Offshore Bohranlagen (im Vergleich zu Landbohranlagen)

Offshore Bohranlagen
(im Vergleich zu Landbohranlagen)
Denise Umoh
Technische Universität Bergakademie Freiberg, 09599 Freiberg, Deutschland
Abstract. In der heutigen Zeit ist die Nachfrage nach Erdöl und Erdgas wahrscheinlich so hoch wie noch nie zuvor in der Geschichte. Diese Nachfrage ist bei
den vielen Millionen Haushalten und Unternehmen, allein in Deutschland, keine
Überraschung. Auch in Zukunft wird die Nachfrage sicherlich nicht weniger. Die
nächsten Seiten zeigen die Enrwicklung der Offshore-Bohrindustrie im Laufe der
vergangenen 150 Jahre. Ebenso sollen die Schwierigkeiten, Anforderungen und
Bedingungen einer Offshore-Bohranlage aufgezeigt werden. Wichtig sind dabei
auch die Unterschiede zu Landbohranlagen und die Abläufe beim Bohren auf See.
Geschichte der Offshore Bohranlagen
Alles begann mit der Entdeckung von Öl im August 1859. Colonal Drake hat mit
Hilfe einer Seilschlagbohranlage in circa 69 ft (23 m) Tiefe Öl gefunden. Das Öl
gewann an Interesse mit der Erfindung der Petroleumlampe im Jahr 1857 und der
beginnenden Autoproduktion seit 1903. 1897 fand man Ölfelder am Strand, die
sich bis ins offene Meer erstreckten. Diese erste „offshore Bohrung“ teufte man in
2
Denise Umoh
Kalifornien. Es wurde hierbei eine Sandaufschüttung nahe des Strandes gebohrt.
Spätere Bohrungen, die vom Strand ins Wasser führten, wurden dann von Holzstegen aus geteuft. Ab 1911 wurden Bohrplattformen auf Holzpfeilern befestigt.
Diese Bohrung auf Pfählen fand zum ersten Mal in einem Sumpf in den USA statt.
Dabei waren teilweise bis zu 250 Pfeiler für eine Plattform im Einsatz. Doch das
Wasser, das vorherrschende Klima und auftretende Insekten führten dazu, dass
diese Pfeiler nicht lange genutzt werden konnten. Um dieser Zerstörung entgegen
zu wirken baute man die Beine aus Beton. Diese Betonbauten hatten aber den
Nachteil, dass sie den Meereswellen zu viel Angriffsfläche boten und es zu heftigen Erschütterungen auf der Anlage kam. Wenig später in den 20er Jahren baute
man schließlich Pfähler mit einer netzartigen Struktur. Diese metallenen Gitter
konnten gut auf dem Meeresboden befestigt werden und gaben den Wellen keine
große Angriffsfläche mehr. In Venezuela, am Lake Maracaibo, wurde die Stahlkonstruktion das erste Mal erfolgreich eingesetzt. 1928 wurde dann das erste Patent für eine „sinkable Barge“ vergeben. Sie sollte die doch sehr hohen Kosten einer Bohrung verringern, da es nicht unbedingt nötig war einen Bohrturm zu bauen,
vor allem da viele Bohrungen nur selten fündig waren. Die sinkable Barge reichte
beim Bohren bis auf den Meeresgrund und ragte beim Schwimmen hoch aus dem
Wasser. Das Problem, welches dabei entstand, war die Entfernung der Barge von
ihrem Einsatzort. Es musste verhindert werden, dass die Barge sich ruckartig vom
Meeresgrund ablöste. Die Lösung des Problems war jedoch schnell gefunden.
Man leitete Strom durch den Boden der Barge, welches ein leichtes Ablösen vom
Grund zur Folge hatte. Von diesem Zeitpunkt an konnte man schnell feststellen,
wo man abbauwürdige Ölfelder finden kann. Dabei drang man auch immer mehr
in größere Meerestiefen vor und man entfernte sich mehr und mehr von der Küste.
