Überwachung des Entlüftungsflusses in stillgelegten Bohrlöchern

Verwaiste und aufgegebene Bohrlöcher stellen ein Risiko für Erdgaslecks dar, die Grundwasserleiter mit Methan und anderen Kohlenwasserstoffen verunreinigen können. Um den Austritt von Erdgas aus alternden oder strukturell beeinträchtigten Bohrlöchern zu kontrollieren, führen die Betreiber Verstopfungs- und Stilllegungsverfahren durch, um die Bohrlöcher dauerhaft abzudichten und den Austritt von Flüssigkeiten zu verhindern.

Trotz dieser Sicherheitsvorkehrungen kann immer noch Gas austreten, wenn die Dichtungen versagen oder der Zement im Bohrloch nachlässt. Um Lecks frühzeitig zu erkennen, überwachen die Betreiber die Integrität des Bohrlochs mithilfe von zwei wichtigen Diagnoseverfahren: Surface Casing Pressure (SCP), der den Druckaufbau im Ringraum identifiziert, und Surface Casing Vent Flow (SCVF), der das aktive Entweichen von Gas aus dem Gehäuse erkennt. Zusammen bieten diese Messungen einen umfassenden Überblick über die Integrität des Bohrlochs im Laufe der Zeit und dienen als Entscheidungshilfe für die Druckentlastung, das erneute Verschließen oder andere Sanierungsmaßnahmen.

In einigen Fällen jedoch - z. B. bei Bohrlöchern mit offenem Ringraum, bei denen die äußerste Verrohrung hydraulisch mit der umgebenden Formation verbunden ist - kann sich kein SCP entwickeln, selbst wenn Gas migriert. Solange das Gas nicht eingeschlossen wird oder auf Widerstand stößt, baut sich kein Druck auf. In diesen Situationen kann SCVF das einzige beobachtbare Zeichen für eine Leckage sein und ist daher ein wichtiger Indikator für die Gaserkennung.

Die Erkennung eines Druckanstiegs durch SCP ist besonders wichtig, wenn Gasmigration in geschlossenen oder teilweise eingeschränkten Systemen auftritt. Während der Entlastungsmechanismus selbst unabhängig von der Präzision der Instrumente funktionieren kann, ist die Fähigkeit, selbst geringe Druckanstiege frühzeitig und zuverlässig zu erkennen, entscheidend, um ein Überschreiten der Sicherheitsgrenzen zu verhindern. Die meisten Bohrlochdesigns enthalten einen maximal zulässigen Oberflächendruck im Ringraum (MAASP) - den höchsten Druck, dem das Verrohrungssystem an der Oberfläche sicher standhalten kann. Dieser Wert kann zwischen 2.500 psi und über 10.000 psi liegen, abhängig von Faktoren wie der Festigkeit der Verrohrung, der Integrität des Zements, dem Frakturdruck der Formation und den Einschränkungen der Hardware. Um Schäden an der Verrohrung oder Leckagen in der Formation zu vermeiden, müssen die Druckentlastungsprotokolle weit unterhalb dieses Schwellenwerts ausgelöst werden.

Eine weitere Komplikation bei der Überwachung, insbesondere bei SCVF-Anwendungen, ist der Effekt des Gegendrucks. Selbst ein geringer Druckabfall über einen Durchflussmesser kann die Entlüftung einschränken, was die gemessenen Durchflussraten künstlich senken oder das Gas in alternative Wege leiten kann. Für eine genaue Diagnose und einen sicheren Betrieb muss ein Überwachungssystem den freien Durchfluss des Gases ohne zusätzlichen Widerstand ermöglichen - und das bei sicherem Betrieb in gefährlichen Umgebungen und Integration in die bestehende SCADA-Infrastruktur.

Die Überwachung des Verrohrungsdrucks an der Oberfläche (SCP) und des Entlüftungsflusses an der Oberfläche (SCVF) erfordert Messgeräte, die in gefährlichen Umgebungen zuverlässig arbeiten. Diese Bereiche - in der Regel um den Bohrlochkopf herum - sind aufgrund des Vorhandenseins brennbarer Gase als Klasse I Division 1 oder Zone 0 klassifiziert. Herkömmliche Durchfluss- und Druckmessgeräte erfordern oft explosionsgeschützte Gehäuse und eine geschützte Verkabelung, um die Sicherheitsstandards zu erfüllen, was sowohl die Systementwicklung als auch den Einsatz vor Ort komplexer macht.

Alicat^® Wissenschaftlich IS-Max™ Massendurchflussmesser und IS-Pro™ Druckmessgeräte sind für den direkten Einsatz in diesen Umgebungen konzipiert und verfügen über ATEX-, IECEx- und nordamerikanische CID1/Zone 0-Zertifizierungen für explosionsgefährdete Bereiche. IS-Geräte erfüllen die Anforderungen an die Eigensicherheit, so dass sie am Messort installiert werden können, ohne dass teure Spülsysteme oder explosionssichere Gehäuse erforderlich sind. In Außenbereichen oder stark frequentierten Bereichen sollten sie dennoch in einem Schutzgehäuse oder Sonnenschutzdach untergebracht werden, um sie vor physischen Stößen und direkter Sonneneinstrahlung zu schützen. Trotz dieses grundlegenden Schutzes ist die Installation viel einfacher und kompakter als bei herkömmlichen explosionsgeschützten Systemen, so dass ein schneller Einsatz an mehreren Standorten möglich ist.

