DE3034642A1 - Verfahren und vorrichtung zur zerstoerungsfreien messung der druckfestigkeit einer zementschlammprobe - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zur zerstoerungsfreien messung der druckfestigkeit einer zementschlammprobe

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Description

PATENTANWÄLTE Dipl.-Phys. JÜRGEN WEISSE · Dipl.-Chem. Dr. RUDOLF WOLGAST
BÖKENBUSCH41 · D 5620 VELBERT 11-LANGENBERG Postfach 110386 · Telefon: (02127) 4019 · Telex: 8516895
Patentanmeldung
Halliburton Company, Duncan Oklahoma, U.S.A.
Verfahren und Vorrichtung zur zerstörungsfreien Messung der Druckfestigkeit einer Zementschlammprobe
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur zerstörungsfreien Messung der Druckfestigkeit einer Zement- oder Zementschlammprobe.
Um die Druckfestigkeit von Zement als Funktion der Zeit zu bestimmen, ist es erforderlich, eine Mehrzahl von Proben des Zements in kleinen Testzylindern oder - Würfeln herzustellen und dann eine Reihe von solchen Proben als Funktion der Zeit während des Aushärtens des Zements zerstörend zu prüfen (oder zu zerdrücken). Wenn Partien von Zement auf diese Weise geprüft werden, kann zwar der Zement bei erhöhten Temperaturen und Drücken, wie sie in der Umgebung eines Bohrlochs auftreten, ausgehärtet werden, es ist aber erforderlich, die Zementproben aus der Umgebung von erhöhter Temperatur und erhöhten Druck herauszunehmen, um den Zerstörungstest an Druckfestigkeit-Meßmaschinen durchzuführen, die zu diesem Zweck erforderlich sind. Somit erfolgte die tatsächliche Prüfung von Zementproben gewöhnlich bei Zimmertemperatur
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und unter Atmosphärendruck statt bei der tatsächlichen Temperatur und dem tatsächlichen Druck, die in der Umgebung eines Bohrlochs herrschen.
Es ist einleuchtend, daß solche bekannten Verfahren zur Prüfung der Druckfestigkeit von Zementen als Funktion der Zeit viele Nachteile besitzen. Beispielsweise können die Proben, die aus einer bestimmten Zement-»charge entnommen werden, um die für diese Prüfung erforderliche Mehrzahl von Zylindern herzustellen, nicht gleichförmig sein. Außerdem könnte das Herausnehmen der Probenzylinder aus den Bedingungen erhöhter Temperatur und erhöhten Drucks zum Prüfen bei Atmosphärendruck und Zimmertemperatur die physikalischen Eigenschafton des Zements merklich verändern, d.h. gerade die Eigenschaften, die gemessen werden sollen. Weiterhin ist eine solche Prüfung unbequem, umständlich und zeitraubend.
Die Zeit, die erforderlich ist, damit ein Zementschlamm zum Zementieren einer öl- oder Gasbohrung abbindet und eine brauchbare Druckfestigkeit entwickelt, sind wichtige Parameter bei der zeitlichen Festlegung weiterer Bohroder Ausbauarbeitsgänge. Beispielsweise erfordern solche Arbeitsgänge wie Bohrloch-Temperaturaufnahmen zur Lokalisierung der Oberkante einer Zementsäule, Zementverkittungsaufnahmen, das Fortsetzen von Bohrarbeiten nach dem Abbinden einer dazwischenliegenden Verrohrung oder Auskleidung, die Perforation von Produktionszonen oder Ausspül- und Bohrungsanregungsbehandlungen nach solchen
Arbeitsgängen wie Druckzementierung alle eine Kenntnis der Druckfestigkeit und der Abbindezeit des bei dem Arbeitsgang benutzten Zementschlamms.
