...

Experimentalstudie Messung der Schallgeschwindigkeit von Bohrschlämmen unter Scherbelastung

by frank-michael-jaeger

on

Report

Category:

Engineering

Download: 1

Comment: 0

139,963

views

Comments

Description

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.
Download Experimentalstudie Messung der Schallgeschwindigkeit von Bohrschlämmen unter Scherbelastung

Transcript

  • 1. IBJ TechnologyIngenieurbüro JägerIBJ Technology, Colkwitzer Weg 7, 04416 Markkleeberg, GERMANY fmj@ibj-technology.com http:// www.ibj-technology.com1ExperimentalstudieMessung der Schallgeschwindigkeit von Bohrschlämmen unter ScherbeanspruchungKurzfassungFrank-Michael Jäger, Dipl.-Ing.(TH), Dipl.-Ing.Öc., IBJ TechnologyEinleitungDie bisherigen Untersuchungen der Schallgeschwindigkeit von Bohrschlämmen erfolgten bisher unterstatischen Bedingungen [1] und [2].Wesentliche Einschränkungen der Ergebnisse für die Praxistauglichkeit resultieren aus den verwendetenPiezokeramischen Schwingern und der Technologie der Schwingungserzeugung.Im Einzelnen sind in oben genannten Untersuchungen folgende Punkte für die Bewertung dertechnischen Tauglichkeit nicht optimal:- ungünstige Wahl der Frequenz- zu geringer Durchmesser der Schwinger- zu geringe Leistung der Sender- Einzelimpuls zur Anregung- keine Scherbeanspruchung der SchlämmeAufbauDie Messung der Schallgeschwindigkeiten und der Dämpfung erfolgte bei IBJ Technology mit anderenakustischen und elektrischen Parametern und unter realitätsnahen Bedingungen mit Scherbelastung derSchlämme. Mit einem Rührer wurden wechselnde kreisförmige Rotationen der Schlämme realisiert.Bild (1) zeigt den Versuchsaufbau mit einem PC-gesteuertenProzessor, der den regelbaren Burst fürdie Impulserzeugung überwacht. Gleichzeitig wird dieTransitzeit zwischen Sender und Empfänger mit einerStandardabweichung von ca. 50 ps mit einem TDCermittelt.Zur Ermittlung der Dämpfung wird die Amplitude derHüllkurve bei bestimmten Zeiten derMehrfachreflexionen zwischen Sender undEmpfänger mit einem ADC ermittelt. Zusätzlich wirdnoch die Länge der Mehrfach-Reflexionen ermittelt.Diese repräsentieren die Eindringtiefe desUltraschallsignals in den Mud.Bild 1: Versuchsaufbau
  • 2. IBJ TechnologyIngenieurbüro JägerIBJ Technology, Colkwitzer Weg 7, 04416 Markkleeberg, GERMANY fmj@ibj-technology.com http:// www.ibj-technology.com2Als Kriterium für die Eindringtiefe wird die noch sicher triggerfähige Signalhöhe zurLaufzeitbestimmung 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 Messungausgegangen werden.In Bild (2) wird die Eindringtiefe vonProzesswasser (Spülwasser zwischen deneinzelnen Schlammdichten). Der Abstand derSendeburst beträgt 28 ms. Die Verstärkungder empfangenen Ultraschallimpulse wurde sogewählt, 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 ProzesswasserDurchführungDie ersten Untersuchungen beschränken sich vorerst auf wasserbasierende Schlämme. In [1] wurde fürdie wasserbasierenden und ölbasierenden Schlämme ähnliche Verhalten gefunden. Die absolutenSchallgeschwindigkeiten 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 %
  • 3. IBJ TechnologyIngenieurbüro JägerSchlammdichte Eindringtiefe50 min−1 # 300 min−1 # 500 min−1 #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 fmj@ibj-technology.com http:// www.ibj-technology.com3ErgebnisseDie absoluten Schallgeschwindigkeiten werden natürlich auch stark von der Salinität und derTemperatur beeinflusst. Entscheidet für 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 Länge1,35 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 (Rührerdrehzahl min−1 ) zeigennachfolgende Tabellen.#Drehzahl*Basis: Bentonit**Rührertrompe, Lufteinschluss imSchallpfad. Die resultierendeS der Schallgeschwindigkeit wird um dieWeglänge in der Luft kleiner.Tabelle 2: Dynamische EindringtiefeTabelle 2 zeigt die dynamische Eindringtiefe bei unterschiedlichen Rührerdrehzahlen pro Minute. DieErgebnisse für 2,42 kg/l sind auch ohne Mittelwertbildung sehr konstant, da die Viskosität desBohrschlamms am höchsten ist. Damit sind die Strömungsverhältnisse sehr konstant und es herrschenwenig Turbulenzen.Zur Vermeidung des Einflusses der Strömungsrichtung wurden Sender und Empfänger auch getauscht.Durch die Rotation erfolgt sowohl eine Addition als auch Subtraktion der Strömungsgeschwindigkeitder 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 Signalszugelassen.