1937 gab es schon Bohrinseln in 13 Meilen Entfernung von der Küste, wie zum
Beispiel in Texas. Aber die fehlende Funkverbindung, die nicht vorhandenen Unterkünfte und weitere Probleme, machten die Logisitk und die Arbeitsbedingungen
auf der Bohrinsel sehr schwierig. Deshalb wurden circa 1940 erstmals Unterkünfte
für die Mannschaft gebaut. Ab jetzt konnte die Crew auch über Nacht auf dem
Meer bleiben. 1951 stach das erste Bohrschiff, die Submarex in See. Das Bohr-
Offshore Bohranlagen
3
schiff war aus einem alten Armee-Kreuzer umgebaut wurden. Dadurch, dass der
Turm für die Gestänge seitlich über der Reeling hing, kippte das Schiff beim Trippen (Ein- uns Ausbau des Bohrgestänges und Meisel) fast um. Bohrungen in
Tiefwasser, über 200 ft waren noch nicht möglich. Da die Submersiblen, eine spätere Form von Bohrinseln, nur für bis zu 60-70 m Wassertiefe ausgelegt waren
und man aber noch in tieferes Wasser vordringen wollte, erfand man 1954 die
Jack-up Rigs, auch Hubplattformen genannt. Diese wurden zunächst aus 12 massiven, zylindrischen Beinen gebaut. Doch später stellte man fest, dass auch 3 Beine für diese Konstruktion ausreichen. Diese Beine wurden dann als MastKonstruktion gefertigt, damit die Wellen weniger Angriffsfläche hatten (s.Jack-up
Rig). Seitdem entwickelt sich die Technik immer weiter. 1956 gab es das erste für
den Ozean taugliche Bohrschiff, welches mit allerhand wichtigen technischen
Neuheiten (Führungsleinen, Marine Riser, Positionierungssystem u.ä.) ausgestattet
war. Anfang der 60er Jahre setzten sich Helikopterlandeplätze (Heli-Pads) als
Standard durch. Da die Mannschaft ja jetzt auch auf der Bohrinsel wohnen konnte,
war dies die beste und schnellste Möglichkeit, die Crew an Bord zu bringen. 1983
baute man die Lena-Plattform, die mit circa 1300 ft (390 m) 50 ft höher als das
Empire State Building war. Dies war eine nicht bewegliche Plattform, die als
Stahlsäule, eine Art Leuchtturm gebaut wurde. Wenig später wurden dann die
Semi
Submersiblen
Plattformen
(Halbtaucher)
durch
Zufall
ent-
deckt.(Burleston,1999)
Auch heute werden noch Ölfelder gesucht und genutzt. Diese Nutzung
fordert auch, dass sich die Technik und die Ausrüstung der Bohrinseln, Bohrschiffe und Plattformen stetig weiterentwickelt und verbessert. Es wird also auch in
Zukunft neue verbesserte Konzepte der Erkundung und Förderung von Öl- und
Gaslagerstätten geben.
Geräte und Funktionen von Bohranlagen
4
Denise Umoh
Um besser in die Thematik einsteigen zu können, werden in den folgenden Abschnitten die wichtigsten Geräte einer Landbohranlage behandelt. Auf dieser
Grundlage können dann die Unterschiede zur Offshore Bohranlage deutlich gemacht werden.
Grundlagen einer Landbohranlage
Auf einer Landbohranlage gibt es sehr viele wichtige Geräte, die benötigt werden
um eine Lagerstätte zu erkunden, die Rohstoffe zu fördern und die Sicherheit der
Mannschaft zu gewährleisten. Um aber die Unterschiede beziehungsweise die Besonderheiten einer Offshore Bohranlage zu verdeutlichen, werden nur die wichtigsten Förderungsgeräte behandelt.
Beim Bohren an Land werden drei wichtige Punkte verfolgt. Die Gesteinszerstörung, um an den Rohstoff zu gelangen; die Bohrlochstabilisierung, um
die Rohstoffförderung zu gewährleisten und die Säuberung. Größere Bedeutung
bekommt auch die Richtungskontrolle beim Bohren.