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1 Ohne zuverlässige Abbindezeit- und Druckfestigkeitsdaten können Temperaturaufnahmen und Zementverkittungsaufnahmen zu früh durchgeführt oder unnötig verzögert werden. Weitere Bohrarbeiten in einem Bohrloch können auch entweder zu früh oder später als notwendig durchgeführt werden. Wenn Bohrloch-Ausspül und -Anregungsbehandlungen zu früh nach einer Druckzementierung durchgeführt werden, können Probleme durch Verbindungen zwischen den Zonen auftreten. Es hat sich auch gezeigt, daß eine Bohrloch-'" perforation während der frühen Stadien der Entwicklung der Druckfestigkeit des ZementSchlamms um eine Bohrlochverrohrung zu saubereren Perforationen bei geringerer Zertrümmerung führen kann und eine bessere Isolation der Zone ergibt. Aus diesen Beispielen ist ersichtlich, daß eine genaue Kenntnis der Abbindezeit und der Entwicklunq der Druckfestigkeit des Zementschlamms, der beim Ausbau von Bohrlöchern verwendet wird, wichtig ist, um die oben angeführten Arbeitsgänge im optimalen Zeitpunkt durchzuführen und unnötige Verzögerungen zu vermeiden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Messung der Druckfestigkeit einer Zement- oder Zementschlammprobe zu schaffen,
welche leicht durchführbar ist und an einer einzigen Zement- oder Zementschlammprobe unter vorgegebenen Temperatur- und Druckbedingungen durchgeführt werden kann.
Ein Verfahren zur Lösung der vorgenannten Aufgabe besteht darin, daß
(a) ein Ultraschallsignal durch die Zement- oder Zementschlammprobe geleitet wird und
(b) die Laufzeit des Ultraschalls!gnals durch die Zementoder Zementschlammprobe als Maß für die Druckfestigkeit der letzteren gemessen wird.
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Eine Vorrichtung zur zerstörungsfreien Messung der Druckfestigkeit einer Zement- oder Zementschlammprobe zur Durchführung dieses Verfahrens ist gekennzeichnet durch
(a) Mittel zur Aufnahme einer Zement- oder Zementschlammprobe, in denen die Zement- oder Zementschlammprobe kontrolliertem Druck und kontrollierter Temperatur aussetzbar ist,
(b) Mittel zur Erzeugung eines Ultraschallsignals, die an die Zement- oder Zementschlammprobe angekoppelt sind,
(c) Mittel zur Messung der Laufzeit des ültraschall-
signals durch die Zement- oder Zementschlammprobe und zur Erzeugung eines diese Laufzeit darstellenden Laufzeitsignals,
(d) Mittel, welche auf das Laufzeitsignal ansprechen und nach einer vorgegebenen Beziehung zwischen Laufzeit und Druckfestigkeit ein Druckfestigkeitssignal liefern, das die Druckfestigkeit der Zement- oder Zementschlammprobe darstellt, und
*5 (e) Mittel zum Anzeigen dieses Druckfestigkeitssignals.
Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind Gegenstand der Unteransprüche 2 bis 9. Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind Gegenstand der
Unteransprüche 11 bis 20.
Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, daß ein eindeutiger Zusammenhang zwischen der Laufzeit eines Ultraschallsignals in einer Zement- oder Zementschlammprobe und der Druckfestigkeit der Zement- oder Zementschlammprobe besteht. Die Laufzeit kann daher als Maß für die Druckfestigkeit benutzt werden. Das macht es möglich, die Druckfestigkeit zerstörungsfrei während des
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Abbinde- und Aushärtvorganges an einer einzigen Probe zu verfolgen. Die Probe kann dabei den gewünschten Temperatur- und Druckbedingungen ausgesetzt werden, die auch in der Umgebung des Bohrlochs herrschen. Der Abbinde- und Aushärtvorgang im Bohrloch kann daher optimal simuliert und hinsichtlich der Abbindez.eit und der Entwicklung der Druckfestigkeit in Abhängigkeit von der Zeit verfolgt werden.
Ό Zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung sind nachstehend unter Bezugnahme auf die zugehörigen Zeichnungen näher erläutert:
Fig. 1 ist ein schematisches Blockdiagramm und '5 zeigt einen einzelnen Kanal bei einer Aus
führungsform einer Vorrichtung zur zerstörungsfreien Messung der Druckfestigkeit.
Fig. 2 ist eine schematische Darstellung eines
Signalverlaufs und zeigt das empfangene akustische Signal, das durch eine Zementprobe hindurchgeschickt wurde.
Fig. 3 ist eine graphische Darstellung und zeigt
eine verallgemeinerte Beziehung zwischen der Druckfestigkeit von Zementproben und der Laufzeit eines Ultraschallsignals durch
diese Zementproben hindurch. 30
Fig. 4 ist eine graphische Darstellung und zeigt als Funktion der Zeit ein typisches Ergebnis der Messung der Druckfestigkeit
einer Zementprobe und der Laufzeit eines
Ultraschallsignals durch die Zementprobe
hindurch.
