Wie funktioniert ein Blowout-Preventer? BOP-Typen, Stack-Betrieb und -Tests

Um 2 Uhr morgens beobachtet der Schlammlogger auf einer Landbohrinsel in West-Texas, wie der Rückfluss um zwei Barrel über die Pumprate steigt. Gasgeschnittener Schlamm erreicht den Shaker und der Brunnen läuft. Zwischen diesem Zufluss und einem unkontrollierten Blowout befindet sich eine Verteidigungslinie: der Blowout-Preventer (BOP), eine Reihe hydraulisch betätigter Ventile, die am Bohrlochkopf verschraubt sind.

Die kurze Antwort auf die Funktionsweise eines Blowout-Preventers ist, dass er mithilfe von hydraulischem Druck hochbelastbare Dichtungselemente um das Bohrgestänge oder über dem offenen Bohrloch schließt. Sobald das BOP geschlossen ist, dichtet es den ringförmigen Raum ab, leitet den Stoß durch einen Choke-Verteiler um und gibt der Besatzung Zeit, den Zustrom mit schwererem Schlamm abzuleiten.

Was ist ein Blowout-Preventer?

Ein Blowout-Preventer ist eine spezielle Hochdruckventilbaugruppe, die am Bohrlochkopf montiert wird, um eine Öl- oder Gasquelle während Bohr-, Fertigstellungs- und Aufarbeitungsarbeiten abzudichten, zu steuern und zu überwachen. API 16A definiert die Design-, Material- und Testanforderungen für Ring- und Ram-Preventer, die im Über- und Unterwassereinsatz eingesetzt werden.

Ein BOP-System führt vier verschiedene Aufgaben aus:

• Versiegelt den Ringraum um das Bohrgestänge oder die Verrohrung, um zu verhindern, dass Formationsflüssigkeiten an die Oberfläche gelangen.
• Verschließt das Bohrloch vollständig, wenn sich der Bohrstrang außerhalb des Lochs befindet.
• Schert das Bohrgestänge ab und dichtet das Bohrloch im Notfall ab.
• Leitet Bohrlochflüssigkeiten durch Drossel- und Abschaltleitungen, sodass die Besatzung den Kick unter Kontrolle zirkulieren kann.

Da kein einzelnes Gerät alle diese Funktionen zuverlässig ausführt, ist ein BOP eigentlich ein System aus mehreren Komponententypen, die als Stapel angeordnet sind.

Woraus ein BOP-Stack besteht

Ein BOP-Stack ist die vertikale Anordnung von Preventern, Spulen und Auslässen, die oben auf dem Bohrlochkopf sitzt. In einem Oberflächenstapel nimmt jede Komponente eine bestimmte Position ein, und zwar vom Gehäusekopf aufwärts.

Die Anordnung von unten nach oben eines typischen Oberflächen-BOP-Stapels folgt dieser Reihenfolge:

1. Der Gehäusekopfanschluss verriegelt den Stapel am Bohrlochkopf.
2. Doppelstempel BOP, normalerweise ein Rohrstempel unten und ein Blindscherstempel oben.
3. Bohrspule mit seitlichen Ausgängen für Choke- und Kill-Line-Anschlüsse.
4. Ringförmiger BOP, der jede Rohrgröße, Werkzeugverbindung und jedes offene Loch abdichtet.
5. Steigrohradapter oder Glockennippel, der den Bohrstrang in den Stapel führt.

Unterwasser-Stacks wiederholen diese Logik in der Nähe des Meeresbodens und fügen ein unteres Meeres-Riser-Paket hinzu, damit das Bohrgerät im Notfall abgekoppelt werden kann. Obwohl die Stapelanordnung je nach Bohrlochtyp und Druckstufe variiert, ist das Prinzip identisch: Jede Komponente unterstützt die andere.

Wie ein ringförmiger Blowout-Preventer funktioniert

Ein ringförmiger BOP wird geschlossen, indem ein ringförmiges Gummidichtungselement nach innen um das Bohrrohr herum gedrückt wird. Der hydraulische Schließdruck gelangt in die Schließkammer und treibt einen Kolben nach oben; Das Kolbenprofil drückt dann das Packungselement zusammen, so dass sein Innendurchmesser schrumpft und eine Abdichtung um alles, was sich in der Bohrung befindet, bildet. Wenn der Öffnungsdruck ausgeübt wird, zieht sich der Kolben zurück und das Element entspannt sich wieder auf seinen vollen Durchgang.

