1 Introduzione

La testa del pozzo è la parte superiore del pozzo che conduce al serbatoio. L’olio dal serbatoio esce attraverso il foro del pozzo con involucro. Il flusso di petrolio o gas dal pozzo dovrebbe essere sufficiente a renderlo commercialmente fattibile. Quindi solo la testa del pozzo è installata nella parte superiore del pozzo. Consiste di valvole e apparecchiature che controllano la pressione e il flusso della testa del pozzo. Tale attrezzatura e il suo controllo sono i più cruciali nei giacimenti petroliferi. Evitano condizioni pericolose negli impianti di petrolio e gas. Il pericolo è causato dal flusso di materiali infiammabili fuori dal pozzo e dall’alta pressione all’interno del pozzo. Pertanto, il flusso attraverso la testa del pozzo deve essere controllato e reso sicuro. Ecco perché i pannelli di controllo della testa del pozzo (WHCP) sono impiegati.

La testa del pozzo è anche conosciuta come l’albero di Natale (a causa della sua struttura). L’albero di Natale è costituito dalle valvole di sicurezza controllate sotto la superficie (SCSSV), dalle valvole di sicurezza di superficie (SSV) e da altre valvole di sicurezza della testa del pozzo (Choke, ESD, HIPPS). Queste valvole sono utilizzate per chiudere il pozzo quando necessario. Nella parte superiore della struttura ad albero, un manometro indicherà la pressione nel tubo.

I processi che dovrebbero avvenire nella testa del pozzo vengono manipolati attraverso queste tre valvole con l’aiuto di calibri e strozzatori.

2 Che cos’è un pannello di controllo Well Head (WHCP)?

Lo scopo di un WHCP è quello di monitorare le valvole di sicurezza controllate sotto la superficie (SCSSV), le valvole di sicurezza di superficie (SSV) e altre valvole di sicurezza della testa del pozzo (Choke, ESD, HIPPS) per la sicurezza del pozzo. Un WHCP dovrebbe prevenire il rischio di lesioni o danni al personale, all’ambiente o alle attrezzature. I sistemi di controllo della testa di pozzo sono progettati per essere ” fail-safe.”La testa pozzo sarà programmata e controllata da sistemi PLC o SCADA.

Il WHCP riceve segnali di ingresso da vari calibri, tra cui pressione, temperatura, e misuratori di flusso nella testa del pozzo. Inoltre, gli ingressi principali provengono da sistemi di arresto di emergenza (ESD), pulsanti di emergenza e spine fusibili. L’uscita viene generata leggendo questi segnali, che di solito è un comando per spegnere le valvole sulla testa del pozzo per garantire la sicurezza dell’impianto.

Il WHCP impiega sia componenti idraulici che pneumatici. Gli SCSSV sono per lo più installati su pozzi terrestri azionati da energia idraulica. In tal caso, il WHCP deve includere un serbatoio idraulico e un sistema di pompaggio per mantenere la pressione sulle valvole sottosuolo durante il normale funzionamento. D’altra parte, WHCP utilizza la pneumatica per rilevare e controllare le valvole di sicurezza di superficie (SSV).

Quindi, WHCP è un insieme di diversi sistemi di controllo che consentono l’esecuzione controllata di piani e arresti di emergenza. Sui pozzi terrestri, viene utilizzato un sistema di controllo della testa pozzo separato per ciascun pozzo che lavora ad alta pressione. I sistemi di controllo della testa di pozzo per le piattaforme offshore sono raggruppati su uno o più pannelli. La logica di controllo di ogni pozzo viene mantenuta distinta dagli altri pozzi per aggiungere o eliminare nuovi pozzi secondo necessità.

3 Principio di WHCP

Esistono diversi tipi di WHCP classificati in base alla fonte di funzionamento. Si tratta di pannelli di controllo elettrici, pannelli manuali, ad energia solare e pneumatici controllati. La selezione del tipo sarà scelta in base ai requisiti dell’applicazione. Inoltre, il pannello di controllo funziona in due diverse configurazioni; una singola testa pozzo e un pannello di controllo multi-testa pozzo. Parleremo di questi tipi nelle prossime sezioni.

