شیر دروازه در چاه های نفت و گاز چگونه کار می کند؟

A شیر دروازه در استخراج نفت و گاز با بالا بردن یا پایین آوردن یک دروازه فلزی مسطح یا گوه ای شکل در داخل بدنه شیر، عمود بر جریان نفت خام، گاز طبیعی یا آب تولید شده انجام می شود. هنگامی که دروازه به طور کامل به داخل کاپوت بلند می شود، یک مسیر بدون مانع و با سوراخ کامل ایجاد می کند که به سیالات اجازه می دهد با حداقل افت فشار جریان پیدا کنند. هنگامی که دروازه به طور کامل پایین می آید، محکم روی دو سطح آب بندی فلزی قرار می گیرد و جریان را به طور کامل قطع می کند. طبق مشخصات 6A مؤسسه نفت آمریکا (API) که بر تجهیزات سر چاه و درخت کریسمس نظارت دارد، یک شیر دروازه مورد استفاده در خدمات میادین نفتی باید قابلیت آب بندی در برابر فشار را داشته باشد 20000 psi و باید یک تست بسته شدن گاز محکم بدون نشتی قابل مشاهده را پشت سر بگذارد. درک کردن چگونه یک شیر دروازه کار می کند در محیط سخت یک چاه نفت برای کنترل چاه، جداسازی خط لوله و مدیریت ایمن جریان های هیدروکربنی با فشار بالا در کل چرخه عمر تولید، اساسی است.

اصل عملکرد پایه یک شیر دروازه

یک دریچه دروازه بر اساس یک اصل حرکت خطی عمل می کند: چرخش یک چرخ دستی یا به حرکت درآوردن یک سیلندر هیدرولیک، یک ساقه رزوه ای را می چرخاند که یک دال دروازه را به صورت عمودی در بدنه شیر می راند تا مسیر جریان را به طور کامل مسدود یا کاملاً باز کند. اجزای مکانیکی کلیدی که این امکان را فراهم می‌کنند ساقه، دروازه، حلقه‌های صندلی و کاپوت هستند. ساقه چرخ دستی یا محرک را در بالا به دروازه در پایین متصل می کند. در طراحی ساقه بالارونده، ساقه از داخل کاپوت عبور می کند و هنگامی که دریچه باز می شود، به وضوح از بالای چرخ دستی بالا می رود و یک نشانه بصری واضح از موقعیت سوپاپ ارائه می دهد. در طرح ساقه بدون بالا آمدن، ساقه می چرخد ​​اما به صورت عمودی حرکت نمی کند و دروازه روی رشته های داخلی ساقه بالا و پایین می رود. دروازه به خودی خود یک دال با ماشینکاری دقیق از فولاد آلیاژی با استحکام بالا است که اغلب با یک ماده سخت مانند کاربید تنگستن یا اکسید کروم برای مقاومت در برابر اثرات ساینده شن و ماسه و مواد محرک در جریان تولید پوشش داده می شود. دروازه بین دو حلقه صندلی حرکت می کند، که حلقه های فلزی هستند که به بدنه شیر فشار داده شده یا رزوه می شوند و با مهر و موم های لبه الاستومری یا فلزی مهر و موم شده اند. هنگامی که گیت به طور کامل قرار می گیرد، فشار پایین دست، دروازه را در مقابل صندلی پایین دست قرار می دهد و فشار تماس فلز به فلز را ایجاد می کند که از فشار سیال فراتر می رود و یک مانع نشتی ایجاد می کند.

در کاربردهای میدان نفتی، شیر دروازه تقریباً به طور انحصاری در موقعیت کاملاً باز یا کاملاً بسته استفاده می شود. این یک دریچه گاز نیست. تلاش برای استفاده از شیر دروازه در یک موقعیت نیمه باز برای کنترل دبی جریان باعث فرسایش سیال با سرعت بالا در گیت و سطوح نشیمنگاه می شود، پدیده ای که به سیم کشی معروف است که توانایی آب بندی شیر را برای همیشه از بین می برد. طراحی تمام سوراخ شیر دروازه باز یکی از بزرگترین مزیت های آن است: هنگامی که دروازه بالا می رود، گذرگاه جریان همان قطر داخلی لوله متصل را دارد و به ابزارهای سوراخ، ابزارهای سیمی و لوله های سیم پیچی اجازه عبور بدون مانع را می دهد. این ویژگی در درختان کریسمس سرچاهی ضروری است، جایی که ابزار مداخله باید از طریق دریچه اصلی و شیر سواب وارد چاه زنده شود.

