Offshore Drilling Deep Water Challenges

Report 68 Downloads 71 Views
Offshore Drilling Deep Water Challenges

Well Control • Old movies sometimes had an oil rig where rig workers are  running away from the derrick, excitedly yelling “We hit a  gusher!” • That is not an acceptable way to discover oil now, from an  environmental or safety standpoint.  On an offshore rig, the  only escape is by lifeboat.

Offshore Drilling Rigs • In the late 1800’s the first ‘offshore’ well was drilled in a lake  in Ohio • In 1896 drilling was performed from a pier extended into the  Santa Barbara Channel. • 1923 – first well in the Caspian Sea • 1937 – first well in the Gulf of Mexico • As drilling move to deeper waters, Jack Up drilling rigs were  built.  The most recent generation rigs are limited to 450‐500  feet.

Drill Ships • Later, drill ships and semi‐submersible rigs were developed for  deeper water.  Initially they were anchored, until in 1970 the  first Dynamically Positioned (DP) ship was built.

Semi ‐submersibles • Semi‐submersibles, also known as column stabilized drilling  units, don’t have the storage capacity of drill ships but are  better able to operate in areas severe sea states.  • The first DP semi was built by the Halifax Shipyard and  launched in 1977. It was also the last of 7 drilling rigs built in  Halifax. The newest generation rigs, Semis and drillships, can  be operated in 12,000 feet of water and drill to depths of  40,000 feet.  Currently there are approximately 60 floating  drilling rigs under construction in shipyards, almost entirely in  Singapore, Korea and China. • Semi‐submersibles, also known as column stabilized drilling  units, don’t have the storage capacity of drill ships but are  better able to operate in areas  with severe sea states.

Blow Out Prevention • There are two means to prevent a gusher when drilling for oil  and gas. • The primary means is hydrostatic pressure with drilling mud,  primarily using the mineral barite as a weight component.  • The secondary means is the BOP, or blow out preventer. • The BOP is an arrangement of valves, rams preventers,  annular preventers, connectors and control system. • BOPs for land rigs and jack ups are a fairly simple system, as  shown.  Because they are on the surface and accessible at all  times the control system is not complex.

Subsea BOPs • A typical subsea BOP weighs in a range from 450‐850,000 lbs. • They have more complex control systems and usually  additional ram and annular preventers. • Typical deepwater BOPs today have an internal diameter of  18‐3/4” and are rated to 15,000 psi maximum wellbore  pressure.  • The BOP is run subsea after the surface well has been drilled  and a wellhead has been landed and cemented in the seabed.

Choke and Kill Valves • Valves called choke and kill valves on the BOP allow for high  pressure gas and oil to be transmitted to the drilling rig to  bring a well under control.

Lower Marine Riser Package • The BOP has two sections, the Lower Marine Riser Package  (LMRP)and lower stack.  • The LMRP usually has one annular, one connector to attach to  lower BOP, the control system, gas bleed valves and a flex  joint.

Marine Riser and Telescopic Joint • The BOP is run to the wellhead with Marine Riser pipe.  This  provides a means to return drilling fluids to the surface.   Auxiliary lines on the riser provide hydraulic supply fluid (95%  water, 5% soluble oil. Up to 50% glycol in cold weather areas.)  High pressure choke and kill lines provide a means to bring  any gas or other high pressure influx to the surface safely. • Because floating rigs move, there is a motion compensation  system, a telescopic joint and a flex joints on the top and  bottom of the riser string. A telescopic joint can have a stroke  from 55’ to 70’.

Marine Riser Tensioning System • The marine riser is kept in tension with large  pistons operated with an air/oil system at  pressures up to 3,000 psi. • The riser may be connected via a tensioning  ring to wire rope which is reeved over sheaves  on the pistons or the pistons may be  connected directly to the riser tensioner ring.

Buoyancy • As drilling progressed to deeper water, buoyancy modules  were added to the marine riser to reduce the supported load.

Connectors • Special hydraulically operated connectors,  supplied by several manufacturers, are used to  connect the LMRP to the lower BOP and to  connect the BOP stack to the wellhead. 

Flex joints • To allow for rig movement away from the well  center, there are flex joints located at the top  and bottom of the marine riser string.  Some  drill ship also install and intermediate flex  joint. • Flex joints have typically have a maximum  range of 10 degrees but the rig would  disconnect the LMRP from the lower BOP  before the angle reached 5 degrees. 

