Safety and Reliability Assessment of All-Electric Subsea

Abstract

Undervannsproduksjon refererer til brønner som ligger på havbunnen, og tilhørende utstyr og moduler for å produsere hydrokarboner. Det vanligste systemet for kontroll av undervannsproduksjon er et elektrohydraulisk system. Det neste teknologiske trinnet innebærer et hel-elektrisk system. Petroleumsindustrien har anerkjent dette på grunn av tekniske, økonomiske og helse, miljø & sikkerhets hensyn.

Før implementering av et hel-elektrisk system må teknologien kvalifiseres, noe som er utfordrende, spesielt i Norge på grunn av et strengt regelverk. En av grunnene er at gjeldende standarder og retningslinjer gir instruksjoner basert på det elektrohydrauliske systemet. For at hel-elektriske undervannsbrønner skal bli kvalifisert og verifisert, må standarder og retningslinjer oppdateres. Hvordan en hel-elektrisk undervannsbrønn kan isoleres i et nødstilfelle, er et av flere viktige temaer som må avklares.

Min analyse av et hel-elektrisk system og elektrisk teknologi, har derfor hatt som mål å bidra til teknologikvalifiseringen av hel-elektriske undervannsbrønner. Min verktøykasse og teoretiske bakgrunn for å utføre denne analysen har vært pålitelighet, tilgjengelighet, vedlikeholdsvennlighet og sikkerhets (RAMS) – evalueringer. I denne masteroppgaven er feilmode- og feileffektsanalyse (FMECA) brukt som et verktøy for å sammenligne det elektrohydrauliske systemet med det hel-elektriske systemet for et undervanns ventiltre (såkalt ”juletre”). To “enkelt-punkt feil” ble identifisert for det elektrohydrauliske systemet. Begge disse var på hydraulikk-retur siden av ventilaktuatoren. Fordelen forbundet med elektrohydraulisk styring er en mekanisk sikkerhetsmekanisme som stenger ventilene ved hjelp av fjærretur. I det hel-elektriske systemet er alle ventilaktuatorene avhengig av den samme strømforsyningen for å oppfylle sikkerhetsfunksjonen. En klar fordel med det elektriske systemet er at systemet gir tilbakemelding om gjennomføring av sikkerhetsfunksjonen.

For å oppsummere, denne masteroppgaven har hatt som mål å bidra til teknologikvalifiseringsprosessen for overgangen til et hel-elektrisk system for undervannsproduksjon. Dette har blitt gjort ved å gjennomgå kvalifisering av undervannssystemer, sikkerhetsprinsipper for ventilaktuatorer, og ved å visualisere systemkunnskap som kreves for brønnisolering av en hel-elektrisk undervannsbrønn.

Subsea production refers to wells located on the seabed, and associated equipment and modules to produce hydrocarbons. The most common system for subsea production control is an electro-hydraulic system. The next technological step implies going fully electric, which the petroleum industry has acknowledged due to technical, economical and health, safety & environmental reasons.

Prior to implementing all-electric, the technology has to be qualified, which is challenging, especially in Norway due to its strict regulations. One of the reasons is that current standards and guidelines give directions based on the electro-hydraulic system, so for all-electric subsea wells to be qualified and verified, standards and guidelines must be updated. How to isolate an all-electric subsea well in the case of an emergency, is one of the important topics that needs to be covered.

My analysis of an all-electric system and technology has accordingly aimed to contribute to the technology qualification of all-electric subsea wells. My toolbox and theoretical background for performing this analysis has been reliability, availability, maintainability and safety – evaluations (RAMS). In this thesis, failure modes, effects and criticality analysis (FMECA) has been used as a tool to compare the electro-hydraulic system with the all-electric system for the subsea Christmas tree. Two “single point of failures” was identified for the electro-hydraulic system. Both of these were on the hydraulic return side of the valve actuator. Given normal production, the occurrence of either of these will prevent well isolation. The benefit associated with electro-hydraulic control is the mechanical fail-safe-close of valves by spring-return. For the all-electric system all the valve actuators depend on the same power supply for fulfilling the safety function. A clear advantage with the all-electric system is that the system provides feedback for the safety function.

To summarize, this thesis work has aimed at contributing to the technology qualification process of going all-electric subsea. This has been approached by reviewing qualification of subsea systems, fail-safe principles for valve actuators, and by visualizing system knowledge required for well isolation of an all-electric subsea well.