DE1946505U - Vorrichtung zur untersuchung der fliess- und filtrationseigenschaften von suspensionen, insbesondere bohrspuelungen. - Google Patents

Description

Prof.Dr.-Ing.H.Becker

Verfahren und

eigenschaften von Suspensionen, insbesondere^.Bohrgpjilun^en

Die Erfindung betrifft im wesentlichen ein Verfahren zur Untersuchung der Fließ- und Filtrationseigenschaften von Suspensionen, insbesondere Bohrspülungen, sowie Vorrichtungen zur Durchführung dieses Verfahrens.

Zur Charakterisierung einer Suspension ist die Kenntnis des Fließ- und Filtrationsverhaltens von entscheidender Bedeutung. Besonders bei Bohrspülungen ist die Einhaltung bestimmter Anforderungen an das Fließ- und Filtrationsverhalten wichtig. Bisher wurden diese beiden Eigenschaften unabhängig voneinander mit einem Viskosimeter bzw. mit einem Filtrierapparat bestimmt. Ein wesentlicher Nachteil dieser bekannten Bestimmungsverfahren liegt darin, daß sich einerseits die Untersuchungsbedingungen, insbesondere Druck und Temperatur, nicht genügend angleichen lassen und andererseits bei den zur Einhaltung bestimmter Anforderungen notwendigen Behandlungen der Suspensionen durch Zugabe von Feststoffen, Dispergiermitteln etc. eine häufige Unterbrechung des Meßvorgangs notwendig ist, bis die gewünschten Eigenschaften erreicht sind» Schwierigkeiten bei der Untersuchung der Filtriereigenschaften treten außerdem auf, da bei den bekannten Verfahren der Filtratablaß z.B. über ein Reduzierventil in ein gasgefülltes Gefäß oder gegen die Atmosphäre erfolgt.

Die E_rfindung vermeidet diese Nachteile dadurch, daß die Fließ- und Filtrationseigenschaften von Suspensionen, insbesondere von Bohrspülungen, gleichzeitig in einer Vorrichtung selbst unter hohen Drücken und bei hohen Temperaturen bestimmt werden» Dabei wird das Fließverhalten der Suspension kontinuierlich kontrolliert und die Filtratabgabe mehrmals ohne Herausnahme des Filtermediums bestimmt. Die Durchführung dieser Verfahren wird dadurch möglich, daß ein Filtrierapparat und ein Viskosimeter durch Leitungen miteinander verbunden sind, in denen die Suspension durch ©ine Umwälzpumpe in Umlauf gehalten wird, wobei Filtrierapparat und Viskosimeter auch in eiern Druckgefäß, einem sogenannten Autoklaven, zusammengefaßt sein können. Der Filtrierapparat ist mit einem Rührwerk versehen. Der Rührflügel des Rührwerks kann auch auf der Antriebswelle des Viskosimsters befestigt werden. Der Meßwertgeber und das Antriebssystem des Viskosimeter sind im oberen Teil des Druckgefäßes untergebracht.

der frei von Flüssigkeit ist. Der Filtrierapparat wird zweckmäßig im Druckgefäß aufgehäügt, so daß er allseitig von Flüssigkeit umgeben ist.

Die Abbildungen 1 bis 3 zeigen drei Ausführungsbeispiele der zur Ausübung des Verfahrens verwendeten Vorrichtungen.

Abb. 1 zeigt im Schnitt einen Filtrierapparat, ein Viskosimeter und eine Umwälzpumpe, die durch Leitungen miteinander verbunden sind.

Abb. 2 zeigt im Schnitt ein anderes Ausführungsbeispiel, bei dem ein Filtrierapparat und ein Viskosimeter in einem Druckgefäß zusammengefaßt sind.

Abb. 3 aoigt im Schnitt ein weiteres Ausführungsbeispiel gemäß Abb. 2.

