Wellhead چیست؟ راهنمای کامل اجزا، انواع و نحوه عملکرد تجهیزات سرچاهی چاه نفت و گاز

در یک چاه نفت یا گاز، تجهیزات متعددی برای نگهداری رشته‌های Casing، کنترل فشار، آب‌بندی فضای حلقوی و فراهم کردن محل نصب تجهیزات بعدی مورد نیاز هستند. مجموعه‌ای که بخش مهمی از این وظایف را در سطح چاه انجام می‌دهد، Wellhead یا تجهیزات سرچاهی نام دارد.

Wellhead یکی از اصلی‌ترین بخش‌های هر چاه نفت و گاز است و از مراحل حفاری تا تکمیل و تولید چاه نقش بسیار مهمی ایفا می‌کند.

تجهیزاتی مانند:

• Casing Head
• Casing Spool
• Casing Hanger
• Tubing Head
• Tubing Hanger
• Tubing Head Adapter
• Valves
• Spools
• Flanges

می‌توانند بخشی از سیستم Wellhead باشند.

همچنین تجهیزاتی مانند BOP در مرحله حفاری و Christmas Tree در مرحله تولید به Wellhead متصل می‌شوند.

SLB، Wellhead را بخش انتهایی چاه در سطح معرفی می‌کند که امکان نصب Casing Hangerها در مرحله ساخت چاه، نگهداری Production Tubing و نصب Christmas Tree و تجهیزات کنترل جریان سطحی را فراهم می‌کند. (Glossary⁠)

 

Wellhead چیست؟

Wellhead مجموعه‌ای از تجهیزات فشاربالا است که در بالای چاه نصب می‌شود و رابط میان رشته‌های داخل چاه و تجهیزات سطحی محسوب می‌شود.

وظایف اصلی Wellhead عبارت‌اند از:

• نگهداری Casing Stringها
• نگهداری Production Tubing
• تحمل بار رشته‌های داخل چاه
• ایجاد Pressure Containment
• آب‌بندی فضای بین Casingها
• ایجاد دسترسی به Annulus
• فراهم کردن محل نصب BOP
• فراهم کردن محل نصب Christmas Tree
• امکان کنترل و مانیتورینگ فشارهای مختلف چاه

بنابراین Wellhead فقط یک فلنج یا یک شیر نیست؛ بلکه یک سیستم کامل مکانیکی و فشاربالا است.

 

Wellhead در کجای چاه قرار دارد؟

در چاه‌های خشکی، Wellhead در قسمت بالای چاه و معمولاً در نزدیکی سطح زمین قرار دارد.

بخش‌های پایین‌تر آن به رشته‌های Casing متصل هستند و بخش بالایی آن می‌تواند محل نصب:

BOP Stack

در هنگام حفاری یا:

Christmas Tree

پس از تکمیل چاه باشد.

در چاه‌های دریایی Subsea، Wellhead در بستر دریا نصب می‌شود.

 

وظیفه اصلی Wellhead چیست؟

برای درک Wellhead باید بدانیم که یک چاه نفت و گاز معمولاً فقط یک لوله ساده داخل زمین نیست.

در مراحل مختلف حفاری چند رشته Casing با قطرهای مختلف در چاه نصب می‌شوند.

برای مثال ممکن است یک چاه شامل:

• Conductor Casing
• Surface Casing
• Intermediate Casing
• Production Casing

باشد.

هرکدام از این رشته‌ها باید در قسمت بالای چاه:

• نگه داشته شوند
• Seal شوند
• فشار آن‌ها کنترل شود

Wellhead ساختاری را فراهم می‌کند که تمام این رشته‌ها بتوانند به شکل ایمن در سطح چاه مهار شوند.

 

اجزای اصلی Wellhead چیست؟

ساختار دقیق Wellhead براساس طراحی چاه متفاوت است، اما اجزای اصلی معمولاً شامل موارد زیر هستند:

• Casing Head
• Casing Spool
• Casing Hanger
• Packoff / Seal
• Tubing Head
• Tubing Hanger
• Tubing Head Adapter
• Side Outlets
• Flanges
• Valves
• Studs and Bolts
• Sealing Rings

در ادامه هرکدام را بررسی می‌کنیم.

 

Casing Head چیست؟

Casing Head یکی از اولین اجزای اصلی Wellhead است.

این تجهیز در قسمت پایین مجموعه Wellhead قرار گرفته و ارتباط میان Surface Casing و سایر تجهیزات Wellhead را ایجاد می‌کند.

همچنین در مرحله حفاری می‌تواند محل اتصال BOP Stack باشد.

