Фонтанная арматура: что это, устройство и основные виды

На поверхности нефтяная или газовая скважина выглядит сравнительно спокойно: несколько массивных корпусов, задвижек, фланцев и трубопроводов. Под ними находится скважина глубиной в километры, из которой флюид может поступать под высоким давлением. Между пластом и наземной системой сбора стоит оборудование, от надежности которого напрямую зависит возможность управлять этим потоком, – фонтанная арматура.

По сути, она играет роль одновременно герметичного «шлюза», распределительного узла и системы управления скважиной. Фонтанная арматура позволяет направлять продукцию в нужную линию, перекрывать поток, регулировать режим эксплуатации, контролировать давление и выполнять отдельные технологические операции.

При этом универсальной фонтанной арматуры для всех скважин не существует. Конструкция выбирается с учетом рабочего давления, диаметра прохода, характеристик добываемой среды, схемы фонтанной елки, количества колонн насосно-компрессорных труб и способа управления запорными устройствами.

Разберемся, что входит в фонтанную арматуру, какие ее виды применяются и почему выбор конкретной схемы начинается с условий работы скважины, а не с внешнего вида оборудования.

Что такое фонтанная арматура

Фонтанная арматура – комплекс устьевого оборудования, который устанавливается на устье эксплуатационной нефтяной или газовой скважины и обеспечивает герметизацию, подвеску скважинного трубопровода, управление потоком продукции и контроль рабочих параметров.

Требования к такому оборудованию в России устанавливает, в частности, ГОСТ Р 51365-2009 (ИСО 10423:2003) «Нефтяная и газовая промышленность. Оборудование для бурения и добычи. Оборудование устья скважины и фонтанное устьевое оборудование. Общие технические требования». По данным Росстандарта, этот стандарт действует и распространяется на устьевое оборудование и фонтанную арматуру для добычи нефти и газа.

Типовые схемы фонтанной арматуры связаны с ГОСТ 13846-89, на который прямо ссылается ГОСТ Р 51365-2009.

Важно различать несколько соседних понятий. Колонная головка связывает и герметизирует обсадные колонны скважины. Выше размещается эксплуатационное устьевое оборудование, включающее трубную часть и фонтанную елку.

Фонтанную арматуру нередко называют просто «елкой», хотя технически фонтанная елка представляет только ее верхнюю часть. Эта разница примерно такая же, как между автомобилем и его двигателем: понятия тесно связаны, однако не являются взаимозаменяемыми.

Для чего нужна фонтанная арматура

Главная задача оборудования – обеспечить управляемую и герметичную эксплуатацию скважины.

Пластовое давление может создавать значительный энергетический потенциал. Если оставить канал от продуктивного пласта до поверхности без надежной системы управления, контролировать добычу будет невозможно. Фонтанная арматура превращает поток из неконтролируемого природного процесса в регулируемый технологический.

В зависимости от конструкции и условий эксплуатации она позволяет:

• герметизировать устье скважины;
• подвешивать колонну насосно-компрессорных труб;
• направлять продукцию в выкидную линию;
• перекрывать скважину;
• регулировать расход продукции;
• контролировать давление;
• обеспечивать доступ к затрубному пространству;
• выполнять отдельные исследования и технологические операции.

Поэтому фонтанная арматура работает не как одна задвижка. Это система взаимосвязанных элементов, каждый из которых выполняет собственную функцию.

Из чего состоит фонтанная арматура

Конструктивно удобно выделить две основные части: трубную обвязку, или трубную головку, и фонтанную елку. Типовые схемы ГОСТ 13846-89 также представляют фонтанную арматуру как сочетание фонтанной елки и трубной обвязки.

Трубная головка

Трубная головка находится в нижней части фонтанной арматуры.

Ее важнейшая задача – обеспечить подвешивание колонны насосно-компрессорных труб, по которым продукция поднимается к поверхности. Одновременно должна обеспечиваться герметизация пространства между НКТ и эксплуатационной колонной.

Это пространство называют затрубным или кольцевым.

Через боковые отводы трубной головки можно контролировать параметры затрубного пространства и выполнять предусмотренные технологией операции.