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Fig. 5 ist eine graphische Darstellung und zeigt
den Verlauf der Laufzeit eines Ultraschallsignals darch eine Zementprobe als Funktion der Aushärtizeit des Zements. 5
Fig. 6 ist eine perspektivische Darstellung und zeigt den Aufbau eines Zement-Analysengeräts zur zerstörungsfreien Messung der Druckfestigkeit einer Zementprobe. 10
Fig. 7 ist ein schematisches Blockdiagramm und zeigt einen einzelnen Kanal bei einer anderen Ausführungsform einer Vorrichtung zur zerstörungsfreien Messung der Druckfestigkeit.
Fig. 8 ist eine schematische Darstellung eines Signalverlaufs und zeigt das empfangene akustische Signal in Verbindung mit der Zeitgatteranordnung des Ausführungs
beispiels von Fig. 7.
Die zerstörungsfreie Prüfvorrichtung beruht auf einer Messung der Laufzeit eines Ultraschallsignals durch eine Probe von Zement oder Zementschlamm, deren Eigenschaften zu messen sind. Es wurde eine genaue verallgemeinerte Beziehung zwischen der Druckfestigkeit von Zementproben und der Laufzeit von Ultraschallsignalen durch diese Zementproben festgestellt. Die hier
beschriebene Vorrichtung benutzt eine Technik zur genauen Messung der Änderung der Laufzeit durch eine zylindrische Zementprobe von etwa 50 mm Höhe während eines bestimmten Zeitraums, wodurch eine Aufzeichnung
des Zeitverlaufs der Druckfestigkeit erhalten wird. 35
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Die Laufzeit eines Ultraschallsignals über eine Strecke von 50 mm in einer Zementprobe kann während der frühen Stadien der Entwicklung der Druckfestigkeit zwischen 30 und 40 Mikrosekunden betragen und sinkt auf etwa 10 bis 12 Mikrosekunden während der letzten Stadien der Entwicklung der Druckfestigkeit ab. Die Messung der Laufzeit des Ultraschallsignals durch die Zementprobe macht es notwendig, während der Anfangsstadien der Entwicklung der Druckfestigkeit schwache Signale aufzufangen. Die Vorrichtung versucht die Ankunft des ersten empfangenen Peaks der die Probe durchsetzten Ultraschallwelle mit einer Genauigkeit von plus oder minus 30 zu messen. Eine Auflösung von 1% bei einer Laufzeit von 30 Mikrosekunden erfordert somit das Auffangen des erhaltenen Ultraschallimpulses mit einer Genauigkeit von etwa plus oder minus 0,3 Mikrosekunden. übersetzt man dies in einen zulässigen Auffangfehler von etwa plus oder minus 30 des ersten wahren Peaks der ankommenden Welle, dann entsprechen 0,3 Mikrosekunden die Verwendung einer Frequenz des Ultraschallsignals von etwa 277 Kilohertz. Um Zeitfehler der Bauteile und der Zeitsynchronisierung zu berücksichtigen, benutzt die Vorrichtung eine geringfügig höhere Ultraschallfrequenz von ungefährt 400 Kilohertz. Es hat sich gezeigt, daß diese Frequenz eine hinreichende Durchlässigkeit des Ultraschallsignals ergibt, um ein zuverlässiges Auffangen zu ermöglichen und eine ausreichende Zeitauflösung der Ankunft des ersten Peaks während der
frühen Stadien der Entwicklung der Druckfestigkeit. 30
Weiterhin verträgt sich eine solche Frequenz mit der Messung der anfänglichen Abbindezeit eines ZementSchlamms. Zu diesem Zweck muß die gewählte Frequenz niedrig genug sein, um ein auffangbares Signal durch unverfestigten Schlamm zu übertragen (d.h. die Wellenlänge muß lang genug sein, um eine unzulässige Streuung an festen
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Teilchen des Schlamms zu verhindern) und hoch genug, um die erforderliche Genauigkeit der Laufzeitmessungen zu ermöglichen.
