Rheologie - Workshop - SFB 837sfb837.sd.rub.de/downloads/rheologie_vortraege/RHEOVortrag_Strauss... · Lehrgebiete 3 Institut für Bohrtechnik und Fluidbergbau • Professur Bohrtechnik,

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


• Professur Bohrtechnik, Spezialtiefbauausrüstungen und Bergbaumaschinen

• Professur Geoströmungs-, Förder- und Speichertechnik

• Professur Boden - u. Gewässerschutz

Unsere Studenten (Student Chapter GSSPE)

4


Projekte: Bohrtechnik

5


Projekte: Reservoirengineering

6


Projekte: Bohrspülung

7


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]


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

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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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34

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

???


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.

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Literatur und Quellen


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• Bestimmung der Geleigenschaften ohne Strukturzerstörung

• ca. 47 min

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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


Freiberg | 04.06.2014

Documents

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