестовины трубной головки.

В этом компоненте конструкции имеются боковые задвижки, которые могут при необходимости быть заменены.

Фонтанная елка

В узел монтируются разнообразные штуцеры, устройства, выполняющие запорные и регулировочные функции, фитинги – соединительные части трубопровода: тройники, катушки. Они включают редукционные вентили, клапаны, затворы, задвижки и пр. Запорные устройства – это пробковые краны, задвижки, способные обеспечить подачу смазки, перекрытие проходных отверстий.
Работа елки осуществляется по следующим направлениям:

• Направлять получаемую нефтяную, газовую, конденсатную продукцию в специальную выкидную линию – промысловый трубопровод, идущий от скважины до замерной установки.
• Закрывать скважину, когда возникает такая необходимость.
• Быть основой, на которой монтируются специальные узлы и устройства, выполняющие определенные функции.
• Замерять давление и уровень температур.
• Опускать приспособления для прочистки труб.
• Изменять технологические режимы работы скважины.

Конструктивно разновидности фонтанной елки различаются по наличию крестовины или тройника. Двухъярусные конструкции предусматривают наличие двух тройников.
Для крестового варианта предусматривается два отвода — рабочий и запасной боковой. Для тройникового — две выкидные линии – рабочая и запасная. Выкидные линии ведут к замерным установкам. На них монтируются штуцеры, или дроссели для коррекции поступления рабочей среды. Дроссели бывают двух типов: регулируемые и нерегулируемые.
Тройниковый вариант арматуры используется преимущественно для скважин с низким и средним уровнем давления.

Для того, чтобы иметь возможность ограничения дебита скважины, регулирования энергии пласта, в конструкцию фонтанной елки может устанавливаться специальный штуцер, у которого есть калиброванное отверстие. Он обеспечивает прохождение строго отмеренного количества нефти, которое будет идти из скважины в соответствии с заданным режимом работы. Такой штуцер относится к категории быстросъемных сменных устройств.

Манифольд

Представляет собой вентильный блок, состоящий из ряда трубопроводов, крепящихся на одном основании, объединенных общей схемой. На нем присутствует запорная арматура, буровые рукава S-R, компенсаторы КРК (вибровставки), предназначенные для гашения вибрационных воздействий, другие элементы.
Этот узел соединяет блок оборудования с трубопроводом, применяется для перераспределения или смешения потока газа и нефти между несколькими входами и несколькими выходами. К нему подключают измерительную аппаратуру в виде дифференциальных манометров, иных приборов. Служит как противовыбросовое оборудование на месторождениях.

В рамках фонтанной арматуры манифольд позволяет:

• • загружать в скважину ингибитор, химическое вещество, предупреждающее наслоение твердых компонентов нефти на технологическом оборудовании;
  • осуществлять продувку трубного и межтрубного пространства;
  • проводить контрольные замеры, исследование газообразных фракций;
  • безопасно сжигать лишние газы, конденсат в режиме факела;
  • подключать насосы;
  • выполнять другие функции.

Соединения внутри конструкций обеспечиваются с помощью фланцевых или хомутовых вариантов.

Разработка и установка арматуры

Оборудование устанавливают, исходя из требований, предписаний стандартов ГОСТ.
Предполагает ряд основных схем монтажа:

• Манометрический.
• С использованием буферного фланца под манометр.
• В режиме запорного устройства.
• Тройниковый.
• Крестовина елки
• Дроссельный.
• Вентильный.
• И другие.

Схема подбирается в зависимости от условий, при которых возникает необходимость применения оборудования. Эти условия определяют параметры, по которым можно проводить классификацию арматуры.
Основные из них:

• Рабочее давление. Оно может изменяться в промежутке между 7 и 105 МПа.
  Оборудование может применяться для скважин, которые отличаются большой глубиной либо особо высоким пластовым давлением.
• Способ построения схемы исполнения.
• Рядность и количество труб, которые идут в скважину. Используется однорядный или двухрядный варианты.
• Конструктивные особенности запорных узлов: краны или задвижки.
• Размер проходного сечения по стволу скважины, боковым отводам от 50 до 150 мм. Конструкции с большим диаметром ствола работают в нефтяных и газовых скважинах, отличающихся высокими показателями дебита.

В соответствии со стандартами фонтанная арматура с конструктивной точки зрения бывает нескольких видов:

• Тройниковая либо крестовая. Этот параметр связан с конфигурацией фонтанной елки. Выкидные линии служат для проведения рабочей среды от боковых отводов к установкам, осуществляющим замеры.
• Двух- или однорядная. Определяется количеством насосов, которые опускаются в скважину.
• Запорные устройства: задвижки или краны. Трубы нефтяных скважин перекрываются задвижками, газовых –кранами.

Построение конкретной конструкции арматуры происходит в соответствии с ТУ — Техническими условиями и чертежами. Конструкторскую документацию создают по нормам и правилам ЕСКД – Единой системы конструкторской документации. Соблюдают стандарты, нормы как российские, так и международные.

Технические требования к оборудованию

Поскольку фонтанная арматура представляет комплекс, обеспечивающий герметичность функционирования скважин, возможность перекрытия рабочей среды, прохождение разных технологических операций, к ней предъявляются высокие требования по разным показателям.

Одно из направлений — параметры климатических условий. Стандарты предписывают использование оборудования в холодном и умеренном макроклиматических регионах – УХЛ. Это означает возможность эксплуатации при температурах, достигающих –60 гр. С. (отрицательный диапазон температур), +40 гр. С (плюсовой диапазон).

