Der Einsatz von elektrischen Betriebsmitteln in Tieftemperaturregionen
- Bild 1: TorkDriveTM, das Herzstück des OverDrive-Systems, ist direkt an den zentralen Bohrantrieb angekoppelt.
Effiziente Technik zur Erdöl- und Erdgasförderung unter Extrembedingungen
von Dr.-Ing. Thorsten Arnhold
Der Einsatz von elektrischen Betriebsmitteln in Tieftemperaturregionen (215 kB)
Gibt man bei Google als Suchbegriff das Stichwort ›Erdölreserven‹ ein erhält man eine verwirrende Auswahl von Aussagen, je nachdem welche Quelle man wählt. Hier eine kleine Auswahl: ›Erdölreserven leicht gesunken‹ (www.erdoel-vereinigung.ch); ›Erdölreserven weltweit gestiegen‹ (www.handelsblatt.com); ›BP – die Erdölreserven der Welt reichen noch 41 Jahre‹ (www.sueddeutsche.de) oder schließlich: ›Auf die Frage wie lange die Erdölreserven der Erde noch reichen, geben die Experten erstaunlich weit voneinander abweichende Antworten. ...‹ Festzustehen scheint aber, dass sich die Zeit des ›billigen Erdöls‹ ihrem Ende nähert. Dabei bezieht sich das Wort billig auf die Zugänglichkeit der Vorkommen, auf die einfache Möglichkeit der Förderung, die Nähe zu den wichtigsten Verbrauchermärkten – kurz: auf die gesamten Kosten zur Erschließung, Förderung und Transport bis zur Weiterverarbeitung. Unabhängig davon, ob die tatsächliche Reichweite der weltweiten Erdölreserven nun noch 30, 40 oder 50 Jahre beträgt, ist mit ernsthaften Problemen nicht erst zu rechnen, wenn das Öl ›ausgeht‹, sondern bereits dann, wenn die Produktionsspitze erreicht ist. Das anerkannteste Modell zu diesem Thema stammt von dem Geophysiker Dr. M. King Hubbert und wird als Hubbertkurve bezeichnet. Dabei handelt es sich um einen etwa glockenförmigen Verlauf der Rohölproduktion, der in den vergangenen 50 Jahren stetig angestiegen ist, schließlich seinen Höhepunkt erreichte und danach kontinuierlich abfällt. Auch hier streiten sich die Experten, ob dieser auch als ›Peak Oil‹ bezeichnete Höhepunkt bereits um die Jahrtausendwende erreicht wurde oder erst auf 2010 oder 2020 datiert werden kann. Die namhafte Schweizer Firma Petroconsultants, anerkannt als weltweit führende Informationsquelle über Rohölsuche und -produktion, gibt einen Zeitraum von 2000 und 2010 an, in dem der Höhepunkt zu finden sein soll. Die amerikanische Firma Douglas-Westwood benennt einen etwas späteren Zeitpunkt, allerdings geht danach der absteigende Teil der Kurve steiler nach unten. Die für die Weltwirtschaft und letztlich jeden einzelnen Menschen entscheidende Tatsache ist aber letztendlich, dass auf der ansteigenden Seite der Kurve das Erdöl im Überfluss vorhanden ist, sich die Förderung relativ billig darstellt und sich bei wenig Kapitaleinsatz hohe Erträge erzielen lassen. Auf der absteigenden Seite der Kurve dagegen steigen die Erschließungs- und Förderkosten stetig an. Die erkundeten Lagerstätten sind weit entfernt von den Abnehmermärkten, befinden sich häufig in politisch instabilen Regionen und oft sind die Vorkommen in Regionen mit schwierigen bis hin zu extremen Umgebungsbedingungen zu finden. Ebenfalls preistreibend ist auf der Abnehmerseite der stetig steigende