3.1. Оборудование фонтанных скважин

Оборудование фонтанной скважины обычно состоит из ар­матуры устья и ко­лонны НКТ. Колонна НКТ в некоторых слу­чаях оснащается приемной во­рон­­кой, иногда клапанами-отсекателями или седлами для установки вставных кла­­панов-отсекателей. Иногда в скважине устанавливают пакер.

Несмотря на относительную простоту оборудования скважин для фон­тан­ной добычи нефти и газа, оно выполняет очень от­ветственные функции и долж­но быть особенно надежно, так как аварии с оборудованием при фон­та­ни­ровании могут привести к выбросам и пожарам. Кроме того, оно часто весь­ма металлоем­ко (масса арматуры устья скважины составляет от 0,6 до 4,0 т), что при значительном числе фонтанирующих скважин ведет к большому рас­хо­ду металла. Поэтому при конструировании ар­матуры необходимо стре­Мить­ся не только к увеличению ее на­дежности, но и к сокращению метал­лоем­кос­ти.

3.1.1. Оборудование устья фонтанных скважин

Отбираемая смесь жидкости и газа идет из скважины по НКТ и на устье отво­­дится арматурой в промысловые коммуникации. В некоторых случаях при небольших отборах применяют схемы периодического фонтанирования, нап­ример плунжерный лифт. В этом случае колонна НКТ оснащается кон­це­вы­ми устройства­ми, а на поверхности устанавливаются автоматы для обес­пе­че­­ния периодического движения плунжера в трубах.

При обычном фонтанировании кроме колонны НКТ основ­ным узлом являет­ся арматура устья, с которой и начнем разбор данного оборудования.

Устье законченной бурением скважины оборудовано колон­ной головкой, сое­диняющей на поверхности окончания обсад­ных колонн и гер­мети­зирую­щей межтрубные пространства.

На колонной головке крепится арматура для фонтанных сква­жин. Основ­ные параметры и типовые схемы арматуры указаны в ГОСТ 13846-74 или в дру­гой технической документации [16].

Арматура состоит из трубной головки и фонтанной елки (рис. 3.1.1).

Рис. 3.1.1. Схема фланцевой фонтанной арматуры

Трубная головка монтируется непосредственно на колонной головке и пред­назначается для подвески одной или нескольких колонн НКТ и Гер­ме­ти­за­ции на устье межтрубных пространств. Трубная головка должна обеспе­чи­вать проход жидкости или газа в межтрубные пространства, контролировать дав­ления в них и выполнять необходимые исследования скважины.

Фонтанная елка монтируется на трубной головке и предназ­начается для нап­равления отбираемых из скважины жидкости и газа в манифольд, регу­ли­ро­вания и контроля за работой фон­танной скважины.

Основными деталями и узлами арматуры являются крестови­на 1, имею­щая два боковых отвода, тройник 2, имеющий один боковой отвод, катушка или переводник 3, запорное устройство 4, фланец под манометр или буфер 5, кран 6, манометр 7, дрос­сель 8, ответный фланец 9.

Крестовина и тройник позволяют отводить добываемую смесь к мани­фоль­дам или иметь сообщение с одним из межтрубных пространств. На этих же деталях можно подвесить колонну НКТ. Для этого детали могут иметь резь­бу. Колонна подвешивается не­посредственно на этой резьбе или через пере­вод­ный патрубок 10. Катушка или переводник служат для подвески НКТ или для пе­­рехода с одного размера деталей арматуры на другой.

Запорные устройства служат для полного перекрытия или полного откры­тия проходного сечения ствола или отвода. Регу­лировка параметров по­то­ка неполным закрытием запорного ус­тройства не допускается. Для регу­ли­ров­ки параметров потока и, следовательно, режима работы скважины исполь­зуют­ся специ­альные узлы — дроссели (штуцера). Дроссель имеет корпус, в ко­то­рый вставлена стационарная или сменная втулка с неболь­шим по диаметру отверс­тием. Через отверстие втулки проходит вся продукция скважины. Под­бо­ром размера отверстия регули­руют дебит скважины.

Детали и узлы арматуры соединяются между собой резьбой, фланцами с уплот­нениями или хомутами. По этому признаку арматура делится на резь­бо­вую, фланцевую и хомутовую (или бугельную).

