Experimentalstudie Messung der Schallgeschwindigkeit von Bohrschlämmen unter Scherbelastung

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    12-Jun-2015
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    Engineering

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Die Messung der Ultraschallgeschwindigkeit von Bohrschlämmen unter realen Scherbelastungen ist eine Voraussetzung für die Anwendung der Ultraschall-Technology zur frühen Gas-Kick-Detection bei Offshore-Bohrungen. Die Studie zeigt, das Ultraschallmessungen für alle Bohrschlämme bis zu Dichten von 20 lb/gal bzw, 2,4 kg/l auch bei Bohrer-Rotationen von 300 rpm anwendbar sind.

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  • 1. IBJ TechnologyIngenieurbro JgerIBJ Technology, Colkwitzer Weg 7, 04416 Markkleeberg, GERMANY [email protected] http:// www.ibj-technology.com1ExperimentalstudieMessung der Schallgeschwindigkeit von Bohrschlmmen unter ScherbeanspruchungKurzfassungFrank-Michael Jger, Dipl.-Ing.(TH), Dipl.-Ing.c., IBJ TechnologyEinleitungDie bisherigen Untersuchungen der Schallgeschwindigkeit von Bohrschlmmen erfolgten bisher unterstatischen Bedingungen [1] und [2].Wesentliche Einschrnkungen der Ergebnisse fr die Praxistauglichkeit resultieren aus den verwendetenPiezokeramischen Schwingern und der Technologie der Schwingungserzeugung.Im Einzelnen sind in oben genannten Untersuchungen folgende Punkte fr die Bewertung dertechnischen Tauglichkeit nicht optimal:- ungnstige Wahl der Frequenz- zu geringer Durchmesser der Schwinger- zu geringe Leistung der Sender- Einzelimpuls zur Anregung- keine Scherbeanspruchung der SchlmmeAufbauDie Messung der Schallgeschwindigkeiten und der Dmpfung erfolgte bei IBJ Technology mit anderenakustischen und elektrischen Parametern und unter realittsnahen Bedingungen mit Scherbelastung derSchlmme. Mit einem Rhrer wurden wechselnde kreisfrmige Rotationen der Schlmme realisiert.Bild (1) zeigt den Versuchsaufbau mit einem PC-gesteuertenProzessor, der den regelbaren Burst frdie Impulserzeugung berwacht. Gleichzeitig wird dieTransitzeit zwischen Sender und Empfnger mit einerStandardabweichung von ca. 50 ps mit einem TDCermittelt.Zur Ermittlung der Dmpfung wird die Amplitude derHllkurve bei bestimmten Zeiten derMehrfachreflexionen zwischen Sender undEmpfnger mit einem ADC ermittelt. Zustzlich wirdnoch die Lnge der Mehrfach-Reflexionen ermittelt.Diese reprsentieren die Eindringtiefe desUltraschallsignals in den Mud.Bild 1: Versuchsaufbau

2. IBJ TechnologyIngenieurbro JgerIBJ Technology, Colkwitzer Weg 7, 04416 Markkleeberg, GERMANY [email protected] http:// www.ibj-technology.com2Als Kriterium fr die Eindringtiefe wird die noch sicher triggerfhige Signalhhe zurLaufzeitbestimmung genommen. Bild (2) zeigt das Prinzip der Messung der Eindringtiefe.Ist diese Eindringtiefe grer als ein Mehrfaches des realen Abstandes zwischen Sender und Empfnger,kann von einer praxistauglichen Messungausgegangen werden.In Bild (2) wird die Eindringtiefe vonProzesswasser (Splwasser zwischen deneinzelnen Schlammdichten). Der Abstand derSendeburst betrgt 28 ms. Die Verstrkungder empfangenen Ultraschallimpulse wurde sogewhlt, das die mehrfachen Echos nicht inden neuen Sendetakt hinein reichen. Bei demProzesswasser wird eine Eindringtiefe von17,19 ms erreicht , entspricht etwa 25 m oder984 inch.Bild 2: Eindringtiefe in ProzesswasserDurchfhrungDie ersten Untersuchungen beschrnken sich vorerst auf wasserbasierende Schlmme. In [1] wurde frdie wasserbasierenden und