Höhere Reservoirausbeute dank ADMARC

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1 Höhere Reservoirausbeute dank ADMARC Überwachungssystem für Öl- und Gaslagerstätten Ray Phillips, Jacob G. Hoseth Die Förderung von Erdöl und Erdgas aus Unterwasser-Vorkommen mit Hilfe von am Meeresboden installierten Fördereinrichtungen stellt an die Offshore-Industrie seit mehr als zwei Jahrzehnten hohe technische Anforderungen. In letzter Zeit ist der Einsatz von Mess- und Regelsystemen im unmittelbaren Bohrlochbereich stärker in den Blickpunkt des Interesses gerückt, da diese Technik für die Betreiber von Ölfeldern entscheidende Einsparungen erwarten lässt. Der Einsatz solcher Systeme verspricht auch eine wesentlich höhere Ausbeute der in den Lagerstätten vorhandenen Erdöl- und Erdgasreserven. Der Ausbeutegrad liegt bei herkömmlichen Förderverfahren üblicherweise bei etwa 30 35%, und selbst eine geringfügige Steigerung bedeutet für die Ölgesellschaften eine wesentlich wirtschaftlichere Nutzung der verfügbaren Ressourcen. Als eines der technisch führenden Unternehmen auf diesem Gebiet hat ABB in den Jahren 1998 und 1999 das moderne Bohrloch- und Lagerstätten-Überwachungssystem ADMARC (Advanced Downhole Monitoring and Reservoir Control) entwickelt. 43

2 Oil, Gas and Petrochemicals 2 Dieses 3D-Modell eines Bohrloch-Drosselventils zeigt, wie die verschiedenen Funktionen außerhalb des Strömungspfads angeordnet sind. ADMARC ist typisch für eine neue Generation so genannter intelligenter Bohrlochausrüstungen, mit denen eine integrierte Regelung des Förderstroms von einer Offshore-Plattform aus möglich ist. Zwar ist diese Technik für Bohrlöcher im Offshore- Bereich und auf dem Festland gleichermaßen geeignet, doch dürfte sie erstmals in Unterwasser- Bohrlöchern realisiert werden. Mit dieser Ausrüstung wird es möglich sein, die Förderung aus verzweigten Lagerstätten (s. Bild Seite 43) im Echtzeitbetrieb zu steuern bzw. zu regeln. 3 Der Förderstrom reißt einige Sandkörner mit, die die Innenteile der Bohrloch- Regelventile «sandstrahlen». Dieses Bild zeigt die winzige Erosion des Ventils, die durch die starke Beanspruchung verursacht wird. Regelung des Förderstroms Herzstück der Technik ist ein Bohrloch-Drosselventil, das die Möglichkeit bietet, die Kohlenwasserstoffverbindungen aus der Lagerstätte im Bohrloch zu mischen sowie Durchsatz und Förderdruck zu regeln. 2 zeigt, wie dieses Gerät ausgeführt sein muss nämlich als langes, zylindrisches Aggregat mit freiem Axialdurchfluss. Der Bohrlochdurchmesser beträgt üblicherweise 12,6 oder 17,8 cm. Der Aktor und die Regelelektronik müssen im Ringraum zwischen dem zylindrischen Ventil und dem Futterrohr der Bohrung untergebracht werden. Die geometrische Gestaltung der Drosselblende ist besonders wichtig, damit die Einströmung sorgfältig geregelt werden kann. Zur Ermittlung der optimalen mechanischen Abmessungen der Drosselblende wurden die CFD-Analyse sowie andere Modellbildungs- und Prädiktionstechniken verwendet. Im Vordergrund der Überlegungen standen dabei die Regelungskennlinien für den Erdöl- bzw. Erdgasstrom sowie die Erosion durch mitgerissene Sandkörner. 44

3 Die Regelungskennlinien definieren die Beziehung zwischen der Ventilstellung und einem Parameter für den Durchsatz. Wie bei jedem Drosselventil wurde bei der Auslegung darauf geachtet, dass diese Beziehung über den gesamten Einstellbereich des Ventils stetig und vorhersagbar ist. Die Sanderosion wurde mit Hilfe anerkannter CFD-Verfahren vorhergesagt. 3 zeigt ein typisches Ergebnis der Erosionsanalyse. Bei den Simulationen musste der Durchfluss in beiden Richtungen berücksichtigt werden, da die Drosselblende auch dazu verwendet werden kann, den Durchfluss vom Ringraum in das Bohrloch zu regeln. Im letztgenannten Fall ist es wichtig, das Flüssigkeitsgemisch so zu verteilen, dass die Futterrohre bzw. die Gesteinsformationen nicht erodiert werden. 4 zeigt die Strömungsgeschwindigkeiten durch die Drossel während des Wasserinjektionsbetriebs. 4 Einspritzwasser strömt durch das mittlere Rohr (blau) und die ringförmigen Drosselblenden, wird verteilt und mit niedriger Energie dem Ringraum zugeführt. Das Geschwindigkeitsfeld durch die Drossel zeigt, wie der hochenergetische Bereich (rot) innerhalb der Drosselinnenteile gehalten wird. Kommunikationssystem Das Drosselventil selbst und auch die übrige Bohrlochinstrumentierung sind auf speziell geschützte Elektronikmodule angewiesen 5, die nicht nur den mechanischen Beanspruchungen standhalten, sondern auch bei hohen Umgebungstemperaturen, d.h. oberhalb 150 C, einwandfrei arbeiten. Die ABB-Forschungszentren haben so genannte Hochtemperatur-ASICs [1] sowohl in SOI- (silicon-on-insulator) als auch in Siliziumkarbid-Technologie entwickelt, mit denen dieses Problem gelöst werden konnte. Ein Bohrloch-Elektronikmodul steuert nicht nur die Wechselstromversorgung über das Bohrlochkabel, sondern übernimmt auch die Übertragung der 5 Komplette Elektronikeinheit mit Stromversorgung und die integrierte Schaltung für die Kommunikation (kleines Bild). Sie kann bei Temperaturen weit über 150 C kontinuierlich betrieben werden und ist für intelligente Funktionalität in Bohrlöchern unentbehrlich. 45

