Rheologie - Workshop - SFB...

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

Institut für Bohrtechnik und Fluidbergbau

Lehrgebiete

• Professur Bohrtechnik, Spezialtiefbauausrüstungen und Bergbaumaschinen

• Professur Geoströmungs-, Förder- und Speichertechnik

• Professur Boden - u. Gewässerschutz

Unsere Studenten (Student Chapter GSSPE)

Projekte: Bohrtechnik

Projekte: Reservoirengineering

Projekte: Bohrspülung

Bohrspülung

Bohrspülung:das Blut der Bohrung

http://www.newpark.com/thumb_BinaryStorage_287_fcp_300x.jpg

Bohrspülung: Aufgaben

• 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

Bohrspülung: Herausforderungen

• HT/HP

• Verlusthorizonte

• Underbalanced Drilling

• Kontamination

• Formation Damage

• Datenübertragung

• Horizontalbohrungen

• HSE

• Tone

Bohrspülung: Probleme im Ton

Bohrspülung: Spülungsstoffe

• Basis: Öl oder Wasser

• Strukturbildner

• Filtratsenker (Polymere)

• Beschwerungsmaterial

• Tenside

• Alkalien, Salze

• Spezial-Addditive

Bohrspülung: Spülungsparameter

• Dichte

• Rheologie

• Filtration

• pH-Wert

Bohrspülung: Fließkurve

Bohrspülung: Fließkennwerte

BINGHAM-Gerade

Bohrspülung: Informationen aus der Fließkurve

• Ƭ0• ƬB

• AV• PV

Zirkulation Zirkulation

StillstandStillstand

Bohrspülung: Informationen aus der Gelstärkemessung

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

Freiberg | 04.06.2014

Anne Schulz

Bochum, 04.06.2014

Einführung

[1][2]

[4] [5] [6]

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

Stand der Technik in der Bohrtechnik

Einführung…Status quo

Freiberg | 04.06.2014

• MCR302 von Anton Paar

• Rotation und Oszillationsmessungen

• Luftlager

• Koaxiale Zylindergeometrie (ISO 3219)

• Platte/Platte

• Kegel/Platte

• Präzise Temperierung möglich

• Normalspannungsmessung

• Temperierhaube

Vorstellung des Gerätes

Rheometer

Freiberg | 04.06.2014

• Weiter Scherratenbereich möglich ( γ = 0,001…1500 1/s)

• Digitale Messwertaufzeichnung erlaubt eine Approximation mit

mathematischen Modellen

Die Fließkurve

Rotationmessung

η = τ

Freiberg | 04.06.2014

ScherrateScherrate

Rotationsmessungen – Fließkurve

Mathematische Modelle

• 600 und 300 Fann-Werte → Hydraulische Berechnungen

• Modellfunktionen → nicht linear, da Bohrspülungen scherverdünnend sind

• Extrapolation der Viskosität in höheren Scherratenbereichen möglich

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

Freiberg | 04.06.2014

• 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)

Grundlagen zu Oszillationsmessungen

Oszillationsmessung

Freiberg | 04.06.2014

Oszillationsmessung

Dx1Dx1

Dx2Dx2

2-Platten-Modell

Freiberg | 04.06.2014

Oszillationsmessung

0 2 4 6

X Axis Title

0 2 4 6

X Axis Title0 2 4 6

X Axis Title

0°< d < 90°

Freiberg | 04.06.2014

Deformation

Bentonite 20°C

Polymer mud 20°C

OBM 20°C

Amplituden-Sweep

Fließgrenze und Gelstärke

Bohrspü-

G‘LVE in

G‘‘LVE in

G’-G’’ in

Crossover

τ0 in PaAPI τ0 in Pa

API τ‘‘ and τ‘

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

Freiberg | 04.06.2014

reversible Sol-Gel-Umwandlung

Thixotropie

Strukturaufbauprozess Strukturabbauprozess

• langsam

• keine Scherung

• wichtig, um Bohrklein in Schwebe

zu halten

• schnell

• nur während Scherung

• wichtig, um die Zirkulation

wieder anzufahren

Freiberg | 04.06.2014

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

Die Hystereseschleife

Thixotropie

Bohrspü-

Fläche

in Pa/s

Bentonit 1057

Polymer-

spülung6946

OBM 17495

Freiberg | 04.06.2014

• Beobachtung des Gelaufbauprozesses

• 93 min

Der 3-Interval-Thixotropie-Test

Thixotropie

Referenzperiodehohe

Scherung Erholungsphase

γ = 0,2 %

ω = 10 rad/s

γ = 0,2 %

ω = 10 rad/s

γ = 1022 1/s

Freiberg | 04.06.2014

30 40 50 60 70 80 90min

Zeit t

Bentonite 20°C

Der 3-Interval-Thixotropie-Test

Thixotropie

ErholungsphaseScherung

10 min

Referenz

Freiberg | 04.06.2014

API-Standard

τ0 nach Augenmaß

Maximum Fann-Werte

Differenz der Gelstärke-

Moderne Methoden

Crossover des Amplituden-

Sweeps

Niveau der G-Moduln im

LVE-Bereich

3-Interval-Thixotropie-

Empfehlung

Vergleich

Hysterese-

fläche

Freiberg | 04.06.2014

Zusammenfassung

Freiberg | 04.06.2014

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

Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit

Freiberg | 04.06.2014

[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.

Literatur und Quellen

Freiberg | 04.06.2014

• Bestimmung der Geleigenschaften ohne Strukturzerstörung

• ca. 47 min

Amplituden-Sweep

Fließgrenze und Gelstärke

Parameter Temperierung ErholungsphaseAmplituden-

Scherrate γ 100 1/s 0 1/s

Deformation γ 0,01 – 1000 %

Frequenz ω 10 rad/s

Zeit pro

Messpunkt5 s 10 s

Zeitvorgabe

Anzahl der

Messpunkte24 180

9 Punkte/

Decade

Zeit pro

Abschnitt120 s 1800 s Ca. 15 min

γ =𝑑𝑥

𝑑𝑦

Freiberg | 04.06.2014

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