Energiehunger der Industrie- und Entwicklungsländer. Würde man in der Hubbertkurve den ›Peak Oil‹ auf das Jahr 2005 legen, hieße das, dass die Erdölförderung im Jahr 2025 etwa gleich hoch sein wird wie 1970. Allerdings ist der Bedarf bis dahin bedingt durch die Verdopplung der Weltbevölkerung und die weiter zunehmende Industrialisierung stark gestiegen. Betrachtet man die gegenwärtige Abhängigkeit der Menschheit vom Erdöl zur Energieerzeugung sowie zur Herstellung vieler wichtiger Produkte wie Chemikalien und Lösungsmittel, Plastikprodukte und Kunstfasern, Medikamente, Farben und Lacke, Düngemittel und Pestizide ergibt sich Handlungsbedarf in zwei Richtungen. Zum einen muss durch die Erschließung alternativer Energiequellen wie z.B. der Wind- oder Sonnenenergie der Erdöl- und -gasverbrauch zur Energieerzeugung signifikant eingeschränkt werden. Da z.B. in der Chemischen Industrie lediglich 10% des geförderten Erdöls als Rohstoffe zur Veredlung und Weiterverarbeitung verbraucht werden, könnte durch diese Entwicklung die Reichweite des Erdöls deutlich vergrößert werden. Auf der anderen Seite müssen die vorhandenen Lagerstätten erschlossen werden, dafür werden Technologien und Produkte benötigt, die unter den extremen Umgebungsbedingungen sicher, zuverlässig und wirtschaftlich eingesetzt werden können. Mit diesen beiden wesentlichen Tendenzen: den zunehmend schwierigen Umweltbedingungen in der Umgebung der noch vorhandenen Förderstätten und den damit verbundenen stetig steigenden Erschließungs- und Förderkosten beschäftigt sich dieser Artikel. Am Beispiel von modernen Anlagen der Firma Weatherford soll gezeigt werden, wie man die Effizienz bei der Erdölförderung steigert und wie man gemeinsam mit den Explosionsschutzexperten von R. STAHL die besonderen Herausforderungen des Explosionsschutzes unter Tieftemperaturen meistern kann.
Moderne Technologie zur Förderung von Erdöl
Wie oben kurz beschrieben, ist nicht nur eine zunehmende Verknappung der fossilen Rohstoffe zu verzeichnen, sondern man muss auch feststellen, dass sich die bekannten Lagerstätten zunehmend in weit abgelegenen und schwer zugänglichen Gebieten mit extremen Umweltbedingungen befinden. So sind beispielsweise ca. 30% der bekannten Erdölreserven der Welt in polaren Regionen verborgen. Die Abgeschiedenheit und Unwirtlichkeit der Lagerstätten lassen die Förderkosten in die Höhe schnellen und erschweren die Arbeitsbedingungen spürbar. Diesen Herausforderungen müssen die fördernden Unternehmen und ihre Zulieferer mit modernen mechanisierten und automatisierten Anlagenkonzepten begegnen, um die Effizienz der Prozesse stetig zu erhöhen und somit die Förderkosten im erträglichen Rahmen zu halten. Ein Unternehmen das sich seit Jahrzehnten immer wieder durch die Entwicklung innovativer ja sogar revolutionärer Lösungen für die Erdöl- und gasförderung hervortut, ist die amerikanische Firma Weatherford International Ltd. Das Unternehmen beschäftigt insgesamt ca. 40.000 Mitarbeiter in 100 Ländern. Über ca. 800 weltweit verteilte Service-Stützpunkte und 16 Entwicklungs- und Trainingszentren bietet man Produkte und