1 Introducción

El cabezal del pozo es la parte superior del pozo que conduce al depósito. El aceite del depósito sale a través del orificio del pozo con la carcasa. El flujo de petróleo o gas del pozo debe ser suficiente para que sea comercialmente viable. Entonces solo se instala el cabezal del pozo en la parte superior del pozo. Consta de válvulas y equipos que controlan la presión y el flujo del cabezal del pozo. Ese equipo y su control son los más cruciales en los campos petrolíferos. Evitan condiciones peligrosas en plantas de petróleo y gas. El peligro es causado por el flujo de materiales inflamables fuera del pozo y la alta presión dentro del pozo. Por lo tanto, el flujo a través de la boca del pozo debe controlarse y hacerse a prueba de fallos. Es por eso que se emplean los Paneles de Control de Cabezal de Pozo (WHCP).

La cabeza del pozo también se conoce como el árbol de Navidad (debido a su estructura). El árbol de Navidad consta de Válvulas de Seguridad Controladas bajo la Superficie (SCSSV), Válvulas de Seguridad de Superficie (SSV) y otras válvulas de seguridad de boca de pozo (Choke, ESD, HIPPS). Estas válvulas se utilizan para cerrar el pozo cuando es necesario. En la parte superior de la estructura del árbol, un manómetro indicará la presión en el tubo.

Los procesos que deben ocurrir en la cabeza del pozo se manipulan a través de estas tres válvulas con la ayuda de medidores y estranguladores.

2 ¿Qué es un Panel de Control de Cabezal de Pozo (WHCP)?

El propósito de un WHCP es monitorear las Válvulas de Seguridad Controladas bajo la Superficie (SCSSV), las Válvulas de Seguridad de Superficie (SSV) y otras válvulas de seguridad de boca de pozo (Estrangulador, ESD, HIPPS) para la seguridad del pozo. Un WHCP debe prevenir el riesgo de lesiones o daños al personal, el medio ambiente o el equipo. Los sistemas de control de boca de pozo están diseñados para ser «a prueba de fallos».»La cabeza del pozo será programada y controlada por sistemas PLC o SCADA.

El WHCP recibe señales de entrada de varios medidores, incluidos medidores de presión, temperatura y flujo en la boca del pozo. Además, las entradas principales provienen de sistemas de apagado de emergencia (ESD), pulsadores de emergencia y enchufes fusibles. La salida se genera mediante la lectura de estas señales, que generalmente es un comando para cerrar las válvulas en el cabezal del pozo para garantizar la seguridad de la planta.

El WHCP emplea componentes hidráulicos y neumáticos. Los SCSSV se instalan principalmente en pozos de tierra que funcionan con energía hidráulica. En ese caso, el WHCP debe incluir un depósito hidráulico y un sistema de bomba para mantener la presión sobre las válvulas subterráneas durante el funcionamiento normal. Por otro lado, WHCP utiliza neumática para detectar y controlar válvulas de seguridad de superficie (SSV).

Por lo tanto, WHCP es una colección de diversos sistemas de control que permiten la ejecución controlada de planes y paradas de emergencia. En los pozos de tierra, se utiliza un sistema de control de cabezal de pozo separado para cada pozo que trabaja a alta presión. Los sistemas de control de boca de pozo para plataformas marinas se agrupan en uno o más paneles. La lógica de control de cada pozo se mantiene distinta de los otros pozos para agregar o eliminar nuevos pozos según sea necesario.

3 Principio de WHCP

Hay diferentes tipos de WHCP categorizados en función de la fuente de operación. Estos son paneles de control eléctricos, manuales, accionados por energía solar y paneles controlados neumáticos. La selección del tipo se elegirá de acuerdo con los requisitos de la aplicación. Además, el panel de control funciona en dos configuraciones diferentes; un solo cabezal de pozo y un panel de control de múltiples cabezales de pozo. Hablaremos de estos tipos en las próximas secciones.

WHCP controla los pozos de petróleo y gas. La WHCP realiza esta tarea controlando las válvulas instaladas en el cabezal del pozo, que son SCSSV (Válvulas de Seguridad Sub-superficiales Controladas por Superficie) y SSV (Válvulas de Seguridad de Superficie), que consisten en Válvulas Maestras (MV) y Válvulas de Ala (WV). El funcionamiento secuencial de SCSSV y SSV facilita el proceso de parada de emergencia (ESD).

Además de los componentes básicos del panel de control, el WHCP consiste en un depósito hidráulico, un colador, bombas hidráulicas, un acumulador, un módulo de control del cabezal de pozo y líneas hidráulicas, que suministran y devuelven al módulo de control del cabezal de pozo. El fluido hidráulico dentro del depósito hidráulico opera la boca del pozo. El tamaño del depósito está determinado por la cantidad de líquido necesaria para el funcionamiento de la válvula y la distancia entre el depósito y el pozo.

