1 Introduction

La tête de puits est la partie supérieure du puits menant au réservoir. L’huile du réservoir sort par le trou du puits avec le tubage. Le flux de pétrole ou de gaz provenant du puits devrait être suffisant pour le rendre commercialement réalisable. Ensuite, seule la tête de puits est installée au sommet du puits. Il se compose de vannes et d’équipements qui contrôlent la pression et le débit de la tête de puits. Cet équipement et son contrôle sont les plus cruciaux dans les champs pétrolifères. Ils évitent les conditions dangereuses dans les usines de pétrole et de gaz. Le danger est causé par l’écoulement de matériaux inflammables hors du puits et la haute pression à l’intérieur du puits. Ainsi, l’écoulement à travers la tête de puits doit être contrôlé et sécurisé. C’est pourquoi les panneaux de commande de tête de puits (WHCP) sont utilisés.

La tête de puits est également connue sous le nom d’arbre de Noël (en raison de sa structure). L’arbre de Noël se compose des Soupapes de Sécurité commandées sous la Surface (SCSSV), des Soupapes de Sécurité de surface (SSV) et d’autres soupapes de sécurité de tête de puits (Starter, ESD, HIPPS). Ces vannes sont utilisées pour fermer le puits en cas de besoin. Au sommet de la structure arborescente, un manomètre indiquera la pression dans le tube.

Les processus qui doivent se produire dans la tête de puits sont manipulés à travers ces trois vannes à l’aide de jauges et de starter.

2 Qu’est-ce qu’un Panneau de commande de Tête de puits (WHCP) ?

Le but d’un WHCP est de surveiller les soupapes de sécurité commandées sous la surface (SCSSV), les Soupapes de sécurité de surface (SSV) et d’autres soupapes de sécurité de tête de puits (Starter, ESD, HIPPS) pour la sécurité du puits. Un WHCP devrait prévenir les risques de blessures ou de dommages au personnel, à l’environnement ou à l’équipement. Les systèmes de contrôle de tête de puits sont conçus pour être « à sécurité intégrée. »La tête de puits sera programmée et contrôlée par des systèmes PLC ou SCADA.

Le WHCP reçoit des signaux d’entrée de divers jauges, y compris des jauges de pression, de température et de débit dans la tête de puits. De plus, les entrées principales proviennent des systèmes d’arrêt d’urgence (ESD), des boutons-poussoirs d’urgence et des bouchons fusibles. La sortie est générée par la lecture de ces signaux, qui est généralement une commande d’arrêt des vannes sur la tête de puits pour assurer la sécurité de l’usine.

Le WHCP utilise des composants hydrauliques et pneumatiques. Les SCSSV sont principalement installés sur des puits terrestres exploités par l’énergie hydraulique. Dans ce cas, le WHCP doit inclure un réservoir hydraulique et un système de pompe pour maintenir la pression sur les vannes souterraines pendant le fonctionnement normal. D’autre part, WHCP utilise la pneumatique pour détecter et contrôler les soupapes de sécurité de surface (SSV).

Par conséquent, le WHCP est un ensemble de systèmes de contrôle divers qui permettent l’exécution contrôlée des plans et des arrêts d’urgence. Sur les puits terrestres, un système de contrôle de tête de puits séparé est utilisé pour chaque puits fonctionnant sous haute pression. Les systèmes de contrôle de tête de puits pour plateformes offshore sont regroupés sur un ou plusieurs panneaux. La logique de contrôle de chaque puits est maintenue distincte des autres puits pour ajouter ou supprimer de nouveaux puits au besoin.

3 Principe du WHCP

Il existe différents types de WHCP classés en fonction de la source de fonctionnement. Ce sont des panneaux de commande électriques, manuels, à énergie solaire et pneumatiques. La sélection du type sera choisie en fonction des exigences de l’application. De plus, le panneau de commande fonctionne dans deux configurations différentes: une tête de puits unique et un panneau de commande à têtes de puits multiples. Nous parlerons de ces types dans les prochaines sections.

