ما هو صمام الكرة؟ الدليل الكامل لتطبيقات استخراج النفط

A صمام الكرة عبارة عن جهاز إغلاق ربع دورة يستخدم كرة كروية مجوفة ومثقبة للتحكم في تدفق السوائل عبر خط أنابيب - وفي استخراج النفط، يعد أحد أهم مكونات التحكم في التدفق في أي رأس بئر أو مشعب إنتاج أو نظام تحت سطح البحر. مع تجاوز إيرادات سوق صمامات النفط والغاز العالمية 6.8 مليار دولار في عام 2023 والصمامات الكروية التي تستحوذ على أكبر حصة من المنتج الفردي، يعد فهم ماهية الصمام الكروي، وكيف يعمل، والنوع الذي يناسب العمليات النفطية الأولية، معرفة أساسية لكل مهندس حفر، وفني إنتاج، وأخصائي مشتريات.

ما هو الصمام الكروي وكيف يعمل في استخراج النفط؟

A صمام الكرة يتحكم في التدفق عن طريق تدوير كرة كروية محفورة بزاوية 90 درجة داخل جسم الصمام - عندما تتم محاذاة التجويف مع خط الأنابيب، يكون التدفق مفتوحًا بالكامل؛ عند تدويرها بزاوية 90 درجة، يتدفق الجدار الصلب للكتل الكروية بالكامل. في بيئات استخراج النفط، تُترجم آلية ربع دورة البسيطة هذه إلى قدرة إغلاق سريعة للغاية: تستغرق دورة الفتح والإغلاق الكاملة أقل من ثانية واحدة في النماذج المشغلة، وهي سرعة بالغة الأهمية أثناء منع الانفجار، وإغلاق الآبار في حالات الطوارئ (البيئة والتنمية المستدامة)، وعزل الضغط المفاجئ على رؤوس الآبار ذات الضغط العالي التي تعمل عند ضغوط تصل إلى 15000 رطل لكل بوصة مربعة (1034 بار) .

مكونات التشغيل الأساسية ل صمام الكرة المستخدمة في الخدمة البترولية وتشمل:

• جسم الصمام: الغلاف الخارجي الذي يحتوي على الضغط، يتم تشكيله عادةً من الفولاذ الكربوني (ASTM A105)، أو سبائك الصلب (ASTM A182 F22)، أو الفولاذ المقاوم للصدأ المزدوج لخدمة الغاز الحامض المسببة للتآكل (H2S).
• الكرة: العنصر الكروي المحفور. في مجال الخدمات النفطية، غالبًا ما تكون الكرات مطلية بالكروم أو مطلية بكربيد التنجستن أو مصنوعة من مادة الإنكونيل لمقاومة التآكل الناتج عن تيارات النفط الخام المحملة بالرمال.
• المقاعد: حلقات الختم على جانبي الكرة. مقاعد ناعمة (PTFE، PEEK، نايلون) تناسب الخدمة النظيفة؛ تعتبر المقاعد المعدنية (الأقمار الصناعية، كربيد التنغستن) إلزامية للخدمة ذات درجة الحرارة العالية أو التآكل أو المقاومة للحريق.
• الجذعية: ينقل عزم الدوران من المحرك أو العجلة اليدوية إلى الكرة. تعمل تصميمات الجذع المضادة للانفجار وفقًا لـ API 6D على منع إخراج الجذع تحت الضغط - وهي ميزة بالغة الأهمية للسلامة في أي موقع بئر مضغوط.
• أختام الجسم والتعبئة: منع التسرب الخارجي. في خدمة H2S، يجب أن تستوفي اللدائن امتثال NACE MR0175 / ايزو 15156 للغاز الحامض.

لماذا تهيمن الصمامات الكروية على استخراج الزيت على أنواع الصمامات الأخرى؟

الصمامات الكروية هي الخيار المفضل لاستخراج الزيت على الصمامات البوابية، والصمامات الكروية، وصمامات التوصيل لأنها تجمع بين مقاومة التدفق المنخفض، والتشغيل السريع، والختم ثنائي الاتجاه الموثوق به في جسم مدمج يتعامل مع الضغوط ودرجات الحرارة القصوى للخدمة البترولية الأولية. يقارن الجدول أدناه أنواع الصمامات هذه عبر العوامل الأكثر أهمية في موقع بئر الإنتاج:

الجدول 1: مقارنة أداء الصمامات الكروية مقابل أنواع الصمامات الشائعة الأخرى عبر المعايير الرئيسية لتطبيقات استخراج النفط.

