En la extracción de petróleo y gas natural , un árbol de Navidad , o árbol , es un conjunto de válvulas, carretes de revestimiento y accesorios utilizados para regular el flujo de tuberías en un pozo de petróleo , pozo de gas , pozo de inyección de agua , pozo de eliminación de agua, pozo de inyección de gas, pozo de condensado y otros tipos de pozo.
El primer árbol de Navidad primitivo fue utilizado por los hermanos Hamill para controlar Spindletop . Consistía en una válvula en T, con una válvula de 6 pulgadas (150 mm) y otra de 8 pulgadas (200 mm) en el tubo vertical, y una válvula de 6 pulgadas en el tubo horizontal. La válvula vertical se cerraba primero y luego la válvula del tubo horizontal. [1] [2]
Los árboles de Navidad se utilizan tanto en pozos de superficie como submarinos. Es común identificar el tipo de árbol como "árbol submarino" o "árbol de superficie". Cada una de estas clasificaciones tiene una serie de variaciones. Algunos ejemplos de árboles submarinos son los convencionales, de doble perforación, de perforación única, TFL (línea de flujo continuo), horizontales, de línea de lodo, horizontales de línea de lodo, de válvula lateral y TBT (árbol de perforación continuo). El árbol submarino instalado a mayor profundidad se encuentra en el Golfo de México, a aproximadamente 9000 pies (2700 m). Los límites técnicos actuales son de hasta unos 3000 metros y las temperaturas de trabajo de −50 a 350 °F (−46 a 177 °C) con una presión de hasta 15 000 psi (100 MPa).
La función principal de un árbol es controlar el flujo, generalmente de petróleo o gas , que sale del pozo. (Un árbol también puede usarse para controlar la inyección de gas o agua en un pozo no productor con el fin de mejorar las tasas de producción de petróleo de otros pozos). Cuando el pozo y las instalaciones están listos para producir y recibir petróleo o gas, se abren las válvulas del árbol y se permite que los fluidos de formación pasen por una línea de flujo. Esto conduce a una instalación de procesamiento, depósito de almacenamiento y/u otra tubería que eventualmente conduce a una refinería o centro de distribución (para gas). Las líneas de flujo en pozos submarinos generalmente conducen a una plataforma de producción fija o flotante o a un barco o barcaza de almacenamiento, conocido como buque de almacenamiento y descarga flotante (FSO), o unidad de procesamiento flotante (FPU), o buque de producción, almacenamiento y descarga flotante (FPSO).
Un árbol suele proporcionar numerosas funciones adicionales, entre ellas, puntos de inyección de productos químicos, medios de intervención en pozos, medios de alivio de presión, puntos de control (como presión, temperatura, corrosión, erosión, detección de arena, caudal, composición del flujo, retroalimentación de la posición de válvulas y válvulas de estrangulamiento ) y puntos de conexión para dispositivos como transductores de presión y temperatura en el fondo del pozo (DHPT). En pozos de producción, se pueden inyectar productos químicos o alcoholes o destilados de petróleo para evitar problemas de producción (como bloqueos).
La funcionalidad se puede ampliar aún más utilizando el sistema de control en un árbol submarino para monitorear, medir y reaccionar a las salidas de los sensores en el árbol o incluso en el interior del pozo. El sistema de control conectado al árbol controla la válvula de seguridad de fondo de pozo (SCSSV, DHSV, SSSV) mientras que el árbol actúa como un medio de conexión y conducción del sistema de control hacia la válvula de seguridad de fondo de pozo.
La complejidad de los árboles ha aumentado en las últimas décadas. Con frecuencia, se fabrican a partir de bloques de acero que contienen múltiples válvulas en lugar de ensamblarse a partir de componentes individuales con bridas. Esto es especialmente cierto en aplicaciones submarinas donde el parecido con los árboles de Navidad ya no existe debido al marco y los sistemas de soporte en los que se integra el bloque de válvulas principal.
Tenga en cuenta que un árbol y un cabezal de pozo son piezas de equipo separadas que no deben confundirse con la misma pieza. El árbol de Navidad se instala en la parte superior del cabezal del pozo. Un cabezal de pozo se utiliza sin un árbol de Navidad durante las operaciones de perforación y también para situaciones de amarre del tubo ascendente en las que más tarde se instalaría un árbol en la parte superior del tubo ascendente. Los pozos que se producen con bombas de varilla (bombas de gatos, bombas de asno, bombas de saltamontes, etc.) con frecuencia no utilizan ningún árbol debido a la ausencia de un requisito de contención de presión.
