噴出防止装置はどのように機能しますか?

噴出防止装置 (BOP) は、地層圧力 (「キック」と呼ばれる石油、ガス、塩水の突然の流入) が掘削流体の圧力を超え始めると、油圧駆動のラムや膨張可能な環状ゴム要素で坑井孔を密閉し、地表に到達して壊滅的な噴出を引き起こす前に制御されていない流れを遮断します。 BOP スタックは、陸上リグの坑口の上部、または海洋操業の場合は海底に設置され、通常、複数のラムプリベンタと少なくとも 1 つの環状プリベンタを組み合わせて、陸上の浅い井戸の場合は 5,000 psi から深海および高圧高温 (HPHT) 井戸の場合は 15,000 psi までの作動圧力に耐える一連の冗長バリアを形成します。バッププロダクツ.com。

噴出防止装置とは何ですか?なぜそれが重要なのでしょうか?

A 噴出防止装置 石油やガスの掘削作業中に坑口に設置される大型の特殊なバルブアセンブリで、その唯一の目的は、作業員の死亡や設備の破壊、壊滅的な環境破壊を引き起こす可能性がある坑井からの原油や天然ガスの制御不能な放出（噴出として知られる事象）を防ぐことです。 ScienceDirect の噴出防止に関するエンジニアリング概要によると、完全な噴出防止システムの機能は、掘削、トリッピング、およびケーシング作業中のキック流体 (坑井に入る地層流体) の動きを制御することです。

このシステムは、次の 4 つの異なる動作を実行できなければなりません。キック液を坑井から安全に除去します。地層流体のさらなる侵入を防ぐために、元の掘削流体をより高密度の流体に置き換える。圧力を抑えながらパイプを穴に出入りさせます。これはストリッピング操作として知られています。これら 4 つの要件は、BOP が単一のバルブではなく、調整されたシーケンスで動作する複数のデバイスの複雑なスタックである理由を説明しています。

噴出は、掘削による地層への貫通が速すぎる場合、貯留層の圧力が過小評価されている場合、または泥と呼ばれる掘削液の重量がダウンホールの圧力のバランスをとるのに不十分な場合に発生する可能性があります。 BOPが機能していないと、加圧された炭化水素が無制限に坑井を上昇し、多くの場合地表で発火して壊滅的な結果をもたらす可能性がある。2010年4月20日、メキシコ湾のディープウォーター・ホライゾン掘削装置が米国史上最大の海洋原油流出事故に見舞われ、米国化学安全委員会（CSB）の調査によると87日間で約319万バレルの原油が流出したことが世界に目撃された。発見。

噴出防止システムの主要コンポーネント

完全な噴出防止システムは、BOP スタック自体、BOP スタックに電力を供給する油圧アキュムレーター、井戸の流体を循環させるためのキルラインとチョークライン、リグの床やリモートの Koomey ユニットを含む複数の場所から操作可能な制御システムで構成されます。 ScienceDirect によると、基本コンポーネントには BOP スタック (環状防止装置、ラム防止装置、スプール、内部防止装置)、ケーシング ヘッド、フロー ラインとチョーク ラインと継手、キル ラインと接続、セパレータ、アキュムレータが含まれます。

• BOP スタック: 環状とラム防止装置の組み立てられた柱は坑口にボルトで固定され、特定の使用圧力定格に対応するように設計されています。一般的な表面スタックの高さは 3 ～ 5 フィートです。海中の深海のスタックは高さ 18 ～ 25 フィート、重量が数十万ポンドになることがあります。
• 油圧アキュムレータ: ポンプ、油圧リザーバー、制御マニホールド、制御バルブ、圧縮ガスボトルを収容するメイン制御ユニット。 Keystone Energy Tools によると、アキュムレータは多くの場合、他のシステムに障害が発生した場合でもすべての BOP ユニットを閉じてバックアップ機能を実行するのに十分なエネルギーを蓄えているため、BOP スタック上またはその近くに直接取り付けられています。
• キルライン: エンジニアが重い掘削流体 (死滅泥水) を閉じた BOP の下の坑井にポンプで送り込むことを可能にする高圧パイプ。これにより、ダウンホールの圧力が増加して地層を突破し、坑井を破壊します。
• チョークラインとチョークマニホールド： 調整可能なバルブと圧力センサーのシステムにより、BOP が閉じられた後の坑井流体の放出制御と坑井内圧力の管理が可能になり、エンジニアがキックアウトを安全に循環できるようになります。
• コントロールポッド (海中): 海中 BOP の場合、冗長電子制御ポッドと油圧制御ポッドがアンビリカル ケーブルを介して水面からコマンドを受信し、BOP 機能を独立して起動して、1 つのポッドが故障した場合のバックアップを提供します。
• デッドマン/AMFシステム： 海底BOPへのすべての通信と水力が同時に失われた場合に、ブラインドシャーラムを自律的に作動させる自動モード機能で、最終的なフェイルセーフを目的としています。

