1 Einleitung

Der Bohrlochkopf ist der obere Teil des Bohrlochs, der zum Reservoir führt. Öl aus dem Reservoir tritt durch das Bohrloch mit Gehäuse aus. Der Öl- oder Gasfluss aus dem Bohrloch sollte ausreichen, um es kommerziell machbar zu machen. Dann wird nur der Bohrlochkopf oben im Bohrloch installiert. Es besteht aus Ventilen und Geräten, die den Bohrlochkopfdruck und -durchfluss steuern. Diese Ausrüstung und ihre Kontrolle sind die wichtigsten in Ölfeldern. Sie vermeiden gefährliche Bedingungen in Öl- und Gasanlagen. Die Gefahr wird durch den Fluss brennbarer Materialien aus dem Bohrloch und den hohen Druck im Bohrloch verursacht. Daher muss der Durchfluss durch den Bohrlochkopf kontrolliert und ausfallsicher gemacht werden. Deshalb werden die Well Head Control Panels (WHCP) eingesetzt.

Der Bohrlochkopf ist wegen seiner Struktur auch als Weihnachtsbaum bekannt. Der Weihnachtsbaum besteht aus den Subsurface Controlled Safety Valves (SCSSV), Surface Safety Valves (SSV) und anderen Wellhead Safety Valves (Choke, ESD, HIPPS). Diese Ventile werden verwendet, um den Brunnen bei Bedarf zu schließen. An der Spitze der Baumstruktur zeigt ein Manometer den Druck im Schlauch an.

Die Prozesse, die im Bohrlochkopf ablaufen sollen, werden über diese drei Ventile mit Hilfe von Manometern und Drossel manipuliert.

2 Was ist ein Well Head Control Panel (WHCP)?

Der Zweck eines WHCP besteht darin, die unter der Oberfläche gesteuerten Sicherheitsventile (SCSSV), Oberflächensicherheitsventile (SSV) und andere Bohrlochkopfsicherheitsventile (Drossel, ESD, HIPPS) für die Sicherheit des Bohrlochs zu überwachen. Ein WHCP sollte das Risiko von Verletzungen oder Schäden an Personal, Umwelt oder Ausrüstung verhindern. Bohrlochkopfsteuerungssysteme sind so konzipiert, dass sie „ausfallsicher“ sind.“ Der Bohrlochkopf wird von SPS- oder SCADA-Systemen programmiert und gesteuert.

Das WHCP empfängt Eingangssignale von verschiedenen Messgeräten, einschließlich Druck-, Temperatur- und Durchflussmessgeräten im Bohrlochkopf. Darüber hinaus stammen die Haupteingänge von Notabschaltsystemen (ESD), Notdrucktasten und Schmelzsteckern. Dies ist normalerweise ein Befehl zum Herunterfahren der Ventile am Bohrlochkopf, um die Sicherheit der Anlage zu gewährleisten.

Der WHCP verwendet sowohl hydraulische als auch pneumatische Komponenten. SCSSVs werden meist an Landbrunnen installiert, die mit hydraulischer Kraft betrieben werden. In diesem Fall muss das WHCP ein Hydraulikreservoir und ein Pumpensystem umfassen, um den Druck auf die unterirdischen Ventile während des normalen Betriebs aufrechtzuerhalten. Auf der anderen Seite verwendet WHCP Pneumatik zur Erfassung und Steuerung von Oberflächensicherheitsventilen (SSV).

WHCP ist daher eine Sammlung verschiedener Steuerungssysteme, die die kontrollierte Ausführung von Plänen und Notabschaltungen ermöglichen. Bei Landbrunnen wird für jedes Bohrloch, das unter hohem Druck arbeitet, ein separates Bohrlochkopfsteuerungssystem verwendet. Die Bohrlochkopfsteuerungssysteme für Offshore-Plattformen sind auf einem oder mehreren Panels zusammengefasst. Die Steuerlogik jedes Bohrlochs wird von den anderen Bohrlöchern getrennt gehalten, um bei Bedarf neue Bohrlöcher hinzuzufügen oder zu löschen.

3 Prinzip des WHCP

Es gibt verschiedene Arten von WHCP, die je nach Betriebsquelle kategorisiert werden. Dies sind elektrische Bedienfelder, manuelle, solarbetriebene und pneumatische Bedienfelder. Die Auswahl des Typs wird entsprechend den Anwendungsanforderungen gewählt. Außerdem arbeitet das Bedienfeld in zwei verschiedenen Konfigurationen; ein einzelner Bohrlochkopf und ein Multi-Bohrlochkopf-Bedienfeld. Wir werden in den kommenden Abschnitten über diese Typen sprechen.