أنواع الصمامات الكروية المستخدمة في استخراج النفط

ليس كل شيء صمام الكرةs قابلة للتبديل — تستخدم صناعة البترول ستة تكوينات متميزة على الأقل، تم تصميم كل منها لفئة ضغط معينة، أو نوع سائل، أو موقع تركيب معين.

1. صمام كروي كامل التجويف (منفذ كامل).

تجويف كامل صمام الكرة يحتوي على قطر تجويف داخلي يساوي تجويف الأنبوب، مما يؤدي إلى عدم تقييد التدفق وممر مستقيم مناسب لعمليات صب خط الأنابيب. في خطوط نقل النفط الخام ورؤوس الإنتاج، تكون التصميمات ذات التجويف الكامل إلزامية لأن أجهزة قياس فحص خطوط الأنابيب (PIGs) يجب أن تمر عبر الصمام دون عوائق. تعد الصمامات ذات التجويف الكامل أثقل وأكثر تكلفة من الإصدارات ذات التجويف المنخفض ولكنها تعد المعيار الصناعي لخدمة النفط الرئيسية.

2. الصمام الكروي ذو التجويف المنخفض (المنفذ القياسي).

تجويف مخفض صمام الكرةs تحتوي على تجويف داخلي بحجم أنبوب واحد أصغر من حجم الأنبوب الاسمي - على سبيل المثال، يحتوي الصمام ذو التجويف المنخفض مقاس 4 بوصات على تجويف مقاس 3 بوصات. إنها أخف وزنًا وأكثر إحكاما وأقل تكلفة من نظيراتها ذات التجويف الكامل وتستخدم على نطاق واسع في عزل الأدوات والحقن الكيميائي وخطوط خدمات المرافق على منصات الإنتاج حيث لا يلزم التقطيع.

3. صمام الكرة المثبت على مرتكز الدوران

مثبتة على مرتكز الدوران صمام الكرةs استخدم مثبتات ميكانيكية (مرتكز الدوران) في الجزء العلوي والسفلي من الكرة لتثبيتها في مكانها داخل الجسم، بحيث يعمل ضغط خط الأنابيب على المقاعد بدلاً من الكرة. هذا التصميم هو الخيار السائد ل خدمة استخراج الزيت بالضغط العالي فوق 600 رطل لكل بوصة مربعة ولأحجام الصمامات الأكبر (أكبر من 4 بوصات حجم الأنبوب الاسمي). توفر تصميمات مرتكز الدوران عزم دوران تشغيليًا أقل، وعمرًا أفضل للمقعد، وقدرة على الكتلة والتصريف المزدوج (DBB)، مما يجعلها ضرورية في رؤوس الآبار، ومشعبات الاختناق، والأشجار تحت سطح البحر.

4. صمام الكرة العائمة

في العائمة صمام الكرة ، الكرة ليست ثابتة ميكانيكيًا ولكنها بدلاً من ذلك تطفو بحرية بين المقعدين، ويتم تثبيتها في مكانها عن طريق ضغط الخط الذي يدفع المقعد السفلي لإنشاء ختم. تعد التصميمات العائمة أبسط وأقل تكلفة، مما يجعلها قياسية للتطبيقات ذات القطر الأصغر والضغط المنخفض (عادةً أقل من 4 بوصات وأقل من 600 رطل لكل بوصة مربعة) مثل خطوط الأجهزة، ووصلات العينات، وصمامات التهوية/التصريف في معدات الإنتاج.

5. صمام كروي مزدوج الكتلة والتسييل (DBB).

دي بي بي صمام الكرة يوفر سطحين مستقلين للجلوس يمنعان التدفق من كلا الجانبين العلوي والسفلي في نفس الوقت، مع وجود منفذ نزيف بينهما للتحقق من العزل وتنفيس الضغط المحصور. في استخراج النفط، يتم تكليف قدرة DBB من خلال العديد من إجراءات شركة التشغيل تصاريح العزل للعمل والعمل الساخن — في أي مكان يجب تنفيذ العمل على نظام مباشر مع ضمان عدم التسرب بعد صمام العزل. يحل صمام كروي DBB واحد محل ما قد يتطلب ثلاثة صمامات منفصلة (صمامين كتلة وصمام نزيف واحد)، مما يوفر مساحة ووزنًا كبيرًا على المنصات البحرية.

