Bohren in Öl

Die nie endende Suche nach neuen Öl- und Gasquellen lässt Hersteller von Bohr-, Pump- und Verarbeitungsgeräten auf Hochtouren laufen. Foto mit freundlicher Genehmigung von Statoil ASA

Weihnachtsbäume bestehen aus Ventilen, Messgeräten, Sensoren und hydraulischen Systemen, die den Öl- und Gasfluss aus Bohrlöchern steuern. Foto mit freundlicher Genehmigung von Encana Corp.

Die Öl- und Gasindustrie ist beim Transport von Bohrinseln und bei der Wartung von Produktionsstandorten auf speziell angefertigte Geländewagen angewiesen. Foto mit freundlicher Genehmigung von Daimler Trucks North America

Zuverlässigkeit ist für Öl- und Gasgeräte, die unter Wasser betrieben werden, von entscheidender Bedeutung. Abbildung mit freundlicher Genehmigung von FMC Technologies Inc.

Die meisten Öl- und Gasgeräte sind geschweißt, um hochfeste, leckagefreie Verbindungen zu gewährleisten. Foto mit freundlicher Genehmigung von Oceaneering International Inc.

Diese Gesteinsräumer verwenden Hartmetallzähne, um den Verschleiß zu reduzieren und die Bohrzeit zu verlängern. Foto mit freundlicher Genehmigung von Horizontal Technology Inc.

Bohrlochausrüstung muss so konstruiert sein, dass sie starker Hitze, Druck, Vibration und Korrosion standhält. Illustration mit freundlicher Genehmigung von Schlumberger Ltd.

