عبارت سرچاهی یک مفهوم کلی است که مشتمل بر کلیه تجهیزات سطحی قرار گرفته در بالای یک چاه میباشد. بسته به اینکه چاه مزبور در مرحله حفاری، تکمیل سازی و یا تولید باشد، پیکره‌بندی این تجهیزات متفاوت خواد بود. البته این مرحله تولید است که شکل نهایی مجموعه را مشخص می‌کند. پایین‌ترین قسمت (که غالباً در زیرزمین واقع می‌شود) از آویز لوله جداری و تعدادی لوازم جانبی تشکیل یافته است. ‘’Flash’’ هم سطح با زمین وسیله‌ای جهت تعلیق لوله میباشد و درست در بالای آن سخت‌افزاری موسوم به درخت کریسمس قرار دارد. برای آشنایی با تجهیزات سرچاهی همراه با دریلینگ استور باشید.
در خلال حفاری، تجهیزات سرچاهی با پیشرفت برنامه جداره‌گذاری تکمیل می‌شوند. بر روی سطح در بالای هر رشته لوله جداری، تجهیزاتی جهت تعلیق و گرفتن آن قرار می‌گیرد تا علاوه بر فراهم آوردن آب بندی لازم، فوران‌گیرها را طبق برنامه جا دهند
مجموعه سرچاهی بین لوله جداری و درخت کریسمس قرار دارد و از قسمتهای مختلفی تشکیل شده است که در شکل 8 نشان داده شده است. در ادامه اجزای تشکیل دهنده مجموعه سرچاهی شرح داده می‌شوند.
هوزینگ سر لوله جداری
به محض اتمام حفاری، لوله جداری سطحی در محل قرار داده می‌شود و درست تا بالای سطح سیمان میگردد. پس از گذشت مدت زمان لازم جهت گرفتن سیمان، اولین جزء سرچاهی یعنی «هوزینگ سر لوله جداری» می‌تواند نصب گردد.
این اولین جزء متصل شده به لوله جداری سطحی است که می‌تواند از طریق اتصالات رزوه‌دار نرگی و یا بطور معمولتر توسط اتصالات رزوه‌دار مادگی پیچ شود. همچنین ممکن است جوشکاری شود که به آن اتصال ‘’slip-on’’ اطلاق میگردد. (شکل 9)
و یا اینکه براساس پیشرفتی که اخیراً حاصل شده می‌تواند فورج سرد شود. (شکل 10)
اگر چه اتصال رزوه‌ای قابل اطمینان‌تر میباشد، عیب این روش این است که رزوه لوله جداری بالایی باید در ارتفاع دقیقی قرار داشته باشد. این به گونه‌ای است که فضای کافی جهت سوار کردن آویزها و فوران‌گیرها در زیر ساختار موجود باشد.
در مواقعی که رشته لوله جداری در مسیر خود به طرف پایین می‌چسبد اتصال می‌تواند تنها پس از اینکه لوله بریده و جوشکاری گردید، صورت پذیرد.
اتصالات باید بسیار بدقت انجام شوند به گونه‌ای که فلنج بالایی کاملاً به طور افقی نگه داشته شود. جوشهای درونی و برونی باید توسط یک پمپ فراهم آورده فشار و از طریق یک پورت آزمون قرار گرفته در میان دو درز جوش، تست گردد.
آشنایی با تجهیزات سرچاهی
حفره موجود در قسمت بالای هوزینگ می‌تواند استوانه ای و بامخروطی باشد تا از آویوهای لوله جداری و مجموعه آب بندی برای رشته لوله جداری حمایت لازم را به عمل آورد. دو خروجی کناری فلنج شده و رزوه شده وجود دارد که بازرسی فضای حلقوی را ممکن می‌سازد. بنابراین، این لوله جداری سطحی و هوزینگ سر لوله جداری است که از کلیه لوله‌های جداری و فوران گیرهای پیش بینی شده در برنامه پشتیبانی می‌کند. در یک چاه عمیق، وزن رشته‌های لوله جداری و کششها) کاملا قابل ملاحظه بوده و نیازمند یک سر لوله جداری با یک قاعده دایره‌ای میباشد. این نوع سر لوله جداری، پایداری بیشتری را برای سر چاهی فراهم می‌نماید و توزیع بار را بر روی پایین چال دکل بطور یکنواخت انجام می‌دهد.
