Ölbohrung

PlanungBearbeiten

Bevor eine Bohrung niedergebracht wird, wird von einem Geologen oder Geophysiker ein geologisches Ziel bestimmt, das den Zielen der Bohrung entspricht.

• Für eine Produktionsbohrung wird das Ziel ausgewählt, um die Produktion aus der Bohrung zu optimieren und die Entwässerung des Reservoirs zu steuern.
• Für eine Explorations- oder Abschätzungsbohrung wird das Ziel ausgewählt, um die Existenz eines lebensfähigen Kohlenwasserstoffreservoirs zu bestätigen oder dessen Ausmaß zu erfahren.
• Bei einer Injektionsbohrung wird das Ziel so gewählt, dass der Injektionspunkt in einer durchlässigen Zone liegt, was die Ableitung von Wasser oder Gas und/oder die Förderung von Kohlenwasserstoffen in nahe gelegene Produktionsbohrungen unterstützen kann.

Das Ziel (der Endpunkt der Bohrung) wird mit einem Standort an der Oberfläche (dem Startpunkt der Bohrung) abgeglichen, und es wird eine Trajektorie zwischen den beiden entworfen. Bei der Planung des Bohrpfades sind zahlreiche Überlegungen anzustellen, wie z. B. der Abstand zu benachbarten Bohrungen (Antikollision) oder die Frage, ob diese Bohrung künftigen Bohrungen im Wege steht, die Vermeidung von Verwerfungen, wenn möglich, und die Tatsache, dass bestimmte Formationen bei bestimmten Neigungen oder Azimuten leichter/schwieriger zu bohren sind.

Wenn der Bohrpfad festgelegt ist, entwickelt ein Team von Geowissenschaftlern und Ingenieuren eine Reihe von vermuteten Eigenschaften des Untergrundes, durch den gebohrt werden soll, um das Ziel zu erreichen. Zu diesen Eigenschaften gehören Porendruck, Bruchgradient, Bohrlochstabilität, Porosität, Durchlässigkeit, Lithologie, Verwerfungen und Tongehalt. Auf der Grundlage dieser Annahmen entwirft ein Team von Bohrlochingenieuren die Verrohrung und die Fertigstellung des Bohrlochs und führt dann die Detailplanung durch, bei der beispielsweise die Bohrkronen ausgewählt werden, ein BHA konstruiert wird, die Bohrspülung ausgewählt wird und Schritt-für-Schritt-Verfahren geschrieben werden, um Anweisungen für die sichere und kosteneffiziente Durchführung des Bohrlochs zu geben.

Da viele Elemente eines Bohrlochentwurfs ineinandergreifen und eine Änderung an einem Element sich auf viele andere Dinge auswirkt, durchlaufen Bahnen und Entwürfe oft mehrere Iterationen, bevor ein Plan fertiggestellt wird.

DrillingEdit

Ein kommentiertes Schema einer Ölquelle während einer Bohrphase

Die Bohrung wird durch das Bohren eines Lochs mit einem Durchmesser von 12 cm bis 1 Meter in die Erde mit einem Bohrturm erstellt, der einen Bohrstrang mit einem Bohrer rotieren lässt. Nachdem das Loch gebohrt wurde, werden Stahlrohrstücke (Verrohrung), die einen etwas kleineren Durchmesser als das Bohrloch haben, in das Loch eingesetzt. Zwischen der Außenseite der Verrohrung und dem Bohrloch kann Zement eingebracht werden, der so genannte Ringraum. Die Verrohrung sorgt für die strukturelle Integrität des neu gebohrten Bohrlochs und isoliert potenziell gefährliche Hochdruckzonen voneinander und von der Oberfläche.

Wenn diese Zonen sicher isoliert und die Formation durch die Verrohrung geschützt ist, kann das Bohrloch mit einem kleineren Bohrer tiefer gebohrt werden (in potenziell instabilere und gewalttätigere Formationen) und auch mit einer kleineren Verrohrung. Moderne Bohrlöcher haben oft zwei bis fünf Sätze von aufeinanderfolgenden kleineren Bohrlöchern, die ineinander gebohrt und jeweils mit einer Verrohrung zementiert werden.

