Fifty Glorious Years!2011 marks the fiftieth anniversary of subsea oil and gas. The first subsea tree came into operation fifty years ago.This presentation reviews the snail’s progress and the giant’s leaps that have occurred in the enabling controls technology over that time, from the short‐distance direct hydraulic systems used in 1961, to modern‐day control systems which operate at distances in excess of 140 km.Rather than mentioning every single thing that’s happened over the last fifty years, I’m going to focus on just three developments:• The first subsea tree of 1961• The Shell Underwater Manifold Centre of 1982, in which a lot of the equipment and systems used in modern control systems came together• The Snøhvit project which came online in 2007, which represents the current state‐of‐the‐art in long distance control systems.

1

The story starts in 1961, a remarkable year in many ways.The American race to the moon was initiated in that year, when President John F. Kennedy announced before Congress the dramatic and ambitious goal of sending an American to the moon  and back before the end of the decade. The world was very different then. Sputnik had orbited the earth only four years before –I remember as a 5‐year old child listening to the beeps it was transmitting, and then the Russians had sent Yuri Gagarin into orbit in April 1961.  We lived in fear of nuclear holocaust as Russia and America built up their atomic arsenals and duelled in incidents like the Bay of Pigs.Nevertheless, the world survived and Kennedy’s goal was realised, with Neil Armstrong stepping onto the surface of the moon in 1969 ‐ one giant leap for mankind. Sadly, Kennedy never saw that.Just the previous year, mankind had ventured to another far country.The explorer Jacques Cousteau and Lt. Don Walsh of the US Navy had ventured to the bottom of the ocean in the bathysphere Trieste.They went down 11 km in the Challenger Deep in the Marianas Trench. No‐one has ever been down there since.This was truly an extraordinary time.

2

So with everything else that was going on at the time, perhaps I can be forgiven for missing out on this news item.The first subsea completion was done by Shell in 17 metres of water in the Gulf of Mexico. The tree was built by Cameron, and I’m very grateful to Jan van den Akker and Stefan Knepper of Cameron for providing these historical photographs.The tree was diver installed but designed for remote installation and operation to demonstrate deepwater capability. You can see from the piping loops that the tree was designed for Through‐Flowlineintervention, and numerous TFL operations were performed during the four years that the well was produced. After that, the well was abandoned, but when it was recovered after 17 years on the seafloor, it was still in good condition with no significant corrosion damage.It’s interesting to consider that Cameron has been involved in this very first development and also in the latest all‐electric systems.

3

Here we see that first subsea tree again, being installed, and an early control pod. At this stage, the Subsea Control Module Mounting Base hadn’t been invented, and the pod is simply plumbed and wired into the tree.Note the dirt floor – no clean room conditions here.The pace of development of subsea technology has been slower than America’s trip to the moon, but it is no less of “one giant leap”.And in a sense, travelling into space and leaving the earth’s atmosphere is almost trivial: going underwater encounters the same pressure difference at only 10 metres, and the pressure keeps on increasing with depth. Subsea equipment has to contend with hundreds of atmospheres of crushing pressure.And in space, there’s no seawater to cause corrosion ☺

4

From that first subsea well, this is how the industry has progressed over the last fifty years.The stepouts have increased, the developments have gone deeper, and there have been more and more subsea completions.The productivity of the wells has increased, too.Back in 1992, a Shell Bullwinkle well produced 5,000 barrels of oil per day (BOPD). By 2002, BP’s Horn Mountain achieved a single well maximum rate of more than 30,000 BOPD.BP now holds the record daily oil production rate for a single well of 41,532 BOPD on BP Troika. This has only been exceeded by their Macondo well, which flowed at an estimated 62,000 BOPD. But we probably can’t include that as a record.In terms of gas production, maximum well rates used to be around 25 million standard cubic feet per day (MMSCFD) until a Shell Popeye well reached 100 MMSCFD in 1996, breaking that record the following year with 158 MMSCFD on a Shell Mensa well.Modern developments like Woodside’s Angel are achieving 250 or even 350 MMSCFD.

5

But another way of looking at this fifty years of progress, to look through the other end of the telescope, is to consider how the technology needed for the Snohvit field came about.Snohvit is the ultimate long‐distance stepout field at 143 km, and could not have come about without inventions that were made at around the same time as that very first subsea tree. I’m talking about integrated circuits, and lasers and fibre optics.The birth of these things was very different – the integrated circuit was welcomed into the world, as an answer to an engineer’s prayer, but the best that could be said about the laser was “A laser is a solution seeking a problem”.These things were totally unrelated to subsea wells – but there was a relentless path of progress that eventually combined all these diverse developments in Snohvit.