شکل 8- نمایی از سرچاهی و اجزای تشکیل دهنده آن
شکل 9- نمای شماتیک هوزینگ سر لوله جداری
شکل10- ساخت سرلوله جداری به روش Camforge
اسپول سرلوله جداری
وسیله‌ای است که به سر لوله جداری ثانویه متصل می‌شود و از آن برای معلق نگه داشتن و آب بند کردن رشته لوله جداری ثانویه استفاده می‌شود. نمایی از آن برای فشارها و اندازه‌های فلنج مختلف در شکل 16 نشان داده شده است. این قطعه نیز از یک رشته لوله جداری پشتیبانی می‌کند و از قسمتهای زیر تشکیل یافته است:
1) دو فلنج با ابعاد متفاوت و فشارهای کاری مختلف، فلنج پایینی باید از ابعاد و فشار کاری یکسان با فلنج هوزینگ سر لوله جداری که قرار است به یکدیگر متصل شوند، برخوردارباشد.
2) قسمت بالایی از یک حفره استوانه‌ای یا مخروطی برخوردار میباشد که جهت تطبیق آویزهای لوله جداری برای رشته لوله جداری بعدی طراحی شده است.
3) قسمت پایینی دارای یک حفره استوانه‌ای میباشد که برای یک ‘’Bit Pilot’’ و یک سیستم آب بندی (بوشن) طراحی شده است.
فضای حلقوی ما بین دو لوله به دو روش متفاوت می‌تواند آب‌بندی گردد:
1) با فشار دادن یک سری از مجرابندها به هنگام متصل شدن فلنج‌ها (شکل 17)
2) با تقویت یک مجرا بند بوسیله تزریق گریس پلاستیکی (Cameron نوع x) (شکل 18)
شکل 16- نمای شماتیک اسپول سرلوله جداری
بنابراین دو سطح آب‌بندی برای آب‌بندی حلقوی بر روی لوله جداری وجود خواهد داشت: یکی از طریق آویز لوله جداری و دیگری از طریق مجرابند در قاعده اسپول سرلوله جداری، کلیه سازندگان، اسپول‌های سرلوله جداری همه منظوره مطابق شکل 19 را پیشنهاد می‌کنند. این ابزار ممکن است بسته به شرایط چاه اکتشافی به منظور تعلیق لوله جداری با لوله مغزی مورد استفاده قرار گیرند. به همین دلیل که پیچ‌های شعاعی بر روی فلنج بالایی مورد نیاز میباشد.
مجموعه سرچاهی با اتصالات ‘’mud cross’’، لوله مهار فوران و لوله خفه کننده و بالاخره سوار کردن دکل BOP تکمیل میگردد.
شکل 17- مثالی از آب بند روی لوله جداری
شکل18- آب‌بندی لوله جداری بوسیله تزریق
شکل 19- اسپول همه منظوره برای لوله جداری یا مغزی
آویز لوله جداری
وسیله‌ای برای پشتیبانی رشته لوله جداری است که در سر لوله جداری به آن متصل می‌شود. ابعاد و شرایط آن متناسب با ابعاد و شرایط سرلوله جداری میباشد. این قطعه نیز دارای دو نوع اتصال رزوه‌ای نری- مادگی و جوشی میباشد. نمایی از یک نوع آن در شکل 11 نشان داده شده است. این شکل یک آویز لوله جداری طراحی شده برای شرایط سرویس بحرانی و تکمیل چاههای عمیق که وزن لوله جداری زیادی به قطعه اعمال می‌شود، را نشان می‌دهد. این آویز لوله جداری قادر به پشتیبانی 80 درصد استحکام تسلیم بدنه لوله میباشد و برای فشارهای کاری تا psi15000 طراحی شده است.
همچنین نمایی از دو نوع دیگر آن همراه با آب بندهای پشتیبان در شکل بعد نشان داده شده است. این نوع آویزهای لوله جداری برای شرایط سرویس معمولی و غیربحرانی بکار می‌روند. در نوع الف دندانه‌های داخلی تیز آنها وزن معلق لوله جداری را تا 60% استحکام تسلیم بدنه لوله پشتیبانی می‌کنند. در قسمت (ب) یک نوع آویز نشان داده شده است که قادر به پشتیبانی 70% استحکام تسلیم بدنه لوله می‌باشند.
نرخ فشار برای اندازه‌های فلنج اسمی ‘’9 و ‘’11 مقدار psi5000 میباشد.
