DE2953152C1

DE2953152C1 - Verfahren zur Ermittlung des Koagulationswertes einer Bohrspuelung und Einrichtung zur Durchfuehrung des Verfahrens

Info

Publication number: DE2953152C1
Application number: DE2953152A
Authority: DE
Inventors: Stanislav A. Aljechin; Vitold M. Bachir; Raisa I. Ta&scaron;kent Born
Original assignee: SRED AZ NI SKIJ I PRIRODNOGO G
Current assignee: SRED AZ NI SKIJ I PRIRODNOGO G
Priority date: 1978-09-22
Filing date: 1979-08-30
Publication date: 1984-11-29
Also published as: AU530715B2; US4341115A; CA1146274A; NL7906995A; HU182992B; DE2953152A1; FR2436989A1; IN151282B; JPS55500671A; IT7925945A0; FR2436989B1; AU5142979A; WO1980000726A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Messung des Koagulationswertes gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 sowie auf eine Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 2.

Am zweckmäßigsten ist die vorliegende Erfindung in der Erdöl- und Erdgasindustrie bei der Zubereitung einer Bohrspülung auszunutzen.

Die Erfindung kann auch mit Erfolg bei der Regenerierung, d. h. bei der Wiederherstellung der ursprünglichen Eigenschaften einer Bohrspülung, angewendet werden.

Zur Zeit werden in der Bohrpraxis für Bohrungen verschiedener Tiefe tonhaltige Bohrspülungen verwendet.

Zur Charakterisierung der strukturell-mechanischen Eigenschaften einer Bohrspülung auf einer Tonbasis wird ein Spülungs-Viskositätskennwert weitgehend angewendet, der in der Regel mit Hilfe von Rotationsviskosimetern verschiedener Bauart gemessen wird. Darüber hinaus wird der praktisch im Labor ermittelte Kennwert einer statischen Schubspannung ausgewertet.

Zur Zeit ist eine Charakteristik der strukturell-mechanischen Eigenschaften einer Bohrspülung auf einer Tonbasis mit Hilfe eines sogenannten »Koagulationswertes« (KW) bekannt, der das Verhältnis der statischen Schubspannung zur Viskosität der Spülung darstellt. Dieser Kennwert kennzeichnet den Koagulationsgrad einer Tonspülung (s. ]u. Zuchovickij — Regulierung der Tonlösungen, Gostoptechnisdat, Moskau 1960).

In der gegenwärtigen Praxis werden diese beiden

ίο Kennwerte einzeln von Hand gemessen, d. h. die Viskosität wird durch Viskosimeter beliebigen Typs und die statische Schubspannung mit einem Meßgerät für eine statische Spannung ermittelt. Die manuelle Messung dieser Parameter nimmt viel Zeit in Anspruch und hat einen unregelmäßigen Charakter, weshalb die Meßgenauigkeit sprunghaft abnimmt. Dies gestattet es wiederum nicht, eine Dauerüberwachung für den Zustand der Bohrspülung während der Zubereitung und Zirkulation im Bohrloch durchzuführen, was eine wichtige Bedingung für das Niederbringen einer Bohrung sowie für die automatische Zubereitung der Spülung ist.

Aufgabe der Erfindung ist es, das Meßverfahren der eingangs genannten Art dahingehend zu verbessern, daß eine kontinuierliche Messung des Koagulationswertes möglich ist, sowie eine Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens zu schaffen.

Diese Aufgabe wird durch die im Patentanspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst. Eine Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens ist im Patentanspruch 2

jo beschrieben.

Das erfindungsgemäße Verfahren gestattet es, eine Dauerüberwachung für die strukturell-mechanischen Eigenschaften einer Bohrspülung mit einer ausreichenden, eine hohe Meßgenauigkeit gewährleistenden Häu-

J5 figkeit der Parametermessung zu ermöglichen. Durch Erhöhung der Meßgenauigkeit können rasch und genau Maßnahmen ergriffen werden, die die Stabilität und die Güte der Bohrspülung steigern. Hierbei wird die Zeit für die Wiederherstellung der Parameter und Eigenschäften der Spülung bei deren Umlauf verkürzt.

