Крестовая фонтанная арматура и ее особенности

Крестовая фонтанная арматура и ее особенности

По классификации стандарта ГОСТ 28996 крестовая фонтанная арматура к устьевому оборудованию наземного типа. Своим названием она обязана схеме сборки фонтанной елки, основным элементом которой является крестовина. 

По умолчанию оборудование имеет две струны на одной вертикальной оси. Одна из этих выкидных линий является рабочей, вторая резервной. Что позволяет ремонтировать, заменять, обслуживать устьевое оборудование без остановки добычи. 

Благодаря небольшой высоте фонтанная арматура крестового типа легко обслуживается с земли и специальной рабочей площадки. Оборудование предназначено для высокого давления и рабочих сред с низкой степенью агрессивности, незначительным содержанием песка, прочих абразивных примесей.

Особенности конструкции

Любое наземное оборудование для освоения скважины размещается на устье, имеет в своей нижней части одинаковую конструкцию:

• эксплуатационная обсадная колонна подвешивается на колонную головку типа ОКМ или ОКК при помощи муфты, резьбы, соответственно;
• этот сборочный узел относится к колонной обвязке, а уже на него крепится сама трубная обвязка, входящая в состав крестовой фонтанной арматуры;
• трубная обвязка состоит из крестовины и устройства, обеспечивающего подвеску 1 – 2 колонн НКТ концентрическим способом (одна внутри другой большего диаметра) или параллельным методом (рядом друг с другом);
• подвеска может иметь вид муфты, стволовой катушки с патрубком/переводником, фланца под сварку;
• согласно названию, крестовина имеет четыре патрубка, нижний и верхний из них оснащены фланцами для крепления к колонной головке и для установки сверху фонтанной елки;

• к двум боковым патрубкам крестовины обвязки крепятся манометр, измеряющий давление внутри затрубного пространства, и запорная арматура с противоположной стороны;
• в случае крепления двух внутрискважинных трубопроводов первая колонна НКТ большего диаметра крепится вышеуказанным способами внутри крестовика, а вторая колонна насосно-компрессорных труб опускается внутрь нее, фиксируется на переводник стволовой катушки.

Таким образом, уже на этом этапе сборки фонтанная арматура крестового типа может иметь не одинаковую высоту трубной обвязки.

 

На верхний фланец трубной крестовины монтируется сама фонтанная елка. Согласно ее названию, собирается она из крестовины, запорной, регулирующей арматуры, измерительных приборов, специальных устройств, необходимых в процессе добычи нефти, обслуживания и ремонта скважины.

 

В отличие от тройника, крестовик имеет четыре рабочих патрубка. Два из них, расположенные вертикально, становятся стволовым отверстием елки. Два оставшихся, расположенных на горизонтальной оси фитинга, позволяют сразу же изготовить две струны – выкидные линии скважины, через которые под собственным пластовым давлением нефть и поступает на поверхность.

Струны являются элементами следующего сборочного узла фонтанной арматуры – манифольда. Этот разветвленный трубопровод с задвижками, кранами, штуцерами и дросселями необходим для доставки добываемого полезного ископаемого к узлу учета – ГЗУ/АГЗУ.

Елка, не только распределяет потоки рабочей среды, но и позволяет регулировать их характеристики. Для этого на струны устанавливаются дроссели не регулируемого и регулируемого типа.

Самым простым видом дросселя является межфланцевый диск с отверстием по центру. Изменение режимов скважины достигается за счет уменьшения диаметра отверстия, размер которого в нерегулируемом дросселе составляет 3 – 35 мм. Стальной диск вырезается из листового проката толщиной 2 – 10 мм, предельно просто монтируется между фланцами и извлекается оттуда при необходимости.

Недостатком такой конструкции считается короткий ресурс самой пластины и участков труб обвязки после нее:

• при наличии абразивных частиц, сероводорода и углекислоты в нефти диаметр отверстия быстро увеличивается из-за повышенного износа стали;
• на выходе из узкого отверстия в полость трубы большего размера создается эффект пескоструя, трубы изнашиваются под напором рабочей среды с частичками абразива;
• поэтому вместо обычных труб после дросселя устанавливаются бурильные толстостенные трубы.