WHCP kontrolliert die Öl- und Gasbohrungen. WHCP erfüllt diese Aufgabe durch die Steuerung von am Bohrlochkopf installierten Ventilen, bei denen es sich um SCSSV (Surface Controlled Sub-Surface Safety Valves) und SSV (Surface Safety Valves) handelt, die aus Hauptventilen (MV) und Flügelventilen (WV) bestehen. Der sequentielle Betrieb von SCSSV und SSV erleichtert den ESD-Prozess (Emergency Shutdown).

Abgesehen von den Basiskomponenten des Bedienfelds besteht WHCP aus einem Hydraulikbehälter, einem Sieb, Hydraulikpumpen, einem Akkumulator, einem Bohrlochkopfsteuermodul und Hydraulikleitungen, die das Bohrlochkopfsteuermodul versorgen und zum Bohrlochkopf zurückführen. Die Hydraulikflüssigkeit im Hydraulikbehälter betätigt den Bohrlochkopf. Die Größe des Reservoirs wird durch die für die Ventilfunktion erforderliche Flüssigkeitsmenge und den Abstand zwischen dem Reservoir und dem Bohrloch bestimmt.

Der SCSSV und der SSV arbeiten mit hydraulischem Druck, der SCSSV mit hohem Druck und der SSV mit mittlerem Druck. Zur Erfüllung der Druckanforderungen wird ein Hydraulikaggregat oder ein Hydraulikaggregat eingesetzt, das aus einem Vorratsbehälter, Hydraulikpumpen und einem Speicher besteht. Das Reservoir speichert Hydraulikflüssigkeit, und in jedem Bohrlochkopf befinden sich zwei Hydraulikköpfe und -pumpen. Dann hat jede Pumpe ein Sieb, um die Hydraulikflüssigkeit von Partikeln zu filtern, so dass die Hydraulikflüssigkeit, die zu SCSSV oder SSV fließt, sauber ist. Abhängig von der Betriebsumgebung kann die Hydraulik pneumatisch oder elektrisch angetrieben sein. Der Pumpe wird ein Speicher nachgeschaltet, um den gewünschten Druck für SCSSV oder SSV zu erreichen.

Die am Bohrkopf angesammelte Hydraulikflüssigkeit wird bei Bedarf über hydraulische Versorgungsleitungen dem Bohrlochkopfsteuermodul zugeführt. Der Ablauf und die Logik für den Betrieb von SCSSV und SSV werden an diesem Bohrlochkopfsteuermodul festgelegt. Um den Durchfluss zu steuern oder den ESD-Vorgang auszuführen, werden Signale vom Panel an dieses Bohrlochkopfsteuermodul gesendet. Nach Erhalt des Steuersignals öffnet das Bohrlochkopfsteuermodul das SCSSV und das SSV, indem es Hochdruck bzw. Die Hydraulikflüssigkeit kehrt zur Hydraulikleitung zurück, indem ein Dreiwegeventil aktiviert wird, um die Ventile zu schließen.

So funktioniert das Bohrlochkopf-Bedienfeld zur Steuerung des Bohrlochkopfflusses und des Notabschaltvorgangs.

4 Hauptfunktionen des WHCP

• Herunterfahren des Bohrlochs bei Gefahrensituationen
• Steuert die kritischen Sicherheitsparameter
• Sequentielles Hoch- und Herunterfahren des Bohrlochkopfes
• SCSSV genau überwachen und steuern.
• WHCP verwendet separate Hydraulikaggregate (HPUs), die Hydraulikpumpen, Akkumulatoren, Reservoirs usw. ermöglichen.
• Im Bedienfeld werden spezielle Drucktasten zum Stoppen des Flügelventils, des Hauptventils und des SCSSV verwendet.

5 Komponenten von WHCP

WHCP wird in der Nähe des Bohrlochkopfes installiert, aber der Hauptsteuerungsteil, SPS oder SCADA, wird in einer sicheren Zone installiert. Alle Logiksignale, die an das WHCP gesendet werden, stammen vom Steuerungssystem (SPS oder SCADA). Der WHCP in der Nähe des Bohrlochkopfes führt die Kontrollaktion direkt durch. Der Hauptteil eines WHCP ist das Hydraulikaggregat (HPU), das aus einer Hydraulikpumpe, einem Reservoir und einem Akkumulator besteht. Die Komponenten des WHCP werden in den folgenden Abschnitten beschrieben:

5.1 Hydraulikpumpe

Hydraulikpumpen verteilen Hydraulikflüssigkeit mit dem erforderlichen Druck auf die Sammler. Der erforderliche Druck bestimmt die Größe und Kapazität der Pumpe zum Bohrlochkopf, den Abstand von der Platte zum Bohrlochkopf und die Lieferzeit. Das Prozessleitsystem, das entweder eine SPS oder ein SCADA ist, steuert den Motor.