6. صمام الكرة تحت سطح البحر

تحت سطح البحر صمام الكرةs تم تصميمها خصيصًا للتركيب على رؤوس الآبار وخطوط التدفق والمشعبات في قاع البحر في أعماق المياه التي تتجاوز الآن بشكل روتيني 3000 متر (9843 قدمًا). ويجب أن تتحمل الضغوط الهيدروستاتيكية الخارجية التي تصل إلى 4500 رطل لكل بوصة مربعة بالإضافة إلى ضغوط العمليات الداخلية، ويجب أن تعمل بشكل موثوق خلال فترات التفتيش التي تتراوح من 5 إلى 25 عامًا دون الوصول إلى السطح. تعد واجهات تجاوز ROV (المركبة التي يتم تشغيلها عن بعد) والأختام الجذعية المتوازنة الضغط واختبار التأهيل أبي 17 د كلها متطلبات قياسية.

معايير الصناعة الرئيسية التي تحكم الصمامات الكروية في استخراج النفط

كل صمام الكرة يجب أن تتوافق الصمامات غير المتوافقة المنتشرة في عمليات استخراج النفط مع واحد أو أكثر من معايير الصناعة التالية - يتم رفض الصمامات غير المتوافقة بشكل روتيني عند التفتيش، مما يؤدي إلى تأخيرات مكلفة.

الجدول 2: معايير الصناعة الأولية المطبقة على الصمامات الكروية في استخراج النفط، مع هيئة الإصدار ومتطلبات الامتثال الرئيسية.

حيث يتم استخدام الصمامات الكروية عبر سلسلة قيمة استخراج النفط

الصمامات الكروية تظهر تقريبًا في كل نقطة تحكم في نظام استخراج النفط من المنبع - بدءًا من واجهة المكمن عند رأس البئر وصولاً إلى خط أنابيب التصدير. إن فهم الدور المحدد الذي يلعبه كل صمام يساعد المهندسين على تحديد النوع الصحيح وفئة الضغط والمواد لكل موقع.

رأس البئر وشجرة عيد الميلاد

تعتبر رأس البئر وشجرة عيد الميلاد (التجميع الرأسي للصمامات والمكبات والتجهيزات الموجودة في أعلى البئر) من المواقع ذات الضغط الأعلى في أي نظام لاستخراج النفط. الصمامات الكروية هنا يجب أن يفي بمتطلبات API 6A، مع معدلات ضغط تبلغ عادةً 5000 أو 10000 أو 15000 رطل لكل بوصة مربعة. إن الصمام الرئيسي والصمام الجناحي الموجود في شجرة عيد الميلاد هما صمامات كروية عالمية تقريبًا، تم اختيارهما لقدرتهما على الإغلاق السريع وأداءهما المعدني الخالي من التسرب في درجات حرارة تصل إلى 350 درجة فهرنهايت (177 درجة مئوية).

مشعب الإنتاج وخط التدفق

تقوم مشعبات الإنتاج بجمع التدفق من آبار متعددة قبل توجيهه إلى معدات الفصل والمعالجة. مثبتة على مرتكز الدوران صمام الكرةs في التكوينات ذات التجويف الكامل المتوافقة مع API 6D، تهيمن على هذا القطاع، مما يسمح بعزل الآبار الفردية وتوجيهها دون تقييد تدفق تيارات النفط الخام المحملة بالرمال ومتعددة الأطوار. تسمح الإصدارات المشغلة (الهوائية أو الهيدروليكية) بالتشغيل عن بعد من غرفة التحكم أو نظام إيقاف التشغيل الآمن.

إيقاف التشغيل في حالات الطوارئ (ESD) وأنظمة أدوات السلامة

ESD صمام الكرةs ربما تكون هذه هي الصمامات الأكثر أهمية للسلامة في أي منشأة إنتاج. يتم الاحتفاظ بها مفتوحة أثناء العمليات العادية وتفشل في الإغلاق (مشغل إرجاع الزنبرك) عند فقدان هواء الجهاز أو الإشارة الكهربائية. تتطلب API 6D وIEC 61511 (السلامة الوظيفية) صمامات كروية ESD لتحقيق مستوى معين من سلامة السلامة (SIL) - عادةً SIL 2 أو SIL 3 - والذي يحدد احتمالية الفشل المسموح بها عند الطلب (PFD). يتم اختبار الصمامات الكروية ESD على فترات منتظمة (عادةً كل 1-3 سنوات) للتحقق من أنها ستغلق خلال وقت الاستجابة المطلوب، عادةً أقل من 10 ثوانٍ لمعظم تطبيقات المنصات.