SLB، Casing Head را رابط میان اولین Casing String و BOP Stack در هنگام حفاری یا Wellhead بعد از Completion معرفی می‌کند. (Glossary⁠)

 

وظایف Casing Head

Casing Head می‌تواند وظایف مختلفی داشته باشد، از جمله:

• نگهداری Casing Hanger
• تحمل وزن رشته Casing
• ایجاد Seal
• فراهم کردن اتصال به BOP یا تجهیزات بعدی
• ایجاد Side Outlet برای Annulus
• انتقال بار به ساختار Wellhead

Casing Head یکی از پایه‌ای‌ترین اجزای سیستم سرچاهی است.

 

Casing Spool چیست؟

پس از نصب اولین Casing، ممکن است برای رشته‌های بعدی از:

Casing Spool

استفاده شود.

Casing Spool روی Casing Head یا Spool پایین‌تر نصب شده و محل قرارگیری Casing Hanger بعدی را فراهم می‌کند.

SLB توضیح می‌دهد که Casing Spool در Wellheadهای فلنجی برای مهار انتهای بالایی یک Casing String مورد استفاده قرار می‌گیرد و در سایزها و Pressure Ratingهای مختلف ساخته می‌شود. (Glossary⁠)

 

Casing Bowl چیست؟

در داخل Casing Head یا Casing Spool معمولاً یک پروفایل داخلی وجود دارد که:

Casing Bowl

نامیده می‌شود.

Casing Hanger روی این قسمت قرار می‌گیرد.

وظیفه Casing Bowl ایجاد سطح مناسب برای:

• نگهداری Hanger
• انتقال بار
• ایجاد Seal

است.

SLB نیز Casing Bowl را بخشی از تجهیزات Wellhead معرفی می‌کند که Casing Hanger بعد از نصب رشته Casing روی آن قرار می‌گیرد. (Glossary⁠)

 

Casing Hanger چیست؟

Casing Hanger تجهیزی است که رشته Casing را در داخل Wellhead نگه می‌دارد.

پس از پایین بردن Casing داخل چاه، وزن رشته باید به یک نقطه در سطح منتقل شود.

Casing Hanger این وظیفه را انجام می‌دهد.

به زبان ساده:

Casing Hanger وزن Casing را به Wellhead منتقل می‌کند.

 

انواع Casing Hanger

Casing Hangerها می‌توانند طراحی‌های مختلفی داشته باشند.

از انواع رایج می‌توان به:

• Slip-Type Hanger
• Mandrel-Type Hanger

اشاره کرد.

API Spec 6A هر دو نوع Slip-Type و Mandrel-Type Casing و Tubing Hanger را در محدوده تجهیزات Wellhead و Tree قرار می‌دهد. (American Petroleum Institute⁠)

 

Slip-Type Casing Hanger چیست؟

در این سیستم از Slipهایی با سطح دندانه‌دار استفاده می‌شود.

وقتی Casing داخل Wellhead قرار می‌گیرد، Slipها به سطح خارجی Casing درگیر شده و وزن آن را تحمل می‌کنند.

این نوع Hanger در بسیاری از Wellheadهای متداول مورد استفاده قرار می‌گیرد.

 

Mandrel-Type Hanger چیست؟

در Mandrel Hanger، Hanger بخشی از ساختار Casing یا یک تجهیز اختصاصی متصل به آن است.

این طراحی می‌تواند در برخی سیستم‌ها:

• کنترل بهتر بار
• عملکرد مناسب در فشار بالا
• نصب دقیق‌تر

فراهم کند.

انتخاب نوع Hanger به طراحی Wellhead و برنامه چاه بستگی دارد.

 

Packoff چیست؟

تنها نگه داشتن Casing کافی نیست.

فضای میان Casing و Wellhead نیز باید Seal شود.

برای این منظور از:

Packoff

یا سیستم‌های Sealing استفاده می‌شود.

Packoff مانع عبور ناخواسته سیال یا فشار از Annulus به بیرون می‌شود.

این Seal یکی از اجزای بسیار مهم Pressure Integrity سیستم Wellhead است.

 

Annulus چیست؟

Annulus فضای حلقوی میان دو لوله یا میان Casing و Tubing است.

برای مثال:

فضای میان Production Casing و Tubing یک Annulus محسوب می‌شود.

همچنین میان دو Casing String مختلف نیز Annular Space وجود دارد.

مانیتورینگ فشار Annulus یکی از موضوعات بسیار مهم در مدیریت چاه است.

 

چرا فشار Annulus مهم است؟

افزایش غیرعادی Annulus Pressure ممکن است نشان‌دهنده مشکلاتی مانند:

• Leakage
• Tubing Failure
• Casing Failure
• Seal Failure
• Migration of Gas

باشد.

