Upstream-Prozess: Förderung

Ausrüstung für Well Intervention / Coiled-Tubing-Einheit

Die vielseitig einsetzbaren Coiled-Tubing-Einheiten (CTUs) werden für Well Intervention Aufgaben eingesetzt, u.a. für folgende Anwendungen:

• Mechanische und chemische Bürst- und Reinigungsarbeiten
• Bohren und Fräsen
• Zementieren
• Tripping (Herausziehen und Ersetzen eines Bohrstrangabschnitts)
• Fishing (Zurückholen von Objekten im Bohrloch)
• Fracking und Refracking
• Beginn oder Neustimulation der Gewinnung

Hydraulikaggregate liefern die nötige Energie, um die Hebemaschinen (Kran, Schwanenhals) zu steuern, das Rohr abzurollen, es mittels Injektor in das Bohrloch einzufahren und das Rohr wieder aufzurollen. Von der Kontrollkabine aus manövrieren die Bediener die mechanischen Geräte und Druckregelgeräte. Die Messgeräte an einer CTU umfassen Druck- und Temperatursensoren am Hydraulikaggregat, Kraftaufnehmer am Injektorkopf und Druckanzeigen in der Kontrollkabine.

Bohrlochkopf und Eruptionskreuz

Ein Bohrlochkopf ist das System aus Stutzen, Flanschen und Adaptern, an dem der Futterrohrstrang hängt und aus dem das Rohöl/Gas fließt. Diese auch als Christmas Tree bekannte Anlage erfüllt noch eine weitere wichtige Funktion: sie hält das unter Druck stehende Bohrlochfluid (den Rückfluss) unter Kontrolle.

Typischerweise sind auf dem Bohrlochkopf eine Ansammlung von Ventilen, Anschlüssen und Drosseln angebracht. Aufgrund ihrer sich verästelnden Komponenten als Christmas Tree bezeichnet, fungiert diese Anordnung als komplexe Absperrvorrichtung, die es den Bedienern ermöglicht, den Rückfluss zu steuern und in Rohre und Tanks zu leiten.

Mechanische Druckmessgeräte in Heavy-Duty-Ausführung überwachen den Druck am Futterrohr, an der Rohrleitung, der Bohrspülungsrückleitung und an anderen Punkten der Anlage. Damit die Förderstätte sicher bleibt, müssen elektronische Druckmessumformer und Prozesstransmitter am Eruptionskreuz als eigensicher und explosionsgeschützt zugelassen sein.

Gestängetiefpumpensystem

Die häufig als Pferdekopfpumpen bezeichneten Gestängetiefpumpen prägen die Landschaft in ölreichen Gegenden. Der Mechanismus ist einfach und effektiv: Die Kurbelwelle wird von einer Antriebsmaschine angetrieben und bewegt den Hebelarm, der aus Balancier und Pferdekopf an einem Ende besteht, hoch und runter. Ein poliertes Gestänge, das am Pferdekopf befestigt und durch eine Tragschiene gefädelt ist, wird durch den Bohrlochkopf eingeführt und in die Verrohrung hinunter geführt. Je tiefer das Bohrloch, desto länger dieses Gestänge und somit desto größer die Pferdekopfpumpe. Das Gestänge fördert mittels eines Systems aus Rückschlagventilen am Ende des Gestänges und der Unterseite der Futterverrohrung langsam das Bohrlochfluid nach oben. Am Bohrlochkopf wird das Fluid in eine Leitung gebracht und dann für den späteren Transport in einen Lagertank geleitet.

Durch ein Druckmessgerät am Bohrlochkopf und einen Druckmessumformer an der Leitung können die Bediener den heraufgepumpten Rückfluss überwachen und steuern. Ein Neigungssensor am Balancier verfolgt die Bewegung und Position des polierten Gestänges, während eine speziell konstruierte Wägezelle an der Tragschiene die Kraft überwacht, die das polierte Gestänge beim Hub erfährt. Diese auf Kraftmesskarten (dynamometer cards) verzeichneten Informationen werden für die Analyse der Tiefpumpenbedingungen und der Effizienz der Gestängeeinheit genutzt.