Die Erfindung soll nachstehend anhand einer eingehenden Beschreibung eines konkreten Ausführungsbeispiels und der Zeichnung näher erläutert werden. Es zeigt

F i g. 1 schematisch eine Ansicht der Meßeinrichtung, F i g. 2 ein detaillierteres Blockschaltbild der Meßeinrichtung.

Zum besseren Verständnis des Wesens der Erfindung sei zunächst auf F i g. 1 eingegangen. Dort sind zunächst nur Grundelemente beschrieben, die zur Meßeinrichtunggehören.

In der Praxis der Zubereitung von Bohrspülungen sind die wichtigsten Kennwerte einer Bohrspülung deren Viskosität und die statische Schubspannung. Obwohl den Fachleuten auf dem Gebiet des Bohrens der Fachausdruck »statische Schubspannung« (SSS) geläufig ist, wird hier unter diesem Fachausdruck eine Kraft verstanden, die notwendig ist, um die Spülung aus dem Ruhezustand zu bringen.

In letzter Zeit wird zur Kennzeichnung der Stabilität der Bohrspülung ein »Koagulationswert« (KW) genannter Parameter ausgenutzt, der ein Verhältnis der Größe einer statischen Schubspannung zu der einer Viskosität darstellt. Er wird durch ein Verhältnis bestimmt:

KW = -ψ

wobei

Q — die statische Schubspannung
T — die Viskosität

bezeichnet.

Die Meßeinrichtung für die strukturell-mechanischen Eigenschaften einer Bohrspülung, nämlich den Koagulationskennwert, enthält ein Viskosimeter 1 (Fig. 1). Als Viskosimeter kann ein beliebiges zur Zeit bekanntes Rotationsgerät zur Viskositätsmessung angewendet werden, das es gestattet, eine Dauerüberwachung der Viskosität durchzuführen. In der beschriebenen praktischen Ausführungsform wird ein Viskosimeter I ausgenutzt, das ein eine Schaufel 3 auf einer mit einem Elektromotor 5 verbundenen Welle 4 darstellendes Fühlerelement 2 aufweist. Zur Bestimmung der Viskosität der Bohrspülung wird die Schaufel 3 in die Spülung gebracht und mit Hilfe des Elektromotors 5 und der Welle 4 in Drehung versetzt. Bei einer Änderung der Viskosität der Spülung, beispielsweise bei deren Vergrößerung, nimmt proportional der Bewegungswiderstand für die Schaufel 3 zu, die Welle 4 wird gebremst, was zu einer Änderung des Stroms über den Elektromotor 5 führt. Die Stromänderung im Elektromotor 5 ist also proportional zur Änderung der Viskosität der Bohrspülung und wird von einem Meßwandler 6 erfaßt.

Zur Ermittlung der statischen Schubspannung wird ein in der Bohrpraxis oft verwendetes Meßgerät 7 ausgenutzt, das ein Fühlerelement 8 enthält, das in Form eines in einem Behälter mit der Spülung gebrachten Rippenzylinders 9 ausgeführt ist, wobei der Behälter durch einen Elektromotor 10 in Bewegung gesetzt wird. Der Zylinder 9 wird mit einem Meßwandler mit Hilfe eines Stahldrahtseiles 11 verbunden. Entsprechend dem Verdrehungswinkel des Seiles 11 werden Signale erhalten, die durch einen Meßwandler 12 zur statischen Schubspannung proportionale elektrische Signale (beispielsweise Stromsignale) umgewandelt werden.

Außerdem sind eine Gleichstromquelle 13 und eine zum Eintauchen in die Bohrspülung geeignete Elektrode 14 vorgesehen. Es ist auch eine Auswerteschaltung 15 zum Vergleichen der Meßwerte (von 1 und 7) vorhanden. Die Fühlerelemente 2 und 8 sowie die Elektrode 14 sind mit der Gleichstromquelle 13 über einen Polumschalter (Umschalter 16) verbunden.