قاذفات الخنازير وأجهزة الاستقبال

كامل التجويف صمام الكرةs هي صمام العزل الإلزامي على جميع براميل قاذفة الخنازير وجهاز الاستقبال. يجب أن يمر الخنزير - وهو أداة تنظيف أو فحص أسطوانية - عبر تجويف الصمام دون عائق، مما يتطلب تصميمات ذات تجويف كامل تتوافق تمامًا مع القطر الداخلي لخط الأنابيب. في خطوط أنابيب تصدير النفط الخام، يمكن أن يصل تكرار التقطيع إلى مرة واحدة في الأسبوع لمنع ترسب الشمع، مما يعني أن هذه الصمامات الكروية تدور بشكل متكرر ويجب تصميمها لدورة حياة عالية (عادةً 1000-10000 دورة إغلاق مفتوحة كاملة لكل API 6D).

تحت سطح البحر Production Systems

تحت سطح البحر صمام الكرةs في المشعبات في قاع البحر ونهايات نهاية خطوط التدفق (FLETs) يجب أن تعمل بشكل موثوق مع عدم إجراء أي صيانة طوال عمر التصميم الكامل للنظام تحت سطح البحر - عادةً 20-25 عامًا. ويتم تشغيلها هيدروليكيًا عبر خطوط سرية من السطح، مع إمكانية تجاوز المركبات ROV لعمليات الطوارئ أو الصيانة. إن العواقب الاقتصادية لفشل الصمام الكروي تحت سطح البحر هائلة: يمكن أن تكلف عملية صيانة بئر واحدة تحت سطح البحر لاستبدال الصمام المعيب ما يزيد عن 30-80 مليون دولار ، وهو ما يفسر متطلبات التأهيل القصوى لـ API 17D.

اختيار المواد للصمامات الكروية في خدمة حقول النفط

اختيار المواد ل صمام الكرة في استخراج النفط يعتمد على تكوين سائل العملية، ودرجة الحرارة، والضغط، والمتطلبات التنظيمية - يؤدي اختيار المادة الخاطئة إلى تسارع التآكل، أو التشقق، أو تدهور المقعد الذي يؤدي إلى عمليات إيقاف تشغيل غير مخطط لها.

• الكربون الصلب (ASTM A216 WCB / A105): الاختيار القياسي للخدمة الخام غير القابلة للتآكل عند درجات حرارة تتراوح من -20 درجة فهرنهايت إلى 800 درجة فهرنهايت (-29 درجة مئوية إلى 427 درجة مئوية). اقتصادية ومفهومة جيدًا، ولكنها غير مناسبة للخدمة المحتوية على كبريتيد الهيدروجين (الحامضة) بدون درجات يمكن التحكم في صلابةها.
• الفولاذ الكربوني منخفض الحرارة (LTCS، ASTM A352 LCB/LC3): مطلوب لتطبيقات القطب الشمالي والبحرية العميقة حيث يمكن أن تنخفض درجات الحرارة المحيطة إلى أقل من -20 درجة فهرنهايت (-29 درجة مئوية). يعد اختبار تأثير شاربي عند الحد الأدنى لدرجة حرارة التصميم أمرًا إلزاميًا.
• سبائك الصلب (ASTM A182 F11، F22): يستخدم في الآبار ذات الضغط العالي ودرجة الحرارة العالية (HPHT) التي تنتج عند درجات حرارة أعلى من 400 درجة فهرنهايت (204 درجة مئوية). يوفر F22 (2.25Cr-1Mo) مقاومة ممتازة للزحف في آبار حقن البخار وتطبيقات الطاقة الحرارية الأرضية.
• الفولاذ المقاوم للصدأ (316 إس إس، 316 لتر): تم اختياره للمياه المنتجة، وحقن مياه البحر، وخدمة الحقن الكيميائي حيث يكون الحفر الناجم عن الكلوريد مصدر قلق عند درجات حرارة أقل من 140 درجة فهرنهايت (60 درجة مئوية). فوق درجة الحرارة هذه، يلزم وجود درجات دوبلكس أو سوبر دوبلكس.
• دوبلكس وسوبر دوبلكس من الفولاذ المقاوم للصدأ (UNS S31803 / S32750): المادة المفضلة للبيئات عالية الكلوريد ذات الخدمة الحمضية النموذجية لإنتاج المياه العميقة. توفر تقنية Super duplex رقمًا مكافئًا لمقاومة الحفر (PREN) أعلى من 40، مما يضمن مقاومة التآكل في مياه البحر عند درجات حرارة تصل إلى 185 درجة فهرنهايت (85 درجة مئوية).
• إنكونيل 625 / 825: مخصص لآبار الغاز الحامض الأكثر عدوانية ذات الضغوط الجزئية العالية لكبريتيد الهيدروجين وثاني أكسيد الكربون. يستخدم أيضًا في الطلاءات الكروية والجذعية حيث تكون مقاومة التآكل المعدنية الأساسية وحدها غير كافية.