این وسایل ابزاری هستند که جهت مهاربندی و تعلیق رشته‌های لوله جداری در هوزینگ سرلوله جداری بکار می‌روند. هر کدام، از یک سری لوله‌گیر تشکیل یافته که در اطراف لوله جداری که قرار است آویزان گردد قفل می‌شوند و به درون بخش زاویه‌دار شده سر لوله جداری می‌لغزند. یک رینگ لاستیکی نیز وجود دارد که مجموعه را آب‌بندی می‌کند. تعداد زیادی مدل در بازار وجود دارد. باید به این نکته دقت شود که برای هر مورد یک نوع سرلوله جداری یا یک نوع آویز لوله جداری مطابقت دارد.
سرلوله جداری‌ها و آویزها برای ظرفیتهای متفاوتی طراحی شده‌اند و در نتیجه طبق وزنی که باید تحمل کنند، انتخاب می‌شوند.
سه نوع آویز لوله جداری که در زیر به آن اشاره شده است. در کلیه محصولات وجود دارد:
شکل11- نمایی از یک نوع آویز لوله جداری
شکل12- نمایی از دو نوع آویز لوله جداری
الف) آویزها و مجرابندهای مجزا (شکل 13)
هنگامیکه لوله جداری توسط آویزها معلق میگردد. می‌تواند بریده شود و سپس مجموعه آب‌بندی در اطراف لوله می‌لغزد و بر روی آویزها قرار داده می‌شود. مجرابند از طریق سفت کردن پیچ‌های کلاهک تقویت می‌شود.
ب) آویزها و مجرابندهای الحاقی (شکل 14)
در اینجا کل مجموعه باید باز شود بطوریکه بتواند در اطراف لوله جداری قرار گیرد. وقتی که در مکان موردنظر قرار گرفت و لوله جداری معلق گردید، محکم کردن پیچها باعث فشرده شدن مجرابند بر روی بدنه لوله جداری و در برابر بخش بیرونی هوزینگ سرلوله جداری میگردد. این نوع آویزها معمول‌ترین نوع می‌باشند.
شکل 13- یک نوع آویز لوله جداری و مجرابند مجزا شکل 14- یک نوع آویز لوله جداری و مجرا بند الحاقی
ج) آویزهای خودکار (شکل 15)
این سیستم آویز از یک مجرابند کامل و یک ساختار ویژه برخوردار است. نیروی کشش رو به پایین که از سوی وزن لوله جداری اعمال میگردد، مجرا بند را فشرده و باعث تقویت آب بندی می‌شود.
اسپول سر لوله مغزی
قطعه‌ای است که به بالاترین قسمت لوله جداری یا کوچکترین رشته لوله جداری متصل شده و از آن برای معلق نگه داشتن لوله مغزی و به منظور آب بند کردن فضای حلقوی بین لوله جداری و لوله مغزی استفاده می‌شود. در شکل 20 نمایی از آن برای نرخ فشار تا psi20000 نشان داده شده است.
همچنین در این شکل نمایی از این قطعه برای شرایط سرویس متوسط و نرخ فشار تا psi5000 نشان داده شده است. اسپول سرلوله مغزی مشابه با اسپول سر لوله جداری میباشد. این قطعه دارای حفره مرکزی مخروطی شکل میباشد تا بتواند آویز لوله مغزی را در خود جای دهد.
اسپول‌های سرلوله مغزی مشابه اسپول‌های سرلوله جداری از نوع فلنج دوتایی هستند. تفاوت اصلی آنها در این است که لوله مغزی معلق شده در صورت نیاز باید به آسانی از درون حفره بیرون کشیده شود.
آویز سرلوله مغزی
وسیله‌ای برای پشتیبانی رشته لوله مغزی است که در سرلوله مغزی به آن متصل می‌شود. ابعاد و شرایط آن متناسب با ابعاد و شرایط سر لوله مغزی میباشد. انواع و اشکال مختلف آن در شکل 21 نشان داده شده است.