Das Meßverfahren für den Koagulationswert einer Spülung, das eine Ermittlung ihrer Viskosität durch das Viskosimeter 1 mit dem Fühlerelement 2 und ihrer statischen Schubspannung mit mittels des Meßgeräts 7 für eine statische Schubspannung dem Fühlerelement 8 einschließt, besteht darin, daß die Fühlerelemente 2 und 8 an einen gleichen Pol der Stromquelle 13 angeschlossen werden. In die Bohrspülung wird die an den entgegengesetzten Pol der Stromquelle 13 angeschlossene Elektrode 14 getaucht. Hierbei baut sich zwischen der Elektrode 14 und den Fühlerelementen 2 und 8 ein elektrisches Feld auf. Über die Bohrspülung fließt also ein elektrischer Strom. Wenn beispielsweise zur Anfangszeit die Polarität des Pols der Stromquelle 13. an den die Fühlerelemente 2 und 8 gelegt sind, positiv ( + ) war, so entsteht in ihrer Richtung eine gerichtete Bewegung fester, negativ geladener Tonteilchen der Bohrspülung, die zu deren Gruppierung und teilweiser Haftung an der Oberfläche der Fühlerelemente 2 und 8 führt. Während der gesamten Zeit der Gruppierung und Haftung der Teilchen wird ein zwischen der Elektrode 14 und den Fühlerelementen 2 und 8 fließender elektrischer Strom gemessen.

Mit der fortschreitenden Ansammlung einer immer größeren Menge der Teilchen an den Fühlerelementen 2 und 8 wird der Strom des Elektromotors 5 anwachsen, bis die negativ geladenen Teilchen die positive Ladung der Fühlerelemente 2 und 8 kompensiert haben. In dem Moment, in dem der Strom einen Maximalwert erreicht, wird er stabil, worauf die Messung von Viskosität und statischer Schubspannung eingeleitet wird. ίο Diesen Meßwerten entsprechenden Signale treten am Ausgang der Meßwandler 6 und 12 auf. woraus dann ein erster Quotient der Signale der statischen Schubspannung und der Viskosität ermittelt wird. Danach erfolgt die Umpolung der Stromquelle. Infolge der Umpolung sind die Fühlerelemente 2 und 8 negativ geladen, die Elektrode 14 positiv, was zu einer Ablösung der festen negativ geladenen Tonteilchen von den Fühlerelementen 2 und 8 und somit gleichsam zu einer Verflüssigung der Bohrspülung im Bereich der Fühlerelemente 2 und 8 führt, was wiederum das Drehmoment der Motoren 5 und 10 herabsetzt, wodurch deren Stromverbrauch verringert wird.

Genau genommen, wird den Motoren 5 und 10 ein geringeres Drehmoment abverlangt, was eine Verringerung des die Motoren antreibenden elektrischen Stromes zur Folge hat. Hiernach wird in gleicher Weise ein zweiter Quotient der Signale der statischen Schubspannung und der Viskosität ermittelt, worauf dann anschließend ein arithmetischer Mittelwert des ersten und des

jo zweiten Quotienten gebildet wird.

Das beschriebene Verfahren erlaubt eine Messung des Koagulationswertes durch separate Messung der Viskosität und der statischen Schubspannung, wobei diese Messungen beliebig oft wiederholt werden können. Dabei hängen Genauigkeit und Aussagesicherheit einer Messung des Zustandes der Bohrspülung von der Meßhäufigkeit bzw. Meßfrequenz der oben beschriebenen Parameter ab. Hierdurch wird es möglich, den Zustand der Bohrspülung laufend zu überwachen, wodurch auch laufend Maßnahmen getroffen werden können, um die Güte der Bohrspülung zu beeinflussen.

Das beschriebene Verfahren wird durch eine Einrichtung realisiert, deren Hauptteile oben geschildert sind. In Fig. 2 ist ein Blockschaltbild der Meßeinrichtung für den Koagulationswert einer Bohrspülung dargestellt.