Um das Gestein zu zerstören, werden verschiedene Geräte benötigt. Vor
allem werden Bohrmeisel, -gestänge und –motoren verwendet. Der Bohrmeisel
wird je nach Formation des Gesteins, der Bohrlochgröße, nach Bedeutung und
Wert der Bohranlage (ob billig oder teuer) und auch immer mit gewisser Erfahrung ausgewählt. Die zwei wahrscheinlichsten Varianten eines Meisels sind der
Rollen- und Diamantmeisel. Wobei es auch hier noch verschiedene Möglichkeiten
des Einsatzes gibt. Um den Meisel mit anderen Geräten zu verbinden, werden mehrere verschiedenartige Gestänge benutzt. Die wichtigsten sind hierbei der Bohrstrang, die HWDP (Heavy Weight Drill Pipe), die Schwerstange und ein kleines
Gestängenstück, an dem Stabilisatoren befestigt sind. Für den Antrieb des Bohrgestänges und des Meisels werden Bohrmotoren eingesetzt. Diese Motoren übertragen das Drehmoment auf den Bohrstrang. Die Spülung kann ebenso als Antrieb
für den Meisel benutzt werden. (Reich, 2008; Alliquander, 1986)
Offshore Bohranlagen
5
Um das Bohrloch zu stabilisieren und damit eventuelle Einstürze zu minimieren wird in der Bohrtechnik eine Konstruktion aus mehreren Rohrtouren
eingesetzt. Die Konstruktion beginnt mit dem Bohrkeller, in dem alle Rohrtouren
versenkt sind. In den Bohrkeller wird als erstes das Standrohr eingesetzt, welches
als Ansatzpunkt für den Bohrer dient. Darauf folgt die Ankerrohrtour, die bis auf
das durchlässige Gesetin (Fels) einer Lagerstätte trifft. Danach folgt undurchlässiges Gestein (Salz, Ton), welches von einer oder mehreren technischen Rohrtouren
durchdrungen wird. Ist der zu fördernde Rohstoff erreicht, kann die Produktionsrohrtour eingesetzt werden und die Förderung kann beginnen. Anders als die vorangegangenen Rohrtouren hat die Produktionsrohrtour Löcher, um das Öl oder
Gas fördern zu können. Das Bohrloch muss natürlich die für die Rohrtouren vorgesehene Größe besitzen. Mit jeder Rohrtour wird das Bohrloch enger und deshalb
wird die Konstruktion um die Produktionsrohrtour geplant. Auf dieser Konstruktion, vornehmlich auf der Ankerrohrtour sitzt der Blow-out-Preventer, der gefährliche Öl- bzw. Gasausbrüche verhindern oder zumindest minimieren soll. (Reich,
2008; Alliquander, 1986)
Zur Vorbeugung solcher Blow-outs kann auch die Spülung dienen, die
einen gewissen Druck auf das Gestein ausübt und das Öl oder Gas in den Gesteinsporen hält. Vorwiegend wird die Bohrspülung jedoch für andere Aufgaben
benötigt. Die Spülung, meist Bohrschlamm (Wasser-Ton-Gemisch) säubert den
Bohrstrang, kühlt den Meisel und nimmt Bohrklein auf und transportiert es an die
Oberfläche. Der Spülungseinsatz nimmt auf der Bohrplattform den größten Raum
ein. Da Spülung sehr teuer ist, wird sie immer wieder verwendet. Deshalb muss
die Spülung auf der Anlage einen immer wiederkehrenden Kreislauf durchlaufen.
Der Kreislauf beginnt in einem Tank, aus dem die Spülung über Pumpen und
Schläuche in den Bohstrang geleitet wird. Am Bohrmeisel tritt die Spülung ins
Bohrloch aus und säubert und kühlt den Meisel. Dabei nimmt die Spülung das im
Bohrloch entstandene Bohrklein auf und transportiert es im Äusseren gelegenen
Ringraum zurück zu den Schläuchen und Pumpen. Die Spülung wird von dort nun
auf Siebe gespült, damit das Bohrklein von der Spülung getrennt werden kann.
