Фонтанная арматура

4 Особенности дросселирующих устройств нефтегазовых скважин

На запасных и рабочих выкидных линиях, как было сказано, монтируются штуцеры (дроссели). Они образуют гидравлические локальные сопротивления потоку добываемой продукции и требуются для корректирования режима функционирования скважины. Штуцеры делят на:

нерегулируемые:
регулируемые.

Самым простым нерегулируемым штуцерным устройством является 10-миллиметровый диск из стали (подходит и низколегированная, и высоколегированная сталь), который размещается между фланцами. Подобный дроссель располагает в своем центре отверстием сечением в пределах 3–35 миллиметров. Выбираемое для каждого конкретного случая сечение позволяет скважине и арматуре работать в заданном технологическом режиме.

Дроссели регулируемого типа похожи на обычный вентиль. Их проходной диаметр можно изменять по мере необходимости при помощи наконечника, которые посредством перемещения маховика отдаляется от втулки либо приближается к ней. Регулируемые штуцеры эксплуатируются при нагрузке не более 70 МПа. Применяются они реже, чем нерегулируемые, так как срок эксплуатации регулируемых устройств очень мал (если из скважины вместе с нефтью или газом подается материал высокого абразивного уровня, они сразу же выходят из строя).

1 Назначение фонтанной арматуры

Фонтанная арматура имеет основные случаи использования:

герметизация скважины;
формирование отвода продукции;
регулировка скважинного дебита;
доступ непосредственно к забою скважины;
манипуляции в затрубном пространстве (проведение операций по забору проб не останавливая производство, изменение давления и температуры в скважинном забое).

Фонтанная арматура используется при избыточном давлении под воздействием больших нагрузок. Применяют конструкцию в том случае, когда есть вероятность воздействия агрессивной среды в скважинах. Часто ее используют при больших абразивных нагрузках, когда в воде насчитывают большое количество объединений различных пород.

Использование фонтанной арматуры для добычи нефти

1.1 Разновидности

Госстандарт определил несколько видов фонтанной арматуры:

Тройниковая/Крестовая (выбор зависит от конфигураций фонтанной елки). Боковые отводы подсоединяются к сборным и замерным установкам с помощью выкидных линий.
Двухрядная или однорядная (количество рядов насосных изделий, спускающихся в скважину).
Оснащена задвижками или кранами. Задвижки используют для нефтяных скважин, а краны – для газовых.

В зависимости от конструктивных и прочностных признаков, фонтанная обвязка классифицируется по:

Рабочему давлению. Стандартная обвязка рассчитана на давление 7-105 МПа. Арматуру, рассчитанную на максимально высокое давление, применяют для очень глубоких скважин, или в которых было зафиксировано аномально высокое пластовое давление (АВПД).
Размеру проходного сечения ствола (50-150 мм). Конструкция с диаметром ствола от 100 до 150 мм, рассчитана на высокодебитные нефтяные и газовые скважины.

Выбирая материал для изготовления устройства, необходимо учесть свойства среды, без чего не обойтись. При пожаро- и взрывоопасной среде не рекомендуют останавливать выбор на чугунных деталях.

Типовые схемы и номера таблиц находятся в прейскуранте Министерства машиностроения.

Фонтанная елка ЕФ6Д-100/80×70КЗ

Типовые виды арматуры включают различные задвижки, краны, клапаны, вентили. Специальная обвязка состоит из редукционных вентилей, затворов и клапанов для катализаторопроводов и резервной арматуры.

Фонтанная арматура для нефтяных и газовых скважин

На фото – трубная обвязка фонтанной арматуры

Когда структура продуктивного пласта представлена горными породами с достаточно высокой прочностью, как правило, применяется так называемый “открытый” забой. В таких случаях эксплуатационную колонну доводят до верхней границы разрабатываемого пласта, а затем сам пласт вскрывают на полную мощность.

Если же горные породы, составляющие продуктивный пласт, являются рыхлыми и неустойчивыми, то в таких случаях забой укрепляется обсадными трубами с дополнительным укреплением (при помощи цементирования) затрубной области. Нефтяной приток в скважину обеспечивается с помощью перфорации (пробивки отверстий) в обсадной трубе и цементном кольце, которые расположены на продуктивном горизонте (как правило, перфорируют из расчета десять отверстий на одном метре).

Вообще оборудование любых скважин (не только фонтанных) должно обеспечить заданный режим отбора продукции и давать возможность проводить необходимые технологические операции по выполнению требований по охране недр, экологии окружающей среды, а также максимально снижать риск возникновения аварийных ситуаций.