خيارات المحرك للصمامات الكروية في إنتاج النفط

آلي صمام الكرةs في استخراج الزيت، استخدم أحد أنواع المحركات الأربعة، التي تم اختيارها بناءً على الأدوات المساعدة المتاحة، ومتطلبات وقت الاستجابة، والإجراء الآمن من الفشل.

الجدول 3: أنواع المحركات للصمامات الكروية الآلية في استخراج النفط، مع مصدر الطاقة، والإجراء الآمن من الفشل، والتطبيق النموذجي.

أوضاع الفشل الشائعة للصمامات الكروية في خدمة حقول النفط

فهم صمام الكرة تسمح أوضاع الفشل للمهندسين بتنفيذ فترات الفحص الصحيحة، واستراتيجية قطع الغيار، وبرنامج الصيانة الوقائية - مما يؤدي إلى تجنب عمليات الإغلاق غير المخطط لها والمكلفة التي يمكن أن تكلف المشغلين الخارجيين 500000 دولار إلى أكثر من مليون دولار في اليوم في الإنتاج المفقود.

• تآكل المقعد: الفشل الأكثر شيوعا في الآبار المنتجة للرمل. تصطدم جزيئات الرمل عالية السرعة بسطح المقعد في الوضع المفتوح جزئيًا، مما يؤدي إلى تآكل سطح الختم والتسبب في التسرب عبر الكرة المغلقة. تعمل المقاعد المطلية بكربيد التنغستن على إطالة عمر الخدمة بمقدار 3-5 مرات مقارنة بمقاعد PTFE في الخدمة المسببة للتآكل.
• تسرب ختم الجذعية: يسمح تدهور مواد التغليف حول الجذع لسائل المعالجة بالهروب إلى الخارج. في خدمة كبريتيد الهيدروجين، يعتبر أي تسرب خارجي للغاز السام بمثابة انتهاك للسلامة والتنظيم على الفور. تعتبر عمليات فحص الأختام الجذعية ربع السنوية ممارسة قياسية في آبار الغاز الحامض.
• هيدرات توصيل: في أنظمة المياه العميقة، يمكن أن تتشكل هيدرات الغاز في منطقة مقعد الصمام أثناء الإغلاق البارد، مما يمنع الكرة من الدوران. تعد منافذ حقن الميثانول أو MEG الموجودة على الصمامات الكروية في المياه العميقة من الممارسات القياسية لمعالجة وضع الفشل هذا.
• ترسيب الشمع: تعمل الزيوت الخام عالية الشمع على ترسيب الشمع عند واجهة الكرة إلى المقعد أثناء الإغلاق، مما يتسبب في التصاق الصمام. تعمل دورة تشغيل الصمام المنتظمة (اختبار السكتة الدماغية الشهرية الكاملة) على منع تراكم الشمع.
• التآكل تحت العزل (CUI): يعد التآكل الخارجي تحت العزل الحراري سببًا رئيسيًا لترقق جدار الجسم على الصمامات الكروية العلوية. تعد مسوحات UT (سمك الموجات فوق الصوتية) الدورية على الصمامات المعزولة ضرورية في البيئات البحرية.
• فشل المحرك الربيع: في الصمامات الكروية ESD التي يتم إغلاقها عند الفشل، يجب أن يعمل زنبرك الإرجاع بعد سنوات من الضغط الساكن. يمكن أن يؤدي إجهاد الزنبرك أو التآكل (على المنصات البحرية ذات الرطوبة العالية) إلى منع الصمام من الإغلاق عند الطلب، مما يؤدي إلى فشل نظام السلامة. يكتشف اختبار السكتة الجزئية السنوي (PST) تدهور المشغل دون الحاجة إلى إيقاف العملية بالكامل.

أسئلة متكررة حول الصمامات الكروية في استخراج النفط