Da das Dichtungselement aus Gummi besteht, kann ein ringförmiger Verhinderer Bohrgestänge, Werkzeugverbindungen, Schwerstangen, Futterrohre und sogar ein offenes Loch abdichten. Dies macht es zur ersten Verteidigungslinie beim Auslösen von Rohren und ermöglicht es der Mannschaft auch, Rohre unter Druck abzustreifen. Der Kompromiss ist ein niedrigerer Druckwert als bei Rammverhinderern, typischerweise 3.000 bis 5.000 psi für Oberflächenanwendungen, weshalb Ram-BOPs für einen höheren Einschaltdruck darunter im Stapel sitzen.

Unsere API 16A ringförmige Blowout-Preventer sind mit vor Ort austauschbaren Packungseinheiten, ausgeglichenen hydraulischen Arbeitskammern und einer Reihe von Bohrungsgrößen für gängige Verrohrungs- und Bohrprogramme ausgestattet.

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Wie ein Ram Blowout Preventer funktioniert

Ein Ram-BOP schließt, indem er zwei Stahl-Ramblöcke horizontal in Richtung der Mitte des Bohrlochs treibt, bis ihre Dichtungen um das Rohr herum oder gegeneinander treffen, um einen vollständigen Verschluss zu erreichen. Jeder Stößelblock wird durch einen hydraulischen Kolben bewegt; Der Schließdruck drückt die Stößel nach innen, der Öffnungsdruck zieht sie zurück. Wenn die Blöcke aufeinandertreffen, drückt die vordere Dichtung gegen die Rohroberfläche und die obere Dichtung drückt gegen das Oberteil, um eine leckagedichte Barriere aufrechtzuerhalten.

Der Stößeltyp bestimmt die Brunnenkontrollfunktion:

• Rohrrammen dichten eine bestimmte Bohrrohrgröße ab, während das Rohr intakt bleibt.
• Blindstempel verschließen ein offenes Loch, wenn sich der Bohrstrang außerhalb des Lochs befindet.
• Blindscherrammen schneiden das Bohrgestänge durch und verschließen dann das Bohrloch. Dies sind die Notschließungen der letzten Instanz.
• Rohrkolben mit variabler Bohrung akzeptieren eine Reihe von Rohrgrößen, ohne dass die Kolbenblöcke gewechselt werden müssen.

Hersteller bauen Ram-BOPs als Einzel-, Doppel- oder Dreifachkonfigurationen, sodass ein Stapel eine Kombination aus Rohr-, Blind- und Scherfunktionen in unterschiedlichen Höhen tragen kann. Unser Einzel-RAM-BOPs und Doppelkolben-BOPs erfüllen API 16A mit geschmiedeten Stahlgehäusen, austauschbaren Dichtungspaketen und Druckstufen von 3.000 bis 15.000 psi.

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Steuerungssysteme und die Rolle des Drosselkrümmers

Ein Blowout-Preventer schließt nur, wenn Hydraulikflüssigkeit aus einer Druckspeichereinheit in die Schließkammer der ausgewählten Komponente fließt. Der Bohrer löst diesen Vorgang über ein Fernbedienfeld aus, das sich normalerweise auf dem Bohrturmboden befindet und Pilotsignale an die Ventilkreise am BOP-Stack sendet.

Der Akkumulator speichert Energie in mit Stickstoff gefüllten Flaschen und hält auf Bohrinseln einen hydraulischen Versorgungsdruck von etwa 3.000 psi aufrecht. API 16D spezifiziert Tests für Schließzeit und hydraulische Kapazität. Als Richtwert gilt, dass Ring-Preventer in 30 Sekunden oder weniger schließen, während Ram-Preventer in 15 bis 30 Sekunden schließen, je nach Bohrungsgröße, Betriebsdruck und Schornsteinkonfiguration. Unterwasser-BOPs verwenden das gleiche Prinzip, aber das Steuersignal wird durch elektrohydraulische Multiplex-Pods übertragen, und ein ROV kann als letzte Sicherung bestimmte Funktionen ausführen.

Wenn das BOP geschlossen ist, wird der Bohrlochstrom durch den Drosselverteiler umgeleitet, der mit dem Schornstein unterhalb der Verhinderer verbunden ist. Der Verteiler reduziert den Druck durch einstellbare Drosseln, sodass die Besatzung schweren Schlamm zirkulieren und den Trittdruck ablassen kann, ohne sichere Grenzen zu überschreiten. Aus diesem Grund ist das gesamte Paket, einschließlich des BOP-Stacks, des Akkumulators und des Chokekrümmer , müssen gemeinsam spezifiziert und getestet werden.

