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Rheologie - Workshop:„Innovative rheologische Messprozeduren zur Beschreibung des Verhaltens
von Bohrspülungen“
H. Strauß, A. Schulz, TU BAF, Institut für Bohrtechnik und Fluidbergbau
Bochum, d. 04. Juni 2014
Lehrgebiete und Projekte
2
Institut für Bohrtechnik und Fluidbergbau
Lehrgebiete
3
Institut für Bohrtechnik und Fluidbergbau
• Professur Bohrtechnik, Spezialtiefbauausrüstungen und Bergbaumaschinen
• Professur Geoströmungs-, Förder- und Speichertechnik
• Professur Boden - u. Gewässerschutz
Unsere Studenten (Student Chapter GSSPE)
4
Institut für Bohrtechnik und Fluidbergbau
Projekte: Bohrtechnik
5
Institut für Bohrtechnik und Fluidbergbau
Projekte: Reservoirengineering
6
Institut für Bohrtechnik und Fluidbergbau
Projekte: Bohrspülung
7
Institut für Bohrtechnik und Fluidbergbau
Bohrspülung
8
Bohrspülung:das Blut der Bohrung
http://www.newpark.com/thumb_BinaryStorage_287_fcp_300x.jpg
Bohrspülung: Aufgaben
9
• Reinigung der Bohrlochsohle• Bohrklein-Transport• Stabilisierung der Bohrlochwand• Beherrschen der Formationsdrücke• Kühlung der Werkzeuge• Übertragung von hydraulischer Energie• Reduzierung von Reibung• Schutz vor Korrosion• Datenübertragung
Bohrspülung: Schema
10
Bohrspülung: Herausforderungen
11
• HT/HP
• Verlusthorizonte
• Underbalanced Drilling
• Kontamination
• Formation Damage
• Datenübertragung
• Horizontalbohrungen
• HSE
• Tone
Bohrspülung: Probleme im Ton
12
Bohrspülung: Spülungsstoffe
13
• Basis: Öl oder Wasser
• Strukturbildner
• Filtratsenker (Polymere)
• Beschwerungsmaterial
• Tenside
• Alkalien, Salze
• Spezial-Addditive
Bohrspülung: Spülungsparameter
14
• Dichte
• Rheologie
• Filtration
• pH-Wert
Bohrspülung: Fließkurve
15
Bohrspülung: Fließkennwerte
16
BINGHAM-Gerade
PV
Ƭ0
ƬB
AV
Bohrspülung: Informationen aus der Fließkurve
17
• Ƭ0• ƬB
• AV• PV
Zirkulation Zirkulation
StillstandStillstand
Bohrspülung: Informationen aus der Gelstärkemessung
18
Auf- und Abbau von Bindungskräften (reversible Sol-Gel-Umwandlung)
Moderne rheologische Messungen zum besseren
Verständnis des Fließverhaltens von Bohrspülungen –
vergleichende Betrachtungen herkömmlicher und neuer,
innovativer Messverfahren
TU Bergakademie Freiberg | Institut für Bohrtechnik und Fluidbergabu | Agricolastr. 22, 09599 Freiberg | www.tu-freiberg.de | Anne Schulz |
Freiberg | 04.06.2014
Anne Schulz
Bochum, 04.06.2014
20
Einführung
[1][2]
[3]
[4] [5] [6]
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Freiberg | 04.06.2014
Typische Probleme verursacht durch die Bohrspülung [8]:
• Barytsedimentation
• Spülungsverlust
• Differential sticking
• Bohrkleintransport
• Zu schnelle/langsame Vergelung bei
hoher/niedriger Temperatur
Grenzen des Fann Viskometer:
• Kleine Scherraten < 5.1 1/s → LSRV
• Fließgrenzenbestimmung durch Augenmaß
• Achsenskalierung ist nicht festgelegt [9, 10]
• Gelstärke-Werte sind subjektiv und nicht immer reproduzierbar
• Thixotropie kann negativ werden
• Ungenaue Temperierung
21
Stand der Technik in der Bohrtechnik
Einführung…Status quo
[7]
[7a]
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• MCR302 von Anton Paar
• Rotation und Oszillationsmessungen
• Luftlager
• Koaxiale Zylindergeometrie (ISO 3219)
• Platte/Platte
• Kegel/Platte
• Präzise Temperierung möglich
• Normalspannungsmessung
• Temperierhaube
22
Vorstellung des Gerätes
Rheometer
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• Weiter Scherratenbereich möglich ( γ = 0,001…1500 1/s)
• Digitale Messwertaufzeichnung erlaubt eine Approximation mit
mathematischen Modellen
23
Die Fließkurve
Rotationmessung
η = τ
γ
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ScherrateScherrate
Sch
ub
sp
an
nu
ng
Sch
ub
sp
an
nu
ng
Rotationsmessungen – Fließkurve
24
Mathematische Modelle
• 600 und 300 Fann-Werte → Hydraulische Berechnungen
• Modellfunktionen → nicht linear, da Bohrspülungen scherverdünnend sind
• Extrapolation der Viskosität in höheren Scherratenbereichen möglich
0
20
40
60
80
100
120
140
160
Pa
0 200 400 600 1.0001/s
Scherrate .
