Bohrkopf mit Köpfchen

Bohrköpfe stecken voller Sensoren und Elektronik. Bei Problemen müssen sie möglichst autonom reagieren. IAV hat zusammen mit seinem Kunden Scientific Drilling International (SDI) ein verteiltes Diagnosesystem entwickelt, das auf Ansätzen aus dem Automotive-Bereich beruht – aber auch Lösungen nutzt, die für künftige Anwendungen interessant werden könnten.

Ohne Hightech lassen sich Öl- und Erdgasvorkommen heutzutage nicht mehr erschließen. Auf ihrem Weg in die Tiefe können sich moderne Bohrköpfe nicht nur vertikal, sondern auch horizontal mit hoher Präzision durch das Gestein bewegen. Somit lassen sich unterhalb geologischer Schichten in waagerechter Richtung die begehrten Kohlenwasserstoffe effizienter erschließen als mit konventioneller vertikaler Bohrtechnik.

Zu den weltweit führenden Spezialisten auf diesem Gebiet gehört das Unternehmen SDI. SDI ist ein unabhängiger Dienstleister, der komplette, hochgenaue Bohrlochnavigationsund Bohrlösungen anbietet. Das von einer Winzerfamilie in Kalifornien gegründete Unternehmen entwickelt und produziert beispielsweise hochmoderne elektronische Sensoren für Bohrlochvermessungen (MWD) und Protokollierung (LWD), Drahtleitungssteuerung oder Richtungsbohrungen. Weltweit ist SDI in 26 Ländern vertreten und führt sowohl geothermische Bohrungen und Horizontalbohrungen in Kohlebett-Methan-Lagerstätten als auch komplexe konventionelle und unkonventionelle Öl- und Gasprojekte durch.

Bei der Durchführung der Bohrprojekte sind die Bohrköpfe von SDI permanent enormen Belastungen ausgesetzt, von hohen Temperaturen und Drücken bis hin zu großen Beschleunigungswerten durch die starken Vibrationen. Während des Bohrvorgangs ist der Bohrkopf nicht über ein Kabel zur Datenübertragung mit der oberirdischen Steuerzentrale verbunden, sondern Informationen werden über ein aufwendiges Verfahren mithilfe der Spülflüssigkeit kilometerweit aus der Tiefe übertragen. Wegen der sehr geringen Bandbreite von wenigen Bits pro Sekunde, die sich über das in Fachkreisen als „Mud“ (engl. für Schlamm) bezeichnete Medium übertragen lassen, ist es nicht möglich, detaillierte Informationen über den Zustand des Bohrkopfes an die Erdoberfläche zu senden. In entgegengesetzter Richtung lassen sich Steuerkommandos ebenfalls nur mit hoher Latenz an den Bohrkopf senden, daher ist es schwierig, in akzeptabler Zeit auf technische Probleme zu reagieren. Ähnlich einem modernen Fahrzeug ist auch der Bohrkopf vollgepackt mit Sensoren und Elektronik, um den Zustand aller Komponenten zu überwachen und gegebenenfalls selbstständig einzugreifen. „SDI hat ein großes Interesse daran, die Verfügbarkeit des Bohrkopfes durch autonome Ersatzreaktionen bei erkannten Fehlfunktionen auch im Notlaufbetrieb zu gewährleisten. Denn es ist extrem teuer, den Bohrkopf aus mehreren Kilometern Tiefe zurück an die Oberfläche zu holen“, erklärt Stefan Kuppe, Projektleiter in der Softwareentwicklung bei IAV.

Mehrere Steuergeräte, verbunden über einen proprietären Datenbus, erfassen die Messwerte und kontrollieren die Technik – ganz ähnlich wie im Auto. So entstand die Idee, das IAVKnow-how aus der On-Board-Diagnose (OBD) auch in der Öl- und Gasförderung zu nutzen. „Wir entwickeln seit Anfang 2017 die Software für ein verteiltes Diagnosesystem für die SDIBohrköpfe, das Fehler erkennen und autonom mit Ersatzreaktionen darauf antworten kann“, so Kuppe. „Fällt beispielsweise ein Sensorwert aus, wird dies durch einen Fehlereintrag in unserem System erfasst. Durch eine konfigurierbare Verknüpfung zu einer Fehlerbehandlung an einer anderen Stelle im System kann ein Ersatzwert, beispielsweise mithilfe eines Modells, berechnet werden. Die Bohrung muss dadurch nicht unterbrochen werden.“

Das verteilte Diagnosesystem beruht auf einer Baumstruktur: Fehler in einer Komponente werden so lange nach oben weitergereicht, bis sie den Hauptknoten erreichen. Die Anweisungen für die Ersatzreaktionen nehmen den umgekehrten Weg zu den untergeordneten Knoten, sodass das System mit gleichzeitigen Anpassungen auf mehreren Steuergeräten auf ein Problem reagieren kann. „Das grundlegende Diagnosekonzept stammt aus der Automobilentwicklung“, so Kuppe. „Dazu gehören unter anderem die Schnittstelle zur spezifischen Fehlererkennung, das Entprellen des Fehlers, das Abspeichern von Zusatzinformationen wie Temperatur oder Druck sowie das Stoppen weiterer Diagnosen, um Folgefehler zu vermeiden.“ Neu ist hingegen das strukturierte Protokoll, über das Informationen zu Fehlern und Fehlerreaktion im Bohrsystem ausgetauscht werden.

Die Software für SDI wird mit agilen Methoden entwickelt, wobei neue Inhalte jeweils in dreiwöchigen Sprints entstehen und am Ende zusammen mit dem Kunden begutachtet werden. Die Embedded Software ist klassisch in C geschrieben, während die Benutzerschnittstelle auf C# .NET basiert. Alle Softwarekomponenten sind entsprechend der internen IAV-Qualitätsrichtlinien durch statische und dynamische Tests abgesichert. „Im vierten Quartal 2018 erfolgt die Erstintegration des verteilten Diagnosesystems in den Bohrkopf“, berichtet Kuppe. „Dabei ist der Einsatz unseres generischen Konzeptes nicht auf die Bohrindustrie beschränkt: Denkbar sind auch andere industrielle Anwendungen, zum Beispiel für das Internet der Dinge.“