¿Qué es un árbol de Navidad?
En la extracción de petróleo y gas natural, un árbol de Navidad, o “árbol”, es un conjunto de una estructura de válvulas múltiples que consta de válvulas, carretes y accesorios que se utilizan para controlar el flujo de petróleo del pozo. La forma de la estructura del cabezal del pozo con válvulas se parece a un pino, por lo que el cabezal del pozo se llama “árbol de Navidad”. Christmas Tree está conectado a la parte superior de la tubería y cementado a la parte superior de la carcasa. Estas válvulas regulan la presión, controlan el flujo y permiten el acceso al pozo cuando se requieren más trabajos de terminación. Desde la válvula de salida del Árbol de Navidad, el flujo puede conectarse a una red de distribución de tuberías y tanques para distribuir el producto a refinerías, estaciones compresoras de gas natural o terminales de exportación de petróleo.
El árbol de Navidad es el corazón del sistema de producción de hidrocarburos en alta mar. Es el principal medio de control de pozos y juega un papel clave en el sistema de parada de emergencia. El árbol de Navidad se encuentra en la parte superior del sistema de revestimiento del cabezal del pozo y representa la interfaz entre el pozo y las instalaciones de producción y proceso.
El árbol de Navidad consiste en un conjunto de una válvula de compuerta que controla el flujo de hidrocarburos. Puede consistir en válvulas individuales unidas con pernos o puede presentar un bloque sólido de acero fundido o forjado en el que se mecanizan las cajas de las válvulas. De vez en cuando es una combinación de dos. En todos los casos, los asientos y las compuertas de las válvulas se pueden quitar para reemplazarlos o repararlos.
¿Qué es un cabezal de pozo?
Un patín de cabeza de pozo controla el funcionamiento del árbol de Navidad y las válvulas de seguridad de la línea de lodo. El patín permite que las válvulas se operen de forma local, remota o mediante un sistema ESD y los mecanismos de temporización proporcionan un medio para controlar la velocidad y la secuencia de operación de la válvula. Esta secuencia normalmente estaría cerca de la válvula de ala, la válvula maestra y la válvula de seguridad de la línea de lodo.
Durante una operación de ESD, el cierre completo de las válvulas del árbol de Navidad debe efectuarse en aproximadamente 45 segundos según las recomendaciones de API, la única organización que brinda orientación sobre este aspecto en particular.
Los cabezales de pozo pueden ser de terminación seca o submarina. Terminación en seco significa que el pozo está en tierra en la parte superior de la estructura en una instalación en alta mar. Los cabezales de pozo submarinos se encuentran bajo el agua en una plantilla especial de lecho marino. La boca de pozo consiste en los equipos montados en la boca del pozo para regular y monitorear la extracción de hidrocarburos de la formación subterránea. También previene la fuga de petróleo o gas natural fuera del pozo y evita explosiones debido a formaciones de alta presión. Las formaciones que están bajo alta presión generalmente requieren bocas de pozo que puedan soportar una gran cantidad de presión ascendente de los gases y líquidos que escapan.
Estos cabezales de pozo deben ser capaces de soportar presiones muy altas del orden de 140 MPa (1400 Bar). El cabezal de pozo consta de tres componentes: el cabezal de revestimiento, el cabezal de tubería y el ‘árbol de Navidad’.
La función de un árbol de Navidad
En los pozos productores, se puede utilizar la inyección de productos químicos o alcoholes o destilados de petróleo para prevenir y/o solucionar problemas de producción (como bloqueos).
También se puede usar un árbol para controlar la inyección de gas o las aplicaciones de inyección de agua en un pozo productor o no productor a fin de mantener volúmenes económicos de “producción” de gas de otros pozos en el área (campo).
El sistema de control adjunto al árbol controla la válvula de seguridad de fondo de pozo, mientras que el árbol actúa como medio de conexión y conducto del sistema de control a la válvula de seguridad de fondo de pozo.
Componentes de un árbol de Navidad
Un árbol de Navidad típico se compone de una válvula de compuerta maestra, un manómetro, una válvula de ala, una válvula de hisopo y un estrangulador , como se muestra en la Fig. 1. El árbol de Navidad también puede tener varias válvulas de retención.
En la parte inferior, encontramos el cabezal de revestimiento y los colgadores de revestimiento. La carcasa se atornillará, empernará o soldará al colgador. Normalmente se instalarán varias válvulas y tapones para dar acceso a la carcasa. Esto permitirá abrir, cerrar, purgar y, en algunos casos, permitir que el pozo fluya a través de la carcasa y de la tubería. La válvula se puede usar para determinar fugas en la tubería de revestimiento, la tubería o el obturador, y también se usará para la inyección de gas de elevación en la tubería de revestimiento.