Вертикальная, стволовая часть елки может иметь отводы в одну сторо­ну (через тройни­ки) или в две стороны (через крестовины). По этому призна­ку арматура делится на тройниковую (рис. 3.1.2, а, б) и крес­товую (рис. 3.1.2, в, г) [10].

Рис. 3.1.2. Типовые схемы фонтанной арматуры:

1 — манометр; 2 — запорное устрой­ство к манометру; 3 — фланец под ма­нометр; 4 — трой­ник; 5 — дроссель; 6 — запорное устройство отвода; 7 — буфер; 8— ответный фланец; 9 — кре­с­товина, устанавливаемая на колонной головке; 10 — переводник трубной го­ловки; 11 — стволовое запорное уст­ройство; 12 — крестовина елки

Основные параметры арматуры — диаметр проходного сече­ния стволовой час­ти фонтанной елки и рабочее давление, на которое рассчитана арматура.

В соответствии с технической документацией установлены рабочие дав­ле­ния Р_раб = 14, 21, 35, 70, 105 МПа, а также диамет­ры проходных сечений, при­веденные ниже.

Условный диаметр Ду, мм	Фактический диаметр Дф, мм
50	52
65	65
80	80
100	104
150	152

Давление испытания принято (на основании опыта проекти­рования и при­ме­нения арматуры) для рабочих давлений от 7 до 35 МПа равным 2 Р_ра6, а для дав­лений от 70 до 105 МПа — 1,5 Р_ра6.

Технической документацией предусмотрено соответствие ус­ловных диа­мет­ров и давлений:

Ду, мм	Рраб, МПа
50	35...105
65	7...70
80	21...70
100	21...35
150	21...35

ГОСТом установлены типовые схемы арматуры — тройниковые и кресс­то­вые. Некоторые из этих схем даны на рис 3.1.2. Все четыре схемы рассчитаны на подвеску одного ряда НКТ на пе­реводном фланце. Для подвешивания двух ря­дов труб в схему добавляется узел, состоящий из тройника и запорных уст­ройств на его отводе. Тройник устанавливается под переводником труб­ной го­лов­ки. Во всех схемах допускается установка дублирую­щих запорных уст­ройств на боковых отводах.

ГОСТом предусмотрены также схемы с дублирующими ство­ловыми за­пор­ными устройствами. Это обычно делается при боль­ших давлениях на фон­та­нирующей скважине.

У тройниковой арматуры при двух боковых отводах верхний является основ­ным рабочим отводом. При выходе его деталей из строя закрывается ство­ловое запорное устройство и жидкость или газ направляются по нижнему отво­ду без остановки работы скважины. Это удобно при необходимости ре­мон­та верхнего отвода. Но расположение отводов по вертикали (один над дру­гим) уве­личивает высоту арматуры, что усложняет ее обслужи­вание.

Тройниковую арматуру рекомендуется использовать при низ­ких и средних дав­лениях.

Для средних и высоких давлений ГОСТ рекомендует приме­нять крестовую арма­туру. Крестовая арматура значительно ниже тройниковой, что облегчает ее обс­луживание. Общая высота ар­матуры при крестовой схеме и наличии дуб­ли­рую­щих стволовых запорных устройств меньше, чем высота тройниковой арма­туры.

К недостаткам крестовой арматуры относится то, что при выходе из строя одно­го из отводов необходимо закрывать ниж­нее стволовое запорное уст­ройст­во, а следовательно, останавли­вать скважину. У тройниковой арматуры с верх­ним рабочим от­водом (схема б) при выходе его из строя можно закрыть сред­нюю стволовую задвижку и включить в работу нижний резерв­ный (запасной) отвод.

При исследовании скважин часто необходимо устанавливать над фон­тан­ной елкой лубрикатор для спуска того или иного прибора. Для этой цели в трой­никовой и крестовой арматуре предусмотрено верхнее стволовое запорное устройст­во.