Um alle nicht zur Spülung gehörenden Bestandteile mit Sicherheit entfernen zu
6
Denise Umoh
können, durchläuft die Spülung noch ein Absetzbecken, Zyklone und Zentrifugen.
Um auch Gase, die in der Spülung gebunden sein können sicher zu entfernen,
wird noch ein Gasseperator und ein Degaser eingesetzt. Beim Einsatz der Spülung
muss jederzeit darauf geachtet werden, dass im Bohrloch immer ein ausreichender
Druck herrscht und die verwendeten Materialen keine Gefahr für die Umwelt, besonders für das Grundwasser darstellen. Natürlich sind auch noch weitere Geräte
von großer Wichtigkeit, sind aber für die Besonderheiten einer Offshore Anlage
von geringerer Relevanz.(Reich, 2008; Alliquander, 1986)
Besonderheiten beim Bohren im Meer
Die Erde ist mit 70 % Wasser bedeckt. Da lässt sich ein Vordringen der Suche
nach Rohstoffen im Meer nicht vermeiden. So wurden im Laufe der Zeit auch
Möglichkeiten entwickelt, wie man auch auf dem Wasser an das kostbare Öl
kommt. Natürlich sind hier andere Bedingungen anzufinden. Deshalb müssen sich
auch die Geräte der Offshore Bohranlage etwas von denen einer Landbohranlgae
unterscheiden.
Alles beginnt schon mit dem Bohren eines Loches. Wie bohre ich ein
Loch, dass von einer kilometerdicken Decke aus Wasser verdeckt ist? Auf dem
Meeresgrund wird eine sehr schwere, aus Stahl bestehende, kurzzeitige Plattform
(temporary guide base, TGB) an dem Ansatzpunkt der Bohrung platziert. Damit
der Meisel an diese vorbestimmte Stelle gelangen kann, sind an der TGB und dem
Bohrschiff, der Bohrplattform etc. Leinen befestigt, die der Führung des Meisels
dienen. Dieses Prinzip wird solange fortgeführt bis die Bohrlochkonstruktion (siehe Landbohranlage) komplett angebracht ist. Auch hier gibt es auf der Ankerrohrtour einen Blow-out-Preventer. Da jedoch die gesamte Konstruktion manchmal
mehrere Kilometer tief im Meer befestigt ist, kann der Preventer nicht manuell betätigt werden. Der Preventer muss bei einer Offshore Bohranlage per computergesteuerter Hydraulik betätigt werden. Ein weiteres Problem der großen Tiefen im
Meer ist, dass eine Verbindung von dem Bohrloch zur Bohranlage zur Förderung
Offshore Bohranlagen
7
des Rohstoffes und Zurückführung der Bohrspülung gebraucht wird. Auf einer
Landbohranlage wird dies durch das Bohrgestänge realisiert. Da eine Bohrinsel
auf dem Meer durch Wind, Wellen und Strömung nicht ortsstabil ist und sich mit
einer gewissen Geschwindigkeit bewegt muss eine flexiblere Lösung, als die steifen Bohrstangen geschaffen werden. Hierfür wurde der „Marine Riser“ entwickelt,
der auf dem Preventer aufgebracht wird. Dieser Riser macht auch die Führungsleinen für den weiteren Prozess unnötig. Da die meisten Bohranlagen fest sind und
nur an dieser bestimmten Stelle genutzt werden kann, musste eine Möglichkeit geschaffen werden, mehrere Löcher von einer Anlage aus bohren zu können. Diese
sogenannten „Conductors“ bestehen aus mehreren vorgefertigten Bohrgestängen,
über die die Plattform nach einem programmierten Schema fährt und aus jedem
dieser Rohre neue Bohrlöcher macht. Damit keine schon vorhandenen Bohrlöcher
angebohrt werden, was sehr gefährlich ist, nutzt man heute die Möglichkeit des
Rotary-Bohrprinzips. Mit Hilfe eines geringwinkligen Knickes im Bohrmotor (der
am Bohrgestänge sitzt) kann man ohne großen Aufwand in verschiedene Richtungen bohren. Diese kontrollierte Richtungskorrektur kann bis auf ein gewisses Maß