lbasierenden Schlmme hnliche Verhalten gefunden. Die absolutenSchallgeschwindigkeiten sind ca. 200 bis 250 m/s niedriger.Die Messungen wurden mit unterschiedlichen Schlmmen auf Wasserbasis von 1,35 kg/l bis 2,42 kg/l)durchgefhrt. Die Mischungen bestehen aus Wasser, Barit, Bentonit und Methylcellulose.Weiter Zusatzstoffe wie Potasche, Salz, Xanthan, Strke usw. wurden nicht zugegeben.Die Mixtur fr 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 % 3. IBJ TechnologyIngenieurbro JgerSchlammdichte Eindringtiefe50 min1 # 300 min1 # 500 min1 #1,35 kg/l* 400 cm1,44 kg/l 1576 cm 1505 cm 367 cm**1,87 kg/l 979 cm 890 cm 853 cm2,42 kg/l 597 cm 421 cm 305 cmIBJ Technology, Colkwitzer Weg 7, 04416 Markkleeberg, GERMANY [email protected] http:// www.ibj-technology.com3ErgebnisseDie absoluten Schallgeschwindigkeiten werden natrlich auch stark von der Salinitt und derTemperatur beeinflusst. Entscheidet fr die Praxistauglichkeit ist jedoch die Eindringtiefe in denBohrschlamm und das Verhalten unter Scherbelastung durch den rotierenden Bohrstrang.Nachfolgend zeigt Tabelle 1 die Messergebnisse ohne Scherbelastung.Schlammdichte Basis Ultraschallgeschwindigkeit EindringtiefeZeit Lnge1,35 kg/l 11,3 lb/gal Bentonit 1505,93 m/s 3,09 ms 465 cm 181 inch1,44 kg/l 12,0 lb/gal Barit 1505,14 m/s 9,41 ms 1416 cm 552 inch1,87 kg/l 15,6 lb/gal Barit 1498,36 m/s 7,22 ms 1082 cm 422 inch2,42 kg/l 20,2 lb/gal Barit 1449,67 m/s 4,42 ms 641 cm 250 inchTabelle 1: Statische Eindringtiefe und SchallgeschwindigkeitDie Messergebnisse bei dynamischer Scherbeanspruchung (Rhrerdrehzahl min1 ) zeigennachfolgende Tabellen.#Drehzahl*Basis: Bentonit**Rhrertrompe, Lufteinschluss imSchallpfad. Die resultierendeS der Schallgeschwindigkeit wird um dieWeglnge in der Luft kleiner.Tabelle 2: Dynamische EindringtiefeTabelle 2 zeigt die dynamische Eindringtiefe bei unterschiedlichen Rhrerdrehzahlen pro Minute. DieErgebnisse fr 2,42 kg/l sind auch ohne Mittelwertbildung sehr konstant, da die Viskositt desBohrschlamms am hchsten ist. Damit sind die Strmungsverhltnisse sehr konstant und es herrschenwenig Turbulenzen.Zur Vermeidung des Einflusses der Strmungsrichtung wurden Sender und Empfnger auch getauscht.Durch die Rotation erfolgt sowohl eine Addition als auch Subtraktion der Strmungsgeschwindigkeitder Schlammteilchen zur Ultraschallgeschwindigkeit.Zu beachten ist das bei allen Untersuchungen mit der gleichen konstanten Verstrkung gearbeitet wurde.Der Signal-Rausch-Abstand htte eine 20 bis 40 dB hhere Verstrkung des empfangenen Signalszugelassen. 4. IBJ TechnologyIngenieurbro JgerSchlammdichte Ultraschallgeschwindigkeit50 min1 # 300 min1 # 500 min1 #1,35 kg/l* 1505,42 m/s1,44 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/s2,42 kg/l 1451,54 m/s 1452,12 m/s 1452,60 m/s147014651460145514501445144018:22:30 18:27:30 18:32:30 18:37:30 18:42:30 18:47:30 18:52:30h:min:sSchreiber 0IBJ Technology, Colkwitzer Weg 7, 04416 Markkleeberg, GERMANY [email protected] http:// www.ibj-technology.com4#Drehzahl*Basis: Bentonit**Rhrertrompe, Lufteinschluss imSchallpfad. Die resultierendeS der Schallgeschwindigkeit wird um dieWeglnge in der Luft kleiner.Tabelle 3: Ultraschallgeschwindigkeit unter ScherbelastungIn Tabelle 3 sind die dynamischen Ultraschall Geschwindigkeiten aufgezeigt. Fr Schlammdichten bis1,87 kg/l wurden geringfgige nderungen der Geschwindigkeit festgestellt Diese betrugen imMaximum bis 1 m/s weniger.Bei einer Dichte des Schlammes von 2,42 kg/l wurde signifikant eine proportionale monoton