El SCSSV y el SSV funcionan a presión hidráulica, el SCSSV a alta presión y el SSV a presión media. Se emplea un paquete de energía hidráulica o una unidad de energía hidráulica para cumplir con los requisitos de presión, que consiste en un depósito, bombas hidráulicas y un acumulador. El depósito almacena fluido hidráulico, y habrá dos cabezales hidráulicos y bombas en cada cabezal de pozo. Luego, cada bomba tendrá un colador para filtrar el fluido hidráulico de cualquier partícula para que el fluido hidráulico que va a SCSSV o SSV esté limpio. Dependiendo del entorno operativo, el sistema hidráulico puede ser neumático o eléctrico. Se empleará un acumulador aguas abajo de la bomba para lograr la presión deseada para SCSSV o SSV.

El fluido hidráulico acumulado en el cabezal se suministra a través de líneas de suministro hidráulicas al módulo de control del cabezal del pozo cuando es necesario. La secuencia y la lógica para operar el SCSSV y el SSV se establecen en este módulo de control de boca de pozo. Para controlar el flujo o ejecutar el procedimiento ESD, las señales del panel van a este módulo de control de cabezal de pozo. Después de recibir la señal de control, el módulo de control del cabezal del pozo abrirá el SCSSV y el SSV enviando presión alta y media, respectivamente. El fluido hidráulico regresará a la línea hidráulica activando una válvula de tres vías para cerrar las válvulas.

Así es como funciona el panel de control del cabezal de pozo para controlar el flujo del cabezal de pozo y el procedimiento de apagado de emergencia.

4 funciones Principales de WHCP

• Cerrar el pozo en caso de situaciones peligrosas
• Controles de los parámetros de seguridad crítica
• arranque Secuencial y procedimiento de la boca del pozo
• supervisar y controlar SCSSV.
• WHCP emplea unidades de potencia hidráulica separadas (HPU) que facilitan las bombas hidráulicas, acumuladores, depósitos, etc.
• En el panel se utilizan botones especiales para detener la válvula de ala, la válvula maestra y el SCSSV.

5 Los componentes de WHCP

WHCP se instalan cerca de la cabeza del pozo, pero la parte de control principal, PLC o SCADA, se instalará en una zona segura. Todas las señales lógicas enviadas al WHCP provienen del sistema de control (PLC o SCADA). El WHCP cerca de la boca del pozo realizará la acción de control directamente. La parte principal de un WHCP es la Unidad de Potencia Hidráulica (HPU) que consiste en una bomba hidráulica, un depósito y un acumulador. Los componentes del programa WHCP se describen en las siguientes secciones:

5.1 Bomba hidráulica

Las bombas hidráulicas distribuyen el fluido hidráulico a la presión necesaria a los cabezales. La presión necesaria determina el tamaño y la capacidad de la bomba hasta el cabezal del pozo, la distancia desde el panel hasta el cabezal del pozo y el tiempo de entrega. El sistema de control de procesos, que es un PLC o un SCADA, controla el motor.

5.2 Depósito de aceite

Los tanques de aceite proporcionan el suministro de aceite necesario para la bomba hidráulica. Los filtros se utilizan en la salida del tanque para garantizar que se pase aceite limpio a la bomba. Además, una línea de retorno de las válvulas está conectada a la parte superior del tanque.Acumulador

5.3 Acumulador

Un acumulador es un dispositivo de ahorro de energía utilizado para satisfacer la demanda de alta presión de SCSSV (Válvulas de Seguridad Submarinas Controladas en Superficie) o SSV (Válvulas de Seguridad en Superficie). El acumulador se instala aguas abajo de la bomba hidráulica. Debe dimensionarse cuidadosamente para satisfacer las demandas de presión.

El acumulador tiene dos secciones: la sección de gas y la sección hidráulica. La sección de gas generalmente se carga con gas nitrógeno seco, que se llena primero. Luego, el aceite hidráulico se llena en el acumulador, comprimiendo la sección de gas. Cuando hay una demanda hidráulica, el acumulador libera el aceite, permitiendo que la sección de gas se expanda. Este mecanismo permitirá la descarga rápida de aceite hidráulico.

5.4 Reguladores

Para cada cabezal de suministro, se utilizan cabezales de aceite aguas abajo y los reguladores les dan presión regulada. Los rangos de alta presión son manejados por reguladores, que van acompañados de válvulas de alivio.

5.5 Circuito hidráulico

El circuito hidráulico consta de válvulas de control (SCSSV y SSV), tubos hidráulicos y cabezales de suministro hidráulico. El equipo de tubería hidráulica se selecciona de acuerdo con las necesidades de presión, es decir, los requisitos de alta, media y baja presión. Los circuitos contienen una válvula de retención, una válvula de aislamiento, tubos, accesorios de tubos, etc.

Se emplea un tapón fusible en la línea hidráulica para seguridad contra incendios. En caso de incendio, el tapón del fusible se fundirá para detener la presión hidráulica, cerrando las válvulas de boca de pozo. El pozo se apagará automáticamente.

