Wireline -
eine hoch technisierte Einrichtung für Messungen und Eingriffe an Erdöl- und Erdgasbohrstellen
von Sandra Wassink
Wireline (633 kB)
Der Gewinnungsprozess von Öl und Gas
- Mobile Bohreinheit für Offshore Bohrungen
Der Produktionsprozess von Öl und Gas umfasst mehrere Stufen: Erkundung, Förderung, Transport und Lagerung.
Erkundung
Der erste Schritt der Öl- und Gasförderung ist die Erkundung. Auf der ganzen Welt wird nach möglichen Ölreserven gesucht. Der Erkundungsvorgang besteht aus vier Stufen: dem Zusammentragen von geologischen Kenntnissen, von seismischen Untersuchungen, dem Bohren und dem Prüfen.
Aufgrund der geologischen Kenntnisse und einer seismischen Untersuchung wird bei positiver Beurteilung mit dem Bohren begonnen. Dazu wird ein Bohrturm verwendet, welcher auch ›Bohrmast‹ oder ›derrick‹ genannt wird. Am Bohrturm wird ein ›Bohrstrang‹ mit einer Bohrspitze befestigt. Die erhöhte Plattform unter dem Bohrturm wird ›Arbeitsbühne‹ genannt. Die Arbeitsbühne ist das Herz des Bohrturms und enthält einen Drehtisch, um den Bohrstrang zu drehen. Hier befinden sich auch alle Montagewerkzeuge für den Bohrstrang.
Während des Bohrens wird eine Flüssigkeit zugegeben, der sogenannte Spülschlamm. Eine Bohrlochsicherung gewährleistet, dass das Bohrloch unter bestimmten Bedingungen verschlossen wird, damit der Spülschlamm nicht aus dem Bohrloch geblasen wird. Eine Bohrlochsicherung, kurz BOP (Blow Out Preventer) genannt, ist ein großes, spezielles Ventil, welches dazu verwendet wird, Öl- und Gasbohrungen zu versiegeln, zu steuern und zu überwachen. Sie wurde entwickelt, um die Möglichkeit zu schaffen, extremen Druck und unkontrollierten Durchfluss aus einem Bohrloch während der Bohrung zu beherrschen. Die Bohrlochsicherung ist auf der Arbeitsbühne installiert. Um den Spülschlamm in Bewegung zu halten, werden Hochdruckpumpen, sogenannte Schlammpumpen, verwendet welche nahe der Arbeitsbühne aufgestellt werden.
Der Spülschlamm verhindert, dass das Bohrloch zusammenfällt. Der endgültige Schutz gegen das Zusammenfallen wird durch ein Futterrohr gewährleistet; wobei ein Stahlrohr in das Bohrloch eingeführt und durch Zement zwischen der Außenseite des Futterrohrs und dem Schacht fixiert wird. Ein solch gesichertes Bohrloch nennt man ›verrohrtes Bohrloch‹ (cased borehole).
Von allen Phasen der Erkundung ist das Bohren am sichtbarsten. Ein Loch zu machen, kann einige Wochen oder auch einige Monate dauern. Die Kosten für das Bohren sind hoch, aber wenn eine korrekte Datenanalyse vorliegt, sind die Erfolgschancen auch sehr hoch. Das erste Bohrloch liefert wertvolle geophysische Informationen, aber es wäre ein extremer Zufall, wenn es eine optimale Stelle in einer Schicht, die Öl oder Gas enthält, trifft. Offshore-Bohrungen unterscheiden sich nicht wesentlich von Bohrungen an Land. Auf dem Meer wird eine Erkundungsbohrung fast immer mit einer ›MODU‹ ausgeführt, einer Mobile Drilling Unit (bewegliche Bohreinheit). Es kann ein Bohrschiff sein, aber auch eine Halbtauchinsel oder eine Hubbohrinsel.
- Bild 1: ›Weihnachtsbaum‹ an einem Bohrloch
Während des Bohrens werden im Bohrloch Messungen vorgenommen, um z.B. die elektrische Leitfähigkeit des Bodens, die Radioaktivität oder Bohrgeräusche festzustellen. Eine Messeinrichtung wird nahe am Boden des Bohrlochs angebracht, um den Druck im Bohrloch aufzuzeichnen. Ebenso werden Öl- und Gasproben genommen, um die Zusammensetzung, die Viskosität, die besonderen Eigenschaften und die Dichte zu analysieren. Die gesammelten Daten, insbesonders von der Größe des Öl- und Gaslagers, welche durch seismische Messungen und Bohrungen festgestellt wurden, sowie die Gas-Öl-Wasser Grenzschichten und die Porosität der Gesteinsformation ermöglichen eine Abschätzung der Ölmenge und des Prozentsatzes der förderbaren Menge.