steigendeSchallgeschwindigkeit gemessen. Bei 500 min1 betrug dies Erhhung etwa 2,5 m/sBild 3 zeigt die signifikante Erhhung derSchallgeschwindigkeit (m/s) durch Scherbeanspruchung.Der leichte Anstieg der Kurve beruht auf dem Einfluss derTemperatur.Der Einfluss der Scherbeanspruchung auf dieGeschwindigkeit bewegt sich im Promille-Bereich und istfr die Erkennung von Zuflssen flssiger und gasfrmigerMedien in den Bohrlochschlamm ohne Bedeutung. Einenderung der Temperatur von 1 Celsius hat schongreren Einfluss auf die nderung der Geschwindigkeit.Bild 3: Anstieg der GeschwindigkeitEindringtiefe und Nicht-Newtonisches VerhaltenNach dem Stillstand des Rhrers steigt die Eintdringtiefe zunchst monoton an. Am Beispiel des 1,44kg/l betrug diese nach 10 min ber 10 ms. 5. IBJ TechnologyIngenieurbro Jger16:50:00 16:55:00 17:00:00 17:05:00 17:10:00 17:15:00 17:20:00IBJ Technology, Colkwitzer Weg 7, 04416 Markkleeberg, GERMANY [email protected] http:// www.ibj-technology.com5Werden anschlieend mit einer niedrigen Rotationsgeschwindigkeit von etwa 50 min1 niedrigeScherkrfte aufgebracht, bleibt die Eindringtiefe im wesentlichen bei dieser Gre (9,96 ms).Bei etwa 500 min1 bricht die Eindringtiefe auf etwa die Hlfte zusammen 4,8 ms mit einerSchwankungsbreite von +- 2 ms. Die Schallgeschwindigkeit fllt weiter, es bildet sich zwischen denSensoren eine Rhrtrompe aus. Damit werden die Ergebnisse signifikant beeinflusst. Es werden zukleine Werte fr die Geschwindigkeit und Eindringtiefe ermittelt.Mit zunehmender Zeit fllt die Eindringtiefe auf 3 ms +- 1ms (ohne Mittelwertbildung, real timesampling). Die Geschwindigkeit bleibt mit dem Fehler durch die Trompe bis auf1419 m/s relativ konstant.Die Eindringtiefe des Bohrschlamms 1,87kg/l betrgt 125 cm bei 1506,17 m/s und 0,83 ms nach einerRuhezeit von 24 h ohne Bewegung. Steigt nach kurzem Drehen mit ber 300 min1 monoton in dernachfolgenden Ruhe auf eine Eindringtiefe von 774 cm bei Mehrfachechos bis 5,16 ms und fallenderGeschwindigkeit auf 1501.63 m/s.Damit zeigt der Bohrschlamm deutlich das Verhalten eines Bingham-Mediums.Die Hllkurven der Mehrfachechos wurden mit dem ADCaufgenommen. Im Zeitbereich der ersten Mehrfachechos bisetwa 2 ms konnte so beim Bohrschlamm mit der Dichte von2,42 kg/l eine Abnahme der Absorption der Ultraschallwellenim Bohrschlamm beobachtet werden. Die Zeigt sich anZunahme der Amplitude, So zeigt nachfolgende Darstellung(Bild 4) die Abhngigkeit der gemessenen Amplituden beiunterschiedlichen Drehzahlen. Diese wurden von 300 min1auf 50 min1 (ab 17 Uhr) und dann auf 0 min1 (ab 17.12Uhr) verringert.Eine hhere Drehzahl bewirkt eine hhere Amplitude, bzw.eine kleinere Absorption der Ultraschallwellen.Bild 4: Ultraschallamplitude in Abhngigkeit derDrehzahlMessung ohne FluidDie Ultraschallschwinger sind so ausgelegt, das sie in Fluid und Gas messen knnen. Mit derhier verwendeten offenen Versuchsanordnung kann die Messung mit Gas nur mit Luft demonstriertwerden (Bild 5). Die Schallgeschwindigkeit flltbeim Entleeren auf 357 m/s. Auf Grund derhohen Messauflsung von1 cm/s knnen auch kleine Vernderungen derGeschwindigkeit durch gelste Gase gemessenwerden. Bei einem Messtakt von 28 ms wirdauch bei einer gleitenden Mittelwertbildung auseiner Vielzahl von Werten eine sehr schnelleAnzeige der realen Werte erreicht.Bild 5: Datenerfassung beim Entleeren derVersuchsanordnungh:min:s4500400035003000250020001500100050035003250300027502500225020001750150012501000750Schreiber 0 Schreiber 1 6. IBJ TechnologyIngenieurbro Jger175015001