Upstream-Prozess: Bohren

Bohranlage

Bohranlagen haben unterschiedliche Größen und befinden sich entweder auf See oder an Land im Einsatz. Sie reichen von kompakten, mobilen Einheiten bis zu dauerhaften Strukturen in der Größe von Wolkenkratzern. Ein Bohrtisch oder alternativ ein Kraftdrehkopf dreht den gesamten Bohrstrang mit dem Bohrmeißel am unteren Ende dieses Strangs. Unabhängig von der Größe der Anlage, dem Standort oder dem Typ haben diese Maschinen einen Zweck: tief in die Lagerstätte des Ölfelds zu bohren, um Kohlenwasserstoffe zu fördern.

Für einen sicheren und effizienten Betrieb benötigt jede Bohranlage zahlreiche Sensoren. Diese reichen von temperaturkompensierten Zug-/Druckkraftaufnehmern in der Turmrollenlagereinheit bis zu Füllstands- und Drucksensoren in Bohrspülanlagen. Widerstandsthermometer mit Dünnschichttechnik , die ausgelegt sind, um starken Vibration und Pulsation zu widerstehen, helfen bei der Überwachung der vielen Pumpen und Motoren.

Spülpumpe

Während sich Bohrmeißel und Bohrgestänge durch die Erde bohren, pumpen beim Tieflochbohren eine oder mehrere Spülpumpen Bohrspülung mit extrem hohem Druck (über 7.000 psi bzw. 483 bar) nach unten durch das Bohrloch. Diese Bohrspülung erfüllt mehrere Funktionen:

• Sie schmiert und kühlt den Bohrmeißel.
• Sie spült Bohrklein aus dem Bohrloch.
• Sie sorgt für einen Druckausgleich, um zu verhindern, dass Formationsfluide in das Loch eindringen.

Diese Bohrspülung gelangt dann über den Ringraum zwischen Bohrgestänge und Bohrloch zurück an die Oberfläche.

Eine Spülpumpe hat eine Antriebsseite mit einem Motor und eine Spülseite mit Anschlüssen. Ein „Hammer Union“-Druckmessumformer mit einem dicken, korrosionsbeständigen Messelement ist mit einer eigensicheren Barriere gekoppelt. So kann er den Prozessdruck an Saug- und Druckseite überwachen. Ebenso zeigt ein Manometer mit Druckmittler lokal den Förderdruck der Pumpe an. Bei manchen Spülpumpenkonfigurationen wird ein Manometer verwendet, um den Druck des Öls zu überwachen, das die Lager und Dichtungen der Maschine schmiert.

Blowout-Preventer und BOP-Schließvorrichtung

Wenn Formationsfluide, einschließlich hochentzündlichen Kohlenwasserstoffen, unkontrolliert aus dem Bohrloch strömen, spricht man von „Blowouts“. Blowout-Preventer (BOPs) und BOP-Schließvorrichtungen wenden diese gefährliche Situation ab.

Der BOP ist eine oben auf dem Bohrloch befestigte Anordnung von Ventilen, die ein Öl- und Gasbohrloch bei einem Kick (unerwartetes Einströmen von Fluiden in ein Bohrloch) kontrollieren und ggf. abdichten. Manometer samt eigensicheren oder explosionsgeschützten Druckmessumformern sind ein Kernstück dieses Bohrlochkontrollsystems.

Eine Schließeinheit nutzt vorgeladene Stickstoff-Blasenspeicherflaschen, Hydraulikflüssigkeit und elektrische sowie luftgestützte Pumpen zur Druckerzeugung, um mehrere Funktionen am BOP zu steuern. Eine Reihe von Manometern, Druckmessumformern und Füllstandssensoren garantiert, dass dieser Sicherheitsmechanismus bei Bedarf zuverlässig funktioniert.

Zementiereinheit

Das Zementieren spielt beim Bohren eine wichtige Rolle. Nach Erreichen der gewünschten Tiefe wird der Bohrstrang entfernt und die Futterrohre eingesetzt. Die Primärzementierung schottet verschiedene Formationszonen - Öl, Gas, Wasser - vom Bohrloch ab. Sie füllt auch den Ringraum, um die Futterrohre fest an ihrem Platz zu halten, verhindert Korrosion und schützt sie vor unterirdischem Druck. Die Sekundärzementierung soll eine Primärzementierung reparieren, korrigieren oder ein ausgefördertes Bohrloch verschließen.

Eine Zementiereinheit ist entweder auf einem Skid oder Auflieger montiert. Sie erhält Wasser, Trockenzement, Spülung und spezielle Zusätze aus Speichertanks. Anschließend mischt sie die Komponenten zu „Lead Slurry“ und „Tail Slurry“, spritzt diese in die Futterverrohrung und hinaus in den Ringraum. Ein Bedienpult an der Zementiereinheit ermöglicht es dem Operator, Durchfluss und Dichte der Schlämme zu regulieren, den Druck zu überwachen und andere Parameter zu steuern. Für die Überwachung des Drucks wesentlich ist der „Hammer Union“-Druckmessumformer, der für extrem hohe Drücke ausgelegt ist. Außerdem hält er der Schleifwirkung der Zementmischung stand.

