Наземное оборудование

К наземному оборудованию относят фонтанную арматуру и манифольд. Фонтанной арматурой оборудуют фонтанные нефтяные и газовые скважины. Ее устанавливают на колонную головку. Фонтанная арматура изготавливается по ГОСТ 13846-89.

Фонтанные арматуры различают по конструктивным и прочностным признакам. Эти признаки включают в шифр фонтанной арматуры.

Фонтанная арматура включает трубную обвязку (головку и фонтанную елку с запорными и регулирующими устройствами).

Трубная обвязка — часть фонтанной арматуры, устанавливаемся на колонную обвязку, предназначена для обвязывания одного или двух скважинных трубопроводов, контроля и управления потоком скважинной среды в затрубном (межтрубном) пространстве.

Скважинный трубопровод своим верхним концом закрепляется в катушке‑трубодержателе, устанавливаемой на трубную головку, либо в муфте‑трубодержателе, устанавливаемой в корпусе трубной головки. Схемы трубных обвязок приведены на рисунке 10.5.

1 — ответный фланец; 2 — запорное устройство; 3 — трубная головка;

4 — манометр с запорно‑разрядным устройством

Рисунок 10.5 — Схемы трубных обвязок фонтанной арматуры

Фонтанная арматура выпускается на рабочее давление — 14, 21, 35, 70, 105, и 140 МПа, сечением ствола от 50 до 150 мм, по конструкции фонтанной елки крестовые и тройниковые, по числу спускаемых в скважину рядов труб однорядные и двухрядные и оборудованы задвижками или кранами.

Пример обозначения: АФК6В—80/50х70ХЛ—К2а

Х1 Х2 Х3 Х4 — Х5/Х6 х Х7 Х8 — Х9 Х10

Конструкция фонтанной арматуры обеспечивает возможность измерения давления на верхнем буфере елки, а также давления и температуры среды на буфере бокового отвода елки и трубной головки. Стандартами предусмотрено изготовление блочных фонтанных арматур, а также укомплектование по необходимости фонтанных арматур автоматическими предохранительными и дистанционно управляемыми устройствами.

Фонтанная елка — часть фонтанной арматуры, устанавливаемая на трубную обвязку, предназначена для контроля и регулирования потока скважинной среды в скважинном трубопроводе и направления его в промысловый трубопровод. Типовые схемы фонтанных елок приведены на рисунке 10.6.

При оборудовании скважины двумя концентрическими колоннами НКТ (двухрядная конструкция подъемника) трубы большего диаметра подвешиваются на резьбовом соединении нижнего тройника (крестовина), который устанавливается на крестовину, герметизирующую затрубное пространство.

Трубы меньшего диаметра подвешиваются на резьбе переводника (стволовой катушки), размещаются над тройником (крестовиком) (рисунок 10.5, б).

тройниковые — схемы 1, 2, 3 и 4; крестовые — схемы 5 и 6; (1 — переводник к трубной головке; 2 — тройник; 3 — запорное устройство; 4 — манометр с запорно-разрядным устройством; 5 — дроссель; 6 — ответный фланец; 7— крестовина).

Рисунок 10.6 — Типовые схемы фонтанных елок

Типовые схемы фонтанных елок (рисунок 10.6) включают либо один (схемы 2 и 1), либо два (схемы 3 и 4) тройника (одно или двухъярусная арматура), либо крестовину (крестовая арматура — схемы 5 и 6).

Двухструнная (двухъярусная тройниковая и крестовая) конструкция елки целесообразна в том случае, если нежелательны остановки скважины, причем рабочей является верхняя или любая боковая струна, а первое от ствола запорное устройство - запасным. Сверху елка заканчивается колпаком (буфером) с трехфазовым краном и манометром. Для спуска в работающую скважину приборов и устройств вместо буфера ставится лубрикатор.

Типовые схемы фонтанной арматуры приведены на рисунке 10.7. Монтаж-демонтаж фонтанной арматуры на устье скважины производится автомобильными кранами или другими подъемными механизмами.

1 — фонтанная елка; 2 — трубная обвязка

Рисунок 10.7 — Типовые схемы фонтанной арматуры

При разработке фонтанной арматуры задаются следующими основными параметрами: рабочим давлением и диаметром проходного сечения стволовой части фонтанной елки, а также числом и размером НКТ, характеристикой продукта пласта, его агрессивностью, наличием механических примесей.

Тройниковая фонтанная арматура с двумя отводами значительно выше, чем крестовая, поэтому когда фактор компактности оборудования играет большую роль, выбирают крестовую фонтанную арматуру. Для низких и средних давлений (7-35 МПа) обычно применяют тройниковую фонтанную арматуру, для средних и высоких (35-105 МПа) – крестовую.

