Thema zuletzt überprüft: 10 April 2013
Sektoren: Upstream

Die auf Offshore-Bohrinseln benötigte Energie wird normalerweise von Dieselmotoren geliefert. Typischerweise verwenden diese Motoren 20-30 m3 Dieselkraftstoff pro Tag, abhängig von den durchgeführten Operationen. Es können verschiedene Maßnahmen ergriffen werden, um den Energieverbrauch, die verbrannte Dieselmenge und die Emissionen in die Luft zu reduzieren. Maßnahmen zur Reduzierung des Energieverbrauchs können in zwei Kategorien unterteilt werden:

1. Reduzierung des Energiebedarfs auf dem Bohrgerät
2. Verbesserung des Energiemanagementsystems

Um den Energiebedarf auf dem Bohrgerät zu senken, ist es wichtig, die Bohrvorgänge gut zu planen. Ein effizienter Bohrprozess führt zu einem geringeren Kraftstoffverbrauch pro gebohrtem Fuß und damit zu weniger Emissionen. Automatische Schlammmischsysteme, wie sie im Valhall-Komplex in der Nordsee implementiert sind, reduzieren kostspielige Mischfehler, die Exposition gegenüber gefährlichen Stoffen und übermäßige Emissionen (Referenz 4). Eine sorgfältige Planung durch Bohringenieure und Logistikpersonal kann Ausfallzeiten reduzieren und zu einem effizienteren Bohrprozess führen. Die Integration eines ferngesteuerten rotierenden und hebenden Zementkopfes mit Top-Drive-Gehäusebetrieb reduziert die Rüstzeit der Ausrüstung, was zu einer kürzeren Übergangszeit zwischen Gehäusebetrieb und Zementierungsvorgängen führt (Referenz 5). Schließlich kann ein zuverlässigkeitsorientiertes Wartungsprogramm (Reliability-Centered Maintenance, RCM) auch die Ausfallzeiten des Bohrgeräts reduzieren, die Sicherheit verbessern und eine bessere Kapitalrendite erzielen. Zum Beispiel hat Enscos RCM zu einer Kapitalrendite von 63% geführt (Referenz 2).

Das Design der Bohranlage ist ebenfalls wichtig. Gut gestaltete Arbeitsbereiche und Wohnräume reduzieren den Heiz- und Kühlbedarf und sind besonders wichtig in rauen, kalten Umgebungen, in denen der Heizbedarf normalerweise groß ist. Rumpfform und Oberseitenentwurf der Ölplattform schaffen Windwiderstand. Wenn dieser Windwiderstand reduziert werden kann, kann der Energieverbrauch reduziert werden.

Ein wichtiger Faktor, der den Energieverbrauch einer Offshore-Bohranlage beeinflusst, ist die Positionierung der Bohranlage. Vertäute Schiffe haben im Vergleich zu dynamisch positionierten (DP) Schiffen einen weitaus geringeren Energieverbrauch, da die Motoren auf DP-Schiffen Energie zum Positionieren des Bohrgeräts verwenden. ABB, ein britischer Hersteller von Energie- und Automatisierungstechnologien, hat das Azipod®—Antriebssystem entwickelt – ein Podded Azimut Thruster-System, das aus einem Elektromotor mit variabler Drehzahl besteht, der einen Festpropeller in einer außerhalb des Schiffsrumpfes eingetauchten Hülse antreibt. Der Azipod® kann den Antriebsenergiebedarf im Vergleich zu herkömmlichen mechanischen Azimutstrahlruderlösungen um 10-20% reduzieren (Referenz 3).

