Universität Stuttgart

Offshore-Verankerungssysteme

Potentiale und Grenzen der verschiedenen
Technologien im Vergleich

Dipl.-Ing. Björn Ernst
Stuttgart

2007

Inhaltsverzeichnis

I Vorwort ... 1

II Inhaltsverzeichnis ... 2

III Abbildungsverzeichnis ... 4

IV Abkürzungsverzeichnis ... 6

1 Einführung ... 8

1.1 Einleitung ... 8
1.2 Begriffsdefinitionen ... 9

2 Systematische Betrachtung der Offshore-Technik ... 12

2.1 Bohrung (MODU) ... 12
2.2 Förderung (FPS) ... 13
2.3 Anwendungsbereiche von Seilen im Offshorebereich ... 19

3 Mooring Systems / Verankerungssysteme ... 22

3.1 Verankerungssysteme für MODUs ... 22
3.2 Verankerungssysteme für FPS ... 28
3.3 Anker, Kettenstopper und Verbindungselemente ... 37

4 Aufbau von Mooring Line ... 48

4.1 Einzelkomponenten ... 48
4.2 Aufbau von Mooring Lines aus verschiedenen Teilkomponenten ... 64

5 Belastungen und Beanspruchungen von Mooring Line ... 67

5.1 Vergleichbarkeit von Verankerungssystemen ... 67
5.2 Spezifikationen zur Auslegung von Verankerungssystemen: ... 67
5.3 Spezifische Belastungen von SCM / TMS ... 68
5.4 Verdrehung und Torsion ... 71
5.5 Spannungs-Torsions-Wechselwirkungen in Mehrkomponenten- Mooring Lines ... 78
5.6 Anschlagwinkel ... 84
5.7 Schwingungsverhalten und Resonanz ... 85
5.8 Korrosion und Korrosionsschutz ... 90

6 Prüfung von Mooring Line ... 94

6.1 Prüfverfahren ... 94

7 Marktübersicht ... 98

7.1 Förderunternehmen ... 98
7.2 Anbieter von Mooring Line ... 99
7.3 Forschungs- und Prüfinstitute ... 116

V Literaturverzeichnis ... 125

V.1 Veröffentlichungen ... 125

V.2 Elektronische Recherche ... 126

1 Einführung

1.1 Einleitung

Erdöl und Erdgas stehen seit geraumer Zeit im Mittelpunkt des weltwirtschaftlichen Interesses, sei es in der nationalen und internationalen Politik, an den Börsen oder im täglichen Umgang und Verbrauch beim Endkunden.

Die Frage nach der Endlichkeit der fossilen Energieträger wird dabei nach wie vor auf den unterschiedlichsten Ebenen und mit unterschiedlichen Interessen und Zielsetzungen höchst kontrovers diskutiert. Studien und Szenarien zur globalen Reservelage und daraus möglicherweise resultierenden Versorgungsengpässen leisten zu dieser Diskussion ebenso einen Beitrag wie unzählige Veröffentlichungen in den bekannten Fachjournalen, Tagungen und Tageszeitungen.

Erdöl als Hauptenergieträger zur mobilen Fortbewegung und Erdgas als Energiequelle für häusliche und industrielle Anwendungen sind zum unverzichtbaren Bestandteil der modernen Industriegesellschaften geworden. Doch auch Anwendungen, die nicht unmittelbar im Rampenlicht des politischen, wirtschaftlichen und öffentlichen Interesses stehen, sind direkt von Erdöl und Gas abhängig. Man bedenke zum Beispiel die Kunststoff verarbeitende Industrie, die ohne Rohöl als Grundstoff ihrer Produktionsgrundlage beraubt wäre. Da Kunststoffe in allen Bereichen unseres täglichen Lebens Einzug gehalten haben, führt dies die Abhängigkeit aller Industriegesellschaften vom Rohstoff Öl deutlich vor Augen.

Umso wichtiger erscheinen vor diesem Hintergrund die Sicherung der zukünftigen Verfügbarkeit von Öl und Gas, und der vermehrte Aufwand zur Förderung und Sicherstellung der Versorgung zunehmend gerechtfertigt.