WHCP controlla i pozzi di petrolio e gas. WHCP compie questo compito controllando le valvole installate alla testa del pozzo, che sono SCSSV (Surface Controlled Sub-surface Safety Valves) e SSV (Surface Safety Valves), che consistono in valvole Master (MV) e valvole alari (WV). Il funzionamento sequenziale di SCSSV e SSV facilita il processo di arresto di emergenza (ESD).

Oltre ai componenti di base del pannello di controllo, WHCP è costituito da un serbatoio idraulico, filtro, pompe idrauliche, accumulatore, modulo di controllo della testa pozzo e linee idrauliche, che forniscono e restituiscono al modulo di controllo della testa pozzo. Il fluido idraulico all’interno del serbatoio idraulico aziona la testa del pozzo. La dimensione del serbatoio è determinata dalla quantità di fluido necessaria per il funzionamento della valvola e dalla distanza tra il serbatoio e il pozzo.

SCSSV e SSV funzionano a pressione idraulica, SCSSV ad alta pressione e SSV a media pressione. Per soddisfare i requisiti di pressione viene impiegata una centralina idraulica o una centralina idraulica, costituita da un serbatoio, pompe idrauliche e un accumulatore. Il serbatoio immagazzina il fluido idraulico e ci saranno due teste e pompe idrauliche in ciascuna testa pozzo. Quindi ogni pompa avrà un filtro per filtrare il fluido idraulico da qualsiasi particolato in modo che il fluido idraulico che va a SCSSV o SSV sia pulito. A seconda dell’ambiente operativo, l’idraulica può essere pneumatica o elettrica. Un accumulatore sarà impiegato a valle della pompa per ottenere la pressione desiderata per SCSSV o SSV.

Il fluido idraulico accumulato all’intestazione è fornito tramite le linee di alimentazione idrauliche al modulo di controllo della testa pozzo quando è richiesto. La sequenza e la logica per il funzionamento di SCSSV e SSV sono stabilite in questo modulo di controllo della testa pozzo. Per controllare il flusso o eseguire la procedura ESD, i segnali dal pannello vanno a questo modulo di controllo della testa pozzo. Dopo aver ricevuto il segnale di controllo, il modulo di controllo della testa pozzo si aprirà il SCSSV e SSV inviando ad alta pressione e media pressione, rispettivamente. Il fluido idraulico tornerà alla linea idraulica attivando una valvola a tre vie per chiudere le valvole.

In questo modo il pannello di controllo della testa pozzo funziona per controllare il flusso della testa pozzo e la procedura di arresto di emergenza.

4 Funzioni principali di WHCP

• Spegnere il pozzo in caso di situazioni pericolose
• Controlla i parametri critici di sicurezza
• Procedura sequenziale di avvio e discesa della testa del pozzo
• Monitorare e controllare attentamente SCSSV.
• WHCP impiega unità di potenza idraulica separate (HPU) che facilitano pompe idrauliche, accumulatori, serbatoi, ecc.
• I pulsanti speciali sono utilizzati nel pannello per fermare la valvola dell’ala, la valvola principale e SCSSV.

5 Componenti di WHCP

WHCP è installato vicino alla testa del pozzo, ma la parte di controllo principale, PLC o SCADA, verrà installata in una zona sicura. Tutti i segnali logici inviati al WHCP provengono dal sistema di controllo (PLC o SCADA). Il WHCP vicino alla testa del pozzo eseguirà direttamente l’azione di controllo. La parte principale di un WHCP è l’unità di potenza idraulica (HPU) che consiste in una pompa idraulica, serbatoio e accumulatore. I componenti del WHCP sono descritti nelle sezioni seguenti:

5.1 Pompa idraulica

Le pompe idrauliche distribuiscono il fluido idraulico alla pressione necessaria alle intestazioni. La pressione necessaria determina il dimensionamento e la capacità della pompa alla testa del pozzo, la distanza dal pannello alla testa del pozzo e il tempo di consegna. Il sistema di controllo del processo, che è un PLC o uno SCADA, controlla il motore.

