Розуміння номінальних значень надвисокого тиску в гідравліці нафтопромислів

Перш ніж заглиблюватися в конкретні показники тиску, важливо зрозуміти, що означає «надвисокий тиск» у контексті послуг нафтопромислового комплексу та чому вибір показника тиску є рішенням, яке має значні наслідки для безпеки, експлуатації та фінансів.

Традиційні промислові гідравлічні системи зазвичай працюють під тиском до 35 МПа (5000 фунтів на квадратний дюйм). Обладнання для обслуговування свердловин високого тиску може працювати в діапазоні 70–105 МПа (10 000–15 000 фунтів на квадратний дюйм). Надвисокий тиск, як його визначають у контексті нафтопромислу, починається приблизно зі 140 МПа (20 000 фунтів на квадратний дюйм) і поширюється далеко за його межі — до систем з номінальним тиском 250 МПа (36 000 фунтів на квадратний дюйм) і вище. При цих рівнях тиску необхідні матеріалознавство, якість виготовлення компонентів і дисципліна проектування системи категорично відрізняються від стандартної гідравлічної практики.

Тому щоЕнергія, що накопичується в гідравлічній системі, залежить від квадрата робочого тиску, система 250 МПа накопичує приблизно втричі більше енергії на одиницю об'єму, ніж система 140 МПа за тієї ж швидкості потоку. Ця накопичена енергія робить обладнання надвисокого тиску здатним виконувати складні завдання зі свердловини, але вона також робить помилки в оцінці тиску катастрофічно небезпечними. Труба, фітинг або ущільнення, розраховані на 140 МПа, які випадково піддаються впливу 200 МПа, сильно розірвуться, що створить серйозну небезпеку для персоналу та обладнання.

Номінальний тиск 1: 140 МПа (20 000 фунтів на квадратний дюйм) — початковий рівень стандарту UHP

Типові застосування насосів 140 МПа

Насоси з номінальним тиском 140 МПа (20 000 фунтів на квадратний дюйм) є початковим рівнем для справжнього надвисокого тиску в нафтопромислах. Вони зазвичай призначені для:

• Приведення в дію гирла свердловини та клапана «різдвяна ялинка»— Багато конструкцій гирлових клапанів вимагають гідравлічного тиску в діапазоні 70–140 МПа для надійного спрацьовування аварійного відключення. Насос з номінальним тиском 140 МПа забезпечує достатній запас міцності понад ці вимоги.
• Випробування тиску мастила на каротажному трубопроводі— Перед кожним розгортанням лубрикатори на каротажному підводі повинні пройти випробування під тиском до задокументованих значень (зазвичай у 1,5 раза перевищує максимальний очікуваний тиск у свердловині). Для цього застосування у свердловинах із помірним номінальним тиском зазвичай використовуються насоси на 140 МПа.
• Попередні промивні операції зі стимуляції поверхні— Деякі стадії попереднього промивання кислотним очищенням та стимуляцією матриксних пластів, особливо у пластах з низькою проникністю, потребують тиску приблизно до 120 МПа. Насос з номінальним тиском 140 МПа забезпечує необхідний робочий запас.
• Гідравлічні налагоджувальні інструменти (середнього класу)— Інструменти для налаштування пакерів, мостових пробок та свердловинних калібрів у свердловинах неглибокої та середньої глибини часто розраховані на тиск спрацьовування 140 МПа.
• Випробування попереднього заряду акумулятора BOP— Підводні та наземні ємності для акумуляторів превенторного превентора повинні періодично перевірятися на цілісність тиску попереднього заряду за допомогою гідравлічних випробувальних насосів.