چگونه مکانیسم آب بندی به یک خاموشی بدون گاز دست می یابد

مهر و موم در یک دریچه دروازه میدان نفتی توسط عمل گوه‌زنی مکانیکی دروازه در برابر نشیمنگاه پایین دست ایجاد می‌شود، که با فشار خود سیال چاه افزایش می‌یابد، که با افزایش اختلاف فشار، دال دروازه را محکم‌تر به صندلی فشار می‌دهد. این اصل آب بندی خودکار به این معنی است که یک شیر دروازه در فشار بالا به طور موثرتری نسبت به فشار پایین آب بندی می کند. API 6A الزام می‌کند که یک شیر دروازه باید با گاز تست نیتروژن در فشار کاری نامی کامل خود، با نرخ مجاز نشت صفر حباب، حباب‌بندی شود. تست 15 دقیقه ای در فشار برای رسیدن به این هدف، سطوح دروازه و نشیمنگاه به یک سطح پوشش داده می شود 2 تا 4 میکرو اینچ Ra سطحی از صافی که به دو سطح فلزی اجازه می دهد تا در سطح میکروسکوپی با یکدیگر مطابقت داشته باشند. در طرح های دروازه دال، دروازه یک صفحه تخت منفرد با سوراخی است که از طریق آن سوراخ شده است که در هنگام باز شدن با مسیر جریان همسو می شود. در طرح‌های دروازه در حال گسترش، دروازه شامل دو نیمه است که روی رمپ‌های زاویه‌دار روی هم می‌لغزند و با رسیدن دروازه به موقعیت کاملاً بسته برای فشار دادن همزمان به هر دو صندلی، به صورت مکانیکی به سمت بیرون منبسط می‌شوند. دریچه های دروازه انبساط برای کاربردهای مهم جداسازی سر چاه مشخص شده اند زیرا بدون توجه به فشار دیفرانسیل یک مهر و موم مکانیکی مثبت را در هر دو جهت ایجاد می کنند و آنها را برای سرویس دوبل بلوک و خونریزی که در آن ایزوله مطلق هر دو طرف بالادست و پایین دست مورد نیاز است، مناسب می کند.

تنظیمات شیر دروازه در سیستم های سرچاهی و خط لوله

شیرهای دروازه در خدمات نفت و گاز در سه پیکربندی بدنه اصلی - دروازه دال، دروازه انبساط و گیت گوه - هر کدام با ویژگی های آب بندی متمایز و کاربردهای خدمات توصیه شده تولید می شوند. جدول زیر این تنظیمات را در بین پارامترهایی که بیشترین اهمیت را در طراحی سر چاه دارند، مقایسه می کند.

