Vorgelagerte Öl- und Gasbetriebe sind auf spezialisierte Feldsteuerungsplattformen angewiesen, um die Sicherheit bei der Bohrlochkopfförderung und die hydraulische Betätigung zu steuern. Ein Bohrlochkopf-Steuerpult (WHCP) ist eine spezielle hydraulische und pneumatische Energieeinheit zur Betätigung kritischer Absperrventile des Christmas Trees. Durch die direkte Verbindung der Sicherheitskomponenten im Feld mit einer speicherprogrammierbaren Steuerungsarchitektur (SPS) schützt ein WHCP Anlagen der vorgelagerten Förderung vor Überdruck, katastrophalen Leckagen und thermischen Notfällen.

Aufgabe von Bohrlochkopf-Steuerpulten in Fördersystemen

Ein Bohrlochkopf-Steuerpult liefert Hochdruck-Hydraulikflüssigkeit zur Betätigung kritischer Absperrventile an Einzel- oder Mehrbohrlochplätzen. Das WHCP regelt die Energieversorgung von untertägigen Sicherheitsventilen (SSSV), oberirdischen Sicherheitsventilen (SSV), oberen Hauptventilen (UMV) und Flügelventilen (WV).

Solange die Betriebsparameter im Normalbereich bleiben, hält das WHCP die Ventile über druckbeaufschlagte Hydraulikleitungen in geöffneter Stellung. Werden Prozessgrenzwerte überschritten, lässt das Pult die Hydraulikflüssigkeit sofort in den Vorratsbehälter zurückströmen.

Dadurch zwingen schwere Federrückstellantriebe die Ventile des Christmas Trees in die Sicherheitsstellung „geschlossen“ und trennen den Bohrlochkopfdruck von den nachgeschalteten Sammelanlagen.

Experteneinschätzung: Die Auslegung eines robusten WHCP erfordert eine präzise Dimensionierung der Hydrauliksammelleitungen (HP, MP und LP). Eine unzureichende Dimensionierung der Druckspeicher oder fehlerhafte Berechnungen der Leitungsquerschnitte können bei Notabschaltsequenzen gefährliche Verzögerungen bei den Ventilhubzeiten verursachen.

Zentrale Hydraulikkomponenten und Dynamik der Druckspeicherdimensionierung

Die mechanische Architektur eines WHCP umfasst mehrere robuste hydraulische Baugruppen in einem Edelstahlgehäuse aus SS316L gemäß IP65:

• Hydraulikpumpenbaugruppen: Redundante elektrische oder pneumatische Pumpen erzeugen den hohen Systemdruck. Eine programmierbare Logik steuert Betriebs- und Bereitschaftszyklen und gewährleistet eine schnelle Druckwiederherstellung innerhalb von 15 Minuten.
• Vorgespannte Druckspeicher: Mit Stickstoff beaufschlagte Druckspeicher speichern den Notfallflüssigkeitsdruck. Ingenieure dimensionieren diese Speicher anhand isothermer Kompressionsmodelle, um bei einem vollständigen Pumpenausfall zwei vollständige Öffnungs- und Schließzyklen zu gewährleisten.
• Druckregler und Überdruckventile: Separate Sammelleitungen steuern unterschiedliche Druckschwellen für verschiedene Ventiltypen. Hochdruckkreise (HP) versorgen SSSV, während Mitteldruck-Sammelleitungen (MP) die oberirdischen Absperrventile steuern.
• Brandschutzkreise mit Schmelzstopfen: Thermische Sicherheitskreise mit Schmelzstopfen und niedrigem Schmelzpunkt verlaufen um die Bohrlochkopfanlagen. Umgebungswärme schmilzt den Stopfen, entlastet den Kreis und löst eine sofortige Bohrlochisolierung aus.

Architektonischer Vergleich: WHCP gegenüber dem zentralen SPS-Steuerpult

Anbindung des Steuerungssystems und Überprüfung der Feldverdrahtung

Obwohl das WHCP die fluidtechnischen Leistungskreise beherbergt, ist es zur Steuerung automatisierter Sequenzen auf elektrische Signale zentraler Steuerungssysteme angewiesen. Feldtechniker verbinden das Pult über explosionsgeschützte Anschlusskästen mit der Anlagenlogik:

• Magnetventil-Betätigungskreise: Digitale 24-VDC-Ausgänge der SPS erregen Wege-Magnetventile und leiten Hydraulikflüssigkeit in die Kammern der Ventilantriebe.
• Messwertübertragung: Analoge Druck- und Füllstandmessumformer melden den aktuellen Status des Hydraulikdrucks und des Vorratsbehälters an das PLS-Leitsystem.
• Schnittstellen für den lokalen Betrieb: Am Pult montierte Drucktaster und Wahlschalter ermöglichen es dem Bedienpersonal, manuelle Prüfungen oder lokale Notabschaltsequenzen (ESD) einzuleiten.
• Überprüfung der Verdrahtung: Vor der Inbetriebnahme führen Techniker Schleifenprüfungen an Klemmenleisten durch, um vertauschte Polaritäten oder geerdete Schirmleitungen auszuschließen.

Anwendungsszenario: Sicherheitsabschaltung einer Offshore-Produktionsplattform

Eine Offshore-Ölplattform mit Hochdruck-Produktionsbohrungen setzte kundenspezifische WHCP-Skids für mehrere Bohrlöcher ein:

• Auslegung: Die Ingenieure spezifizierten separate Hochdruck-Hydraulikkreise mit einer Auslegung bis zu 10.000 PSI zur Steuerung tiefer untertägiger Sicherheitsventile (SSSV).
• Notfallereignis: Auf dem Verarbeitungsdeck trat ein Gasleck auf, wodurch das Plattformsicherheitssystem ausgelöst wurde. Das zentrale PLS sendete direkt an den Magnetventilblock des WHCP einen globalen Abschaltbefehl.
• Systemablauf: Das WHCP ließ den Druck der Hydrauliksammelleitung innerhalb von Millisekunden in den zentralen Ölvorratsbehälter ab. Alle oberirdischen und untertägigen Sicherheitsventile schlossen gleichzeitig und isolierten den Bohrlochdruck am Meeresboden, wodurch Schäden an der Anlage verhindert wurden.

Autorenprofil

Zhao Feng ist Senior-Spezialist für Automatisierung in der vorgelagerten Öl- und Gasindustrie und verfügt über 15 Jahre Erfahrung in der Feldtechnik auf Offshore-Plattformen und an landgestützten Bohrlochplätzen. Er ist auf SIL-zertifizierte Notabschaltsysteme (ESD), hydraulische Bohrlochkopf-Steuerpulte und die Feldintegration von SPS-/PLS-Systemen spezialisiert.