Die Wahl des Hebekompensationssystems hat auch Auswirkungen auf den Energieverbrauch. Die Verwendung von Active Heave Drawworks (AHD), einer vollelektrischen Lösung, hat einen anderen Energiebedarf als die Zylinderplattformlösung oder der herkömmliche kronenmontierte Kompensator (CMC), da diese Kompensationssysteme auf unterschiedlichen Kombinationen von hydraulischen und elektrischen Geräten beruhen. Die Hauptvorteile von hydraulischen Anlagen sind das Verhältnis von Leistung zu Größe der Aktuatoren und ihre Energiespeicherfähigkeit; Hydraulische Anlagen sind kleiner und leichter als ihr elektrisches Äquivalent, während die in hydraulischen Systemen verwendeten Gasspeicher temporäre Energiefluktuationen kostengünstig speichern und bei Stromausfall weiterarbeiten. Die Nachteile von Hydraulikgeräten sind die Notwendigkeit eines großen und schweren Hydraulikaggregats (HPU), das zur Stromversorgung der Geräte erforderlich ist, und die Temperaturabhängigkeit des Systems. Die Platzierung der HPU auf dem Rigg kann insbesondere für Floater problematisch sein. Die Eigenschaften der Hydraulikflüssigkeit variieren mit der Temperatur und können sich auf die Gesamtleistung des Systems auswirken. Auf der anderen Seite beträgt der Gesamtwirkungsgrad elektrischer Systeme 85-90% im Vergleich zu ungefähr 70% für ein hydraulisches System (Referenz 1). Dieser erhöhte Wirkungsgrad macht elektrische Energie zur bevorzugten Option für Hochleistungsgeräte. Elektrische Systeme ermöglichen auch eine genaue Steuerung von Drehmoment und Drehzahl und eliminieren die Umweltgefährdung durch Hydraulikflüssigkeitslecks. Die Hauptbeschränkung für das elektrische System ist die Energiespeicherung, die typischerweise in Form von großen und schweren Batterien vorliegt.

Das CMC-System verwendet einen Standard-Bohrturm und Standard-Ziehwerke mit einem hydraulisch kompensierten System, das oben auf dem Bohrturm installiert ist. Dieses System fügt der Derrick-Struktur die geringste Belastung zu, weist jedoch eine begrenzte Hebekompensationsfähigkeit auf. Seine kopflastige Gewichtsverteilung kann die Stabilität des Schiffes beeinträchtigen und die Tragfähigkeit des Decks verringern. Der CMC wird im Vergleich zu anderen Hebekompensationssystemen einen weitaus geringeren Energieverbrauch haben, wenn er in rauen Bereichen eingesetzt wird. Ein Diagramm eines CMC-Systems ist unten dargestellt.

Abbildung 1: Der an der Shaffer-Krone montierte Kompensator (aus Referenz 7)

Die Zylinder-Rig-Lösung ersetzt den Bohrturm durch einen Mast und die Ziehwerke durch Hydraulikzylinder. Diese Konfiguration senkt den Schwerpunkt der Anlage und verringert das Gewicht des Turms. Die Hebekompensationsfähigkeit ist durch die Konstruktion des Ausgleichszylinders begrenzt. Obwohl für den Betrieb des Systems eine schwere HPU erforderlich ist, verbessert die typische Platzierung der HPU unter dem Bohrgeräteboden die Stabilität des Bohrgeräts, indem der Schwerpunkt abgesenkt wird. Die Verwendung mehrerer Zylinder und Drähte bietet Redundanz im Fehlerfall. Der Ersatz von Ziehwerken durch Zylinder beseitigt einen Großteil des Lärms auf dem Bohrboden.

Das AHD-System verwendet ebenfalls einen Standard-Bohrturm, jedoch mit vollelektronischer Steuerung der Ziehwerke zur Hebekompensation. Wechselstrommotoren sorgen für eine genaue Steuerung der Ziehwerke mit einer typischen Kompensationsgenauigkeit von weniger als 2%. Die durch Bremsen erzeugte regenerative Leistung kann zur Verwendung durch andere Geräte in die Anlage zurückgespeist werden. Wie die Cylinder Rig-Lösung hat das AHD-Design einen niedrigeren Schwerpunkt als CMC-Systeme, aber ein geringeres Gewicht als sowohl das Cylinder Rig als auch das CMC-System. Die Hebekompensation ist nicht wie bei den anderen Systemen begrenzt. Der Hauptnachteil von AHD-Systemen ist die Verwendung von wechselstrombetriebenen Ziehwerken, die in einer begrenzten Arbeitsumgebung laut sein können.