6

Transistors had been invented in 1947 at Bell Laboratories, USA, by William Shockley, and Bardeen and Brattain. As a replacement for the vacuum tube, they were ideal – smaller and consuming less power. Electrical engineers of the 50s saw the possibilities of constructing more advanced circuits than ever before, but as the complexity of the circuits grew, the difficulty of interconnecting them increased. Even using printed circuit boards instead of point‐to‐point wiring, the expense and size of circuits became prohibitively large when manually assembling vast numbers of tiny components. Making computers on a commercial scale would be impossible.

7

In the summer of 1958, Jack Kilby at Texas Instruments was newly employed, and had no vacation like the rest of the staff. Working alone in the lab on the problem of building smaller electrical circuits, he found a solution. It suddenly occurred to him that all parts of a circuit, not just the transistor, could be made out of silicon. Silicon transistors had been invented at Texas Instruments in 1954, but nobody was making capacitors or resistors out of that material. Kilby's idea was to make all the components for a circuit on the same block of silicon. Gaining approval from his superiors, he was allowed to build a test version of his circuit. Two months later, the first integrated circuit was ready.It was ugly – Jack Kilby later wished that he had prettied it up ‐ but colleagues were astonished to see a sine wave coming out of this oscillator circuit on a single block of semiconductor.By making all the parts on the same chip and adding the metal needed to connect them as a layer on top of it, there was no more need for individual discrete components. No more wires and components had to be assembled manually. The circuits could be made smaller and the manufacturing process could be automated.Jack Kilby later said "What we didn't realize then was that the integrated circuit would reduce the cost of electronic functions by a factor of a million to one, nothing had ever done that for anything before".He received the Nobel Prize in Physics in year 2000 for his invention.

8

By 1961, integrated circuits were a commercial reality.

9

By 1965, the circuits were growing more complex.

10

In 1965, Intel co‐founder Gordon E. Moore noted that the number of components in integrated circuits had doubled every year from the invention in 1958 until 1965 and predicted that the trend would continue "for at least ten years". By 1971, Intel succeeded in putting the processing circuits needed for a computer onto a single chip, and the first four‐bit microprocessor, the 4004, was released, containing 2,300 transistors.Pundits enshrined the observation as “Moore's Law” in 1970, and the trend of transistor numbers in integrated circuits doubling every two years has been remarkably consistent over the last forty years.The doubling seems to occur every two years rather than every year as Moore had stated. Maybe, as Johnny Depp's Captain Jack Sparrow said in the Pirates of the Caribbean movies, it's really more of a guideline.

11

In 1966, Fairchild launched the first standard TTL product, a quad two‐input NAND gate. TTL logic, still a workhorse of the industry, offers speed and power advantages over earlier types of circuitry.

12

By 2011, an Intel 10‐core processor contains 2.6 billion transistors.The downside of this rapid development is rapid obsolescence. That’s a real problem when our big fields are designed for 20 or even 40 years of operation. Twenty years ago, we would have been using 486 processors, and 40 years ago, all we had was a newly developed 4 bit microprocessor. Perhaps that puts in context the problems the industry will face in the future – and the problems it’s facing now.

17

We can see another problem for the subsea industry exemplified by the development of high speed fibre optic comms.

18

Theodore Maiman made the first laser operate on 16 May 1960 at the Hughes Research Laboratory in California, by exposing a synthetic ruby rod with silvered ends to pulses of light from a photographic flash tube to produce red laser light.Other scientists had dismissed ruby as a lasing medium but Maiman discovered errors in those calculations, and persisted. He told his bosses he wanted to make a laser, but they were wary of discouraging reports from other laboratories and said no. His wife Kathleen said they wanted him to work on computers, or “something useful”. He threatened to quit and build a laser in his garage. So the executives gave him nine months, $50,000 and an assistant. The laser he developed worked first time. His wife said “It looked like a high school [science] project. It was so simple. But [so much] physics and thought went into it.”She was so proud of him.

19

When lasers were invented, they were called "a solution looking for a problem", but since then, they have found a multitude of uses, including the fibre optic communications needed for long stepout subsea developments. In 1969,  a laser beam was bounced off  a reflector on the moon placed there by the astronauts – now that really is long distance!Optical fibre was successfully developed in 1970 by Corning Glass Works in America, with losses low enough for communication purposes.But one of the issues with subsea technology is the slow pace of development compared with other industries.I mean, America put a man on the moon in only 8 years!!! But it took 27 years for proven technology to be first used subsea.

20

A study showed that the time to 50% penetration of the market in offshore oil and gas could be as long as 32 years. It takes sustained long‐term investment and development by the equipment companies to bring advanced technologies to a state of readiness, and they may then find the uptake is slow as the industry waits for other suppliers to develop the product, or for the product to build up a track record.