2 つの主要な BOP タイプの仕組み

業界では 2 つのカテゴリの防噴装置、アニュラー BOP とラム BOP が最も普及しており、BOP スタックではほとんどの場合、両方のタイプが併用され、アニュラーが上部に配置され、複数のラム防止装置がその下に配置されます。 ウィキペディアの噴出防止装置の技術概要によると、BOP スタックは両方のタイプを頻繁に使用しており、通常は複数のラム BOP の上に少なくとも 1 つの環状 BOP が積み重ねられています。

環状噴出防止装置

環状 BOP は、油圧を使用してパッキン ユニットと呼ばれるドーナツ状の厚いゴム要素を内側に圧縮し、ドリル パイプ、ケーシング、ケリー、または不規則なツール ジョイントなど、穴の中にあるものをしっかりと掴み、事前に正確な直径を知る必要がなく、耐圧シールを形成することで、ドリル ストリングの周囲の空間をシールします。 ウィキペディアによると、環状噴出防止装置はくさびの原理を利用して坑井を密閉し、強化ゴムパッキンを備えた環状噴出防止装置は、形状やサイズに関係なく、穴内の掘削ストリングのあらゆる部分の周囲の環状空間を閉鎖します。

環状 BOP は、パイプが存在しない完全に開いた穴をシールすることもでき、また十分な柔軟性があるため、ドリル パイプを回転させたり、閉じたシールを通してゆっくりと垂直に移動したりできます。これは、油井を圧力下で管理する必要があるストリッピング作業中に重要な機能です。環状プリベンターは、すぐに作動し、その瞬間に穴の中にあるものに適応できるため、通常、パンク状況における防御の最前線となります。ただし、Wikipedia の技術文書に記載されているように、環状 BOP は一般に、開いた穴の圧力シールを長期間維持する点でラム防止装置ほど効果的ではありません。

ラム噴出防止装置

ラム BOP は、2 つの対向する鋼製ラムを坑井の反対側から油圧で一緒に駆動することによって閉じます。ラムの特定の設計により、装置がパイプを掴むか、開いた穴を密閉するか、ドリルストリングを完全に切断するかが決まります。 SVES Oilfield Supply によると、ラム BOP の動作メカニズムには、油圧を利用してピストンを駆動し、それによってラムを開閉して坑口を閉じることが含まれます。

ラムＢＯＰは、ＢＯＰスタックアセンブリに関する米国特許文献に記載されているように、典型的には、クランプ、シール、または切断のいずれかを行うために互いに変位する２つの対向配置されたラムを備える。閉じると、ロッキングシャフト機構が作動してラムを機械的に閉じた状態に保持し、油圧が失われた場合でもシールを維持できます。これは、長時間にわたる坑井制御操作に不可欠なバックアップ機能です。

4 種類のラムプリベンター: それぞれの機能

ラム防止装置は互換性がありません。4 つの異なるラム タイプのそれぞれが特定の坑井管理シナリオに対応し、完全に装備された BOP スタックには通常、考えられるすべての緊急事態に対応するために少なくとも 3 つの異なるラム タイプが含まれています。

表 1: 油井およびガス井の制御に使用される 4 つのラム防止装置のタイプと、それらのシール機構、作動シナリオ、および操作上の制限を比較します。出典: SVES 油田供給、ウィキペディア、ScienceDirect、CSB ディープウォーター ホライズン調査報告書。

