Innovative Fertigungstechniken revolutionieren die Öl- und Gasindustrie

Fracking führt zu großen Veränderungen in der Ölförderung und in der Teilebearbeitung

Rod Zimmerman vom Schneidwerkzeughersteller Iscar Metals lebt in einer grünen Wohngegend in einem Vorort von Fort Worth. Doch nur eine halbe Meile von seinem Zuhause entfernt hat ein Ölunternehmen ein vertikales Bohrloch von 7.500 Fuß (2.286 m) Tiefe abgeteuft, von dem neun laterale Leitungen abzweigen, die jeweils etwa eine halbe Meile lang sind. Mit 9.000 psi wird Fracking-Fluid in diese Leitungen gepresst, um Erdgas zu fördern. Dies ist ein hervorragendes Beispiel für die Allgegenwart der Fracking-Revolution und die erstaunliche Technologie, die dahintersteckt.

Und während die Revolution vielleicht nicht buchstäblich "überall" stattfindet, sagt Salvatore Deluca, Produktmanager beim Schneidwerkzeughersteller Allied Machine & Engineering, dass die riesigen Fracking-Anlagen in seinem County "Städte" genannt werden. Anders als Dallas-Fort Worth liegen diese "Städte" jedoch im fernen Ohio, einem Bundesstaat, der zuvor nicht für Erdöl bekannt war. Kein Wunder also, dass große Veränderungen in den Ölfeldern zu großen Veränderungen in der Bearbeitung von Teilen für die Ölindustrie geführt haben.

Die Herausforderung des Fracking-Blocks

Wie bereits angedeutet, gewinnt das hydraulische Fracturing (umgangssprachlich Fracking) Gas und Öl aus Schieferformationen, indem in die Erde gebohrt und ein Gemisch aus Wasser, Sand und Chemikalien unter extrem hohem Druck in das Gestein injiziert wird. Die Erzeugung dieses Drucks erfordert riesige Pumpen, deren Schlüsselkomponente der "Flüssigkeitskopf" oder "Fracking-Block" mit seinen Ventilen, Kolben und Laufbuchsen ist.

Der hohe Druck und die abrasive Wirkung der durch diese Blöcke gepumpten Suspension führen zu schnellem Verschleiß und Rissbildung. Da Ölfeldbetreiber den hohen Druck aufrechterhalten müssen, sind sie gezwungen, die Flüssigkeitsköpfe alle paar Tage auszutauschen, so Paul Best, Produktspezialist bei Allied Machine in Dover, Ohio. Best zufolge werden Flüssigkeitsköpfe aus massiven Stahlblöcken gefertigt und sind allgemein etwa 3 Zoll hoch, 4 Zoll breit und 2-3 Zoll (0,61-0,91 m) dick. Mit komplexen Konturen, zahlreichen Kanälen, drei bis fünf Durchgangsbohrungen (jeweils bis zu 8 Zoll [203,2 mm] Durchmesser) und drei bis fünf sich kreuzenden Querbohrungen erfordern Flüssigkeitsköpfe enorme Mengen an Fräsen, Bohren und Gewindeschneiden.

Zimmerman, Vertriebsleiter West Zone bei Iscar, erklärt, dass Flüssigkeitsköpfe traditionell aus 4000er Legierungsstahl gefertigt wurden. Um dem Verschleiß entgegenzuwirken, testen Anwender nun "exotischere Legierungen wie 17-4 PH rostfreien Stahl, Super-Duplex-Edelstahl und 15-5 Edelstahl." Deluca schätzt, dass etwa die Hälfte der Flüssigkeitsköpfe, die er sieht, mittlerweile eine Variante eines vorgehärteten Edelstahls sind, und der Anteil wächst weiter.

Gayle Vollmer, Engineering Services bei Hartwig in Houston (Okumas Händler in der Region), berichtet zudem von einem Trend zu härteren Materialien für die verschleißanfälligsten Teile eines Fracking-Blocks sowie von Versuchen, Fracking-Blocks so umzugestalten, dass mehr Komponenten leicht austauschbar sind. Er vermutet jedoch, dass die derzeitige Nachfrage nach hoher Produktionsleistung solche Forschungen "auf die lange Bank geschoben" hat.