Технічні характеристики насосів 140 МПа

Гідравлічні насоси, розраховані на робочий тиск 140 МПа, зазвичай мають аксіально-поршневу або радіально-поршневу конструкцію, використовують корпуси та поршні з високолегованої сталі з поверхневою обробкою гартування (наприклад, загартування або азотування) для захисту від ерозії та втоми, що виникають під час роботи під високим тиском. Технологія ущільнення на цьому рівні тиску зазвичай включає ущільнення Parker, Seal罎 або еквівалентні виробники з ПТФЕ або композитні ущільнення, розраховані на безперервну роботу 140 МПа. Vicks Hydraulic'sповний асортимент насосної продукціїохоплює всі поширені показники тиску для застосувань нафтопромислового обслуговування.

Тому що140 МПа знаходиться в межах діапазону можливостей прецизійної механічної обробки компонентів, виготовлених за допомогою усталених виробничих процесів. Насоси цього класу, як правило, більш комерційно доступні, мають коротші терміни виконання та підтримуються ширшою мережею сервісних центрів, ніж альтернативи з вищими характеристиками. Глобальний ланцюг поставок гідравлічних компонентів на 140 МПа — фітингів, шлангів, адаптерів та ущільнень — є розвиненим та добре забезпеченим.

Коли обрати 140 МПа

Оберіть насос надвисокого тиску 140 МПа, якщо ваш максимальний очікуваний тиск у свердловині (MEWP) не перевищує приблизно 95 МПа, а номінальний тиск вашого свердловинного інструменту залишається в цьому діапазоні. Номінальний тиск 140 МПа забезпечує коефіцієнт запасу міцності 1,4–1,5× порівняно з типовим максимальним робочим тиском, що задовольняє вимоги до запасу міцності процедур контролю свердловин більшості компаній-операторів. Якщо ваша діяльність включає вимоги HSE, що регулюютьсяСтандарти APIНасос на 140 МПа є мінімальною специфікацією для робіт з втручання у свердловини надвисокого тиску.

Клас тиску 2: 175 МПа (25 400 фунтів на квадратний дюйм) — робоча конячка середнього класу для свердловин високого тиску

Типові застосування насосів 175 МПа

Насоси з тиском 175 МПа (25 400 фунтів на квадратний дюйм) займають середній рівень надвисокого тиску в нафтових родовищах і є найбільш універсальною специфікацією для сучасних парків обладнання для втручання в свердловини. Вони зазвичай використовуються для:

• Гідравлічний розрив пласта (гідророзрив пласта під високим тиском)— У нетрадиційних формаціях сланцевого газу та щільної нафти тиск гідророзриву часто сягає 70–140 МПа на поверхні, а тиск на вибійному боці свердловини перевищує 140 МПа. Насос з номінальною потужністю 175 МПа забезпечує запас, необхідний для досягнення цільового тиску гідророзриву в нетрадиційних свердловинах середньої глибини (зазвичай 3000–5500 метрів глибиною розриву пласта).
• Операції з підключень та залишення (P&A)— Тампонування та ліквідація свердловин вимагає встановлення цементних пробок та механічних бар'єрів на певній глибині свердловини. Деякі інструменти для втручання в техніці P&A, включаючи інструменти для механічного встановлення пробок та системи відхилення відхилення, вимагають тиску спрацьовування до 160 МПа, що робить 175 МПа відповідним показником насоса.
• Очищення стовбура свердловини за допомогою колтюбінгу— Видалення окалини, піску та сміття зі свердловин за допомогою струменевих інструментів високого тиску вимагає номінального тиску насоса, який може подолати тиск у свердловині на глибині, забезпечуючи при цьому достатню силу струменя для ефективного очищення. 175 МПа є загальною специфікацією для насосних агрегатів для очищення КТ.
• Наддув підводного гідравлічного силового агрегату (ГСА)— Підводні системи превенторного захисту та дерев'яні системи живляться від гідравлічної рідини наземного насосно-компресорного насоса, що подається через шлангопроводи. Втрати на тертя в довгих шлангопроводах можуть знизити ефективний тиск на підводному інструменті. Насос з номінальним тиском 175 МПа може компенсувати ці втрати, підтримуючи адекватний тиск спрацьовування інструменту на глибині приблизно до 3000 метрів.
• Вивільнення цементуючої пробки під високим тиском— Цементувальні операції у свердловинах з високими градієнтами тріщин вимагають точного контролю тиску, щоб уникнути втрат циркуляції. Насоси з тиском 175 МПа призначені для приводу цементувальних головок у складних пластах.