Условия работы арматуры фонтанных скважин в большин­стве случаев та­ко­вы, что для обеспечения безаварийной и долго­вечной работы оборудования необ­ходим тщательный выбор его схем, конструкции узлов и материалов де­та­лей. Давление в фон­танирующих скважинах может доходить до 100 МПа, при­чем оно изменяется, пульсирует. Скорость движения выходящей из скважины сме­си жидкости, газа и механических примесей (на­пример, кварцевого песка) в не­которых частях арматуры дости­гает нескольких десятков метров в секунду. Жид­кость и газ час­то агрессивны и вызывают интенсивную коррозию арма­ту­ры.

Аварии с арматурой, установленной на скважинах, приводят к открытому фон­танированию, а иногда к выбросу труб и пожа­рам. Ликвидация таких ава­рий требует больших затрат и времени. С другой стороны, масса и стоимость арма­туры, устанавли­ваемой на одной скважине, велики. Так, например, масса комп­­лекта арматуры на 21 МПа для двухрядного подъемника состав­ляет около 3 т. При выборе и разработке арматуры необходимо учитывать и эти факторы.

Вследствие тяжелых условий работы арматуры ее крестови­ны, тройники, пе­реводники, фланцы и корпусные детали за­порных устройств выполняются толь­ко из стали. Уплотнение между фланцами арматуры осуществляется сталь­ными кольцами.

Распространены литые и сварные детали арматуры. Для изго­товления эле­мен­тов фонтанной арматуры применяются стали марок сталь 45, 40ХЛ, 40ХНЛ и другие легированные стали. Уплотняющие кольца изготавливают из ста­ли марок 08КП, ста­ли 20, стали 30, стали 40 и легированных сталей (для кор­розионно-активных сред) [10].

Рис. 3.1.3. Схемы облегченной крестовины:

а — сварная; б — с измененной конструкцией боковых отводов

Через втулки дросселей продукция скважины проходит с боль­шой ско­ростью, доходящей до 80... 120 м/с. При этом продукция скважин содержит пе­сок, агрессивную жидкость. Поэтому втул­ки изготавливаются из закаленных ста­лей, твердых сплавов, ме­таллокерамики, термокорунда.

Постоянное совершенствование арматуры привело к суще­ственному сни­же­нию ее металлоемкости и увеличению прочно­сти. На рис. 3.1.3 показана свар­ная крестовина а и крестовина новой конструкции б. Конструкторы ищут воз­можность облег­чения арматуры в конструктивном объединении нескольких эле­­ментов фонтанной арматуры (например, крестовины и тройника).

Сварные детали арматуры выполняются сваркой отдельных штамм­по­Ван­ных или кованых частей детали. Поскольку кованые или штампованные части обла­дают большей прочностью, чем литые, при переходе на сварные детали мож­но существенно сни­зить их металлоемкость, увеличить надежность и упрос­тить тех­нологию изготовления. Эти же цели достигаются при изготовле­нии деталей новой конструкции и при конструктивном объеди­нении нес­коль­ких элементов фонтанной арматуры.

Стремление уменьшить металлоемкость арматуры новых ви­дов иногда мо­жет привести к некоторым неудобствам эксплуата­ции скважин и оборудования. Так, например, при использовании крестовины, показанной на рис. 3.1.3, б, необ­ходимо применять у боковых отводов шпильки, ввернутые в крестовину. При наруше­нии целостности резьб шпилек их сложнее заменить, чем шпиль­ки с двумя гайками. А если нарушилась резьба в теле крестовины, то надо отп­рав­лять на ремонт всю крестовину. При аварийных ситуациях глушение струи, иду­щей из обычного фланцевого отвода (см. рис. 3.1.3, а), осуществить проще, чем при фланце, выполнен­ном в теле крестовины (см. рис. 3.1.3, б). Однако опыт эксп­луата­ции новых конструкций может дать новые приемы работы с ними, ко­то­рые уменьшат или ликвидируют указанные недостатки.

Арматура устья скважины (материалы, рекомендованные для ее изго­тов­ле­ния, приведены в табл. 3.1.1) соединяется с про­мысловыми трубопроводами ма­нифольдами, составленными из типовых узловых сборок. Манифольды имеют запорные устрой­ства, регулируемый штуцер, предохранительные кла­па­ны, крес­товины, тройники, вентили для сброса давления и подсоедине­ния при­боров и т.д. Рекомендуется использовать схемы манифольдов, состоящих из бо­лее прочных и надежных сборок за­водского изготовления.

Таблица 3.1.1