Zum Bohren des Bohrlochs

Bohrlochverrohrung

• Der Bohrmeißel schneidet sich mit Hilfe des Gewichts des darüber liegenden Bohrstrangs in das Gestein. Es gibt verschiedene Arten von Bohrmeißeln; einige bewirken, dass das Gestein durch Druckversagen zerfällt, während andere das Gestein bei der Drehung des Meißels abscheren.
• Bohrspülung, auch „Mud“ genannt, wird in das Innere des Bohrgestänges gepumpt und tritt am Bohrmeißel aus. Die Hauptbestandteile der Bohrspülung sind in der Regel Wasser und Ton, aber sie enthält auch ein komplexes Gemisch aus Flüssigkeiten, Feststoffen und Chemikalien, die sorgfältig aufeinander abgestimmt werden müssen, um die richtigen physikalischen und chemischen Eigenschaften zu erhalten, die für ein sicheres Bohren des Bohrlochs erforderlich sind. Zu den besonderen Funktionen der Bohrspülung gehören die Kühlung des Meißels, die Förderung von Gesteinsabfällen an die Oberfläche, die Verhinderung der Destabilisierung des Gesteins in den Bohrlochwänden und die Überwindung des Drucks von Flüssigkeiten im Gestein, damit diese nicht in das Bohrloch gelangen. Einige Ölbohrungen werden mit Luft oder Schaum als Bohrspülung gebohrt.

Mud Log in-Verfahren, eine gängige Methode zur Untersuchung der Lithologie bei Ölbohrungen

• Das entstehende Gesteins-„Bohrklein“ wird von der Bohrspülung aufgesaugt, wenn sie außerhalb des Bohrgestänges zurück an die Oberfläche zirkuliert. Die Spülung durchläuft dann „Rüttler“, die das Bohrklein von der guten Flüssigkeit trennen, die in die Grube zurückgeführt wird. Die Beobachtung von Anomalien im zurückfließenden Bohrklein und die Überwachung des Grubenvolumens oder der Rücklaufgeschwindigkeit der Bohrspülung sind unerlässlich, um „Kicks“ frühzeitig zu erkennen. Ein „Kick“ liegt vor, wenn der Formationsdruck in der Tiefe des Meißels höher ist als der hydrostatische Druck der darüber befindlichen Bohrspülung. Wenn dies nicht vorübergehend durch Schließen der Blowout-Preventer und letztlich durch Erhöhung der Dichte der Bohrspülung kontrolliert wird, können Formationsflüssigkeiten und Bohrspülung unkontrolliert durch den Ringraum aufsteigen.
• Das Rohr oder der Bohrstrang, an dem der Meißel befestigt ist, wird mit zunehmender Tiefe des Bohrlochs allmählich verlängert, indem zusätzliche 9 m lange Rohrabschnitte oder „Muffen“ unter dem Kelly oder Topdrive an der Oberfläche eingeschraubt werden. Dieser Vorgang wird als Verbindungsherstellung bezeichnet. Der Vorgang, der als „Tripping“ bezeichnet wird, ist das Herausziehen des Bohrers aus dem Loch, um den Bohrer zu ersetzen (Tripping Out), und das Wiedereinfahren mit einem neuen Bohrer (Tripping In). Für ein effizienteres Auslösen beim Herausziehen aus dem Loch können Verbindungen kombiniert werden, indem Ständer aus mehreren Verbindungen gebildet werden. Bei einer konventionellen Dreifachbohrung würden beispielsweise drei Muffen gleichzeitig aus dem Bohrloch gezogen und im Bohrturm gestapelt werden. Viele moderne Bohranlagen, so genannte „Super-Singles“, ziehen das Rohr einzeln heraus und legen es dabei auf Gestellen aus.