به همین دلیل روی Wellhead معمولاً امکان:

• اندازه‌گیری فشار
• Bleed-Off
• تزریق سیال
• مانیتورینگ

Annulus فراهم می‌شود.

 

Side Outlet چیست؟

روی Casing Head، Casing Spool یا Tubing Head معمولاً خروجی‌های جانبی وجود دارد.

این خروجی‌ها با عنوان:

Side Outlet

شناخته می‌شوند.

از Side Outlet می‌توان برای:

• اندازه‌گیری Annulus Pressure
• تزریق سیال
• Bleed-Off
• نصب Valve
• تست فشار

استفاده کرد.

 

Tubing Head چیست؟

پس از تکمیل مراحل مربوط به Casing، بخش مهم دیگری از Wellhead با عنوان:

Tubing Head

مطرح می‌شود.

Tubing Head وظیفه نگهداری:

Tubing Hanger

را بر عهده دارد.

همچنین محل اتصال Christmas Tree به Wellhead را فراهم می‌کند.

SLB نیز Tubing Head را تجهیزی معرفی می‌کند که Tubing Hanger را نگه داشته و امکان اتصال Christmas Tree به Wellhead را فراهم می‌کند. (Glossary⁠)

 

Production Tubing چیست؟

Production Tubing لوله‌ای است که سیال تولیدی چاه معمولاً از طریق آن به سطح منتقل می‌شود.

پس از اتمام حفاری و Completion، Tubing داخل Production Casing نصب می‌شود.

سیالاتی مانند:

• نفت
• گاز
• آب تولیدی

می‌توانند از طریق Tubing به سطح برسند.

 

Tubing Hanger چیست؟

همان‌طور که Casing Hanger وزن Casing را نگه می‌دارد، Tubing Hanger نیز Production Tubing را در Wellhead نگه می‌دارد.

وظایف آن می‌تواند شامل:

• تحمل وزن Tubing
• ایجاد Seal
• جدا کردن Tubing Pressure از Annulus
• ایجاد مسیرهای کنترلی در برخی طراحی‌ها

باشد.

 

Tubing Head Adapter چیست؟

در قسمت بالای Tubing Head معمولاً قطعه‌ای به نام:

Tubing Head Adapter

نصب می‌شود.

این قطعه واسط میان:

Tubing Head

و:

Christmas Tree

است.

نوع اتصال آن می‌تواند براساس طراحی تجهیز متفاوت باشد.

 

Wellhead و BOP چه ارتباطی دارند؟

در هنگام حفاری، BOP Stack روی تجهیزات Wellhead نصب می‌شود.

Wellhead باید بتواند:

• وزن BOP
• فشار چاه
• بارهای عملیاتی

را تحمل کند.

BOP وظیفه کنترل اضطراری Well Pressure را دارد، درحالی‌که Wellhead ساختار اصلی نگهداری و Pressure Containment چاه را فراهم می‌کند.

 

تفاوت Wellhead و BOP چیست؟

این دو تجهیز گاهی با یکدیگر اشتباه گرفته می‌شوند.

Wellhead

جزء اصلی ساختار چاه است و برای:

• نگهداری Casing
• نگهداری Tubing
• کنترل Annulus
• ایجاد Pressure Containment
• اتصال تجهیزات مختلف

استفاده می‌شود.

BOP

یک سیستم Well Control است که عمدتاً در مرحله حفاری و عملیات چاه برای:

• Shut-In
• کنترل Kick
• جلوگیری از Blowout

استفاده می‌شود.

بنابراین:

Wellhead = ساختار و اتصال اصلی سرچاه

BOP = سیستم کنترل اضطراری فشار چاه

 

Christmas Tree چیست؟

بعد از Completion چاه، مجموعه‌ای از Valve، Spool، Choke و تجهیزات کنترلی روی Wellhead نصب می‌شود.

این مجموعه:

Christmas Tree

نام دارد.

SLB، Christmas Tree را مجموعه‌ای از Valveها، Spoolها، Pressure Gaugeها و Chokeها معرفی می‌کند که روی Wellhead چاه تکمیل‌شده نصب شده و برای کنترل تولید استفاده می‌شود. (Glossary⁠)

 

تفاوت Wellhead و Christmas Tree چیست؟

یکی از مهم‌ترین نکات در تجهیزات سرچاهی، تفاوت این دو است.

Wellhead

وظایف اصلی:

• نگهداری Casing
• نگهداری Tubing
• تحمل بار
• ایجاد Seal
• Pressure Containment
• پشتیبانی تجهیزات سرچاهی

Christmas Tree

وظایف اصلی:

• باز و بسته کردن جریان تولید
• کنترل Flow
• کنترل Pressure
• هدایت سیال تولیدی
• اتصال به Flowline
• انجام برخی عملیات Injection و Intervention

به زبان ساده:

Wellhead چاه را نگه می‌دارد و ساختار اصلی سرچاه را ایجاد می‌کند.