Если представить скважину как глубокий вертикальный технический канал, трубная головка является своеобразным силовым переходником: она удерживает внутреннюю колонну и одновременно разделяет среды, которые должны оставаться герметичными относительно друг друга.

Фонтанная елка

Фонтанная елка монтируется над трубной головкой и непосредственно работает с потоком продукции скважины.

ГОСТ 13846-89 предусматривает в составе типовых схем такие элементы, как тройники или крестовины, запорные устройства, манометр с запорно-разрядным устройством, дроссели и ответные фланцы.

Название «елка» появилось благодаря характерной разветвленной форме традиционных конструкций.

Через боковые отводы продукция направляется в выкидные линии. Запорные устройства позволяют менять направление движения или перекрывать поток. Дроссель используется для управления расходом и режимом работы скважины.

Запорные устройства

Ключевую роль выполняют задвижки.

В вертикальном стволе и на боковых линиях они создают несколько уровней управления потоком. Конкретное количество и расположение зависят от схемы оборудования.

Для ответственных скважин могут применяться устройства с ручными, гидравлическими, пневматическими или другими приводами, позволяющими организовать дистанционное или автоматизированное управление.

При этом запорное устройство и дроссель выполняют разные задачи. Задвижка в первую очередь предназначена для открытия либо перекрытия канала. Дроссель служит для управления потоком. ГОСТ Р 51365-2009 отдельно указывает, что регулируемые и нерегулируемые дроссели предназначены для управления скоростью потока и не должны использоваться в качестве запорных устройств.

Дроссель

Дроссель создает контролируемое гидравлическое сопротивление.

Если открыть скважину без ограничения, дебит и давление могут выйти за расчетный технологический режим. Дросселирование позволяет управлять потоком и поддерживать эксплуатационные параметры.

Дроссели могут быть регулируемыми и нерегулируемыми. В регулируемой конструкции проходное сечение изменяют в процессе эксплуатации. В нерегулируемой используется фиксированная геометрия прохода.

Тройниковая и крестовая фонтанная арматура

Одной из основных конструктивных классификаций является деление фонтанных елок на тройниковые и крестовые.

По ГОСТ 13846-89 типовые схемы 1–4 относятся к конструкциям с тройниками, схемы 5 и 6 построены на крестовине.

Тройниковая схема

Основной распределительный элемент такой елки — тройник. В зависимости от исполнения конструкция может включать один или два расположенных последовательно тройника.

Поток из вертикального ствола выводится через боковую линию.

При двухъярусной конструкции появляется дополнительная резервная возможность перенаправления продукции при необходимости обслуживания одного из элементов.

Тройниковая схема наглядно показывает логику резервирования. Если рабочая боковая линия требует вмешательства, дополнительный уровень оборудования способен повысить эксплуатационную гибкость.

Крестовая схема

В крестовой елке используется крестовина с двумя противоположно расположенными боковыми отводами.

Такое исполнение делает конструкцию более компактной по высоте и позволяет организовать два направления отвода непосредственно от одного уровня.

При выборе между тройниковой и крестовой схемами оценивают рабочее давление, состав среды, требования к резервированию, ремонтопригодность и особенности эксплуатации конкретной скважины.

Нельзя сказать, что одна конструкция универсально «лучше». Каждая решает задачу в определенных условиях.

Классификация по рабочему давлению

Рабочее давление – один из главных параметров фонтанной арматуры.

Оборудование постоянно воспринимает внутреннее давление продукции скважины. Следовательно, корпуса, фланцы, уплотнения, задвижки и другие элементы должны быть рассчитаны на соответствующие нагрузки.

Действующий ГОСТ Р 51365-2009 приводит для фонтанной арматуры следующие номинальные значения рабочего давления: 14, 21, 35, 70, 105 и 140 МПа.

Высокий класс давления не означает просто «более толстый металл». Повышаются требования ко всей системе удержания давления: корпусным деталям, фланцевым соединениям, уплотнениям, запорной арматуре, материалам и испытаниям.

Например, оборудование на 70 или 105 МПа работает уже в условиях, где даже небольшой дефект уплотнения приобретает принципиально другое значение, чем в низконапорной системе.

