全電動SSBOP（海底防噴器）的開發(fā)大大提高了BOP（防噴器）的可靠性和操作性能，同時還減少了設(shè)備的重量、井口連接的疲勞、緊急斷開井口連接的次數(shù)和維護運營成本。在HMH公司的電氣化實驗室里對一臺18¾ in. BOP電動剪切閘板的致動器進行了全面測試，驗證了它的優(yōu)勢、功效和成果。
圖1
在深水鉆探的歷史上，液壓BOP技術(shù)的發(fā)展產(chǎn)生了大量重型的復(fù)雜組件，這些組件需要常規(guī)準(zhǔn)備才能進行鉆井作業(yè)?，F(xiàn)代BOP堆疊的重量、尺寸和復(fù)雜性為解決井口疲勞問題以及在建井過程中縮短API STD 53（鉆井防噴器設(shè)備技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，主要用于規(guī)范陸上和海洋鉆井作業(yè)BOP等關(guān)鍵井控設(shè)備的安裝、測試與操作要求）要求測試所花費大量時間提供了應(yīng)對的機遇。
然而，目前的液壓控制系統(tǒng)也會隨著海水深度的增加而降低剪切閘板的峰值剪切力，同時，考慮到剪切操作所需的時間，也限制了緊急斷開井口所花費時間這方面的改進。為了解決這些挑戰(zhàn)，BOP的專家們一致認(rèn)為需要一種替代目前液壓控制系統(tǒng)的方案。
為此，HMH公司的工程師們正在積極開發(fā)一種全電動的SSBOP，如圖1所示，全電動SSBOP去除了所有的液壓系統(tǒng)，相比目前的BOP，全電動SSBOP呈現(xiàn)出顯著的優(yōu)勢。接下來討論一下全電動控制系統(tǒng)是如何實現(xiàn)BOP的可靠性、性能和重量有了一個質(zhì)的飛躍的。
作為SSBOP全面電動化計劃的一部分，HMH公司優(yōu)先開發(fā)和測試了一款全尺寸的原型剪切閘板致動器。決定首先從剪切閘板致動器著手，只因為剪切閘板致動器在BOP堆疊組件中起著至關(guān)重要的安全作用，以及在所需力量和沖擊負(fù)載方面所呈現(xiàn)出的顯著的復(fù)雜性。
圖2
迄今為止，電控系統(tǒng)已展現(xiàn)出顯著的進展和效能，包括：
Ÿ 18¾ in. 的BOP可在12秒內(nèi)剪斷鉆桿，比API要求的剪切速度快約四倍，如圖2所示。
Ÿ 完全采用存儲的電池能量進行鉆桿剪切。
Ÿ 實現(xiàn)對剪切閘板的高精度控制，誤差在0.1mm內(nèi)，這使得這種剪切閘板能縮短關(guān)鍵途徑的測試時間，降低對彈性橡膠體的磨損。
我們將開始生產(chǎn)全尺寸的、符合現(xiàn)場配置的剪切閘板致動器，測試計劃將于2025年12月進行。
海底電動防噴器的優(yōu)勢
雖然液壓BOP已經(jīng)能應(yīng)對許多具有挑戰(zhàn)性的深海鉆探項目，但同樣的技術(shù)也限制了油氣作業(yè)的運營效率，以及鉆井承包商無法釋放大量有益價值的現(xiàn)實期望。
關(guān)鍵途徑操作時間的節(jié)省。首先，將BOP轉(zhuǎn)換為電動操作，通過縮短關(guān)鍵測試所花費的時間，每年可為石油公司在墨西哥灣每部浮動式鉆井平臺節(jié)省2200萬美元的運營支出?？s短完成項目所需的時間還能降低碳排放。下面討論一下節(jié)省時間的幾次機會。
在采用SSBOP之前，必須執(zhí)行一個強制性的液壓測試程序，其中包括強制性的保持期。整個程序可以用一項電動連續(xù)性檢查來替代，這種檢查幾乎可以立刻確定電控系統(tǒng)的完好狀態(tài)。