Как мы уже сказали выше, такое оборудование делится на два вида:

подземное (скважинное);
устьевое (наземного расположения).

Фонтанная арматура ставится на колонную головку устья. Такая арматура должна отвечать всем требованиям ГОСТ-а номер 13846-89.

Виды фонтанных арматур различаются по своим прочностным характеристикам и конструктивным особенностям, которые отражаются в шифре этого оборудования.

Трубная обвязка представляет собой устанавливаемую на колонную обвязку часть арматуры, которая предназначена для:

№	Полезная информация
1	обвязки на скважине одного или двух трубопроводов
2	управления потоком поступающей продукции и контроля за ним в междутрубном пространстве

Верхний конец скважинного трубопровода крепится с помощью катушки-трубодержателя, которая ставится на трубной головке. Возможно крепление такого трубопровода посредством муфты-трубодержателя, которая закрепляется в корпусе трубной головки.

Фонтанная арматура должна обеспечивать возможность замерять давление на верхнем елочном буфере, а также измерять температуру и давления скважинной среды в районе буфера бокового елочного отвода и на трубной головке. Стандарты предусматривают производство фонтанных арматур блочного типа и возможность доукомплектования (в случая необходимости) такой арматуры предохранительными автоматическими устройствами и другим оборудованием с дистанционным управлением.

Если скважина оборудуется двумя колоннами насосно-компрессорных труб (НКТ) концентрического типа (двухрядный подъемник), то трубы больших диаметров подвешивают с помощью резьбового соединения на нижний тройник или крестовину, которые должны герметично закрывать затрубное пространство. Трубы меньших диаметров подвешивают на резьбу стволовой катушки (проводника), которые размещаются над тройником или крестовиной.

Применение двухструнной крестовой или тройниковой елочной конструкции целесообразно тогда, когда остановка скважины в процессе её эксплуатации является нежелательной. В качестве рабочей используется либо верхняя, либо любая из боковых струн, а запорное устройство, расположенное первым от ствола является запасным.

Монтаж и демонтаж устьевой фонтанной арматуры выполняется с помощью автомобильных кранов или при помощи других подъемных механизмов.

Запорные устройства, используемые на такой арматуре, бывают трех типов:

пробковый кран (со смазкой);
прямоточная задвижка типа ЗМ или ЗМС (со смазкой), оборудованная однопластинчатым шибером;
задвижка ЗМАД , оборудованная двухпластинчатым шибером.

Спуск этих труб в скважины фонтанного типа происходит до уровня фильтра эксплуатационной колонны.

ГОСТ номер 633-80 предусматривает использование НКТ следующих условных внешних диаметров: 27-мь, 33-и, 42-а, 48-мь, 60-т, 73-и, 89-ть, 102-а и 114-ть миллиметров. Толщина стенок таких труб по ГОСТ варьируется от трех до семи миллиметров, а их длина – от пяти до десяти метров. НКТ изготавливаются бесшовными, из марок сталей, которые обладают высокими механическими характеристиками.

Резьба на такие трубы нарезается с обоих концов, чтобы обеспечить надежное муфтовое соединение. В случае необходимости НКТ изготавливают из алюминиевого сплава Д16. В некоторых случаях применяются неметаллические трубы из фибергласса, а также гибкие (безрезьбовые) насосно-компрессорные трубы, выпускаемые в виде барабанов общей длиной до шести километров.

1 Фонтанная арматура – схема и общая информация

Под описываемым видом арматуры понимают определенную часть устьевого оборудования газовых и нефтяных скважин. Она необходима для обвязки и герметизации устья, а также для:

перекрытия добываемой нефти и газа и направления их в трубопровод;
подвески колонны (подъемной) насосно-компрессорных труб;
осуществления на скважине различных технологических процедур;
регулирования и контроля работы скважины;
монтажа центробежного электрического насоса (ЭЦН).

Фонтанирование нефтяной (газовой) скважины – это явление, при котором на поверхность с забоя скважины наблюдается подъем пластового флюида. Такое явление становится возможным за счет наличия пластовой энергии. Как правило, фонтанирование скважины фиксируется на первых стадиях разработки месторождений полезных ископаемых, когда на забое имеется высокое давление и большой запас пластовой энергии. Впрочем, если говорить конкретно о газоконденсатных и газовых скважинах, то можно отметить тот факт, что они способны эксплуатироваться по фонтанной методике достаточно долго.

По Госстандарту 13846–89 арматура для скважин подразделяется на разные виды по нескольким показателям и может быть:

тройниковой либо крестовой в зависимости от конфигурации фонтанной елки;
двухрядной либо однорядной (по количеству рядов насосных трубных изделий, которые спускаются в скважину);
оборудованная кранами либо задвижками (классификация по конструкции запорных приспособлений).

