Ёлочные установки для нефтяных и газовых скважин.

Введение

Сборка клапанов, пакеров и фитингов, используемых для регулирования потока флюидов в нефтяной скважине.

В добыче нефти и природного газа, фонтанная арматура, или "ёлка", представляет собой сборку клапанов, пакеров и фитингов, используемых для регулирования потока в нефтяной скважине, газовой скважине, скважине для закачки воды, скважине для утилизации воды, скважине для закачки газа, конденсатной скважине и других типах скважин.

Обзор

Первая примитивная рождественская ёлка была использована братьями Гамиллами для контроля над скважиной Спинделтоп. Она состояла из Т-образного клапана с клапаном на вертикальной трубе и 6-дюймовым клапаном на горизонтальной трубе. Вертикальный клапан закрывался первым, а затем клапан на горизонтальной трубе. Рождественские ёлки используются как на наземных, так и на подводных скважинах. Обычно тип оборудования идентифицируется как «подводная ёлка» или «наземная ёлка». Каждая из этих классификаций имеет ряд вариаций. Примеры подводных ёлок включают обычные, двухствольные, моноствольные, TFL (through flow line – через линию потока), горизонтальные, мутлинные, мутлинные горизонтальные, с боковым клапаном и TBT (through bore tree – через ствольное дерево). Самая глубоко установленная подводная ёлка находится в Мексиканском заливе на глубине примерно 9000 футов (2743 м). Современные технические ограничения составляют около 3000 метров и рабочие температуры с давлением до .

The first primitive Christmas tree was used by the Hamill Brothers to bring Spindletop under control. It consisted of a T valve, with a and valve on the vertical pipe, and a 6 inch valve on the horizontal pipe. The vertical valve was closed first, and then the valve to the horizontal pipe. Christmas trees are used on both surface and subsea wells. It is common to identify the type of tree as either "subsea tree" or "surface tree". Each of these classifications has a number of variations. Examples of subsea include conventional, dual bore, mono bore, TFL (through flow line), horizontal, mudline, mudline horizontal, side valve, and TBT (through bore tree) trees. The deepest installed subsea tree is in the Gulf of Mexico at approximately 9000 feet (2743 m). Current technical limits are up to around 3000 metres and working temperatures of with a pressure of up to
The primary function of a tree is to control the flow, usually oil or gas, out of the well. (A tree may also be used to control the injection of gas or water into a non producing well in order to enhance production rates of oil from other wells.) When the well and facilities are ready to produce and receive oil or gas, tree valves are opened and the formation fluids are allowed to go through a flow line. This leads to a processing facility, storage depot and/or other pipeline eventually leading to a refinery or distribution center (for gas). Flow lines on subsea wells usually lead to a fixed or floating production platform or to a storage ship or barge, known as a floating storage offloading vessel (FSO), or floating processing unit (FPU), or floating production, storage and offloading vessel (FPSO). A tree often provides numerous additional functions including chemical injection points, well intervention means, pressure relief means, monitoring points (such as pressure, temperature, corrosion, erosion, sand detection, flow rate, flow composition, valve and choke valve position feedback), and connection points for devices such as down hole pressure and temperature transducers (DHPT). On producing wells, chemicals or alcohols or oil distillates may be injected to preclude production problems (such as blockages). Functionality may be extended further by using the control system on a subsea tree to monitor, measure, and react to sensor outputs on the tree or even down the well bore. The control system attached to the tree controls the downhole safety valve (SCSSV, DHSV, SSSV) while the tree acts as an attachment and conduit means of the control system to the downhole safety valve. Tree complexity has increased over the last few decades. They are frequently manufactured from blocks of steel containing multiple valves rather than being assembled from individual flanged components. This is especially true in subsea applications where the resemblance to Christmas trees no longer exists given the frame and support systems into which the main valve block is integrated. Note that a tree and wellhead are separate pieces of equipment not to be mistaken as the same piece. The Christmas tree is installed on top of the wellhead. A wellhead is used without a Christmas tree during drilling operations, and also for riser tie back situations that later would have a tree installed at riser top. Wells being produced with rod pumps (pump jacks, nodding donkeys, grasshopper pumps, and so on) frequently do not utilize any tree owing the absence of a pressure containment requirement.

