Cabezal del pozo (Arbolito de navidad)

El término Cabezal está definido, en la industria como todo el equipo permanente entre la porción superior del revestimiento de superficie y la brida adaptadora (adapter flange), sin embargo suele atribuirse otros nombres coloquiales como "Arbol de navidad" o "Cruz del pozo". La sección de flujo (christmas tree) o árbol de navidad se define como el equipo permanente por encima de la brida adaptadora (válvulas y medidores); sin embargo para este caso, se tomará la sección de flujo como parte componente del cabezal. También se le reconoce por el nombre de Cruz de pozo, debido a la forma que se asemeja. 

                         

Partes del Cabezal 

A su vez el cabezal también puede ser dividido en dos partes:

Equipo de perforación

Incluye generalmente el casing head, casing spool y casing hanger, incluyendo los sellos de aislamiento, cuando los anteriores elementos lo requieren. Estos componentes están asociados con todas las sartas de revestimiento anteriores al revestimiento de producción.

Equipo de completamiento

Incluye como componentes principales; los Tubing head, Tubing hanger, Tubing head adapter, christmas tree, valves, crosses and tee and chockes. En general todos los elementos asociadas con el revestimiento de producción y la tubería de producción usados; para completar y producir el pozo incluyendo el equipo de control de flujo.

El wellhead (Cabezal de pozo) provee la base para el asentamiento mecánica del ensamblaje en superficie. Provee:

1. Suspensión de tubulares (casings y tubings), concéntricamente en el pozo.

2. Capacidad para instalar en superficie un dispositivo de control de flujo del pozo como:

•  Un BOP (Blowout Preventer) para la perforación
• Un Xmas Tree (Arbol de Navidad) para la producción o inyección

3. Acceso hidráulico al anular entre casing para permitir el desplazamiento durante la cementación y entre el casing de producción y el tubing para la circulación del pozo.

El propósito del Arbol de Navidad (Xmas Tree) es proveer un control de válvulas de los fluidos producidos o inyectados al pozo. El Xmas Tree es normalmente bridado al sistema de cabezal de pozo después de correr el tubing de producción. El diseño mostrado es uno de los más simples y comunes diseños, en él brevemente se puede ver que comprende 2 válvulas laterales de salida, normalmente una para la producción y otra para la inyección. Adicionalmente una tercera válvula de salida provee acceso vertical al tubing mediante herramientas de cable concéntricas o coiled tubing tools.

La válvula inferior es la válvula máster y controla todo el acceso mecánico e hidráulico al pozo. En algunos casos, la importancia de esta válvula para brindar seguridad al pozo es tan alta que es duplicada. Todas las válvulas son en algunos casos tanto manualmente operadas como controladas remotamente hidráulicamente como en el caso de las plataformas marinas.

Componentes básicos del cabezal

Cabeza primaria del revestimiento. (Casing heads)

Sirve como conexión intermedia entre el revestimiento conductor o revestimiento superficial y el equipo de control de pozo o con la sarta siguiente y/o la subsecuente sección (casing spool or Tubing spool). Las funciones básicas del casing head son soportar la sarta de revestimiento, conectar o adaptar el equipo de control de pozo aislando el hueco de la atmósfera y permitir el acceso al hueco para controlar la presión o el retorno de fluidos durante las operaciones de perforación.

Colgadores de revestimiento. (casing hangers)

Son mecanismos retenedores con empaques que permiten soportar, centrar y usualmente sellar el anular entre el revestimiento y el tazón interno del casing head. Hay tres clases: cuñas, colgador de cuñas y tipo mandril.

Protector de prueba. (Test protector)

Posee doble función de acuerdo con el diseño del colgador seleccionado:

• Como Packoff primario para sellar el anular entre el tazón de casing head y la sarta de revestimiento.
• Como protector de prueba cuando el colgador posee mecanismo de sello y su función es aislar el área de carga de las cuñas que soportan la sarta evitando una sobrepresión hidráulica.

Sellos de aislamiento. (isolated seals)

Bajo este término se incluye cualquier tipo de mecanismo que selle el diámetro externo de el final de la sarta de revestimiento contra el tazón inferior que por diseño posee el Tubing head o el casing spool que se instala enseguida y constituye la siguiente sección.