Erschließung
Sollte eine Explorationsbohrung den Hinweis auf interessante Mengen an Öl und Gas ergeben, geht die Erschließung so weiter, dass zusätzliche Bohrungen gemacht werden, um die Größe, Ergiebigkeit und Umrisse des Feldes genauer festzustellen, die sogenannten ›Befundungsbohrungen‹ und ›Abgrenzungsbohrungen‹. Die seismischen Aufzeichnungen sind extrem wichtig, wenn die Lage der Zusatzbohrungen festgelegt wird. Mit der seismischen Information und den Daten der ›Befundungsbohrungen‹ kann die Gesamtmenge an förderbarem Öl oder Gas des Vorkommens genauer geschätzt werden.
Das Bohren einer Förderbohrung verläuft ähnlich wie das Bohren einer Explorationsbohrung. Trotzdem gibt es einige Unterschiede. Eine Erkundungsbohrung wird normalerweise senkrecht gebohrt, während Förderbohrungen oft von einer Stelle an der Oberfläche aus zu verschiedenen Stellen der Formation gebohrt werden, das sogenannte ›Richtbohren‹.
Nach dem Bohren und Ummanteln des Bohrlochs muss es vervollständigt werden. Der Bohrabschluss ist der Vorgang, der ermöglicht, dass Öl oder Gas gefördert werden kann. Wie bei Explorationsbohrungen werden Futterrohre in die Förderbohrung eingebracht. Diese Rohre werden mit Zement fixiert (verrohrtes Bohrloch). Zum Schluss wird das Förderrohr in die Ummantelung gesenkt. Nachdem der Bereich zwischen Förderrohr und Ummantelung gefüllt ist, kann mit der Förderung begonnen werden. Die Bohrlochflüssigkeiten werden über das Förderrohr an die Oberfläche befördert. Die Bohrlochvorbereitung beinhaltet auch einige Arbeiten an der Oberfläche, um den Durchfluss zu steuern. Eine Reihe von Ventilen und Drosseln werden oben am Bohrlochkopf angebracht. Diese Anordnung von Ventilen, Drosseln und Rohren wird ›Weihnachtsbaum‹ genannt (Bild 1).
Trennung von Öl, Gas und Wasser
Sobald das Vorkommen von Öl oder Gas feststeht, meint man, dass der schwierigste Teil der Erkundung und der Förderung abgeschlossen ist. Es ist jedoch nicht einfach so, dass man die Mixtur aus Öl, Gas und anderen Flüssigkeiten, die aus dem Bohrloch kommen, in einen Tank oder eine Pipeline leiten kann; dieses Gemisch muss aufbereitet werden.
Die Flüssigkeit, die aus dem Bohrloch kommt, ist kein reines Öl. Fast immer ist etwas Gas im Erdöl aufgelöst. Während das Öl durch das Förderrohr nach oben fließt, wird Gas freigesetzt. Das Öl kann durch Wasser, meist Salzwasser, oder Sand verunreinigt sein. Dies muss entfernt werden, damit die Pipeline nicht beschädigt wird. Das geschieht durch eine spezielle Anlage, bestehend aus einem oder mehreren Abscheidern.
Nachdem Gas, Wasser und Sand vom Öl abgeschieden wurden, wird das Öl über kurze Pipelines, den sogenannten ›flowlines‹ – zu einer lokalen Fertigungsstelle gepumpt. Diese Fertigungsstelle enthält Abscheider und andere Betriebsmittel und oft auch Lagertanks.
Der Hauptunterschied bei der Offshore-Förderung im Vergleich zur Förderung an Land liegt darin, dass sie auf See stattfindet und man deshalb eine Plattform, die über der Wasseroberfläche liegt, für die Bohrlochköpfe, Christbäume, Abscheider, Pumpen und so weiter benötigt. Eine Plattform auf hoher See ist immer teurer als ein kleines Grundstück an Land. Die gebräuchlichsten Plattformtypen sind: Stahlgerüst Struktur (Jacket Platform), Schwerkraft basierte Struktur (Gravity Based Structure), Vertikal verankerte Plattform (Tention Leg Platform TLP) und Schwimmende Plattform (Spar Platform), (Halbtaucherinsel (Semi-Submersible FPSS), Schiffe (FPSO- Floating production, Storage and Offloading – schwimmende Förderung, Lagerung und Entladung), (Bild 2).
- Bild 2: Verschiedene Offshore-Plattformen und Bohrtürme. Von links nach rechts: 1 + 2 konventionelle feste Plattformen, 3 elastischer Turm, 4 + 5 vertikal verankerte Plattformen , 6 Spar (Schwimmende Plattform), 7 + 8 Halbtaucherplattform, 9 Schiff (FPSO - floating production storage and offloading facility), 10 Unterwasserbohrlochanschluss und Verrbindungsleitung ›Host‹ (feststehende Plattform).