Поэтому чаще используются втулочные дроссели с рабочим элементом из твердого сплава. Герметичность узла достигается за счет стальных уплотнительных колец. Устанавливается такой дроссель сразу после задвижки.

В регулируемом дросселе конструкция похожа на игольчатый вентиль. Регулировка режимов осуществляется за счет вручивания/выкручивания твердосплавной иглы из отверстия втулки. Поток внутри этого регулирующего устройства изменяет направление под прямым углом. Поэтому наблюдается интенсивный износ рабочей камеры.

Основными отличиями крестовых елок от тройниковых являются:

• фитинг имеет на одно отверстие больше;
• двухструнная система обвязки получается по умолчанию;
• патрубки направлены в противоположные стороны, что увеличивает расход труб при изготовлении манифольда;
• общая высота елки с двумя выпускными линиями получается ниже, так как используется один крестовик вместо двух тройников;
• обслуживать фонтанную арматуру этого типа легче;
• однако снижается ремонтопригодность из-за одинаковый высоты выпускных линий;
• при замене крестовины приходится глушить скважину;
• крестовина выдерживает более высокое давление;
• крестовые схемы сборки не пригодны для рабочей среды с высоким содержанием сероводорода, абразива и углекислоты.

Для обслуживания крестовых фонтанных елок используются низкие одноуровневые рабочие площадки на устье. А для тройниковой арматуры этого типа нужно увеличивать их высоту или изготавливать второй ярус.

Нормативные требования

В документации ГОСТ 13846 указаны основные технические требования, которым должна удовлетворять крестовая фонтанная арматура:

• два варианта сборки елки;
• два способа трубной обвязки для одной колонны НКТ или по одноствольной двурядной схеме;
• номинальный диаметр ствола елки 50 – 150 мм;
• номинальный диаметр нижнего, верхнего фланца головки трубной 180 – 350 мм и 180 – 280 мм в зависимости от давления и условного стволового прохода;
• абсолютная герметичность устья скважины относительно окружающей среды;
• давление опрессовки в полтора или два раза выше, чем рабочее;
• соосность стволовых отверстий всех элементов сборки для нормального прохождения приборов, оборудования, приспособлений, используемых в технологии освоения скважины;
• возможность управления потоками в затрубном пространстве и внутри колонн НКТ;
• предпочтительное использование регулируемого дросселя;
• установка по требованию заказчика нерегулируемого дросселя, обратного клапана, приспособлений для закачки ингибиторов, установки елки под давлением, измерения характеристик рабочей среды в манифольде;
• комплектация елок по требованию заказчика быстросъемными соединениями, устройствами с удаленным управлением с возможностью переключения в ручной режим.

Обозначается в документации фонтанная арматура крестового типа согласно требованиям ГОСТ 13846:

• тип изделия – арматура А или елка Е;
• назначение – Ф фонтанная или Н нагнетательная;
• технология подвески НКТ – К посредством переводника, без обозначения муфтой, клиньями;
• способ добычи – Э электропогружным или Ш штанговым насосом;
• схема елки типовая – 5 или 6 для крестовых конструкций, 1 – 4 для тройниковых;
• вид управляющего устройства – ручное не указывается Д дистанционное, а автоматическое, В автоматическое дистанционное;
• внутренний номинальный диаметр ствола – 50 – 150 мм
• внутренний номинальный диаметр боковых отводов – только при несовпадении с предыдущим размером;
• давление рабочее – 14 – 105 МПа;
• исполнение коррозионостойкое – К1 до 6% СО2 или К2 до 6% углекислоты и сероводорода;
• климатическое исполнение – либо УХ, либо УХЛ;
• номер стандарта – ГОСТ 13846.

Маркировка наносится на металлическую бирку с указанием условного обозначения и товарного знака предприятия, которая крепится на фонтанную елку.

Назначение

Изначально крестовая фонтанная арматура создавалась исключительно для освоения скважин с избыточным внутрипластовым давлением, которое позволяет подниматься полезному ископаемому (нефть, газ, нефтегазовая смесь) на поверхность. После небольшой доработки это же оборудование может быть установлено на устье скважин со способом добычи газлифтом, штанговыми, гидравлическими и электропогружными насосами.