Sellos de conexión. (ring gasket)

También conocidos como anillos de compresión, suministran un sello

hermético entre dos secciones o elementos ensamblados.

Bridas adaptadoras. (adapter flange or Tubing bonnets)

Permiten conectar la última sección del cabezal al ensamble de válvulas que se conoce como árbol de navidad.

Normas básicas de regulación.

En cuanto a cabezales de pozo existen normas para fabricación, diseño, selección y pruebas como requisito para garantizar al usuario la calidad del producto. Estas generalmente son creadas por los institutos: ANSI, ASME, ASTM, ASNT, AWS, MSS, NACE. Y por supuesto el AMERICAN PETROLEUM INSTITUTE (API). Que en su norma 6A especifica los parámetros para la fabricación y selección de cabezales y equipos de control de flujo suministrando detalles específicos para las conexiones bridadas desde 2000 PSI HASTA 20000 PSI de presión de trabajo así mismo provee una fuente de referencia para Tubing hangers, válvulas de compuerta, choques y actuadores usados en la producción de petróleo y gas en estas rangos de presión.

Válvula Mariposa

La válvula de mariposa es de ¼ de vuelta y controla la circulación por medio de un disco circular, con el eje de su orificio en ángulos rectos con el sentido de la circulación. Una válvula de mariposa es un dispositivo para interrumpir o regular el flujo de un fluido en un conducto, aumentando o reduciendo la sección de paso mediante una placa, denominada «mariposa», que gira sobre un eje. Al disminuir el área de paso, aumenta la pérdida de carga local en la válvula, reduciendo el flujo.

En el ámbito de las válvulas para uso en hidráulica, se distinguen por las siguientes características:

•            Están en todos los casos contenidas al interior de la tubería;
•           Tienen una baja pérdida de carga cuando están totalmente abiertas.
•            La relación entre el área de paso y el ángulo de giro de la mariposa no es lineal.
•     Son utilizadas en conductos de aire, tuberías para líquidos y en aplicaciones mecánicas, como en algunos tipos de motores térmicos.

Las válvulas de mariposa son unas válvulas muy versátiles. Tiene una gran capacidad de adaptación a las múltiples solicitaciones de la industria, tamaños, presiones, temperaturas, conexiones, etc. a un coste relativamente bajo. El desarrollo de la válvula de mariposa es más reciente que en otro tipo de válvulas. Una mayor concienciación en el ahorro energético de las instalaciones favoreció su introducción, ya que su pérdida de carga es pequeña.

En un principio se usaba en instalaciones a poca presión de servicio, pero mejoras tecnológicas permitió evolucionar la válvula de mariposa a usos de altas prestaciones.

El funcionamiento básico de las válvulas de mariposa es sencillo pues sólo requiere una rotación de 90º del disco para abrirla por completo. La operación es como en todas las válvulas rotativas rápida.
Poco desgaste del eje, poca fricción y por tanto un menor par, que resulta en un actuador más barato. El actuador puede ser manual, oleohidráulico o motorizado eléctricamente, con posibilidad de automatización.

La geometría de la válvula de mariposa es sencilla, compacta y de revolución, por lo que es una válvula barata de fabricar, tanto por el ahorro de material como la mecanización. El menor espacio que ocupan facilita su montaje en la instalación. En este sentido, las válvulas de compuerta y globo resultan muy pesadas y de geometría compleja. Por todo ello, las válvulas de mariposa son especialmente atractivas en grandes tamaños respecto otro tipo de válvulas.

La pérdida de carga es pequeña. Cuando la válvula está totalmente abierta, la corriente circula de forma aerodinámica alrededor del disco, y aunque la pérdida de carga es ligeramente superior a las válvulas esféricas o de compuerta, ya que estás tienen la sección totalmente libre de obstáculos, es claramente inferior a la válvula globo.

Las válvulas de mariposa pueden estar preparadas para admitir cualquier tipo de fluido gas, líquido y hasta sólidos. A diferencia de las válvulas de compuerta, globo o bola, no hay cavidades donde pueda acumularse sólidos impidiendo la maniobrabilidad de la válvula.