Den (bisher zu einem großen Teil unerreichbaren) Öl- und Gasfeldern abseits des Festlandes kommt somit in Zukunft eine weiter wachsende Bedeutung zu.

Schon heute stammt rund ein Rund ein Drittel des weltweit geförderten Rohöls von Off- Shore-Feldern wie dem Golf von Arabien, der Nordsee oder dem Golf von Mexiko. Bohrungen erreichen Tiefen bis zu 2000 m unter dem Meeresgrund. Für die Gewinnung von Rohöl auf See wurde eigens eine Vielzahl verschiedener Methoden entwickelt, um die Erschließung und Förderung technisch und wirtschaftlich möglich machen zu können.

Die Offshore-Förderindustrie bewegt sich dabei mit neuesten und höchst innovativen Technologien stets am Rande des technisch und wirtschaftlich Machbaren. Dieser Wirtschaftszweig bietet durch die natürlichen Herausforderungen und Hindernisse eine Plattform für eine Vielzahl technischer Fachbereiche, auf der neue und eigene Standards gesetzt und technische Höchstleistungen realisiert werden.

Eine Vielzahl bereits gefundener Rohstofffelder unterhalb des Meeresgrundes ist zum heutigen Zeitpunkt technisch oder wirtschaftlich nicht erschließbar. Die Wirtschaftlichkeit wird durch ein weiter sinkendes Rohstoffangebot und gleichzeitig ansteigende Nachfrage gerechtfertigt werden, die technologische Seite wird durch weitere Innovationen und Weiterentwicklung bestehender Technologien eine Förderung in Zukunft möglich machen.

Limitierende Faktoren sind dabei zum einen die Wassertiefe von der Seeoberfläche bis zum Meeresgrund, zum anderen die tatsächliche Tiefe des Vorkommens unterhalb des Seebodens. Gerade jedoch die Tiefe bis zum Meeresgrund stellt die Ingenieure vor eine Reihe nur schwer lösbarer Probleme.

Insbesondere die Verankerung der Fördereinrichtungen über den niedergebrachten Bohrungen stellt mit den natürlichen Rahmenbedingungen auf See mit Wellengang, Tide und extremen Wetterverhältnissen eine Schlüsseltechnologie bei der Realisierung neuer Förderanlagen dar.

Ein weiterer Punkt für die zunehmende Bedeutung der Mooring Lines kann darin gesehen werden, dass die Offshore-Förderindustrie im kommenden Jahrzehnt die Grenzen des technologisch und wirtschaftlich Machbaren weiter vorantreiben wird und durch gleichzeitigen Rückgang der leicht erreichbaren Ressourcen die Förderung in zunehmend tiefere Gewässer verschoben werden wird, der Anteil an schwimmenden Förderplattformen und Aufbereitungsanlagen wird somit weiter zunehmen.

Mit den neuen Rahmenbedingungen erwachsen auch neue Anforderungen, insbesondere dem Bereich der (sicheren und kostengünstigen) Positionssicherung kommt während der Offshore-Förderung eine zunehmende Bedeutung zu. Da die Mehrzahl der Förderplattformen ihre Position nicht fortlaufend ändern müssen, verfügen sie über keinerlei Ausrüstung, um Seile nachzuspannen oder sich mit deren Hilfe fortzubewegen. Der Sicherheit gegen Bruch, Verschleiß und Dauerermüdung der Verankerungen kommt somit in Zukunft eine vergrößerte Bedeutung zu, da Seile, wenn die Förderung einmal angelaufen ist, nur unter großem technischen und wirtschaftlichem Aufwand gewechselt werden können.

1.2 Begriffsdefinitionen

„offshore [englisch], in einiger Entfernung von der Küste.“¹

Da sich der Begriff “offshore” aus dem Englischen ableitet und es keine allgemeingültige Übersetzung ins Deutsche gibt, soll zuerst soll eine Definition gefunden werden, die den technischen Rahmenbedingungen und der Thematik dieser Arbeit Rechung trägt.

