盡管市場面臨挑戰(zhàn)，但制造商們?nèi)詫⒆⒁饬性跐M足即將出臺(tái)的法規(guī)對深水鉆井的要求上

隨著鉆井人員和操作人員向深水推進(jìn)，對能夠處理高壓、高溫鉆井系統(tǒng)的需求比以往任何時(shí)候都要大。這意味著，盡管新興冠狀病毒肺炎大流行給鉆井行業(yè)(包括鉆井承包商和原始設(shè)備制造商)帶來了前所未有的壓力，但對這一關(guān)鍵設(shè)備的創(chuàng)新并未放緩。

斯倫貝謝Cameron壓力控制設(shè)備業(yè)務(wù)發(fā)展經(jīng)理Matthew Givens表示:“我們的防噴器技術(shù)的核心理念是幫助我們的客戶滿足行業(yè)不斷變化的需求。

防噴器開發(fā)的一個(gè)前沿領(lǐng)域是額定20,000 psi (20K)防噴器，這是多年來人們一直在討論的問題。去年國民油井華高(NOV)向越洋鉆探公司出售了兩個(gè)防噴器組，用于與雪佛龍(Chevron)在美國墨西哥灣新建的超深水鉆井船。該平臺(tái)計(jì)劃于明年交付使用，將是首個(gè)額定壓力為20K的超深水浮子。

然而，隨著今年的大流行和隨后的油價(jià)下跌，這一勢頭已經(jīng)放緩，表明盡管制造商表示將繼續(xù)推動(dòng)開發(fā)，但不久的將來，20K的需求可能會(huì)退居二線。

“油價(jià)和COVID病毒無疑影響了我們對20K防噴器的興趣，”11月海上產(chǎn)品技術(shù)總監(jiān)Bob Cowan說，“隨著油價(jià)的回升，我們相信我們可以回到正軌。我們知道，運(yùn)營商和承包商都在調(diào)查這些系統(tǒng)。”

建造20K防噴器

NOV的20K防噴器為ram型，鉆徑為18?in。該系統(tǒng)由NOV的RCX多路控制吊艙控制，該吊艙接收來自鉆機(jī)的液壓供應(yīng)、電力和控制數(shù)據(jù)，并通過閥門網(wǎng)絡(luò)將壓力分配給各個(gè)堆疊功能。RCX吊艙是該公司的下一代控制系統(tǒng)，由公司內(nèi)部開發(fā)。與之前的防噴器控制系統(tǒng)相比，這些新型防噴器具有更簡單的體系結(jié)構(gòu)，使其更易于使用。簡化的界面設(shè)計(jì)使這些pods在操作過程中更容易修改。

與之前的控制系統(tǒng)一樣，RCX監(jiān)控設(shè)備組件的周期、流量、運(yùn)行時(shí)間和服役時(shí)間數(shù)據(jù)，并對水下設(shè)備進(jìn)行持續(xù)分析，以檢測潛在的故障。此外，新的吊艙設(shè)計(jì)也正在進(jìn)行改進(jìn)，以便在出現(xiàn)故障時(shí)，無需進(jìn)行堆疊，即可回收和更換。

NOV目前正在為越洋鉆探公司建造兩個(gè)20K防噴器，越洋鉆探公司將在一艘新建造的超深水鉆井船上使用這些防噴器，該鉆井船已與雪佛龍簽訂合同，將在美國墨西哥灣進(jìn)行鉆井作業(yè)。

Cowan表示:“我們從設(shè)計(jì)和開發(fā)的角度竭盡所能，使我們的設(shè)備盡可能可靠?！彪m然在為越洋鉆探公司建造的前兩個(gè)防噴器組中沒有包含這一可檢索功能，但NOV希望在未來的訂單中開發(fā)這一功能。

Cowan先生還指出，與以前的系統(tǒng)相比，20K系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需要考慮大量的因素。由于需要為20K系統(tǒng)專門設(shè)計(jì)多個(gè)組件，包括20K井口連接器、海底閥門、節(jié)流和壓井連接器、剪切閘板、多閘板、管道閘板、隔水管密封以及節(jié)流和壓井管線，因此公司采用了整體的設(shè)計(jì)理念。他將設(shè)計(jì)方法描述為“在系統(tǒng)級別上”完成的事情。

“20K防噴器只是更大，”考恩表示。“它的壁厚和內(nèi)部工作面要大得多。處理的是更重的部分。當(dāng)試圖優(yōu)化你的設(shè)計(jì)重量時(shí)，總是有權(quán)衡的。一個(gè)20K容量重量幾乎是15K容量的兩倍，尺寸大50%。這使得20K系統(tǒng)的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)大為不同?！?

