Nowe rozwiązania konstrukcyjne uzbrojenia wylotów otworów
wiertniczych i odwiertów naftowych
Ciągły wzrost zapotrzebowania na surowce energetyczne, jakimi są gaz ziemny oraz ropa naftowa, wymusza intensyfikację prac w obszarze poszukiwania i eksploatacji złóż surowców płynnych. Istnieje wiele metod optymalizujących wydobycie oraz jego koszty. Jednym z kierunków jest poszukiwanie optymalnych konstrukcji sprzętu, służącego do eksploatacji złóż. Niniejsza praca ma na celu poprawę efektywności prac związanych z eksploatacją złóż poprzez opracowanie nowoczesnych rozwiązań konstrukcyjnych uzbrojenia wylotów otworów wiertniczych i odwiertów naftowych zgodnie z tezą: Pomimo wielu lat badań prowadzonych przez szereg instytucji i producentów sprzętu na świecie, istnieje możliwość znacznego rozwoju stosowanych konstrukcji celem zwiększenia efektywności prowadzonych prac związanych z eksploatacją złóż.
Praca nad nowatorską konstrukcją przebiegała w sześciu głównych etapach:
1. Analiza stosowanych obecnie na świecie rozwiązań konstrukcyjnych więźb
rurowych, głowic eksploatacyjnych oraz zabiegowych.
2. Analiza literatury dotyczącej wymagań stawianych urządzeniom służącym do
eksploatacji medium płynnego, w tym stosowanych standardów oraz wymogów prawnych.
3. Dobór sprzętu podlegającego modernizacji oraz określenie jego parametrów. 4. Opracowanie założeń koncepcyjnych i projektu wstępnego konstrukcji więźby
rurowej, przeznaczonej do uzbrojenia powierzchniowego wylotów odwiertów udostępniających złoża gazu z pokładów łupkowych.
5. Opracowanie założeń koncepcyjnych i projektu wstępnego konstrukcji głowicy
eksploatacyjnej, przeznaczonej do uzbrojenia powierzchniowego wylotów odwiertów udostępniających złoża gazu z pokładów łupkowych.
6. Opracowanie założeń koncepcyjnych i projektu wstępnego konstrukcji głowicy
zabiegowej, przeznaczonej do uzbrojenia powierzchniowego wylotów odwiertów udostępniających złoża gazu z pokładów łupkowych.
W pierwszej kolejności wykonano przegląd i analizę rozwiązań konstrukcyjnych oferowanych przez wiodących producentów na świecie. Każde z stosowanych rozwiązań posiada własne ograniczenia, co do stosowalności. Brak jest kompleksowych rozwiązań umożliwiających przeprowadzenie szczelinowania, wywołania produkcji i wydobycie gazu z pokładów łupkowych jednym zestawem uzbrojenia na otworze/odwiercie. Pełna znajomość wymagań prawnych wraz z zastosowaniem się do
nich, przegląd literatury oraz stosownych norm technicznych to warunki konieczne do opracowania pełnowartościowych, możliwych do zastosowania w praktyce projektów konstrukcyjnych. Po przeprowadzonej analizie aktualnej sytuacji rynkowej oraz prawnej podjęto decyzję, co do wyboru sprzętu podlegającego modernizacji oraz zakresu planowanych prac. Uznano, że najkorzystniejsze efekty przyniesie modernizacja konstrukcji więźby rurowej, głowicy eksploatacyjnej oraz głowicy zabiegowej. Opracowano schematy ideowe nowatorskich konstrukcji przy założeniu pełnej kompatybilności całości modernizowanego sprzętu. Wraz z opracowaniem schematów ideowych założono wszelkie niezbędne parametry pracy sprzętu, m. in. ciśnienie pracy, przeloty, klasy materiałowe. Szczególną wartością naukową jest nowatorskie podejście do konstruowania. Dla przykładu w miejsce szeroko stosowanego korpusu na ciśnienie 15 000 psi, planuje się wykonanie korpusu przystosowanego do ciśnienia roboczego 5 000 psi wraz z tuleją izolującą, wewnątrz której można zastosować ciśnienie 15 000 psi. Po opracowaniu założeń koncepcyjnych przystąpiono do prac projektowych pierwszej z trzech części konstrukcji tj. więźby rurowej. Na początek wykonano modele 3D całości konstrukcji. Następnie przeprowadzono analizę