Spültank

Spültanks sind große, in mehrere Segmente unterteilte Behälter für die Aufbereitung, Mischung und Lagerung von Flüssigkeit, die eine Spülpumpe während des Bohrens in das Bohrloch und aus diesem heraus pumpt. Wenn die benutzte Spülung wieder an die Oberfläche kommt, wird sie durch verschiedene Teile im aktiven Tank gepumpt:

1. Saugtank als Wartebereich für die Filterung

2. Feststoffkontrollsystem zur Abscheidung von Bohrklein (Gesteinssplitter, Sand etc.)

3. Entgaser zur Entfernung von eingeschlossener Luft und Erdgas

4. Chemikalientank für zusätzliche Aufbereitung, falls erforderlich

5. Rührwerk zur erneuten Homogenisierung der Mischung

Nach der Reinigung ist die Bohrspülung bereit zur Wiederverwendung. Reservetanks speichern überschüssige Spülung sowie schwere Schlämme für Kicks und andere Notfälle.

Füllstandssensoren ermöglichen es den Bedienern, die Flüssigkeit in jeder dieser Abteilungen zu überwachen. Was jedoch noch wichtiger ist - eine Füllstandsmessung kann Probleme bei der Bohrung aufzeigen:

• Ein Mengenanstieg zeigt an, dass Wasser oder Formationsfluide (Öl, Gas) in das Bohrloch eindringen.
• Ein Mengenverlust zeigt an, dass die Bohrspülung durch Risse in die Formation eindringt.

Jeder Füllstandssensor in Spültanks muss für explosionsgefährdete Bereiche geeignet sein. Das Gerät muss außerdem mechanisch robust und hochbelastbar sein, da die Bohrspülung durch gelöste Feststoffe oftmals korrosiv, viskos und abrasiv ist. Viele Arten von Füllstandssensoren können in Spültanks verwendet werden. Die robusteste und wartungsfreie Möglichkeit ist aber eine eigensichere Pegelsonde, die sowohl für die Messung der Fluiddichte als auch des hydrostatischen Drucks genutzt werden kann. Ein WIKA LevelGuardTM Verstopfschutz sorgt für Stabilität und zusätzlichen Schutz vor Schlamm, Turbulenzen und physikalischer Beschädigung.

Wasserbehälter

An einem Bohrplatz presst die Spülpumpe ein Fluid in das Bohrloch hinunter, um den Bohrmeißel zu schmieren und zu kühlen, das Bohrklein aus dem Bohrloch herauszuspülen und für den Ausgleichsdruck zu sorgen. Dieser verhindert, dass Formationsfluide in das Bohrloch eindringen. Die spezielle Mischung ist entweder wasser- oder ölbasiert: je nach der geologischen Formation, wirtschaftlichen Gesichtspunkten, Umweltauflagen, gewünschtem Zweck der Spülung und anderen Faktoren.

Unabhängig von der genutzten Flüssigkeit ist Wasser - in unterschiedlichen Anteilen - fast immer ein Bestandteil der Bohrspülung. Wasser wird in massiven Tanks gespeichert und anschließend in Spültanks geleitet, um mit anderen Bestandteilen vermischt zu werden.

Pegelsonden messen genau und zuverlässig den Füllstand der Wassertanks an einem Bohrplatz und stellen so sicher, dass das Wasser nicht überläuft und der Tank nicht leer wird. Ein WIKA LevelGuard^TM Verstopfschutz bietet zusätzliche Stabilität für den Drucksensor und schützt das Gerät außerdem vor Turbulenzen und Überbeanspruchung.

Choke-Verteiler

Choke-Verteiler sind ein wichtiger Teil des Bohrlochkontrollsystems einer Bohranlage. Bei einem Kick wird der Blowout-Preventer (BOP) geschlossen. Gleichzeitig wird aus dem Ringraum strömendes Formationsfluid und Bohrspülung in die Choke-Leitung und durch die Ansammlung von Rohren, Anschlüssen und Ventilen des Verteilers abgeleitet. Der Choke-Verteiler leitet die leichtere Bohrspülung ab, um unterhalb des MAASP ("maximum allowable annulus surface pressure" / maximal zulässiger Ringraum-Oberflächendruck) zu bleiben, während schwere Spülung aus dem Reservespültank in das Loch gepumpt wird. So wird das Bohrloch wieder unter Kontrolle gebracht. Verschiedene Wege im Choke-Verteiler ermöglichen es den Bedienern, den Strom durch Schließen und Öffnen von Ventilen nach Bedarf umzuleiten. Manche Chokes werden manuell bedient, während andere hydraulisch (fern)gesteuert werden.

Manometer und Druckmessumformer befinden sich an mehreren Stellen, u. a.:

• dort wo die Choke-Leitung auf den Verteiler trifft (eine Leitung).
• dort wo der Verteiler Fluide in eine Grube und/oder einen Spültank entlässt (mehrere Leitungen).

Drucksensoren an einem Choke-Verteiler sollten zur Gewährleistung der Zuverlässigkeit und Sicherheit folgende Anforderungen erfüllen:

• Hohe Genauigkeit und minimale Ansprechzeit
• Korrosions- und Abrasionsbeständigkeit
• Hoher Witterungsschutz (IP-Schutzart)
• Zulassung für Ex-Bereiche (eigensicher, explosionsgeschützt etc.)