Понимание сверхвысоких рабочих давлений в гидравлике нефтяных месторождений

Прежде чем углубляться в конкретные номинальные значения давления, важно понять, что означает «сверхвысокое давление» в контексте нефтепромысловых услуг и почему выбор номинального значения давления является решением, имеющим существенные последствия для безопасности, эксплуатации и финансов.

Традиционные промышленные гидравлические системы обычно работают при давлении до 35 МПа (5000 фунтов на квадратный дюйм). Оборудование для обслуживания скважин высокого давления может работать в диапазоне 70–105 МПа (10 000–15 000 фунтов на квадратный дюйм). Сверхвысокое давление, как оно определяется в контексте нефтедобычи, начинается примерно со 140 МПа (20 000 фунтов на квадратный дюйм) и простирается далеко за эти пределы — до систем, рассчитанных на 250 МПа (36 000 фунтов на квадратный дюйм) и выше. При таких уровнях давления требуемые материаловедение, качество изготовления компонентов и дисциплина проектирования системы кардинально отличаются от стандартной гидравлической практики.

Потому чтоЭнергия, запасенная в гидравлической системе, пропорциональна квадрату рабочего давления: система с давлением 250 МПа запасает примерно в три раза больше энергии на единицу объема, чем система с давлением 140 МПа при том же расходе. Именно эта запасенная энергия позволяет оборудованию сверхвысокого давления выполнять сложные задачи в скважинах, но именно она делает ошибки в расчете номинального давления катастрофически опасными. Труба, фитинг или уплотнение, рассчитанные на 140 МПа, при случайном воздействии давления 200 МПа резко разорвутся, создавая серьезную опасность для персонала и оборудования.

Номинальное давление 1: 140 МПа (20 000 фунтов на квадратный дюйм) — базовый стандарт сверхвысокого давления.

Типичные области применения насосов с давлением 140 МПа

Насосы с номинальным давлением 140 МПа (20 000 фунтов на квадратный дюйм) представляют собой начальный уровень для работы в условиях сверхвысокого давления на нефтяных месторождениях. Обычно их назначают для следующих целей:

• Привод клапанов устья скважины и фонтанной арматуры— Для надежного срабатывания аварийного останова многих конструкций клапанов устьевого оборудования требуется гидравлическое давление в диапазоне 70–140 МПа. Насос, рассчитанный на 140 МПа, обеспечивает достаточный запас прочности сверх этих требований.
• Испытание на давление лубрикатора проволочного кабеля— Перед каждым использованием смазочные устройства для проволочного каната необходимо подвергать испытанию под давлением до документально подтвержденных значений (обычно в 1,5 раза превышающих максимально ожидаемое давление в скважине). Для этой цели в скважинах с умеренным давлением обычно используются насосы с давлением 140 МПа.
• Предварительные промывочные операции по стимуляции поверхности— Некоторые этапы предварительной промывки при кислотной обработке и матричной стимуляции, особенно в низкопроницаемых пластах, требуют давления до приблизительно 120 МПа. Насос с номинальным давлением 140 МПа обеспечивает необходимый запас прочности.
• Гидравлические инструменты для установки (средний ценовой диапазон)— Инструменты для установки пакеров, мостовых пробок и внутрискважинных манометров в скважинах малой и средней глубины часто рассчитаны на давление срабатывания 140 МПа.
• Предварительное тестирование аккумулятора BOP— Необходимо периодически проверять герметичность баллонов противовыбросового оборудования (BOP) на предмет поддержания заданного давления с помощью гидравлических испытательных насосов.