При наличии значительных механических примесей в продукции скважины следует предусмотреть запасные отводы для отбора продукции при износе основных рабочих отводов. Тройниковая арматура с двумя отводами позволяет проводить ремонтные работы на фонтанной арматуре без остановки скважины, чего нельзя получить на крестовой арматуре. У тройниковой арматуры верхний отвод является рабочим. При выходе его из строя закрывается стволовая задвижка и открывается нижний отвод.

Технические требования к конструкции фонтанной арматуры

При выборе фонтанной арматуры надо стремиться к получению невысоких скоростей движения жидкости и газа в тройниках, крестовинах и запорных устройствах арматуры. В среднем эти скорости должны достигать 100-150 м/с, а при давлениях 70-105 МПа они могут быть еще более высокими для уменьшения числа дросселей в арматуре.

Вследствие тяжелых условий работы арматуры ее крестовины, тройники, переводники, фланцы, корпусные детали выполняют только из стали (для литых деталей 45Л, 40ХЛ, 40ХНЛ,06Х20Н8М3ДЛ и др., для деталей, предназначенных для работы в высокоагрессивных сероводородных средах – 20ХН2М.

Необходимо обеспечить полную герметичность по отношению к окружающей среде в течении длительного срока эксплуатации в условиях большого содержания механических примесей в откачиваемой жидкости и высоких скоростей движения.

Арматура должна обеспечивать хорошую соосность элементов оборудования, образующих ствол, для беспрепятственного прохода оборудования внутрь скважины.

Запорные устройства фонтанной арматуры изготовляются трех типов: пробковые краны со смазкой, прямоточные задвижки со смазкой типа 5М и ЗМС с однопластинчатым и ЗМАД — с двухпластинчатым шибером. Задвижки типов ЗМС и ЗМАД имеют модификации с ручным пневмоприводом.

Пробковый кран со смазкой типа КППС — 65х14 (рисунок 10.8) состоит из корпуса, конической пробки, крышки, через которую проходит регулировочный винт, позволяющий регулировать рабочий зазор между уплотни тельными поверхностями корпуса и пробки. Уплотнение регулировочного винта осуществляется манжетами, поджатие которых производится грундбуксой. Краны наполняются смазкой «Арматол-238» через 150 ¸ 180 циклов работы.

1 — корпус; 2 — рукоятка; 3 — толкатель; 5 — шпиндель; 6 — втулка; 7 — кулачковая муфта; 8 — коническая пробка; 9 — крышка; 10 — манжеты; 4, 11 — грундбукса; 12 — регулировочный винт

Рисунок 10.8 — Пробковый кран типа КППС — 65´14

Типоразмеры и параметры кранов КШ1С-65х14 приведены ниже.

Задвижки типов ЗМС и ЗМС1 показаны на рисунке 10.9.

1 — крышка; 2 — разрядная пробка; 3 — крышка подшипников; 4 — регулирующая гайка; 5 — шпиндель; 6 — верхний кожух; 7 — маховики; 8 — упорный шарикоподшипник; 9 — ходовая гафка; 10 — узел сальника; 11 — прокладка; 12 — шибер; 13 — корпус; 14 — выходное седло; 15 — шток; 16 — нагнетательный клапан; 17 — нижний кожух; 18 — входное седло; 19 — тарельчатая пружина

Рисунок 10.9 — Задвижка типов ЗМС и ЗМС1 с ручным приводом

В процессе эксплуатации арматуры с прямоточными задвижками периодически смазывают подшипники шпинделя жировым солидолом, а в корпус задвижки через штуцер в днище набивают уплотнительную смазку ЛЗ-162 или «Арматол-238».

На выкидных линиях, после запорных устройств, для регулирования режима работы скважины ставят регулирующие устройства (штуцеры), обеспечивающие дрессирование потока вследствие изменения площади проходного сечения. Они подразделяются на нерегулируемые и регулируемые.

Нерегулируемый штуцер зачастую представляет собой диафрагму или короткую втулку (насадку) с малым отверстием. Диаметр отверстия штуцера может составлять 5 ¸ 25 мм.

Пример нерегулируемого штуцера (дросселя) представлен на рисунке 9.

1 — корпус; 2 — корпус насадки; 3 — пробка

Рисунок 10.10 — Нерегулируемый дроссель

Регулирование режима эксплуатации осуществляется заменой корпуса с насадкой на другой диаметр.

Рисунок 10.11 — Регулируемый дроссель ДР-65´35

Более удобны регулируемые дроссели (рисунок 10.11), предназначенные для ступенчатого и бесступенчатого регулирования режима работы скважины. Площадь сечения выходного отверстия изменяют вращением маховика (3) вручную. Ступенчатое регулирование осуществляется с помощью устанавливаемых в гильзу насадок разного диаметра(8).