Технічні характеристики насосів 175 МПа

Насоси, що працюють на тиску 175 МПа, потребують значно складнішого проектування компонентів, ніж насоси на тиску 140 МПа. На цьому рівні тиску стандартні фітинги та компоненти API вже не є достатніми — система повинна використовувати запатентовані з'єднання надвисокого тиску (такі як конусно-різьбові від Autoclave Engineers або еквівалентні), трубопроводи високого тиску, виготовлені на замовлення, з ретельною документацією неруйнівного контролю (НДК) та спеціалізовані технології ущільнень.

Тому щоРобота на тиску 175 МПа вимагає жорсткіших виробничих допусків та більш екзотичних матеріалів (суперсплавів, дисперсійно-гартованих нержавіючих сталей), вартість обладнання на тиск 140 МПа зазвичай дорожча за 40–60%. Однак ширший діапазон тиску робить насоси на 175 МПа придатними для ширшого діапазону умов свердловин, що часто виправдовує інвестиції для сервісних компаній, які працюють з різноманітними портфелями активів.

Коли обрати 175 МПа

Оберіть насос надвисокого тиску 175 МПа, якщо ваша робота охоплює свердловини з тиском на забої в діапазоні 110–150 МПа; коли ваш сервісний парк повинен бути здатним обробляти як традиційні, так і нетрадиційні типи свердловин без модернізації обладнання; або коли ваш інвентар свердловинного інструменту включає інтервенційні інструменти з номінальним тиском до 160 МПа. Номінальний тиск 175 МПа широко визнаний галузевим стандартом для інтервенційних та стимуляційних робіт на свердловинах і користується сильною підтримкою виробників, наявністю запчастин та інфраструктурою обслуговування від сторонніх постачальників у всьому світі.

Клас тиску 3: 250 МПа (36 000 фунтів на квадратний дюйм) — Спеціаліст з екстремального тиску

Типові застосування насосів 250 МПа

Насоси з номінальним тиском 250 МПа (36 000 фунтів на квадратний дюйм) – це спеціалізовані інструменти, що використовуються для найскладніших умов свердловин – глибоководних, надглибоководних та геологічно складних резервуарів, де звичайне обладнання надвисокого тиску не може досягти тиску, необхідного для ефективного втручання в стовбур свердловини або стимуляції пласта. Основні застосування включають:

• Ультраглибоководний гідравлічний розрив пласта— Глибоководні та надглибоководні свердловини з глибиною обробки вибою понад 5500 метрів потребують надзвичайно високого тиску обробки поверхні, щоб подолати комбінований вплив гідростатичного тиску в стовбурі свердловини, втрат на тертя в трубах та градієнта тріщинуватості пласта на глибині. Для досягнення тиску обробки вибою 180–230 МПа, необхідного в цих пластах, потрібні насоси потужністю 250 МПа.
• Втручання у свердловини високого тиску та високої температури (HPHT)— Свердловини з тиском у пласті понад 140 МПа та температурою вище 150°C створюють надзвичайні труднощі як для обладнання, так і для персоналу. Обладнання з номінальним тиском 250 МПа зі спеціалізованими високотемпературними ущільненнями та металургією є доцільним вибором для проведення робіт зі свердловин у цих умовах.
• Підводне шлангогідравлічне підвищення— Під час глибоководних підводних операцій гідравлічний тиск, що подається з поверхні через довгі шлангопроводи, зазнає значних втрат на тертя. Підвищувальні насоси з номінальним тиском 250 МПа на підводній розподільній рамі компенсують ці втрати та підтримують достатній гідравлічний тиск на інструменті.
• Удосконалені системи перфорації— Деякі системи глибокого перфорування використовують гідравлічно-приводні системи переміщення, які потребують надвисокого тиску для надійної роботи. Насоси з номінальним тиском 250 МПа забезпечують гарантований тиск для цих спеціалізованих інструментів.
• Випробування цілісності свердловин для експлуатаційних свердловин з високим вмістом кислоти— Кислі (з вмістом H₂S) свердловини потребують періодичних випробувань на щільність під тиском, що підтверджує механічну цілісність гирла свердловини, різдвяної труби та завершення свердловини. Випробувальні насоси з тиском 250 МПа перевіряють робочий тиск у найскладніших умовах експлуатації кислих середовищ.