Dienstleistungen rund um die Themen Entdeckung, Erkundung, Erschließung und Produktion im Erdöl- und Gassektor an. Zahllose technische Innovationen von Weatherford ersetzten in den vergangenen Jahrzehnten Schritt für Schritt die schwere und gefährliche manuelle Arbeit auf den Bohrtürmen durch mechanisierte und automatisierte Arbeitsabfolgen. Bereits Mitte der 1970er-Jahre führte man die erste elektrohydraulische Bohrrohrzange ein, mit der zwei Bohrrohrabschnitte (casings) präzise und fest miteinander verschraubt werden. Im Laufe der Jahre folgten unter anderem solche Lösungen wie das Joint Analyzed Makeup (JAM®) System – das erste verfügbare System zur computergestützten Messung und Einstellung des Drehmoments beim Verschrauben von zwei Bohrrohren oder wie vollautomatische Anlagen zur exakten Ausrichtung von Bohrrohren (stabbing) während des Verschraubens, mit denen eine der gefährlichsten manuellen Tätigkeiten auf Bohrtürmen ersetzt werden konnte. Dem allgemeinen Trend in der Industriegüterbranche folgend, ging man in den vergangenen 10 Jahren verstärkt dazu über, die einzelnen Anlagenkomponenten und Maschinen für die Bohrtechnik miteinander zu kombinieren und sich somit zum kompletten Systemanbieter zu entwickeln. Damit einher ging das ständige Bestreben, den Bohrvorgang und den Förderungsprozess möglichst effektiv zu gestalten. Das im Jahr 2006 im Markt eingeführte OverDriveTM-System vereinigt sämtliche Funktionen, die auf Bohrtürmen zum schnellen, exakten und sicheren Montieren und Demontieren von Futterrohren und Förderrohren (casing und tubing) sowie der Bewegung des Rohrstranges notwendig sind. Mit dem OverDriveTM-System können die zusammenmontierten Bohrrohre während des Einbringens rotiert werden. Rückwärtsbewegungen des Bohrgestänges über mehrere Meter (reciprocating) sind genauso möglich wie das Zirkulieren der Bohrflüssigkeit während des Einbringens der Bohrrohre. Mit diesen Eigenschaften sind viele Probleme, die beim Rohreinbau auftreten können, einfach zu lösen.
- Bild 2: Die Verbindung mit der Steuerung und Energieversorgung erfolgt über zwei Schnellmontagesysteme.
Das Herzstück des OverDrive-Systems, der TorkDriveTM (Bild 1) ist direkt an den zentralen Bohrantrieb, das sogenannte Top Drive angekoppelt. Das OverDriveTM-System ersetzt mehrere Funktionen, die bei herkömmlichen Anlagen über unterschiedliche separate Anlagenteile realisiert werden müssen. Im Einzelnen sind dies:
- die elektrohydraulische Montagezange zum Verschrauben der Steig- und Futterrohre (tubing und casing)
- den Hebezug zur vertikalen Bewegung des Rohrstranges
- die Vorrichtung zum Auffüllen und zur Zirkulation der Bohrflüssigkeit
- die Vorrichtung zur Kompensation des Anlagengewichtes während der Rohrmontage
- das Verriegelungssystem, welches das versehentliche ›Fallenlassen‹ des Rohrstranges verhindert
- die Messvorrichtung, welche kontinuierlich das anstehende Gewinde-Verschraubmoment während des Verschraubvorganges misst
- die fernbedienten Elevatorbügel (bails) mit denen einzelne Rohrabschnitte aufgenommen und über dem bereits verschraubten Strang positioniert werden können.