Kolbenliftsystem

Im Verlauf des natürlichen Lebenszyklus eines Bohrlochs verringert sich die Fördermenge. Mehrere Faktoren können die Abnahme der Fördermenge beschleunigen. Einer dieser Faktoren ist die mögliche Flüssigkeitsansammlung (Liquid Loading). Das Bohrlochfluid ist eine Kombination aus Erdgas und Flüssigkeit. Die kritische Strömungsgeschwindigkeit des Gases (\"critical flow rate\"; kurz: CFR) ist die Mindestgeschwindigkeit, mit der es strömen muss, um die Flüssigkeit zu heben. Unterhalb der CFR beginnt sich das Bohrloch mit Flüssigkeit zu füllen. Wird die Flüssigkeit in der Tiefe nicht entfernt, sinkt die Gewinnung und erliegt schließlich ganz.

Ein Kolbenlift System, das idealerweise installiert wird, bevor Flüssigkeitsansammlungen zu einem ernsten Problem werden, ist eine wirtschaftliche Lösung für vertikale Bohrlöcher. Die einzige Energie, die dieses mechanische System benötigt, kann beispielsweise von einem kleinen Solarpaneel kommen. Die Installation beginnt mit der Platzierung einer Pufferfeder (mittels einer Coiled Tubing Einheit CTU) am unteren Ende der vertikalen Bohrlochverrohrung. Oben auf dem Bohrlochkopf befindet sich eine Schmiervorrichtung, die den frei agierenden Kolben beherbergt. Wenn die elektronische Steuerung erkennt, dass sich Flüssigkeit ansammelt, schließt sie das Motorventil. So wird der Strom im Rohr gestoppt. Dies gibt den Kolben frei, der durch die Flüssigkeitsschicht (Slug) fällt und auf dem Puffer liegen bleibt. Da das Bohrloch nun verschlossen ist, bildet sich im Inneren Druck. Wenn der Druck einen vorgegebenen Wert erreicht, öffnet sich das Motorventil wieder. Diese plötzliche Druckänderung hebt den Kolben, wodurch die Flüssigkeit nach oben und aus dem Bohrloch gedrückt wird. Der Kolben kehrt dann in die Schmiervorrichtung zurück, sodass der Ankunftssensor das Motorventil öffnet und das Gas wieder strömen kann. Dieser Zyklus wird automatisch jedes Mal wiederholt, sobald die Steuerung eine Flüssigkeitsansammlung erkennt.

Kolbenliftsysteme greifen auf Drucksensoren und -messgeräte zurück, um die Höhe des Erdgasdrucks im Futterrohr und in der Verrohrung zu erkennen und den Einsatz des Kolbens zu optimieren. Angesichts explosiver Dämpfe müssen eigensichere oder explosionsgeschützte Druckaufnehmer verwendet werden.

Exzenterschneckenpumpensystem

Fast alle Öl- und Gasbohrlöcher brauchen etwas „Anschub“ - besonders ältere Bohrungen, deren Förderstrom langsam abnimmt. Ein Weg, um die Produktivität in einer vertikalen Bohrung oder einer Richtbohrung zu steigern, ist der Einsatz einer Exzenterschneckenpumpe (PCP).

Dieses künstliche Hebesystem besteht aus einem spiralförmigen Rotor (Positivraum), der in einem Elastomer-Stator dreht (Negativraum). Das Bohrlochfluid gelangt in die Saugseite und füllt den Raum zwischen Rotor und Stator. Im Pumpenbetrieb berührt der Flügel des Rotors den Flügel des Stators, sodass bei jeder Umdrehung ein abgeschlossener Hohlraum entsteht. Somit wird das Fluid schrittweise durch das Bohrloch an die Oberfläche gebracht. Dank der Hohlräume können PCP-Systeme viskoses Öl, Sand und andere häufig im Fracking eingesetzte Feststoffe bewältigen.

Überwachung und Steuerung an der Oberfläche, die mit Manometern und eigensicheren oder explosionsgeschützten Druckmessumformern erfolgt, ermöglichen den Bedienern die Optimierung dieses künstlichen Liftsystems.

Gasliftsystem

Bei manchen produzierenden Bohrlöchern ist der Förderstrom aufgrund von Flüssigkeitsansammlung langsam. In einem vertikalen Bohrloch kann ein Kolbenlift-System mechanisch diese Flüssigkeit entfernen. Horizontale Bohrlöcher, die schlecht strömen, können von einem gasbasierten, künstlichen Liftsystem profitieren.