La presión y temperatura de diseño son factores relacionados, a una misma presión, con el aumento de la temperatura, baja las prestaciones de la válvula por la menor capacidad que tienen los materiales a altas temperatura. De la misma forma que las válvulas de compuerta, globo, y bola, admite asientos metálicos que pueden soportar grandes presiones y temperaturas extremas.

Tipos de válvulas de mariposa

Hay que distinguir básicamente dos tipos de válvulas de mariposa:

·        Válvulas de mariposa de eje centrado.

·        Válvulas de mariposa de eje descentrado.

Las de eje centrado tienen el cuerpo totalmente recubierto de un elastómero, normalmente EPDM y tienen la ventaja que éste está protegido ante la posible corrosión del fluido vehiculado, además de ser bidireccionales.

Las de eje descentrado se utilizan sobre todo en industria petroquímica puesto que para servicios de agua convencionales no están recomendadas. Sin embargo pueden hacer cierres con seguridad fuego (metal-metal) o utilizarse en servicios de regasificación (-200 °C), estas necesidades con las de eje centrado no se pueden cubrir.  

Su presentación puede ser: Bridada, Tipo Waffer o Bridada ROOR.

Recomendada para

•        Servicio con apertura total o cierre total.
•         Servicio con estrangulación.
•         Para accionamiento frecuente.
•        Cuando se requiere corte positivo para gases o líquidos.
•         Cuando solo se permite un mínimo de fluido atrapado en la tubería.
•        Para baja ciada de presión a través de la válvula.

Aplicaciones

Servicio general, líquidos, gases, pastas semilíquidas, líquidos con sólidos en suspensión.

Ventajas

•        Ligera de peso, compacta, bajo costo.
•         Requiere poco mantenimiento.
•         Número mínimo de piezas móviles.
•         No tiene bolas o cavidades.
•         Alta capacidad.
•        Circulación en línea recta.
•         Se limpia por sí sola.

Desventajas

•         Alta torsión (par) para accionarla.
•         Capacidad limitada para caída de presión.
•         Propensa a la cavitación.

Hot tapping / Perforación en caliente

Las compañías de transmisión y distribución de hidrocarburos (líquidos, gaseosos) necesitan hacer conexiones a las tuberías muchas veces al  año para expandir o modificar sus sistemas existentes, instalar válvulas nuevas o reparar las viejas, instalar laterales nuevas, realizar el mantenimiento o tener acceso a líneas durante emergencias. Históricamente, esto ha requerido sacar de servicio una porción  del sistema y purgar el gas o líquido a la atmósfera para garantizar la seguridad al momento de hacer la conexión.

Existe un procedimiento alternativo llamado “hot tapping” el cual realiza la conexión nueva de tubería mientras la tubería permanece en servicio, con flujo de gas natural bajo presión.

El procedimiento “hot tapping” consiste en adherir una conexión derivada y una válvula a la parte externa de una tubería en funcionamiento, y después se corta la pared de la tubería dentro de la derivación y se quita la sección de pared a través de la válvula. El uso de “hot taps” evita la pérdida de producto, las emisiones de metano y la interrupción del servicio a los consumidores. Este procedimiento, llamado interrupción e interconexión, causa emisiones de gases, pérdida de producto y ventas, molestias ocasionales a  los consumidores y el costo de la evacuación del sistema de la tubería existente.

Este procedimiento para realizar la interrupción e interconexión difiere levemente dependiendo de la presión del sistema. En sistemas de alta presión, las válvulas que los rodean se cierran para aislar el segmento de tubería y se colocan bloqueadores adicionales (tapones insertados) junto a las válvulas para evitar las fugas de hidrocarburos  y mejorar las condiciones de seguridad en el lugar de la interconexión. En  un sistema de baja presión, la longitud de la tubería que se sacará de servicio por lo general es mucho más corta. En lugar de cerrar las válvulas que se encuentran alrededor, los tapones se usan para aislar la porción de la tubería que está directamente en el área de la derivación. En ambos casos, el hidrocarburo en el segmento aislado de la tubería se ventila y la línea se purga.

Los efectos relacionados con la interrupción de la interconexión son tanto económicos como al medio ambiente. El gas ventilado del segmento de tubería representa una pérdida de producto y un aumento de emisiones de metano. Además, sacar de  servicio un segmento de tubería puede en ocasiones causar interrupciones graves al servicio a los consumidores. Por ejemplo, una conexión paralizada en una línea de acero puede requerir de tres o más días con la tubería fuera de servicio y la  posible interrupción de los embarques de gas natural además de la liberación de metano a la atmósfera.