WHCP contrôle les puits de pétrole et de gaz. WHCP accomplit cette tâche en contrôlant les vannes installées à la tête de puits, qui sont des Vannes de Sûreté Sous-surfaciques à Commande de surface SCSSV (Soupapes de Sûreté sous-surfaciques à Commande de surface) et SSV (Soupapes de Sûreté de surface), qui se composent de Soupapes maîtresses (MV) et de Soupapes d’Aile (WV). Le fonctionnement séquentiel du SCSSV et du SSV facilite le processus d’arrêt d’urgence (ESD).

Outre les composants de base du panneau de commande, le WHCP se compose d’un réservoir hydraulique, d’une crépine, de pompes hydrauliques, d’un accumulateur, d’un module de commande de tête de puits et de conduites hydrauliques, qui alimentent et retournent au module de commande de tête de puits. Le fluide hydraulique à l’intérieur du réservoir hydraulique actionne la tête de puits. La taille du réservoir est déterminée par la quantité de fluide nécessaire au fonctionnement de la vanne et la distance entre le réservoir et le puits.

Le SCSSV et le SSV fonctionnent à pression hydraulique, le SCSSV à haute pression et le SSV à moyenne pression. Un bloc d’énergie hydraulique ou une unité d’énergie hydraulique est utilisé pour répondre aux exigences de pression, qui se compose d’un réservoir, de pompes hydrauliques et d’un accumulateur. Le réservoir stocke le fluide hydraulique et il y aura deux têtes hydrauliques et des pompes dans chaque tête de puits. Ensuite, chaque pompe aura une crépine pour filtrer le fluide hydraulique de toute particule afin que le fluide hydraulique allant au SCSSV ou au SSV soit propre. Selon l’environnement opérationnel, l’hydraulique peut être entraînée par un entraînement pneumatique ou électrique. Un accumulateur sera utilisé en aval de la pompe pour atteindre la pression souhaitée pour le SCSSV ou le SSV.

Le fluide hydraulique accumulé au niveau du collecteur est fourni par des conduites d’alimentation hydraulique au module de commande de tête de puits lorsque cela est nécessaire. La séquence et la logique de fonctionnement du SCSSV et du SSV sont établies au niveau de ce module de commande de tête de puits. Pour contrôler le flux ou exécuter la procédure ESD, les signaux du panneau vont à ce module de contrôle de tête de puits. Après réception du signal de commande, le module de commande de tête de puits ouvrira le SCSSV et le SSV en envoyant respectivement une pression élevée et une pression moyenne. Le fluide hydraulique retournera dans la conduite hydraulique en activant une vanne à trois voies pour fermer les vannes.

Voici comment fonctionne le panneau de commande de la tête de puits pour contrôler le débit de la tête de puits et la procédure d’arrêt d’urgence.

4 Fonctions principales du WHCP

• Fermer le puits en cas de situations dangereuses
• Contrôle des paramètres de sécurité critiques
• Procédure séquentielle de démarrage et de descente de la tête de puits
• Surveiller et contrôler de près le SCSSV.
• WHCP utilise des unités de puissance hydraulique (HPU) distinctes qui facilitent les pompes hydrauliques, les accumulateurs, les réservoirs, etc.
• Des boutons-poussoirs spéciaux sont utilisés dans le panneau pour arrêter la soupape d’aile, la soupape principale et le SCSSV.

5 Composants du WHCP

Le WHCP est installé près de la tête de puits, mais la partie de contrôle principale, PLC ou SCADA, sera installée dans une zone de sécurité. Tous les signaux logiques envoyés au WHCP proviennent du système de contrôle (PLC ou SCADA). Le WHCP près de la tête de puits effectuera l’action de contrôle directement. La partie principale d’un WHCP est l’unité d’énergie hydraulique (HPU) qui se compose d’une pompe hydraulique, d’un réservoir et d’un accumulateur. Les composants du WHCP sont décrits dans les sections ci-dessous :

5.1 Pompe hydraulique

Les pompes hydrauliques distribuent le fluide hydraulique à la pression nécessaire aux collecteurs. La pression nécessaire détermine le dimensionnement et la capacité de la pompe à la tête de puits, la distance entre le panneau et la tête de puits et le délai de livraison. Le système de contrôle de processus, qui est un PLC ou un SCADA, contrôle le moteur.