BOP スタックの配置方法

BOP スタックは、上部に最も柔軟で最も速く作動する装置である環状防止装置、そしてその下に徐々に強力なラム防止装置が配置されているため、オペレーターは必要に応じて、迅速な部分シールからドリルストリングの完全な機械的切断まで対応を段階的に高めることができます。 海底BOPスタックに関する米国特許文献によると、通常、貯留層に近いところに配置された噴出防止装置はドリルパイプを囲んで密閉するために設けられ、鉱床から遠いところにある噴出防止装置はドリルストリングを切断し坑井を密閉するために設けられている。

上から下まで動作する代表的な表面 BOP スタックには、通常、次のものが含まれます。上部に 1 つまたは 2 つの環状防止装置。可変ボアまたはパイプラム防止装置 1 つ。ブラインドラムプリベンター 1 つ。そして坑口に最も近い底部にブラインドシアラムプリベンターが 1 つあります。ドリル スプール (BOP アセンブリをケーシング ヘッドに接続するフランジ付きスペーサー) は、キル ラインとチョーク ラインの接続ポイントを提供します。 ScienceDirect によると、BOP スタック設計は最大 15,000 psi の使用圧力に対応するように構成でき、各構成にはスタックの配置を説明する API 指定コードが含まれています。

海面噴出防止装置と海中噴出防止装置: 主な違い

海面噴出防止装置と海底噴出防止装置の基本的な仕組みは同じですが、海底 BOP は、極端な水深、遠隔操作、メンテナンスのためのアクセスの制限、および海面 BOP では必要のない複数の冗長制御システムの必要性に対処する必要があります。

表 2: 場所、圧力定格、制御システム、メンテナンスアクセス、および緊急切断能力における地表/陸上噴霧防止装置と海中/深海噴霧防止装置の比較。出典: ウィキペディア、Keystone Energy Tools、bop-products.com。

ステップバイステップ: キックが検出されたときに何が起こるか

キックが検出されると、乗組員は定義されたシーケンス（検出、シャットイン、循環、殺害）を実行する井戸制御応答を実行します。BOP はこれらすべてのステップを可能にする物理的バリアを提供します。

1. キック検出: 掘削作業員は、ピットの容積 (泥水タンク内の液体の量)、ポンプの圧力、および流量に異常がないかを監視します。ピットゲイン（予想よりも多くの液体が戻ってくる）は、古典的なキック指標です。 Rein Wellhead Equipment の技術文書によると、掘削オペレーターは、キックが検出された瞬間に作業を停止するために坑井を確保し、閉鎖する必要があります。
2. 引きこもり: ドリラーは、リグフロアまたは Koomey アキュムレータユニットにあるコントロールパネルを介して BOP を作動させます。環状の防止装置は、穴の中にあるものの周りを密閉できるため、通常は最初に閉じられます。適切な BOP を閉じると、坑井から流体が流出するのを防ぎます。
3. 圧力の読み取りと評価: 坑井を閉鎖した状態で、エンジニアは閉鎖されたドリルパイプの圧力と閉鎖されたケーシングの圧力を読み取り、地層のバランスを崩すのに必要なキルマッドの密度を計算します。
4. キックアウトを循環させる: エンジニアは、チョークマニホールドを使用して、制御された圧力で掘削液を坑井内に循環させ、重い泥がドリルストリングを下に送り出される間、キック液がチョークラインを通って安全に上方および外に移動できるようにします。
5. 井戸を殺す: キック流体が除去され、坑井が適切な重量の死滅泥で満たされると、泥柱の静水圧が地層圧力を超え、坑井は効果的に死滅します。その後、BOP を開けて掘削を再開できます。
6. 緊急用ハサミ（最後の手段）： キックが外に循環させる能力を超えてエスカレートした場合、またはリグを緊急切断する必要がある場合には、ブラインドシャーラムが作動してドリルストリングを切断し、坑井を完全に密閉します。

ディープウォーター ホライゾン: BOP の失敗が明らかにしたもの

2010 年 4 月 20 日に発生したディープウォーター ホライズンの災害は、BOP の最後の防衛線が失敗したときに何が起こるかを示す決定的なケーススタディであり、米国化学物質安全委員会 (CSB) の調査結果は、その後数年間の BOP の国際的な設計および試験基準に直接影響を与えました。

CSB の調査報告書では、爆発につながった 4 つの連続したバリアの破損が特定されました。セメントが炭化水素層を密閉できなかった。陰圧テストは、ウェルが密閉されていないのに密閉されていることを示していると誤解された。乗組員はガスと石油がほぼ地表に達するまで井戸が流れていることに気付かなかった。そして最後に、噴出防止装置は是正措置を講じるのに十分な期間、流れを止めて井戸を密閉することができませんでした。