Hierbei führen die in F i g. 1 und 2 ähnlichen Elemente die gleichen Bezugszeichen. Wie bereits erwähnt, enthält die Einrichtung ein Viskosimeter 1 mit einem angetriebenen Fühlerelement 2. Auch ist es Meßgerät 7 für eine statische Schubspannung mit einem in eine Bohrspülung getauchten angetriebenen Fühlerelement 8 vorgesehen. Das Viskosimeter 1 und das Meßgerät 7 weisen Meßwandler 6 und 12 für die Signale von den Fühlerelementen 2 bzw. 8 auf.d. h. für die Viskosität und die statische Schubspannung der Bohrspülung charakterisierende Signale. Grundsätzlich ist das Vorhandensein des Wandlers von der Art der von den Fühlerelementen 2 und 8 erhaltenen Signale abhängig. Sind diese Signale

bo für eine Übertragung zur Auswerteschaltung 15 geeignet, so können die Wandler 6 und 12 beispielsweise Verstärker für diese Signale darstellen. Ihre eigentliche Bestimmung besteht in der Formierung von für eine Übertragung zur Auswerteschaltung 15 geeigneten Si-

b5 gnalen. Die Auswerteschaltung 15 stellt hierbei eine logische Schaltung dar. die einen zur Teilung der von den Fühlerelementen 2 und 8 oder von den Wandlern 6 und 12 kommenden Signale vorgesehenen Dividierer 17 ein-

schließt. Der Dividierer 17 weist zwei Eingänge auf, an die die Ausgänge der Meßwandler 6 und 12 angeschlossen werden, während der Ausgang des Dividierers 17 mit einem Kanalumschalter 18 verbunden ist. Der Kanalumschalter 18 ist auch mit dem Polumschalter 16 gekoppelt. Der Polumschalter 16 stellt einen herkömmlichen Umschalter dar, der für eine Verbindung der Pole der Stromquelle 13 mit der Elektrode 14 und den Fühlerelementen 2 und 8 in der Weise sorgt, daß bei Anlegen eines Pluspotentials an die Elektrode 14 die Fühlerelemente ein Minuspotential führen und umgekehrt. Praktisch ist diese Verbindung derart ausgeführt, daß die Wellen 4 und 11 der Fühlerelemente 2 und 8 über den Polumschalter 16 mit einem Pol der Stromquelle 13 und die Elektrode 14 mit dem anderen Pol der Stromquelle 13 gekoppelt sind. Der Kanalumschalter 18 weist zwei Ausgänge auf, von denen einer mit einem Speicher

19 und der andere mit einer anderen Speicher gekoppelt ist. Die Verteilung der Signale auf die Speicher 19 und

20 erfolgt auf ein vom Polumschalter 16 zum Kanalschalter 18 kommendes Signal. Die Ausgänge der Speicher 19 und 20 sind mit einem Addierer 21 verbunden, der für eine Addition der Signale und für eine Ausgabe des Ergebnisses auf ein Datenausgabegerät 22 sorgt, das einen beliebigen, eine Datenausgabe sichernde Gerätetyp darstellen kann. Dieses Datenausgabegerät 22 liefert ein Endergebnis, das ein Verhältnis der statischen Schubspannung zur Viskosität der Bohrspülung als den obengenannten Koagulationswert darstellt.

Die Einrichtung arbeitet wie folgt. Zur Messung der Viskosität der Spülung wird der Motor 5 eingeschaltet, der die Schaufel 3 in Drehung versetzt. Bei der Rotation in der Bohrspülung wird der Schaufel 3 ein zur Viskosität der Spülung proportionaler Widerstand entgegengesetzt. Proportional zum Widerstand für die Drehung der Schaufel 3 wächst der Strom im Stromkreis des Elektromotors 5 an. Das Signal des Fühlerelements 2 wird durch den Meßwandler 6 in ein elektrisches Signal umgewandelt, das an den Dividierer 17 weitergegeben wird.