Dieser Prozess wird durch eine Bohranlage erleichtert, die alle erforderlichen Geräte enthält, um die Bohrspülung umzuwälzen, das Rohr zu heben und zu drehen, das Bohrloch zu kontrollieren, das Bohrklein aus der Bohrspülung zu entfernen und vor Ort Strom für diese Vorgänge zu erzeugen.

FertigstellungBearbeiten

Moderne Bohranlage in Argentinien

Nach dem Bohren und Verrohren der Bohrung muss diese „fertiggestellt“ werden.

Bei der Verrohrung werden kleine Löcher, so genannte Perforationen, in den Teil der Verrohrung gebohrt, der die Förderzone durchquert hat, damit das Öl aus dem umgebenden Gestein in die Förderrohre fließen kann. Bei der Fertigstellung von offenen Bohrlöchern werden in dem zuletzt gebohrten, unverrohrten Abschnitt der Lagerstätte häufig „Sandfilter“ oder ein „Kiespaket“ installiert. Damit wird die strukturelle Integrität des Bohrlochs ohne Verrohrung aufrechterhalten, während gleichzeitig der Durchfluss aus der Lagerstätte in das Bohrloch ermöglicht wird. Siebe kontrollieren auch die Migration von Formationssanden in die Förderrohre und die Ausrüstung an der Oberfläche, was zu Auswaschungen und anderen Problemen führen kann, insbesondere bei unverfestigten Sandformationen in Offshore-Feldern.

Nachdem ein Fließweg geschaffen wurde, können Säuren und Frac-Flüssigkeiten in das Bohrloch gepumpt werden, um das Lagerstättengestein aufzubrechen, zu reinigen oder anderweitig vorzubereiten und zu stimulieren, um Kohlenwasserstoffe optimal in das Bohrloch zu fördern. Schließlich wird der Bereich oberhalb des Reservoirteils des Bohrlochs innerhalb der Verrohrung abgeschottet und über ein Rohr mit kleinerem Durchmesser, das so genannte Tubing, mit der Oberfläche verbunden. Diese Anordnung bietet eine redundante Barriere gegen das Austreten von Kohlenwasserstoffen und ermöglicht es, beschädigte Abschnitte zu ersetzen. Außerdem werden durch den kleineren Querschnitt der Rohre die Lagerstättenflüssigkeiten mit einer höheren Geschwindigkeit gefördert, um den Flüssigkeitsrückfluss zu minimieren, der einen zusätzlichen Gegendruck erzeugen würde, und das Gehäuse wird vor korrosiven Bohrlochflüssigkeiten geschützt.

In vielen Bohrlöchern ist der natürliche Druck der unterirdischen Lagerstätte hoch genug, damit das Öl oder Gas an die Oberfläche fließen kann. Dies ist jedoch nicht immer der Fall, insbesondere in erschöpften Feldern, in denen der Druck durch andere produzierende Bohrungen gesenkt wurde, oder in Öllagerstätten mit geringer Durchlässigkeit. Die Installation von Rohren mit kleinerem Durchmesser kann ausreichen, um die Produktion zu steigern, aber es können auch künstliche Hebemethoden erforderlich sein. Zu den gängigen Lösungen gehören Pumpen im Bohrloch, Gaslift oder Pumpenheber an der Oberfläche. In den letzten zehn Jahren wurden viele neue Systeme für die Fertigstellung von Bohrungen eingeführt. Mehrere Packersysteme mit Frac-Ports oder Port-Collars in einem einzigen System haben die Fertigstellungskosten gesenkt und die Produktion verbessert, insbesondere bei horizontalen Bohrungen. Diese neuen Systeme ermöglichen es, die Verrohrung bis in die seitliche Zone zu führen, wobei die richtige Platzierung der Packer/Frac Ports für eine optimale Kohlenwasserstoffgewinnung sorgt.

