全电动SSBOP（海底防喷器）的开发大大提高了BOP（防喷器）的可靠性和操作性能，同时还减少了设备的重量、井口连接的疲劳、紧急断开井口连接的次数和维护运营成本。在HMH公司的电气化实验室里对一台18¾ in. BOP电动剪切闸板的致动器进行了全面测试，验证了它的优势、功效和成果。
 
 
图1
    在深水钻探的历史上，液压BOP技术的发展产生了大量重型的复杂组件，这些组件需要常规准备才能进行钻井作业。现代BOP堆叠的重量、尺寸和复杂性为解决井口疲劳问题以及在建井过程中缩短API STD 53（钻井防喷器设备技术标准，主要用于规范陆上和海洋钻井作业BOP等关键井控设备的安装、测试与操作要求）要求测试所花费大量时间提供了应对的机遇。
 
    然而，目前的液压控制系统也会随着海水深度的增加而降低剪切闸板的峰值剪切力，同时，考虑到剪切操作所需的时间，也限制了紧急断开井口所花费时间这方面的改进。为了解决这些挑战，BOP的专家们一致认为需要一种替代目前液压控制系统的方案。
 
    为此，HMH公司的工程师们正在积极开发一种全电动的SSBOP，如图1所示，全电动SSBOP去除了所有的液压系统，相比目前的BOP，全电动SSBOP呈现出显著的优势。接下来讨论一下全电动控制系统是如何实现BOP的可靠性、性能和重量有了一个质的飞跃的。
 
    作为SSBOP全面电动化计划的一部分，HMH公司优先开发和测试了一款全尺寸的原型剪切闸板致动器。决定首先从剪切闸板致动器着手，只因为剪切闸板致动器在BOP堆叠组件中起着至关重要的安全作用，以及在所需力量和冲击负载方面所呈现出的显著的复杂性。
 
 
图2
    迄今为止，电控系统已展现出显著的进展和效能，包括：
Ÿ 18¾ in. 的BOP可在12秒内剪断钻杆，比API要求的剪切速度快约四倍，如图2所示。
Ÿ 完全采用存储的电池能量进行钻杆剪切。
Ÿ 实现对剪切闸板的高精度控制，误差在0.1mm内，这使得这种剪切闸板能缩短关键途径的测试时间，降低对弹性橡胶体的磨损。
 
    我们将开始生产全尺寸的、符合现场配置的剪切闸板致动器，测试计划将于2025年12月进行。
 
海底电动防喷器的优势
    虽然液压BOP已经能应对许多具有挑战性的深海钻探项目，但同样的技术也限制了油气作业的运营效率，以及钻井承包商无法释放大量有益价值的现实期望。
 
    关键途径操作时间的节省。首先，将BOP转换为电动操作，通过缩短关键测试所花费的时间，每年可为石油公司在墨西哥湾每部浮动式钻井平台节省2200万美元的运营支出。缩短完成项目所需的时间还能降低碳排放。下面讨论一下节省时间的几次机会。
 
    在采用SSBOP之前，必须执行一个强制性的液压测试程序，其中包括强制性的保持期。整个程序可以用一项电动连续性检查来替代，这种检查几乎可以立刻确定电控系统的完好状态。
 
    现有的BOP每周需要进行一次功能性测试，因为施加液压的BOP执行器会导致井眼阻塞。而采用电动BOP，可通过高精度的控制将每个BOP《包括环形防喷器、闸板防喷器（全封闸板、半封闸板、剪切闸板、变径闸板）》功能动作的伸缩精度控制在几分之一英寸，而不侵入或影响井眼。这一特性被称为微测试。在这种情况下，每个BOP的功能可在钻进的同时进行测试，从而消除了关键途径时间的损失。此外，微测试大大减少了对井筒形橡胶密封件不必要的磨损，这些密封件在每周一次的功能测试中不需要再进行测试。
 
    电控系统的实施为更新该行业BOP压力测试的政策、反映现代技术的应用提供了机会。在这种情况下，可将BOP压力测试的时间间隔延长至一般公认的21天以上的一个时段。与液压系统相比，延长的理由是电控系统本质上更简单，而相关的组件具有统计上更高的可靠性评级。
 
 
图3
 
    此外，微测试的实施以及进行电动连续性检查的能力也大大地减小了BOP体内弹性橡胶件的磨损，从而提高了人们对该技术的信心。最后，数据量也有所增加，可用于提高实时状态监测程序的监测精度。
 
    还有一件引起人们关注的事，那就是由于电动控制系统部件的可靠性得到了提高，因此设备备件也减少的很多，钻井承包商的备件管理和维护工作也变得更加简化了。此外，BOP所需液压流体的要求可以完全不需要了。
 
    设备重量和空间的节省也降低了操作风险，为更轻的驳船作业创造了机会。如图3（移除液压控制系统所获得的空间十分显著，设备的重量也减轻了许多）所示，移除地面与液压相关的支架也节省了不小的空间，此外，拆除海底液压控制系统还能显著减轻井底设备的重量。这些重量的减少可转化为井口疲劳的减少。在下一个新的建造周期，这些重量和空间的节省还有助于高效的完成驳船的设计。
 