Ob aus 4340er Stahl oder einem härteren Edelstahl gefertigt – die Bearbeitung eines Flüssigkeitskopfs erfordert praktisch zwingend eine große Bohrmaschine oder ein horizontales Bearbeitungszentrum. Jason Schooley, Regionaler Vertriebsleiter bei JTEKT Toyoda Americas in Arlington Heights, Illinois, betont, dass das Ziel darin besteht, so viele Operationen wie möglich in einer einzigen Maschine durchzuführen. Das ist bei einem so großen und schwer zu bewegenden Teil doppelt wichtig.

Schooley erklärt, dass Bohrmaschinen zwar typischerweise größere Tische für noch größere Teile haben, Horizontale wie Toyodas FH1250SX aber fast viermal schneller sind. Das liegt unter anderem an einer getriebelosen 6.000 U/min-Spindel (optional 8.000 U/min oder eine 15.000 U/min High-Torque-Spindel) und einer Eilgangsgeschwindigkeit von 1.654 ipm (42 m/min). Die Maschine basiert auf einem Meehanite-Gusseisenbett für maximale Steifigkeit mit Zylinderrollenführungen für höhere Geschwindigkeiten, während der doppelte Kugelgewindetrieb an den Y- und Z-Achsen die Bearbeitungsstabilität beim Schwerzerspanen erhöht.

Die FH1250SW verfügt zudem über eine W-Achsen-Spindel für Tiefbohr- und Ausdrehoperationen. Schooley fügt hinzu, dass in den letzten Jahren "eine Reihe von Werkzeugmaschinenherstellern auf einen eingebauten U-Achsen-Kopf" oder eine W-Achse gesetzt haben, die parallel zur X- bzw. Z-Achse verlaufen. Damit lässt sich der Drehmittelpunkt eines festen Drehwerkzeugs verändern – eine nützliche Funktion beim Zerspanen großer Bohrungen oder Konturen. Denn Flüssigkeitsköpfe haben nicht nur große Bohrungen, diese sind oft auch "flaschenförmig" im Inneren, sodass sie nicht einfach gebohrt werden können. Für Maschinen ohne eingebaute U-Achse können Anwender einen "Ausfahrkopf" nachrüsten, der die gleiche Funktion erfüllt, wobei D'Andrea ein solcher Lieferant ist.

Die Nachteile eines großen Aufsatzes auf einer rotierenden Spindel umfassen mögliche Werkstückkollisionen und Unverträglichkeit mit Innenkühlung. Die Nachrüstoption benötigt zudem einen eigenen externen Antrieb und lässt sich möglicherweise nicht automatisch wie andere Werkzeuge wechseln.

Schooley betont jedoch, dass Kollisionen bei Frack-Block-Anwendungen kein Problem darstellen, wenn der Z-Achsenweg der Maschine lang genug ist, um den Aufsatzkopf innerhalb der Messlinie zu halten. Mit 1.850 mm Z-Achsenweg und 200 mm von der Spindelnase zum Tischmittelpunkt meistert die 1250er Maschine Frack-Blöcke ohne Kollisionen. Toyoda hat zudem die Automatikwechsel-Fähigkeit für seine Konturköpfe weiterentwickelt, um "unseren Kunden zu helfen, in einer so volatilen Branche wie der Ölindustrie der Kurve voraus zu sein."

In Schooleys Erfahrung verfügen die modularen Bohrwerkzeuge von Innovative Tooling Solutions und anderen serienmäßig über Innenkühlung, und viele Werkstätten, die Frack-Blöcke fertigen, nutzen ein dediziertes horizontales Bohrmaschine mit Konturkopf zur Fertigstellung der Bohrungen. Toyoda bietet auch horizontale Bearbeitungszentren mit Quillspindel und 1.560 ft-lb Drehmoment für Schwerzerspanung. Die 4.000 U/min Quillspindel kombiniert die nötige Reichweite und Festigkeit für Bohren und Tiefbohren, sodass Werkstücke, die zuvor zwei Operationen erforderten, auf einer einzigen Maschine fertiggestellt werden können. Der drehbare 360.000-Positionen-Palettenwechsler bietet maximale Flexibilität für Schwerzerspanung an verschiedenen Werkstücken.