شکل 16- نمای شماتیک اسپول سرلوله جداری
وسایل تعلیق لوله مغزی غالباً بسیار ساده میباشد. این وسایل در اکثر موارد، تنها از یک آویز رزوه‌ای با یک مجموعه آب بند در قسمت بیرونی مخروطی شکل تشکیل یافته‌اند که به قسمت متناظر مخروطی شکل درون سرلوله مغزی فشار می‌آورد. این آویز توسط پیچ‌های محکم شده در فلنج بالایی در محل نگه داشته می‌شود. یک طولی از لوله مغزی به قسمت بالایی رزوه شده مادگی مربوط به آویز پیچ می‌شود تا بتواند بطور کامل در آویز مستقر شود. دو پورت کناری این اجازه را می‌دهند که بتوان فضای حلقوی میان آخرین رشته لوله جداری و لوله مغزی را چک نمود. (شکل 22)
شکل 22- اجزای تشکیل دهنده آویز لوله مغزی
شکل18- آب‌بندی لوله جداری بوسیله تزریق
لوله مغزی ممکن است به فلنج متصل به سر لوله مغزی نیز پیج شود. فلنج همچنین می‌تواند به عنوان یک تبدیل عمل نماید و قسمت بالای آن مستقیماً به نخستین شیر اصلی متصل گردد. به منظور تکمیل سازی دوتایی (دو مخزن تولیدی جداگانه مثلاً دو خط لوله مغزی موازی در لوله جداری) یک سر لوله مغزی ویژه باید مورد استفاده قرار گیرد که به آویزهای لوله اجازه قرار گرفتن و تنظیم شدن به شکل نیمه ماه را می‌دهد. (شکل 23)
شکل 23- آویز لوله مغزی دوتایی و اتصالات لوله
تبدیل سر لوله مغزی
قطعه‌ای است که بالاترین اتصال لوله مغزی را به پایین‌ترین شیر درخت کریسمس متصل می‌کند و در حقیقت وسیله‌ای برای انتقال از سرچاهی به درخت کریسمس میباشد. نمایی از انواع مختلف آن با توجه به ابعاد، نوع اتصال نرخ فشار و چگونگی کاربرد در شکل 24 نشان داده شده است.
شکل 24- نمای شماتیک انواع تبدیل سرلوله مغزی
شرایط عملکرد تجهیزات سرچاهی
تمام اجزای تجهیزات سرچاهی باید طوری طراحی شوند که مطابق با نیازمندیهای استاندارد ‘’API spec 6A’’ بتوانند کار کنند، بطوریکه محدوده فشار و درجه حرارت موافق با کلاس مواد در جدول 3 باشد. نیازمندیهای دیگر شامل ظرفیت بار، سیکلهای اعمالی، نیرو و گشتاور کاری میباشد.
طبق این استاندارد دو سطح نیازمندیهای عملکرد وجود دارد که به ترتیب PR2 , PR1 می‌باشند. نوع دوم نشان دهنده نیازمندیهای عملکرد شدیدتری می‌باشند.
لوله های بدون درز نباید با تیوب های بدون درز اشتباه گرفته شود بین این دو چند تفاوت وجود دارد. لوله به جسم استوانه یی شکلی که سیالات در درون آن جریان دارد گفته می شود در حالیکه تویوب به مقاطع استوانه ای گفته می شود که می تواند اشکال مختلفی مانند گرد، بیضی و مربع داشته باشد و می‌تواند مصارفی مانند سازه های ساختاری/ مکانیکی، سیستم های ابزار دقیقی و سازه های تحت فشار مانند بویلرها سوپر هیتر ها داشته باشد.
فشار کاری
تمام تجهیزات سرچاهی باید طوری طراحی شوند که بتوانند تحت فشارهای کاری ماکزیمم ذکر شده در جدول 1 کار کنند.
دمای کاری
تجهیزات سرچاهی باید طوری طراحی شوند که بتوانند در یک محدوده یا چند محدوده ذکر شده در جدول 2 کار کنند. دمای کمینه (MIN) پایین‌ترین دمایی است که قطعات تحت آن قرار می‌گیرند. دمای پیشینه (MAX) بالاترین دمای سیال است که ممکن است مستقیماً با تجهیزات تماس داشته باشند.
جدول 1- فشار کاری تجهیزات سرچاهی طبق استاندارد ‘’API spec 6A’’
جدول 2- دسته‌بندی محدوده دمایی طبق استاندارد ‘’API spec 6A’’
کلاس مواد تجهیزات سرچاهی
تجهیزات سرچاهی باید از مواد اشاره شده در جدول 3 ساخته شوند. انتخاب هر کدام از این دسته مواد بر حسب شدت شرایط عملکرد و مقدار خورندگی محیط صورت می‌گیرد. در صورتیکه نیازمندیهای مربوط به خواص مکانیکی برآورده شود، فولادهای ضد زنگ می‌توانند به جای فولادهای کربنی و کم آلیاژی بکار گرفته شوند. همچنین آلیاژهای مقاوم به خوردگی می‌توانند به جای فولادهای ضد زنگ استفاده شوند. انتخاب کلاس مواد یکی از اصلی‌ترین وظایف طراح میباشد که باید فاکتورهای مختلف محیطی و متغیرهای تولید را در نظر بگیرد.