Testen: Warum ein BOP nicht festgelegt und vergessen werden kann

Ein BOP ist nur dann zuverlässig, wenn er nach einem festgelegten Zeitplan auf Funktion und Druck getestet wird. Ein BOP-Teststumpf macht dies möglich, ohne das Bohrloch einem Risiko auszusetzen. Ein Teststumpf ist eine Vorrichtung, die das BOP hält, es mit einer Testpumpe und einem Druckschreiber verbindet und es ermöglicht, jede Komponente zu schließen und unter Druck zu setzen, während die Crew auf Lecks überwacht.

Typische Testpraktiken umfassen:

• Funktionsprüfung alle 7 Tage oder bei jedem Verrohrungsintervall gemäß Bohrprogramm.
• Druckprüfung auf Nennbetriebsdruck bei der Erstinstallation.
• Niederdrucktest bei 200 bis 300 psi, um sicherzustellen, dass die Dichtungen richtig sitzen.
• Hochdrucktest bei Stack-Nennleistung, oft 10.000 bis 15.000 psi.

Der Test überprüft auch den Akkumulator, die Steuerkreise und den Drosselverteiler, denn ein BOP, der nicht geschlossen werden kann, unterscheidet sich nicht von gar keinem BOP. Unser BOP-Teststümpfe sind so konzipiert, dass sie den API 16A-Flanschmustern entsprechen und sowohl Ring- als auch Stößelprüfungen in vertikaler oder horizontaler Ausrichtung unterstützen. In einem entsprechenden Artikel wird erklärt, warum der BOP-Teststumpf zu einem unverzichtbaren Werkzeug für Bohrteams wurde.

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Worauf Sie bei einem BOP-Lieferanten achten sollten

Die Auswahl eines BOP beginnt mit dem Bohrprogramm, nicht mit der Preisliste. Passen Sie den Nennbetriebsdruck und die Bohrungsgröße an den maximal erwarteten Flächendruck an und vergewissern Sie sich dann, dass der Hersteller über die entsprechenden API-Lizenzen verfügt.

Zu den wichtigsten Kaufkontrollen gehören:

• API 16A-Monogramm auf Ring- und Ram-BOPs.
• Qualitätsmanagementsystem API Q1 und dokumentierte Testaufzeichnungen.
• Für H2S- oder CO2-Anwendungen geeignete Innengarniturmaterialien wie HH-, EE- oder FF-Innengarnituren.
• Temperaturbewertung, die zur Bohrumgebung passt.
• Verfügbarkeit von Ersatzdichtungssätzen und Kundendienstunterstützung.

Ein zertifizierter Hersteller mit hauseigenen Prüfeinrichtungen reduziert das Beschaffungsrisiko, da dieselbe Fabrik den Drosselverteiler, den Prüfstutzen und die Ersatzdichtungen als ein integriertes Paket liefern kann.

Häufig gestellte Fragen

Wie schnell schließt ein Blowout-Preventer?

API-Anforderungen verlangen typischerweise, dass ringförmige BOPs in 30 Sekunden oder weniger schließen und BOPs in 15 bis 30 Sekunden rammen, je nach Größe und Nenndruck. Die Schließzeit hängt sowohl von der Speicherkapazität und dem hydraulischen Steuersystem als auch vom BOP selbst ab, daher müssen beide zusammen getestet werden.

Was ist der Unterschied zwischen Rohrscheren und Blindscheren?

Rohrrammen dichten das Bohrrohr einer bestimmten Größe ab und lassen das Rohr intakt, sodass die Zirkulation bei Bedarf fortgesetzt werden kann. Blindscherstempel schieben das Bohrgestänge durch, scheren es ab und verschließen dann die entstandene Öffnung. Die meisten Schornsteine ​​umfassen beides, da Rohrrammen das Bohrloch während des normalen Betriebs schützen und Blindscherrammen als letzte Notbarriere dienen.

Kann ein Blowout-Preventer ein offenes Loch abdichten?

Ja. Ein ringförmiger BOP kann sich über einem offenen Bohrloch vollständig schließen, und Blindrammen oder Blindscherrammen sorgen für den gleichen vollständigen Verschluss, wenn sich der Bohrstrang außerhalb des Bohrlochs befindet. Die Mannschaft wählt je nach Situation und Position des Bohrstrangs die passende Verschlussvorrichtung aus.