Polymer mud 20°C
Polymer mud 5°C
tau0 = 2,941 Pa; b = 1,6603; p = 0,59796
Herschel-Bulkley 20°C
tau0 = 2,2041 Pa; b = 2,4307; p = 0,60604
Herschel-Bulkley 5°C
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• Anregung: 𝛾(𝑡) = 𝛾𝐴 + 𝑠𝑖𝑛(𝜔𝑡)
• Antwort: 𝜏(𝑡) = 𝜏𝐴 + 𝑠𝑖𝑛(𝜔𝑡 + 𝛿) mit 0° ≤ δ ≤ 90°
• Definition: 𝐺∗ = 𝜏 𝑡 𝛾 𝑡 = 𝑓 𝐺′, 𝐺′′ = 𝐺′ + 𝑖𝐺′′ (komplexer Schermodul)
• 𝐺′ = 𝐺∗ cos 𝛿 [Pa] Speichermodul (elastischer Anteil)
• 𝐺′′ = 𝐺∗ sin 𝛿 [Pa] Verlustmodul (viskoser Anteil)
25
Grundlagen zu Oszillationsmessungen
Oszillationsmessung
[11]
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26
Oszillationsmessung
Dy
Dx1Dx1
Dx2Dx2
2-Platten-Modell
[12]
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27
Oszillationsmessung
0 2 4 6
0
B
Y A
xis
Title
X Axis Title
0 2 4 6
0
B
Y A
xis
Title
X Axis Title0 2 4 6
0
B
Y A
xis
Title
X Axis Title
0°< d < 90°
Zeit
Sc
hu
bs
pan
nu
ng
t
De
form
ati
on
g
[12]
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10-2
10-1
100
101
102
103
Pa
G'
G''
10-2
10-1
100
101
102
103
%
Deformation
Bentonite 20°C
Polymer mud 20°C
OBM 20°C
28
Amplituden-Sweep
Fließgrenze und Gelstärke
Bohrspü-
lung
G‘LVE in
Pa
G‘‘LVE in
Pa
G’-G’’ in
Pa
Crossover
τ0 in PaAPI τ0 in Pa
API τ‘‘ and τ‘
in Pa
Bentonit 90,5 2,2 88,3 5,6 6,2 7 und 12
Polymer-
spülung13,1 7,0 6,1 3,9 13,0 9,6 und 10,6
OBM 261,3 46,6 214,7 12,6 3,4 5,3 und 24
• Crossover kann als
Fließgrenze
interpretiert werden
• G’ – G’’ kann als
Gelstärke
interpretiert werden
LVE-Bereich
LVE… linearviskoelastisch
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reversible Sol-Gel-Umwandlung
29
Thixotropie
Thixotropie
Strukturaufbauprozess Strukturabbauprozess
• langsam
• keine Scherung
• wichtig, um Bohrklein in Schwebe
zu halten
• schnell
• nur während Scherung
• wichtig, um die Zirkulation
wieder anzufahren
[13]
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0
20
40
60
80
100
120
140
Pa
0 200 400 600 800 1.0001/s
Scherrate .