El colgador de tubería (también llamado dona) se usa para colocar la tubería correctamente en el pozo. El sellado también permite la extracción del árbol de Navidad con presión en la carcasa.
Hay pozos perforados en el depósito, y el conductor central junto con las chaquetas/anulares circundantes se eleva hasta la plataforma de producción/cubierta de sótano de la plataforma. Encima de la boca de pozo se coloca un conjunto de válvulas, que tiene forma de cruz. Este conjunto de válvulas junto con las bridas se denomina árbol de Navidad de cabeza de pozo.
El árbol de Navidad tiene muchas válvulas manuales y varias válvulas accionadas. Las válvulas accionadas que normalmente se encuentran en el árbol de Navidad son las siguientes:
1. Válvula de seguridad subsuperficial:-
La válvula de seguridad subsuperficial es una válvula accionada hidráulicamente, cuya ubicación está por debajo del nivel del mar, sobre el lecho marino. El actuador de esta válvula debe ser muy pequeño, ya que queda encerrado dentro del anillo del conductor. El actuador normalmente se acciona hidráulicamente. La línea de control para el suministro hidráulico de la SSSV corre dentro del conductor y termina en una conexión en el árbol de Navidad.
2. Válvula de seguridad de superficie o válvula maestra:-
Esto aísla el árbol de la tubería de producción. El árbol de Navidad tiene dos válvulas maestras denominadas válvulas maestras superior e inferior. Las válvulas maestras inferiores se abren primero y se cierran al final. Esto asegura un flujo mínimo de hidrocarburo sobre el asiento de la válvula, protegiéndolo así de partículas abrasivas y asegurando que se mantenga un buen sello.
En la mayoría de los casos, la válvula maestra inferior se opera manualmente y la válvula maestra superior se opera a través de un actuador hidráulico o neumático y está conectada al sistema de parada de emergencia. Los actuadores funcionan a prueba de fallos. La válvula se mantiene abierta mediante aceite o presión contra un resorte helicoidal comprimido.
La válvula de compuerta maestra es una válvula de alta calidad. Proporcionará una apertura completa, lo que significa que se abre al mismo diámetro interior que el tubo para que puedan pasar herramientas especializadas a través de él. Debe ser capaz de soportar la presión total del pozo de forma segura para todos los propósitos previstos. Esta válvula generalmente se deja completamente abierta y no se usa para controlar el flujo.
Una válvula maestra es la primera válvula accionada en el árbol de Navidad, ubicada sobre la plataforma Mezzanine de la plataforma. El actuador es más grande y puede ser neumático o hidráulico, según los requisitos del árbol de Navidad.
El manómetro:- La instrumentación mínima es un manómetro colocado sobre la válvula de compuerta maestra antes de la válvula de ala. Además, normalmente se instalarán otros instrumentos como la temperatura.
3. Válvula de ala:-
La válvula de ala viene en el brazo del árbol de Navidad, en la línea donde comienza la línea de flujo. El actuador es nuevamente hidráulico o neumático según el requisito. La válvula de ala puede ser una válvula de compuerta o una válvula de bola. Cuando se cierra el pozo, normalmente se usa la compuerta o válvula de ala para que la presión de la tubería se pueda leer fácilmente.
Los árboles de Navidad se pueden fabricar con una o dos válvulas de ala. Una válvula está permanentemente conectada al sistema de procesamiento de hidrocarburos y está equipada con un actuador hidráulico o neumático. La otra válvula es de funcionamiento manual y permite la inyección de productos químicos o gases en el pozo sin perturbar las tuberías de producción.
Ambas válvulas están desplazadas de las líneas verticales para que se mantenga una entrada clara al pozo a través de la válvula de hisopo para el trabajo con cable. El flujo de gas del pozo se regula mediante la operación de la válvula de ala o mediante un estrangulador colocado encima de la válvula de ala.
Las válvulas hidráulicas de ala de árbol generalmente se construyen para cerrarse a prueba de fallas, lo que significa que requieren presión hidráulica activa para permanecer abiertas.
La válvula de la derecha a menudo se denomina válvula de ala de flujo o válvula de ala de producción porque se encuentra en la ruta de flujo que llevan los hidrocarburos a las instalaciones de producción.