Wenn die meisten Menschen an Weihnachtsbäume denken, stellen sie sich helle Lichter und zarte Ornamente vor. Doch in der Öl- und Gasindustrie ist ein „Weihnachtsbaum“ ein wichtiges Gerät, dessen Montage schwierig sein kann. Das Gerät besteht aus einer Vielzahl von Rohren, Ventilen, Messgeräten, Sensoren und Hydrauliksystemen, die den Öl- und Gasfluss aus Bohrlöchern steuern. Es handelt sich um eine komplexe Baugruppe mit Hunderten von Teilen, die unter extrem rauen Bedingungen zuverlässig funktionieren müssen. Sonnenkollektoren und Windkraftanlagen mögen heutzutage Medienlieblinge sein, aber Öl und Erdgas sind immer noch unsere dominierenden Energiequellen und werden dies auch in absehbarer Zukunft bleiben. Tatsächlich läuft die nie endende Suche nach neuen Öl- und Gasquellen den Herstellern von Bohr-, Pump- und Verarbeitungsgeräten auf Hochtouren. Laut einer aktuellen Studie der Freedonia Group Inc. wird die weltweite Nachfrage nach Ölfeldausrüstung bis 2016 jährlich um 4 Prozent auf 109 Milliarden US-Dollar steigen. „Das Wachstum wird in Entwicklungsgebieten am stärksten sein, wo eine bessere Infrastruktur die Bohrtätigkeit begünstigen wird“, sagt Elliott Woo, Analyst bei der Freedonia Group. „Neue, teurere Techniken zum Bohren nach unkonventionellen Reserven wie Schieferöl und Ölsand werden auch die Ausgaben für Ölfeldausrüstung in die Höhe treiben.“ Allerdings gebe es derzeit ein Überangebot an Öl- und Gasausrüstung, behauptet Chris Faulkner, CEO von Breitling Oil and Gas Corp., einem unabhängigen Explorations- und Produktionsunternehmen. „Zum ersten Mal seit Beginn des Schiefersturms ist der Markt derzeit ziemlich wettbewerbsintensiv. Der Anstieg der Ölbohrinseln um 3 Prozent wurde durch einen stärkeren Rückgang der Erdgasbohrinseln in Nordamerika übertroffen, wo die Zahl im Vergleich zum Vorjahreszeitraum um 26 Prozent zurückging. [Die Industrie verlagert sich] weg von Gas auf Öl, um die Wirtschaftlichkeit des Bohrens zu optimieren. „Um eine ölhaltige Formation aufzubrechen, sind weitaus weniger Fracking-Leistungen erforderlich als bei Erdgaszonen“, betont Faulkner. „Alle PS- und Frack-Bausätze wurden im Hinblick auf Erdgas-Fracking gebaut. Nachdem wir uns nun auf Öl konzentriert haben, gibt es auf dem Markt ein riesiges Überangebot an dieser Ausrüstung. Dieser Trend wird sich kurzfristig fortsetzen.“ Da die konventionellen Ölreserven einen Produktionsrückgang verzeichnen, müssen mehr unkonventionelle Reserven erschlossen werden. Zu den wichtigsten Zielen gehören Erdgasfelder in Alaska und den Rocky Mountains, Ölsandprojekte in Kanada und Offshore-Bohrungen in der Arktisregion. Eine weitere umstrittene und technisch komplexe Initiative betrifft Tiefseebohrungen. Laut einem aktuellen Bericht von GBI Research sind neue Offshore-Bohrinseln in der Lage, in Wassertiefen von mehr als 5.000 Fuß zu bohren. Und bald wird es möglich sein, in Wassertiefen von bis zu 12.000 Fuß zu bohren. Die Entdeckung schwerer zugänglicher Öl- und Gasvorkommen hat Petrochemieingenieure dazu gezwungen, neue Fördertechniken und immer komplexere Bohrvorgänge zu entwickeln. Beispielsweise werden Schiefervorkommen wie das Bakken-Feld in North Dakota und das Marcellus-Feld in Pennsylvania in der Regel durch horizontale Bohrtechniken erschlossen, die mehr pro Fuß kosten als herkömmliche Arten der vertikalen Bohrung. Für die Gewinnung von Schieferöl sind hydraulische Frakturierungsgeräte erforderlich. Es umfasst Hochdruck-Hydraulikpumpen, mit denen Flüssigkeiten und Stützmittel in eine Bohrlochformation gedrückt werden, sowie Kraftstofftanks, Strukturhalterungen, Schläuche und Schalldämpfer. Bohrlochkomplettierungseinheiten verwenden typischerweise eine 2.500-PS-Hochdruckpumpe, die mit einem Getriebe, einem Kühler und einem Schalldämpfer ausgestattet ist, um Motorgeräusche zu dämpfen. Um die Auswirkungen von Bohrungen auf die Umwelt zu verringern, hat die Öl- und Gasindustrie neue Technologien wie Multi-Pad-Bohren, Fracking mit geschlossenem Kreislauf, Wasserrecycling und Entsalzung von Salzwasser für den Einsatz beim Fracking eingeführt. Laut Faulkner ist die durchschnittliche Bohrinsel, die man heute irgendwo auf der Welt findet, etwa 25 Jahre alt. „Während diese Technologie möglicherweise für die Förderung des leicht zugänglichen Öls geeignet war, das sich direkt unter der Oberfläche befand, versuchen Unternehmen, in tieferen Gewässern und schwerer zugänglichen Onshore-Reserven zu bohren, da diese Reserven austrocknen“, betont er . „Dies erfordert eine kompliziertere Technologie. Die Mehrzahl der Bohrinseln, die wir derzeit in Betrieb haben, wird dieser Anforderung nicht genügen. „Bohrinselunternehmen und Explorationsunternehmen auf der ganzen Welt beginnen, in neue Bohrinseln zu investieren“, behauptet Faulkner. „Diese Ausgaben stießen auf hohe Nachfrage, da Ölfeldausrüstungsunternehmen zunehmend Rekordaufträge und Auftragsbestände für neue und modernisierte Bohrinseln verzeichnen.“

All diese Aktivitäten sind gute Nachrichten für Hersteller von Upstream-Öl- und Gasausrüstungen. Tatsächlich haben mehrere Unternehmen in neue Produktionsanlagen investiert, um der neuen Nachfrage gerecht zu werden.