Основная функция ёлки – контролировать поток, обычно нефти или газа, из скважины. (Ёлка также может использоваться для контроля закачки газа или воды в не добывающую скважину для повышения дебита нефти из других скважин.) Когда скважина и оборудование готовы к добыче и приёму нефти или газа, клапаны ёлки открываются, и пластовые флюиды поступают по линии потока. Эта линия ведёт к перерабатывающему комплексу, хранилищу и/или другому трубопроводу, в конечном итоге к нефтеперерабатывающему заводу или распределительному центру (для газа). Линии потока с подводных скважин обычно ведут к стационарной или плавучей производственной платформе или к хранилищу, известному как плавучее устройство для разгрузки нефти (FSO), плавучий блок для переработки (FPU) или плавучий блок для производства, хранения и разгрузки нефти (FPSO). Ёлка часто обеспечивает многочисленные дополнительные функции, включая точки для химической закачки, средства для проведения операций в скважине, предохранительные устройства для сброса давления, точки мониторинга (такие как давление, температура, коррозия, эрозия, обнаружение песка, дебит, состав потока, обратная связь по положению клапана и дроссельной заслонки) и точки подключения для устройств, таких как преобразователи давления и температуры в скважине (DHPT). На добывающих скважинах могут закачиваться химические вещества, спирты или нефтепродукты для предотвращения проблем с добычей (таких как засоры). Функциональность может быть расширена за счёт использования системы управления подводной ёлкой для мониторинга, измерения и реагирования на сигналы датчиков на ёлке или даже внутри ствола скважины. Система управления, подключённая к ёлке, управляет противовыбросовым клапаном в скважине (SCSSV, DHSV, SSSV), в то время как сама ёлка служит средством крепления и каналом для системы управления к этому клапану. Сложность ёлок возросла за последние несколько десятилетий. Они часто изготавливаются из стальных блоков, содержащих несколько клапанов, а не собираются из отдельных фланцевых компонентов. Это особенно актуально для подводных применений, где сходство с рождественскими ёлками утрачено из-за рам и опорных систем, в которые интегрирован основной клапанный блок. Следует отметить, что ёлка и устье скважины – это отдельные единицы оборудования, которые не следует путать. Рождественская ёлка устанавливается поверх устья скважины. Устье скважины используется без ёлки во время бурения, а также в ситуациях, когда требуется подключение к стояку, на вершине которого впоследствии будет установлена ёлка. Скважины, которые разрабатываются с помощью штанговых глубинных насосов (насосные установки, кивающие лошади, насосы-саранчи и т. д.), часто не используют ёлку из-за отсутствия требования к герметизации давления.

Клапан

Подводные и поверхностные деревья имеют большое разнообразие конфигураций клапанов и комбинаций ручных и/или приводимых в действие (гидравлических или пневматических) клапанов. Примеры приведены в спецификациях API 6A и 17D. Базовая поверхностная елка состоит из двух или трех ручных клапанов (обычно задвижек из-за их характеристик потока, то есть низкого сопротивления потоку жидкости при полном открытии). Типичная сложная поверхностная елка имеет не менее четырех или пяти клапанов, обычно расположенных в крестообразном порядке (отсюда и устойчивое название "рождественская елка"). Два нижних клапана называются главными клапанами (верхний и нижний соответственно). Главные клапаны обычно находятся в полностью открытом положении и не открываются и не закрываются во время работы скважины (за исключением аварийных ситуаций), чтобы предотвратить эрозию уплотнительных поверхностей клапанов. Нижний главный клапан обычно управляется вручную, а верхний главный клапан часто приводится в действие гидравлически, что позволяет использовать его для дистанционного перекрытия скважины в аварийной ситуации. Крыльчатый клапан с приводом обычно используется для перекрытия скважины во время эксплуатации, сохраняя главные клапаны для надежного перекрытия в целях обслуживания. Гидравлические крыльчатые клапаны обычно изготавливаются с функцией безопасного закрытия, то есть для поддержания открытого положения требуется активное гидравлическое давление. Это означает, что при отказе рабочей жидкости скважина автоматически перекроется без вмешательства оператора. Правый клапан часто называют поточным крыльчатым клапаном или производственным крыльчатым клапаном, поскольку он находится на пути, по которому углеводороды поступают на производственные объекты (или по которому вода или газ поступают от производства к скважине в случае нагнетательных скважин). Левый клапан часто называют клапаном для закачки (KWV). Он в основном используется для закачки жидкостей, таких как ингибиторы коррозии или метанол, для предотвращения образования гидратов. В Северном море он называется неактивным боковым отводом (NASA). Обычно он управляется вручную. Клапан в верхней части называется клапаном для спуско-подъемных работ и расположен на пути, используемом для проведения операций на скважине, таких как спуско-подъемный инструмент и коиловая колонна. Для таких операций на верхнюю часть елки устанавливается смазчик, а проволока или коиловая колонна опускаются через смазчик, мимо клапана для спуско-подъемных работ и в скважину. Этот клапан обычно управляется вручную. Некоторые елки имеют второй клапан для спуско-подъемных работ, расположенные один над другим. Это позволяет демонтировать оборудование с верхней части елки во время работы скважины, соблюдая правило двух барьеров. При наличии только одного клапана для спуско-подъемных работ верхний главный клапан обычно закрывается, чтобы служить в качестве второго барьера, что приводит к остановке скважины на один день во время демонтажа оборудования. Однако, избежание задержки производства на один день обычно не стоит дополнительных затрат на елку со вторым клапаном для спуско-подъемных работ. Подводные деревья доступны в вертикальной или горизонтальной конфигурации, а также в специализированных вариантах, таких как двухствольные, одноствольные, концентрические, с возможностью прохода буровой колонны, с мутной линией, без направляющих или с направляющими. Подводные деревья могут варьироваться по размеру и весу от нескольких тонн до примерно 70 тонн для применений с высоким давлением и большой глубиной (более 914,40 м) без направляющих. Подводные деревья содержат множество дополнительных клапанов и аксессуаров по сравнению с поверхностными деревьями. Обычно подводное дерево включает в себя дроссельный клапан (обеспечивает контроль потока), интерфейс подключения потоковой линии (втулка, фланец или другое соединение), интерфейс подводного управления (прямой гидравлический, электрогидравлический или электрический) и датчики для сбора данных, таких как давление, температура, поток песка, эрозия, многофазный поток и однофазный поток, такой как вода или газ.