Технічні характеристики насосів 250 МПа

Гідравлічний насос з номінальним тиском 250 МПа – це інженерне досягнення, яке вимагає найвищих стандартів проектування компонентів, вибору матеріалів, точності виготовлення та забезпечення якості. При 250 МПа кільцеве напруження у високонапірній лінії внутрішнього діаметра 10 мм досягає приблизно 625 МПа, що вимагає використання труб із супердуплексної нержавіючої сталі, сплаву Inconel 625 або титанового сплаву з протоколами випробувань на заводі та 100% неруйнівним контролем кожного зварного шва.

Компоненти рідинної частини насоса — циліндри, клапани, сідла та поршні — зазвичай виготовляються з кованих заготовок із суперсплаву та проходять ретельну термічну обробку, поверхневе гартування та чистове шліфування для досягнення допусків на мікронному рівні, необхідних для надійного герметизації за цього тиску.Тому щоБудь-який мікроскопічний дефект у зоні високого напруження може поширюватися під дією циклічного навантаження, обладнання з тиском 250 МПа підлягає більш суворим протоколам перевірки та випробувань, ніж будь-який інший клас гідравлічного обладнання, включаючи гідростатичні випробування до номінального тиску 1,25× та випробування акустичної емісії критичних зварних швів.

Коли обрати 250 МПа

Визначайте насос надвисокого тиску 250 МПа лише тоді, коли цього вимагають технічні вимоги свердловини або інструменту для втручання, зокрема, коли очікується, що тиск на забої перевищить 175 МПа, або коли підводні гідравлічні системи потребують тиску наддуву понад 200 МПа для подолання втрат на тертя в шлангокабелі на глибині води понад 2500 метрів. Експлуатаційні та фінансові витрати на обладнання 250 МПа — вища вартість придбання, спеціалізовані вимоги до технічного обслуговування, більш обмежувальні процедури поводження та обмежена глобальна доступність запчастин та сервісної підтримки — означають, що його ніколи не слід визначати як універсальний варіант із завищеними характеристиками. Премія за здатність 250 МПа перевищувати 175 МПа зазвичай становить 80–120%, а загальна вартість володіння, включаючи спеціалізованих техніків та вимоги до неруйнівного контролю, може бути ще вищою пропорційно.

Порівняння показників тиску поруч

Як визначити правильний номінальний тиск для роботи на нафтовому родовищі

Крок 1 — Визначення максимально очікуваного тиску в свердловині (MEWP)

Відправною точкою для будь-якого вибору тиску насоса надвисокого тиску (UHP) є ретельне визначення максимально очікуваного тиску в свердловині на всіх етапах планованої операції. Це повинно враховувати тиск у пласті на цільовій глибині, гідростатичний тиск стовпа рідини, тиск, необхідний для початку гідравлічного розриву пласта або виконання втручання, а також будь-які стрибки тиску, які можуть виникнути під час динамічних операцій, таких як свабінг, помпаж або спрацювання інструменту, випробуваного під тиском. MEWP (максимально очікуваний тиск у свердловині) повинен бути розрахований або оцінений для кожної конкретної свердловини — загальні емпіричні правила неприйнятні на рівнях експлуатації UHP.