5.2 Réservoir d’huile

Les réservoirs d’huile fournissent l’alimentation en huile requise pour la pompe hydraulique. Des crépines sont utilisées à la sortie du réservoir pour assurer le passage d’huile propre à la pompe. En outre, une conduite de retour des vannes est connectée au sommet du réservoir.

5.3 Accumulateur

Un accumulateur est un dispositif d’économie d’énergie utilisé pour satisfaire la demande à haute pression de Soupapes de Sécurité Sous-marines à Commande de surface (SCSSV) ou SSV (Soupapes de Sécurité de surface). L’accumulateur est installé en aval de la pompe hydraulique. Il doit être soigneusement dimensionné pour répondre aux exigences de pression.

L’accumulateur a deux sections: la section gaz et la section hydraulique. La section de gaz est généralement chargée d’azote gazeux sec, qui est rempli en premier. Ensuite, l’huile hydraulique est remplie dans l’accumulateur, comprimant la section de gaz. Lorsqu’il y a une demande d’hydraulique, l’accumulateur libère l’huile, permettant à la section de gaz de se dilater. Ce mécanisme permettra la décharge rapide de l’huile hydraulique.

5.4 Régulateurs

Pour chaque collecteur d’alimentation, des collecteurs d’huile en aval sont utilisés et des régulateurs leur donnent une pression régulée. Les plages de haute pression sont gérées par des régulateurs, qui sont accompagnés de soupapes de décharge.

5.5 Circuit hydraulique

Le circuit hydraulique se compose des vannes de régulation (SCSSV et SSV), des tubes hydrauliques et des collecteurs d’alimentation hydrauliques. L’équipement de tuyauterie hydraulique est sélectionné en fonction des besoins en pression, c’est-à-dire des exigences de haute, moyenne et basse pression. Les circuits contiennent un clapet anti-retour, une vanne d’isolement, des tubes, des raccords de tubes, etc.

Un bouchon fusible est utilisé dans la conduite hydraulique pour la sécurité incendie. En cas d’incendie, le bouchon du fusible fondra pour cesser la pression hydraulique, fermant les vannes de la tête de puits. Le puits s’éteindra automatiquement.

5.6 Interface d’instrumentation

Les instruments de mesure sont essentiels pour contrôler et sauvegarder les activités de la tête de puits. Sur les collecteurs hydrauliques, des transmetteurs de pression sont installés pour surveiller le fonctionnement des vannes et l’état sous tension est transmis aux contrôleurs PLC. De plus, des jauges de niveau sont utilisées pour vérifier continuellement le niveau du réservoir. Le WHCP est relié au système PLC/SCADA pour la surveillance et le contrôle centralisés de la tête de puits. Pour faciliter l’entretien, le dépannage et la refonte, une boîte de jonction séparée doit être utilisée.

6 Types de WHCP

6.1 Panneau de commande de tête de puits unique

Un panneau de commande de tête de puits unique ne peut contrôler qu’une seule tête de puits. Il gère tous les équipements de tête de puits et permet des arrêts automatisés et manuels. Ce WHCP est utilisé pour les puits monotomes ou éloignés qui sont éloignés des autres puits. Le panneau de commande de tête de puits unique est en outre divisé en catégories suivantes:

• Système de contrôle manuel
• Système de contrôle électrique
• Système de contrôle pneumatique
• Système de contrôle à énergie solaire

6.2 Le système de commande manuelle

Utilise une pompe hydraulique manuelle pour fournir de la pression au SSV. SES PRINCIPALES FONCTIONS SONT l’ESD à distance, les bouchons fusibles, la détection basse pression / haute pression et l’arrêt manuel du panneau.