La técnica de hot tapping es una alternativa que permite que se haga la conexión sin tener que sacar de servicio el sistema ni ventilar gas a la atmósfera. La técnica de hot tapping también se conoce como intervención de la línea, intervención de  la presión, corte de presión y corte lateral. El proceso implica adherir conexiones derivadas y cortar agujeros en la tubería en funcionamiento sin interrumpir el flujo  del gas, y sin liberar ni perder producto. Los hot taps permiten nuevas derivaciones en los sistemas existentes, la inserción de dispositivos en la corriente del flujo, desviaciones permanentes o temporales y es la fase preparatoria para el bloqueo  de la línea con tapones de globo temporales inflables (tapones).

Definición 

Hot Tapping o también llamada Perforación en caliente, básicamente es un proceso mediante el cual se permite reemplazar, mejorar o adherir un equipo o una sección determinada de tubería que ya no cuente con las condiciones necesarias para operar, sin tener que detener el fluido que pasa a través de él o ellos, es decir sin tener que interrumpir el proceso. Esto significa que una tubería o equipo puede continuar en funcionamiento, mientras que el mantenimiento o modificaciones, se realizan a los mismos. Consiste en cortar uno o unos agujeros en la tubería "en vivo" teniendo en cuenta la no interrupción de flujo del producto o pérdida de producto que circula por la tubería.

Para ellos se utilizan básicamente las válvulas de sándwich, las split tee (te partida) y el hot tapping machine (perforadora).  El equipo para realizar hot taps está disponible para casi cualquier tamaño de tubería, materiales de tuberías y tasas de presión en los sistemas de transmisión  y distribución. 

Equipos empleados en el Hot Tapping

El equipo principal para la aplicación de hot taps típicos incluye una máquina para taladrar, un accesorio de derivación y una válvula. El equipo de hot taps se describe a continuación: 

• Máquina para taladrar. La máquina para taladrar (Hot tapping Machine) generalmente consiste en una barra giratoria o fija telescópica accionada mecánicamente que controla  la herramienta de cortado. La herramienta de cortado se usa para producir un agujero piloto en la pared de la tubería para poder centrar una sierra perforadora que corta el “cupón” o la sección curva de la pared de la tubería.

• Accesorio. La conexión a la tubería existente se hace dentro de un accesorio,que recibe por nombre Split Tee, el cual puede ser un simple tubo corto soldado para una conexión pequeña (por ejemplo, una pulgada) a una tubería más grande, o una T de manga  dividida de envoltura completa para brindar apoyo adicional cuando la derivación sea del mismo tamaño que la tubería principal. La T se envuelve completamente alrededor de la tubería, y cuando se suelda, ofrece el refuerzo mecánico de la derivación a la tubería portadora.

• Válvula. La válvula de la conexión hot tap, también llamada Válvula de Sandwich, puede ser una válvula de bloqueo o una válvula de control para una nueva conexión, y debe ser capaz de permitir que el cupón (la sección de la pared de tubería cortada con una sierra perforadora) pueda quitarse después de la operación de cortado. Algunas válvulas adecuadas incluyen las válvulas de globo o compuerta, pero no los tapones ni las válvulas de mariposa.

Procedimiento para el Hot Tapping 

El Siguiente cuadro  ofrece un esquema general de un procedimiento de hot tap. Los pasos básicos para realizar un hot tap son:

• Conectar el accesorio a la tubería existente con soldadura (acero), pernos (hierro fundido) o adhesiones (plásticas) e instalar la válvula.
• Instalar la máquina de hot taps a través de la válvula permanente.
• Llevar a cabo el hot tap cortando el cupón de la tubería a través de la válvula abierta. Un dispositivo especial sostiene el “cupón” para quitarlo después de la operación del hot tap. Sacar el cupón a través de la válvula y cerrar la válvula.
• Quitar la máquina de hot tap y añadir la tubería derivada. Purgar el oxígeno, abrir la válvula y la conexión nueva estará en servicio.