wytrzymałościową metodą elemen-tów skończonych celem optymalizacji kształtu pod kątem bezpieczeństwa pracy sprzętu. Wprowadzono niezbędne poprawki do pierwotnie przyjętych założeń i wykonano rysunki wykonawcze poszczególnych części składowych konstrukcji. Praca uwzględnia również szczegółowe wytyczne, co do montażu sprzętu oraz wszelkie wymagania związane z BHP podczas pracy ze sprzętem. Przeprowadzono analizę porównawczą uzyskanych efektów optymalizacyjnych w stosunku do najczęściej stosowanych konstrukcji więźb rurowych. Do innowacyjnych rozwiązań należy zaliczyć m. in. sposób dolnego połączenia więźby oraz zastosowanie jednego korpusu więźby w miejsce dwóch. Kolejnym etapem prac było opracowanie konstrukcji głowicy eksploatacyjnej. Podobnie jak w przypadku więźby rurowej podczas prac projektowych zastosowano tzw. "pętlę inżynierską", tj. wykonano kolejno modele 3D całości konstrukcji, analizę wytrzymałościową konstrukcji i powrócono do prac optymalizujących konstrukcję uwzględniając wyniki analizy wytrzymałościowej. Efektem pracy jest kompletna dokumentacja konstrukcyjna rysunkowa wraz z wytycznymi do montażu sprzętu oraz wymagania BHP podczas pracy ze sprzętem. Następnie wykonano analizę porównawczą uzyskanych efektów optymalizacyjnych w stosunku do najczęściej stosowanych konstrukcji głowic eksploatacyjnych. Z zastosowanych innowacji w konstrukcji głowicy eksploatacyjnej należy wymienić konstrukcję dolnej części głowicy, umożliwiającą przeprowadzenie zabiegu szczelinowania ciśnieniem trzykrotnie wyższym od ciśnienia roboczego samego korpusu oraz zastosowanie pokryw zasuw suwakowych w korpusie Solid-Block w
formie kołnierzy segmentowych. Dalsza cześć prac projektowych dotyczyła konstrukcji głowicy zabiegowej. Wykonano modele 3D konstrukcji, analizę wytrzymałościową, dokumentację konstrukcyjną rysunkową, wytyczne do montażu sprzętu, wymagania BHP. Podobnie jak w powyższych przypadkach wykonano analizę porównawczą uzyskanych efektów optymalizacyjnych w stosunku do najczęściej stosowanych konstrukcji głowic zabiegowych. Na tym etapie prac opracowano konstrukcję tulei izolującej dolną część głowicy eksploatacyjnej, która to jest częścią składową głowicy zabiegowej. Do głównych prac modernizacyjnych głowicy należy zaliczyć optymalizację konstrukcji zasuw suwakowych zabiegowych. Dzięki niekonwencjonalnemu podejściu do projektowania, m in. koncepcji zastosowania tulei izolującej korpus na czas szczelinowania, uzyskano szereg efektów poprawiających efektywność prowadzonych prac eksploatacyjnych złóż. Do najważniejszych należy zaliczyć obniżenie kosztów prowadzonych prac zabiegowych, niższe koszty produkcji sprzętu, poprawa bezpieczeństwa pracy, skrócenie czasów montażowych. W rezultacie prowadzonych prac dokonano trzech zgłoszeń patentowych celem zastrzeżenia konstrukcji.
New design solution heads for oil and gas wells
A continuous increase in the demand for fuels, which are natural gas and oil, imposes an intensification of works in the field of prospecting and production of gas and oil deposits. There are many methods to optimize the production and its costs. One of the directions is to prospect optimized equipment construction used for the deposit exploitation. The present thesis aims at improving the efficiency of works related to the exploitation of deposits through developing modern design solution heads for oil and gas wells according to the argument that: Despite many years of research conducted by a number of institutions and producers of equipment worldwide there exists a possibility of significant development of used solutions aimed at increasing the efficiency of works related to the production of deposits.