5.2 Serbatoio olio

I serbatoi dell’olio forniscono l’alimentazione dell’olio necessaria per la pompa idraulica. Filtri sono utilizzati all’uscita del serbatoio per garantire olio pulito è passato alla pompa. Inoltre, una linea di ritorno dalle valvole è collegata alla parte superiore del serbatoio.

5.3 Accumulatore

Un accumulatore è un dispositivo di risparmio energetico utilizzato per soddisfare la domanda ad alta pressione di SCSSV (Surface Controlled Subsea Safety Valves) o SSV (Surface Safety Valves). L’accumulatore è installato a valle della pompa idraulica. Dovrebbe essere attentamente dimensionato per soddisfare le esigenze di pressione.

L’accumulatore ha due sezioni: la sezione gas e la sezione idraulica. La sezione del gas viene solitamente caricata con gas azoto secco, che viene riempito per primo. Quindi l’olio idraulico viene riempito nell’accumulatore, comprimendo la sezione del gas. Quando c’è una richiesta di idraulica, l’accumulatore rilascia l’olio, consentendo alla sezione del gas di espandersi. Questo meccanismo consentirà lo scarico rapido dell’olio idraulico.

5.4 Regolatori

Per ogni testata di alimentazione, vengono utilizzate le intestazioni dell’olio a valle e i regolatori forniscono loro una pressione regolata. I campi di alta pressione sono gestiti da regolatori, che sono accompagnati da valvole di sicurezza.

5.5 Circuito idraulico

Il circuito idraulico è costituito dalle valvole di controllo (SCSSV e SSV), tubi idraulici e intestazioni di alimentazione idrauliche. L’attrezzatura idraulica della tubatura è selezionata secondo i bisogni di pressione, cioè i requisiti alti, medi e di bassa pressione. I circuiti contengono una valvola di ritegno, una valvola di isolamento, tubi, raccordi per tubi,ecc.

Nella linea idraulica per la sicurezza antincendio viene impiegato un tappo fusibile. In caso di incendio, la spina del fusibile si scioglierà per cessare la pressione idraulica, chiudendo le valvole della testa pozzo. Il pozzo si spegne automaticamente.

5.6 Instrumentation interface

Gli strumenti di misura sono essenziali quando si tratta di controllare e salvaguardare le attività della testa pozzo. Sulle intestazioni idrauliche, i trasmettitori di pressione sono installati per controllare le operazioni della valvola e lo stato in tensione è trasmesso ai regolatori dello SPA. Inoltre, gli indicatori di livello vengono utilizzati per controllare continuamente il livello del serbatoio. Il WHCP è collegato al sistema PLC / SCADA per il monitoraggio centrale e il controllo della testa pozzo. Per facilitare la manutenzione, la risoluzione dei problemi e la riprogettazione, è necessario utilizzare una scatola di giunzione separata.

6 tipi di WHCP

6.1 Singolo pannello di controllo testa pozzo

Un singolo pannello di controllo testa pozzo può controllare solo una testa pozzo. Gestisce tutte le apparecchiature di testa pozzo e consente sia arresti automatici che manuali. Questo WHCP è utilizzato per pozzi monotomi o remoti che sono lontani da altri pozzi. Il singolo pannello di controllo della testa pozzo è ulteriormente suddiviso nelle seguenti categorie:

• Sistema di controllo manuale
• Sistema di controllo elettrico
• Sistema di controllo pneumatico
• Sistema di controllo ad energia solare

6.2 Il sistema di controllo manuale

impiega la pompa idraulica manuale per fornire la pressione a SSV. LE SUE FUNZIONI PRINCIPALI SONO ESD remoto, spine fusibili, rilevamento bassa pressione / alta pressione e spegnimento manuale sul pannello.