Также арматура различается по величине своего проходного диаметра (50–150 миллиметров) и по показателю рабочего давления (14–140 мегапаскалей).

Технические требования к конструкции

В ГОСТ 13846–89 определил, что фонтанная арматура предназначена для выполнения герметизации скважин, перекрывания движения рабочей среды и выполнения других технологических процедур. В соответствии с нормативами, регламентированными в ГОСТ 15150–69 эти устройства, могут работать при температурах от -60 до +40 градусов.

В ГОСТ 51365–2009 определяет технические условия и требования к указанной арматуре. Проектировщики, занимающиеся конструированием оборудования должны руководствоваться требованиями этого документа.

Значение фонтанных труб

Даже при одинаковом количестве содержания газа в пласте, не каждая скважина способна фонтанировать. К примеру, если объема такого газа хватает для обеспечения фонтанирования в скважине 150-миллиметрового диаметра, то уже для диаметра в 200 миллиметров его может быть недостаточно.

Газонефтяная смесь, которая продвигается по стволу скважины, выглядит как послойное чередование нефтяных и газовых прослоек. Поэтому, чем больше диаметр эксплуатационной трубной колонны, тем большее количество газа понадобится для подъема по ней нефтяной жидкости.

На практике встречались такие случаи, при которых скважины с большими диаметрами ствола (от 150-ти до 300 миллиметров), которые были пробурены на глубину с высокопродуктивными пластами, обладающими большим собственным давлением, отличались высоким дебитом, но даже в них фонтанирование чаще всего продолжалось весьма короткое время. Более того, в некоторых случаях скважины, пробуренные в продуктивные пласты с высокими давлениями, в обычных условиях не могут фонтанировать.

В связи с этим, чтобы максимально рационально использовать энергию расширяющего газа, все горные выработки, на которых возможно появление фонтанирования, оборудуют перед освоением лифтовыми трубами, условные диаметры которых варьируются в пределах от 60-ти до 114-ти миллиметров. По этим трубам малых диаметров и происходит движение газожидкостной смеси в пробуренной скважине.

Подбор диаметра подъемных (лифтовых) труб происходит, как правило, опытным путем, и зависит от следующих факторов конкретной горной выработки:

ожидаемый дебит скважины;
значение давления в пласте;
глубина бурения;
конкретные условия эксплуатации.

В процессе фонтанирования скважины через трубную колонну малого диаметра, показатель газового фактора уменьшается, что дает возможность продлить временной отрезок фонтанирования. Во многих случаях у скважины, фонтанирующей по трубной колонне диаметра 73, 89 или 114 миллиметров, сначала начинался режим периодических выбросов, а затем она совсем останавливалась. В таких случаях продолжительность фонтанирования продлевали заменой этих трубных колонн на фонтанные трубы меньших диаметров (33, 42, 48 и 60 миллиметров).

3 Фонтанная елка – часть арматуры

Как уже было сказано, на трубную обвязку монтируется фонтанная елка. Для этих целей используется верхний фланец. Елка требуется для:

контроля на устье скважины величины рабочего давления;
направления газового или нефтяного потока на замерное устройство (в выкидную линию);
закрытия скважины;
спуска диагностической аппаратуры и приборов в скважину;
изменения технологических режимов функционирования скважины.

Существует несколько разных конструкций фонтанных елок. Все они делятся на два типа – тройниковые и крестовые. И в первых, и во вторых имеются следующие элементы:

запорное устройство;
центральная задвижка;
переводник, который ведет к головке (трубной);
штуцер (специалисты нефтегазовой сферы обычно именуют его дросселем).

Различие же между конструкциями заключается в том, что в крестовых вариантах имеется крестовина, а в тройниковых – тройник. Причем тройников может быть два, если монтируется двухъярусная конструкция насосно-компрессорных труб, или один (конструкция в один ярус).

Верхняя часть елки накрыта буфером (иначе он называется колпаком). Крестовая схема предусматривает наличие рабочего и запасного бокового отвода, тройниковая – наличие запасной (расположена снизу) и рабочей (находится вверху) выкидной линии. Запасные линии в процессе эксплуатации находятся в закрытом положении. Их открывают только тогда, когда возникает потребность в проведении ремонтных либо обслуживающих мероприятий:

при разрушении конструкции, вызываемом коррозией;
при необходимости замены штуцера и так далее.