Christmas Tree جریان تولیدی چاه را کنترل می‌کند.

 

آیا Christmas Tree بخشی از Wellhead است؟

در مکالمات صنعتی گاهی مجموعه کامل تجهیزات بالای چاه به‌صورت کلی Wellhead Equipment نامیده می‌شود.

اما از نظر فنی بهتر است Wellhead و Christmas Tree را دو مجموعه مرتبط ولی مجزا بدانیم.

Christmas Tree روی Wellhead نصب می‌شود.

 

Gate Valve در Wellhead چه کاربردی دارد؟

Gate Valve یکی از مهم‌ترین شیرهای مورد استفاده در تجهیزات سرچاهی و Christmas Tree است.

این ولوها ممکن است برای:

• Isolation
• Shut-Off
• کنترل مسیر جریان

استفاده شوند.

اما Wellhead Gate Valve با بسیاری از Gate Valveهای معمولی پایپینگ تفاوت دارد.

در تجهیزات سرچاهی معمولاً الزامات استانداردهایی مانند:

API 6A

مطرح هستند.

بنابراین مشخصاتی مانند:

• Working Pressure
• Temperature Class
• Material Class
• PSL
• PR

اهمیت پیدا می‌کنند.

 

Choke در تجهیزات سرچاهی چه کاری انجام می‌دهد؟

Choke برای محدود کردن و کنترل Flow از چاه مورد استفاده قرار می‌گیرد.

کاهش سطح عبور باعث ایجاد Pressure Drop شده و Flow Rate کنترل می‌شود.

Choke می‌تواند:

• Fixed
• Adjustable
• Manual
• Actuated

باشد.

API 6A نیز Chokeهای ثابت، دستی و Remote-Actuated را در محدوده تجهیزات Wellhead و Tree پوشش می‌دهد. (American Petroleum Institute⁠)

 

Master Valve چیست؟

در Christmas Tree یکی از مهم‌ترین شیرها:

Master Valve

است.

Master Valve در مسیر اصلی عمودی چاه قرار دارد و برای Shut-Off اصلی جریان استفاده می‌شود.

برخی Treeها ممکن است بیش از یک Master Valve داشته باشند.

 

Wing Valve چیست؟

Wing Valve در شاخه جانبی Christmas Tree نصب می‌شود.

جریان تولید معمولاً از طریق Production Wing Valve به سمت:

• Choke
• Flowline
• Production Facility

هدایت می‌شود.

 

Swab Valve چیست؟

در بالای Christmas Tree معمولاً:

Swab Valve

قرار دارد.

این Valve امکان دسترسی عمودی به Wellbore را برای عملیات‌هایی مانند:

• Wireline
• Intervention
• Swabbing

فراهم می‌کند.

 

Pressure Gauge در Wellhead

یکی از تجهیزات مهم Instrumentation در سیستم سرچاهی:

Pressure Gauge

است.

ممکن است فشارهای مختلفی اندازه‌گیری شوند:

• Tubing Pressure
• Casing Pressure
• Annulus Pressure
• Flowline Pressure

اندازه‌گیری این فشارها برای Monitoring وضعیت چاه اهمیت دارد.

 

Pressure Transmitter در تجهیزات سرچاهی

در سیستم‌های مدرن ممکن است به‌جای Gauge یا در کنار آن از:

Pressure Transmitter

استفاده شود.

Transmitter امکان ارسال فشار به:

• PLC
• RTU
• SCADA
• DCS

را فراهم می‌کند.

در نتیجه Wellhead می‌تواند از راه دور Monitoring شود.

 

Temperature Transmitter

در برخی چاه‌ها اندازه‌گیری:

Wellhead Temperature

نیز اهمیت دارد.

تغییر غیرعادی Temperature می‌تواند اطلاعات مهمی درباره شرایط تولید یا تجهیزات ارائه کند.

 

تجهیزات ابزار دقیق مورد استفاده در Wellhead

بسته به پروژه ممکن است تجهیزات مختلفی وجود داشته باشند:

• Pressure Gauge
• Pressure Transmitter
• Temperature Gauge
• Temperature Transmitter
• Pressure Switch
• Flowmeter
• Position Switch
• Valve Position Indicator
• Solenoid Valve
• Hydraulic Control Valve
• ESD System

در چاه‌های Remote، اطلاعات این تجهیزات ممکن است توسط RTU به Control Room ارسال شود.

 

Surface Safety Valve چیست؟

در بسیاری از چاه‌های تولیدی از:

Surface Safety Valve – SSV

استفاده می‌شود.