- Bild 3: Pipeline für den Öltransport von den nahe der Bohrstelle errichteten Abscheidern
Transport und Lagerung
Der Transport des Öls vom Bohrloch zur Weiterverarbeitung wird über ein Netzwerk an Pipelines, in Frachträumen von Tankern, mit Zügen und über die Straße durchgeführt. Der Transport von Rohöl von den Ölfeldern zu den Raffinerien wird meist über Pipelines und mit großen Schiffen durchgeführt (Bild 3).
Wartung
Öl- und Gasbohrlöcher müssen gelegentlich gewartet werden. Eventuell müssen die Rohre ausgetauscht werden oder die Durchbrüche im Gestein um das Bohrloch könnten über die Jahre verstopft sein. Wenn die Probleme durch Wartung in Grenzen gehalten werden, dann kann ein Bohrloch jahrelang weitgehend störungslos betrieben werden. Hier zeigt sich nun die Wichtigkeit von Wireline Service.
Wireline Technologie in der Öl- und Gasförderung
- Bild 4: Wireline oben am Weihnachtsbaum befestigt
- Bild 5: Wireline Lastwagen mit Trommel (im Inneren)
Wireline was ist das?
In der Öl- und Gasindustrie bezieht sich der Ausdruck ›Wireline‹ (drahtgebundene Verbindung) normalerweise auf eine Verkabelungstechnik, welche von den Betreibern einer Öl- und Gasbohrung dazu verwendet wird, Ausrüstung oder Messgeräte für Eingriffe im Bohrloch und zur Bewertung der Lagerstätte in das Bohrloch hinabzulassen und die außerdem als mechanisches Halteseil dient.
Die geflochtene Leitung kann aus einem inneren Kern aus isolierten Drähten bestehen, welche die Betriebsmittel am Ende des Kabels mit Strom versorgen. Sie wird meist als elektrische Leitung ausgelegt und bietet so ein Medium der elektrischen Telemetrie für die Kommunikation zwischen der Oberfläche und den Betriebsmitteln am Ende des Kabels.
Für die Arbeit in einem Ölfeld befindet sich das Wireline System an der Oberfläche, auf eine große Spule gewickelt (Durchmesser 3 bis 10 Fuß), welche auch als Winde bezeichnet wird (Bild 4). Für Anwendungen an Land können die Betreiber auch eine transportable Spule verwenden, z.B. auf einem speziellen Lastwagen (Bild 5) oder als Teil des Bohrgestells.
Die Spule wird über einen Motor und eine Antriebseinheit gedreht und das Messequipment wird so in das Bohrloch hinab gelassen bzw. heraus gezogen. Für die Anwendung auf See kann die Spule in einen Container eingebaut werden.
Die wesentlichen Elemente, die für den Wireline Service notwendig sind, bestehen aus (Bild 6):
- Stromversorgung
- Winde
- Messkopf
- Drucksteuerung
- Leitung
- Werkzeuge
- Bild 6: Wireline - Einsatz bei verrohrten Bohrlöchern
Die Vorteile von Wireline
Wireline Aufgaben können erledigt werden, während ein Bohrloch unter Druck steht. Dies bietet den großen Vorteil, dass das Bohrloch nicht abgeschaltet werden muss. Die Förderung kann ungehindert weiter laufen und es geht keine Zeit verloren. Ein Bohrloch abzuschalten bzw. die Förderung wieder anlaufen zu lassen, kostet viel Geld und Zeit, und es können Schäden auftreten.
Wireline Bohrlochmessung
Wireline Bohrlochmessung ist eine Methode bei der Öl- und Gasförderung , die Eigenschaften des Gesteins und der Flüssigkeiten in der Formation zu ermitteln, in dem eine Messeinrichtung, welche über Wireline angeschlossen ist, in ein Bohrloch hinabgelassen wird. Die Messwerte, die man erhält, werden ausgewertet und dazu verwendet, die Tiefe und die Schichten, in denen Öl und Gas gefunden werden könnte, festzustellen.
Wireline für das Ölfeld ›Kristin‹ in Norwegen
Für die Ölförderung im ›Kristin Field‹ im Südwesten der Halten Bank im Nordmeer ist die norwegische Firma Statoil verantwortlich. Das Feld wurde mit 12 Förderbohrungen in vier Unterwasser-Templates (Bohrloch-Anschluss-Stationen) erschlossen und mit einer Halbtaucherinsel verbunden.