ProductionEdit

Ein Schema einer typischen Ölquelle, die mit einem Pumpjack gefördert wird, der dazu dient, das verbleibende förderbare Öl zu fördern, nachdem der natürliche Druck nicht mehr ausreicht, um das Öl an die Oberfläche zu befördern

Die Förderphase ist die wichtigste Phase im Leben eines Bohrlochs; wenn das Öl und Gas gefördert wird. Zu diesem Zeitpunkt haben sich die Bohrinseln und Workover-Anlagen, die zum Bohren und zur Fertigstellung des Bohrlochs eingesetzt wurden, aus dem Bohrloch entfernt, und der Bohrlochkopf ist in der Regel mit einer Reihe von Ventilen ausgestattet, die als Weihnachtsbaum oder Produktionsbaum bezeichnet werden. Diese Ventile regulieren den Druck, steuern den Durchfluss und ermöglichen den Zugang zum Bohrloch, falls weitere Arbeiten zur Fertigstellung erforderlich sind. Vom Auslassventil des Förderbaums kann der Durchfluss an ein Verteilernetz von Pipelines und Tanks angeschlossen werden, um das Produkt an Raffinerien, Erdgasverdichterstationen oder Ölexportterminals zu liefern.

Solange der Druck in der Lagerstätte hoch genug ist, ist der Förderbaum alles, was für die Förderung der Bohrung erforderlich ist.

Workover sind oft bei älteren Bohrungen notwendig, die einen kleineren Rohrdurchmesser, die Entfernung von Kesselstein oder Paraffin, Arbeiten an der sauren Matrix oder die Fertigstellung neuer interessanter Zonen in einer flacheren Lagerstätte erfordern. Solche Sanierungsarbeiten können mit Hilfe von Workover-Rigs – auch bekannt als Pulling Units, Completion Rigs oder „Service Rigs“ – durchgeführt werden, um Rohre zu ziehen und auszutauschen, oder durch den Einsatz von Bohrloch-Interventionstechniken unter Verwendung von Coiled Tubing. Je nach Art des Hebesystems und des Bohrlochkopfes kann ein Rod Rig oder Flushby verwendet werden, um eine Pumpe auszutauschen, ohne das Rohr zu ziehen.

Verbesserte Fördermethoden wie Wasserfluten, Dampffluten oder CO2-Fluten können eingesetzt werden, um den Druck in der Lagerstätte zu erhöhen und einen „Sweep“-Effekt zu erzielen, der die Kohlenwasserstoffe aus der Lagerstätte drückt. Solche Methoden erfordern den Einsatz von Injektionsbohrungen (die oft nach einem sorgfältig festgelegten Muster aus alten Produktionsbohrungen ausgewählt werden) und werden bei Problemen mit dem Druckverlust in der Lagerstätte oder einer hohen Ölviskosität eingesetzt oder können sogar schon zu Beginn der Lebensdauer eines Feldes angewendet werden. In bestimmten Fällen – abhängig von der Geomechanik der Lagerstätte – können Lagerstättentechniker feststellen, dass das letztlich förderbare Öl durch die Anwendung einer Waterflooding-Strategie zu einem frühen Zeitpunkt in der Entwicklung des Feldes anstatt zu einem späteren Zeitpunkt erhöht werden kann. Solche verbesserten Fördertechniken werden oft als „tertiäre Förderung“ bezeichnet.

AbbruchBearbeiten

Eine Bohrung erreicht eine „wirtschaftliche Grenze“, wenn ihre effizienteste Förderrate die Betriebskosten, einschließlich Steuern, nicht deckt.

Die wirtschaftliche Grenze für Öl- und Gasbohrungen lässt sich mit diesen Formeln ausdrücken:

E L o i l = W I × L O E N R I × ( 1 – T ) {\displaystyle {EL}_{oil}={\frac {{WI}\mal {LOE}}{{NRI}\mal (1-{T})}}

Gasfelder:
E L g a s = W I × L O E N R I × ( 1 – T ) {\displaystyle {EL}_{gas}={\frac {{WI}\Zeiten {LOE}}{{NRI}\Zeiten (1-{T})}}