SSV برای Shut-In خودکار چاه در شرایط اضطراری طراحی شده است.

این شیر می‌تواند به سیستم:

Emergency Shutdown – ESD

متصل باشد.

API 6A نیز SSV Assembly و تجهیزات مرتبط با آن را در محدوده استاندارد خود قرار می‌دهد. (American Petroleum Institute⁠)

 

API 6A چیست؟

یکی از اصلی‌ترین استانداردهای تجهیزات سرچاهی:

API Specification 6A

است.

عنوان آن:

Specification for Wellhead and Tree Equipment

است.

API 6A الزامات مربوط به:

• طراحی
• متریال
• عملکرد
• تست
• بازرسی
• جوشکاری
• مارکینگ
• تعمیر و Remanufacturing

تجهیزات Wellhead و Tree را پوشش می‌دهد. (pp-ws-cd.api.org⁠)

نسخه 21st Edition این استاندارد همچنان مبنای جاری API است و Addendum 4 آن در نوامبر 2024 منتشر شده است. (American Petroleum Institute⁠)

 

چه تجهیزاتی زیر API 6A قرار می‌گیرند؟

API 6A خانواده گسترده‌ای از تجهیزات را پوشش می‌دهد، از جمله:

• Casing Head
• Casing Spool
• Tubing Head
• Crossover Spool
• Casing Hanger
• Tubing Hanger
• Gate Valve
• Plug Valve
• Ball Valve
• Check Valve
• Choke
• Actuator
• Adapter
• Connector
• Flange
• Surface Safety Valve

بنابراین API 6A فقط استاندارد Valve نیست؛ بلکه یک استاندارد جامع برای Wellhead و Tree Equipment محسوب می‌شود. (American Petroleum Institute⁠)

 

Pressure Rating در Wellhead

تجهیزات سرچاهی می‌توانند با Working Pressureهای بسیار بالا ساخته شوند.

در پروژه‌های نفت و گاز ممکن است با Ratingهایی مانند:

• 2,000 psi
• 3,000 psi
• 5,000 psi
• 10,000 psi
• 15,000 psi
• 20,000 psi

مواجه شویم.

انتخاب Pressure Rating باید براساس:

• Well Pressure
• Design Pressure
• Maximum Expected Pressure
• Safety Requirement

انجام شود.

نباید Working Pressure تجهیز کمتر از نیاز واقعی چاه انتخاب شود.

 

چرا Wellhead Valveها فشار بالایی دارند؟

فشار سیال در بعضی Reservoirها بسیار بالا است.

در نتیجه تجهیزات سرچاهی باید بدون ایجاد:

• Leakage
• Deformation
• Failure

فشار را Contain کنند.

به همین دلیل Wellhead Gate Valveها از نظر:

• Body Design
• Bonnet
• Stem
• Gate
• Seat
• Seal
• Bolting

برای سرویس‌های بسیار سنگین طراحی می‌شوند.

 

PSL در API 6A چیست؟

یکی از اصطلاحات مهم هنگام سفارش تجهیزات API 6A:

PSL – Product Specification Level

است.

API 6A سطوح مختلفی از الزامات فنی و کنترل کیفیت را تعریف می‌کند.

با افزایش سطح PSL، الزامات مربوط به مواردی مانند:

• Material Control
• Traceability
• Testing
• Inspection
• Documentation
• NDE

می‌تواند سختگیرانه‌تر شود.

API 6A چهار سطح Product Specification Level را تعریف می‌کند. (American Petroleum Institute⁠)

انتخاب PSL باید طبق شرایط پروژه و Datasheet انجام شود.

 

PR چیست؟

اصطلاح دیگری که روی تجهیزات API 6A مشاهده می‌شود:

PR – Performance Requirement

است.

PR به سطح Performance Verification تجهیز مربوط می‌شود.

این مشخصه به‌خصوص هنگام انتخاب Valve و برخی تجهیزات Wellhead اهمیت پیدا می‌کند.

نباید PR را با PSL یکسان دانست.

 

Material Class چیست؟

API 6A برای متریال تجهیزات نیز Classهای مختلفی در نظر می‌گیرد.

Material Class باید براساس شرایط سیال انتخاب شود.

پارامترهایی مانند:

• H₂S
• CO₂
• Chloride
• Corrosiveness
• Temperature

در انتخاب متریال اهمیت دارند.

 

Wellhead در Sour Service

اگر چاه حاوی:

H₂S

باشد، شرایط Sour Service مطرح می‌شود.

در چنین شرایطی انتخاب متریال Wellhead اهمیت بسیار زیادی دارد.

ممکن است الزامات:

NACE MR0175 / ISO 15156

برای تجهیزات مطرح شوند.