根據(jù)11月在2020年IADC/SPE國際鉆井會(huì)議上發(fā)表的一篇論文，該公司估計(jì)，為了處理20K防噴器，一臺(tái)鉆機(jī)可能需要能夠提升1500噸的起重系統(tǒng)。NOV開發(fā)了氣缸和單層絞車提升系統(tǒng)，可提升2000噸。

盡管NOV一直在與運(yùn)營商和承包商就20K防噴器進(jìn)行談判，但Cowan先生承認(rèn)，在當(dāng)前市場上，新訂單的市場相當(dāng)具有挑戰(zhàn)性?！拔覀冋e極與一些運(yùn)營商合作項(xiàng)目，但我們也意識(shí)到預(yù)算受到了限制，大多數(shù)公司都在努力求生。我們預(yù)計(jì)，未來一到三年內(nèi)，需求將回升，帶來一些額外的機(jī)會(huì)。”

改善剪切閘板

在斯倫貝謝，雪佛龍開發(fā)防噴器的主要重點(diǎn)是設(shè)計(jì)新的部件，以適應(yīng)現(xiàn)有的產(chǎn)品庫存，如剪切閘板和管閘板。監(jiān)管要求一直是關(guān)鍵驅(qū)動(dòng)因素:作為2016年井控規(guī)則的一部分，美國安全與環(huán)境執(zhí)法局(BSEE)禁止使用可在關(guān)閉防噴器之前剪切任何電力、電線或鋼絲繩的替代切割設(shè)備。

該規(guī)則將于2021年4月29日生效，要求作業(yè)者在其地面作業(yè)組合中使用剪切閘板，在最大預(yù)期地面壓力下剪切電纜、鋼絲和滑線，并密封井筒。

此外，到2023年5月1日，海底防噴器還必須有一個(gè)與每個(gè)剪切閘板耦合的機(jī)構(gòu)，將整個(gè)管道定位在剪切閘板區(qū)域內(nèi)，確保剪切在剪切閘板激活時(shí)發(fā)生。

7月，雪佛龍公司與一家未具名鉆井承包商完成雪佛龍公司的Broadshear偏心工具聯(lián)合剪切桿的一系列電纜剪切測試。

盡管可以在計(jì)劃剪切過程中使用閘板防噴器或環(huán)空防噴器，但這種機(jī)制不能成為另一種閘板防噴器。

在新法規(guī)生效之前，雪佛龍公司一直在努力驗(yàn)證2016年推出的Broadshear偏心工具接頭剪切閘板的性能。這是一種重型管狀剪切閘板，設(shè)計(jì)用于剪切偏心的工具接頭，但不用于剪切較小的電線、電纜和電線。雪弗龍公司表示，6月，一家未具名的鉆井承包商及其附屬運(yùn)營商在較小的電纜上進(jìn)行6次成功的電纜剪切測試。

“我們曾與鉆井承包商客戶和運(yùn)營商數(shù)量來確定最壞的電纜,他們將使用在鉆井和完成工作,一起建立列表,它們從來沒有打算剪斷這些小的線，但實(shí)際上能夠剪斷它們.'吉文斯先生說。

此外，去年卡梅隆還將其13 5/8英寸的尺寸進(jìn)行了商業(yè)化，10000psi雙管柱聯(lián)鎖(DSI)剪切和密封閘板。該技術(shù)也是為了響應(yīng)BSEE井控規(guī)則而開發(fā)的;當(dāng)繞guan使用時(shí)，它可以剪切電線、電線和滑線。

Givens先生指出，DSI可以取代Cameron的盲式剪切閘板和聯(lián)鎖剪切閘板，它比聯(lián)鎖剪切閘板需要的剪切力少40%。

Givens表示:“防噴器組的限制之一是控制系統(tǒng)所能提供的力的大小。實(shí)際上，控制系統(tǒng)提供的機(jī)械能是有限的，用來提供推動(dòng)閘板并切割管道的力。如果你可以減少所需的力量，那么你就可以使你的系統(tǒng)更高效和更優(yōu)化?！?