Válvula de seguridad y/o Alivio

Las válvulas de alivio de presión, también llamadas válvulas de seguridad o válvulas de alivio, están diseñadas para liberar un fluido cuando la presión interna de un sistema que lo contiene supere el límite establecido (presión de tarado). Su misión es evitar una explosión, el fallo de un equipo o tubería por un exceso de presión. Existen también las válvulas de alivio que liberan el fluido cuando latemperatura supera un límite establecido. Estas válvulas son llamadas válvulas de alivio de presión y temperatura.

Usos típicos

Las válvulas de seguridad se pueden encontrar en instalaciones industriales, comerciales y domésticas. En general son obligatorias en las instalaciones en las que circulen o se mantengan fluidos sometidos a cambios de presión y/o temperatura.

Entre los ejemplos más comunes y a la vista de todos están los calentadores de agua por acumulación. Las válvulas de seguridad o de alivio instaladas en los calentadores o en la línea del calentador están diseñadas para abrirse y liberar la presión en caso de que la presión supere cierto límite (de ordinario, unos 8 ... 10 bar) para evitar que revienten en caso de fallo del termostato, que podría llevar al agua a temperatura por encima de la ebullición y producir vapor.

En la industria también sobran los ejemplos como los compresores de aire o en los sistemas de reducción de presión para suministro degas natural o de GLP.

Otros usos habituales de estas válvulas son el alivio de presión en un bloqueo en el sistema de impulsión de una bomba, o para aliviar el aumento de presión debido a una expansión térmica de un fluido confinado en un sistema cerrado.

Es muy importante en estas válvulas que la liberación del fluido se haga hacia el exterior, en un lugar visible, puesto que habitualmente la fuga indica un fallo del sistema normal de regulación, y de este modo el operador puede saber que hay un problema y que debe tomar medidas para corregirlo. Sin embargo, en la industria no todas las válvulas deben liberar el fluido al exterior: en el caso de gases o líquidospeligrosos la liberación debe hacerse hacia contenedores especiales.

Las válvulas de alivio de presión se utilizan también para controlar procesos, en estos casos las válvulas actúan enviando los fluidos a determinados lugares dependiendo de presión del sistema.

El uso principal de esta válvula es para servicio no comprimible y se abre con lentitud conforme aumenta la presión, para regularla.

La válvula de seguridad es similar a la válvula de desahogo y se abre con rapidez con un "salto" para descargar la presión excesiva ocasionada por gases o líquidos comprimibles.

El tamaño de las válvulas de desahogo es muy importante y se determina mediante formulas especificas.

Tipos de Válvulas de Seguridad

Las válvulas de seguridad, se clasifican básicamente en:

• Válvula de alivio, la cual se abre proporcionalmente en respuesta al incremento de presión que se presente corriente arriba de ella.  Este tipo de válvula se utiliza para líquidos. 
• Válvula de seguridad propiamente dicha, caracterizada por abrir completamente en forma rápida.  Este tipo de válvula se emplean para vapor o aire.

Se debe tener mucho cuidado con la calibración de cualquiera de los dos tipos de válvula, ya que una presión de ajuste arriba de la necesaria permitirá, en un momento dado, que la caldera trabaje a presión mayor que la debida, con los consiguientes  riesgos operacionales, en tanto que, una presión de ajuste inferior a la requerida ocasionaría que las válvulas se abrieran con demasiada frecuencia, ocasionando desperdicios de energía.

Recomendada para

Sistemas en donde se necesita una gama predeterminada de presiones.

Aplicaciones

Agua caliente, vapor de agua, gases, vapores.

Ventajas

·        Bajo costo.

·        No se requiere potencia auxiliar para la operación.

Variaciones

·        Seguridad, desahogo de seguridad.

·        Construcción con diafragma para válvulas utilizadas en servicio corrosivo.

Materiales

Cuerpo: hierro fundido, acero al carbono, vidrio y TFE, bronce, latón, camisa de TFE, acero inoxidable, Hastelloy, Monel.

Componentes: diversos.

Instrucciones especiales para instalación y mantenimiento

Se debe instalar de acuerdo con las disposiciones del Código ASME para recipientes de presión sin fuego.

Se debe instalar en lugares de fácil acceso para inspección y mantenimiento.