Er besitzt einen eigenen Hydraulikantrieb für verschiedene Funktionen wie z.B. das Öffnen und Schließen des Greifmechanismus zum Fixieren der Rohre oder die Gewichtskompensation. Der TorkDrive® kann eine Drehzahl von bis zu 100 Umdrehungen pro Minute erreichen und ermöglicht damit die sogenannte ›Drilling with Casing (DwC®)‹-Technologie, bei der das Bohrloch mit den Futterrohren als Bohrgestänge gebohrt wird. Dabei fallen die Arbeitsgänge Bohren und Einbringen der Bohrrohre in einen Arbeitsschritt zusammen, was zu einer enormen Effizienzsteigerung des Gesamt-Prozesses führt. Auch unter dem Gesichtspunkt der Arbeitssicherheit bietet das OverDriveTM-System eine Vielzahl von Vorteilen. So werden einige gefährliche Arbeitsschritte wie z.B. das senkrechte Aufrichten der zu montierenden Rohrabschnitte automatisch und weitestgehend außerhalb des Arbeitsbereiches der Mitarbeiter ausgeführt. Der TorkDrive® wird als kompakte geschlossene Anlage angeliefert. Die Verbindung mit der Steuerung und Energieversorgung erfolgt über zwei Schnellmontagesysteme (Bild 2), über welche die Energie- und Medienversorgung schnell und einfach vorzunehmen ist. Diese Konstruktion sorgt für eine einfache Erstmontage und Wartung der Anlage. Im Folgenden soll der typische Arbeitsablauf mit dem OverDrive®-System vereinfacht beschrieben werden: Gesteuert von einem Mitarbeiter über ein spezielles Bedienpult wird zunächst ein neuer Bohrrohrabschnitt von den Elevatorbügeln (bails) erfasst und über den Hebezug nach oben gezogen, bis er senkrecht über dem bereits montierten Rohrstrang hängt. Anschließend wird der neue Rohrabschnitt auf das Ende des vorher montierten Rohrabschnitts abgesenkt, welcher über ein spezielles Werkzeug, den sogenannten Spider gehalten wird. Das TorkDrive®-Werkzeug fährt von oben senkrecht über das neue Rohr, wobei das Werkzeuggewicht hydraulisch kompensiert wird. Diese Kompensation ist erforderlich, um die Gewindeverbindung zwischen den Rohren exakt herzustellen und die Rohre nicht zu überlasten. Ist die Endposition erreicht, fahren im Inneren des TorkDrives® Klemmbacken heraus und fixieren das Rohr. Nun können die Rohrenden verschraubt werden, wobei die notwendige Vorschubbewegung durch die hydraulische Kompensationseinrichtung erzeugt wird. Ist das erforderliche Anzugsdrehmoment erreicht, wird der Spider geöffnet. Jetzt hängt der komplette Rohrstrang am TorkDrive® und wird über den Hebezug abgesenkt. Gleichzeitig werden vom Bedienpult die Spülungspumpen eingeschaltet und der neue Rohrabschnitt mit Bohrspülung befüllt. Dabei wird im Inneren des TorkDrives® ein Ventil geöffnet, durch das die komprimierte Luft aus dem Inneren des Rohres entweichen kann. Anschließend setzt automatisch die Zirkulation der Bohrflüssigkeit ein und ein neuer Rohrabschnitt wird durch den Ausleger zum Montieren geholt. Was hier in wenigen Worten beschrieben vielleicht als ein einfacher Vorgang erscheint, ist ein hoch komplexer und präziser technischer Vorgang. Immerhin müssen tonnenschwere Lasten mit einer sehr hohen Präzision bewegt und verbunden werden. Kleinste Fehler in der Positionierung der Rohrabschnitte zueinander oder fehlerhafte Anzugsdrehmomente würden die Gewindeverbindungen zerstören und die Rohre unbrauchbar machen. Aus diesem Grund sind in das System eine Vielzahl von Positionier- und Messeinrichtungen integriert, die auch unter widrigsten Umgebungsbedingungen zuverlässig und exakt arbeiten müssen. Selbstverständlich muss die gesamte Anlage einschließlich der elektrischen Ausrüstung explosionsgeschützt ausgeführt sein. Wie eingangs geschildert, befindet sich ein großer Teil der bekannten Erdöl- und gaslagerstätten in polaren Regionen. Daher entschied man sich bei Weatherford die eigenen Produkte für den Einsatz bei Tieftemperaturen bis –40°C zu ertüchtigen. Die explosionsgeschützte elektrische Ausrüstung muss also auch für diesen Tieftemperatureinsatz geeignet sein. Was das im Einzelnen für die Betriebsmittel und Zündschutzarten bedeutet, wird im folgenden Abschnitt erläutert.
