Válvulas de alta pressão para campos petrolíferos em sistemas de poços e tubulações: guia de projeto e aplicação

A válvula de alta pressão para campos petrolíferos é uma válvula projetada para controlar, isolar ou direcionar com segurança o fluxo de óleo, gás e fluidos de processo em pressões normalmente variando de 2.000 psi a 20.000 psi , usado em conjuntos de cabeça de poço, árvores de Natal, árvores de fraturamento, coletores de estrangulamento e segmentos de dutos de alta pressão. Essas válvulas se distinguem das válvulas industriais padrão pela maior espessura da parede do corpo, construção forjada (em vez de fundida), rastreabilidade de material mais rigorosa e testes hidrostáticos e de gás obrigatórios para confirmar que podem conter pressão com segurança sob condições de carga estática e cíclica.

Tipos comuns de válvulas usadas em serviços de alta pressão

Nenhum projeto de válvula único se adapta a todas as aplicações de alta pressão. A escolha do tipo de válvula depende se a prioridade é acesso total, vedação bidirecional, capacidade de estrangulamento ou operação rápida de um quarto de volta.

Válvulas de gaveta continuam a ser a escolha dominante para posições de cabeça de poço e válvula lateral porque seu projeto de conduíte permite que ferramentas wireline passem através do furo totalmente aberto sem obstrução - um requisito funcional que as válvulas de esfera e macho geralmente não conseguem atender na mesma área.

Padrões aplicáveis para válvulas de alta pressão para campos petrolíferos

Padrões diferentes se aplicam dependendo de onde a válvula está localizada no sistema – na própria cabeça do poço, na árvore de Natal ou a jusante na tubulação de coleta ou transmissão.

Padrões Primários por Aplicação

• API 6A: Governa equipamentos de cabeça de poço e árvores de Natal, incluindo válvulas mestras, válvulas laterais e adaptadores
• API6D: Governa válvulas de dutos usadas em sistemas de coleta e transmissão
• API 16C: Aplica-se a equipamentos de estrangulamento e eliminação usados durante operações de perfuração e controle de poço
• ASME B16.34: Fornece classificações básicas de pressão e temperatura referenciadas por muitos projetos de válvula
• NACEMR0175/ISO 15156: Requisito obrigatório de material quando H2S está presente no fluido produzido

Uma válvula certificada pela API 6A possui um Nível de Especificação de Produto (PSL) de 1 a 4, com PSL 3 e PSL 4 normalmente especificados para poços de serviço ácido crítico e de alta pressão e alta temperatura (HPHT) porque exigem testes de validação de projeto estendidos, certificação completa do material e exames não destrutivos mais rigorosos do que PSL 1 ou PSL 2.

Classes de pressão e o que elas significam no campo

A seleção da classe de pressão é a decisão mais importante na especificação de uma válvula de alta pressão. A subclassificação cria um risco direto à segurança, enquanto a superclassificação adiciona peso e custo desnecessários à instalação.

Cada válvula também deve possuir uma classe de temperatura, variando de U (-75°F a 82°F) para que as condições árticas T (-18°F a 350°F) para produção em alta temperatura. A classe de temperatura deve corresponder à temperatura real do fluido que flui no local da válvula, que pode ser significativamente maior que a temperatura ambiente da superfície nos poços de produção.

Materiais para serviço ácido e condições HPHT

A seleção do material torna-se crítica quando uma válvula é exposta a H2S, CO2 ou temperaturas elevadas, uma vez que o aço carbono padrão pode sofrer trincas por tensão por sulfeto ou perder resistência mecânica sob essas condições.

• Classe de material AA/BB: Aço carbono padrão ou aço de baixa liga para serviços não ácidos
• Classe de material DD/EE/FF: Guarnição em aço carbono ou liga resistente à corrosão em conformidade com NACE para serviços ácidos
• Acabamento em inconel ou duplex em inox: Usado em poços HPHT com alto teor de CO2 ou altamente corrosivos para maior vida útil
• Assentos PEEK ou metálicos: Selecionado em vez de sedes de elastômero quando as temperaturas excedem os limites de trabalho dos compostos de borracha padrão

Por exemplo, um poço produzindo em 15.000 psi com temperatura de fluxo de 300°F e H2S detectável normalmente exigiria um Válvula gaveta classe EE, PSL 3 ou 4 com sedes de metal, enquanto uma cabeça de poço de gás doce de baixa pressão a 3.000 psi poderia ser adequadamente atendida por uma válvula padrão de classe de material BB, PSL 2.