betrieben werden. So ist es möglich auch auf einer festen Bohranlage alles aus einer Lagerstätte rauszuholen, was möglich ist. Aufgrund der hohen Wellenbewegung auf See, wird ein weiteres Gerät sehr wichtig. Der „Heave Compensator“,
ein Druckzylinder, der mit dem Bohrstrang und einem Flaschenzug auf einem
Druckluftpolster sitzt, verhindert, dass der Bohrstrang zu sehr von der Wellenbewegung erfasst wird. Damit wird das Risiko ein bestehendes Bohrloch zu zerstören ebenfalls minimiert. Auch hier gibt es sicherlich noch weitere wichtige Einrichtungen, die zur Erkundung, Förderung, Bewachung und Sicherheit von Nöten
sind. Dennoch sollte man nicht außer Acht lassen, dass eine Offshore Anlage auch
eine große Herausforderung für die Mannschaft, die hier arbeitet, ist. Die wahrscheinlich größte Herausforderung ist die geringere Möglichkeit schnell und sicher bei Gefahr zu flüchten. Deshalb müssen alle Menschen, die auf einer Bohrinsel arbeiten, an besonderen Sicherheitsmaßnahmen teilnehmen. Natürlich müssen
alle die Maßnahmen der Ersten Hilfe perfekt beherrschen. Zusätzlich müssen Feuerbekämpfung, das Überlebem im kalten Wasser und das zu Wasser lassen der
8
Denise Umoh
Rettungsboote ständig trainiert werden. Da der Helikopter das am häufigsten benutzte Transportmittel ist, müssen auch hier alle Eventualitäten geübt werden. Dafür sind spezielle Schwimmbecken und Helikopter-Kapseln entwickelt worden,
mit denen man jede Gefahrensituation realistisch nachahmen kann. Alle „Passagiere“ müssen sich regelmäßigen, von einem speziell ausgebildeten Arzt durchgeführten Gesundheitschecks und Drogentests unterziehen. Da alle zu jederzeit fit
für eine Rettungsaktion sein müssen, sind Alkohol und Drogen strengstens verboten und es sind nur vom „Inselarzt“ verschriebene Medikamente erlaubt. Für diese
medizinischen Maßnahmen gibt es ein eigenes Krankenhaus. Die Mannschaft, die
im Zwei-Wochen-Takt arbeitet, muss aber auch anderweitig versorgt sein. Eine
Bohrinsel ist eine kleine Stadt, die für die Verhältnisse auf See einiges zu bieten
hat. So gibt es natürlich Unterkünfte (mit 1-12 Betten), eine Cafeteria, wo im
ständigen Wechsel alle Mahlzeiten (Frühstück...) angeboten werden, ein Kino und
Sportanlagen, zur Freizeitgestaltung, eine Wäscherei (tägliches Waschen, Trocknen, Bügeln) und noch vieles mehr.(Reich, 2008)
Gruppen von Offshore Bohranlagen
Es gibt vier Hauptgruppen von Offshore Bohranlagen, die im Folgenden genauer
beschrieben werden.
Hubplattform
Der aus einem, dreieckigen, schwimmfähigen Grundkörper bestehende Bohrplatz,
der auch als Jackup Rig bekannt ist, besitzt an jeder der drei Ecken Gittermasten,
Offshore Bohranlagen
9
die der Abstützung auf dem Meeresgrund dienen. Die Gittermasten werden während der Arbeiten in die Höhe gefahren, so dass die Wellen den Bohrplatz nicht
berühren und die Anlage vor Seegang geschützt ist. Dieser Vorrichtung verdankt
die Anlage ihren Namen. Natürlich besitzt die Anlage einen Bohrturm, der auf der
Arbeitsbühne steht, die auf einer der Seiten etwas herausragt. Die Bohrung kann
deshalb direkt vom Turm ins Meer ausgeführt werden. Nach den Bohrungen werden die Gittermasten eingezogen, so dass der Grunkörper auf dem Wasser aufliegt
und zum nächsten Bohrpunkt gelangen kann. Da die Gittermasten beim Einziehen
nicht unendlich in die Höhe reichen können, werden Hubplattformen nur in geringen Wassertiefen eingesetzt.