انتخاب مواد برای خدمات ترش و محیط های HPHT

اجزای فلزی شیر دروازه ای در خدمات نفت و گاز باید از موادی ساخته شوند که در برابر ترک خوردگی استرس سولفیدی، شکنندگی هیدروژن و خوردگی عمومی ناشی از سولفید هیدروژن، دی اکسید کربن و کلریدهای موجود در سیالات چاه تولید شده مقاومت می کنند. مشخصات API 6A طبقات مواد را بر اساس شدت محیط تولید تعریف می کند. مواد کلاس AA فولاد کربنی عمومی برای خدمات غیر ترش و غیر خورنده است. کلاس EE و FF به فولاد نیاز دارد تا سختی و شرایط عملیات حرارتی NACE MR0175/ISO 15156 را برآورده کند، که حداکثر سختی را به محدود می کند. 22 HRC (مقیاس راکول C) برای فولادهای کربنی در معرض گاز ترش حاوی H2S در فشار جزئی بالاتر از 0.05 psi. این محدودیت سختی بسیار مهم است زیرا فولادهای سخت‌تر به مراتب بیشتر مستعد ترک‌خوردگی با تنش سولفیدی هستند که می‌تواند در بدنه یا ساقه دریچه منتشر شود و باعث شکستگی شکننده فاجعه‌بار بدون تغییر شکل قابل مشاهده قبلی شود. در چاه های بسیار خورنده، دروازه، نشیمنگاه و ساقه از آلیاژهای مقاوم در برابر خوردگی مانند Inconel 718، Hastelloy C-276 یا فولادهای ضد زنگ دوبلکس ساخته می شوند. این آلیاژها مقاومت در برابر خوردگی خود را از محتوای بالای کروم، نیکل و مولیبدن به دست می‌آورند و به‌طور جداگانه از طریق آزمایش‌های گسترده در سیال چاه شبیه‌سازی شده در دما و فشار بالا قبل از تأیید برای استفاده در یک چاه خاص، واجد شرایط هستند. سطوح آب‌بندی روی دروازه و نشیمن‌گاه‌ها اغلب با روکش جوشی از استلیت یا کاربید تنگستن که توسط جوش قوس انتقال پلاسما اعمال می‌شود، سطحی را ایجاد می‌کند که هم در برابر خوردگی و هم در برابر ساییدگی ناشی از ذرات ماسه در جریان تولید مقاومت می‌کند. معمولی شیر دروازه در سرویس HPHT ممکن است بدنه ای ساخته شده از فولاد آلیاژی F22، تریم داخلی Inconel 718 و منبت های صندلی Stellite 6 داشته باشد، ترکیبی که می تواند مهر و موم ضد گاز را حفظ کند. 10000 تا 15000 چرخه تحت فشار و دمای نامی کامل

مشکلات رایج دریچه دروازه و حالت های خرابی در سرویس میدان نفتی

متداول‌ترین حالت‌های خرابی دریچه‌های دروازه در کاربردهای نفت و گاز عبارتند از نشتی نشیمنگاه ناشی از کشیدن سیم یا به دام افتادن زباله، نشت سیل ساقه به دلیل تخریب بسته‌بندی، و مسدود شدن دروازه در موقعیت بسته به دلیل تجمع رسوب یا انبساط حرارتی. مسائل خاص زیر اغلب در عملیات میدانی با آن مواجه می شوند:

• سیم کشی و فرسایش صندلی: هنگامی که یک شیر دروازه در یک موقعیت نیمه باز استفاده می شود، جت سیال با سرعت بالا بین گیت و نشیمنگاه، مواد سخت را از بین می برد و شیاری ایجاد می کند که حتی زمانی که دریچه به طور کامل بسته می شود، از مهر و موم محکم جلوگیری می کند. هنگامی که سیم کشی رخ داد، تنها تعمیر این است که هم درب و هم هر دو حلقه صندلی را تعویض کنید.
• تشکیل هیدرات و رسوب: در چاه‌های گاز، سرد شدن سریعی که با انبساط گاز در یک دروازه بسته اتفاق می‌افتد، می‌تواند باعث ایجاد هیدرات متان - بلورهای یخ مانند آب و متان - در داخل بدنه شیر شود. این هیدرات ها می توانند به طور فیزیکی از حرکت دروازه جلوگیری کنند، و تلاش برای باز کردن دریچه به زور با یک میله تقلب می تواند ساقه را خم کند یا اتصال ساقه به دروازه را بشکند.
• خرابی بسته بندی و مهر و موم کاپوت: بسته بندی ساقه پشته ای از گرافیت فشرده یا حلقه های PTFE است که اطراف ساقه را در جایی که از داخل کاپوت عبور می کند مهر و موم می کند. دوچرخه سواری مکرر، به ویژه در شرایط دمای بالا در بالا 300 درجه فارنهایت (150 درجه سانتیگراد) ، می تواند باعث شود پکینگ انعطاف پذیری خود را از دست بدهد و مسیر نشتی ایجاد کند. بسته بندی نشتی باید فوراً تعمیر شود، زیرا نشان دهنده انتشار مستقیم هیدروکربن در جو است.

