Da die Offshore-Erdölexploration und -produktion neue Wege zur Steigerung der Betriebseffizienz und zur Verbesserung der Gewinnung von Erdöllagerstätten erfordert, wird die Glasfasertechnik genauer unter die Lupe genommen. Glasfasern sind dafür bekannt, höhere Datenraten über größere Entfernungen zu übertragen als Kupferkabel. Da Offshore-Bohrungen immer weiter in tiefere Gewässer und tiefere Bohrlöcher vordringen, streben die Betreiber nach Echtzeitinformationen und -analysen sowohl für das einzelne Bohrloch als auch für die gesamte Produktionskette vom Bohrloch bis zur Lieferung an die Erdoberfläche oder landgestützte Plattform.
Durch die Unterwasserverarbeitung und die verstärkte Überwachung des gesamten Systems werden mehr Daten generiert, was die hohe Bandbreite und die längeren Übertragungsentfernungen von Glasfasern attraktiver macht. Je mehr Informationen im gesamten System gesammelt werden können, desto ausgefeilter wird die Analyse. Die Daten ermöglichen nicht nur ein klares Echtzeitbild der aktuellen Bedingungen, sondern bilden auch die Grundlage für anspruchsvolle Vorhersagemodelle.
Über die Effizienzsteigerung des Betriebs hinaus tragen solche Überwachungs- und Analysefunktionen dazu bei, dass Unternehmen ihre Kapitalrendite steigern. Die Installation eines Glasfasersystems kann in der Regel teurer sein als die Installation eines elektrischen Gegenstücks, aber die hohen Anfangskosten werden durch die Einsparungen durch langfristige Produktionseffizienzen ausgeglichen.
Unternehmen stellen fest, dass sich höhere betriebliche Effizienz, mehr und bessere Öl- und Gasförderung sowie ein überlegenes Ölfeldmanagement schnell amortisieren. Jede Analyse der Kosten/Nutzen von Glasfaser gegenüber Kupfer hängt von der spezifischen Anwendung und dem Ölfeld ab. Wirtschaftliche Rückmeldungen von Betreibern sind willkommene Informationen, werden jedoch selten gegeben, um die Vertraulichkeit der Betriebsabläufe zu schützen.
Passive faserbasierte Sensorik
Auch für die permanente Überwachung und Erfassung von Temperaturen, Drücken und anderen Daten werden optische Fasern immer attraktiver.
Optische Fasern eignen sich hervorragend für die Schaffung verteilter Sensorsysteme. In diesem Fall ist die Faser selbst der Sensor. Druck- oder Temperaturänderungen verändern das Rückstreuprofil und ermöglichen hochpräzise Messungen durch Überwachung des rückgestreuten Lichts. Da die Lichtgeschwindigkeit in einer Faser gut bekannt ist, liefert das zurückgestreute Licht Informationen sowohl über die Größe der Messung als auch über ihre Position entlang der Länge der Faser.
Faserbasierte verteilte Sensorik wird heute häufig in der Offshore-Öl- und Gasindustrie für verschiedene Anwendungen eingesetzt:
• Um Reservoirs zu überwachen und Bohrlochdaten abzurufen, um besser zu verstehen, was im Bohrloch passiert
• Zur Erkennung von Rohrlecks
• Zur Temperaturmessung und Verhinderung der Hydratbildung in elektrisch beheizten Rohrleitungen
• Zur Überwachung mechanischer Strukturspannungen und Temperaturen in flexiblen Steig-/Strömungsleitungen
Das Unterwassersensorsystem wird vollständig passiv, sodass die Stromversorgung elektrischer Sensoren nicht mehr erforderlich ist. Fasern können auch als akustische Sensoren bei der seismischen Erkundung eingesetzt werden.
Glasfaser ist nicht unbedingt die universelle Antwort. Bei Anwendungen zur Reservoirüberwachung beispielsweise ersetzen Glasfasersysteme nicht die herkömmlichen elektrischen Kommunikationssysteme – außer bei extremen Temperaturanforderungen von 150 °C oder mehr, bei denen kupferbasierte Sensoren nicht überlebensfähig sind. Dennoch bieten Fasersysteme zusätzliche und ergänzende Sensorfunktionen.
Trotz der Vorteile der Glasfasertechnologie in Bezug auf Informationsübertragungskapazität und Sensorik erfolgte die Einführung in der Unterwasserölförderung nicht so schnell wie in anderen Branchen. Lichtwellenleiter gelten als zerbrechlich, in Wirklichkeit sind sie aber sehr robust. Wenn die empfohlenen Installationspraktiken angewendet werden, kann das Glasfasersystem die branchenübliche Anforderung einer Mindestlebensdauer von 30 Jahren erfüllen, ohne dass eine Wartung erforderlich ist. Zuverlässigkeit ist daher gleichbedeutend, auch wenn die Ausrüstung den Umweltbedingungen im Tiefwasser, unter Wasser und im Bohrloch standhalten muss. Im Tiefwasserbereich liegen die Temperaturen typischerweise zwischen 0 und 3 °C, während die Temperaturen im Bohrloch 200 °C erreichen können.