6.3 Système de commande électrique

Un moteur électrique contrôle le débit hydraulique du SSV. Des systèmes de contrôle électrique ont été développés et sont fiables dans les climats difficiles ou lorsqu’il s’agit de substances dangereuses dans la conduite d’écoulement. Les systèmes d’arrêt électriques sont plus flexibles, plus faciles à déployer et moins coûteux que les systèmes d’arrêt pneumatiques, où la signalisation du capteur d’arrêt est essentielle. Les systèmes électriques sont considérablement plus faciles à connecter avec un système de Contrôle de surveillance et d’acquisition de données (SCADA) pour la surveillance et le contrôle à distance.

6.4 Système de commande pneumatique

Il remplit toutes les fonctions principales que les autres systèmes remplissent. Mais le contrôle de la pompe hydraulique se fait par l’énergie pneumatique. Ce type est utilisé pour les opérations à haute puissance.

6.5 Système de contrôle à énergie solaire

Ce type de système de contrôle est le plus approprié pour les puits situés dans des endroits éloignés. Il offre des économies d’énergie, réduit les dépenses d’exploitation, une double alimentation, la fonction de contrôle standard, etc.

7 Conception d’un WHCP

7.1 Dimensionnement

Un dimensionnement approprié des composants qui sont l’accumulateur, le tube et le réservoir doit être effectué pour le fonctionnement contrôlé et séquentiel de la tête de puits. Les concepteurs peuvent utiliser l’aide de différents logiciels pour le dimensionnement précis des composants. Ce logiciel fera le dimensionnement pour les exigences données.

7.2 Sécurité des conduites d’écoulement

Pour des raisons de sécurité, chaque extrémité des conduites d’écoulement doit utiliser un starter pour réduire la pression en ligne. Les facteurs à prendre en compte pour la sécurité des conduites d’écoulement:

• Vérifiez si le premier dispositif d’étranglement dans le segment de conduite d’écoulement initial se trouve à moins de 10 pieds de la tête de puits. Lorsque la distance entre le starter et le premier segment de la ligne d’écoulement en amont du starter est inférieure à 10 pieds, les capteurs de pression dans la première ligne d’écoulement en amont du goulot d’étranglement ne sont pas nécessaires. Lorsque la distance est supérieure à 10 pieds, un capteur basse pression suffit pour détecter les fuites et les ruptures.
• Des capteurs haute et basse pression sont nécessaires pour détecter une défaillance de la conduite bloquée ou du contrôle du débit et une fuite ou une rupture lorsque la pression de la tuyauterie d’arrêt (SITP) est supérieure à la pression de service maximale admissible (PSMA) de la dernière section de la conduite d’écoulement après l’étranglement.
• Lorsque la PSMA de la section terminale de la conduite d’écoulement est inférieure à la SITP, une soupape de surpression et des capteurs haute et basse pression sont nécessaires.

7.3 Testabilité

Pendant que les capteurs sont testés, étalonnés ou remplacés, une vanne à trois voies sur le panneau peut être installée pour contourner les pilotes haute et basse pression, ainsi que les sondes à sable. L’utilisation d’indicateurs montés sur panneau devrait indiquer à distance que la vanne de dérivation a été commutée pour des raisons de sécurité.

Une vanne à trois voies sur le panneau peut être installée pour contourner les pilotes haute et basse pression, ainsi que les sondes de sable, pendant que les capteurs sont vérifiés, étalonnés ou remplacés. L’utilisation d’indicateurs montés sur panneau doit clairement montrer que la vanne de dérivation a été éteinte pour des raisons de sécurité à distance.

Des vannes à pointeau doivent être installées dans les conduites d’alimentation en gaz et en huile hydraulique pour permettre le remplacement des composants sans fermer une seule tête de puits ou toutes.

8Bottomline

Bien que le WHCP puisse être alimenté par de l’énergie pneumatique, hydraulique, électrique ou solaire, le système est hydraulique en raison de sa puissance hydraulique. Dans les installations pétrolières et gazières, le pompage du pétrole ou du gaz du réservoir est une tâche importante. Un WHCP devrait réguler la tête de puits plus précisément et plus efficacement, permettant une production continue de pétrole et de gaz.