Der IS-MAX erfüllt nicht nur Sicherheitsanforderungen, sondern reduziert auch die Systemkomplexität, indem er mehrere Messungen in einem einzigen Gerät vereint. Er kann gleichzeitig Massendurchfluss, Volumendurchfluss, Absolut- und Überdruck, barometrischen Druck, Gastemperatur, relative Feuchte und Taupunkt überwachen. Diese Multivariaten-Fähigkeit macht separate Sensoren für jede Variable überflüssig und rationalisiert die Datenerfassung. Alle Parameter werden am gleichen Ort und unter den gleichen Bedingungen gemessen, was die Konsistenz verbessert und die Wahrscheinlichkeit von Messabweichungen zwischen den Geräten verringert.

Das Messgerät bietet eine Genauigkeit von bis zu ± 0,4% des Messwerts oder ± 0,2% des Skalenendwerts, was für die Erkennung kleiner Änderungen des Ringdrucks oder geringer Entlüftungsströme entscheidend ist. Er unterstützt Industrieprotokolle wie MODBUS RTU und Alicat ASCII sowie analoge Kommunikation für die Integration mit SCADA- oder eigenständigen Protokollierungssystemen. Ein eingebautes Display ermöglicht es Technikern, den Systemstatus zu überprüfen oder die Durchflusssummen direkt vor Ort einzusehen, ohne dass eine separate Schnittstelle erforderlich ist.

Ein Umweltüberwachungsunternehmen, das für die Messung von SCVF an einem abgelegenen Standort zuständig war, benötigte ein CID1-zertifiziertes Massendurchflussmessgerät, das ohne digitale Telemetrieinfrastruktur auskommt. Da am Standort kein SCADA-System oder serielles Kommunikationsnetzwerk zur Verfügung stand, wählte der Betreiber ein Gerät, das einen analogen Ausgang für die grundlegende Durchflussüberwachung unterstützte.

Es wurde ein Alicat IS-MAX-Messgerät eingesetzt, das für eine Durchflussrate von 50 SLPM bei 15 °C und 2,3 bar konfiguriert war. Der integrierte digitale Durchflusszähler zeigte das gesamte entlüftete Gasvolumen und die seit der letzten Rückstellung verstrichene Überwachungszeit an, so dass die Techniker vor Ort präzise Messungen vornehmen konnten. In Ermangelung einer modernen Telemetrie sorgte die Kombination aus Analogausgang und lokaler Anzeige für eine genaue, wenig komplexe Datenerfassung und Berichterstattung.

Ein nordamerikanischer Gasproduzent benötigte eine kontinuierliche Überwachung der Erdgasentlüftung bei 25 Sm³/h und Drücken unter 10 PSIG aus einer Entlüftungsbohrung an der Oberfläche in einer Umgebung der Klasse I, Division 2. Herkömmliche Durchflussmesser verursachten einen übermäßigen Druckabfall, behinderten den natürlichen Durchfluss aus dem Ringraum und verringerten die Messgenauigkeit - ein Hauptanliegen bei der Überwachung des Entlüftungsflusses an der Oberfläche (SCVF), der auf Gasmigration oder Probleme mit der Bohrlochintegrität hinweisen kann.

Um dieses Problem zu lösen, entschied sich der Betreiber für eine Whisper™-Variante des IS-MAX - ein eigensicheres Durchflussmessgerät, das speziell für Anwendungen mit sehr niedrigem Differenzdruck entwickelt wurde. Mit einem Druckabfall von nur 0,07 PSID ermöglicht der IS-MAX eine präzise Durchflussmessung, ohne die natürliche Entlüftungsdynamik des Bohrlochs zu stören.

Die Daten des Zählers wurden durch eine eigensichere Barriere zu einem Telemetrie-Schuppen vor Ort geleitet, was eine nahtlose Integration mit dem zentralen SCADA-System ermöglichte. Diese Einrichtung ermöglichte die Fernüberwachung, ohne die bestehende Entlüftungsleitung zu verändern oder den Betrieb vor Ort zu gefährden. Die robuste Leistung des IS-MAX, gepaart mit seiner Eignung für klassifizierte Umgebungen, lieferte einen zuverlässigen Einblick in Echtzeit bei gleichzeitiger Einhaltung von Sicherheits- und Betriebsstandards.

Eine wirksame SCP- und SCVF-Überwachung ist für das langfristige Management der Bohrlochintegrität von entscheidender Bedeutung. Ob bei P&A-Operationen oder bei der laufenden Überwachung marginaler Bohrlöcher, genaue Durchfluss- und Druckdaten ermöglichen es den Betreibern, anhaltende Entlüftungsaktivitäten zu identifizieren, den Erfolg von Zementierungsarbeiten zu überprüfen und risikoreiche Bohrlöcher für Eingriffe zu priorisieren. Darüber hinaus können die gemessenen SCVF-Raten zur Abschätzung der Gasflüsse verwendet werden, die aus dem Bohrloch in die umliegenden Formationen oder in die Atmosphäre entweichen, was die Risikobewertung für Grundwasserkontaminationen oder Erdgasemissionen unterstützt. Da die Umweltvorschriften immer strenger werden und die Verantwortlichkeit für Emissionen immer detaillierter wird, sind hochauflösende Diagnosen, wie sie IS-MAX bietet, sowohl für die Einhaltung der Vorschriften als auch für die betriebliche Effizienz unerlässlich.

Diese Instrumente ermöglichen es den Ingenieuren, Lecks früher zu erkennen, den Durchfluss genau zu messen, ohne den Systemdruck zu beeinträchtigen, und die Datenerfassung im gesamten Bohrlochbestand zu optimieren.