OBM 20°C
Polymer mud 20°C
Bentonite 20°C
• Beurteilung des Strukturabbauprozesses bei Scherung
• Je kleiner die eingeschlossene Fläche zwischen Aufwärts- und –
abwärtskurve ist, desto schneller geht der Strukturabbauprozess
30
Die Hystereseschleife
Thixotropie
Bohrspü-
lung
Fläche
in Pa/s
Bentonit 1057
Polymer-
spülung6946
OBM 17495
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• Beobachtung des Gelaufbauprozesses
• 93 min
31
Der 3-Interval-Thixotropie-Test
Thixotropie
Referenzperiodehohe
Scherung Erholungsphase
2 min
γ = 0,2 %
ω = 10 rad/s
1 h
γ = 0,2 %
ω = 10 rad/s
5 s
γ = 1022 1/s
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100
101
102
Pa
G'
G''
10-2
10-1
Pa·s
30 40 50 60 70 80 90min
Zeit t
Bentonite 20°C
G'
G''
32
Der 3-Interval-Thixotropie-Test
Thixotropie
ErholungsphaseScherung
10 min
1 h
10 s
Referenz
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API-Standard
τ0 nach Augenmaß
Maximum Fann-Werte
Differenz der Gelstärke-
werte
Moderne Methoden
Crossover des Amplituden-
Sweeps
Niveau der G-Moduln im
LVE-Bereich
3-Interval-Thixotropie-
Test
33
Empfehlung
Vergleich
Hysterese-
fläche
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Zusammenfassung
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Idee zur Modernisierung der rheologischen
Messmethoden in der Bohrtechnik
Stand der Technik/Praxis in anderen Industrien
Anwendung der Tests für die Charakterisierung von
Bohrspülungen
Entwicklung einheitliche Messprozeduren für verschiedene Bohrspülungstypen
Verknüpfung von Messdaten mit Praxis
35
Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit
???
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[1] http://autoimg.kochbar.de/kbrezept/187931_91846/400x266/rezept- salatdressing-1-joghurt-kraeuter-dressing.jpg; 16.5.2013
[2] http://www.stegmaier.de/files/farbeimer.jpg; 16.5.2013
[3] http://d1.stern.de/bilder/stern_5/digital/2013/KW09/Zahnpasta_fitwidth
_420.jpg; 16.5.2013
[4] http://www.anchorusa.com/images/pic-products.jpg; 16.5.2013
[5] http://www.baulinks.de/webplugin/2011/i/1418-mc-bauchemie2.jpg; 16.5.2013
[6] http://www.sos03.lt/files/images/Kosmetika%20ir%20sveikata.jpg; 21.5.2013
[7] http://www.geminibv.nl/labware/fann-35sa-viscometer/ ; 7.5.2012.
[7a] http://petroleumsupport.com/wp-content/uploads/2013/05/Multi-rate-viscometer.jpg; 7.04.2014
[8] Watson, P., Meize, B., Aldea, C. and Blackwell, B., 2004, ”Eastern Gulf of Mexico: Inhibitive Water-Based Drilling Fluid Sets Ultra-Deepwater Records, ”IADC/SPE Drilling Conference, Dallas, pp. 1 –14; IADC/SPE 87131.
[9] Zamora, M., Broussard, P. N. and Stephens, M. P., 2000, “The Top 10 Mud-Related Concerns in Deepwater Drilling Operations, ”SPE International Petroleum Conference and Exhibition, Villahermosa, pp. 1-9; SPE 59019.
[10] McLean, A., Wilde, A., Zamora, M. and Rafferty, M., 2010, ”The Top 10 Mud-Related Concerns in Deepwater Drilling Operations –Revisited After 10 Years, ”SPE International Petroleum Conference and Exhibition, Houston, pp. 1-10; AADE-10-DF-HO-042010.
[11] Mezger, T. G., 2010, Das Rheologie Handbuch - Farbe und Lack Edition, Vincentz Network GmbH & Co. KG, Hannover, pp. 81-82, 149 –157.
[12] Dr. Eberhard Pietsch; Rheologie und Rheometrie Einführende Vorlesung an der TU BergakademieFreiberg, presentation, Fa. Thermo Fischer Scientific, january 2011.
[13] http://www.rheologe.de; 16.04.2012.
36
Literatur und Quellen
TU Bergakademie Freiberg | Institut für Bohrtechnik und Fluidbergabu | Agricolastr. 22, 09599 Freiberg | www.tu-freiberg.de | Anne Schulz |
Freiberg | 04.06.2014
• Bestimmung der Geleigenschaften ohne Strukturzerstörung
• ca. 47 min
37
Amplituden-Sweep
Fließgrenze und Gelstärke
Parameter Temperierung ErholungsphaseAmplituden-
Sweep
Scherrate γ 100 1/s 0 1/s
Deformation γ 0,01 – 1000 %
Frequenz ω 10 rad/s
Zeit pro
Messpunkt5 s 10 s
Keine
Zeitvorgabe
Anzahl der
Messpunkte24 180
9 Punkte/
Decade
Zeit pro
Abschnitt120 s 1800 s Ca. 15 min
γ =𝑑𝑥
𝑑𝑦
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Freiberg | 04.06.2014
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