Besonderheiten des elektrischen Explosionsschutzes bei Tieftemperaturen
Der in der IEC 60079 Teil 0: ›Allgemeine Anforderungen‹ festgelegte Einsatztemperaturbereich für explosionsgeschützte elektrische Betriebsmittel geht von –20°C bis zu +40°C. Liegen keine weiteren Angaben zur Umgebungstemperatur auf dem Typenschild vor, ist von einem zulässigen Einsatz nur innerhalb dieses Temperaturbereiches auszugehen. Für viele elektrische explosionsgeschützte Betriebsmittel ist der Einsatz unter Temperaturen außerhalb dieses Normbereichs aus Sicht des Explosionsschutzes kein Problem – allerdings müssen bestimmte Typ- als auch Stückprüfungen unter strengeren Prüfbedingungen als im Standardfall durchgeführt und bestanden werden. Unter Umständen können auch bestimmte Modifikationen an den Produkten erforderlich sein, um diese Tests zu bestehen. Im Folgenden sollen einige wichtige Besonderheiten dargestellt werden, die auch bei der Verwendung für die Anlagen von Weatherford beachtet werden mussten:
Eingeschränkte Funktionalität
- Bewegliche Teile wie Vorsätze von Schaltelementen können nach Betauung und anschließendem Gefrieren nicht mehr bedienbar sein.
- Verschiedene Lampentypen wie Niederdruck-Gasentladungslampen sind nicht oder nur schwer entzündbar und verlieren bei Temperaturen unter 0°C deutlich an Lichtleistung.
- Die Genauigkeit vieler Messgeräte nimmt mit sinkender Temperatur ab.
- Schutzschalter mit Auslösemechanismus auf Bimetallbasis verändern ihre Auslösecharakteristik.
Kabelverschraubungen
- Es ist zu beachten, dass verschiedene Kunststoffkabelverschraubungen die für den Explosionsschutz notwendige mechanische Schlagfestigkeit nur bis zu –20°C aufweisen.
- Für Einsätze unterhalb dieser Temperatur müssen in diesem Fall Metallverschraubungen eingesetzt werden und bei nichtmetallischen Gehäusen metallische Einführungsplatten verwendet werden, die mit dem PE-Anschluss zu verbinden sind.
Druckfeste Gehäuse (Ex d)
- Bei Tieftemperaturen können im Fall von Explosion im Gehäuse Drücke entstehen, die die bei Standardbedingungen ermittelten Werte deutlich übertreffen. Ist z.B. ein Einsatz bis –55°C vorgesehen, wird der Prüfdruck bei der Stückprüfung um 62% gegenüber dem Standardprüfdruck erhöht.
- Liegen keine speziellen Bescheinigungen für den Einsatz unterhalb von –20°C vor, müssen Heizungen zum Anheben der Innenraumtemperatur vorgesehen werden. Hierdurch ergibt sich allerdings eine Vorheizzeit vor dem Einschalten der eingebauten Komponenten und dadurch wiederum die Notwendigkeit einer Einschalteinrichtung oder Thermostaten mit passend zugelassenem Temperaturbereich.
Dichtungen
- Die meisten Dichtungsmaterialien verkleben bei Temperaturen unter –20°C stark. Um ein Zerstören der Dichtungen beim Öffnen von Gehäusen zu vermeiden, sollte auf Installations-, Wartungs- und Reparaturarbeiten bei Tieftemperaturen verzichtet werden.
- Für die Abdichtung von beweglichen Teilen sind spezielle Dichtungen geeignet, die bei der Produktbestellung angegeben werden müssen.
Kabel und Leitungen
- Viele Kabeltypen sind für den Einsatz bei Tieftemperaturen nicht geeignet oder nur eingeschränkt verwendbar. Die zulässigen Biegeradien sind in Abhängigkeit von der Temperatur zu beachten.