La válvula de la izquierda a menudo se llama la válvula de ala muerta. Se utiliza principalmente para la inyección de fluidos como inhibidores de corrosión o metanol para evitar la formación de hidratos.
4. Válvula de servicio de pozo: –
La válvula de servicio de pozo puede estar presente en algunos árboles de Navidad, donde se requiere el bombeo de diésel para la puesta en marcha inicial. Está en el otro brazo del árbol de Navidad y, por lo general, el tamaño es menor que el de la válvula de ala.
La válvula en la parte superior se llama válvula de hisopo y se encuentra en el camino utilizado para buenas intervenciones como wireline y coiled tubing. Un ‘estrangulador’ es un dispositivo, ya sea estacionario o ajustable, que se utiliza para controlar el flujo de gas, también conocido como volumen, o crear una presión aguas abajo, también conocida como contrapresión.
Todas las válvulas de cabezal de pozo están controladas por un panel de control de cabezal de pozo, que proporciona el suministro hidráulico y neumático para abrir/cerrar estas válvulas. Lógicamente está incorporado en el WHCP para permitir el cierre seguro de todas estas válvulas de cabeza de pozo, en caso de una emergencia, ya sea por alteración del proceso o por emergencia/incendio. Además de estas válvulas, la otra instrumentación que está asociada con el árbol de Navidad son los manómetros y transmisores de presión para monitorear las presiones anulares, la presión de cabeza del tubo de flujo, etc.
¿Árbol de Navidad vs boca de pozo?
En la industria complicada pero vital de extraer petróleo y gas de la tierra y llevarlos a la superficie, las personas a menudo se confunden acerca de la diferencia entre un árbol de Navidad y una boca de pozo . Aunque los términos se usan indistintamente, un cabezal de pozo y un árbol de Navidad son piezas de equipo completamente separadas. Cada uno tiene válvulas y equipos relacionados que lo ayudan a controlar y guiar el flujo de este preciado recurso. Debe haber un cabezal de pozo para utilizar un árbol de Navidad y se usa sin un árbol de Navidad durante las operaciones de perforación. Los pozos de producción de superficie que requieren bombas (gatos de bomba, burros, etc.) con frecuencia no utilizan ningún árbol debido a que no hay requisitos de contención de presión.
Básicamente, el árbol de Navidad y el pozo trabajan juntos para llevar petróleo y gas a la superficie.
Un árbol a menudo proporciona numerosas funciones adicionales, incluidos puntos de inyección de productos químicos, medios de intervención de pozos, medios de alivio de presión (como venteo anular), puntos de monitoreo de pozos (como presión, temperatura, corrosión, erosión, detección de arena, tasa de flujo, composición de flujo, válvula y retroalimentación de la posición del estrangulador, puntos de conexión para dispositivos tales como transductores de temperatura y presión de fondo de pozo.
Árbol de Navidad Vertical vs Árbol de Navidad Horizontal
Árbol de navidad vertical:
Las válvulas maestras están ubicadas sobre el colgador de tubería y las válvulas de hisopo junto con las válvulas maestras están apiladas verticalmente. El orificio de producción y anular se encuentra verticalmente en el cuerpo del árbol. La terminación del pozo está terminada antes de instalar el árbol de Navidad vertical. Dado que el colgador de la tubería de producción descansa sobre la cabeza del pozo, el árbol de Navidad se puede recuperar sin tener que recuperar la terminación del fondo del pozo. Este tipo se aplica generalmente en campos submarinos debido a su flexibilidad en la instalación y operación.
Árbol de navidad horizontal:
En contraste con el árbol de navidad vertical, las válvulas del árbol de navidad horizontal están ubicadas en los lados laterales del árbol de navidad horizontal, lo que permite una fácil intervención de pozos y recuperación de tuberías, por lo que este tipo de árbol es muy factible para los pozos que necesitan muchos intervenciones. El colgador de tubería se instala en el cuerpo del árbol en lugar del cabezal del pozo. En consecuencia, el árbol se instala en el cabezal del pozo antes de que se complete el pozo.
Código de diseño para árbol de Navidad y boca de pozo
El equipo Christmas Tree and Well Head está diseñado siguiendo la especificación API 6A/ISO 10423. El diseño debe tener en cuenta los efectos de la contención de la presión y otras cargas inducidas por la presión y la temperatura. La siguiente figura (Fig. 2) muestra la nomenclatura típica de las piezas utilizadas para describir el árbol de Navidad y el cabezal del pozo.
