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全電動SSBOP（海底防噴器）的開發大大提高了BOP（防噴器）的可靠性和操作性能，同時還減少了設備的重量、井口連接的疲勞、緊急斷開井口連接的次數和維護運營成本。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，驗證了它的優勢、功效和成果。
 
 
圖1
    在深水鉆探的歷史上，液壓BOP技術的發展產生了大量重型的復雜組件，這些組件需要常規準備才能進行鉆井作業。現代BOP堆疊的重量、尺寸和復雜性為解決井口疲勞問題以及在建井過程中縮短API STD 53（鉆井防噴器設備技術標準，主要用于規范陸上和海洋鉆井作業BOP等關鍵井控設備的安裝、測試與操作要求）要求測試所花費大量時間提供了應對的機遇。
 
    然而，目前的液壓控制系統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，BOP的專家們一致認為需要一種替代目前液壓控制系統的方案。
 
    為此，HMH公司的工程師們正在積極開發一種全電動的SSBOP，如圖1所示，全電動SSBOP去除了所有的液壓系統，相比目前的BOP，全電動SSBOP呈現出顯著的優勢。接下來討論一下全電動控制系統是如何實現BOP的可靠性、性能和重量有了一個質的飛躍的。
 
    作為SSBOP全面電動化計劃的一部分，HMH公司優先開發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重要的安全作用，以及在所需力量和沖擊負載方面所呈現出的顯著的復雜性。
 
 
圖2
    迄今為止，電控系統已展現出顯著的進展和效能，包括：
Ÿ 18¾ in. 的BOP可在12秒內剪斷鉆桿，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 實現對剪切閘板的高精度控制，誤差在0.1mm內，這使得這種剪切閘板能縮短關鍵途徑的測試時間，降低對彈性橡膠體的磨損。
 
    我們將開始生產全尺寸的、符合現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勢
    雖然液壓BOP已經能應對許多具有挑戰性的深海鉆探項目，但同樣的技術也限制了油氣作業的運營效率，以及鉆井承包商無法釋放大量有益價值的現實期望。
 
    關鍵途徑操作時間的節省。首先，將BOP轉換為電動操作，通過縮短關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省2200萬美元的運營支出。縮短完成項目所需的時間還能降低碳排放。下面討論一下節省時間的幾次機會。
 
    在采用SSBOP之前，必須執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性檢查來替代，這種檢查幾乎可以立刻確定電控系統的完好狀態。
 
    現有的BOP每周需要進行一次功能性測試，因為施加液壓的BOP執行器會導致井眼阻塞。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。
 
    電控系統的實施為更新該行業BOP壓力測試的政策、反映現代技術的應用提供了機會。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的21天以上的一個時段。與液壓系統相比，延長的理由是電控系統本質上更簡單，而相關的組件具有統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性檢查的能力也大大地減小了BOP體內彈性橡膠件的磨損，從而提高了人們對該技術的信心。最后，數據量也有所增加，可用于提高實時狀態監測程序的監測精度。
 
    還有一件引起人們關注的事，那就是由于電動控制系統部件的可靠性得到了提高，因此設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。
 
    設備重量和空間的節省也降低了操作風險，為更輕的駁船作業創造了機會。如圖3（移除液壓控制系統所獲得的空間十分顯著，設備的重量也減輕了許多）所示，移除地面與液壓相關的支架也節省了不小的空間，此外，拆除海底液壓控制系統還能顯著減輕井底設備的重量。這些重量的減少可轉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省還有助于高效的完成駁船的設計。
 
    使用替代配置的BOP，如P&A（封堵和棄井）的堆組，也能顯著減輕設備的重量。這樣做可以降低在舊井口進行P&A操作的相關風險，還能為較輕的駁船執行相同的作業創造機會。最后，雖然本文重點講述的是深水作業，但也應考慮在將BOP設備從一口井轉移至另一口井時節省陸上鉆機物流運輸的工作量。
 
    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險，這些優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。
 
    若采用今天鉆井作業普遍認可的鉆井順序，12秒內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。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采用電控系統發出可觀的電力，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，系統的剪切力不再受海水深度影響。新型電動BOP系統由電池、驅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，電動系統可以持續且重復地提供額定峰值的剪切力，真正做到了“一勞永逸”。
 
 
圖4
 
    最終，電池儲能系統比液壓蓄能器存儲的能量密度更高。因此，API（美國石油協會）和NORSOK（挪威石油工業標準化組織）規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。此外，用于此功能的電池能以更高的放電率進行工作，而且由不易發生熱失控的化學成分組成。所選的電池化學成分也不易燃燒。
 
電動BOP技術的開發計劃
    電動BOP的開發是在經過石油天然氣行業以及必要用途的、經過驗證的同類耐用行業產品組件組合的基礎上建立的。
 
    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的關鍵部件也保持不變。不過，現有的海底可編程控制器已被規劃到一個電驅動系統中，而不是在一個含有儲能器和液壓致動器的多路復用的控制箱中。
 
    電驅動系統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的驅動系統以及一個采礦行業的傳動系統所組成，這些系統具有等效的力和沖擊載荷條件。電池技術從大型數據中心所獲得，在該行業，高能量存儲密度和放電率這兩個指標至關重要。
 
 
 
圖5
    為了優化關鍵部件的尺寸、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、驅動裝置和一個電池儲能系統組成。如圖4（電氣實驗室使項目開發能夠快速驗證設計假設）所示，測試臺架采用現成的組件快速設計而成，使開發團隊能在整個項目開發計劃中快速驗證他們的假設。測試臺架組裝完成后，該團隊能在12秒內完成鉆具剪切、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其它關鍵部件的電氣化試驗。
 
    憑借這個電氣化實驗室獲得的經驗教訓，HMH公司可以信心滿滿地迅速推進到制造階段，生產一套全尺寸、現場配置的致動器，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備。
 
    圖5展示的全尺寸、現場配置的致動器在空間輪廓和峰值剪切力方面與現有的22 in.、5K的同類設備相當。不過，這些電動致動器有幾個不同的優勢。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，系統剪切的時長為12秒，同時仍具備執行完整API STD 53測試程序的能力。最后，這些致動器的設計帶有一個冗余的機械鎖定機制和多個措施，使系統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，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，HMH公司正在推進其余主要的SSBOP組件的開發，如環形BOP連接器以及井口/深海鉆井立管底部連接器，隨后還將開發節流閥、壓井閥和接入頭。