DSI的聯(lián)鎖特性允許電纜和編織電纜在零張力的情況下剪切。此外，由于它們不使用可折疊的肩部，它們也可以剪切較大直徑的管道和套管。

與聯(lián)鎖剪切閘板相比，DSI性能的提高主要得益于Cameron對閘板葉片幾何結(jié)

構(gòu)的調(diào)整。調(diào)整葉片邊緣的角度，以增加閘板與管道的接觸點(diǎn)。

卡梅隆通過一個(gè)內(nèi)部計(jì)算機(jī)程序?qū)SI進(jìn)行了建模，該程序基于吉文斯所稱的高級有限元分析形式，以有效地模擬物理剪切測試。這種“虛擬剪切”方法減少了將全尺寸防噴器運(yùn)送到實(shí)驗(yàn)室所需的時(shí)間、成本和人力。此外，在進(jìn)行物理測試之前，該程序還可以對相同的防噴器系統(tǒng)進(jìn)行多次模擬，并對剪切閘板的設(shè)計(jì)進(jìn)行調(diào)整，以提高效率。

Givens表示，盡管虛擬剪切模型不會(huì)取代物理的全尺寸剪切測試，但它可以讓公司在更短的時(shí)間內(nèi)、以更低的成本進(jìn)行更多的模擬，以改進(jìn)防噴器設(shè)計(jì)。他補(bǔ)充說，雖然目前Cameron公司僅在內(nèi)部使用該模型來改進(jìn)設(shè)備設(shè)計(jì)，但如果未來有客戶需求，它可以作為一項(xiàng)服務(wù)提供。

重新配置控制系統(tǒng)

7月，貝克休斯完成了SeaPrime防噴器控制系統(tǒng)的升級驗(yàn)證，該系統(tǒng)于2016年首次推出。該系統(tǒng)最初的設(shè)計(jì)目標(biāo)是在20K的防噴器組中使用，最近經(jīng)過重新配置，可以適應(yīng)15K的防噴器組和現(xiàn)有的鉆機(jī)，這意味著減少了其占地面積。

“當(dāng)我們最初設(shè)計(jì)SeaPrime時(shí)，20K防噴器似乎是各大公司想要達(dá)到的目標(biāo)，所以我們并不需要考慮如何縮小它或?qū)⑵浒惭b到現(xiàn)有的煙囪上。這不是我們的設(shè)計(jì)要求之一?！薄暗S著機(jī)會(huì)的有效轉(zhuǎn)移，我們有時(shí)間考慮是否可以使其與現(xiàn)有的鉆機(jī)和未來的15K防噴組兼容，同時(shí)在未來仍可容納20K防噴器組。”

為了重新配置控制系統(tǒng)，該公司回到了空白狀態(tài)，將大部分努力集中在為系統(tǒng)設(shè)計(jì)更小的組件上。

SeaPrime防噴器控制系統(tǒng)原本設(shè)計(jì)用于20K防噴器組，現(xiàn)在已被重新配置用于15K防噴器組和其他現(xiàn)有鉆機(jī)。

然而，貝克休斯控制系統(tǒng)產(chǎn)品總監(jiān)Matt Boerlage表示，貝克休斯還采用了一種“由內(nèi)而外”的設(shè)計(jì)理念，這與最初的原型不同，即在系統(tǒng)外部可以使用電子元件。這使得維修變得更加容易，最大限度地減少了附加部件的附帶損壞風(fēng)險(xiǎn)，也減少了拉煙囪的需要。

這就是為什么該公司估計(jì)在系統(tǒng)生命周期內(nèi)，與最初的設(shè)計(jì)相比，總擁有成本下降了40%的關(guān)鍵原因。

“在我們對控制系統(tǒng)的分析中，我們發(fā)現(xiàn)大多數(shù)故障模式都來自附帶損害，”波爾拉格表示。“對于任何類型的OEM生產(chǎn)的任何類型的控制系統(tǒng)，你都必須移除其他組件才能獲得你想要服務(wù)的組件，這可能是極具破壞性的?！?