Именно поэтому выбирать арматуру только по диаметру прохода недопустимо.

Виды по диаметру прохода

Еще один важный параметр – условный проход ствола фонтанной елки и боковых отводов.

ГОСТ Р 51365-2009 предусматривает для ствола типоразмеры 50, 65, 80, 100 и 150 мм с определенными сочетаниями рабочего давления и размеров боковых отводов. Не каждая комбинация диаметра и давления является стандартной.

Диаметр связан прежде всего с необходимой пропускной способностью.

Слишком малое проходное сечение увеличивает гидравлическое сопротивление и скорость потока. Это может усиливать эрозионное воздействие среды, особенно при наличии механических примесей.

Избыточно большой проход также не выбирают «про запас»: увеличиваются габариты, масса и стоимость оборудования.

Поэтому диаметр – результат технологического расчета.

Однорядная и двухрядная арматура

Конструкция зависит от количества колонн насосно-компрессорных труб.

В наиболее распространенном варианте используется одна колонна НКТ. Для определенных технологий скважина может эксплуатироваться с двумя концентрически расположенными колоннами труб. Тогда усложняется трубная головка и схема их подвески.

ГОСТ 13846-89 предусматривает варианты трубных обвязок, учитывающие соответствующую компоновку. В условном обозначении оборудования эта особенность также может отражаться.

Выбор определяется технологией эксплуатации скважины, а не предпочтением изготовителя арматуры.

Классификация по способу подвески НКТ

Насосно-компрессорная колонна имеет значительную массу и должна надежно фиксироваться на устье.

ГОСТ 13846-89 предусматривает различные конструктивные решения, включая подвешивание скважинного трубопровода непосредственно в трубной головке либо через соответствующий переводник. Разница отражается и в условных обозначениях оборудования.

Способ подвески влияет на компоновку устья, удобство монтажа, герметизацию и проведение последующих операций.

Здесь особенно хорошо видно, почему две фонтанные арматуры с одинаковым давлением и проходом могут иметь разную конструкцию.

Ручное, дистанционное и автоматическое управление

Самая простая схема предполагает ручное управление запорными устройствами. Оператор непосредственно воздействует на привод задвижки.

Для более ответственных или труднодоступных объектов могут использоваться дистанционные и автоматизированные приводы.

ГОСТ 13846-89 предусматривает отражение способа управления в условном обозначении оборудования. В числе вариантов встречаются автоматическое, дистанционное и дистанционно-автоматическое управление; ручное исполнение отдельно в шифре может не обозначаться.

Автоматизация особенно важна там, где необходимо быстро закрыть скважину без непосредственного присутствия человека возле устья.

Это уже вопрос не удобства, а управления риском. Чем выше давление и тяжелее потенциальные последствия разгерметизации, тем важнее возможность быстро изменить состояние оборудования.

Коррозионностойкие исполнения

Добываемая среда редко представляет собой «чистую нефть» или «чистый газ».

В продукции могут содержаться:

• пластовая вода;
• углекислый газ;
• сероводород;
• соли;
• песок и другие механические примеси.

В результате оборудование одновременно сталкивается с коррозией, эрозией и значительными механическими нагрузками.

ГОСТ Р 51365-2009 устанавливает требования к конструкции, материалам, испытаниям и контролю фонтанного устьевого оборудования, а при выборе материала должны учитываться условия эксплуатации.

Особого внимания требуют среды с сероводородом. Неподходящий материал в такой среде может терять необходимые механические свойства вследствие механизмов водородного повреждения и сульфидного растрескивания.

Поэтому коррозионностойкое исполнение – не дополнительная опция для увеличения срока службы. В определенных условиях это элемент промышленной безопасности.

Наземная и подводная фонтанная арматура

Привычная «елка», установленная над устьем скважины, относится к наземному исполнению.

При подводной добыче ситуация значительно сложнее: устье скважины и фонтанная арматура могут находиться на морском дне.

Для таких систем действует специальная нормативная база. Например, ГОСТ Р ИСО 13628-4-2016 распространяется на подводное устьевое оборудование и фонтанную арматуру. В нем рассматриваются конструкция, соединители, трубные головки, нагрузки и другие особенности подводной эксплуатации.