Bohrinsel
Um auch in tieferen Gewässern bohren zu können, werden Anlagen eingesetzt, die
einmal am Bohrpunkt installiert wurden nicht mehr entfernt werden können. Diese
Anlage können nur eingestzt werden, wenn man mit Bestimmheit weiß, dass man
aus der Lagerstätte viel Rohstoff fördern kann. Solche Bohrinseln haben massive,
kaum bewegliche Unterbauten aus Stahl oder Beton, die mit bestimmten Vorrichtungen fest im Meeresgrund verankert sind. Einige Hundert dieser Bohrinseln findet sehr häufig in der Nordsee. So auch das deutsche Exemplar, die Mittelplate,
welche die einzige von Deutschland betriebene Bohrinsel ist.
Halbtaucher
Aufgrund der hohen Kosten für eine massive Einrichtung bei noch größeren Meerestiefern, werden diese, auch Semi Submersible genannten, Halbtaucher benutzt.
10
Denise Umoh
Diese Bohranlage steht meist auf sechs Beinen, welche nochmal auf
zwei
schwimmfähigen Stegen befestigt sind. Diese Stege verleihen der Anlage den nötigen Antrieb und werden zum Transport abgepumpt. Nach dem Abpumpen ragt
die Anlage dann auf ihren Beinen aus dem Wasser. So hat das Wasser eine geringere Widerstandsfläche. Auf diese Weise kann die Anlage jetzt, durch Eigenantrieb oder durch einen Schlepper in die gewünschte Position gebracht werden.
Dann werden die Stege wieder mit Wasser geflutet, bis die Anlage ihre semi submersible (halb im Wasser eingtaucht) Lage einimmt.So ist sie Wasserbewegungen
gegenüber relativ stabil. Der Halbtaucher wird auch in flachen Gewässern für Erkundungsbohrungen eingesetzt.
Bohrschiff
Es gibt auch Schiffe auf denen eine gesamte Bohranlage angebracht ist. Diese
Schiffe werden für Forschungsbohrungen eingesetzt, da sie sehr mobil und flexibel sind. Da ein Schiff nicht genügend Platz für einen riesigen Bohrturm aufweisen kann, wie zum Beispiel ein Halbtaucher, wird ein Bohrschiff meist zum Abteufen von Bohrkernen aus dem Meeresgrund benutzt. So konnte herausgefunden
werden, dass sich die Kontinente in verschiedene Richtungen bewegen.
References
Offshore Bohranlagen
11
-Alliquander, Ö. (1968) Das moderne Rotarybohren, 2. Aufl., VEB Deutscher Verlag für
Grundstoffindustrie Leipzig
-Düring, P.-H. (1982) Geologische Bohrungen II, Bohrtechnische Maschinen und Ausrüstung, 1.Aufl., VEB Deutscher Verlag für Grundstoffindustrie Leipzig
-Geisler, H.-J. et al. (1987) Handbuch Tiefbohrtechnik, VEB Kombinat Erdöl-Erdgas
Gommern
-Burleston, C.W (1999) Deep Challenge - The true epic story of our quest for energy
beneath the sea, Gulf Publishing Company Houston, Texas
-Reich, M. (2008) Skript Offshore Bohranlagen, unveröff., TUBAF WS 08/09
-Reich, M. (2008) Präsentation Offshore Drilling – Bohrtürme im Meer, unveröff., TUBAF
23.06.2008
-http://www.wikipedia.de
-Film: Planet Wissen
12
Denise Umoh