Gleichzeitig wird zur Messung der statischen Schubspannung der Motor 10 eingeschaltet, der das Fühlerelement 8 in Drehung versetzt. Das Fühlerelement 8 stellt einen mit einer Bohrspülung gefüllten Becher dar, in den der Rippenzylinder 9 eingeführt wird. Der Motor 10 dreht den Becher mit der Spülung, und dank der Reibung beginnt die Spülung den Zylinder 9 zu drehen, an den das Stahldrahtseil 11 angeschlossen ist. Die statische Schubspannung wird entsprechend dem Verdrehungswinkel des Seils 11 bestimmt, und das Signal des Drehmoments wird durch den Meßwandler 12 in ein zur statischen Schubspannung proportionales elektrisches Signal umgesetzt, das am zweiten Eingang des Dividierers 17 eintrifft. Hierbei wird von der Stromquelle 13 an die Fühlerelemente 2 und 8 beispielsweise ein Pluspotential und an die Elektrode 14 ein Minuspotential angelegt. Hierbei sammeln sich an den positiven Elektroden, als welche im geschilderten Beispiel die Fühlerelemente 2 und 8 auftreten, feinverteilte negativ geladene Tonteilchen an, deren Vorhandensein in der Spülung sämtliche Hauptkenndaten der Bohrlösung, darunter die Viskosität und die statische Schubspannung, festlegt.

Die Erhöhung der Konzentration der festen Phase an den positiven Elektroden, also an der Schaufel 3 und dem Zylinder 9, führt zu einer Widerstandszunahme bei deren Rotation und folglich zu einem Stromanstieg im Stromkreis des Elektromotors 5 und zu einer proportionalen Vergrößerung eines Signals, beispielsweise eines Stromsignals, am Wandler 12.

Am Dividierer 17 kommen also vom Wandler 6 ein zum Maximalwert der Viskosität der Spülung proportionales Signal und vom Wandler 12 ein zum Maximalwert der statischen Schubspannung proportionales Signal an. Von dem Dividierer 17 wird der zur statischen Schubspannung proportionale Signalwert durch den zur Viskosität der Spülung proportionalen Signalwert dividiert, und der erhaltene Wert des ersten Quotienten der

ίο Signale wird in den Speicher 19 über den Kanalumschalter 18 eingegeben. Danach wird die Gleichstromquelle 13 für die Fühlerelemente 2 und 8 und die Elektrode 14 mit Hilfe des Polumschalters 16 umgepolt (was manuell oder automatisch geschehen kann). An die Fühlerelemente 2 und 8 wird ein Minuspotential angelegt (d. h. sie werden an den Minuspol ( —) der Gleichstromquelle 13 angeschlossen), während die Elektrode 14 an den Pluspol der Gleichstromquelle 13 gelegt wird. Gleichzeitig mit der Umpolung der Fühlerelemente 2 und 8 und der Elektrode 14 erteilt der Polumschalter 16 ein Kommandosignal dem Kanalumschalter 18 zwecks Verbindung des Ausgangs des Teilers 17 mit dem Eingang der Speichereinrichtung 20. Bei der Umpolung werden die negativ geladenen Teilchen im Gebiet der Elektrode 14 gruppiert und daran zum Teil abgesetzt, während der Bereich der an den Minuspol der Gleichstromquelle 13 angeschlossenen Fühlerelemente 2 und 8 von den negativ geladenen Tonteilchen freigegeben wird. Dies hat einen Abfall der Viskosität und der statischen Schubspannung der Bohrspülung in den Bereichen der Fühlerelemente 2 und 8 zur Folge, was seinerseits eine Verringerung der Werte der an der Auswerteschaltung 15 von den Meßwandlern 6 und 12 ankommenden Signale bewirkt. Die zur Viskosität und zur statischen Schubspan-

J5 nung proportionalen Signale gelangen auf den Eingang des Dividierers 17, der den zur statischen Schubspannung proportionalen Signalwert durch den zur Viskosität der Spülung proportionalen Signalwert teilt, während der erhaltene zweite Quotient über den Kanalumschalter 18 nun in den zweiten Speicher 20 eingegeben wird.