    使用替代配置的BOP，如P&A（封堵和弃井）的堆组，也能显著减轻设备的重量。这样做可以降低在旧井口进行P&A操作的相关风险，还能为较轻的驳船执行相同的作业创造机会。最后，虽然本文重点讲述的是深水作业，但也应考虑在将BOP设备从一口井转移至另一口井时节省陆上钻机物流运输的工作量。
 
    操作性能的显著提升。钻井效率更高，BOP峰值剪切力更大，还能缩短紧急情况下断开井口的时间以及降低井口疲劳的风险，这些优势能使一个驳船队为运营商提供更高价值的主张，同时还能参与更广泛的项目竞标。
 
    若采用今天钻井作业普遍认可的钻井顺序，12秒内剪断钻具的能力使紧急断开井口连接的时间缩短了50%。这种好处使得正在作业的油井能够更快地获得安全保障，使浮动式钻井平台能在较浅的水域参与合同竞标。剪切闸板剪切速度的加快主要得益于BOP运营商能在有限的空间内采用电控系统发出可观的电力，从而拥有了强大的功率输出。
 
    就闸板剪切力而言，去除海底储能器之后，系统的剪切力不再受海水深度影响。新型电动BOP系统由电池、驱动装置和电动机提供动力，无论海水深度如何变化，都能提供相同峰值的剪切力。此外，电动系统可以持续且重复地提供额定峰值的剪切力，真正做到了“一劳永逸”。
 
 
图4
 
    最终，电池储能系统比液压蓄能器存储的能量密度更高。因此，API（美国石油协会）和NORSOK（挪威石油工业标准化组织）规定的储能要求只需占用今天海底蓄能器瓶所占空间的一小部分即可实现。此外，用于此功能的电池能以更高的放电率进行工作，而且由不易发生热失控的化学成分组成。所选的电池化学成分也不易燃烧。
 
电动BOP技术的开发计划
    电动BOP的开发是在经过石油天然气行业以及必要用途的、经过验证的同类耐用行业产品组件组合的基础上建立的。
 
    以剪切闸板为例，一种与井筒液接触的组件，如BOP本体、橡胶密封件以及剪切部件，这些BOP的部件完全保持不变。地面与海底控制系统的关键部件也保持不变。不过，现有的海底可编程控制器已被规划到一个电驱动系统中，而不是在一个含有储能器和液压致动器的多路复用的控制箱中。
 
    电驱动系统由一个紧凑的高功率密度的电机和一个来自交通运输行业的驱动系统以及一个采矿行业的传动系统所组成，这些系统具有等效的力和冲击载荷条件。电池技术从大型数据中心所获得，在该行业，高能量存储密度和放电率这两个指标至关重要。
 
 
 
图5
    为了优化关键部件的尺寸、选型和验证算法，HMH公司在得克萨斯州休斯顿建造了一个电气化测试台架。该装置由一个18 ¾ in.、15K BOP、一组机电致动器、驱动装置和一个电池储能系统组成。如图4（电气实验室使项目开发能够快速验证设计假设）所示，测试台架采用现成的组件快速设计而成，使开发团队能在整个项目开发计划中快速验证他们的假设。测试台架组装完成后，该团队能在12秒内完成钻具剪切、对剪切闸板进行微测试和剪切过程的软停止，以减少磨损。这个电气化实验室将用于SSBOP其它关键部件的电气化试验。
 
    凭借这个电气化实验室获得的经验教训，HMH公司可以信心满满地迅速推进到制造阶段，生产一套全尺寸、现场配置的致动器，如图 5 所示，一款带有剪切闸板和钻具闸板的BOP，展示了从快速原型阶段得出的紧凑型设备。
 
    图5展示的全尺寸、现场配置的致动器在空间轮廓和峰值剪切力方面与现有的22 in.、5K的同类设备相当。不过，这些电动致动器有几个不同的优势。首先，由于去除了蓄能器瓶，电动致动器能在整个剪切过程中以及后续的剪切中保持其峰值剪切性能。这种性能不再受海水深度的影响。其次，系统剪切的时长为12秒，同时仍具备执行完整API STD 53测试程序的能力。最后，这些致动器的设计带有一个冗余的机械锁定机制和多个措施，使系统能够承受高冲击载荷。这些致动器的紧凑性使得阀盖门仍可像现在一样打开，以便进行日常的BOP维护。HMH公司计划于2025年12月对这些致动器进行测试。
 
    HMH公司在电气化进程中的解锁能力，极大地改变了对一台水下BOP性能和可靠性的期待。更可靠的电动控制系统，包括紧急情况下缩短断开井口的时间、减少井口疲劳以及缩短关键途径测试时间的机会，最终提高了操作的安全性，降低了石油公司的运营成本，提升了承包商钻井驳船队的价值。鉴于该计划迄今为止的成功表现，HMH公司正在推进其余主要的SSBOP组件的开发，如环形BOP连接器以及井口/深海钻井立管底部连接器，随后还将开发节流阀、压井阀和接入头。