Технические характеристики насосов с рабочим давлением 140 МПа

Гидравлические насосы, рассчитанные на давление 140 МПа, обычно имеют аксиально-поршневую или радиально-поршневую конструкцию, в которых используются цилиндры и поршни из высоколегированной стали с поверхностной закалкой (например, цементацией или азотированием) для защиты от эрозии и усталости при работе под высоким давлением. Технология герметизации при таком давлении обычно включает в себя уплотнения из ПТФЭ или композитных материалов от таких производителей, как Parker, Seal или аналогичных, рассчитанные на непрерывную работу при давлении 140 МПа. Vicks Hydraulicsполный ассортимент насосной продукцииОхватывает все распространенные номинальные значения давления, используемые в нефтедобывающей промышленности.

Потому чтоНасосы с рабочим давлением 140 МПа находятся в пределах возможностей компонентов, изготовленных методом прецизионной обработки с использованием отработанных производственных процессов. Насосы этого класса, как правило, более доступны на рынке, имеют более короткие сроки поставки и обслуживаются более широкой сетью сервисных центров, чем аналоги с более высоким рабочим давлением. Глобальная цепочка поставок гидравлических компонентов с рабочим давлением 140 МПа — фитингов, шлангов, переходников и уплотнений — развита и хорошо укомплектована запасами.

Когда следует выбирать давление 140 МПа?

Выбирайте насос сверхвысокого давления 140 МПа, если ваше максимальное ожидаемое давление в скважине (MEWP) не превышает приблизительно 95 МПа, а номинальное давление вашего внутрискважинного оборудования находится в этом диапазоне. Номинальное давление 140 МПа обеспечивает коэффициент запаса прочности в 1,4–1,5 раза выше типичного максимального рабочего давления, что соответствует требованиям к запасу прочности, предъявляемым большинством эксплуатационных компаний к процедурам контроля скважин. Если ваша деятельность включает требования охраны труда и техники безопасности, регулируемые...стандарты APIНасос с рабочим давлением 140 МПа является минимальным требованием для проведения работ по ремонту скважин сверхвысокого давления.

Номинальное давление 2: 175 МПа (25 400 фунтов на квадратный дюйм) — Универсальный насос среднего класса для скважин высокого давления.

Типичные области применения насосов с давлением 175 МПа

Насосы с давлением 175 МПа (25 400 фунтов на квадратный дюйм) занимают среднее место среди насосов сверхвысокого давления, используемых в нефтепромыслах, и являются наиболее универсальной характеристикой для современных комплексов оборудования для проведения ремонтных работ на скважинах. Они обычно применяются для:

• Гидравлический разрыв пласта (разрыв пласта под высоким давлением)— В нетрадиционных сланцевых газовых и нефтеносных пластах давление гидроразрыва пласта часто достигает 70–140 МПа на поверхности, а забойное давление превышает 140 МПа. Насос с номинальным давлением 175 МПа обеспечивает необходимый запас для достижения целевого давления гидроразрыва в нетрадиционных скважинах средней глубины (обычно 3000–5500 метров по вертикали).
• Операции по консервации и ликвидации (P&A)— Для консервации и ликвидации скважины необходимо установить цементные пробки и механические барьеры на определенной глубине. Некоторые инструменты для проведения работ по консервации и ликвидации скважин, включая механические инструменты для установки пробок и системы отвода, требуют давления срабатывания до 160 МПа, поэтому подходящая номинальная мощность насоса составляет 175 МПа.
• Очистка скважины с помощью гибких труб— Для удаления накипи, песка и мусора из скважин с помощью инструментов для струйной очистки под высоким давлением требуется, чтобы давление насоса было достаточным для преодоления давления в скважине на глубине и обеспечения достаточной силы струи для эффективной очистки. 175 МПа — это распространенная характеристика для насосных установок для очистки скважин.
• Подводный гидравлический силовой агрегат (ГСУ)— Подводные противовыбросовые устройства и фонтанная арматура приводятся в действие гидравлической жидкостью гидронасоса, подаваемой по подводным кабелям. Потери на трение в длинных кабелях могут снижать эффективное давление на подводном инструменте. Насос с номинальным давлением 175 МПа может компенсировать эти потери, поддерживая при этом достаточное давление срабатывания инструмента на глубинах до примерно 3000 метров.
• Высвобождение цементирующей пробки высокого давления— Цементирование скважин с высоким градиентом трещиностойкости требует точного контроля давления во избежание потери циркуляции. Для привода цементировочной головки в сложных пластах предназначены насосы с давлением 175 МПа.