In dem Augenblick, wo der zweite Quotient in den Speicher 20 kommt, gelangen der erste Quotient von dem Speicher 19 und der zweite Quotient von dem Speieher 20 gleichzeitig zu dem Addierer 21, wo die eingetroffenen Quotienten summiert und halbiert werden; es ergibt sich also ein arithmetisches Mittel aus dem ersten und zweiten Quotienten der zur statischen Spannung und zur Viskosität proportionalen Signale. Das arithmetische Mittel kann auch ohne Division durch 2 der im Addierer 21 summierten Quotienten auf dem Wege einer entsprechenden Eichung des Datenausgabegerätes 22 erhalten werden.

Der Koagulationswert kennzeichnet auch die Beständigkeit der Bohrspülung und stellt einen der wichtigsten Parameter der Bohrspülung dar, der gegenwärtig nur im Labor unter Anwendung einer großen Anzahl von Laborinstrumenten gemessen wird.
Mit der Erfindung werden folgende Vorteile erreicht

— Aufgrund ständiger Kontrolle des Zustandes der Bohrspülung können auch ständig Maßnahmen ergriffen werden, um die notwendige Stabilität und Güte der Bohrspülung aufrechtzuerhalten;
— die Ausgaben für chemische Reaktionsstoffe, die zur Stabilisierung der strukturell-mechanischen Eigenschaften einer Bohrspülung notwendig sind, können in der Praxis um 5 bis 7% gesenkt werden,

es kann eine Kontrolle der chemischen Adsorptionsaktivität der festen Phase in der Spülung durchgeführt werden;

der Aufwand zur Wiederherstellung der Parameter und Eigenschaften der sich im Umlauf befindenden Spülung kann um 3 bis 4% herabgesetzt werden;
der Meßvorgang für den Koagulationswert (KW) ist automatisiert.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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- Leerseite -

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Ermittlung des Koagulationswertes einer Bohrspülung (Quotient aus statischer Schubspannung und Viskosität), bei dem die Viskosität und die statische Schubspannung der Bohrspülung gemessen und der Quotient der Meßwerte gebildet wird, dadurch gekennzeichnet,

daß jeweils ein Fühlerelement eines Viskosimeters und eines Meßgerätes für die statische Schubspannung sowie eine Elektrode in die Bohrspülung getaucht werden, daß die beiden Fühlerelemente an einen Pol und die Elektrode an den anderen Pol einer Gleichstromquelle angeschlossen werden, ein zwischen der Elektrode und den Fühlerelementen fließender Strom gemessen wird, bei dessen Stabilisierung die Meßwerte von Viskosität und statischer Schubspannung erfaßt werden und daraus der Koagulationswert ermittelt wird, und
daß darauf die Gleichstromquelle umgepolt und in analoger Weise ein weiterer Koagulationswert ermittelt und aus beiden Koagulationswerten das arithmetische Mittel gebildet wird.

2. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 mit einem Viskosimeter und einem Meßgerät für die statische Schubspannung, dadurch gekennzeichnet, daß das Viskosimeter (1) und das Meßgerät (7) für die statische Schubspannung jeweils in die Bohrspülung getauchte Fühlerelemente (2, 8) und diesen zugeordnete Meßwandler (6, 12) aufweisen, daß die Fühlerelemente (2,8) an einen Pol und eine in die Bohrspülung getauchte Elektrode (14) an den anderen Pol einer Gleichstromquelle (13) angeschlossen sind, daß ein Umschalter (16) zum Umpolen der Gleichstromquelle (13) vorhanden ist und daß die Meßwandler (6, 12) an eine Auswerteschaltung angeschlossen sind, die einen Dividierer (17), einen synchron mit dem Umschalter (16) betätigbaren Kanalumschalter (18), einen Speicher (19, 20) einen Addierer (21) und ein Datenausgabegerät (22) enthält.