5.6 Interfaz de instrumentación

Los instrumentos de medición son esenciales cuando se trata de controlar y salvaguardar las actividades de la boca de pozo. En los cabezales hidráulicos, se instalan transmisores de presión para monitorear el funcionamiento de las válvulas y el estado en vivo se transmite a los controladores PLC. Además, se utilizan indicadores de nivel para verificar el nivel del depósito continuamente. El WHCP está conectado al sistema PLC/SCADA para la supervisión y el control centrales de la boca de pozo. Para facilitar el mantenimiento, la solución de problemas y el rediseño, se debe usar una caja de conexiones separada.

6 Tipos de WHCP

6.1 Panel de control de cabezal único

Un panel de control de cabezal único puede controlar solo un cabezal. Gestiona todos los equipos de boca de pozo y permite paradas automáticas y manuales. Este WHCP se utiliza para pozos monótomos o remotos que están lejos de otros pozos. El panel de control de cabezal único se divide en las siguientes categorías:

• Sistema de control manual
• Sistema de control eléctrico
• Sistema de control neumático
• Sistema de control solar

6.2 El sistema de control manual

Emplea una bomba hidráulica manual para suministrar presión a SSV. SUS FUNCIONES PRINCIPALES SON ESD remoto, enchufes fusibles, detección de baja / alta presión y apagado manual en el panel.

6.3 Sistema de control eléctrico

Un motor eléctrico controla el flujo hidráulico a SSV. Los sistemas de control eléctrico se han desarrollado y son fiables en climas hostiles o cuando se trata de sustancias peligrosas en la línea de flujo. Los sistemas de apagado eléctrico son más flexibles, más fáciles de implementar y menos costosos que los sistemas de apagado neumático, donde la señalización del sensor de apagado es esencial. Los sistemas eléctricos son considerablemente más fáciles de conectar con un sistema de Control de Supervisión y Adquisición de Datos (SCADA) para la supervisión y el control remotos.

6.4 Sistema de control neumático

Hace todas las funciones principales que hacen otros sistemas. Pero el control de la bomba hidráulica es a través de energía neumática. Este tipo se utiliza para operaciones de alta potencia.

6.5 Sistema de control con energía solar

Este tipo de sistema de control es el más adecuado para pozos en ubicaciones remotas. Ofrece ahorro de energía, reduce los gastos de operación, fuente de alimentación dual, la función de control estándar, etc.

7 Diseño de un WHCP

7.1 Dimensionamiento

Se debe realizar un dimensionamiento adecuado de los componentes que son el acumulador, el tubo y el depósito para el funcionamiento controlado y secuencial del cabezal del pozo. Los diseñadores pueden utilizar la ayuda de diferentes software para el dimensionamiento preciso de los componentes. Este software hará el dimensionamiento para los requisitos dados.

7.2 Seguridad de la línea de flujo

Para mayor seguridad, cada extremo de las líneas de flujo debe usar un estrangulador para reducir la presión en línea. Los factores que deben considerarse para la seguridad de la línea de flujo:

• Compruebe si el primer dispositivo de estrangulamiento en el segmento inicial de la línea de flujo está a menos de 10 pies de la boca del pozo. Cuando la distancia entre el estrangulador y el primer segmento de la línea de flujo aguas arriba del estrangulador es inferior a 10 pies, no se necesitan sensores de presión en la primera línea de flujo aguas arriba del cuello de botella. Cuando la distancia es de más de 10 pies, todo lo que se necesita es un sensor de baja presión para detectar fugas y roturas.
• Se requieren sensores de alta y baja presión para detectar un fallo en la línea bloqueada o en el control de flujo y una fuga o ruptura cuando la presión del tubo cerrado (SITP) es mayor que la presión de trabajo máxima admisible (MAWP) de la última sección de la línea de flujo después del estrangulamiento.
• Cuando el MAWP de la sección de la línea de flujo final es menor que el SITP, se requiere una válvula de alivio de presión y sensores de alta y baja presión.

7.3 Probabilidad

Mientras se prueban, calibran o reemplazan los sensores, se puede instalar una válvula de tres vías en el panel para evitar los pilotos de alta y baja presión, así como las sondas de arena. El uso de indicadores montados en panel debe indicar a distancia que la válvula de derivación se ha conmutado por razones de seguridad.

Se puede instalar una válvula de tres vías en el panel para evitar los pilotos de alta y baja presión, así como las sondas de arena, mientras se comprueban, calibran o reemplazan los sensores. El uso de indicadores montados en el panel debe mostrar claramente que la válvula de derivación se ha apagado a distancia por razones de seguridad.

Se deben instalar válvulas de aguja en las tuberías de suministro de gas y aceite hidráulico para permitir el reemplazo de componentes sin apagar una sola cabeza de pozo o todas ellas.

8 Línea de fondo

Aunque el WHCP puede ser alimentado por energía neumática, hidráulica, eléctrica o solar, el sistema es hidráulico debido a su salida hidráulica. En las instalaciones de petróleo y gas, bombear petróleo o gas desde el depósito es una tarea importante. Un WHCP debe regular la boca del pozo de manera más precisa y eficiente, permitiendo la producción continua de petróleo y gas.