Mechanische Einwirkungen
- Insbesondere Kunststoffe reagieren auf tiefe Temperaturen mit einer Verringerung der mechanischen Festigkeit. Für den Fall, dass die mechanischen Schlagprüfungen mit der halben geforderten Schlagenergie durchgeführt wurden, schreibt die Bescheinigung einen mechanisch geschützten Einbau vor. Dies kann durch Verwendung von Schutzgittern, Metallkäfigen oder die Auswahl der Montageposition geschehen.
- Besondere mechanische Belastungen wie Biege- oder Druckbeanspruchungen sind zu vermeiden.
- Bild 3: Druckfest gekapselte Steuerung von Typ CUBEX 8264 von R. STAHL
Beispiel StabMaster-Steuerung
Aus einer Reihe von explosionsgeschützten Lösungen von R. STAHL für Weatherford-Anlagen soll abschließend als Beispiel die ›StabMasterTM‹-Steuerung vorgestellt werden, die speziell für den Einsatz unter tiefen Temperaturen konzipiert wurde. Die StabMasterTM-Anlage von Weatherford ersetzt eine der gefährlichsten manuellen Aufgaben, die es in der Vergangenheit auf Bohrtürmen gab – die des Stabbers. Beim Stabber handelte es sich um einen speziell ausgebildeten Mitarbeiter, der mit Gurtzeug gesichert in etwa 10m Höhe über der Arbeitsbühne das zu montierende hängende Rohr senkrecht ausrichten musste. Die StabMasterTM- Anlage führt diese Tätigkeit jetzt vollautomatisch aus: Ein spezieller Greifer fasst das obere Ende des hängenden Rohres und positioniert dieses exakt in der richtigen Position. Dieser Positioniervorgang kann auch über ein bewegliches Bedientableau von der Arbeitsplattform aus gesteuert oder nachjustiert werden. In Bild 3 ist die druckfest gekapselte Steuerung vom Typ CUBEX 8264 von R. STAHL dargestellt. Im Inneren befinden sich u.a. als Herzstück eine SPS sowie eine von dieser kontrollierten Ventilsteuerung. Das Bedientableau ist über eine Profibusschnittstelle angebunden. Das Ganze ist in einen Spezialcontainer eingebaut, um einen einfachen und sicheren Transport zu gewährleisten. Um die druckfeste Steuerung für den Einsatz bis –55°C zu ertüchtigen, werden spezielle Dichtungsmaterialien und Korrosionsschutzfette für den zünddurchschlagsicheren Spalt verwendet. Das Gehäuse und der Deckel werden während der Typprüfungen mit erhöhtem Prüfdruck geprüft. Die Bedienvorsätze wurden während der Typprüfung speziellen Tests unter erschwerten Prüfbedingungen unterzogen. Ebenfalls speziell für den Tieftemperatureinsatz getestet und zugelassen sind die metallischen Kabelverschraubungen. Am Beispiel dieser StabMasterTM-Steuerung kann man erkennen, dass den eingangs beschriebenen Herausforderungen an die Erdölfördertechnik kostengünstige und effiziente Lösungen zu entwickeln, die selbst unter extremen Umgebungsbedingungen sicher und zuverlässig funktionieren, erfolgreich begegnet werden kann. Eine wichtige Voraussetzung für diesen Erfolg ist die langfristige und enge Zusammenarbeit zwischen den beteiligten Partnern. Im beschriebenen Fall Weatherford/R. STAHL existiert eine solche Zusammenarbeit bereits seit einigen Jahren. Das technologische Know-how der Firma Weatherford wird hier auf ideale Weise mit dem Expertenwissen von R. STAHL über elektrischen Explosionsschutz verbunden. Damit wurde es möglich Anlagenkonzepte, die sich unter normalen Umgebungsbedingen vielfach bewährt haben, auch für die Förderung von Erdöl in polaren Regionen der Erde zu verwenden.
Der Einsatz von elektrischen Betriebsmitteln in Tieftemperaturregionen (215 kB)
Mit freundlicher Genehmigung der Weatherford Oil Tool GmbH, Langenhagen