Experimentalstudie Messung der Schallgeschwindigkeit von Bohrschlämmen unter Scherbelastung

IBJ Technology
Ingenieurbüro Jäger
IBJ Technology, Colkwitzer Weg 7, 04416 Markkleeberg, GERMANY fmj@ibj-technology.com 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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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
3
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
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
S 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.

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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
1470
1465
1460
1455
1450
1445
1440
18:22:30 18:27:30 18:32:30 18:37:30 18:42:30 18:47:30 18:52:30
h:min:s
Schreiber 0
4
#Drehzahl
*Basis: Bentonit
**Rührertrompe, Lufteinschluss im
Schallpfad. Die resultierende
S 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.

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16:50:00 16:55:00 17:00:00 17:05:00 17:10:00 17:15:00 17:20:00
5
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
h:min:s
4500
4000
3500
3000
2500
2000
1500
1000
500
3500
3250
3000
2750
2500
2250
2000
1750
1500
1250
1000
750
Schreiber 0 Schreiber 1

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1750
1500
1250
1000
750
500
250
12:50:00 12:55:00 13:00:00 13:05:00 13:10:00 13:15:00 13:20:00
h:min:s
Schreiber 0 Schreiber 1
400
375
350
325
300
12:47:30 12:52:30 12:57:30 13:02:30 13:07:30 13:12:30 13:17:30
h:min:s
Schreiber 0
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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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