Технические характеристики насосов с рабочим давлением 175 МПа

Насосы, работающие при давлении 175 МПа, требуют значительно более сложной инженерной разработки компонентов, чем насосы, рассчитанные на 140 МПа. При таком уровне давления стандартные фитинги и компоненты API уже не подходят — система должна использовать запатентованные соединения сверхвысокого давления (например, конические резьбовые соединения Autoclave Engineers или аналогичные), изготовленные на заказ трубопроводы высокого давления с тщательной документацией по неразрушающему контролю (НК) и специализированные технологии уплотнений.

Потому чтоДля работы при давлении 175 МПа требуются более жесткие производственные допуски и более экзотические материалы (суперсплавы, упрочненные осаждением нержавеющие стали), поэтому стоимость оборудования, рассчитанного на давление 140 МПа, обычно на 40–60% выше. Однако более широкий диапазон давлений делает насосы на 175 МПа подходящими для более широкого спектра условий скважин, что часто оправдывает инвестиции для сервисных компаний, работающих с различными активами.

Когда следует выбирать давление 175 МПа

Насос сверхвысокого давления 175 МПа следует выбирать, если ваша работа охватывает скважины с забойным давлением в диапазоне 110–150 МПа; если ваш парк оборудования должен быть способен работать как с обычными, так и с нетрадиционными типами скважин без модернизации оборудования; или если ваш парк внутрискважинного оборудования включает инструменты для проведения ремонтных работ с номинальным давлением до 160 МПа. Насос с номинальным давлением 175 МПа широко признан в отрасли как наиболее распространенный инструмент для проведения ремонтных работ и стимуляции скважин и пользуется надежной поддержкой производителей, доступностью запасных частей и инфраструктурой технического обслуживания сторонних организаций по всему миру.

Класс давления 3: 250 МПа (36 000 фунтов на квадратный дюйм) — Специалист по работе в условиях экстремального давления

Типичные области применения насосов с давлением 250 МПа

Насосы с номинальным давлением 250 МПа (36 000 фунтов на квадратный дюйм) — это специализированные инструменты, используемые в самых сложных условиях скважин: на больших и сверхбольших глубинах, а также в геологически сложных месторождениях, где обычное оборудование сверхвысокого давления не может обеспечить необходимое давление для эффективного проведения работ в скважине или стимуляции пласта. Ключевые области применения включают:

• Гидравлический разрыв пласта в сверхглубоководных условиях— Глубоководные и сверхглубоководные скважины с глубиной более 5500 метров требуют чрезвычайно высокого давления обработки на поверхности для преодоления совокупного воздействия гидростатического давления в стволе скважины, потерь на трение в трубах и градиента трещиноватости пласта на глубине. Для достижения требуемого в этих месторождениях давления обработки на забое в 180–230 МПа необходимы насосы с давлением 250 МПа.
• HPHT (высокотемпературное и высоконапорное) вмешательство в скважины— Скважины с пластовым давлением, превышающим 140 МПа, и температурой выше 150°C представляют собой чрезвычайные трудности как для оборудования, так и для персонала. Для проведения работ на скважинах в таких условиях наиболее подходящим выбором является оборудование, рассчитанное на давление 250 МПа, со специализированными высокотемпературными уплотнениями и металлургическими материалами.
• Подводный подводной гидравлический насос— При глубоководных подводных операциях гидравлическое давление, подаваемое с поверхности по длинным кабелям, подвержено значительным потерям на трение. Насосы-усилители с номинальным давлением 250 МПа, установленные на подводной распределительной раме, компенсируют эти потери и поддерживают адекватное гидравлическое давление в инструменте.
• Усовершенствованные перфорационные системы— В некоторых системах глубокой перфорации используются гидравлические приводы, для надежной работы которых требуется сверхвысокое давление. Насосы с номинальным давлением 250 МПа обеспечивают гарантированное давление для этих специализированных инструментов.
• Испытание целостности скважин для скважин, работающих в средах с высоким содержанием кислых растворов.— Скважины, содержащие сероводород (H₂S), требуют периодического проведения испытаний на целостность под давлением, подтверждающим механическую целостность устья скважины, фонтанной арматуры и обсадной колонны. Испытательные насосы с давлением 250 МПа проверяют герметичность конструкции в самых сложных условиях эксплуатации в кислых средах.