Согласно требованиям стандартов ГОСТ 13846 и ГОСТ 28996, устьевая фонтанная арматура крестового типа обязана обеспечивать решение следующих задач:

• обеспечение абсолютной герметичности устья относительно окружающей природной среды;
• управление технологическими режимами добычи полезного ископаемого;
• контроль параметров рабочих сред;
• регулирование характеристик нефтегазовой смеси;
• направление продукции на установку АГЗУ, подготовки газа/нефти или систему сбора через манифольд;
• глушение скважины в аварийном режиме или закрытие по плану ППР;
• подвеска одного/нескольких рядов труб НКТ (внутрискважинных трубопроводов);
• возможность спуска в ствол, на забой оборудования, приборов, устройств и приспособлений;
• закачка реагентов для улучшения параметров пласта.

Запорными устройствами трубной обвязки и фонтанной елки могут быть задвижки или краны. Трубная обвязка позволяет измерить давление в затрубном пространстве, елка – в буфере скважины (на устье) и в манифольде.

Схемы сборки

В отличие от тройниковых аналогов, устьевая крестовая фонтанная арматура имеет две схемы сборки елки:

• с одним запорным устройством между трубной головкой и крестовиком;

• с двумя запорными устройствами на этом же промежутке фонтанной елки.

 Схемы трубной обвязки фонтанной арматуры крестового типа полностью идентичны вариантам тройникового устьевого оборудования.

• первая схема пригодна для однорядной одноствольной колонны НКТ;

• вторая схема используется для двухрядного двуствольного скважинного трубопровода из двух колонн НКТ концентрического типа (одна меньшего диаметра внутри другой.

 

Под рабочую (основную) выкидную линию может использоваться любой патрубок крестовины. Соответственно, второй патрубок крестовика при этом автоматически становится резервным (аварийным, запасным).

Плюсы и минусы конструкции

Изначально крестовая фонтанная арматура на устье скважины обеспечивает ряд следующих преимуществ:

• пригодность к высокому давлению рабочей среды до 150 МПа;
• малый габаритный размер по высоте, даже при эксплуатации двух колонн НКТ;
• удобное обслуживание трубной обвязки с земли и елки с невысокой рабочей площадки;
• использование двух струн манифольда по умолчанию с основной и резервной выкидной линией.

На этом плюсы заканчиваются, недостатками этих схем сборки фонтанной елки крестового типа являются:

• низкий эксплуатационный ресурс при наличии в добываемом полезном ископаемом большого количества абразива (песок), углекислоты и сероводорода;
• необходимость остановки скважины при замене изношенной крестовины;
• противоположное расположение парубков крестовика в пространстве;
• высокий расход труб при монтаже манифольда.

Поэтому нефть из скважин высоким содержанием СО2, H2S и песка добывают фонтанным методом при помощи елок, собранных из одного или двух тройников.

Материальное исполнение

Сборочный узел – устьевая крестовая фонтанная арматура – физически состоит из отдельных деталей, при изготовлении которых применяются следующие конструкционные материалы:

• отливки ГОСТ 977;
• сортамент из стали легированной ГОСТ 4543;
• поковки из углеродистой, легированной стали ГОСТ 8479.

В стандарте ГОСТ Р 51365 указано, что марки сталей для изготовления корпусов, крышек, других элементов фонтанной арматуры крестового типа должны соответствовать следующим требованиям:

• класс материала АА – FF;
• использование коррозионностойких, нержавеющих, низколегированных и углеродистых сталей;
• материалы должны быть сертифицированы или производитель сам производит экспертизу для получения этой документации;
• обязательна термообработка деталей;
• качество партий проверяется неразрушающими методами.

Технологии литья, ковки, штамповки документируются. Режимы тепловой обработки определяются на пробных образцах. По умолчанию изделия должны выдерживать во время гидравлических испытаний давление, в 1,5 – 2 раза превышающее заявленное рабочее без разрушения в зависимости от назначения деталей, сборочных единиц.

Таким образом, крестовая фонтанная арматура отличается от тройниковых аналогов исключительно конструкцией елки. Эти варианты устьевого наземного оборудования разработаны для не агрессивных сред с низким содержанием абразива под высоким давлением.