Modelling and Analysis of Electrical Field Gradients over Offshore Pipelines with Cathodic Protection - Impact of Drain to Subsea Wells

Abstract

Olje- og gassindustires er en av de viktigste industriene for norsk økonomi, men denne industrien har også et enormt ansvar når det kommer til konsekvensene av svikt av offshorestrukturer og -rørledninger. Katodisk Beskyttelse er en av de mest effektive metodene for å redusere sjansen for korrosjon av strukturer og rørledninger and er dermed risikoen for olje- og gasslekkasje på grunn av svikt som følge av korrosjon. Undervannsbrønner er ikke antatt å være kritiske strukturer som trenger egen katodisk beskyttelse, men strømdrenasje til brønner legges til designet av omliggende rørledninger og strukturer for å kompensere for strømmen brønner drenerer fra andre beskyttelsessystemer. Effekten av strømdrenasje fra omliggende beskyttelsessystemer er ikke i stor grad undersøkt og et fåtall studier tar for seg hvor mye strøm som dreneres til brønner og hvordan dette endrer som over tid.

I denne studien er målet å forbedre forståelsen av hvordan strøm dreneres til undervannsbrønner og hvor mye som faktisk dreneres. Reelle feltdata fra et kjent felt, referert til som Felt A, er brukt som referanse til å lage en modell hvor målt og simulert strømdrenasje skal sammenlignes. Flere parametere som er nødvendig for å lage modellen er ukjent, hvor fleste av disse er parametere som beskriver geometrien til brønnen. En parameterstudie er derfor gjort for å finne effekten av disse parameterne og om de er viktige for å lage en modell som fungerer. Comsol Multiphysics er dataprogrammet som er brukt til modelleringen, og flere modeller er lagd for å både se effekten av parameterne og får å validere resultatene som er oppnådd.

Resultatene fra parameterstudiet viser at ingen av de geometriske parameterne har noen effekt på prosentvis mengde strøm som hver anode leverer til drenasje, som betyr at geometrien på brønnen ikke er kritisk for å oppnå en realistisk, simulert drenasjeprofil. Resultatene fra modellen hvor alle aspekter med tanke på drenasje til brønn er inkludert, som drenasje fra begge nærliggende rørledninger og drenasje fra beskyttelsesstruktur, viser at den simulerte drenasje profilen stemmer godt over ens med den målte. Den samme konklusjonen kan bli gjort når det kommer til modellen hvor disse resultatene valideres, hvor det samme resultatet blir oppnådd, noe som vil si at modellen fungerer og kan benyttes til å studere andre problemer knyttet til strømdrenasje til undervannsbrønner.

The oil and gas industry is one of the most important industries to the Norwegian economy, but the industry also has an enormous responsibility when it comes to the consequences of failure of offshore pipelines and structures. Cathodic Protection (CP) is one of the most effective methods for decreasing the corrosion of structures and pipelines and hence reducing the risk of oil and gas leakage due to corrosion failure. Subsea wells are not considered critical object that require cathodic protection per design, but a current drain to these structures are added to the CP design of adjacent structures and pipelines to compensate for the protection of these structures. The effect subsea wells have on adjacent CP systems is not well investigated and a limited amount of studies investigate how much current subsea wells drains and how this current drain evolves over time.

In this study, improving the understanding of the behaviour of subsea wells and how current is drained from the CP systems of adjacent pipelines is of interest. Real field data from a known subsea field, referred to as Field A, is used as a reference to build a realistic model where the measured anode current output is matched as good as possible by simulated drain profiles. There are several unknown parameters that is necessary to create such a model, as the geometrical parameters of the well structure, i.e. the depth, radius and number of wells. A parameter study is performed to investigate the importance of these parameters and how they affect the drain profile of the pipeline’s anodes. Comsol Multiphysics is used as modelling software, and several models are created to investigate the effect of the parameters, to compare the simulated and measured drain profile and to verify the results from the comparison.

The results from the parameter study show that neither of the geometrical parameters of the well structure affect the percentage amount of anode current output of the total current drained, which means that the value of these parameters is not critical to obtain a realistic, simulated drain profile. The result of the modelling where all aspects regarding drain is included, as drain from both adjacent pipelines to the drain point and the drain from the template structure, show that the simulated drain profile matches the measured drain profile well. The same conclusion can be made from the verification model, and hence the model can be used as a tool to investigate other CP problems regarding current drain to subsea wells.