Subsea and surface trees have a large variety of valve configurations and combinations of manual and/or actuated (hydraulic or pneumatic) valves. Examples are identified in API Specifications 6A nd 17D. A basic surface tree consists of two or three manual valves (usually gate valves because of their flow characteristics, i. e. low restriction to the flow of fluid when fully open). A typical sophisticated surface tree will have at least four or five valves, normally arranged in a crucifix type pattern (hence the endurance of the term "Christmas tree"). The two lower valves are called the master valves (upper and lower respectively). Master valves are normally in the fully open position and are never opened or closed when the well is flowing (except in an emergency) to prevent erosion of the valve sealing surfaces. The lower master valve will normally be manually operated, while the upper master valve is often hydraulically actuated, allowing it to be used as a means of remotely shutting in the well in the event of emergency. An actuated wing valve is normally used to shut in the well when flowing, thus preserving the master valves for positive shut off for maintenance purposes. Hydraulic operated wing valves are usually built to be fail safe closed, meaning they require active hydraulic pressure to stay open. This feature means that if control fluid fails the well will automatically shut itself in without operator action. The right hand valve is often called the flow wing valve or the production wing valve, because it is in the flowpath the hydrocarbons take to production facilities (or the path water or gas will take from production to the well in the case of injection wells). The left hand valve is often called the kill wing valve (KWV). It is primarily used for injection of fluids such as corrosion inhibitors or methanol to prevent hydrate formation. In the North Sea, it is called the non active side arm (NASA). It is typically manually operated. The valve at the top is called the swab valve and lies in the path used for well interventions like wireline and coiled tubing. For such operations, a lubricator is rigged up onto the top of the tree and the wire or coil is lowered through the lubricator, past the swab valve and into the well. This valve is typically manually operated. Some trees have a second swab valve, the two arranged one on top of the other. The intention is to allow rigging down equipment from the top of the tree with the well flowing while preserving the two barrier rule. With only a single swab valve, the upper master valve is usually closed to act as the second barrier, forcing the well to be shut in for a day during rig down operations. However, avoiding delaying production for a day is usually too small a gain to be worth the extra expense of having a Christmas tree with a second swab valve. Subsea trees are available in either vertical or horizontal configurations with further speciality available such as dual bore, monobore, concentric, drill through, mudline, guidelineless or guideline. Subsea trees may range in size and weight from a few tons to approximately 70 tons for high pressure, deepwater (deeper than 914.40 m) guidelineless applications. Subsea trees contain many additional valves and accessories compared to surface trees. Typically, a subsea tree would have a choke valve (permits control of flow), a flowline connection interface (hub, flange or other connection), subsea control interface (direct hydraulic, electro hydraulic, or electric), and sensors for gathering data such as pressure, temperature, sand flow, erosion, multiphase flow, and single phase flow such as water or gas.