現(xiàn)有的BOP每周需要進行一次功能性測試，因為施加液壓的BOP執(zhí)行器會導(dǎo)致井眼阻塞。而采用電動BOP，可通過高精度的控制將每個BOP《包括環(huán)形防噴器、閘板防噴器（全封閘板、半封閘板、剪切閘板、變徑閘板）》功能動作的伸縮精度控制在幾分之一英寸，而不侵入或影響井眼。這一特性被稱為微測試。在這種情況下，每個BOP的功能可在鉆進的同時進行測試，從而消除了關(guān)鍵途徑時間的損失。此外，微測試大大減少了對井筒形橡膠密封件不必要的磨損，這些密封件在每周一次的功能測試中不需要再進行測試。
電控系統(tǒng)的實施為更新該行業(yè)BOP壓力測試的政策、反映現(xiàn)代技術(shù)的應(yīng)用提供了機會。在這種情況下，可將BOP壓力測試的時間間隔延長至一般公認(rèn)的21天以上的一個時段。與液壓系統(tǒng)相比，延長的理由是電控系統(tǒng)本質(zhì)上更簡單，而相關(guān)的組件具有統(tǒng)計上更高的可靠性評級。
圖3
此外，微測試的實施以及進行電動連續(xù)性檢查的能力也大大地減小了BOP體內(nèi)彈性橡膠件的磨損，從而提高了人們對該技術(shù)的信心。最后，數(shù)據(jù)量也有所增加，可用于提高實時狀態(tài)監(jiān)測程序的監(jiān)測精度。
還有一件引起人們關(guān)注的事，那就是由于電動控制系統(tǒng)部件的可靠性得到了提高，因此設(shè)備備件也減少的很多，鉆井承包商的備件管理和維護工作也變得更加簡化了。此外，BOP所需液壓流體的要求可以完全不需要了。
設(shè)備重量和空間的節(jié)省也降低了操作風(fēng)險，為更輕的駁船作業(yè)創(chuàng)造了機會。如圖3（移除液壓控制系統(tǒng)所獲得的空間十分顯著，設(shè)備的重量也減輕了許多）所示，移除地面與液壓相關(guān)的支架也節(jié)省了不小的空間，此外，拆除海底液壓控制系統(tǒng)還能顯著減輕井底設(shè)備的重量。這些重量的減少可轉(zhuǎn)化為井口疲勞的減少。在下一個新的建造周期，這些重量和空間的節(jié)省還有助于高效的完成駁船的設(shè)計。
使用替代配置的BOP，如P&A（封堵和棄井）的堆組，也能顯著減輕設(shè)備的重量。這樣做可以降低在舊井口進行P&A操作的相關(guān)風(fēng)險，還能為較輕的駁船執(zhí)行相同的作業(yè)創(chuàng)造機會。最后，雖然本文重點講述的是深水作業(yè)，但也應(yīng)考慮在將BOP設(shè)備從一口井轉(zhuǎn)移至另一口井時節(jié)省陸上鉆機物流運輸?shù)墓ぷ髁俊?br />
操作性能的顯著提升。鉆井效率更高，BOP峰值剪切力更大，還能縮短緊急情況下斷開井口的時間以及降低井口疲勞的風(fēng)險，這些優(yōu)勢能使一個駁船隊為運營商提供更高價值的主張，同時還能參與更廣泛的項目競標(biāo)。
若采用今天鉆井作業(yè)普遍認(rèn)可的鉆井順序，12秒內(nèi)剪斷鉆具的能力使緊急斷開井口連接的時間縮短了50%。這種好處使得正在作業(yè)的油井能夠更快地獲得安全保障，使浮動式鉆井平臺能在較淺的水域參與合同競標(biāo)。剪切閘板剪切速度的加快主要得益于BOP運營商能在有限的空間內(nèi)采用電控系統(tǒng)發(fā)出可觀的電力，從而擁有了強大的功率輸出。
就閘板剪切力而言，去除海底儲能器之后，系統(tǒng)的剪切力不再受海水深度影響。新型電動BOP系統(tǒng)由電池、驅(qū)動裝置和電動機提供動力，無論海水深度如何變化，都能提供相同峰值的剪切力。此外，電動系統(tǒng)可以持續(xù)且重復(fù)地提供額定峰值的剪切力，真正做到了“一勞永逸”。
圖4
最終，電池儲能系統(tǒng)比液壓蓄能器存儲的能量密度更高。因此，API（美國石油協(xié)會）和NORSOK（挪威石油工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化組織）規(guī)定的儲能要求只需占用今天海底蓄能器瓶所占空間的一小部分即可實現(xiàn)。此外，用于此功能的電池能以更高的放電率進行工作，而且由不易發(fā)生熱失控的化學(xué)成分組成。所選的電池化學(xué)成分也不易燃燒。