4 Oil, Gas and Petrochemicals Control system Wellhead router M Drive Actuator DEM Actuator DEM 6 Das ADMARC-Kommunikationssystem weist im Bohrloch eine lokale Busarchitektur auf. Der dem Industriestandard entsprechende Bus erlaubt auch den Anschluss von en und Aktoren anderer Hersteller. 7 Spezielle Bohrlochkabel für elektrische, hydraulische und optische Signale sind ein integraler Bestandteil des Bohrloch-Regelsystems. Das Kabel links im Bild ist ein «Flat-pack» für zwei elektrische Leitungen und eine Hydraulikleitung, das rechte ist ein Lichtwellenleiterkabel. Befehle und Rückmeldungen sowie der Messwerte zum Unterwasser-Bohrlochkopf über ein nach oben offenes Kommunikationssystem 6. Das Bohrloch-Kabelsystem selbst 7 zeichnet sich durch eine von ABB Power in Norwegen entwickelte innovative Werkstoff- und Entwurfstechnologie aus. Diese Technologien sind im ABB-Forschungszentrum in Heidelberg sowie in der ABB-Forschungsstätte in Raleigh, North Carolina/USA, eingehend erforscht worden. Die letztgenannte Forschungsstätte hat sich auf Umhüllungen von Lichtwellenleitern für die Datenübertragung mit optischen systemen in Bohrlöchern spezialisiert. Messtechnik Im Rahmen eines Zweijahresprojekts wurde auch intensiv an der Bohrloch-Messtechnik gearbeitet, für die das in 8 dargestellte Verwässerungs- Messgerät beispielhaft ist. Dieses Messgerät wird mit dem Förderrohr in eine Erdölbohrung eingesetzt und misst den Wassergehalt des geförderten Gemisches. Der Wassergehalt steigt mit der Lebensdauer der Ölquelle an, weil aus den wasserführenden Schichten Wasser in die Förderzonen dringt. Dieser versetzt die Ölfeldbetreiber in die Lage, bessere Regelungsstrategien zu entwickeln. Er arbeitet mit einer Hochfrequenz-Resonanzraum-Technik, die im ABB-Forschungszentrum in Heidelberg entwickelt und in Strömungs- Prüfeinrichtungen in England, Norwegen und in den Niederlanden gründlich erprobt wurde. Diese Entwicklung ist bei den Ölfeldbetreibern für den Einsatz auf dem Festland und im Offshore-Bereich gleichermaßen auf reges Interesse gestoßen. Die komplette ADMARC-Systeminstrumentierung einschließlich Bohrlochkabel, Drosselventil und en ist in enger Zusammenarbeit von ABB Offshore Systems und der Spezialkabelabteilung von ABB Power entwickelt worden. Die entwickelnden Stellen konnten dabei auf eine umfangreiche wissenschaftliche Datenbank zurückgreifen, in der die gesamten Daten von ausgewählten Werkstoffen und Technologien 46

5 8 Das Verwässerungs-Messgerät arbeitet mit innovativer Signalverarbeitung und einer Hochfrequenz- Resonanzraum-Technik. Es misst den Wassergehalt im Flüssigkeitsgemisch. Wie aus dem Diagramm ersichtlich ist, stellen verschiedene Verwässerungsgrade eindeutige Frequenz/Dämpfungs-Signaturen dar. A f Signaldämpfung Frequenz A [db] f [MHz] 100% Oil D80 2.5% WC 5% WC 10% WC 15% WC 20% WC 30% WC 35% WC 40% WC (av.) 45% WC 50% WC 60% WC 70% WC 80% WC 90% WC 100% WC gespeichert sind. Sie haben das System für höchste Zuverlässigkeit bei den in einem Bohrloch herrschenden Bedingungen ausgelegt. Bedeutung für die Industrie Das ADMARC-System fügt sich nahtlos in den von ABB für die Erdöl- und Erdgasindustrie entwickelten integrierten Lösungsansatz ein, mit dem eine sichere und zuverlässige Förderung gewährleistet wird. Dieser Lösungsansatz trägt den drei maßgebenden Faktoren des Ölfeldbetriebs Rechnung, nämlich der Modellbildung, der Überwachung und dem Management des Förderstroms von der Lagerstätte zu den Aufbereitungsanlagen. Im Interesse einer leistungsfähigen Erdöl- und Erdgasindustrie müssen die Ölfeldbetreiber ihr Hauptaugenmerk auf die Wertschöpfung richten. Das schließt die Kosten von der Erschließung bis zu den laufenden Kosten während der gesamten Betriebsdauer eines Ölfelds mit ein. Die beschriebenen Entwicklungen werden die Wertschöpfung deutlich verbessern und so dem ADMARC-System im Produktespektrum von ABB Oil, Gas and Petrochemicals einen festen Platz sichern. Adressen der Autoren Ray Phillips ABB Offshore Systems Limited 2 High Street, Nailsea Bristol BS48 1BS Großbritannien Telefax: ray.phillips@gb.abb.com Jacob G. Hoseth ABB Corporate Research NO-1375 Billingstad Norwegen Telefax: jacob.hoseth@no.abb.com Literaturhinweis [1] K. Asskildt, S. Yaghmai: Zuverlässige Hochtemperatur-Elektronik. ABB Technik 5/99,