Das Wireline System wurde an verschiedene namhafte Firmen vergeben. Bei dieser Förderstätte werden die Wireline-Einheiten für Wireline Bohrlochmessung und Wartung verwendet; somit reden wir hier über Einsatz bei verrohrten Bohrlöchern.
Es ist durchaus üblich, die Wireline-Einheit außerhalb des explosionsgefährdeten Bereichs oder in einer Zone 2-Umgebung anzubringen (z.B. bei Anwendungen an Land auf einem Lastwagen). Für diese spezielle Anwendung im ›Kirstin Feld‹ war jedoch eine Einheit, die geeignet ist für die Verwendung in der Zone 1, erforderlich.
ELECTROMACH / R. STAHL
Schon frühzeitig wurde die Firma electromach b.v. in die Diskussionen, wie man eine komplette Wireline-Anwendung für die Zone 1 bauen könnte, mit einbezogen. Ein riesiger Vorteil gegenüber dem Wettbewerb war die Kombination aus langfristigen Beziehungen, Produktionserfahrung von explosionsgeschützten Ausrüstungen, Wissen und Erfahrung im Explosionsschutz, gute Kontakte zu den ›benannten Stellen‹, die Flexibilität bei der Entwicklung und schließlich das große Produktportfolio, welches Lösungen aus einer Hand ermöglicht.
Electromach erhielt den Auftrag, 16 komplette explosionsgeschützte Wireline-Einheiten zu liefern. Jede Einheit besteht aus 6 Containern, Inhalt: eine Winde, eine Steuerkabine, eine Stromversorgung, eine Steuereinheit für das Bohrloch, eine Einspritzeinheit für Schmierfett und eine Prüfeinheit (Bild 7 und 8).
- Bild 7: Winde in einem Container für Wireline-Anwendungen.
- Bild 8: Stromversorgung für die Wireline
Smart Monitor mit Steuerung für die Steuerkabine
Für die Visualisierung der Steuersoftware wurde ein neuer, moderner explosionsgeschützter PC und eine spezielle Steuerung in der Steuerkabine benötigt. Das Open-HMI Panel PC System von R. STAHL-HMI wurde an die Anforderungen des Kunden angepasst. Die Kommunikation basiert auf einem CAN-Bus Protokoll. Diese Hardware/Software Kombination wird ›Smart Monitor‹ genannt (Bilder 9 und 10).
- Bilder 9 und 10: Smart Monitor mit Steuerung
Winde
Zur Überwachung der Winde wird eine kleine explosionsgeschützte Kamera verwendet. Nachdem mehrere Möglichkeiten getestet waren, wurden die Compact-Zoom Kamera (EC-710) und die Dome-Kamera (EC-750) von R. STAHL ausgewählt. Die Bilder der Kameras sind in die Smart Monitor Anwendung integriert (Bild 10).
Stromversorgung
Um die Anwendungen mit dem benötigten Strom zu versorgen, wurde das Stromversorgungseinrichtung mit einem großen Transformator (90KVA) und einem Frequenzumrichter (Inverter) versehen. Der Inverter, ausgerüstet mit einem Kühlblech, wurde in ein explosionsgeschütztes Gehäuse aus der CUBEx-Reihe eingebaut. Die Zuführung für die Kühlflüssigkeit wurde direkt zum Inverter gelegt (Bild 12 und 13).
- Bild 12: Frequenzumrichter im druckfestgekapselten Gehäuse mit aktivem Kühlsystem
- Bild 13: Anschluß für Kühlmittel am CUBEx-Gehäuse
Der für das System verfügbare Platz war ein kritischer Gesichtspunkt bei diesem Projekt wegen der engen Begrenzungen auf den Bohrplattformen. Die Container mussten deshalb so kompakt wie möglich gebaut werden. Die Verwendung der modularen, druckfesten CUBEx-Gehäuse half, die Baugröße entsprechend anzupassen (Bild 14).
Fazit
Durch die frühe Zusammenarbeit zwischen Betreiber, Entwickler und Hersteller wurden die außergewöhnlichen und schwierigen Anforderungen an das ›Wireline System, bezogen auf den Explosionsschutz und der Anwendungsumgebung optimal gelöst. Die Erfahrungen von Electromach und R. STAHL mit ähnlichen Aufgaben für die Gas- und Ölindustrie wirkten sich hier sehr positiv aus. Somit kann die hier beschriebene explosionsgeschützte Wireline-Einheit für den Einsatz in Zone 1 als ›Spitzenleistung‹ der beiden beteiligten Herstellerfirmen bezeichnet werden.
- Bild 11: Überwachung der Winde mit einer Kamera.
- Bild 14: Einbauten des Containers für die Stromversorgung während der Aufbauphase