اما صرف Stainless Steel یا Alloy بودن یک تجهیز به معنی مناسب بودن آن برای Sour Service نیست.

باید:

• Material Grade
• Hardness
• Heat Treatment
• H₂S Conditions
• Service Limits

بررسی شوند.

 

متریال تجهیزات Wellhead

بسته به فشار و شرایط سرویس ممکن است از متریال‌های مختلفی استفاده شود.

برای مثال:

• Carbon Steel
• Low Alloy Steel
• Stainless Steel
• Duplex
• Nickel Alloy
• Corrosion Resistant Alloy

انتخاب متریال باید براساس استاندارد و شرایط واقعی چاه انجام شود.

 

CRA Cladding چیست؟

در برخی تجهیزات فشاربالا، ساخت کل Body از یک آلیاژ بسیار گران ممکن است اقتصادی نباشد.

در چنین شرایطی ممکن است سطح در تماس با سیال با:

CRA – Corrosion Resistant Alloy

پوشانده یا Clad شود.

این روش می‌تواند مقاومت خوردگی سطح Wetted را افزایش دهد و در عین حال هزینه تجهیز را کنترل کند.

 

Ring Type Joint یا RTJ چیست؟

در تجهیزات Wellhead فشاربالا، اتصال فلنجی باید بتواند فشار بسیار زیادی را Seal کند.

یکی از روش‌های رایج:

RTJ – Ring Type Joint

است.

در این سیستم یک Metallic Ring Gasket بین شیارهای مخصوص Flange قرار می‌گیرد.

با Tightening پیچ‌ها، Ring فشرده شده و Seal فشاربالا ایجاد می‌شود.

 

چرا RTJ در تجهیزات سرچاهی رایج است؟

RTJ برای:

• فشار بالا
• دمای بالا
• سرویس‌های نفت و گاز

مناسب است.

به همین دلیل در:

• Wellhead
• BOP
• API 6A Valve
• Choke
• High Pressure Flange

بسیار دیده می‌شود.

 

Flanged و Clamp Hub Connection

در تجهیزات سرچاهی ممکن است از روش‌های مختلف اتصال استفاده شود.

دو نمونه رایج:

Flanged Connection

اتصال توسط Flange، Stud و Nut انجام می‌شود.

Clamp / Hub Connection

از Hub و Clamp مخصوص استفاده می‌شود.

هرکدام مزایا و استانداردهای طراحی خود را دارند.

 

Surface Wellhead چیست؟

Surface Wellhead روی سطح زمین یا روی پلتفرم قرار دارد.

این نوع در:

• Land Well
• برخی Offshore Platformها
• Jack-Up Operations

دیده می‌شود.

دسترسی، تعمیر و Monitoring آن نسبتاً ساده‌تر است.

 

Subsea Wellhead چیست؟

در چاه‌های Subsea، Wellhead روی بستر دریا قرار دارد.

SLB، Subsea Well را چاهی تعریف می‌کند که Wellhead، Christmas Tree و تجهیزات Production Control آن روی Seabed قرار دارند. (Glossary⁠)

این تجهیزات باید شرایط بسیار سخت:

• فشار آب
• خوردگی دریایی
• دسترسی محدود
• نصب توسط ROV
• بارهای Riser

را تحمل کنند.

 

تفاوت Surface و Subsea Wellhead

Surface Wellhead در دسترس اپراتور است، اما Subsea Wellhead ممکن است صدها یا هزاران متر زیر سطح آب قرار داشته باشد.

بنابراین Subsea System نیازمند:

• Reliability بالاتر
• Remote Operation
• ROV Compatibility
• Subsea Connectors
• Corrosion Protection

است.

برای تجهیزات Subsea، استانداردهای دیگری مانند API 17D نیز اهمیت پیدا می‌کنند. API در برنامه استانداردهای خود API 17D را به‌عنوان Specification for Subsea Wellhead and Tree Equipment معرفی می‌کند. (American Petroleum Institute⁠)

 

مراحل کلی نصب Wellhead

نصب واقعی براساس طراحی چاه متفاوت است، اما روند کلی می‌تواند به صورت زیر باشد:

مرحله اول: نصب اولین Casing

پس از حفاری بخش ابتدایی چاه، Surface Casing نصب و Cement می‌شود.

مرحله دوم: نصب Casing Head

Casing Head روی Casing نصب می‌شود.

مرحله سوم: نصب BOP

BOP Stack برای ادامه حفاری روی Wellhead نصب می‌شود.

مرحله چهارم: حفاری Section بعدی

حفاری تا عمق بیشتر ادامه پیدا می‌کند.

مرحله پنجم: نصب Casing جدید

رشته Casing بعدی پایین برده شده و Cement می‌شود.