Die wörtliche Übersetzung „in einiger Entfernung von der Küste“ beziehungsweise „außerhalb der Küstengewässer liegend“ bezeichnet (u.a.):

• Die zu einem Land gehörenden Hochseeinseln,
• Bauwerke, die außerhalb der Hoheitsgewässer eines Landes stehen (Bohrinseln, Windenergieanlagen),
• Erdöl- und Erdgasfelder, die im Meer liegen (Offshorefelder).

Unter den Begriff der Offshorebauwerke fallen alle feststehenden Bauwerke, die in der offenen
See vor der Küste errichtet werden (hauptsächlich Bohrinseln und
Windenergieanlagen).

Im politischen Sinn liegen Bauwerke „offshore“, wenn sie sich außerhalb der nationalen Hoheitsgewässer, also mehr als 12 Seemeilen vor der Küstenlinie befinden. Diese Meilenangaben sind jedoch national unterschiedlich: So sind in den USA alle Anlagen innerhalb 3 Meilen der Küstenlinie „onshore“, ausgenommen jedoch Texas mit 10 Meilen, alles darüber hinaus wird als „offshore“ bezeichnet.

Unter wirtschaftlichen Gesichtspunkten versteht man unter Offshorebohrungen „von festen oder schwimmenden Bohrinseln, Hubinseln oder speziellen Bohrschiffen aus niedergebrachte Eröl- oder Erdgasbohrungen in Küstengewässern bzw. im Schelfbereich.“²

In den 1950er Jahren wurden Offshorebohrungen bereits in größerem Umfang durchgeführt, z.B. an der Küste Kaliforniens, im Golf von Mexiko und im kaspischen Meer. In den letzten Jahren kamen Bohrinseln zunehmend auch in tieferen Meeresgebieten zum Einsatz, insbesondere in der Nordsee. Dabei wurden von direkter Versorgung unabhängige Bohrinseln, sog. RIGs, mit eigener Energieversorgung, Meerwasserentsalzungsanlage, Wohnräumen, Werkstätten, Hubschrauberlandeplatz und anderem entwickelt. Neue Technologien ermöglichen Erdölbohrungen bis etwa 300 m Wassertiefe auch bei schwerer See, Spezialbohrungsschiffe können (Forschungs-)Bohrungen auch in größeren Wassertiefen durchführen.“³

Demnach kann der Begriff „Offshore“ im Kontext der Erdöl- und Erdgasförderung wie folgt definiert werden:

„nicht küstengebunden, autark, auf offener See in nicht geringer Entfernung zum Festland und nicht geringer Wassertiefe, so dass der Einsatz spezieller (Offshore-) Technologien und Verfahren notwendig wird, um eine Rohstoffförderung (technisch und wirtschaftlich) möglich zu machen.“

Die Kategorisierung der Tiefe erfolgt im Englischen mittels der Begriffe „deep water„ und ultra-deep water“.

Einer Einschätzung des MMS⁴ und industriellem Umgang zufolge beginnt „deep water“ zwischen 1000 und 1500 ft. (350 – 500 m) und beinhaltet Tiefen bis 9000 ft. (3000 m). Von „ultra-deep water“ wird ab etwa 5000 ft. (1500 m) gesprochen.

Auch andere Definitionen sehen „ultra-deep water“ zur Zeit bei 5000 ft, dieser Wert sei jedoch dem technologischen Wandel unterworfen, da der Begriff des „ultra-deep water“ jene Wassertiefen beschreibe, bei denen konventionelle Technologien und Strukturen auf Grund der extremen Anforderungen nicht zum Erfolg führen.⁵

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1 www.brockhaus.de: Der Brockhaus: in 15 Bänden. Permanent aktualisierte Online-Auflage. Leipzig, Mannheim: F.A. Brockhaus2002-2006.© Bibliographisches Institut & F. A. Brockhaus AG, Mannheim

2 Meyers großes Taschenlexikon, Band 16, S.51

3 Meyers großes Taschenlexikon Bd.16, S.51

4 Minerals Management Service, zugehörig zum U.S. Department of the Interior (www.mms.gov)

5 Brown, David in: „Explorer“ Volume 3, Issue 24 (13.10.1998)