Nach Abb. 1: sind ein an sich bekannter Filtrierapparat 1, bestehend aus dem Boden 6 des Druckgefäßes 5j auf dem das Filtermedium 7 aufliegt, ein an sich bekanntes Rotationsviskosimeter 2 und eine Umwälzpumpe 3, durch die Leitungen 8, 9» 10 verbunden. Der Filtrierapparat 1 ist mit einem Rührblech k versehen, das über die Achse 11 und die Magnetkupplung, bestehend aus dem Ankermagneten 12 und dem Antriebsmagneten 13, angetrieben wird. Das Druckgefäß 5 iet über die Leitung 1*l· mit dem auch als Schleuse dienenden Ausgleichsgefäß 15 verbunden. Von der Bodenplatte 6 führt die Leitung 16 zur Filtratpumpe 17·

Bei dem Ausführungsbeispiel nach Abb. 2 ist das Viskosimeter 2 zusammen mit dem Filtrierapparat 1 in dem Autoklaven 5 untergebracht, Das an sich bekannte Viskosimeter besteht aus der hohlen Antriebsachse 11 mit dem Rotor 18, der Meßachse 19 und dem Meßzylinder 20. Der Meßzylinder 20 ist mit der Meßachse 19> an deren oberen Ende sich ein Meßwertgeber 21 befindet, an dem Torsionsfaden 22 aufgehängt. Innenmagnet 12 der Magnetkupplung, Meßwertgeber 21 und Torsionsfaden 22 befinden sich in dem oberen Teil 23 des Druckgefäßes, der frei von Flüssigkeit ist und dessen Temperatur durch die Kühlvorrichtung 2h geregelt wird. An dem Außenmantel des Rotors 18 sind die Rührbleche k angebracht. Die Stirnfläche 25 des Rotors 18 ist mit öffnungen 26 versehen und trägt Schaufeln 27. Das Filtriersystem dieses Ausfü&rungsbeispiels gleicht dem in Abb. 1 beschriebenen.

Das Auefühirungsbeispiel in Abb.3 zeigt eine Abwandlung des in Abb.2 dargestellten Apparates. Der Filtrierapparat 1 hängt hier frei in dem Druckgefäß 5 und besteht aus dem ringförmigen Gefäß 28, unter dem mittels der Bodenplatte 6 das Filtermedium 7 verspannt ist. Die durch den Autoklaven-

deckelt 29 geführte Leitung 16 verbindet Filtratpumpe 17 und Filtrierapparat 1 .

Zur Durchführung des Verfahrens werden der Filtrierapparat 1, das Viskosimeter 2, die Umwälzpumpe 3 und die Leitungen 8, 9» 10 mit der zu untersuchenden Suspension gefüllt. Durch das Ausgleichsgefäß 15 wird der Filtrierapparat unter Druck gesetzt. Der Druck wird dann durch die Leitungen 8, 9 und 10 auf die Umwälzpumpe 3 und das Viskosimeter 2 übertragen. Dies hat gegenüber den alten Verfahren den Vorteil, daß sowohl im Filtrierapparat 1 als auch im Viskosimeter 2 der gleiche Druck herrscht. Danach werden Rührwerk h_% Umwälzpumpe 3 und Viskosimeter 2 in Betrieb gesetzt und die in den Abbildungen nicht näher bezeichneten Aufheizvorrichtungen des Filtrierapparates und des Viskosimeters eingeschaltet. Das Rührwerk h sorgt in dem Filtrierapparat 1 für eine gute Durchmischung der Suspension und für eine gleichmäßige Temperaturverteilung des Inhaltes. Die Umwälzpumpe 3 saugt aus dem unteren Drittel des Filtrierapparates über die Leitung 8 die Suspension an und drückt sie über den Leitungsabschnitt 9 durch das Viskosimeter 2 und über den Leitungsabschnitt 10 zurück in den Filtrierapparat 1. Dadurch wird dem Viskosimeter ständig frische Substanz zugeführt.