سوالات متداول در مورد شیرهای دروازه در نفت و گاز

تفاوت بین شیر دروازه و شیر توپی در سرویس سرچاهی چیست؟

A شیر دروازه یک مسیر جریان کامل و بدون مانع را در هنگام باز فراهم می کند، و آن را به انتخاب ارجح برای شیرهای اصلی سر چاه و شیرهای سوابی تبدیل می کند که ابزارهای چاهک باید از آن عبور کنند. یک شیر توپی نیز جریان تمام سوراخ را فراهم می کند اما با یک چهارم چرخش دسته باز و بسته می شود و باعث می شود کارکرد آن سریعتر شود. شیرهای توپی اغلب در شیرهای بال و شاخه های منیفولد استفاده می شوند که در آنها خاموشی سریع اولویت دارد. دریچه‌های دروازه عموماً به صورت محوری فشرده‌تر هستند، که در درخت کریسمس که فضای عمودی محدود است، مهم است. هر دو نوع شیر را می توان با درجه بندی فشار API 6A تولید کرد.

چرا هرگز نباید از شیر دروازه برای کاهش جریان استفاده شود؟

جریان گاز از طریق نیمه باز شیر دروازه یک جت سیال با سرعت بالا بین دروازه و حلقه صندلی ایجاد می کند. این جت به سرعت سطوح مهر و موم شده را فرسایش می دهد، فرآیندی که به آن سیم کشی می گویند. هنگامی که یک شیار در سطح صندلی بریده می شود، دریچه حتی در صورت بسته شدن کامل نشت می کند و تنها اقدام اصلاحی، تعمیرات اساسی داخلی سوپاپ است. دریچه گاز باید توسط یک دریچه خفه کننده انجام شود که به طور خاص با تزئینات مقاوم در برابر فرسایش و یک مسیر جریان پرپیچ و خم طراحی شده است که انرژی فشار را به تدریج از بین می برد.

شیرهای دروازه چاه هر چند وقت یکبار باید تست شوند؟

API 6A توصیه می کند که شیرهای دروازه سر چاه حداقل یک بار در ماه در طول تولید آزمایش عملکرد شوند و حداقل یک بار در سال یک آزمایش بسته شدن فشار کامل انجام شود. شیر اصلی و شیر سواب روی درخت کریسمس بسیار حیاتی هستند و مشمول برنامه مدیریت یکپارچگی چاه اپراتور هستند که معمولاً آزمایش این موانع اولیه را هر بار الزامی می کند. سه تا شش ماه بسته به حوزه قضایی نظارتی و طبقه بندی خطر چاه خاص. تمام آزمایشات باید مستند شده و سوابق برای عمر چاه حفظ شود.

"پشت نشستن" در شیر دروازه به چه معناست؟

پشتی یک ویژگی طراحی است که در آن ساقه یک شیر دروازه دارای یک شانه آب بندی ثانویه در نزدیکی بالای ساقه است که وقتی دریچه کاملاً باز می شود با یک نشیمنگاه منطبق در داخل کاپوت تماس می گیرد. این صندلی عقب یک مهر و موم موقت را فراهم می کند که امکان تعویض پکینگ ساقه را در زمانی که شیر هنوز تحت فشار است و در حال کار است، می دهد. همه شیرهای دروازه پشتی نیستند، و این ویژگی در شیرهای بزرگتر و در شیرهایی که برای کاربردهای پالایشگاهی و کارخانه‌های فرآیندی طراحی شده‌اند، بیشتر از دریچه‌های سرچاهی فشرده رایج است.

درک کردن چگونه یک gate valve works در استخراج نفت و گاز یک راه حل مکانیکی ظریف برای یک مشکل مهندسی شدید نشان می دهد: چگونه می توان به طور قابل اعتماد یک جریان پرفشار، ساینده و اغلب خورنده هیدروکربن ها را با دستگاهی که باید برای چندین دهه در خدمت بماند، اغلب مدفون یا غوطه ور است و هرگز نباید نشت کند، متوقف کرد. حرکت عمودی ساده دروازه، همراه با سطوح مهر و موم فلزی با ماشینکاری دقیق و بسته شدن با کمک فشار خودکار، خاموشی مطلق را فراهم می کند که کنترل چاه و نیاز ایمنی خط لوله را فراهم می کند. چه به عنوان دریچه اصلی روی درخت کریسمس زیر دریا در 10000 فوت زیر سطح دریا نصب شود، چه به عنوان دریچه ایزوله در منیفولد بیابانی دورافتاده، دریچه دروازه جزء غیرقابل تعویض زیرساخت جهانی نفت و گاز باقی می ماند.