5.2 Ölbehälter

Öltanks sorgen für die erforderliche Ölversorgung der Hydraulikpumpe. Siebe werden am Auslass des Tanks verwendet, um sicherzustellen, dass sauberes Öl zur Pumpe geleitet wird. Außerdem ist eine Rücklaufleitung von den Ventilen an die Oberseite des Tanks angeschlossen.

5.3 Akkumulator

Ein Akkumulator ist ein energiesparendes Gerät, das verwendet wird, um den Hochdruckbedarf für SCSSV (Surface Controlled Subsea Safety Valves) oder SSV (Surface Safety Valves) zu decken. Der Speicher ist stromabwärts der Hydraulikpumpe installiert. Es sollte sorgfältig dimensioniert werden, um die Druckanforderungen zu erfüllen.

Der Speicher hat zwei Abschnitte: den Gas- und den Hydraulikabschnitt. Der Gasabschnitt wird üblicherweise mit trockenem Stickstoffgas beschickt, das zuerst gefüllt wird. Dann wird das Hydrauliköl in den Speicher gefüllt, wobei der Gasabschnitt komprimiert wird. Wenn ein Bedarf an Hydraulik besteht, gibt der Speicher das Öl frei, wodurch sich der Gasabschnitt ausdehnen kann. Dieser Mechanismus ermöglicht das schnelle Ablassen von Hydrauliköl.

5.4 Regler

Für jeden Versorgungskopf werden nachgeschaltete Ölköpfe verwendet, und Regler geben ihnen geregelten Druck. Hochdruckbereiche werden von Reglern gehandhabt, die von Überdruckventilen begleitet werden.

5.5 Hydraulikkreis

Der Hydraulikkreis besteht aus den Steuerventilen (SCSSV und SSV), Hydraulikschläuchen und Hydraulikversorgungsanschlüssen. Die hydraulische Schlauchausrüstung wird entsprechend Druckbedarf, d.h. Hoch-, Mittel- und Niederdruckanforderungen vorgewählt. Die Stromkreise enthalten ein Rückschlagventil, ein Absperrventil, Rohre, Rohrverschraubungen usw.

Für den Brandschutz wird in der Hydraulikleitung ein Schmelzstopfen eingesetzt. Im Brandfall schmilzt der Sicherungsstecker, um den Hydraulikdruck einzustellen und die Bohrlochkopfventile zu schließen. Der Brunnen wird automatisch heruntergefahren.

5.6 Instrumentation interface

Messgeräte sind unerlässlich, wenn es darum geht, die Aktivitäten des Bohrlochkopfes zu kontrollieren und abzusichern. Auf den hydraulischen Sammlern werden Druckmessumformer installiert, um Ventiloperationen zu überwachen, und der Livestatus wird an die PLC-Prüfer weitergeleitet. Zusätzlich werden Füllstandsmessgeräte verwendet, um den Füllstand des Reservoirs kontinuierlich zu überprüfen. Das WHCP ist mit dem SPS / SCADA-System zur zentralen Überwachung und Steuerung des Bohrlochkopfes verbunden. Zur Vereinfachung der Wartung, Fehlerbehebung und Neugestaltung sollte eine separate Anschlussdose verwendet werden.

6 Arten von WHCP

6.1 Single Wellhead Control Panel

Ein einzelnes Bohrlochkopf-Bedienfeld kann nur einen Bohrlochkopf steuern. Es verwaltet alle Bohrlochkopfgeräte und ermöglicht sowohl automatisierte als auch manuelle Abschaltungen. Dieses WHCP wird für monotome oder entfernte Brunnen verwendet, die weit von anderen Brunnen entfernt sind. Das Single Wellhead Control Panel ist weiter in die folgenden Kategorien unterteilt:

• Manuelle Steuerung
• Elektrische Steuerung
• Pneumatische Steuerung
• Solarbetriebene Steuerung

6.2 Manuelles Steuerungssystem

Verwendet eine manuelle Hydraulikpumpe, um den SSV mit Druck zu versorgen. SEINE HAUPTFUNKTIONEN SIND Remote-ESD, schmelzbare Stecker, Niederdruck- / Hochdruckerkennung und manuelle Abschaltung am Panel.