Крок 2 — Застосування необхідного коефіцієнта безпеки

Більшість стандартів керування свердловинами великих нафтових компаній вимагають мінімального коефіцієнта запасу міцності 1,25× між номінальним тиском насоса та максимальним запланованим робочим тиском. Крім того, багато експлуатаційних процедур вимагають, щоб насос був здатний забезпечувати мінімальний робочий тиск (MEWP) з витратою, яка відповідає експлуатаційним вимогам, а не лише при нульовій витраті. Завжди перевіряйте, чи крива тиску-потоку насоса при запланованій витраті все ще забезпечує достатній запас вище MEWP.

Крок 3 — Підбір відповідно до вашого інвентарю свердловинного інструменту

Перш ніж вибирати насос, перевірте наявність у вас свердловинного інструменту та визначте інструмент з найвищим номінальним тиском у вашому експлуатаційному комплекті. Насос повинен бути здатним приводити цей інструмент у дію за максимально очікуваного тиску в свердловині, за якого він буде використовуватися, а не лише за атмосферних умов свердловини.Тому щоЕфективний тиск спрацьовування інструменту збільшується зі збільшенням тиску в свердловині (інструмент повинен подолати тиск у свердловині для переміщення), номінальна потужність насоса повинна перевищувати суму тиску в свердловині та перепаду тиску спрацьовування інструменту.

Крок 4 — Розгляньте обсяг послуг та портфель активів

Якщо ваша компанія з обслуговування нафтових родовищ працює з портфелем свердловин, що охоплюють широкий спектр профілів тиску, рішення щодо специфікації насоса повинно враховувати широту цього портфеля. Компанія, яка працює виключно з неглибокими звичайними свердловинами, може ніколи не вимагати потужності 250 МПа. Однак компанія, яка час від часу отримує контракти на глибоководні або високопродуктивні свердловини, може виявити, що гнучкість парку насосів на 175 МПа — з періодичною орендою або спеціалізованою підтримкою для ситуацій з 250 МПа — забезпечує кращу рентабельність інвестицій, ніж придбання насоса на 250 МПа, який більшу частину свого часу працює значно нижче своєї номінальної потужності.

Часті запитання (FAQ)

Висновок: Підключіть насос до свердловини, а не навпаки

Номінальний тиск вашого гідравлічного насоса надвисокого тиску є найважливішою специфікацією в процесі вибору насоса. Завищене специфікація додає зайвих витрат і складності; недостатнє специфікація створює загрози безпеці та експлуатаційні збої. Правильний підхід полягає у визначенні максимального очікуваного тиску в свердловині для вашого цільового застосування, застосуванні необхідного коефіцієнта запасу міцності, підтвердженні сумісності з вашим інвентарем свердловинного інструменту та виборі насоса з найнижчим номіналом, який забезпечує достатній запас міцності — ні більше, ні менше. Визначаючи відповідні розподільні клапани напрямку та гідравлічне обладнання для вашої насосної системи надвисокого тиску, переконайтеся, що весь гідравлічний контур — від насоса до клапана та приводу — розрахований та сертифікований як інтегрована система, що охоплює номінальні тиски, сумісні з застосуваннями для обслуговування нафтових родовищ надвисокого тиску, та включає спеціальні лінійки продуктів, розроблені для гідравлічних контурів надвисокого тиску.

Вікс Гідравліквиробляє гідравлічні насоси надвисокого тиску з номінальним тиском від 140 МПа до 250 МПа, що обслуговують морські, військові, промислові автоматизовані та нафтопромислові застосування на шести виробничих лініях світового класу з річною потужністю понад 80 000 лопаткових насосів. Конкретні серії продукції включаютьОдинарні насоси серії ABTдля застосувань середнього тиску таСерія PV2Rдля промислових застосувань з високим попитом. Вся продукція Vicks Hydraulic має сертифікати CCS, DNV, ABS, BV та LR, а технічна команда компанії може допомогти з вибором насоса на основі конкретних параметрів вашої свердловини та експлуатаційних вимог.