Технические характеристики насосов с рабочим давлением 250 МПа

Гидравлический насос с номинальным давлением 250 МПа — это инженерное достижение, требующее самых высоких стандартов проектирования компонентов, выбора материалов, точности изготовления и обеспечения качества. При 250 МПа кольцевое напряжение в трубопроводе высокого давления с внутренним диаметром 10 мм достигает приблизительно 625 МПа, что требует использования труб из супердуплексной нержавеющей стали, инконеля 625 или титанового сплава с протоколами заводских испытаний и 100% неразрушающим контролем каждого сварного шва.

Компоненты насосной части, контактирующие с рабочей жидкостью — корпуса, клапаны, седла и поршни — обычно изготавливаются из кованых заготовок из суперсплавов и подвергаются тщательной термообработке, упрочнению поверхности и чистовой шлифовке для достижения микронных допусков, необходимых для надежного уплотнения при данном давлении.Потому чтоЛюбой микроскопический дефект в зоне высокого напряжения может распространяться под воздействием циклической нагрузки. Оборудование, рассчитанное на давление 250 МПа, подвергается более строгим протоколам контроля и испытаний, чем любой другой класс гидравлического оборудования, включая гидростатические испытания на прочность при давлении, в 1,25 раза превышающем номинальное, и акустико-эмиссионные испытания критически важных сварных швов.

Когда следует выбирать давление 250 МПа?

Насос сверхвысокого давления 250 МПа следует выбирать только в тех случаях, когда этого требуют технические требования скважины или инструмента для проведения ремонтных работ — в частности, когда ожидается, что забойное давление превысит 175 МПа, или когда подводные гидравлические системы требуют повышения давления выше 200 МПа для преодоления потерь на трение в подводных кабелях на глубине более 2500 метров. Эксплуатационные и финансовые затраты на оборудование с давлением 250 МПа — более высокая стоимость приобретения, специализированные требования к техническому обслуживанию, более жесткие правила обращения и ограниченная доступность запасных частей и сервисной поддержки по всему миру — означают, что его никогда не следует выбирать в качестве универсального «избыточного» варианта. Премия за возможность работы с давлением 250 МПа по сравнению с 175 МПа обычно составляет 80–120%, а общая стоимость владения, включая услуги специалистов и требования к неразрушающему контролю, может быть пропорционально еще выше.

Сравнительный анализ номинального давления двух типов устройств.

Как определить правильное номинальное давление для вашей нефтедобывающей деятельности

Шаг 1 — Определите максимально ожидаемое давление в скважине (MEWP)

Отправной точкой для выбора давления насоса сверхвысокого давления является тщательное определение максимально ожидаемого давления в скважине на всех этапах планируемой операции. При этом необходимо учитывать пластовое давление на целевой глубине, гидростатическое давление столба жидкости, давление, необходимое для начала гидроразрыва пласта или проведения работ, а также любые скачки давления, которые могут возникнуть во время динамических операций, таких как промывка, гидроудары или срабатывание оборудования, прошедшего испытание давлением. Максимально ожидаемое давление должно быть рассчитано или оценено для каждой конкретной скважины — общие эмпирические правила неприемлемы при работе в условиях сверхвысокого давления.

Шаг 2 — Примените требуемый коэффициент запаса прочности.