6.3 Elektrisches Steuerungssystem

Ein elektrischer Motor steuert den Hydraulikfluss zum SSV. Elektrische Steuerungssysteme wurden entwickelt und sind zuverlässig in rauen Klimazonen oder beim Umgang mit gefährlichen Stoffen in der Durchflussleitung. Elektrische Abschaltsysteme sind flexibler, einfacher zu implementieren und kostengünstiger als pneumatische Abschaltsysteme, bei denen die Signalisierung des Abschaltsensors unerlässlich ist. Elektrische Systeme lassen sich wesentlich einfacher mit einem SCADA-System (Supervisory Control And Data Acquisition) zur Fernüberwachung und -steuerung verbinden.

6.4 Pneumatisches Steuerungssystem

Es erfüllt alle Hauptfunktionen, die andere Systeme erfüllen. Die Steuerung der Hydraulikpumpe erfolgt jedoch durch pneumatische Energie. Dieser Typ wird für Hochleistungsvorgänge verwendet.

6.5 Solarbetriebene Steuerung

Diese Art von Steuerung eignet sich am besten für Brunnen an abgelegenen Orten. Es bietet Energieeinsparung, reduziert die Betriebskosten, doppelte Stromversorgung, die Standardsteuerungsfunktion usw.

7 Entwerfen eines WHCP

7.1 Dimensionierung

Für den kontrollierten und sequentiellen Betrieb des Bohrlochkopfs muss die richtige Dimensionierung der Komponenten Akku, Rohr und Reservoir erfolgen. Konstrukteure können die Hilfe verschiedener Software für die präzise Dimensionierung von Komponenten verwenden. Diese Software wird die Dimensionierung für die gegebenen Anforderungen zu tun.

7.2 Flowline-Sicherheit

Zur Sicherheit sollte an jedem Ende der Flowlines eine Drossel verwendet werden, um den Inline-Druck zu reduzieren. Die Faktoren, die für die Flowline-Sicherheit berücksichtigt werden müssen:

• Überprüfen Sie, ob die erste Drosselvorrichtung im anfänglichen Flussliniensegment weniger als 10 Fuß vom Bohrlochkopf entfernt ist. Wenn der Abstand zwischen der Drossel und dem ersten Abschnitt der Strömungsleitung stromaufwärts der Drossel weniger als 10 Fuß beträgt, werden Drucksensoren in der ersten Strömungsleitung stromaufwärts des Engpasses nicht benötigt. Wenn der Abstand mehr als 10 Fuß beträgt, genügt ein Niederdrucksensor, um Lecks und Brüche zu erkennen.
• Sowohl Hoch- als auch Niederdrucksensoren sind erforderlich, um einen verstopften Leitungs- oder Durchflusssteuerungsfehler und ein Leck oder einen Bruch zu erkennen, wenn der Absperrschlauchdruck (SITP) größer ist als der maximal zulässige Arbeitsdruck (MAWP) des letzten Abschnitts der Durchflussleitung nach der Drossel.
• Wenn der MAWP des Enddurchflussleitungsabschnitts kleiner als der SITP ist, sind ein Überdruckventil und Hoch- und Niederdrucksensoren erforderlich.

7.3 Prüfbarkeit

Während Sensoren getestet, kalibriert oder ausgetauscht werden, kann ein Dreiwegeventil am Bedienfeld angebracht werden, um die Hoch- und Niederdruckpiloten sowie die Sandsonden zu umgehen. Die Verwendung von Schalttafelanzeigern sollte aus der Ferne anzeigen, dass das Bypassventil aus Sicherheitsgründen geschaltet wurde.

Ein Dreiwegeventil am Bedienfeld kann installiert werden, um die Hoch- und Niederdruckpiloten sowie die Sandsonden zu umgehen, während die Sensoren überprüft, kalibriert oder ausgetauscht werden. Die Verwendung von Schalttafelanzeigen sollte deutlich zeigen, dass das Bypassventil aus Sicherheitsgründen aus der Ferne ausgeschaltet wurde.

Nadelventile sollten in die Versorgungsgas- und Hydraulikölleitungen eingebaut werden, um den Austausch von Komponenten zu ermöglichen, ohne dass ein einzelner Bohrlochkopf oder alle abgeschaltet werden müssen.

8 Bottomline

Obwohl der WHCP mit pneumatischer, hydraulischer, elektrischer oder solarer Energie betrieben werden kann, ist das System aufgrund seiner hydraulischen Leistung hydraulisch. In Öl- und Gasanlagen ist das Pumpen von Öl oder Gas aus dem Reservoir eine Hauptaufgabe. Ein WHCP sollte den Bohrlochkopf präziser und effizienter regulieren, um eine kontinuierliche Öl- und Gasproduktion zu ermöglichen.