根據(jù)貝克休斯的說法，SeaPrime是第一個(gè)包含可重新布線的智能冗余功能的防噴器水下控制系統(tǒng)，如果吊艙內(nèi)的組件發(fā)生故障，可以繼續(xù)鉆井。這是通過隔離和重新布線吊艙內(nèi)的液壓來實(shí)現(xiàn)的。

6月，貝克休斯團(tuán)隊(duì)在SeaPrime上完成了為期5年的可靠性測試，使用了休斯頓定制的極端事件液壓流環(huán)。該公司收集了超過300年的現(xiàn)場等效數(shù)據(jù)，稱這些數(shù)據(jù)足以證明控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求超過99%的可用性。

隨著更新后的控制系統(tǒng)投入商業(yè)使用，該公司已開始就自己的20K防噴器設(shè)計(jì)進(jìn)行討論。Judge表示，該設(shè)計(jì)已有效完成，并通過了獨(dú)立的第三方驗(yàn)證。防噴器有18?英寸。內(nèi)徑，額定溫度高達(dá)350°F;它有6個(gè)閘板和2個(gè)環(huán)形組，占地面積約為20英尺x 15英尺。

這種20K設(shè)計(jì)自2012年以來一直在使用，并且有一個(gè)原型可供生產(chǎn)。然而，市場狀況使該公司難以將該技術(shù)商業(yè)化。Judge先生表示，他對20K防噴器的長期未來持樂觀態(tài)度，但他也承認(rèn)，近年來，客戶對20K防噴器的需求一直是一個(gè)“斷斷續(xù)續(xù)的世界”。

賈奇表示:“我覺得我們終于開始取得一些進(jìn)展?！薄皩ξ襾碚f，問題是當(dāng)一切都恢復(fù)正常時(shí)，全球石油需求會(huì)是什么樣子? 這是我見過的最不透明的。如果對石油和天然氣的需求回升到原來的水平，我認(rèn)為20K防噴器的機(jī)會(huì)很大?！?

全電動(dòng)防噴器

當(dāng)主要的服務(wù)公司都在專注于改進(jìn)現(xiàn)有的防噴器時(shí)，挪威一家私營公司正在研究一種理念，他們認(rèn)為，一旦該理念取得成果，將對鉆井作業(yè)產(chǎn)生重大影響。

自2012年成立以來，electronic Subsea & Drilling (ESD)一直在開發(fā)一種輕型防噴器概念，將液壓設(shè)備從防噴器中移除，取而代之的是集成了井眼防護(hù)設(shè)施和控制系統(tǒng)的機(jī)電執(zhí)行器。

電動(dòng)防噴器系統(tǒng)與現(xiàn)有的防噴器系統(tǒng)一樣，基于相同的上層電控基礎(chǔ)設(shè)施、通信系統(tǒng)和備份控制系統(tǒng)。然而，主要區(qū)別在于，執(zhí)行器是由電動(dòng)馬達(dá)驅(qū)動(dòng)的，而水下電池取代了液壓蓄能器。消除液壓蓄能器和液壓控制將導(dǎo)致顯著的重量減輕。對于干式防噴器，ESD估計(jì)可以節(jié)省約62噸。

ESD首席執(zhí)行官John Dale表示，這一概念允許鉆井人員和作業(yè)人員在深水中作業(yè)時(shí)使用鉆機(jī)，無需進(jìn)行重大修改。

雖然這個(gè)概念最初是為海底防噴器設(shè)計(jì)的，但Dale先生表示，陸地鉆井也可以通過該技術(shù)大幅節(jié)約成本。Dale先生說:“即使是在陸地鉆井作業(yè)中，通過拆除蓄電池、硬管道和柔性管道，每次移動(dòng)鉆機(jī)時(shí)，最多可以節(jié)省3卡車設(shè)備?！?

ESD已經(jīng)測試了電動(dòng)防噴器概念的關(guān)鍵執(zhí)行器技術(shù)原型，下一步是建立一個(gè)完整的電動(dòng)防噴器原型。該公司已經(jīng)就開發(fā)該系統(tǒng)與許多運(yùn)營商和鉆井公司進(jìn)行接觸，并提交了四份地面防噴器的報(bào)價(jià)。盡管今年由于新興冠狀病毒肺炎大流行和近幾個(gè)月油價(jià)暴跌而暫停了討論，但戴爾表示，他仍然相信該行業(yè)對電動(dòng)防噴器概念的長期利益。

他希望先在陸地平臺(tái)或海上生產(chǎn)平臺(tái)上測試這項(xiàng)技術(shù)，然后再進(jìn)行海底測試。