Wo:
E L o i l {\displaystyle {EL}_{oil}}

ist die wirtschaftliche Grenze einer Ölquelle in Ölfässern pro Monat (bbls/Monat).
E L g a s {\displaystyle {EL}_{gas}}

is a gas well’s economic limit in thousand standard cubic feet per month (MSCF/month).
P o , P g {\displaystyle {P}_{o},{P}_{g}}

are the current prices of oil and gas in dollars per barrels and dollars per MSCF respectively.
L O E {\displaystyle {LOE}}

is the lease operating expenses in dollars per well per month.
W I {\displaystyle {WI}}

working interest, as a fraction.
N R I {\displaystyle {NRI}}

net revenue interest, as a fraction.
G O R {\displaystyle {GOR}}

gas/oil ratio as SCF/bbl.
Y {\displaystyle {Y}}

condensate yield as barrel/million standard cubic feet.
T {\displaystyle {T}}

Produktions- und Abfindungssteuern, als Bruchteil.

Wenn die Wirtschaftlichkeitsgrenze angehoben wird, verkürzt sich die Lebensdauer der Bohrung und nachgewiesene Ölreserven gehen verloren. Umgekehrt wird die Lebensdauer des Bohrlochs verlängert, wenn die Wirtschaftlichkeitsgrenze gesenkt wird.

Wenn die Wirtschaftlichkeitsgrenze erreicht ist, wird das Bohrloch zu einer Belastung und wird aufgegeben. Einige aufgegebene Bohrungen werden anschließend verschlossen und der Standort wird saniert; die Kosten für solche Maßnahmen können jedoch in die Millionen Dollar gehen. Bei diesem Verfahren werden die Rohre aus dem Bohrloch entfernt und Teile des Bohrlochs mit Beton gefüllt, um den Fließweg zwischen Gas- und Wasserzonen voneinander und von der Oberfläche zu isolieren. Anschließend wird die Oberfläche um den Bohrlochkopf herum ausgehoben, der Bohrlochkopf und die Verrohrung abgeschnitten, eine Kappe aufgeschweißt und dann vergraben.

An der wirtschaftlichen Grenze befindet sich oft noch eine erhebliche Menge an nicht förderbarem Öl in der Lagerstätte. Es könnte verlockend sein, die physische Aufgabe der Lagerstätte über einen längeren Zeitraum aufzuschieben, in der Hoffnung, dass der Ölpreis steigt oder dass neue zusätzliche Fördertechniken perfektioniert werden. In diesen Fällen werden vorübergehend Stopfen im Bohrloch angebracht und Schlösser am Bohrlochkopf angebracht, um Manipulationen zu verhindern. In ganz Nordamerika gibt es Tausende von „aufgegebenen“ Bohrlöchern, die darauf warten, wie sich der Markt entwickelt, bevor sie endgültig aufgegeben werden. Theoretisch kann ein aufgegebenes Bohrloch wieder in Betrieb genommen werden (oder auf Injektionsbetrieb umgestellt werden, um zusätzliche Kohlenwasserstoffe zu gewinnen oder im Bohrloch zu speichern), doch erweist sich der Wiedereinstieg oft als mechanisch schwierig und teuer. Bisher wurden Elastomer- und Zementpfropfen mit unterschiedlichem Erfolg und Zuverlässigkeit eingesetzt. Im Laufe der Zeit können sie sich aufgrund der Materialien, aus denen sie hergestellt werden, verschlechtern, insbesondere in korrosiven Umgebungen. Herkömmliche Brückenpfropfen haben außerdem ein sehr geringes Ausdehnungsverhältnis, was ihre Verwendung in Bohrlöchern mit Einschränkungen einschränkt. Alternativ dazu haben Stopfen mit hohem Ausdehnungsverhältnis, wie z. B. aufblasbare Packer, nicht die für viele Bohrlochabbrüche erforderliche Differenzdruckfähigkeit und bieten auch keine gasdichte Abdichtung. Es wurden neue Werkzeuge entwickelt, die den Wiedereinstieg erleichtern. Diese Werkzeuge bieten höhere Expansionsraten als herkömmliche Brückenstopfen und höhere Differenzdruckwerte als aufblasbare Packer und bieten gleichzeitig eine gasdichte Abdichtung mit V0-Einstufung, die Zement nicht bieten kann.