Durch den Einsatz von Power-Management-Systemen und die Anwendung einer Power-Load-Philosophie kann eine erhöhte Flexibilität bei der Energieerzeugung auf der Anlage erreicht werden. Hier wäre beabsichtigt, die Generatoren mit der richtigen Last zu betreiben, anstatt alle Generatoren im Leerlauf zu betreiben. Um dies zu ermöglichen, kann ein Mix aus verschiedenen Leistungsabgaben (Größen) von Generatoren verwendet werden; alternativ kann der Betrieb der meisten Generatoren mit optimaler Last und ein oder zwei Generatoren mit variabler Last eine Lösung sein. Einfache Stromverteilungssysteme können die Häufigkeit von Stromausfällen reduzieren, indem sie die Anzahl der Zuweisungssysteme und Kreuzungsverbindungen reduzieren. Wo Systemkomponenten weniger und leistungsfähiger sind, werden Produktions- und Instandhaltungskosten verringert, und der Geräteraum hat einen kleineren Abdruck auf der Anlage.

Wärmerückgewinnungssysteme zur Wärmerückgewinnung aus Abgasen können anstelle der Wärmeerzeugung aus Dampfkesseln, Thermoölkesseln oder elektrischen Heizgeräten eingesetzt werden. Dies wird auch dazu dienen, den Energieverbrauch zu senken.

Technologischer Reifegrad

Wichtige Kennzahlen

Entscheidungstreiber

Betriebliche Probleme / Risiken

Gefahrenanalysen sollten immer durchgeführt werden

Chancen / Business Case

• Effiziente Bohrarbeiten und Bohrlochplanungsprogramme tragen zur Lieferung von Bohrlöchern in kürzerer Zeit und mit geringerem Energieverbrauch bei und senken so die Gesamtbetriebskosten.
• Reduzierter Kraftstoffverbrauch kann zu einer Verringerung der Treibhausgasemissionen führen
• Möglichkeit zur Lärmminderung

Industriefallstudien

Simulation eines schwungradbasierten Energiespeichersystems für Offshore-Bohrungen (Referenz 6)

Eine detaillierte Simulation eines Hebeausgleichswerks basierend auf einem tatsächlichen HITEC AHC-1000 ® drawworks und ein mathematisches Modell der Schwungraddynamik wurde verwendet, um die erwartete Leistung eines großen schwungradbasierten Energiespeichersystems zu analysieren. Der Kraftstoffverbrauch basierte auf den Eigenschaften eines Caterpillar-Dieselaggregats. Die Simulation wurde mit Simulink in Verbindung mit Matlab (einem grafischen Programmiersprachenwerkzeug für den Datenfluss) durchgeführt. Die Simulation zeigte eine Reduzierung des durchschnittlichen Strombedarfs um bis zu 75% und der Spitzenleistung um bis zu 90%. Die Power-Routing-Topologie und die simulierten Lastprofile sind unten dargestellt.

Abbildung 2: Power-Routing-Topologie

Abbildung 3: Simulierte Lastprofile

1. Tapjan, R. und Kverneland, Hege. (2010). ‚Hydraulische vs elektrische rig Designs: vor- und Nachteile von Floater-Heave-Kompensationssystemen. Bohrunternehmen (Website): The Efficient Rig, 8. September 2010.
2. Liou, J. (2012). Das zuverlässigkeitsorientierte Wartungsprogramm reduziert Ausfallzeiten und führt zu einem ROI von 63%. Bohrunternehmen (Website): The Efficient Rig, 7. Mai 2012.
3. Langley, D. (2011). ‚Shedding light on electrical simplicity‘. Bohrunternehmen (Webseite): The Efficient Rig, 21.September 2011.
4. Gunnerod, J., Serra, S., Palacios-Ticas, M. und Kvarne, O. (2009). ‚In hohem Grade automatisiertes Spülflüssigkeitssystem verbessert HSE und Leistungsfähigkeit, verringert Personalbedarf‘. Drilling Contractor (Webseite): Drilling It Safely, 17. Januar 2009.
5. Cummins, T. (2011). ‚Modifizierte Zementkopf schneidet Rig-up Zeit, Risiken‘. Bohrunternehmen (Webseite): The Efficient Rig, 21.September 2011.
6. Williams, K.R. und de Jone, H.J. ‚Hybrid Heave drilling technology reduziert Emissionen, Betriebskosten für Offshore-Bohrungen‘. Bohrunternehmer, September / Oktober 2009, S. 52-60.
7. Nationale Ölquelle Varco (Webseite)
8. Transocean (Webseite): Sedco Express