جدول 3- مواد مورد نیاز برای شرایط مختلف عمکرد طبق استاندارد ‘’API spec 6A’’
استانداردهای ساخت و کنترل کیفی
به منظور فراهم کردن نیازمندیهای طراحی، شرایط عملکرد، مواد و ساخت، آزمایشات کنترل کیفی، بازرسی، جوشکاری، علامت گذاری، بسته‌بندی، حمل و نقل، نگهداری و تعمیر مجدد تجهیزات سرچاهی، استانداردهایی توسط انجمن نفت آمریکا API طراحی شده است که در ادامه ذکر می‌شود.
1. BSR/API Spec 6A/ISO 10423
Title: Specification for Wellhead and Christmas Tree Equipment
2. API RP 6AR
Title: Recommended Practice for Repair and Remanufacture of Wellhead and Christmas Tree Equipment, First Edition
3. API SPEC 111W
Title: Specification for Independent Wellhead Equipment, First Edition
4. API SPEC 17D
Title : Specification for Subsea Wellhead and Christmas Tree Equipment, First Edition; Supplement 1 – 1993; Supplement -2 1996
5. API SPEC 6A
Title: Specification for Wellhead and Christmas Tree Equipment, Seventeenth Edition
6. API SPEC 6AV1
Title: Specification for Verification Test of Wellhead Surface Safety Valves and Underwater Safety Valves for Offshore Service, First Edition; Errata – December 1996
شرکتهای سازنده تجهیزات سرچاهی
| مکان | محصولات | نام شرکت |
|---|---|---|
| England | B.O.P. Drilling Equipment, Valve, Wellhead. | Cameron |
| Gilmore avenue, bakersfield CA, USA | Wellhead equipment | Wellhead Inc |
| Profsojuznaja str, Moscow, Russia | Wellhead equipment, valve, Blowout equipment, production equipment tools and load-lifting equipment. | ‘’Voronexh Machanical Plant’’ (VMP) |
| Romania | wellhead equipment, valve | UZTEL S.A |
| N. Richy Pasadena, Texas, USA | RH colled tubing hanger system, API wellhead equipment | ‘’Wellhead Control Product’’ |
| Bakersfield CA, USA | Christmas tree valves wellhead equipment, Gate valve | ELCO |
| San Antonio, Texas, USA | Christmas tree, manifold, valve Blowout preventer | SANA International |
| USA | wellhead, Gate valve, Check valve | Control Flow Inc |
| Edmonton, Canada | Christmas tree valve Wellhead equlpment, Gate valve. | Stream-Flo |
| Broadway, Moore, ok, USA | Christmas tree, manifold, valve Blowout preventer | Pcc Flow (Aop Industrial Inc) |
| Gate shield, Tyne & wear, UK | Ollfled valves, Wellhead equipment Blowout preventer | ANSON |
| Hasdue st, campina, prohora, Romania | Wellhea, Gate valve, Check valve. | Pcc Sterom SA |
| Houston, TX, USA | Quarter-turn ball vale, Check valve Gate valve, production choke, wellhead components, sucker rod, pump parts. | Wellhead Distributors Intemational (WDI) |
| Houston, TX, USA | Fittings, valves, wellhead, manifold, christmas tree. | Woodco USA |
| Japan | Wellhead equipment, valves | TIX-IKS |
| Odesa, Texas, USA | Wellhead, valves | Superior Ollfeld Supply |
| Houston, TX, USA | Downhole tools, Wellhead equipement | Pedcor |
| China | Wellhead equirpent & Christmas tree, valve, manifold, casing & tubint | Jinho |
| Jian yang road, Jianhu county, China | Welhead equipment, valve, manifold, Blowout preveter. | Yancheng Sanyi Petrochemical Machinery Co Ltd |
| Houston, TX, USA | Christmas tree, Welhead, Flow Control equipment, manifold Systems | FMC |
| Cambridge, England | Choke, Valve, Wellhead | Kvaerner |
| Cambridge, England | Drilling and Production equipment Wellhead | ABB |
| Wavrin, Cedex, France | Welhead, Valve Christmas tree | Malbrangue |