電動BOP技術(shù)的開發(fā)計劃
電動BOP的開發(fā)是在經(jīng)過石油天然氣行業(yè)以及必要用途的、經(jīng)過驗證的同類耐用行業(yè)產(chǎn)品組件組合的基礎(chǔ)上建立的。
以剪切閘板為例，一種與井筒液接觸的組件，如BOP本體、橡膠密封件以及剪切部件，這些BOP的部件完全保持不變。地面與海底控制系統(tǒng)的關(guān)鍵部件也保持不變。不過，現(xiàn)有的海底可編程控制器已被規(guī)劃到一個電驅(qū)動系統(tǒng)中，而不是在一個含有儲能器和液壓致動器的多路復(fù)用的控制箱中。
電驅(qū)動系統(tǒng)由一個緊湊的高功率密度的電機和一個來自交通運輸行業(yè)的驅(qū)動系統(tǒng)以及一個采礦行業(yè)的傳動系統(tǒng)所組成，這些系統(tǒng)具有等效的力和沖擊載荷條件。電池技術(shù)從大型數(shù)據(jù)中心所獲得，在該行業(yè)，高能量存儲密度和放電率這兩個指標(biāo)至關(guān)重要。
圖5
為了優(yōu)化關(guān)鍵部件的尺寸、選型和驗證算法，HMH公司在得克薩斯州休斯頓建造了一個電氣化測試臺架。該裝置由一個18 ¾ in.、15K BOP、一組機電致動器、驅(qū)動裝置和一個電池儲能系統(tǒng)組成。如圖4（電氣實驗室使項目開發(fā)能夠快速驗證設(shè)計假設(shè)）所示，測試臺架采用現(xiàn)成的組件快速設(shè)計而成，使開發(fā)團隊能在整個項目開發(fā)計劃中快速驗證他們的假設(shè)。測試臺架組裝完成后，該團隊能在12秒內(nèi)完成鉆具剪切、對剪切閘板進行微測試和剪切過程的軟停止，以減少磨損。這個電氣化實驗室將用于SSBOP其它關(guān)鍵部件的電氣化試驗。
憑借這個電氣化實驗室獲得的經(jīng)驗教訓(xùn)，HMH公司可以信心滿滿地迅速推進到制造階段，生產(chǎn)一套全尺寸、現(xiàn)場配置的致動器，如圖 5 所示，一款帶有剪切閘板和鉆具閘板的BOP，展示了從快速原型階段得出的緊湊型設(shè)備。
圖5展示的全尺寸、現(xiàn)場配置的致動器在空間輪廓和峰值剪切力方面與現(xiàn)有的22 in.、5K的同類設(shè)備相當(dāng)。不過，這些電動致動器有幾個不同的優(yōu)勢。首先，由于去除了蓄能器瓶，電動致動器能在整個剪切過程中以及后續(xù)的剪切中保持其峰值剪切性能。這種性能不再受海水深度的影響。其次，系統(tǒng)剪切的時長為12秒，同時仍具備執(zhí)行完整API STD 53測試程序的能力。最后，這些致動器的設(shè)計帶有一個冗余的機械鎖定機制和多個措施，使系統(tǒng)能夠承受高沖擊載荷。這些致動器的緊湊性使得閥蓋門仍可像現(xiàn)在一樣打開，以便進行日常的BOP維護。HMH公司計劃于2025年12月對這些致動器進行測試。
HMH公司在電氣化進程中的解鎖能力，極大地改變了對一臺水下BOP性能和可靠性的期待。更可靠的電動控制系統(tǒng)，包括緊急情況下縮短斷開井口的時間、減少井口疲勞以及縮短關(guān)鍵途徑測試時間的機會，最終提高了操作的安全性，降低了石油公司的運營成本，提升了承包商鉆井駁船隊的價值。鑒于該計劃迄今為止的成功表現(xiàn)，HMH公司正在推進其余主要的SSBOP組件的開發(fā)，如環(huán)形BOP連接器以及井口/深海鉆井立管底部連接器，隨后還將開發(fā)節(jié)流閥、壓井閥和接入頭。
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