6.3 Sistema di controllo elettrico

Un motore elettrico controlla il flusso idraulico verso SSV. I sistemi di controllo elettrico sono stati sviluppati e sono affidabili in climi rigidi o quando si tratta di sostanze pericolose nella linea di flusso. I sistemi di spegnimento elettrici sono più flessibili, più facili da implementare e meno costosi dei sistemi di spegnimento pneumatici, dove la segnalazione del sensore di spegnimento è essenziale. I sistemi elettrici sono notevolmente più facili da collegare con un sistema di controllo di supervisione e acquisizione dati (SCADA) per il monitoraggio e il controllo remoto.

6.4 Sistema di controllo pneumatico

Svolge tutte le funzioni principali che gli altri sistemi svolgono. Ma il controllo della pompa idraulica avviene attraverso l’energia pneumatica. Questo tipo utilizza per le operazioni ad alta potenza.

6.5 Sistema di controllo ad energia solare

Questo tipo di sistema di controllo è più adatto per pozzi in località remote. Offre risparmio energetico, riduce le spese di funzionamento, doppia alimentazione, la funzione di controllo standard, ecc.

7 Progettazione di un WHCP

7.1 Dimensionamento

Il corretto dimensionamento dei componenti che sono l’accumulatore, il tubo e il serbatoio deve essere fatto per il funzionamento controllato e sequenziale della testa del pozzo. I progettisti possono utilizzare l’aiuto di diversi software per il dimensionamento preciso dei componenti. Questo software farà il dimensionamento per i requisiti indicati.

7.2 Flowline safety

Per la sicurezza, ciascuna estremità delle flowline deve utilizzare uno strozzatore per ridurre la pressione in linea. I fattori che devono essere considerati per la sicurezza della linea di flusso:

• Controllare se il primo dispositivo choke nel segmento flowline iniziale è meno di 10 piedi dalla testa del pozzo. Quando la distanza tra lo strozzatore e il primo segmento della linea di flusso a monte dello strozzatore è inferiore a 10 piedi, i sensori di pressione nella prima linea di flusso a monte del collo di bottiglia non sono necessari. Quando la distanza è superiore a 10 piedi, un sensore di bassa pressione è tutto ciò che è necessario per rilevare perdite e rotture.
• Sono necessari sensori di alta e bassa pressione per rilevare una linea bloccata o un guasto al controllo del flusso e una perdita o rottura quando la pressione del tubo di intercettazione (SITP) è maggiore della pressione massima di esercizio consentita (MAWP) dell’ultima sezione della linea di flusso dopo lo strozzamento.
• Quando il MAWP della sezione della linea di flusso finale è inferiore al SITP, sono necessari una valvola limitatrice di pressione e sensori di alta e bassa pressione.

7.3 Testabilità

Mentre i sensori vengono testati, calibrati o sostituiti, è possibile montare una valvola a tre vie sul pannello per bypassare i piloti ad alta e bassa pressione e le sonde di sabbia. L’uso di indicatori montati a pannello dovrebbe indicare da lontano che la valvola di bypass è stata commutata per motivi di sicurezza.

È possibile installare una valvola a tre vie sul pannello per bypassare i piloti di alta e bassa pressione, nonché le sonde di sabbia, mentre i sensori vengono controllati, calibrati o sostituiti. L’uso di indicatori montati a pannello dovrebbe mostrare chiaramente che la valvola di bypass è stata spenta per motivi di sicurezza a distanza.

Le valvole a spillo devono essere montate nelle tubazioni del gas di alimentazione e dell’olio idraulico per consentire la sostituzione dei componenti senza spegnere una singola testa pozzo o tutte.

8 Bottomline

Sebbene il WHCP possa essere alimentato da energia pneumatica, idraulica, elettrica o solare, il sistema è idraulico grazie alla sua uscita idraulica. Negli impianti di petrolio e gas, il pompaggio di petrolio o gas dal serbatoio è un compito importante. Un WHCP dovrebbe regolare la testa del pozzo in modo più preciso ed efficiente, consentendo una produzione continua di petrolio e gas.