21

After the installation of the first subsea xmas tree in 1961, the next major step forward was the Shell Underwater Manifold Centre. In 1982, it was the most sophisticated system ever installed subsea. It embodied the principles used in most modern subsea production systemsIt was based on Exxon’s Submerged Production System of the 70s, and the P1 satellite well of  1980, which was used to trial the equipment proposed for the UMC.The UMC weighed in at 2,200 tonnes and featured:• 15 control modules on the manifold and 4 satellite modules connected to it• 240 inductive couplers specially developed for subsea electrical connections• Metal seal hydraulic couplers • A manipulator on rails in the middle of the template for installation of subsea componentsThe redundancy in the system coped well with the few random faults which occurred and after four years operational experience, Shell described it as “a highly operable system and a viable, effective means of developing Central Cormorant reserves”.

22

The technology developed through the years. We don’t have time unfortunately to discuss all this – suffice to say that initial developments used spin‐off technology from aerospace and avionics.In fact my first job in subsea controls in the early 90s was with Marconi Avionics before it was renamed as GEC Marconi Oil and Gas and then ABB Seatec and later GE Oil & Gas.

23

To turn to Australia, the first subsea completion was Cobia‐2, installed in 80 metres of water in the Bass Strait by Esso and BHP.It produced oil from the Cobia reservoir from 1979 to 1983 .The controls were by TRW  and comprised a multiplexed, electrohydraulic primary control module, with a backup sequenced hydraulic control module. Quite a sophisticated design, recognising the possibility of failure occurring within the primary control system.The Cobia crude oil had a wax content of 25% and wax deposits formed in the flowline which restricted the flow. Chemicals weren’t effective and they had to resort to scraper pigs. 12 hours of production followed by a 5 hour of wax scraper run – but they managed to get two million barrels of oil out of the reservoir.When the tree was recovered in 1984, they discovered that well fluids had entered the control system through the downhole valve seals and had gummed up the control module. Apart from that, the tree was still in very good condition.In Western Australia, Woodside found the Angel gas/condensate field in 1972, but didn’t start developing their assets with subsea technology until 1995, when the Wanaea/Cossack fields came on stream.Angel is now in production, delivering half of Australia’s gas, 800 MMSCFD, from just three subsea wells.

24

Some of the equipment used by the industry has disappeared.These one atmosphere chambers were prototyped and used once on Garoupa, but have never really caught on. One of the issues is personnel safety should there ever be a hydrocarbon leak while personnel were in the chamber. The industry realised that wet trees were viable.Inductive couplers have also disappeared from the scene. In the early 1990s, a design fault occurred in the epoxy resin potting which needed recall. This occurred at the same time as the introduction of reliable controlled environment conductive (pin‐to‐pin) electrical connectors. The new conductive connectors took over the market completely.

25

The pinnacle of development of subsea control systems is the Snøhvit field which came onstream in 2007.The subsea facilities are operated from the control room at the LNG plant on Melkøya through an umbilical measuring 143 km in length. the equipment was designed and qualified for use at distances in excess of 200 km.The key elements needed to implement a subsea production control system operating over a distance in excess of 140 km were:• Long distance optical communications without the use of repeaters• 3‐phase 3kV electric power transmission• Subsea routers to distribute signals and convert optical signals to electrical form• Infield data communication using high speed communications on power• Use of a piggy‐back comms‐on‐power system for low speed backup communication from shore

26

Snøhvit is remarkable for other features:• The control and umbilical system contains multiple levels of redundancy and back‐up to provide the availability demanded by the LNG plant. Like the Apollo 13 spacecraft which limped back to earth, it has sufficient sparing and alternate paths to ensure continuing operation even in the face of extensive failure.Besides redundancy, there is also diversity with a Backup Intervention Control System (BUICS) to cope with complete umbilical failure.• All high pressure supplies are generated at the subsea control module by means of pressure intensifiers.• The subsea controls equipment in Norway can be monitored from the GE smart subsea control centre at Nailsea in the UK, to allow service technicians and engineers to examine and  diagnose operations and equipment.• It sets a new record is set for piping unprocessed well fluids over long distances.• It sets a new standard for “green” projects ‐ the carbon dioxide in the wellstream is separated out at the LNG plant, piped back to the field and re‐injected.

27

Snøhvit has successfully implemented fibre‐optic communications, subsea data routing, and high voltage and power distribution technology.It marks the first stage of moving into offshore operations in the Arctic with all the technical and environmental challenges that will be found there.The most important item at present is the increasing focus on environmental issues in the post‐Macondo climate, with the Montara and Varanus Island incidents still fresh in the memory of Australians.

28

To conclude ‐ the pace of development in the subsea industry appears to have been slow, but the extent of development of subsea control systems seen in the Snohvitproject is breath‐taking. Looking back, we can see how, like the beat of a butterfly’s wing in the Amazon causing a tornado in Kansas, the many unrelated inventions from the period when subsea technology was born fifty years ago have come together to facilitate the latest long‐stepout subsea control systems. Those inventors would never have dreamt of how their creations would be building blocks in such a magnificent achievement.We can also look forward to the next fifty years, and try to imagine the things that will come out of left field to shape and influence future developments.To both of those periods, I propose a toast – Fifty Glorious Years!

29