مرحله ششم: نصب Casing Hanger

Casing Hanger وزن رشته را تحمل می‌کند.

مرحله هفتم: نصب Casing Spool

در صورت نیاز Spool جدید اضافه می‌شود.

مرحله هشتم: تکرار مراحل

برای رشته‌های Casing بعدی مراحل مشابه ادامه پیدا می‌کند.

مرحله نهم: نصب Tubing Head

پس از اتمام Casing Program، Tubing Head نصب می‌شود.

مرحله دهم: نصب Production Tubing

Tubing وارد چاه شده و توسط Tubing Hanger نگه داشته می‌شود.

مرحله یازدهم: نصب Christmas Tree

پس از Completion، Christmas Tree روی Wellhead نصب می‌شود.

 

Wellhead چگونه کار می‌کند؟

عملکرد Wellhead را می‌توان بسیار ساده این‌گونه توضیح داد:

Casing Stringها از داخل زمین به Wellhead می‌رسند.

هر رشته توسط Casing Hanger نگه داشته می‌شود.

Sealها فشار میان رشته‌های مختلف را از یکدیگر جدا می‌کنند.

Production Tubing توسط Tubing Hanger نگه داشته می‌شود.

Wellhead فشار چاه را Contain می‌کند و امکان دسترسی به Annulus را فراهم می‌کند.

در مرحله حفاری BOP روی آن نصب می‌شود.

بعد از Completion، Christmas Tree روی Wellhead قرار می‌گیرد و کنترل تولید را بر عهده می‌گیرد.

 

مهم‌ترین اطلاعات برای انتخاب Wellhead

انتخاب Wellhead باید براساس اطلاعات واقعی چاه انجام شود.

پارامترهای مهم عبارت‌اند از:

• Well Type
• Casing Program
• Casing Size
• Tubing Size
• Working Pressure
• Design Pressure
• Temperature
• H₂S
• CO₂
• Fluid Composition
• Material Class
• PSL
• PR
• Connection Type
• API Requirement

 

هنگام سفارش تجهیزات سرچاهی چه مشخصاتی باید ارائه شود؟

برای انتخاب صحیح بهتر است اطلاعات زیر در Datasheet یا RFQ مشخص باشند:

• Equipment Type
• API Specification
• Nominal Size
• Bore Size
• Working Pressure
• Temperature Class
• Material Class
• PSL
• PR
• End Connection
• Sour Service Requirement
• NACE Requirement
• Trim Material
• Actuation Type
• Required Testing
• Documentation Requirement

نبود این اطلاعات می‌تواند باعث انتخاب اشتباه تجهیز شود.

 

تفاوت Wellhead Gate Valve و Gate Valve صنعتی معمولی

Gate Valve سرچاهی را نباید صرفاً یک Gate Valve معمولی با Pressure Rating بالاتر دانست.

Wellhead Gate Valve معمولاً برای استاندارد و شرایط خاص سرچاهی طراحی می‌شود.

ممکن است الزامات زیر مطرح باشند:

• API 6A
• Pressureهای بسیار بالا
• Material Class
• PSL
• PR
• Sour Service
• NACE
• مخصوص Wellhead و Christmas Tree

در مقابل Gate Valveهای عمومی صنعت ممکن است براساس استانداردهایی مانند API 600 یا سایر استانداردهای Piping طراحی شوند.

بنابراین این دو خانواده تجهیز از نظر کاربرد و الزامات طراحی یکسان نیستند.

 

آیا API 6A با API 6D یکسان است؟

خیر.

این دو استاندارد کاربرد متفاوتی دارند.

API 6A مربوط به Wellhead و Tree Equipment است.

در حالی که API 6D برای Valveهای Pipeline و Piping کاربرد دارد.

بنابراین صرف اینکه یک Valve استاندارد API دارد، به معنی مناسب بودن آن برای Wellhead نیست.

 

API 6A با API 600 چه تفاوتی دارد؟

API 600 عمدتاً برای Steel Gate Valveهای صنعتی در کاربردهای پالایشگاهی و پایپینگ مطرح است.

اما API 6A مخصوص تجهیزات:

• Wellhead
• Christmas Tree
• Production
• Drilling-related Wellhead Service

است.

بنابراین طراحی، تست، متریال، Pressure Rating و Qualification این تجهیزات می‌تواند تفاوت اساسی داشته باشد.

 

تست تجهیزات Wellhead

به دلیل اهمیت Pressure Integrity، تجهیزات Wellhead تحت آزمایش‌های مختلف قرار می‌گیرند.

بسته به نوع تجهیز و PSL ممکن است شامل:

• Hydrostatic Pressure Test
• Gas Test
• Functional Test
• Dimensional Inspection
• Material Testing
• NDE
• Hardness Test

باشند.