Это предъявляет особые требования к конструкциям. Основные параметры по документам ГОСТ, которые контролируются в производственном процессе:

• Условный проход ствола елки, боковых отводов елки, боковых отводов трубной головки.
• Рабочее давление: 7-105 MПа.
• Конструкция арматуры должна способствовать полной герметизации по отношению к окружающей среде.
• К корпусным деталям предъявляются требования опрессовки пробным давлением, которое в 1,5 -2 раза превышает рабочее давление.
• Проверяется соосность отверстий составных частей оборудования, чтобы трубы, устройства, приборы и приспособления могли беспрепятственно опускаться в скважину.
• Трубная обвязка должна позволять закреплять трубу в корпусе трубной головки, создавать возможность управлять потоком рабочей среды, измерять и контролировать давление в пространстве между трубами.
• К дросселю фонтанной арматуры предъявляется требование регулируемости.
• Допустимо объединять ряд составных элементов в единый блок, не меняя типовых схем.
• По запросу заказчика комплект оборудования может включать устройства:
  автоматические предохранительные,
  запорные блоки, которые могут управляться дистанционно,
  аппаратура, которая может соединять оборудование, установленное в скважине с имеющейся наземной системой управления.
• Автоматические предохранительные устройства – пневмопилоты играют роль запорного узла, который срабатывает при отклонении режима работы скважины.
• Если в конструкции предусмотрены запорные устройства дистанционного действия, необходимо предусмотреть вариант ручного управления ими.

Арматура надежна при работе в различных средах, включая агрессивные: содержащие сероводород, двуокись углерода, чей процентный состав достигает 25% для каждого химического соединения, примеси нефти, ингибиторы коррозии.

Международные стандартные спецификации на фонтанное оборудование

Требования к арматуре фонтанного типа, которые зафиксированы в международных стандартах API 6A. Они затрагивают основные параметры оборудования, узлов и конструкций, касаются материала, из которых произведены. Также описывают рабочие характеристики, размеры, возможности взаимозамен составных частей, материалы, особенности сварочного процесса при изготовлении.
Отдельные блоки касаются испытаний, инспекции, ремонтных и восстановительных работ, транспортировки, закупки и других разделов.

В них перечисляются узлы и устройства, регулируемые стандартом. Среди них:

• Корпус и катушки головок обсадных и насосно-компрессорных колонн. Многоступенчатые корпуса.
• Различные соединители, а также фитинги.
• Подвески колонн: обсадной, насосно-компрессорной.
• Варианты дроссельных и клапанных устройств, штуцеров.
• Концевые и сварные соединители.
• Другие виды узлов: приводы, кольцевые прокладки, сменные вкладыши и др.

Стандарт определяет уровни спецификации изделий PSL. Они касаются стальных бурильных труб, определяют различия разных типов трубопрокатных изделий по ряду признаков. Эти признаки сводятся к

• Различию по химическому составу.
• Разным механическим характеристикам.
• Разнице способов и методов производства.
• Разным вариантам при осмотре и выявлении дефектов, а также при проведении ремонтных работ.
• Различиям в сертификации.

Фонтанную арматуру относят к виду производственных изделий, которые имеют определенное целевое назначение. Она рассматривается как оборудование непрерывного использования.
Существует возможность восстановительных работ после отказа оборудования, оно отличается хорошей ремонтопригодностью.
Обслуживание рекомендуется проводить у одного оператора, который будет проверять и контролировать его на этапе подготовки к работе.
Период работы арматуры в среднем 15 лет. Отказ оборудования проявляется в следующих вариантах:

1. Теряется герметичность запорных блоков.
2. Нарушается герметичность разъемных соединений, причем от нее не удается избавиться с помощью подтягивания.
3. Ломаются, выходят из строя компоненты оборудования. Это влечет за собой их демонтаж, замену на новые исправные детали и узлы.

Эти нарушения требуют проведения ремонтных работ до полного восстановления рабочих характеристик.

Особенности производства оборудования

Учитывая тот факт, что фонтанная арматура имеет конкретное назначение и применение, на этапе производства предполагается возможность особых условий, взаимозамен составных частей.

Допускается:

• Формирование равнопроходных конструкций: подвесить обсадную колонну и насосно-компрессорную трубу(НКТ) в одном разъемном корпусе.
• Использование как фланцевого соединения деталей и узлов, так и моноблочного варианта.
• Изготовление деталей корпуса на металлургическом производстве методом ковки либо литья.
• Комплектация задвижками шиберного типа с различными типами привода
  — ручным,
  — гидравлическим,
  — пневматическим,
  — электрическим.
  В некоторых из них используются дистанционные методы эксплуатации устьевой арматуры.
• В особых условиях работы паронагнетательных скважин, испытывающих высокие тепловые нагрузки, использование специальных уплотнений, в которых применяется графит.
• Для агрессивной среды изготовление корпусных деталей из сталей нержавеющих, легированных, с никель-хромовыми наплавками.
• Использование Технических требований международного стандарта API 6A для производства оборудования по желанию заказчика.

Когда производится заказ арматуры, необходимо описать его по определенной схеме, которая будет соответствовать условиям эксплуатации скважины. Оборудование может быть изготовлено по требованиям заказчика, однако должно соответствовать всем нормам и правилам, российским ГОСТ и ТУ, межгосударственным ГОСТ-Р, международным — API 6A. Арматура сертифицируется Федеральной службой по экологическому, технологическому, атомному надзору.

Используемая литература и источники:

• Cast Iron Soil Pipe Institute
• Щуров В. И. Введение // Технология и техника добычи нефти. Учебник для вузов. — 1-е изд. — М.: Недра, 1983.
• Петрухин В. В., Петрухин C. В. Справочник по газопромысловому оборудованию. — М.: Инфра-Инженерия, 2010.
• ГОСТ 26349-84 Соединения трубопроводов и арматура. Давления номинальные. Ряды