Beispielsweise hat Halliburton Co. kürzlich in Lafayette, LA, ein 65 Millionen US-Dollar teures, 200.000 Quadratmeter großes Montagewerk eröffnet, um komplexe Komponenten für Ölfeld-Serviceeinsätze herzustellen. Forum Energy Technologies Inc. baut in St. Martin, LA, ein 19 Millionen US-Dollar teures Montagewerk zur Herstellung von Bohrgeräten. Weatherford Artificial Lift Systems Inc., ein Hersteller von Ölfeld-Bohrgeräten, hat kürzlich mit dem Bau eines 100-Millionen-Dollar-Montagewerks in Katy, Texas, begonnen. Die Vereinigten Staaten sind der größte Hersteller von Öl- und Gasausrüstung und machten 2011 45 Prozent der weltweiten Produktion aus. Ein Großteil dieser Ausrüstung wird an Onshore- und Offshore-Bohrstandorte in Afrika, Asien, dem Nahen Osten und Südamerika exportiert. Mehrere hundert Firmen stellen weltweit Maschinen und Geräte für Ölfelder her, darunter große Unternehmen wie BakerHughes, Halliburton und Schlumberger. Allerdings dominieren kleine und mittelständische Unternehmen die Branche, wobei sich viele Firmen auf Massenprodukte wie Kompressoren, Messgeräte, Pumpen und Ventile spezialisiert haben. Komplexere Produkte werden typischerweise in kleineren Chargen gebaut, darunter Bohrer, Verteiler, Bohrmotoren, Durchflussmesser, Weihnachtsbäume, Bohrlochköpfe, Druckbehälter und Trennsysteme. Auch die Öl- und Gasindustrie ist auf speziell angefertigte Geländewagen angewiesen, die zum Transport von Bohrinseln und zur Wartung von Öl- und Gasfeldern in rauen Klimazonen eingesetzt werden. Die massiven Fahrzeuge verfügen typischerweise über hochbelastbare Federungen, übergroße Reifen, 6x6- und 8x8-Antriebe und Tandemlenkachsen, die das Durchqueren unwegsamen Geländes wie gefrorener Tundra, tropischer Regenwälder oder Wüstensanddünen erleichtern. Öl- und Gasgeräte gibt es in allen Formen und Größen. Allerdings sind die meisten Produkte groß und sperrig. Sie werden aus schweren Metallgussteilen und bearbeiteten Komponenten zusammengesetzt. Oftmals werden Unterbaugruppen in Fabriken gebaut und getestet, die Endmontage findet jedoch vor Ort statt. „Bei der Montage handelt es sich größtenteils um High-Mix- und Low-Volume-Montagen“, sagt Quarterman Lee, Präsident von Strategos Inc., einem Lean-Manufacturing-Beratungsunternehmen, das mit Herstellern von Öl- und Gasausrüstungen zusammengearbeitet hat. „Bei einem Großteil davon handelt es sich um hochfeste, korrosionsbeständige Legierungen. Auch die Größe variiert stark und reicht von Bohrlochkopfgussstücken, die mehr als 10 Fuß hoch sind, bis hin zu 0,5-Zoll-Stäben und Armaturen.“ Alle Geräte müssen robust sein. Denn die Öl- und Gasindustrie ist ein Synonym für raue Betriebsumgebungen, die von Gasfeldern in Sibirien bis zu Ölquellen in Saudi-Arabien reichen. Bohrlochgeräte wie Bohrer und Überwachungsgeräte müssen so konstruiert sein, dass sie starker Hitze, Druck, Vibration und Korrosion standhalten. Beispielsweise ist es nicht ungewöhnlich, dass die Betriebstemperaturen mehr als 500 F erreichen. „Rohöl ist sehr korrosiv“, sagt Morgan Gallagher, ein Anwendungsingenieur bei EWI, der zuvor in der Öl- und Gasindustrie gearbeitet hat. „Und je tiefer es ist, desto heißer ist es.“ Auch Unterwasserbohrvorgänge stellen besondere Anforderungen an die Ausrüstung. Obwohl viele Produkte äußerlich ähnlich aussehen, gibt es bei der Öl- und Gasausrüstung große Unterschiede, insbesondere wenn es um Oberflächen- und Unterwasseranwendungen geht. „Mehr als Robustheit ist Zuverlässigkeit ein wichtiger Aspekt von Öl- und Gasgeräten, die [unter Wasser] betrieben werden“, sagt Gallagher. „Es wird erwartet, dass Unterwasserausrüstung äußerst zuverlässig ist, da es schwierig, kostspielig und in manchen Fällen unmöglich ist, Reparaturen an Komponenten auf dem Meeresboden durchzuführen. „Das Design von Unterwasserausrüstung unterscheidet sich kaum von einem großen Ölunternehmen zum anderen“, fügt Gallagher hinzu. „Zum Beispiel unterscheidet sich eine Nabelschnur für Exxon wahrscheinlich nicht grundlegend von einer Nabelschnur, die auf einer Chevron-Plattform verwendet wird. In den meisten Fällen wird sich jedoch jedes Angebot und jeder Fertigungsauftrag wie eine individuelle Bewerbung anfühlen. „Der Grund dafür ist, dass jedes große Öl- und Gasunternehmen seine eigenen Spezifikationen hat, die die Industriestandards ergänzen“, betont Gallagher. „Alle Geräte müssen sowohl den Industriestandards als auch den Spezifikationen des Kunden entsprechen. Aus diesem Grund muss der Monteur oder Hersteller die meisten Aufträge wie „kundenspezifisch“ behandeln.“