Entwurfsziele für Tiefwassersysteme, die bis zu einer Tiefe von 15.000 Fuß eingesetzt werden, können hydrostatischen Meerwasserdrücken von 6.600 psi und Bohrlochdrücken von 20.000 psi standhalten. Glasfaser-Untersee- und Bohrlochsysteme
Eine durchgängige Glasfaserlösung vom Bohrloch bis zur Oberseite ist eine praktikable Lösung. Abbildung 1 zeigt ein typisches System. Das System auf einem Brunnen wird als „Weihnachtsbaum“ bezeichnet, da viele dieser Systeme einem Weihnachtsbaum ähneln. Weihnachtsbäume können entweder vertikal (linke Seite der Abbildung) oder horizontal (rechte Seite der Abbildung) konfiguriert werden. Bei beiden Konfigurationen bleiben die Konnektivitätsanforderungen dieselben: Was auf der rechten Seite angegeben ist, gilt auch für die linke Seite.
Aufgrund von Größen- und Gewichtsbeschränkungen erfolgt der Offshore-Einsatz von Unterwassersystemen in mehreren Schritten. Aus diesem Grund verwenden intelligente Unterwassersysteme faseroptische Sensoren, Kabel und Konnektivitätslösungen (Anschlusskästen, Dry-Mate- und Wet-Mate-Anschlüsse).Die Hauptfunktion dieser Systemkombination besteht darin, eine optische Kontinuität zwischen faseroptischen Sensoren bereitzustellen, die entweder im Bohrloch oder auf Datenerfassungssystemen am Meeresboden und an der Oberfläche installiert sind. Eine sekundäre, aber wichtigere Funktion ist die Druckeindämmung, um die Systemintegrität gegenüber äußeren rauen Umgebungen zu gewährleisten. Zur Vereinfachung der Installation sind Glasfaseranschlüsse erforderlich, um optische Verbindungen zwischen Unterwassermodulen bereitzustellen. Systeme werden häufig als separate Module eingesetzt, die auf dem Meeresboden integriert sind. Trockensteckbare Steckverbinder werden entweder innerhalb eines Moduls oder zwischen oben montierten Modulen verwendet. Sie sind nicht für die Paarung unter Wasser konzipiert, obwohl sie während der Paarung dem Unterwasserwasser und dem Druck standhalten. Wie in Abbildung 2 zu sehen ist, sind Dry-Mate-Steckverbinder den Benutzern von Rundsteckverbindern für Militär und Luft- und Raumfahrt aufgrund der Verwendung von Präzisionskeramikferrulen bekannt.
Nasssteckbare Steckverbinder können oben gesteckt werden, ihr Hauptzweck besteht jedoch darin, nach dem Einsatz durch ferngesteuerte Fahrzeuge (ROV), Taucher oder Betätigungssysteme unter Wasser verbunden zu werden. Sie ermöglichen die Verbindung von Modulen vor Ort. Nasssteckbare Steckverbinder sind im Design komplexer als trockensteckbare Steckverbinder. Sowohl für gesteckte als auch für nicht gesteckte Steckverbinder muss eine abgedichtete Schnittstelle aufrechterhalten werden, was angesichts des Tiefseedrucks eine Herausforderung darstellt.
Um die Isolierung während des gesamten Betriebs und über die gesamte Lebensdauer aufrechtzuerhalten, ist der Steckverbinder mit Öl gefüllt und druckausgeglichen. Ein Blasen- oder Kolbenmechanismus gleicht den Innendruck des Anschlusses an den Außendruck des Wassers an. Dadurch entsteht kein Differenzdruck an den Dichtungen und Abstreifern.
Im Zusammenhang mit optischen Steckverbindern stehen faseroptische Penetratoren, die entwickelt wurden, um die Dichtheit gegenüber einer externen Umgebung zu gewährleisten oder verschiedene Kammern zu trennen und gleichzeitig optische Durchführungsmöglichkeiten bereitzustellen. Penetratoren sind dafür ausgelegt, Differenzdrücken – 5.000 psi, 10.000 psi und 15.000 psi – standzuhalten, wenn sie mit dem Reservoirdruck verbunden sind.
Wenn möglich, sind Unterwassermodule druckausgeglichen, d. h. mit Flüssigkeit gefüllt, wobei die Flüssigkeit auf den gleichen Meeresdruck wie außerhalb des Moduls eingestellt wird. Dies ermöglicht dünnere Wände, geringeres Gewicht und eine höhere Zuverlässigkeit, da keine Dichtungen erforderlich sind, die Differenzdrücken standhalten. Einige Module, beispielsweise solche, die Elektronik oder andere Geräte enthalten, können einem höheren Druck als dem Atmosphärendruck nicht standhalten.