Устьевое (до штуцера) и затрубное давления измеряют с помощью манометров. На фланцах боковых отводов трубной головки и фонтанной елки предусматриваются отверстия для подачи ингибиторов коррозии и гидратообразования в затрубное пространство и ствол елки, а также под карман для термометра.

Манифольд предназначен для обвязки фонтанной арматуры с выкидной линией (шлейфом), подающей продукцию на групповую замерную установку. Манифольд монтируют в зависимости от местных условий и технологии эксплуатации. В общем случае они обеспечивают обвязку двух струн со шлейфом струн с затрубным пространством, струн и затрубного пространства с факелом или амбаром и т.д.

Комплекс устьевого фонтанного оборудования представлен на рисунке 10.12.

1 — оборудование обвязки обсадных колонн; 2 — фонтанная арматура;

3 — манифольд; 4 — станция управления арматурой

Рисунок 10.12 — Комплекс устьевого фонтанного оборудования

Определение усилий, действующих на фланцевое соединение арматуры

Фланцевые соединения – наиболее широко применяемый вид разъемных соединений, обеспечивающий герметичность и прочность конструкций, а также простоту изготовления, разборки и сборки. Соединение состоит из двух фланцев 1, шпилек 2 и уплотнения 3 (рисунок 10.13). По конструкции фланцы можно разделить на цельные, когда корпус и фланец работают под нагрузкой совместно, и свободные, когда тело трубы разгружено от действия нагрузки. На рисунке 10.13 приведены примеры типовых фланцевых соединений.

а) б)

1 – фланец; 2 – шпилька; 3 – прокладка;

а) цельный фланец; б) свободный (накидной) фланец

Рисунок 10.13 – Конструкции фланцевых соединений

В зависимости от рабочих условий, в которых будет работать фланцевое соединение, различают несколько типов уплотнений. Вид уплотнения регламентирован отраслевыми стандартами. Различают следующие типы уплотнений фланцевых соединений:

1) под металлическую прокладку (рисунок 10.14, а);

2) шип-паз (рисунок 10.14, б);

3) выступ-впадина (рисунок 10.14, в);

4) гладкая уплотнительная поверхность (рисунок 10.14, г).

Прокладка должна отвечать следующим основным требованиям: при сжатии с возможно малым давлением заполнять все микронеровности уплотнительных поверхностей; сохранять герметичность соединения при упругих перемещениях элементов фланцевого соединения (т.е. материал прокладки должен обладать упругими свойствами); сохранять герметичность при его длительной эксплуатации в условиях воздействия коррозионных сред при высоких и низких температурах; материал не должен быть дефицитным.

а) б) в) г)

Рисунок 10.14 – Типы уплотнительных поверхностей фланцевых

соединений

В фонтанных арматурах применяют фланцевые соединения с металлическими прокладками. В трубопроводах наземных коммуникаций нашли широкое применение фланцевые соединения с плоскими прокладками.

Размеры всех фланцевых соединений предусмотрены ГОСТом.

Для уплотнения фланцевой фонтанной арматуры применяются фланцевые соединения с металлическими прокладками овального или восьмиугольного сечения (рисунок 10.15, а, б). В фонтанной арматуре усилие, с которым сжимается прокладка, не должно приводить к ее остаточной деформации. Кольцо-прокладка изготавливается из более мягких сталей, чем фланцы. В качестве материала прокладок для неагрессивных сред применяются качественные углеродистые стали 08кп, сталь 20, сталь 30, сталь 45. Для коррозионных сред применяют легированные стали Х18Н10Т, 12Х18Н9, Х17Н13МВТ.

Для высоких рабочих давлений (от 70 до 105 МПа) в прокладках выполняются сквозные отверстия диаметром 1,6 мм (рисунок 10.15, в).

а) б) в)

Рисунок 10.15 – Виды металлических прокладок

Существует два способа установки уплотняющих колец относительно граней канавки на фланце. В первом случае уже при сборке кольцо соприкасается с канавками фланцев по их внутреннему и внешнему скосам (рисунок 10.16, а). Уплотнение происходит за счет упругой деформации кольца и фланцев в месте их соприкосновения. Во втором случае кольцо в начале сборки соприкасается только с внешним скосом канавки у верхнего фланца и фаски у нижнего фланца (рисунок 10.16, б). При затяжке соединения шпильками оно уменьшается в диаметре (в пределах упругих деформаций) и доходит до внутреннего скоса канавки, в этот момент затяжку прекращают. Момент упора кольца во внутренний скос заметен по резкому возрастанию усилия затяжки гаек у шпилек.

Когда в арматуре повышается давление, фланцы раздвигаются под его действием и кольцо занимает первоначальное положение.

а) б)

Рисунок 10.16 – Установка уплотнительного кольца с двусторонним (а) и