  • 4. IBJ TechnologyIngenieurbüro JägerSchlammdichte Ultraschallgeschwindigkeit50 min−1 # 300 min−1 # 500 min−1 #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 fmj@ibj-technology.com http:// www.ibj-technology.com4#Drehzahl*Basis: Bentonit**Rührertrompe, Lufteinschluss imSchallpfad. Die resultierendeS der Schallgeschwindigkeit wird um dieWeglänge in der Luft kleiner.Tabelle 3: Ultraschallgeschwindigkeit unter ScherbelastungIn Tabelle 3 sind die dynamischen Ultraschall Geschwindigkeiten aufgezeigt. Für Schlammdichten bis1,87 kg/l wurden geringfügige Änderungen 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 min−1 betrug dies Erhöhung etwa 2,5 m/sBild 3 zeigt die signifikante Erhöhung 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 istfür die Erkennung von Zuflüssen flüssiger und gasförmigerMedien in den Bohrlochschlamm ohne Bedeutung. EineÄnderung der Temperatur von 1° Celsius hat schongrößeren Einfluss auf die Änderung der Geschwindigkeit.Bild 3: Anstieg der GeschwindigkeitEindringtiefe und Nicht-Newtonisches VerhaltenNach dem Stillstand des Rührers steigt die Eintdringtiefe zunächst monoton an. Am Beispiel des 1,44kg/l betrug diese nach 10 min über 10 ms.
  • 5. IBJ TechnologyIngenieurbüro Jäger16:50:00 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 fmj@ibj-technology.com http:// www.ibj-technology.com5Werden anschließend mit einer niedrigen Rotationsgeschwindigkeit von etwa 50 min−1 niedrigeScherkräfte 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 einerSchwankungsbreite von +- 2 ms. Die Schallgeschwindigkeit fällt weiter, es bildet sich zwischen denSensoren eine Rührtrompe aus. Damit werden die Ergebnisse signifikant beeinflusst. Es werden zukleine Werte für die Geschwindigkeit und Eindringtiefe ermittelt.Mit zunehmender Zeit fällt 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 beträgt 125 cm bei 1506,17 m/s und 0,83 ms nach einerRuhezeit von 24 h ohne Bewegung. Steigt nach kurzem Drehen mit über 300 min−1 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 Hüllkurven 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 Abhängigkeit der gemessenen Amplituden beiunterschiedlichen Drehzahlen. Diese wurden von 300 min−1auf 50 min−1 (ab 17 Uhr) und dann auf 0 min−1 (ab 17.12Uhr) verringert.Eine höhere Drehzahl bewirkt eine höhere Amplitude, bzw.eine kleinere Absorption der Ultraschallwellen.Bild 4: Ultraschallamplitude in Abhängigkeit derDrehzahlMessung ohne FluidDie Ultraschallschwinger sind so ausgelegt, das sie in Fluid und Gas messen können. Mit derhier verwendeten offenen Versuchsanordnung kann die Messung mit Gas nur mit Luft demonstriertwerden (Bild 5). Die Schallgeschwindigkeit fälltbeim Entleeren auf 357 m/s. Auf Grund derhohen Messauflösung von1 cm/s können auch kleine Veränderungen derGeschwindigkeit durch gelöste 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 TechnologyIngenieurbüro Jäger175015001250100075050025012:50:00 12:55:00 13:00:00 13:05:00 13:10:00 13:15:00 13:20:00h:min:sSchreiber 0 Schreiber 140037535032530012:47:30 12:52:30 12:57:30 13:02:30 13:07:30 13:12:30 13:17:30h:min:sSchreiber 0IBJ Technology, Colkwitzer Weg 7, 04416 Markkleeberg, GERMANY fmj@ibj-technology.com http:// www.ibj-technology.com6Bild 6: Wechsel der Befüllung mit Bohrschlamm Bild 7: Ultraschallgeschwindigkeit in LuftBild 6 zeigt die Schallgeschwindigkeit in der Phase der Entleerung und neuen Befüllung mitBohrschlamm. Bild 7 zeigt den Zoom der Ultraschallgeschwindigkeit in Luft.Die Messung der Schallgeschwindigkeit von Zuflüssen gasförmiger und flüssiger Kohlenwasserstoffekann 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 sindin [6] zu finden.SchlussfolgerungenDie 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 amstärksten dämpfendem Bohrschlamm mit Bentonit (2,42 kg/l) ist die Eindringtiefe 10 x demSensorabstand.Mit einer AGC (automatic gain control) kann die Eindringtiefe bei dem Bohrschlamm 20,2 lb/gal aufdas 2 bis 3 Fache angehoben werden. Damit ist über den gesamten Bereich eine 30 bis 50 FacheSicherheit vorhanden. Die Absorption des Ultraschalls hat auch bei hohen Schlammdichten undViskositäten bei den gewählten Ultraschallfrequenzen und dem Sendeburst keinen störenden Einflussauf eine Messung der Schallgeschwindigkeit oder der Strömungsgeschwindigkeit.Die Messung des Durchflusses von Bohrschlamm ist damit auch bei allen gebräuchlichenBohrschlämmen und Durchmessern von Rohrleitungen möglich.Es ist keine störende Erhöhung des Rauschens beim Betrieb des Rührers messbar.
  • 7. IBJ TechnologyIngenieurbüro JägerIBJ Technology, Colkwitzer Weg 7, 04416 Markkleeberg, GERMANY fmj@ibj-technology.com http:// www.ibj-technology.com7Literatur[1] Molz, E.; Canny, D.; Evans, E.; Baker Hughes INTEQ, Houston, Texas” Ultrasonic Velocity and Attenuation Measurementsin 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) 564–57011 December 2011[3] Atolini, T. M.; Ribeiro, P. R.“VAPOR-LIQUID MIXTURE BEHAVIOR AT HIGH TEMPERATURES ANDPRESSURES : 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, Petrobras2014 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, 1977Markkleeberg, September 2014
  • Fly UP