Hogedruk-olieveldkleppen in bron- en pijpleidingsystemen: ontwerp- en toepassingsgids

A hogedruk olieveldventiel is een klep die is ontworpen om de stroom olie, gas en procesvloeistoffen veilig te controleren, te isoleren of te sturen bij drukken die doorgaans variëren van 2.000 psi tot 20.000 psi , gebruikt in putmondassemblages, kerstbomen, frac-bomen, smoorspruitstukken en hogedrukpijpleidingsegmenten. Deze kleppen onderscheiden zich van standaard industriële kleppen door een grotere lichaamswanddikte, een gesmede (in plaats van gegoten) constructie, een striktere traceerbaarheid van het materiaal en verplichte hydrostatische en gastesten om te bevestigen dat ze de druk veilig kunnen vasthouden onder zowel statische als cyclische belastingsomstandigheden.

Veel voorkomende kleptypen die worden gebruikt bij hogedrukservice

Geen enkel klepontwerp is geschikt voor elke hogedruktoepassing. De keuze voor het kleptype hangt af van de vraag of de prioriteit volledige toegang, bidirectionele afdichting, smoringsmogelijkheid of snelle kwartslagbediening is.

Schuifafsluiters blijven de dominante keuze voor de posities van de hoofd- en vleugelkleppen van de boorput, omdat het ontwerp van de doorvoerbuis het mogelijk maakt dat gereedschap met draadkabels zonder obstructie door de volledig open boring gaat - een functionele vereiste die kogel- en plugkleppen over het algemeen niet kunnen evenaren in dezelfde voetafdruk.

Toepasselijke normen voor hogedrukkleppen voor olievelden

Er zijn verschillende normen van toepassing, afhankelijk van waar de klep zich in het systeem bevindt: bij de putmond zelf, bij de kerstboom of stroomafwaarts in de verzamel- of transmissiepijpleiding.

Primaire normen per toepassing

• API6A: Beheert putmond- en kerstboomapparatuur, inclusief hoofdkleppen, vleugelkleppen en adapters
• API6D: Beheert pijpleidingkleppen die worden gebruikt in verzamel- en transmissiesystemen
• API 16C: Geldt voor choke- en kill-apparatuur die wordt gebruikt tijdens boor- en boorputcontroleoperaties
• ASME B16.34: Biedt basisdruk-temperatuurwaarden waarnaar wordt verwezen door veel klepontwerpen
• NACEMR0175/ISO 15156: Verplichte materiaaleis als H2S aanwezig is in de geproduceerde vloeistof

Een klep die is gecertificeerd onder API 6A heeft een Product Specification Level (PSL) van 1 tot 4 PSL3 en PSL4 doorgaans gespecificeerd voor hogedruk-, hoge-temperatuur- (HPHT)- en kritieke zure putten, omdat hiervoor uitgebreide ontwerpvalidatietests, volledige materiaalcertificering en strenger niet-destructief onderzoek nodig zijn dan PSL 1 of PSL 2.

Drukklassen en wat ze in het veld betekenen

De keuze van de drukklasse is de belangrijkste beslissing bij het specificeren van een hogedrukklep. Een te lage beoordeling creëert een direct veiligheidsrisico, terwijl een te hoge beoordeling de installatie onnodig zwaar en duur maakt.

Elke klep moet ook een temperatuurklasse hebben, variërend van U (-75°F tot 82°F) voor arctische omstandigheden T (-18°F tot 350°F) voor productie op hoge temperatuur. De temperatuurklasse moet worden afgestemd op de werkelijke temperatuur van de stromende vloeistof op de kleplocatie, die aanzienlijk hoger kan zijn dan de oppervlaktetemperatuur bij productieputten.

Materialen voor zure service en HPHT-omstandigheden

De materiaalkeuze wordt van cruciaal belang zodra een klep wordt blootgesteld aan H2S, CO2 of hoge temperaturen, omdat standaard koolstofstaal onder deze omstandigheden last kan krijgen van sulfidespanningsscheuren of zijn mechanische sterkte kan verliezen.

• Materiaalklasse AA/BB: Standaard koolstof- of laaggelegeerd staal voor niet-zure service
• Materiaalklasse DD/EE/FF: NACE-conforme koolstofstalen of corrosiebestendige aluminium afwerking voor zure service
• Inconel of duplex roestvrijstalen bekleding: Gebruikt in hoog-CO2 of zeer corrosieve HPHT-putten voor een langere levensduur
• PEEK of metalen zittingen: Geselecteerd boven zittingen van elastomeer wanneer de temperatuur de werklimieten van standaard rubberverbindingen overschrijdt

Bijvoorbeeld een put die produceert in 15.000 psi met een stromingstemperatuur van 300°F en detecteerbare H2S zou normaal gesproken een Materiaalklasse EE, PSL 3 of 4 schuifafsluiter met metalen zittingen, terwijl een putmond met zoet gas onder lage druk bij 3.000 psi op adequate wijze zou kunnen worden bediend door een standaard klep van materiaalklasse BB, PSL 2.