В большинстве стандартов контроля скважин крупных нефтяных компаний требуется как минимум 1,25-кратный запас прочности между номинальным давлением насоса и максимальным плановым рабочим давлением. Кроме того, многие рабочие процедуры требуют, чтобы насос был способен подавать максимальное рабочее давление (МРД) со скоростью потока, соответствующей эксплуатационным требованиям, а не просто при нулевом потоке. Всегда проверяйте, что кривая зависимости давления от расхода насоса при плановом расходе по-прежнему обеспечивает достаточный запас выше МРД.

Шаг 3 — Подберите инструмент в соответствии с вашим арсеналом инструментов для бурения скважин.

Перед выбором насоса проведите аудит имеющегося у вас оборудования для работы в скважине и определите инструмент с самым высоким номинальным давлением в вашем рабочем комплекте. Насос должен быть способен приводить в действие этот инструмент при максимальном ожидаемом давлении в скважине, при котором он будет использоваться, а не только при атмосферных условиях в скважине.Потому чтоТребования к эффективному давлению срабатывания инструмента возрастают с увеличением давления в скважине (инструмент должен преодолеть давление в скважине для переключения), номинальная мощность насоса должна превышать сумму давления в скважине и разницы давлений срабатывания инструмента.

Шаг 4 — Оцените объем предоставляемых услуг и портфель активов.

Если ваша компания, занимающаяся обслуживанием нефтепромыслов, работает с различными скважинами, имеющими широкий диапазон рабочих давлений, при выборе насосного оборудования следует учитывать специфику этого портфеля. Компания, работающая исключительно на неглубоких обычных скважинах, может никогда не нуждаться в насосах с производительностью 250 МПа. Однако компания, которая время от времени получает контракты на глубоководные или высоконапорные скважины, может обнаружить, что гибкость парка насосов с производительностью 175 МПа — с периодической арендой или специализированной поддержкой в ​​ситуациях с 250 МПа — обеспечивает лучшую окупаемость инвестиций, чем приобретение насоса на 250 МПа, который большую часть времени работает значительно ниже своей номинальной мощности.

Часто задаваемые вопросы (FAQ)

Вывод: подбирайте насос к скважине, а не наоборот.

Номинальное давление вашего гидравлического насоса сверхвысокого давления является наиболее важным параметром в процессе выбора насоса. Завышение параметров приводит к ненужным затратам и усложнению; занижение создает угрозу безопасности и приводит к сбоям в работе. Правильный подход заключается в определении максимального ожидаемого давления в скважине для целевого применения, применении необходимого коэффициента запаса прочности, подтверждении совместимости с имеющимся у вас оборудованием для скважин и выборе насоса с наименьшим номинальным давлением, обеспечивающего достаточный запас — ни больше, ни меньше. При выборе соответствующих распределительных клапанов и гидравлического оборудования для вашей системы насоса сверхвысокого давления убедитесь, что вся гидравлическая цепь — от насоса до клапана и привода — имеет номинальные параметры и сертифицирована как интегрированная система. Включает в себя номинальные давления, совместимые с применением в нефтепромыслах сверхвысокого давления, а также специальные линейки продукции, разработанные для гидравлических цепей сверхвысокого давления.

Гидравлический ВиксКомпания производит гидравлические насосы сверхвысокого давления с номинальным давлением от 140 до 250 МПа, предназначенные для применения в морской, военной, промышленной автоматизации и нефтедобывающей промышленности. Производство осуществляется на шести производственных линиях мирового класса с годовой производительностью более 80 000 лопастных насосов. В ассортимент продукции входят следующие серии:Однонасосная серия ABTдля применений со средним давлением иСерия PV2RДля высоконагруженных промышленных применений. Вся продукция Vicks Hydraulic имеет сертификаты CCS, DNV, ABS, BV и LR, а техническая команда компании может помочь в выборе насоса с учетом конкретных параметров вашей скважины и эксплуатационных требований.