Okuma America Inc., Charlotte, N.C., hat eine Programmieroption namens Turn-Cut entwickelt, die es einem horizontalen Bearbeitungszentrum ermöglicht, einen Drehmaschine bei der Bearbeitung kreisförmiger und winkliger Merkmale an großen, unausgewuchteten Teilen nachzuahmen – ohne U-Kopf. Wie Ted Winkle, Okumas Houston Tech Center Koordinator, erklärt: "Anstatt das Werkstück zu drehen, was bei manchen riesigen Teilen schwierig oder unmöglich wäre, dreht man das Werkzeug um das Werkstück. Und anstatt dass ein U-Kopf das Werkzeug vom Zentrum der Drehachse ausbewegt, interpoliert Turn-Cut diese Achsen in X und Y, während es gleichzeitig ein Einstechdrehwerkzeug in Z vorschiebt."

Winkle glaubt, dass Turn-Cut in der Öl- und Gasindustrie für Teile wie Fracking-Blöcke eine größere Rolle spielen wird, weil "mit zunehmenden Bohrungsdurchmessern viel Drehmoment nötig ist, um ein massives Werkzeug für eine so große Bohrung anzutreiben. Die Turn-Cut-Fähigkeit statt eines U-Kopfs und all dem teuren damit verbundenen Werkzeug ist ein Vorteil."

Andererseits ist Turn-Cut nicht billig, da es zusätzliche Software für spezialisierte Beschleunigung, Verzögerung und Synchronisation sowie Glasmassstäbe und Kugelgewindekühlung erfordert. Doch man erhält damit bessere Präzision für eine Vielzahl von Teilen und erhöht die Wahrscheinlichkeit, Teile in einer Aufspannung fertigzustellen.

Schooley entgegnet, dass die Technik viele repetitive Bewegungen im gleichen Bereich der Kugelgewinde und Führungen erfordert (je kleiner der Durchmesser, desto häufiger), was die Maschinenlebensdauer verringern könnte.

Winkle erwidert, dass man bei nicht häufiger Nutzung derselben Teilegrößen keine übermäßige Belastung im gleichen Bereich hätte. Und wer die Fähigkeit nicht häufig brauche, könne den großen Aufwand für eine U-Achse nicht rechtfertigen – Turn-Cut sei dann die logischere Option. Wie bei jeder Werkzeugmaschinenfunktion gebe es Trade-offs.

Pferdestärken im Überfluss

Für Makino Inc., Mason, Ohio, sind die "Go-to"-Plattformen für Teile wie Fracking-Blöcke die T1 und T2 Fünf-Achs-Horizontalbearbeitungszentren. David Ward, Produktmarketing-Manager, sagt, beide Maschinen hätten Direktantriebsspindeln, die "ideal für die anspruchsvollen rostfreien und hochlegierten Stähle sind, die in dieser Branche verwendet werden."

Die T1 hat eine HSK100 12.000 U/min-Spindel mit 143 PS und 740 ft-lb Nenndrehmoment. Die größere T2-Spindel nutzt ein HSK125-Interface für radiale Steifigkeit. Die 4.000 U/min T2-Spindel liefert 200 PS und 1.107 ft-lb Nenndrehmoment.

Ward fügt hinzu, dass beide Spindeln ihre maximalen Drehmomentwerte bis 1.000 U/min beibehalten. "Indem die maximalen Drehmomentwerte bis zu diesem Punkt beibehalten werden, wird sichergestellt, dass die Spindel von neuen Fortschritten in der Schneidwerkzeugtechnologie profitieren kann, wie Hochtemperatur-Beschichtungen für Wendeschneidplatten."

Winkle beobachtet, dass die Ölförderung von CAT-50-Maschinen dominiert wird, stimmt aber zu, dass der Flächenkontakt der HSK- und BIG-Plus-Interfaces "vorteilhaft wäre, wenn man einen langen Überhang hat. Da die meisten Zerspankräfte jedoch axial sind, macht es nicht viel Unterschied, welche Spindelart man wählt. Solange sie kräftig ist. Ein ISO-40-Spindelmaschine an einen Frack-Block heranzuführen, wäre ein aussichtsloses Unterfangen."

Quellen sind sich einig, dass Hochdruckkühlung für Wärme- und Spanabfuhr in vielen Öl- und Gasanwendungen essenziell ist – oder wie Iscars Zimmerman es ausdrückt: "fast unabhängig von der Anwendung. Wenn man tief in einer Bohrung eines Flüssigkeitskopfs arbeitet, ist es kritisch, die Späne auszuspülen, und das ist schwierig. Ein kühlmittelgeführtes Fräswerkzeug ist bei solchen Anwendungen bei weitem der beste Weg."

Falls die Maschine diese Fähigkeit nicht mitbringt, rüsten Anwender sie mit Einheiten von Lieferanten wie ChipBLASTER nach. "Ich würde heute keine Fräsmaschine mehr ohne Innenkühlung mit Hochdruck in Betracht ziehen", sagt Zimmerman. "Es ist ein Gamechanger sowohl für Fräsen als auch Bohren." Die einzige Ausnahme sei eine Situation, in der man das Kühlmittel nicht zur Schneide lenken könne. Dann "arbeitet das Kühlmittel manchmal gegen einen und es ist besser, trocken zu bearbeiten, um thermisches Reißen der Wendeschneidplatten zu vermeiden."

Deluca berichtet, dass Werkzeugmaschinenhersteller auf diese Nachfrage reagiert haben, sodass er nun häufig Maschinen mit werksseitig gelieferten Pumpen findet, die 1.000 psi bei 20 gpm liefern. Ward sagt, Makinos T1 liefere 26 gpm bei 1.000 psi, während die T2 denselben Druck bei 53 gpm liefere.

Fortschritte bei Schneidwerkzeugen

Während man sich vielleicht eine hochleistungsfähige Maschine für Fracking-Blöcke wünscht, hat Allied Machines Deluca zunehmend die gegenteilige Herausforderung gesehen: die Notwendigkeit, große Bohrungen mit Maschinen durchzuführen, die auf Fräsen ausgelegt sind, wo die Spindeldrehzahlen höher sind, die Leistung aber bei 40 bis 50 PS maximal ist.

"Die Unternehmen, die diese Teile fertigen, sind meist klein bis mittelgroß und typischerweise nicht auf die Fertigung von Frack-Blöcken spezialisiert", sagt er. "Und viele scheuen davor zurück, sich auf diesen Markt zu fokussieren und eine halbe Million Dollar in eine Maschine für eine Branche zu investieren, die wie eine Achterbahn läuft. Deshalb mussten wir ein Werkzeug entwickeln, das ein 4-Zoll-Loch bei viel höheren Spindeldrehzahlen und viel niedrigeren Vorschüben schneiden kann als unsere traditionellen Bohrwerkzeuge."

Die Herausforderung beim Bohren von Fracking-Blöcken geht über die Größe der erforderlichen Bohrungen hinaus. "Unterbrochene Schnitte sind bei der Fertigung von Flüssigkeitskopfblöcken inhärent, da die Querbohrungen senkrecht zu bestehenden Bohrungen gebohrt werden", erklärt Allied Machines Best. "Durch die resultierende Form der sich schneidenden Bohrungen bleibt die äußere Schneide des Bohrers im Schnitt engagiert, während die innere Schneide nicht engagiert ist. Das kann den Bohrer destabilisieren, was das Werkzeug zerstören und die Integrität des Fracking-Blocks beschädigen kann."

Zudem, wenn der Kunde durch Verwendung von nicht wärmebehandeltem Material spart, kann der Bohrer auf erhebliche Schwankungen stoßen. Deluca von Allied sagt, normalerweise bedeute das, dass ein Bediener den Prozess ständig überwachen müsse oder riskiere, innerhalb von Sekunden nach dem Auftreffen auf eine Lunker in der Gussstruktur einen katastrophalen Bohrerbruch zu erleiden, der ein Teil ruinieren könnte, in das man Stunden investiert hat. Werkstätten erleben auch Materialschwankungen von Block zu Block, was die Wahl des perfekten Bohrers und der Betriebsparameter erschwert.

Allied hat diese Herausforderungen mit einem "Next-Generation"-Werkzeug namens APX gemeistert. Es verfügt über ein zäheres Hartmetallsubstrat und eine proprietäre Beschichtung, um dem Schock beim Auftreffen auf eine Lunker standzuhalten. "Man kann das Werkzeug ausmeißeln und es quietscht", sagt Deluca, "aber man kann die Bohrung trotzdem zu Ende bringen."

Er fügt hinzu, dass Allied die Schwierigkeiten beim Querbohren durch Hinzufügen eines Wischers an die Wendeschneidplatte zur Verbesserung der Stabilität sowie Verschleißleisten für zusätzliche Stabilität beim Austritt des Pilotbohrers in den Freiraum oder eine Querbohrung adressiert hat. "Wir empfehlen auch, den Vorschub zu reduzieren und die gleiche Drehzahl beizubehalten, wenn man schräge Austrittsbohrungen bohrt, damit das Werkzeug nicht abdrängt oder wandert. Das ist normalerweise bei der Hauptbohrung oder den Querbohrungen nicht nötig, aber es gibt nur so viel Engineering, das man in ein Werkzeug stecken kann, um den extremen unterbrochenen Schnitt der schrägen Bohrungen zu kompensieren."

Beim Fräsen sagt Zimmerman, dass Iscars HeliDo H600 doppelseitige, sechseckige Wendeschneidplatte extrem gut für diese Materialart funktioniert. "Wir bieten auch den Mill 4 Feed an, eine quadratische, einseitige Wendeschneidplatte mit positiverer Geometrie für einen weicheren Schnitt, der weniger Leistung erfordert."

Seine Hauptbotschaft: Da Iscar seit langem der Öl- und Gasindustrie verpflichtet ist und nur erfahrene Zerspaner einstellt, kann das Unternehmen den optimalen Prozess für einen Kunden entwickeln und aus einer Vielzahl von Werkzeugen wählen. "Wir haben viele Arten von Hochvorschubfräsern und können einen Hochvorschubfräser basierend auf Anwendung, Material und Maschine optimieren, unter Berücksichtigung ihrer Steifigkeit, Leistung und Drehmoment."

Multitasking und Automatisierung

Man würde bei 9.500 lb schweren Fracking-Blöcken nicht an "Automatisierung" denken, aber Makino und andere Hersteller bieten Lösungen, die es einem Bediener ermöglichen, mehrere Maschinen zu bedienen. Bei Frack-Blöcken bedeutet das generally einen rotierenden Palettenwechsler, der zwischen Rohguss und Fertigteil in unter einer Minute wechselt. Danach hat der Bediener genügend Zeit, das Fertigteil zu entnehmen.

Bei Zykluszeiten von wenigen Minuten liegen Fracking-Gun-Rohre am anderen Ende des Spektrums. Und da sie "Einwegartikel" sind, sagt Vollmer, "sind die Produktionsraten astronomisch. Tausende werden täglich gefertigt."

Dadurch ist das Teil ideal für Automatisierung, und Hartwig und Okuma haben zusammengearbeitet, um mehrere Optionen anzubieten. Dazu gehören Roboter für Be- und Entladen sowie Stangenlader-Systeme wie sie bei kleinen Teilen an Schweizer Drehautomaten verwendet werden – nur dass sie hier Durchmesser von 2-4 Zoll handhaben. Der schnellste Ansatz führt das Material in eine Zweispindel-Maschine, bearbeitet ein Ende und führt das Teil direkt in die Gegenspindel für die Bearbeitung des anderen Endes.

Vollmer sagt, die Teile erfordern Drehen, Gewindeschneiden und etwas Fräsen, idealerweise mit angetriebenen Werkzeugen für Letzteres – eine Funktion, die Winkle als "eine der größten Veränderungen in der Branche in den letzten Jahren" bezeichnet. Fracking und Richtbohrungen sind wieder ein großer Grund für diesen Übergang.

Für viele der weitgehend zylindrischen Teile, die in heutigen "Downhole"-Operationen benötigt wird, hat die ideale Drehmaschine mehr als angetriebene Werkzeuge und ein oder zwei Revolver. Sie hat einen schwenkbaren Kopf und Mehrseitenfräsfähigkeit wie Okumas MULTUS Dreh-Fräs-Serie.

"Die Teile, die sowohl für das Bohren als auch für die Abschlussphase benötigt werden, sind viel komplexer als bei traditionellen vertikalen Bohrungen", erklärt Winkle. "Man muss Ventile öffnen und schließen können, um Förderzonen zu wechseln. Teile haben hydraulische Leitungen durch sich hindurch sowie elektronische Überwachungsausrüstung."

Das erfordert Querbohrungen und komplexe gefräste Merkmale an Außen- und Innendurchmesser, sodass die Maschinen Fünf-Achs-Positionierung und neun oder mehr Achsen der Maschinenbewegung benötigen, um ein Teil an einem Ende zu bearbeiten und dann die Spindel zu wechseln, um das andere Ende zu bearbeiten.

Gewinde sind eine weitere Herausforderung. Winkle sagt, es gibt buchstäblich Hunderte von Typen und die Toleranzen sind eng: "Plus 1,5 Tausendstel, minus nichts." Das liegt daran, dass Gewinde in Öl und Gas nicht nur Teile zusammenhalten, "sie müssen perfekt abdichten und enorme Zugspannungen aushalten von der gigantischen Kette von Teilen, die Meilen tief in das Loch reichen", so Winkle. "Und sie müssen thermischer Ausdehnung und Schockbelastung standhalten. Diese abdichtende und lasttragende Komponente existiert in keiner anderen Branche."

Das Schneiden dieser Gewinde erfordert eine steife Maschine und eine Aufspannung, die Rattern widersteht. Kyle Downs, Director of Project Management and Marketing bei SMW Autoblok, Wheeling, Illinois, sagt, dies wird dadurch verkompliziert, dass "das Eingangsmaterial sehr inkonsistent ist. Die Automatisierung der Zentrierung von gehaktem, verbogenem und/oder ovalem Rohr kann mit zwei Szenarien erreicht werden: entweder ein 3+3 selbstzentrierender und kompensierender Spannfutter, oder ein kompensierendes Spannfutter und eine mit Mittenzentrierung ausgestattete Gegenpunkteinrichtung, die typischerweise auch ein Spannfutter ist."

Schließlich eröffnet die Hinzufügung von Laserauftragschweißen zu spanenden Maschinen neue Möglichkeiten, wie Okumas neue LASER EX Serie zeigt. Hätte man beispielsweise ein Teil mit nur wenigen hervorstehenden Merkmalen, könnte man diese Merkmale auf den Hauptkörper auftragen, anstatt sie aus größerem Rohmaterial herauszuschneiden. Das ist potenziell eine enorme Einsparung an Bearbeitungszeit.

Winkle fügt hinzu, dass man auch ungleiche Materialien verschweißen kann, etwa Inconel und Edelstahl, was "mit rein subtraktiver Technologie nie möglich ist. Die Verbindung ist so fest oder fester als wenn sie aus dem Vollen bearbeitet wäre."

Das hat sofortiges Potenzial in Öl und Gas für das Aufbringen der Verschleißleisten, die an Bohrbaugruppen benötigt werden, oder das Aufbringen der Seitenflossen, die verhindern, dass Rohre beim Durchlaufen einer Biegung in einer Richtbohrung an der Innenseite einer Verrohrung schleifen. Okuma bietet auch die Möglichkeit, eine Zone des Materials bis zu ca. 50 HRC mit demselben Laser bei geänderter Blende einzuhärten.