The work on the innovatory solution was conducted in six main stages:
1. An analysis of currently used solutions for wellheads, production Christmas trees and frac trees worldwide;
2. An analysis of literature related to the requirements for equipment used for the production of liquid medium including used standards and legal restrictions;
3. A selection of equipment for modernization and specifying its parameters; 4.The development of conceptual assumptions and solution design for wellheads
used for the surface utility infrastructure of shell gas wells;
5. The development of conceptual assumptions and solution design for production Christmas trees used for the surface utility infrastructure of shell gas wells;
6. The development of conceptual assumptions and solution design for frac trees used for the surface utility infrastructure of shell gas wells.
In the first place an overview and analysis of design solutions offered by leading worldwide producers was made. Each used solution has its own limitations pertaining to its applicability. There is a lack of complex solutions allowing for hydraulic fracturing, inducing the production and exploitation of shell gas with one set of utility infrastructure on the drillhole I oil well. The full knowledge of legal requirements with their compliance, a literature review and used technical norms constitute essential conditions for the development of solution designs possible for realization in practice. Having analyzed the current market and the legal situation a decision was taken as far as the equipment for modernization is concerned as well as the scope of planned works. It was assumed that the most beneficial effects would be brought by the modernization of wellheads, production Christmas trees and frac trees. Schematic diagrams for innovative solutions were developed with the assumption that the
modernized equipment is fully compatible. Alongside the development of schematic diagrams all essential equipment work parameters, such as: working pressure, bores and material classes were predicted. An innovative attitude to the solution is of special scientific value. For example, the development of body adjusted to the working pressure of 5,000 PSI with an insulation sleeve where the pressure of 15,000 PSI can be used instead of a widely used body for the pressure of 15,000 PSI was planned. After the conceptual assumptions were developed, design works for the first part of the three stages began, i.e. the wellheads. At the beginning the 3D models of the full construction were prepared. A strength test was conducted using the method of finite elements in order to optimize the shape in terms of equipment safety. Essential corrections for the initially made assumptions were introduced and manufacturing drawings for individual construction parts were made. The work also considers detailed guidelines as far as the assembly of equipment and all the requirements regarding safety are taken into account. A comparative analysis of achieved optimizing effects in relation to the most often used solutions for wellheads was conducted. The way the lower wellhead connection and the application of one wellhead body instead of two should be regarded as an innovative solution. The next stage involved the construction development of production Christmas trees. Similarly to the case of wellheads, during the design works for production Christmas trees “an engineering loop” was used, meaning that 3D models of the construction were prepared, a strength test was conducted and the optimizing works began considering the results of the strength test. The effect of work is the complete drawing construction documentation with the guidelines for the equipment assembly and the requirements regarding safety. A comparative analysis of achieved optimizing effects in relation to the most often used solutions for production Christmas trees was conducted. The solution for the lower part of the production Christmas tree allowing for hydraulic fracturing with the pressure three times as high as the working pressure of the body and using the gate valve bonnets in the Solid-Block body in the form of segmented flanges can be regarded as innovative. The subsequent part of project works involved frac trees 3D construction models, a strength test, drawing construction documentation, the guidelines for the equipment assembly, safety regulations were all prepared. As in the previous cases, a comparative analysis of achieved optimizing effects in relation to the most often used solutions for frac trees was conducted. At this stage a solution for an insulation sleeve of the lower part of the production Christmas tree being a constituent of the frac tree was proposed. Optimizing the construction of the gate valve bonnets constitutes one of the main modernization works concerning trees. Thanks to the unconventional design approach, e.g. using the insulation sleeve for the body at the time of hydraulic fracturing, a number of effects aimed at improving the efficiency of
the conducted exploitation of deposits were achieved. The most important ones are: lowering the costs of works related to hydraulic fracturing, lowering the costs for equipment production, enhancing safety and shortening the assembly periods. As a result of the conducted works three patent applications were made in order to retain title to the construction.