Nachdem die Suspension die Untersuchungstemperatur erreicht hat, wird der erste Filtertest vorgenommen. Dazu wird das Rührwerk k im Filtrierapparat gestoppt. Vor dem Versuch sind die Leitung 16 und die Filtratpumpe 17 mit einer Sperrflüssigkeit wie z.B. Quecksilber gefüllt, wodurch die Leitung und die Filtratpumpe 17 mit dem im Druckgefäß herrschenden Druck belastet werden. Durch die Filtratpumpe 17 wird in der Leitung 16 und in der Filtrat pumpe das Volumen vermindert, so daß sich unter dem Filtermedium 7 ein von der Volumenabnahme abhängiger Druckabfall gegenüber dem Autoklavendruck einstellt. Diese Druckdifferenz bewirkt ein ZuflddJen von Filtrat durch die Leitung 16 in die Filtratpumpe, wobei sich gleichzeitig ein mit der Zeit dichter und dicker werdender Filterkuchen aus der festen Phase der Suspension auf dem Filtermedium 7 bildet. Um eine Vermischung von Filtrat und Sperrflüssigkeit zu vermeiden, ist es zweckmäßig, in die Leitung ein Filtratauffgfanggefäß einzufügen. Die EiIt rat pumpe wird während des Filtrierens so geregelt, daß der Filtrationsdruck konstant bleibt. Die Filtratpumpe hat den Vorteil, daß der zur Filtratmengenmessung benötigte Differenzdruck unabhängig vom Autoklavendruck und beliebig von Null bis zur Höhe des Autoklavendruckes einstellbar ist. Zweckmäßigerweise kann an der Filtratpumpe, die z.B. als Spindelpumpe ausgeführt ist, die zeitlich

„Zuzufließende Filtratmenge abgelesen werden, Hat das in einer bestimmten Zeiteinheit zufließende Filtrat die gewünschte Menge erreicht, so kann der Versuch abgebrochen werden. Die Filterkuchenstärke wird dann nach dem Auseinandernehmen des Druckgefäßes 5 und des Filtrierapparates 1 bestimmt»

Die über das Fließverhalten der Suspension erhaltenen Werte werden während der ganzen Versuchsdauer registriert. Einer der wesentlichen Vorteil© des neuen Verfahrens liegt darin, daß zur Korrektur der Suspensionseigenschaften die eine Zugabe z.B. regulierender Chemikalien bedingt, die Untersuchungsapparatur nicht entliert, zerlegt, gesäubert, erneut zusammengebaut und mit einer veränderten Suspension beschickt werden muß. Vielmehr kann die Suspension ohne Änderung der Druck- und Temperaturverhältnisse im Druckgefäß weiter untersucht werden. Der Filterkuchen muß lediglich von dem Filtermedium 7 entfernt und das Filtrat der Suspension wieder zugemischt werden. Das geschieht dadurch, daß das Filtrat durch die Leitung 16 und das Filtermedium 7 in das Druckgefäß 5 zurückgepreßt wird| dabei hebt sich der Filterkuchen von dem Filtermediipi 7 ab und wird durch das mit hoher Drehzahl rotierende Rührblech k schnell in der Suspension verteilt. Ein geringer Abstand des Sührbleches h- über dem Filtermedium unterstützt den Ablb'sevorgang des Filterkuchens. Durch das als Druckschleuse ausgeführte. Auagleichsgefäß 15 können der Suspension Chemikalien zugeführt werden. Nach genügender Dur chmi eise hung von Suspension und Chemikalien - zur Kontrolle der Vermischung wird zweckmäßigerweise die Viskosität benutzt kann der Filtertest wiederholt werden. Auf diese Art kann die Untersuchung der Suspension beliebig oft wiederholt werden, ohne daß die Apparatur zuvor entspannt oder abgekühlt werden muß.