Подводная фонтанная елка должна выполнять те же базовые задачи – удерживать давление и управлять скважиной, – при этом доступ человека к ней крайне ограничен.

Ремонт, монтаж и управление осуществляются с использованием специализированных подводных технологий. Поэтому надежность приводов, соединителей и систем управления здесь приобретает еще большее значение.

Это хороший пример того, как одинаковое функциональное назначение порождает совершенно разные инженерные решения в зависимости от среды эксплуатации.

Что означает маркировка фонтанной арматуры

Шифр оборудования способен рассказать о нем значительно больше, чем кажется на первый взгляд.

ГОСТ 13846-89 предусматривает систему условных обозначений, в которой могут отражаться тип оборудования, вариант подвешивания труб, схема елки, способ управления, проходы, рабочее давление и специальное исполнение.

Один из примеров стандарта – АФ6А-80/65×70.

В упрощенном прочтении:

• АФ – арматура фонтанная;
• 6 – номер типовой схемы;
• А – автоматическое управление;
• 80 мм – проход ствола;
• 65 мм – проход боковых отводов;
• 70 МПа – рабочее давление.

Маркировку конкретной модели всегда следует расшифровывать по нормативной и технической документации изготовителя: у оборудования специального исполнения могут присутствовать дополнительные обозначения.

Как выбирают фонтанную арматуру для скважины

Правильный подбор начинается с параметров объекта.

Сначала определяют ожидаемые и предельные давления, дебит, свойства продукции и конструкцию скважины. Затем выбирают требуемый проход, схему елки, материалы и способ управления.

Практически необходимо учитывать как минимум следующие факторы:

• максимальное возможное давление на устье;
• тип скважины – нефтяная, газовая, газоконденсатная;
• дебит и характеристики потока;
• наличие сероводорода и углекислого газа;
• содержание воды и механических примесей;
• число колонн НКТ;
• температурный диапазон;
• требования к дистанционному закрытию;
• условия размещения – суша или подводный объект.

Логика здесь напоминает подбор защитной оболочки вокруг технологического процесса: сначала определяют, что происходит внутри, затем рассчитывают оборудование, способное безопасно удерживать этот процесс.

Покупать фонтанную арматуру исключительно по принципу «подходит фланец и давление указано нужное» недостаточно.

Почему герметичность критична

Фонтанная арматура относится к оборудованию, через которое проходит продукция непосредственно после выхода из скважины.

Если нарушается герметичность обычного технологического трубопровода, участок часто можно изолировать соседними запорными устройствами. На устье ситуация потенциально сложнее: источником давления является сама скважина.

Поэтому конструкция оборудования предусматривает несколько уровней запирания и контроля.

ГОСТ Р 51365-2009 содержит требования к опрессовке корпусных деталей фонтанной арматуры и устанавливает испытательные давления в зависимости от номинального рабочего давления.

Здесь проявляется базовый принцип нефтегазовой безопасности: оборудование должно не только штатно работать, но и сохранять требуемую герметичность при предусмотренных расчетных и испытательных воздействиях.

Чем фонтанная арматура отличается от нагнетательной

Внешне эти системы могут быть похожими, поскольку обе устанавливаются на устье и содержат запорную арматуру, фланцы и распределительные элементы.

Разница определяется направлением технологического процесса.

Фонтанная арматура работает прежде всего со скважиной, из которой продукция поступает на поверхность.

Нагнетательная арматура применяется там, где рабочую среду, наоборот, закачивают в скважину – например, при поддержании пластового давления.

ГОСТ 13846-89 отдельно приводит типовые схемы и основные параметры фонтанных и нагнетательных арматур. Для нагнетательных елок стандарт также предусматривает тройниковую и крестовую схемы.

Поэтому похожий набор деталей еще не делает оборудование взаимозаменяемым.

Популярные статьи в категории:

01.12.2020

105464

Экологические проблемы нефтяной промышленности

10.10.2020

47841

Как работают зарубежные нефтяники?

17.07.2020

7397

Как стать геологоразведчиком?