BOP の重大な故障点は、ブラインド シャーラムでした。これは、ドリル パイプを切断して井戸を密閉するように設計された最終手段の装置です。 CSBとワークボートの調査分析によると、オペレーターがパイプラムを閉じた際に生じた大きな圧力差によりドリルパイプが座屈し、パイプがBOPボア内で中心から外れ、ブラインドシャーラムの有効剪断範囲外に配置された。 CSB の報告書では、制御ポッドの複数の誤配線も特定しました。1 つのソレノイド コイルが誤って配線され、2 つのチャネルが互いに対向するため、他のすべての故障とは無関係にソレノイド バルブの作動が妨げられたと考えられます。デッドマン システムのバッテリーの劣化により、さらに障害が発生しました。

Academia.edu で公開された学術分析にまとめられた広範な調査では、BOP の失敗の原因は、特に BOP スタックの制御システムを管理する API 仕様 16D における設計とテストの基準が不十分であることが挙げられました。この災害は API 規格の改訂を直接加速させ、海洋リグでの BOP 機器のより厳格なテストとメンテナンスを義務付ける米国安全環境執行局 (BSEE) の新しい規制を促しました。

BOP のテスト、メンテナンス、および規制要件

BOP は、実際の条件下でテストされたことがない BOP は見かけ上安全であるだけであるため、API 規格および国の規制機関によって設定された間隔とテスト圧力に従って、定期的なスケジュールで強制的な圧力テストと機能テストの対象となります。 ウィキペディアの技術概要に記載されているように、規制では通常、環状防止装置が坑井を完全に閉鎖できることが要求されます。

• 機能テスト: 各 BOP コンポーネントは、正しい機械動作を確認するために、通常、掘削作業中は 7 ～ 14 日ごとに開閉する必要があります。
• 圧力試験: BOP スタックは、シーリングの完全性を検証するために、通常、新しい BOP が設置されるたびに、またその後は定められた間隔で、米国のオフショア操業では、ディープウォーター ホライゾン後の BSEE 規制に基づいて 21 日ごとに、定格使用圧力まで圧力テストを行う必要があります。
• アキュムレータのテスト: 油圧アキュムレータには、ポンプの補助なしですべての BOP 機能を閉じるのに十分な事前充填圧力が含まれていることを確認し、フェールセーフのエネルギー貯蔵が損なわれていないことを確認する必要があります。
• 制御ポッドのテスト (海中): 海中 BOP のプライマリおよびセカンダリの両方の制御ポッドを個別にテストして、1 つのポッドが失われた場合でも、システムの機能を閉じる能力が損なわれないことを確認する必要があります。
• せん断ラム能力の検証: ディープウォーター・ホライズンの調査で、中心からずれたパイプがせん断を防止したという発見を受けて、規制上のガイダンスでは、せん断ラムの設計を各坑井プログラムで使用される特定のパイプのグレードと継手の構成に対してテストすることが求められています。

噴出防止装置に関するよくある質問

Q：キックとブローアウトの違いは何ですか？

キックとは、坑井内への地層流体（石油、ガス、水、またはその組み合わせ）の流入であり、坑井内圧力が一時的に地層圧力を下回ったために発生します。キックは、早期に検出され、BOP が直ちに閉じられて井戸内に閉じ込められれば、対処可能なイベントです。噴出は、制御されていないキックの結果です。地層流体は効果的な障壁なしに地表に流れ続け、多くの場合、爆発的で環境に壊滅的な結果をもたらします。 BOP の全体的な目的は、あらゆるキックを大爆発になる前に、制御された管理可能なイベントに変換することです。

Q: ドリルストリングが回転しているときに噴出防止装置を使用できますか?

はい、環状BOPの場合です。 Wikipedia の技術概要によると、環状噴出防止装置は、掘削中にドリルパイプが回転しても、ドリルパイプの周囲のシールを維持するのに効果的です。環状防止装置のゴム製パッキン要素は、圧力を保持するのに十分なだけパイプをしっかりとグリップし、同時にゆっくりとした回転や制御された軸方向の動きを可能にし、これがストリッピング作業の基礎となります。対照的に、ラム防止装置は固定パイプを掴むように設計されており、動的な回転やパイプの大幅な移動には使用しないでください。

Q: 一般的な海底 BOP スタックの大きさと重量はどれくらいですか?