Ein Gasliftsystem ahmt den natürlichen Lift nach, indem aus einer externen Quelle Formationsgas nachgefüllt wird. Zuerst wird eine Reihe von Mandrels (Hohlzylinder) mit Ventilen in verschiedenen Tiefen entlang der Außenseite der Förderleitung angebracht. Dann wird unter hohem Druck Gas von der Kompressoranlage in den Ringraum des Bohrlochs gepresst. Wenn das eingepresste Gas auf ein Mandrel trifft, öffnet sich das Zylinderventil und lässt es in die Förderleitung sowie gleichzeitig in das Ventil ein, bevor sich dieses schließt. Innen mischt sich das Gas mit der Flüssigkeit, verringert deren Dichte und lässt das Bohrlochfluid nach oben „sprudeln“. Nachdem diese Emulsion an die Oberfläche gelangt ist, trennt die Einheit den flüssigen Anteil ab, komprimiert das verbleibende Gas und presst es wieder in das Bohrloch hinab, bis ein Lift erzielt wird.

Ein Gasliftsystem umfasst Einlass- (Saugseite) und Auslassanschlüsse (Austrittsseite), einen Motor, Gaswäscher (Scrubber) zur Beseitigung der Restfeuchte aus dem Gas sowie Kompressionszylinder. Durch Manometer, Druckmessumformer und Widerstandsthermometer an den Gaswäschern (Scrubber) können die Bediener die Kompressionsstufen überwachen und steuern. Füllstandsmesser zeigen den Füllstand von Öl und Wasser in einem Tank an, während ein Schwimmer-Magnetschalter das Fluidniveau in den Scrubbern überwacht.

3-Phasen-Trenner

Die drei Hauptbestandteile des Bohrlochrückflusses - Wasser, Öl und Erdgas - setzen sich natürlicherweise von selbst ab, da Wasser schwerer ist als Öl, das wiederum schwerer als Gas ist. Die Aufgabe eines 3-Phasen-Trenners ist es, diesen Prozess zu beschleunigen und zu steuern, sodass das Wasser aus der Emulsion entfernt werden kann und die getrennten Kohlenwasserstoffe an ihr jeweiliges Ziel geleitet und verkauft werden können.

Es gibt unterschiedliche Arten von 3-Phasen-Trennern und jede verfügt über verschiedene interne Komponenten zur Medientrennung. Die Bauausführung des Separators kann horizontal oder vertikal sein. Die Emulsion gelangt in den Tank und trifft zunächst auf einen Einlassumlenker. Dies bricht die Oberflächenspannung der Flüssigkeit und setzt so das Gas frei. Der flüssige Anteil setzt sich dann in der unteren Hälfte des Tanks ab, wo es sich natürlicherweise in Öl und Wasser auftrennt. Ein Füllstandsmessgerät an dieser Flüssigkeits-Flüssigkeits-Grenze signalisiert einem Ablassventil, bei Bedarf Wasser abzulassen, um die richtige Höhe des Übergangs beizubehalten. Ein weiteres Füllstandsmessgerät signalisiert dem Ölablassventil, wann es sich öffnen und schließen soll, um den richtigen Ölstand beizubehalten. In der Zwischenzeit steigt das Gas zur Tankoberseite, strömt durch einen Tropfenabscheider und tritt durch das obere Regelventil aus. Dieses Ventil dient auch dazu, einen konstanten Druck im Tank aufrechtzuerhalten. Ein Einlass, drei Auslässe.´

Füllstandssensoren an der Öl-Wasser- und Öl-Gas-Grenze öffnen und schließen Ablassventile. Manometer messen den Druck des Öls, das den Trenner verlässt und in die Pipeline gelangt, während eigensichere oder explosionsgeschützte Druckmessumformer das Gasauslassventil steuern. Bimetallthermometer und RTD-Sensoren ermöglichen es den Bedienern, die Temperatur im Tank und in der Gasauslassleitung zu überwachen. Schalldrosselblenden werden verwendet, um die Ventile beim Gasdruckablassen zu schützen.