Die meisten Öl- und Gasgeräte werden manuell geschweißt, um hochfeste, leckagefreie Verbindungen zu gewährleisten. „Der Großteil der Schweißanwendungen [in der Industrie] verwendet ähnliche Verbindungen und beinhaltet das Verbinden einer Materialart mit sich selbst“, sagt Gallagher. Das manuelle Lichtbogenschweißen ist weit verbreitet.

„Es gibt viele Geräte, bei denen die Monteure Rohre in sehr enge Bereiche biegen und schweißen müssen“, fügt Gallagher hinzu. „Daher ist der Zugang zur Durchführung dieser Schweißarbeiten eingeschränkt. In der Öl- und Gasindustrie gibt es sehr erfahrene Handschweißer, die diese Herausforderung oft hervorragend meistern. Stellen Sie sich zum Beispiel vor, dass jemand mit der anderen Hand hinter einem Teil schweißt und dabei einen Spiegel zum Sehen nutzt. Neben qualifizierten Handschweißern werden für diesen Zweck auch automatische Rohrschweißgeräte mit sehr geringem Platzbedarf eingesetzt. „In der Öl- und Gasindustrie werden Laser derzeit am häufigsten zum Auftragschweißen und nicht zum Schweißen eingesetzt“, erklärt Gallagher. Beim Plattieren handelt es sich um das Aufbringen eines Metalls auf die Oberfläche eines anderen Metalls, in der Regel mit dem Zweck, die Korrosions- oder Verschleißfestigkeit des Bauteils zu erhöhen. „In letzter Zeit besteht großes Interesse an der Beschichtung von Öl- und Gaskomponenten“, fügt Salay Stannard, Materialtechnikmanager bei Joining Technologies Inc., hinzu. „Da diese Teile stundenlang in ätzenden Umgebungen eingesetzt werden, suchen die Hersteller nach.“ Möglichkeiten zur Verlängerung des Komponentenlebenszyklus. Eine Lösung besteht darin, die Oberfläche mit verschleiß- oder korrosionsbeständigen Beschichtungen zu versehen. „Das Material kann entweder das gleiche sein wie das Grundmaterial, oder Ingenieure können sich für ein Material entscheiden, das einen höheren Härtewert, einen verbesserten Wärmeausdehnungskoeffizienten oder metallurgische Eigenschaften aufweist“, erklärt Stannard. „Wir haben [auch] Interesse an der Verwendung von Superlegierungen und Karbidmatrixmaterialien gesehen, [wegen] ihrer verbesserten mechanischen Eigenschaften. „Laserschweißen bietet einen geringen Wärmeeintrag in das Bauteil“, betont Stannard. „Für Öl- und Gasteile, die entweder in der Instrumentierung oder in der Inline-Überwachung verwendet werden, kann dies äußerst wichtig sein. Das Gleiche gilt, wenn wir Laserauftragschweißen einsetzen. Der Laserauftragschweißprozess weist geringere Verdünnungen auf und erzielt dennoch die erforderliche metallurgische Bindung.