Requisitos de teste antes da implantação em campo

Cada válvula de campo petrolífero de alta pressão deve passar por uma sequência definida de testes de produção antes da certificação, e níveis mais elevados de PSL exigem testes adicionais de validação de projeto em um protótipo antes que o projeto seja aprovado para fabricação.

Sequência de teste de produção padrão

1. Teste hidrostático corporal em 1,5 vezes a pressão nominal de trabalho
2. Teste de assento em ambas as direções de fluxo na pressão nominal de trabalho
3. Teste da sede traseira ou da vedação da haste para confirmar que não há vazamento além da gaxeta da haste
4. Teste operacional de curso completo para verificar a atuação suave
5. Teste de gás para válvulas destinadas ao serviço de gás ou PSL 3/4

As válvulas PSL 3 e PSL 4 também passam por testes cíclicos estendidos , às vezes envolvendo vários milhares de ciclos de abertura e fechamento em um protótipo, para simular anos de operação em campo antes que o projeto seja aprovado para produção – uma etapa que reduz significativamente o risco de falha prematura da sede ou da vedação quando a válvula é instalada no fundo do poço.

Pontos de Aplicação em Sistemas de Cabeça de Poço e Dutos

Válvulas de alta pressão são instaladas em todos os pontos críticos de isolamento e controle ao longo do caminho de fluxo a montante, desde a cabeça do poço até a rede de dutos.

• Válvulas mestre de poço e válvulas laterais: Isolamento de acesso ao poço primário na árvore de Natal
• Árvores frac: Isolamento de fluido de fraturamento de alta pressão durante a estimulação do poço, geralmente excedendo 10.000 psi
• Coletores de estrangulamento: Reduzir a alta pressão na cabeça do poço a um nível gerenciável antes de entrar no sistema de coleta
• Válvulas de bloqueio de tubulação: Seccionamento de longas linhas de transmissão para manutenção e desligamento de emergência
• Árvores submarinas: Válvulas de alta pressão acionadas remotamente controlando a produção de poços submarinos

As válvulas de bloqueio de tubulações, em particular, são frequentemente espaçadas em intervalos de a cada 20 a 30 milhas ao longo de uma linha de transmissão, permitindo que os operadores isolem rapidamente uma seção rompida ou danificada e limitem o volume de produto liberado durante uma parada de emergência.

Selecionando a válvula certa para uma determinada aplicação

A seleção correta da válvula depende da correspondência das condições do poço ou da tubulação com a pressão, temperatura, classe de material e PSL nominais da válvula - e não simplesmente da escolha da válvula com a classificação mais alta disponível.

Lista de verificação de seleção

• Confirme a pressão operacional máxima prevista e selecione uma classe de pressão com margem de segurança adequada
• Verifique a classificação de serviço ácido e especifique a classe de material compatível com NACE se H2S estiver presente
• Combine a classe de temperatura com a temperatura real do fluido de fluxo, não apenas com as condições ambientais da superfície
• Determinar o PSL necessário com base na criticidade do poço, nos requisitos regulamentares ou nas especificações do operador
• Escolha o tipo de válvula com base na função: comporta para isolamento total da cabeça do poço, esfera ou tampão para isolamento da tubulação de um quarto de volta, estrangulador para redução de pressão
• Confirme se o tipo de conexão final e o método de atuação correspondem ao equipamento correspondente e ao sistema de controle

Práticas de manutenção para confiabilidade a longo prazo

As válvulas de alta pressão operam sob condições que aceleram o desgaste das sedes, vedações e gaxetas da haste, tornando essencial um programa de manutenção estruturado para evitar paradas não planejadas ou incidentes de segurança.

• Execute movimentos de rotina de válvulas operadas manualmente para evitar travamento da comporta ou da esfera
• Inspecione e substitua a gaxeta da haste regularmente para evitar vazamentos na tampa
• Realize testes periódicos de vazamento na sede para confirmar se a válvula ainda atende à sua classe de vazamento nominal
• Verifique se há corrosão ou erosão nas válvulas em serviços carregados de ácidos ou sólidos
• Verifique a função do atuador, o suprimento de ar e a integridade do sinal de controle em válvulas operadas remotamente

A maioria dos operadores programa a recertificação completa de válvulas críticas de cabeça de poço a cada 3 a 5 anos , com intervalos de inspeção mais frequentes para válvulas de árvore de fraturamento submetidas a repetidos ciclos de alta pressão durante operações de estimulação de vários estágios, onde o desgaste da sede e da vedação se acumula muito mais rápido do que em válvulas usadas para serviço simples de isolamento liga/desliga.