سطح دقیق آزمون‌ها باید براساس API 6A و Project Specification مشخص شود.

 

Traceability چرا اهمیت دارد؟

در تجهیزات حساس Wellhead باید بتوان متریال و فرایند تولید اجزا را ردیابی کرد.

این موضوع با:

Material Traceability

شناخته می‌شود.

اطلاعاتی مانند:

• Heat Number
• Material Certificate
• Manufacturing Record
• Test Report

می‌توانند برای Traceability مورد استفاده قرار گیرند.

 

MTC چیست؟

MTC – Material Test Certificate

مدرکی است که اطلاعات مربوط به متریال را ارائه می‌کند.

ممکن است شامل:

• Chemical Composition
• Mechanical Properties
• Heat Number
• Material Grade

باشد.

در تجهیزات سرچاهی Pressure-Containing، MTC اهمیت بسیار زیادی دارد.

 

PMI چیست؟

Positive Material Identification – PMI

روشی برای تأیید ترکیب آلیاژی قطعه است.

در پروژه‌های حساس ممکن است برای اطمینان از اینکه متریال واقعی با Specification مطابقت دارد از PMI استفاده شود.

 

خطاهای رایج در شناخت Wellhead

Wellhead همان Christmas Tree است

خیر.

Christmas Tree روی Wellhead نصب می‌شود و وظیفه اصلی آن کنترل Production Flow است.

 

Wellhead همان BOP است

خیر.

BOP سیستم کنترل اضطراری چاه است.

 

Wellhead فقط یک Casing Head است

خیر.

Casing Head تنها یکی از اجزای مجموعه Wellhead است.

 

همه Gate Valveها برای Wellhead مناسب‌اند

خیر.

Wellhead Valve باید استاندارد، فشار و مشخصات مناسب سرویس سرچاهی را داشته باشد.

 

فقط Working Pressure اهمیت دارد

خیر.

Material Class، Temperature، PSL، PR، Sour Service و سایر مشخصات نیز اهمیت دارند.

 

هر تجهیز API برای Wellhead مناسب است

خیر.

باید استاندارد دقیق بررسی شود.

API 6A مشخصاً برای Wellhead و Tree Equipment تدوین شده است.

 

ارتباط Wellhead با سایر تجهیزات چاه

برای اینکه جایگاه Wellhead کاملاً مشخص شود، می‌توان تجهیزات اصلی را این‌گونه کنار هم قرار داد:

در مرحله حفاری:

Drilling Rig
↓
BOP Stack
↓
Wellhead
↓
Casing
↓
Wellbore

بعد از Completion و در مرحله تولید:

Christmas Tree
↓
Wellhead
↓
Tubing / Casing
↓
Reservoir

بنابراین Wellhead تقریباً در تمام عمر چاه یکی از اجزای مرکزی تجهیزات سطحی یا Subsea باقی می‌ماند.

 

جمع‌بندی

Wellhead یا تجهیزات سرچاهی یکی از اصلی‌ترین سیستم‌های هر چاه نفت و گاز است و رابط میان رشته‌های داخل چاه و تجهیزات سطحی محسوب می‌شود.

Wellhead وظایفی مانند:

• نگهداری Casing Stringها
• نگهداری Production Tubing
• تحمل بار
• کنترل و جداسازی فشارها
• Sealing Annulus
• ایجاد دسترسی به Annulus
• فراهم کردن محل نصب BOP
• فراهم کردن محل نصب Christmas Tree

را انجام می‌دهد.

اجزای اصلی آن می‌توانند شامل:

• Casing Head
• Casing Spool
• Casing Hanger
• Packoff
• Tubing Head
• Tubing Hanger
• Tubing Head Adapter
• Flanges
• Side Outlets

باشند.

در مرحله حفاری، BOP Stack روی Wellhead نصب می‌شود و در صورت بروز Kick برای کنترل چاه مورد استفاده قرار می‌گیرد.

پس از Completion، BOP برداشته شده و Christmas Tree روی Wellhead نصب می‌شود تا جریان تولیدی چاه کنترل شود.

در تجهیزات سرچاهی فشاربالا، استاندارد API 6A یکی از مهم‌ترین مراجع فنی است و الزاماتی برای طراحی، متریال، تست، بازرسی و عملکرد Wellhead و Tree Equipment تعیین می‌کند.

در نهایت، انتخاب صحیح Wellhead باید براساس طراحی واقعی چاه، Casing Program، Pressure Rating، Temperature، Material Class، PSL، PR و شرایط Sour Service انجام شود؛ زیرا Wellhead یکی از اصلی‌ترین Pressure Barrierهای چاه در طول عمر آن محسوب می‌شود.