Los árboles submarinos y de superficie tienen una gran variedad de configuraciones de válvulas y combinaciones de válvulas manuales y/o accionadas (hidráulicas o neumáticas). Se identifican ejemplos en las especificaciones API 6A y 17D.
Un árbol de superficie básico consta de dos o tres válvulas manuales (generalmente válvulas de compuerta debido a sus características de flujo, es decir, baja restricción al flujo de fluido cuando están completamente abiertas).
Un árbol de superficie sofisticado típico tendrá al menos cuatro o cinco válvulas, normalmente dispuestas en un patrón tipo crucifijo (de ahí la perdurabilidad del término "árbol de Navidad"). Las dos válvulas inferiores se denominan válvulas maestras (superior e inferior respectivamente). Las válvulas maestras normalmente están en la posición completamente abierta y nunca se abren ni se cierran cuando el pozo está fluyendo (excepto en una emergencia) para evitar la erosión de las superficies de sellado de la válvula. La válvula maestra inferior normalmente se operará manualmente, mientras que la válvula maestra superior a menudo se acciona hidráulicamente, lo que permite que se use como un medio para cerrar el pozo de forma remota en caso de emergencia. Una válvula de ala accionada normalmente se utiliza para cerrar el pozo cuando fluye, preservando así las válvulas maestras para un cierre positivo para fines de mantenimiento. Las válvulas de ala operadas hidráulicamente generalmente se construyen para cerrarse a prueba de fallas, lo que significa que requieren presión hidráulica activa para permanecer abiertas. Esta característica significa que si el fluido de control falla, el pozo se cerrará automáticamente sin la acción del operador.
La válvula de la derecha a menudo se denomina válvula de ala de flujo o válvula de ala de producción, porque está en el camino de flujo que toman los hidrocarburos hacia las instalaciones de producción (o el camino que tomará el agua o el gas desde la producción hasta el pozo en el caso de pozos de inyección).
La válvula de la izquierda se suele denominar válvula de ala de cierre (KWV). Se utiliza principalmente para la inyección de fluidos como inhibidores de corrosión o metanol para evitar la formación de hidratos. En el Mar del Norte, se denomina brazo lateral no activo (NASA). Normalmente se opera manualmente.
La válvula que se encuentra en la parte superior se denomina válvula de swab y se encuentra en el camino que se utiliza para intervenciones en pozos, como el cableado y la tubería flexible . Para tales operaciones, se coloca un lubricador en la parte superior del árbol y se baja el cable o la tubería flexible a través del lubricador, pasando por la válvula de swab y dentro del pozo. Esta válvula generalmente se opera manualmente.
Algunos árboles tienen una segunda válvula de swab, las dos dispuestas una sobre la otra. La intención es permitir el desmontaje del equipo desde la parte superior del árbol con el pozo fluyendo mientras se preserva la regla de las dos barreras . Con una sola válvula de swab, la válvula maestra superior generalmente se cierra para actuar como segunda barrera, lo que obliga a cerrar el pozo durante un día durante las operaciones de desmontaje. Sin embargo, evitar retrasar la producción durante un día suele ser una ganancia demasiado pequeña como para que valga la pena el gasto adicional de tener un árbol de Navidad con una segunda válvula de swab.
Los árboles submarinos están disponibles en configuraciones verticales u horizontales con otras especialidades disponibles, como perforación doble, perforación única, concéntrica, perforación a través, línea de lodo, sin guía o con guía. Los subsistemas de árboles submarinos también se pueden personalizar aún más para adaptarse a las necesidades de pozos individuales. Los árboles submarinos pueden variar en tamaño y peso desde unas pocas toneladas hasta aproximadamente 70 toneladas para aplicaciones sin guía de alta presión y aguas profundas (más profundas que 3000 pies o 910 m). Los árboles submarinos contienen muchas válvulas y accesorios adicionales en comparación con los árboles de superficie. Por lo general, un árbol submarino tendría una válvula de estrangulamiento (permite el control del flujo), una interfaz de conexión de línea de flujo (cubo, brida u otra conexión), una interfaz de control submarino (hidráulica directa, electrohidráulica o eléctrica) y sensores para recopilar datos como presión, temperatura, flujo de arena, erosión, flujo multifásico y flujo monofásico como agua o gas.