Rams • Pipe rams close around the drill pipe to seal off the wellbore  and come in fixed sizes or variable, with variable rams having  a designated range of pipe sizes they can accommodate. • Shear Rams are designed to cut drill pipe and some sizes of  casing.  Casing is the pipe used to line the wellbore as the well  gets deeper.

Annular Preventers • Annular preventers can seal off on any dimension from open  hole to the largest drill pipe or casing in the wellbore. • The highest pressure rating of an annular preventer is 10,000  psi, which is below the highest pressure rating of a ram  preventer, which is 15,000 psi. • A 20,000 psi ram BOP is in the development stages.

Choke Manifold • Choke manifolds are a series of gate valves and valves with  variable orifices which are used to bring a well, which has had  an influx of high pressure fluids into the wellbore, under  control. • High pressure wellbore fluid is directed to a degasser where  the drilling mud is separated from the gas and the gas is  vented to atmosphere. 

Control Systems • Subsea BOP have control systems that are supplied with fluid  from a pump and accumulator system on the rig. • Anchored rigs typically have a fully hydraulic system, with  hydraulic pilot signals sent from the surface to operate the  functions on the BOP subsea. • Early dynamically positioned drill ships had electro‐hydraulic  systems.  With these systems an electric signal is send to a  solenoid on the BOP which then sends a hydraulic pilot signal  to a control valve.   • Multiplex (MUX) systems were developed to enable an ever  increasing number of functions to be operated with just a few  conductors in the MUX cable.

Control Systems Specifications • Hydraulic control systems operate with supply pressure of  3,000 psi. • MUX systems operate with supply pressure of 5,000 psi. • Most functions are typically operated with 1,500 psi. • Hydraulic fluid is supplied through rigid conduit pipe on the  riser to accumulators in the BOP.

Control Panel • Every rig must have a BOP control panel at the driller’s station  as well as one in a safe location away from the drill floor.

Control Pods • BOPs must have completely redundant control systems on the  BOP.  These control systems are called pods and are  designated Blue Pod and Yellow Pod in all systems, no matter  which manufacturer. • Some pods have redundant subsea electronic modules (SEMs)  withing the pod for additional redundancy. 

Safety Features • To prevent accidental operation of critical functions, such as  the BOP connectors and the shear rams, clear, pinned covers  are installed on those functions.

Emergency Systems • There can be as many as six emergency systems in a BOP to  operate critical functions in the case of the loss of the primary  control system. • Emergency Disconnect Sequence (EDS) – In a case where a DP  rig has lost station keeping ability, the EDS is a one button  system that allows the wellbore to be secured by closing the  shear rams.  The hydraulic functions to the lower BOP are  then vented and the LMRP is separated from the lower BOP  by unlatching the connector.  An over‐pull is preset on the  riser tensioners and the LMRP lifts from the lower BOP.  A  riser recoil system prevents a sling shot effect.  After the EDS  button is activated, the sequence takes about 55 seconds  maximum.

• Acoustic systems – A limited number of emergency functions  (typically shear rams and LMRP connector) can be operated  from the rig using a hydrophone transmitting to transducers  on the BOP. • It is uncertain if these systems will work in a well control  situation where considerable noise is generated from flow in  the wellbore. • Remote operated vehicles (ROVs) have pumps which can  operate functions through a ‘hot stab’ plugged into a  dedicated receptacle in panel.  The limitations of an ROV is  the time to deploy from the rig to the sea bed and the limited  flow rate of their pumps.  A newly published standard by the  American Petroleum Institute (API) specifies ROVs should be  able to operate BOP functions in the same time as the  primary control system. (rams 45 second to close) 

• Dead man systems will close the shear rams in the event all  hydraulic and electric control is lost on the BOP.  This would  typically only happen if the riser string parted.  In deepwater  if the riser is lost, then the hydrostatic pressure of the drilling  mud, which is needed to contain wellbore pressure, would be  reduced as it is replaced by sea water.  Closing the shear rams  secures the well.    • Automatic Disconnect System (ADS) closes the shear rams  when the lower flex joint reaches a preset angle.   • Autoshear closes the shear rams in the event the LMRP is  unintentionally disconnected.

Locking Systems • Because at certain wellbore pressures it is possible for rams to  be opened by the wellbore pressure if the control system is  lost, locking systems have been developed to keep the rams  closed if the control system pressure is lost.   • Some system automatically lock the ram when it is closed but  some locking systems must be operated separately.