Конкретный вид елки, а также количество выкидных линий подбирают с учетом параметров газовой или нефтяной скважины. На большинстве современных объектов устанавливают тройниковые фонтанные елки, в которых число таких линий равняется двум. А вот одна выкидная линия монтируется только в скважинах с малым (до 14 МПа) давлением в устье. Крестовая же схема признается оптимальной для скважин с давлением свыше 35МПа при условии, что в жидкой или газовой смеси, выносимой на поверхность, нет механических твердых включений.

Добавим, что существует и два отдельных типа елки без центральной задвижки, но они в настоящее время на отечественных нефтегазовых предприятиях не используются.

Назначение фонтанной арматуры

Устройства этого класса отвечают за решение следующих инженерно-технических задач:

обеспечение герметизации скважины;
отведение продукции, транспортируемой по трубопроводной системе;
для настройки и поддержания дебита скважины;
при обеспечении доступа к скважинному забою;
для обеспечения забора проб, без остановки производственных процессов.

Изделия этого класса применяют при высоком давлении, возникающим под действием нагрузок. Арматуру используют когда существует возможность воздействия агрессивных сред внутри скважины. Довольно часто она применяется, если в жидкости присутствует большое количество примесей разного происхождения и размера.

При использовании такой системы необходимо учитывать то, что это оборудование должно иметь длительный срок эксплуатации и необходимый запас прочности. Основные потребители этой продукции это предприятия занятые на добыче и транспортировке углеводородов, а также строительстве трубопроводных транспортных систем.

Фонтанная эксплуатация нефтяных скважин

Загрузка …

Происходить этот процесс может и под действием природной энергии (Wп), которая поступает к забою скважины вместе с жидкостью или газом, и под действием энергии, которая вводится в скважину с поверхности (Wи).

Смесь нефтяной жидкости и попутного газа, после прохождения по стволу скважинной колонны, посредством специального устьевого оборудования направляется в специальные устройства, называемые сепараторами, в которых происходит разделение жидкой нефтяной составляющей от растворенного в ней газа, и на замерные устройства, определяющие количество полученного сырья.

После этого нефть закачивается в трубопроводы промыслового назначения. Чтобы обеспечить продвижение углеводородной смеси по этой трубопроводной системе, в устье скважины необходимо поддерживать определенное значение давления.

В связи с этим, общая формула энергетического баланса выглядит следующим образом:

W1+W2+W3 = Wп+Wи

Расшифруем незнакомые обозначения:

W1 – это энергия, которая тратится на подъем газожидкостной смеси от забоя до устья скважины;

W2 – энергия, которая расходуется этой смесью в процессе движения через оборудование устья;

W3 – энергия, которая уносится газожидкостной струей пределы скважинного устья.

Передача энергии Wи производится либо посредством воздуха или сжатого газа, либо при помощи насосного оборудования. Первый способ называют газлифтным, а второй – насосным.

Это утверждение верно и для тех месторождений, на которых явно выражен водонапорный режим. Такой режим характеризуется содержанием в нефти находящегося в растворенном состоянии газа, и этот газ в пределах продуктивного пласта из жидкости не выделяется.

Монтаж и демонтаж фонтанной арматуры

В процессе эксплуатации нефтяной или газовой скважины выполняют установку конструкции. Для присоединения используют колонные головки. Отверстия, расположенные в верхнем фланце, позволяют фиксировать детали с разными типоразмерами. Процесс установки оборудования выполняют в несколько шагов.

В пространство между фланцами укладывают прокладку, выполненную из малоуглеродистой стали и имеющей овальную форму. С помощью элеватора колонну труб опускают на место установки. После этого трубы собирают между собой с помощью резьбовых соединений. Кстати, резьбу перед сборкой имеет смысл покрыть защитной смазкой. После окончания сборки установки необходимо провести ее опрессовку.

Фонтанная арматура и схема ее обвязки, конструируется так, что бы она могла защитить окружающую среду от воздействия на нее рабочей среды, подаваемой в трубопроводной системе.

Конструкция фонтанной арматуры

ГОСТ 13846–84, подразумевает применение схем тройникового и крестового типа. В состав типовой фонтанной арматуры входят такие узлы, как:

трубная головка;
фонтанная елка;
запорные устройства, управляемые в ручном режиме;
дроссели.

Трубная головка предназначена для того, что на нее подвешивают НКТ в несколько рядов и обеспечения их герметичности. Кроме того, она принимает участие в некоторых технологических процессах, связанных с освоением, работой и обслуживанием скважины.

Это устройство, при необходимости выполнять замену установленных на ней боковых задвижек. Для этого применяют глухие пробки, устанавливаемые в резьбе, нарезанной в корпусе.

Фонтанная елка призвана решать следующие задачи: