Experimentalstudie Messung der Schallgeschwindigkeit von Bohrschlämmen unter Scherbelastung

IBJ Technology Ingenieurbüro Jäger

IBJ Technology, Colkwitzer Weg 7, 04416 Markkleeberg, GERMANY [email protected] http:// www.ibj-technology.com

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Experimentalstudie Messung der Schallgeschwindigkeit von Bohrschlämmen unter Scherbeanspruchung

Kurzfassung

Frank-Michael Jäger, Dipl.-Ing.(TH), Dipl.-Ing.Öc., IBJ Technology Einleitung Die bisherigen Untersuchungen der Schallgeschwindigkeit von Bohrschlämmen erfolgten bisher unter statischen Bedingungen [1] und [2]. Wesentliche Einschränkungen der Ergebnisse für die Praxistauglichkeit resultieren aus den verwendeten Piezokeramischen Schwingern und der Technologie der Schwingungserzeugung. Im Einzelnen sind in oben genannten Untersuchungen folgende Punkte für die Bewertung der technischen Tauglichkeit nicht optimal:

- ungünstige Wahl der Frequenz - zu geringer Durchmesser der Schwinger - zu geringe Leistung der Sender - Einzelimpuls zur Anregung - keine Scherbeanspruchung der Schlämme

Aufbau Die Messung der Schallgeschwindigkeiten und der Dämpfung erfolgte bei IBJ Technology mit anderen akustischen und elektrischen Parametern und unter realitätsnahen Bedingungen mit Scherbelastung der Schlämme. Mit einem Rührer wurden wechselnde kreisförmige Rotationen der Schlämme realisiert.

Bild (1) zeigt den Versuchsaufbau mit einem PC-gesteuerten Prozessor, der den regelbaren Burst für die Impulserzeugung überwacht. Gleichzeitig wird die Transitzeit zwischen Sender und Empfänger mit einer Standardabweichung von ca. 50 ps mit einem TDC ermittelt. Zur Ermittlung der Dämpfung wird die Amplitude der Hüllkurve bei bestimmten Zeiten der Mehrfachreflexionen zwischen Sender und Empfänger mit einem ADC ermittelt. Zusätzlich wird noch die Länge der Mehrfach-Reflexionen ermittelt. Diese repräsentieren die Eindringtiefe des Ultraschallsignals in den Mud. Bild 1: Versuchsaufbau



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Als Kriterium für die Eindringtiefe wird die noch sicher triggerfähige Signalhöhe zur Laufzeitbestimmung genommen. Bild (2) zeigt das Prinzip der Messung der Eindringtiefe. Ist diese Eindringtiefe größer als ein Mehrfaches des realen Abstandes zwischen Sender und Empfänger,

kann von einer praxistauglichen Messung ausgegangen werden. In Bild (2) wird die Eindringtiefe von Prozesswasser (Spülwasser zwischen den einzelnen Schlammdichten). Der Abstand der Sendeburst beträgt 28 ms. Die Verstärkung der empfangenen Ultraschallimpulse wurde so gewählt, das die mehrfachen Echos nicht in den neuen Sendetakt hinein reichen. Bei dem Prozesswasser wird eine Eindringtiefe von 17,19 ms erreicht , entspricht etwa 25 m oder 984 inch. Bild 2: Eindringtiefe in Prozesswasser

Durchführung Die ersten Untersuchungen beschränken sich vorerst auf wasserbasierende Schlämme. In [1] wurde für die wasserbasierenden und ölbasierenden Schlämme ähnliche Verhalten gefunden. Die absoluten Schallgeschwindigkeiten sind ca. 200 bis 250 m/s niedriger. Die Messungen wurden mit unterschiedlichen Schlämmen auf Wasserbasis von 1,35 kg/l bis 2,42 kg/l) durchgeführt. Die Mischungen bestehen aus Wasser, Barit, Bentonit und Methylcellulose. Weiter Zusatzstoffe wie Potasche, Salz, Xanthan, Stärke usw. wurden nicht zugegeben. Die Mixtur für den wasserbasierenden Bohrschlamm mit 1,44 kg/l betrug beispielsweise: Wasser 65,33 Masse % Bentonit 3,73 Masse % Barit 29,84 Masse % Methylcellulose 1,10 Masse %



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Ergebnisse Die absoluten Schallgeschwindigkeiten werden natürlich auch stark von der Salinität und der Temperatur beeinflusst. Entscheidet für die Praxistauglichkeit ist jedoch die Eindringtiefe in den Bohrschlamm und das Verhalten unter Scherbelastung durch den rotierenden Bohrstrang. Nachfolgend zeigt Tabelle 1 die Messergebnisse ohne Scherbelastung. Schlammdichte Basis Ultraschallgeschwindigkeit Eindringtiefe Zeit Länge 1,35 kg/l 11,3 lb/gal Bentonit 1505,93 m/s 3,09 ms 465 cm 181 inch 1,44 kg/l 12,0 lb/gal Barit 1505,14 m/s 9,41 ms 1416 cm 552 inch 1,87 kg/l 15,6 lb/gal Barit 1498,36 m/s 7,22 ms 1082 cm 422 inch 2,42 kg/l 20,2 lb/gal Barit 1449,67 m/s 4,42 ms 641 cm 250 inch Tabelle 1: Statische Eindringtiefe und Schallgeschwindigkeit

Die Messergebnisse bei dynamischer Scherbeanspruchung (Rührerdrehzahl min−1 ) zeigen nachfolgende Tabellen.

#Drehzahl *Basis: Bentonit ** Rührertrompe, Lufteinschluss im Schallpfad. Die resultierende Σ der Schallgeschwindigkeit wird um die Weglänge in der Luft kleiner.

Tabelle 2: Dynamische Eindringtiefe

Tabelle 2 zeigt die dynamische Eindringtiefe bei unterschiedlichen Rührerdrehzahlen pro Minute. Die Ergebnisse für 2,42 kg/l sind auch ohne Mittelwertbildung sehr konstant, da die Viskosität des Bohrschlamms am höchsten ist. Damit sind die Strömungsverhältnisse sehr konstant und es herrschen wenig Turbulenzen. Zur Vermeidung des Einflusses der Strömungsrichtung wurden Sender und Empfänger auch getauscht. Durch die Rotation erfolgt sowohl eine Addition als auch Subtraktion der Strömungsgeschwindigkeit der Schlammteilchen zur Ultraschallgeschwindigkeit. Zu beachten ist das bei allen Untersuchungen mit der gleichen konstanten Verstärkung gearbeitet wurde. Der Signal-Rausch-Abstand hätte eine 20 bis 40 dB höhere Verstärkung des empfangenen Signals zugelassen.

Schlammdichte Eindringtiefe 50 min−1 # 300 min−1 # 500 min−1 # 1,35 kg/l* 400 cm 1,44 kg/l 1576 cm 1505 cm 367 cm** 1,87 kg/l 979 cm 890 cm 853 cm 2,42 kg/l 597 cm 421 cm 305 cm



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#Drehzahl *Basis: Bentonit ** Rührertrompe, Lufteinschluss im Schallpfad. Die resultierende Σ der Schallgeschwindigkeit wird um die Weglänge in der Luft kleiner.

Tabelle 3: Ultraschallgeschwindigkeit unter Scherbelastung

In Tabelle 3 sind die dynamischen Ultraschall Geschwindigkeiten aufgezeigt. Für Schlammdichten bis 1,87 kg/l wurden geringfügige Änderungen der Geschwindigkeit festgestellt Diese betrugen im Maximum bis 1 m/s weniger. Bei einer Dichte des Schlammes von 2,42 kg/l wurde signifikant eine proportionale monoton steigende Schallgeschwindigkeit gemessen. Bei 500 min−1 betrug dies Erhöhung etwa 2,5 m/s

Bild 3 zeigt die signifikante Erhöhung der Schallgeschwindigkeit (m/s) durch Scherbeanspruchung. Der leichte Anstieg der Kurve beruht auf dem Einfluss der Temperatur. Der Einfluss der Scherbeanspruchung auf die Geschwindigkeit bewegt sich im Promille-Bereich und ist für die Erkennung von Zuflüssen flüssiger und gasförmiger Medien in den Bohrlochschlamm ohne Bedeutung. Eine Änderung der Temperatur von 1° Celsius hat schon größeren Einfluss auf die Änderung der Geschwindigkeit.

Bild 3: Anstieg der Geschwindigkeit Eindringtiefe und Nicht-Newtonisches Verhalten Nach dem Stillstand des Rührers steigt die Eintdringtiefe zunächst monoton an. Am Beispiel des 1,44 kg/l betrug diese nach 10 min über 10 ms.

Schlammdichte Ultraschallgeschwindigkeit 50 min−1 # 300 min−1 # 500 min−1 # 1,35 kg/l* 1505,42 m/s 1,44 kg/l 1505,13 m/s 1505,15 m/s 1433.65 m/s** 1,87 kg/l 1499,88 m/s 1499.05 m/s 1498.97 m/s 2,42 kg/l 1451,54 m/s 1452,12 m/s 1452,60 m/s

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18:22:30 18:27:30 18:32:30 18:37:30 18:42:30 18:47:30 18:52:30

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Werden anschließend mit einer niedrigen Rotationsgeschwindigkeit von etwa 50 min−1 niedrige Scherkräfte aufgebracht, bleibt die Eindringtiefe im wesentlichen bei dieser Größe (9,96 ms). Bei etwa 500 min−1 bricht die Eindringtiefe auf etwa die Hälfte zusammen 4,8 ms mit einer Schwankungsbreite von +- 2 ms. Die Schallgeschwindigkeit fällt weiter, es bildet sich zwischen den Sensoren eine Rührtrompe aus. Damit werden die Ergebnisse signifikant beeinflusst. Es werden zu kleine Werte für die Geschwindigkeit und Eindringtiefe ermittelt. Mit zunehmender Zeit fällt die Eindringtiefe auf 3 ms +- 1ms (ohne Mittelwertbildung, real time sampling). Die Geschwindigkeit bleibt mit dem Fehler durch die Trompe bis auf 1419 m/s relativ konstant. Die Eindringtiefe des Bohrschlamms 1,87kg/l beträgt 125 cm bei 1506,17 m/s und 0,83 ms nach einer Ruhezeit von 24 h ohne Bewegung. Steigt nach kurzem Drehen mit über 300 min−1 monoton in der nachfolgenden Ruhe auf eine Eindringtiefe von 774 cm bei Mehrfachechos bis 5,16 ms und fallender Geschwindigkeit auf 1501.63 m/s. Damit zeigt der Bohrschlamm deutlich das Verhalten eines Bingham-Mediums.

Die Hüllkurven der Mehrfachechos wurden mit dem ADC aufgenommen. Im Zeitbereich der ersten Mehrfachechos bis etwa 2 ms konnte so beim Bohrschlamm mit der Dichte von 2,42 kg/l eine Abnahme der Absorption der Ultraschallwellen im Bohrschlamm beobachtet werden. Die Zeigt sich an Zunahme der Amplitude, So zeigt nachfolgende Darstellung (Bild 4) die Abhängigkeit der gemessenen Amplituden bei unterschiedlichen Drehzahlen. Diese wurden von 300 min−1 auf 50 min−1 (ab 17 Uhr) und dann auf 0 min−1 (ab 17.12 Uhr) verringert. Eine höhere Drehzahl bewirkt eine höhere Amplitude, bzw. eine kleinere Absorption der Ultraschallwellen. Bild 4: Ultraschallamplitude in Abhängigkeit der Drehzahl

Messung ohne Fluid Die Ultraschallschwinger sind so ausgelegt, das sie in Fluid und Gas messen können. Mit der hier verwendeten offenen Versuchsanordnung kann die Messung mit Gas nur mit Luft demonstriert

werden (Bild 5). Die Schallgeschwindigkeit fällt beim Entleeren auf 357 m/s. Auf Grund der hohen Messauflösung von 1 cm/s können auch kleine Veränderungen der Geschwindigkeit durch gelöste Gase gemessen werden. Bei einem Messtakt von 28 ms wird auch bei einer gleitenden Mittelwertbildung aus einer Vielzahl von Werten eine sehr schnelle Anzeige der realen Werte erreicht. Bild 5: Datenerfassung beim Entleeren der Versuchsanordnung

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Bild 6: Wechsel der Befüllung mit Bohrschlamm Bild 7: Ultraschallgeschwindigkeit in Luft Bild 6 zeigt die Schallgeschwindigkeit in der Phase der Entleerung und neuen Befüllung mit Bohrschlamm. Bild 7 zeigt den Zoom der Ultraschallgeschwindigkeit in Luft. Die Messung der Schallgeschwindigkeit von Zuflüssen gasförmiger und flüssiger Kohlenwasserstoffe kann mit diesen offenen Versuchsaufbau nicht ermittelt werden. In der Literatur gibt es dazu einige Berechnungen und praktische Untersuchungen. Die Löslichkeit von Methan in Dieselöl wird u.a. in [3] betrachtet. Die Auswirkung der Gaslöslichkeit in Fluiden wird in [4] beschrieben. Die Schallgeschwindigkeiten von Fluid-Fluid-Mixtures und Fluid-Gas Mixtures unter Druck wird in [5] untersucht. Betrachtungen zur Ultraschallgeschwindigkeit in Liquid-Gas Mixtures' Water-Air and Water-Steam sind in [6] zu finden. Schlussfolgerungen Die Messung der Schallgeschwindigkeit ist mit dem Konzept der Ultraschallsensoren praxistauglich. Beeinflussungen durch rotierende Bohrstränge sind nicht zu erwarten. Die Eindringtiefe bzw. Reichweite der Sensoren überschreitet die Dämpfung des Bohrschlamms sicher. Auch beim am stärksten dämpfendem Bohrschlamm mit Bentonit (2,42 kg/l) ist die Eindringtiefe 10 x dem Sensorabstand. Mit einer AGC (automatic gain control) kann die Eindringtiefe bei dem Bohrschlamm 20,2 lb/gal auf das 2 bis 3 Fache angehoben werden. Damit ist über den gesamten Bereich eine 30 bis 50 Fache Sicherheit vorhanden. Die Absorption des Ultraschalls hat auch bei hohen Schlammdichten und Viskositäten bei den gewählten Ultraschallfrequenzen und dem Sendeburst keinen störenden Einfluss auf eine Messung der Schallgeschwindigkeit oder der Strömungsgeschwindigkeit. Die Messung des Durchflusses von Bohrschlamm ist damit auch bei allen gebräuchlichen Bohrschlämmen und Durchmessern von Rohrleitungen möglich. Es ist keine störende Erhöhung des Rauschens beim Betrieb des Rührers messbar.

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Literatur [1] Molz, E.; Canny, D.; Evans, E.; Baker Hughes INTEQ, Houston, Texas ” Ultrasonic Velocity and Attenuation Measurements in High Density Drilling Muds” SPWLA-1998-F,SPWLA 39th Annual Logging Symposium, 26-28 May, Keystone, Colorado, 1998 [2] Raeymaekers, B.; Pantea, C.; N. Sinha, D. N. “Creating a collimated ultrasound beam in highly attenuating fluids” Elsevier, Ultrasonics 52 (2012) 564–570 11 December 2011 [3] Atolini, T. M.; Ribeiro, P. R. “VAPOR-LIQUID MIXTURE BEHAVIOR AT HIGH TEMPERATURES AND PRESSURES : A REVIEW DIRECTED TO DRILLING ENGINEERING” Brazilian Journal of Petroleum and Gas. v. 1, n. 2, p. 123-130, 2007. ISSN 1982-0593 [4] Galves, L. V., Federal University of Rio de Janeiro; Gandelman, R. A.; Martins, A. L., Petrobras ” Impact of Gas Solubility on Kick Detection in N-Paraffin Based Drilling Fluids” Leandro Victalino Galves, Federal University of Rio de Janeiro; Roni Abensur Gandelman; André Leibsohn Martins, Petrobras 2014 AADE Fluids Technical Conference and Exhibition held at the Hilton Houston North Hotel, Houston, Texas, April 15-16, 2014. [5] Liu, Y. ” ACOUSTIC PROPERTIES OF RESERVOIR FLUIDS” Dissertation, Stanford University, June, 1998 [6] Kiefer, S. W. ”Sound Speed in Liquid-Gas Mixtures' Water-Air and Water-Steam” VOL. 82, NO. 20 JOURNAL OF GEOPHYSICAL RESEARCH, JULY 10, 1977 Markkleeberg, September 2014

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