“ Nd:YAG- und andere Nahinfrarotlaser haben sich beim Verbinden von Öl- und Gasanlagen als wirksamer als CO2 erwiesen, da letztere ein Stichlochschweißen erfordern, was zu einer hohen Porosität führt. Elektronenstrahlschweißen wird auch zur Montage einiger Öl- und Gasgeräte eingesetzt. „Es wird unter Vakuum durchgeführt, während das Laserschweißen in offener Atmosphäre mit lokaler Gasabdeckung an der Schweißnaht erfolgt“, sagt Stannard. „Die Elektronenstrahlfähigkeit ermöglicht das Schweißen von Materialien, die zur Oxidation neigen, wie zum Beispiel Titan.“ Ebenso wie Hersteller von Luft- und Raumfahrt- und Medizingeräten müssen auch Öl- und Gasanlagenmonteure strenge Qualitätsstandards einhalten. „Viele [Produkte] erfordern eine Qualifizierung und Validierung nach bestimmten Industriestandards“, sagt Stannard. Zu den wichtigsten Industriestandards gehören der ASME Boiler and Pressure Vessel Code; ISO 10423:2009, die für Bohrlochkopf- und Weihnachtsbaumausrüstung gilt; und NACE MRO 175/ISO 15156, die die Beständigkeit gegen Sulfid-Spannungsrisse und Spannungsrisskorrosion abdeckt. „Es ist wichtig, sicherzustellen, dass die zu schweißenden Komponenten gut zusammenpassen“, bemerkt Stannard. „Eine Pressverbindung ermöglicht die Kontrolle der Schweißpfütze und sorgt für eine einwandfreie Schweißung. Selbstverständlich müssen die Materialien schweißbar sein. „Nicht schweißbare Materialien wie Edelstahl 303 neigen zu Rissen, Lochfraß und versagen im Allgemeinen“, warnt Stannard. „Manche Materialien, die zur Rissbildung neigen, können gemildert werden, indem man ein Zusatzmaterial hinzufügt oder mit einem schweißbaren Material verschweißt und sie in der Schweißpfütze zusammenfließen lässt.“ Zusätzlich zum Schweißen wird Löten zum Zusammenbau von Bohrern, Reibahlen und anderen Bohrlochgeräten verwendet. Es werden auch Schraubverbindungen verwendet. Und große Bolzen werden verwendet, um Geräte wie Bohrinseln und Weihnachtsbäume zu verbinden. „Die beiden Hauptantriebskräfte beim Schweißen müssen, wie bei jeder anderen technischen Entscheidung auch, Wirtschaftlichkeit und Leistung sein“, sagt Gallagher. „Auf der Leistungsseite gibt es zwar viele Einsatzmöglichkeiten für sehr zuverlässige Gewindeverbindungen in der Öl- und Gasindustrie, doch in druckbelasteten Situationen besteht bei Gewindeverbindungen immer ein gewisses Risiko für Undichtigkeiten. „Wenn die Komponente oder das System niemals zerlegt werden soll, ist Schweißen [oft] die beste Option für die Dichtheit“, fügt Gallagher hinzu. „Aus wirtschaftlicher Sicht gibt es viele Fälle, in denen die Kosten einer Schraubverbindung höher sind als die Kosten für die Arbeitsstunden, die zum Schweißen und Prüfen einer gleichwertigen Verbindung erforderlich sind.“

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Harte Bedingungen erfordern robuste Materialien