ローワー マリン ライザー パッケージ (LMRP) を含む典型的な海底 BOP スタックは、高さが 18 ～ 25 フィート、重量が 400,000 ～ 450,000 ポンド (約 200 トン) を超えることがあります。スタックのボア直径 (ドリルストリングが通過する内部開口部) は、深海での作業では通常 18.75 インチです。これらの寸法は、BOP が水深 10,000 フィートを超える 10,000 ～ 15,000 psi の定格圧力で抵抗しなければならない極端な力を反映しています。

Q: 掘削ライザーとは何ですか? どのように BOP に接続しますか?

掘削ライザーは、海底の海底BOPと地表の掘削リグを接続する大口径のパイプストリングで、ドリルストリング、掘削流体の戻り、キルラインとチョークラインに連続した密閉経路を提供します。ウィキペディアによると、ライザーは坑井をリグまで効果的に延長します。ライザーの下端は油圧コネクタを介して BOP スタックの LMRP 部分に取り付けられており、ライザーのラッチをすぐに外して緊急時にリグを所定の位置から移動できるようにし、BOP は所定の位置に留まり、下の坑口に密閉されています。

Q: ディープウォーター ホライズンのせん断ラムが井戸を密閉できなかったのはなぜですか?

ワークボートが報告した米国化学物質安全委員会の調査結果によると、ディープウォーター・ホライゾン号のブラインド・シアラムが故障したのは主に、緊急シーケンスの早い段階でパイプラムを閉じた際に生じた極端な内圧差でドリルパイプが座屈したことが原因だという。この「効果的な圧縮」により、BOP ボア内でドリル パイプが中心からずれて曲がり、シャーラムのブレードの効果的な切断範囲外にドリル パイプが配置されました。調査員らによって特定されたその他の要因としては、制御ポッドの 1 つにおける電気的誤配線、デッドマン システムのバッテリーの劣化、中心からずれたパイプがシャーラムの機能を妨げる可能性があるという業界の一般的な認識の欠如が含まれます。この設計シナリオは災害前に正式にテストされたことはありませんでした。

Q: 従来の BOP に代わる井戸管理方法はありますか?

管理圧力掘削（MPD）システムは、掘削プロセス全体を通じて継続的で正確に制御された坑井圧力を維持し、そもそもキックを引き起こす条件を最小限に抑え、反応的なBOP介入への依存を減らす補完的なアプローチを表します。一部の実験設計には、地表で回転ドリルストリングの周囲を密閉し、低圧制御の掘削を可能にする回転制御装置 (RCD) が組み込まれています。しかし、現在、緊急井戸制御のための主要な機械的障壁として BOP に代わる商業的に導入されたシステムはありません。 MPD と RCD は、BOP テクノロジーの代替ではなく、補完します。

概要

噴出防止装置は、一連の機械的に冗長な水圧バリア (上部に環状防止装置、その下にパイプラムとブラインドシャーラム) を坑口の真上に配置することで機能し、キックが噴出の恐れがあるときはいつでも、最大 15,000 psi の圧力に対して瞬時にシールできるようにします。環状 BOP は、あらゆるパイプ形状の周囲に迅速かつ柔軟な第一線シールを提供します。パイプラムは、特定のドリルストリング直径の周りをグリップしてシールします。ブラインドシャーラムは業界の最後の手段として機能し、1 回の油圧ストロークでドリルストリングを切断し、開いた穴を塞ぎます。

ディープウォーター・ホライズンの災害は、BOP の有効性が正しい機械設計だけでなく、適切な配線、保守されたバッテリー、中心から外れたパイプを含む現実的なシナリオに対する定期的なテスト、および時間内にシステムを起動するための手順上の井戸管理ステップの厳格な適用に依存することを、致命的な結果を伴って実証しました。せん断ラム試験プロトコルの改良、電気油圧多重制御の冗長性、デッドマンフェールセーフシステムなど、BOP 設計の継続的な進化は、ライフサイクルのあらゆる段階で真に制御できる井戸を追求して、その出来事の教訓を吸収し続けている業界を反映しています。