Eine weitere Möglichkeit zur vereinfachten Ausübung des neuen Verfahrens bietet die in Abb. 2 dargestellte Vorrichtung, da der Filtrierapparat 1 und das Viskosimeter 2 hierbei in einem Druckgefäß 5 untergebracht sind. Als Viskosimeter wird zweckmäßigerweise eine Gouette-Meßeinrichtung verwendet, bei der der Rotor 18 über die Magnetkupplung 12, 13 und die Hohlwelle 11 angetrieben wird. Der Meßzylinder 20 ist an der Meßachse 19 befestigt, die an ihrem oberen Ende mit den Schleifern 30 des Meßwertgebers 21 verbunden ist. Die Meßachse 19 ist an dem Torsionsfaden 22 im oberen Teil J1 des Druckgefäßes 5 aufgehängt. Der Meßzylinder hängt frei im Rotor. Bei genügend kleinem Meßspalt 32 erfolgt eine Zentrierung der Zylinder durch den Suspensionsfilm im Meßspalt, Der Rotor 18 wird über die Magnetkupplung 12, 13 und die Hohlachse 11 mit stufenlos regelbarer Drehzahl rotiert. Anstelle der Magnetkupplung kann auch ein Motor, der in dem flüssigkeitsleeren Raum des Druckgefäßes untergebracht ist, zum

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Antrieb des Rotors verwendet werden.

Entsprechend der Viskosität der im Meßspalt 32 vorhandenen Suspension wird der durch den Torsionsfaden 22 gehmmte Meßzylinder 20 um einen bestimmten Winkel ausgelenkt. Dieser Winkel ist bei bekannter Drehzahl des Rotors ein Maß für die Viskosität der Suspension. Er wird durch die Verstellung des Schleifers JO auf dem Meßwertgeber 21 elektrisch abgetastet und kann an der Anzeige des Spannungsmessers 33 direkt abgelesen werden. Anstelle des Schleifers 30 könnte auch eine mit Gradeinteilung versehene Scheibe verwendet werden, deren Stellung durch ein druckgekapseltes Fenster abgelesen wird. Der Innenmagnet 12 der Magnetkupplung, der Meßwertgeber 21 und der Torsionsfaden 22 sind in dem flüssigkeitsleeren Raum 23 des Druckgefäßes 5 untergebracht» Durch die Kühlvorrichtung 2h wird dieser Baum auf konstanter Temperatur gehalten, so daß die Meßwerte fehlerfrei abgetastet und übertragen werden können. Dadurch, daß der Meßzylinder 20 in dem Rotor 18 reibungsfrei aufgehängt ist, wird mit dieser Anordnung die Genauigkeit eines unter atmosphärischen Bedingungen arbeitenden Rotationsviskosimeter vom Couette-Typ auch in einem Hochdrhcksystem erzielt. Damit besitzt diese Anordnung einen wesentlichen Vorteil gegenüber den heute gebräuchlichen Hochdruckviskosimetern. Ein weiterer Vorteil dieser Anordnung liegt darin, daß der Antriebszylinder des Viskosimeters mit geeigneten RUhrblechen versehen werden kann, die zweckmäßigerweise an dem Außenmantel oder unter dem Rotor angeordnet werden. Dadurch läßt sich die Viskositätsmeßeinrichtung gleichzeitig vorteilhaft zur Durchmischung der Suspension verwenden. Der Durchlauf der Suspension durch den Meßspalt wird z.B. dadurch erreicht, daß gemäß Abb. 2 die Stirnfläche 25 des Rotors 18 mit Öffnungen 26 und Schaufeln 27 versehen ist. Die Schaufeln wirken derart, daß bei Drehung des Rotors die Suspension durch die Öffnungen und den Meßspalt 32 gesaugt wird. Die Messung des Filtratverlustes geschieht bei dieser Anordnung in der oben beschriebenen Weise.

Nach Abb. 3 hängt der Filtia©£apparat 1 frei im Druckgefäß 5. Dadurch wird erreicht, daß die zumischen dem Ringkörper 28 und der Bodenplatte $ verspannte Dichtung 3^ nur durch den zum Filtrieren notwendigen Differenzdruck belastet wird. Zur Vermeidung einer Sedimentation der suspendierten Feststoffe bei der Filtratmessung kann der Filtrierapparat auch so angeordnet werden, daß die Filterfläche nach unten zeigt. Besonders vor^teilhaft ist diese Anordnung von Filtrierapparat und Viskosimeter unter dem Druckgefäßdeckel 29 auch deshalb, weil beide Vorrichtungen zusammen mit dem Deckel2$

in das Druckgefäß eingelassen oder herausgezogen werden können. Dadurch kann das Druckgefäß leicht entleert und gesäubert werden.