Um eine Überflutung der Module mit Wasser zu verhindern, wird daher ein faseroptischer Penetrator eingesetzt. Bei anderen Geräten wie Unterwasserpumpen und Bohrlochköpfen, die möglicherweise dem Sperrdruck des Reservoirs ausgesetzt sind, können die Druckwerte in Kombination mit hohen Temperaturen auf bis zu 15.000 psi ansteigen.
Der Penetrator erfüllt eine wichtige Funktion für die Umwelt. Ein optischer Fehler würde einen Verlust der Sensorfähigkeit bedeuten, ein mechanischer Fehler würde jedoch Flüssigkeiten aus dem Bohrloch in die Umgebung freisetzen.
Starke Kabel schützen Fasern
Während Fasern eine hohe Zugfestigkeit haben, um Längszug standzuhalten, können sie leicht brechen oder beschädigt werden, wenn sie nicht richtig geschützt werden. Daher verfügen Glasfaserkabel typischerweise über eine eigene Armierung. Während typischerweise Aramidgarn verwendet wird, erfordern robustere Designs eine metallische Armierung. Die hohen hydrostatischen Anwendungsdrücke können die Dämpfung in einer Faser erhöhen. Die folgenden drei Ansätze können verwendet werden:
Fiber in Steel Tube (FIST) – Dabei wird die Faser in einem massiven Edelstahlrohr untergebracht, um sie vor hydrostatischem Druck, hohen Temperaturen und korrosiven Umgebungen zu schützen. Bei der FIST-Verpackung handelt es sich um eine lose Röhrenkonstruktion, die mehrere Fasern aufnehmen kann, die lose in der Röhre gehalten und in Gel eingekapselt sind. Da die Fasern im Rohr „schwimmen“, ist die Länge der Faser etwas länger als das Rohr, um eine geringe Belastung zu gewährleisten. Die FIST-Technologie ist der einfachste und kostengünstigste Ansatz und hält die Belastung der Faser gering, indem sie die Belastung vom Rohr entkoppelt. Wenn sich das Kabel während der Installation oder Verwendung dehnt, kann die überschüssige Faser die Dehnung ohne Belastung aufnehmen. Bündeladerkonstruktionen vertragen auch extreme Temperaturschwankungen sehr gut, eignen sich jedoch weniger für raueste Anwendungen wie extreme Tiefen und Kabellängen. FIST bietet auch eine hochdichte Verpackung mehrerer Fasern im Rohr an und ist von den drei Optionen die am einfachsten zu terminierende.
STEEL-LIGHT-Panzerung – Bei dieser Option werden Stränge aus präzise dimensioniertem Pflugstahl konzentrisch um den Faserpuffer herum angeordnet, um die Faser vor Bruch zu schützen.
ELECTRO-LIGHT-Panzerung – Dies ähnelt der STEEL-LIGHT-Panzerung, verwendet jedoch Kupfer anstelle von Stahl. Das Kupfer kann auch für die Stromversorgung verwendet werden, um die Konstruktion von Verbundkabeln mit einem kleineren Außendurchmesser zu ermöglichen.
Bei den Faserelementen STEEL-LIGHT und ELECTRO-LIGHT handelt es sich um eng gepufferte Verpackungsansätze. Eine enge Pufferung erfordert zwar eine sorgfältigere Herstellung, bietet aber eine bessere Leistung bei hochdynamischen Anwendungen und ist die robusteste Wahl. Die STEEL-LIGHT-Panzerung ist die robusteste und für hydrostatische Drücke von 10.000 psi ausgelegt.
Eine glänzende Zukunft für Glasfaser
Die jüngsten Unsicherheiten auf dem Ölmarkt verdeutlichen die Notwendigkeit, die Produktionseffizienz zu steigern. Sich weiterentwickelnde Technologien verbessern nicht nur die Öl- und Gasproduktion, sondern ermöglichen auch den Zugang zu neuen Ressourcen, um die Lebensdauer eines Offshore-Ölfelds zu verwalten und zu verlängern. Die von den Sensoren bereitgestellten Informationen ermöglichen den Bedienern beispiellose Einblicke in die Bedingungen und ermöglichen eine Echtzeitanpassung des Betriebs und eine langfristige Vorhersagemodellierung.
Im letzten Jahrzehnt wurden erfolgreiche Glasfaser-Pilotsysteme eingesetzt, die wertvolle Daten liefern und eine konstante optische Leistung bei hohen Drücken und Temperaturen bieten. Eine flächendeckende Einführung ist zwingend erforderlich, da Glasfasern ein hervorragendes Werkzeug zur Bewältigung aktueller und zukünftiger Herausforderungen bei der Exploration und Gewinnung sind.
Zeitpunkt der Veröffentlichung: 24. September 2019