Testvereisten vóór implementatie in het veld

Elke hogedrukklep voor olievelden moet vóór certificering een gedefinieerde reeks productietests doorstaan, en hogere PSL-niveaus vereisen aanvullende ontwerpvalidatietests op een prototype voordat het ontwerp wordt goedgekeurd voor productie.

Standaardproductietestsequentie

1. Hydrostatische test lichaam bij 1,5 maal de nominale werkdruk
2. Zittingtest in beide stroomrichtingen bij nominale werkdruk
3. Achterbank- of stuurpenafdichtingstest om te bevestigen dat er geen lekkage voorbij de stuurpenpakking is
4. Bedrijfstest met volledige slag om een soepele bediening te verifiëren
5. Gastest voor kleppen bedoeld voor gas- of PSL 3/4-service

PSL 3- en PSL 4-kleppen ondergaan bovendien uitgebreide cyclische testen , waarbij soms enkele duizenden open-dicht-cycli op een prototype betrokken zijn, om jaren van gebruik in het veld te simuleren voordat het ontwerp wordt goedgekeurd voor productie - een stap die het risico op voortijdige defecten aan de zitting of afdichting aanzienlijk verkleint zodra de klep in het boorgat is geïnstalleerd.

Toepassingspunten in putmond- en pijpleidingsystemen

Hogedrukkleppen worden geïnstalleerd op elk kritisch isolatie- en controlepunt langs het stroomopwaartse stroompad, van de putmond tot het pijpleidingnetwerk.

• Bronhoofd- en vleugelkleppen: Primaire puttoegangsisolatie op de kerstboom
• Frac-bomen: Het isoleren van breekvloeistof onder hoge druk tijdens putstimulatie, vaak hoger dan 10.000 psi
• Choke-spruitstukken: Het verminderen van de hoge putkopdruk tot een beheersbaar niveau voordat het het verzamelsysteem binnengaat
• Pijpleidingblokkleppen: Het segmenteren van lange transmissielijnen voor onderhoud en noodstop
• Onderzeese bomen: Op afstand bediende hogedrukkleppen die de productie van onderzeese putten regelen

Vooral pijpleidingblokkleppen zijn vaak op een onderlinge afstand van 1,5 cm van elkaar geplaatst elke 20 tot 30 mijl langs een transmissielijn, waardoor operators een gescheurd of beschadigd gedeelte snel kunnen isoleren en de hoeveelheid product die vrijkomt tijdens een noodstop kunnen beperken.

Het selecteren van de juiste klep voor een bepaalde toepassing

De juiste klepkeuze hangt af van het afstemmen van de put- of pijpleidingcondities op de nominale druk, temperatuur, materiaalklasse en PSL van de klep - en niet simpelweg het kiezen van de hoogst gewaardeerde klep die beschikbaar is.

Selectiechecklist

• Bevestig de maximaal verwachte werkdruk en selecteer een drukklasse met voldoende veiligheidsmarge
• Controleer de zure serviceclassificatie en specificeer de NACE-conforme materiaalklasse als H2S aanwezig is
• Stem de temperatuurklasse af op de werkelijke temperatuur van de stromende vloeistof, en niet alleen op de omgevingsomstandigheden aan het oppervlak
• Bepaal de vereiste PSL op basis van de kriticiteit van de boorput, wettelijke vereisten of operatorspecificaties
• Kies het kleptype op basis van de functie: poort voor putmondisolatie over de volledige boring, kogel of plug voor kwartslagisolatie van pijpleidingen, smoorklep voor drukverlaging
• Controleer of het type eindverbinding en de bedieningsmethode overeenkomen met de bijpassende apparatuur en het besturingssysteem

Onderhoudspraktijken voor betrouwbaarheid op lange termijn

Hogedrukkleppen werken onder omstandigheden die de slijtage van zittingen, afdichtingen en spindelpakkingen versnellen, waardoor een gestructureerd onderhoudsprogramma essentieel is om ongeplande stilstanden of veiligheidsincidenten te voorkomen.

• Voer routinematige slagen uit op handmatig bediende kleppen om te voorkomen dat de poort of de bal vastloopt
• Inspecteer en vervang de spindelpakking regelmatig om lekkage bij de motorkap te voorkomen
• Voer periodiek een lekkagetest uit op de zitting om er zeker van te zijn dat de klep nog steeds voldoet aan de nominale lekkageklasse
• Controleer op corrosie of erosie op kleppen bij gebruik met zure of vaste stoffen
• Controleer de werking van de actuator, de luchttoevoer en de integriteit van het stuursignaal op op afstand bediende kleppen

De meeste exploitanten plannen elke keer een volledige hercertificering van cruciale bronkleppen 3 tot 5 jaar , met frequentere inspectie-intervallen voor frac tree-kleppen die worden onderworpen aan herhaalde hogedrukcycli tijdens meertrapsstimulatieoperaties, waarbij de slijtage van zitting en afdichtingen zich veel sneller ophoopt dan bij kleppen die worden gebruikt voor eenvoudige aan/uit-isolatieservice.