RA.i.27 931*13.B-66

von BuspQnsiqnen__L^nsbesonj^rg Bohrspülungen

Die Vorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, daß

) Viskosität und Filtratmenge gleichzeitig (in einer Vorrichtung) bestimmt werden können.

2) die Viskositäts~ und die Filtratmengenmessung unter hohem Druck und bei hohen !Temperaturen durchgeführt werden können.

3) mehrere Messungen der Filtratmenge ohne Herausnahme des Filtermediums durchgeführt werden können.

Aufbau der Vorrichtung

1) Ein FiltrierapparaH(siehe Abb. 1), ein Rotationsviskosimeter 2 und eine Umwälzpumpe 3 sind in je einem Druckgefäß untergebracht. Die drei Druckgefäße sind durch Rohrleitungen miteinander verbunden. Jedes Druckgefäß ist mit einem Heizmantel versehen. Dor Filtrierapparat besitzt ein Rührwerk ^, 11, daß über eine Magnetkupplung 12, I3 angetrieben wird. An der Bodenplatte 6 ist über eine Le'itung die Filtratpumpe 17 angeschlossen.

2) Der Filtrierapparat, das Rotations-Viskosimeter, das Rührwerk, das Antriebssystem und das Meßsystem sind in einem Druckgefäß, das von einem Heizmantel umgeben ist, zusammengefaßt. Das Meßsystem und das Antriebssystem des Viskosimeters sind im oberen Teil des Druckgefäßes untergebracht.

Rührwerk? Der Rührflügel des Rührwerkes ist auf der Antriebswelle des Viskosimeters befestigt | oder die Stirnfläche des Rotors dee Viskosimeters besitzt Öffnungen, die mit Behäufeln versehen sind»

a) Der Filtrierapparat 1 (siehe Abb. 2) bildet die Bodenplatte 6 des Druckgefäßes. Die Filtratpumpe 17 ist an der Bodenplatte anschlössen.

b) Der Filtrierapparat (siehe Abb. 3) hängt frei im Druckgefäß. Die durch den Druckgefäßdeckel 29 geführte Leitung 16 verbindet die Filtratpumpe 17 und den Filtrierapparat.

Claims (1)

1. Eine Vorrichtung, die es erlaubt, die Fließ- und Filtrationseigenschaften von !Suspensionen wie z.B. Bohrspülungen zu bestimmen, diese Messungen bei hohen Drücken und bei hohen Temperaturen durchzuführen und mehrere Messungen der Filtratmenge ohne Herausnahme des Filtermediums vorzunehmen.
   Diese Vorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, daß

   nach An^apruchi ein Filtrierapparat, ein Rotationsviskosimeter und eine Umwälzpumpe durch Leitungⁿmiteinander verbunden sind.

   Wacji__Ansp_ru_ch^2 der Filtrierapparat mit einem Rührwerk versehen ist.

   nac_h__Ans£ru_ch__^ der Filtrierapparat, das Viskosimeter, das Rührwerk, das Antriebssystem und das Meßsystem in einem Druckgefäß zusammengefaßt sind.

   nach Anspruoh k bei der Vorrichtung nach Anspruch J der Rührflügel des Rührwerks auf der Antriebswelle des Viskosimeter befestigt ist.

   ^ ^eI der Vorrichtung nach Anspruch 3 die Stirnfläche

   des Rotors des Viskosimeter Öffnungen besitzt und mit Schaufeln versehen ist.

   _6 bei Vorrichtung nach Anspruch 5 das Meßsystem

   und das Antriebssystem des Viskosimeters im oberen Teil des Druckgefäßes untergebracht sind«

   -Anspr; uοh_ 7 bei der Vorrichtung nach Anspruch 3 der Filtrierapparat im Druckgefäß frei aufgehängt ist.