Tanks für chemische Zusätze

Über die gesamte Förderphase hinweg werden Chemikalien in der Tiefe, am Bohrlochkopf, vor oder während der Trennung und in Vorratsbehältern zugesetzt. Es gibt viele Gründe für die Behandlung des Bohrlochfluids und Rohöls:

• Hemmung von Ablagerungen
• Demulgieren des Rückflusses
• Verringerung von Schaumbildung
• Förderung der Ausflockung von Öltröpfchen
• Verhinderung von Korrosion und Vereisung
• Abtötung von Algen, Pilzen und Bakterien
• Verbesserung des Flusses viskoser Kohlenwasserstoffe (Paraffin, Asphalt etc.)
• Verringerung des Widerstands in Pipelines

Tanks für chemische Zusätze erfordern ein System mit Niveaustandsanzeigern, Füllstandssensoren, Druckmessgeräten und Druckmessumformern. Diese hochbelastbaren Geräte helfen Öl- und Gasförderern bei der Überwachung der Zustände in Behältern und Leitungen für einen effizienten Betrieb.

Produktionstanks

Produktionstanks bilden die letzte Stufe des Upstream-Öl- und Gasprozesses. Nachdem der Bohrlochrückfluss durch einen 3-Phasen-Trenner läuft, werden die Hauptbestandteile in massive Speichertanks gepumpt, wo sie entweder auf ihre Aufbereitung und Entsorgung (beim produzierten Wasser) oder ihren Verkauf an Midstream-Firmen (bei Öl und Erdgas) warten.

Die Füllstandsmessung in diesen Öl- und Wasserspeichertanks ist wesentlich, wobei die Überwachung folgenden Zweck erfüllt:

• Bestimmung und Verwaltung des Lagerbestands
• Berechnung des Transportbedarfs
• Verhinderung von Überlaufen

Pegelsonden ermöglichen eine präzise Überwachung der Füllstände der verkaufsfähigen Ressourcen. Eigensichere Messumformer bieten zusätzlichen Schutz in explosionsgefährdeten Anwendungen, während die Verwendung von CrNi-Stahl-Gehäuse mit hoher IP-Schutzart die langfristige Zuverlässigkeit des Gerätes gewährleistet. Verwenden Sie für zusätzliche Stabilität und Schutz vor Turbulenzen und Verstopfen einen WIKA LevelGuard^TM Verstopfschutz mit Pegelsonde.

Gasfackel

Bei der Öl & Gas Gewinnung ist ein möglichst hoher Ertrag und Verkauf der natürlichen Ressourcen das Ziel. Dennoch muss aus Sicherheits- und logistischen Gründen ein Teil des gewonnenen Gases anderweitig gehandhabt werden. Eine Methode zur Verringerung von überschüssigem Druck, der sich gelegentlich in den Anlagen aufbaut, ist das kontrollierte Ablassen. Dies führt jedoch zu erhöhten Emmissionen. Das Abfackeln, d. h. die kontrollierte Verbrennung des Methans und der flüchtigen organischen Verbindungen (VOCs) im Abgas, ist dem Ablassen deutlich vorzuziehen. Hierbei werden ≥98 % des Methans und der VOCs zerstört, bevor sie in die Atmosphäre gelangen.

Eine Gasfackel ist ein relativ einfach aufgebautes System. Der Abgasstrom gelangt in den Flüssigkeitsabscheider (Knockout Drum), wodurch ein Druckabfall erzeugt wird, der Feuchtigkeit und Kondensate vom Gas trennt. Dieser Schritt ist erforderlich, da das Verbrennen flüssiger Kohlenwasserstoffe eine Gefahrensituation für Menschen, Anlagen und Umwelt schafft. Das entnebelte Gas gelangt dann in das Sammelrohr und die schmale Gasfackel hinauf. An der Spitze der Gasfackel befindet sich der Fackelkopf mit darunter liegendem Pilotbrenner zur Zündung des Abgases.

Gasfackelsysteme erfordern eine Reihe von Sensoren für den sicheren und effizienten Betrieb. Füllstandsmesser und Schwimmerschalter in den Flüssigkeitsabscheidern dienen dazu, die Menge an Flüssigkeiten in den Behältern zu regeln und zu überwachen. Thermoelemente, Schutzrohre (u. a. im ScrutonWell®-Design) und Temperaturtransmitter an Basis und Spitze der Gasfackel helfen dabei sicherzustellen, dass Gas und Flamme heiß genug sind, um die verbleibenden Kohlenwasserstoffe vollständig in Wasser und CO2 umzuwandeln. Die Mengenstrommessung mit einem Ultraschall-Durchflussmesser ist auch dann möglich, wenn sich die Gaszusammensetzung während des Betriebs verändert. Das Durchflussmessergehäuse kann je nach entsprechender Rohrleitungsklasse individuell angepasst werden.

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