In Fig. 6 sind die Bauteile eines Zement-Analysengeräts schematisch-perspektivisch dargestellt. Ein Steuerrechner 61 mit Mehrkanal-Kapazität ist mit einem einzigen Meßproben-Autoklaven 63 verbunden dargestellt. Die Vorrichtung kann mit bis zu acht solchen Autoklaven gleichzeitig und parallel arbeiten. Mit dem Steuerrechner 61 ist auch ein digitaler Kurvenschreiber 62 verbunden. Der Steuerrechner ist mit einem Tastenfeld 68 zum Eingeben von Daten und Steuerfunktionen in das System versehen.
Der Steuerrechner ist mit sieben Digitalanzeigen 69,70, 71,72,73,74 und 75 versehen. Die Anzeige 69 ist eine Anzeige der anfänglichen Abbindezeit einer bestimmten Zementprobe. Die Anzeige 70 ist eine digitale Anzeige der Zeit, die zum Erreichen eines willkürlich programmierbaren Wertes der Druckfestigkeit erforderlich ist, welche als Druckfestigkeit 1 bezeichnet wird. In ähnlicher Weise liefert die Digitalanzeige 21 die Zeit, die erforderlich ist, um einen willkürlich programmier-
*5 baren Wert der Druckfestigkeit, genannt Druckfestigkeit zu erreichen. Die Digitalanzeige 72 zeigt den Wert der Druckfestigkeit 1 an. Die Digitalanzeige 74 zeigt den Wert der Druckfestigkeit 2 an. Diese programmierbaren Werte der zu erreichenden Druckfestigkeiten sind die
Druckfestigkeiten, auf die sich die Zeitanzeigen der Digitalanzeigen 70 und 71 beziehen. Die Digitalanzeige zeigt den laufenden Mittelwert der Druckfestigkeit einer Zementprobe. Schließlich zeigt die Digitalanzeige 75 den Wert der Ultraschall-Laufzeit, der laufend für eine
bestimmte Zementprobe gemessen wird. Die zu irgendeiner vorgegebenen Zeit angezeigten numerischen Werte beziehen
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sich auf einen bestimmten, ausgewählten Kanal des Systems.
Die Anzeige 77 zeigt die Kanalwahl für irgend einen der acht möglichen Kanäle/ die mit dem Steuerrechner 61 verbunden werden können. LED-Anzeigen liefern den jeweiligen Stand der Daten in jedem Kanal. Bei einem bestimmten, ausgewählten Kanal sind die numerischen Werte, die sich auf die Zementprobe in jenem Kanal beziehen, in den Proben erörterten Digitalanzeigen angezeigt. Die Wahl eines bestimmten Kanals für die Anzeige wird durch Dateneingabe an dem Tastenfeld 68 erreicht.
Die zu untersuchenden Zementproben sind in einem der acht möglichen Autoklaven untergebracht, die mit den Kanälen des Steuerrechners 61 verbunden sind. Ein typischer Temperatur- und Druckautoklav 63 ist in Fig. 6 dargestellt. Der Autoklav 63 ist mit einem Druckgefäß 64 versehen, welches die zu untersuchende Zementprobe und die (nicht dargestellten) ültraschallwandler enthält, die akustisch mit der Zementprobe während der Untersuchung gekoppelt sind. Die Zementprobe wird in das Druckgefäß 64 eingesetzt, welches dann in eine öffnung 64a auf der Oberseite des Autoklaven 63 eingesetzt ist, wo es mit der Druckleitung 64b verbunden wird. Das Manometer 67 an der Vorderseite des Autoklaven überwacht den Druck, der auf die Probe in dem Druckgefäß 64 wirkt. Die Anstiegsrate der Temperatur der Probe in dem Druckgefäß 64 wird durch eine Steuerung 66 an der Vorderseite des Autoklaven 66 mit einem Einstelltransformator
gesteuert, der den Strom durch eine (nicht dargestellte) Heizwicklung steuert. Die an dem Druckgefäß des Autoklaven selbst gemessene Temperatur wird durch einen Temperaturregler 65 ebenfalls an der Vorderseite des Autoklaven 63 geregelt und angezeigt. Der Druck zum Unterdruck-
setzen des Druckgefäßes 64 wird über einen äußeren Anschluß 67a an der Vorderseite des Autoklaven 63 zugeführt. Somit wird eine zu untersuchende Zement- oder
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30346A2 Zementschlammprobe in das Druckgefäß 64 gesetzt und dieses in die öffnung 64a des Autoklaven eingesetzt. Die Temperatur der Probe wird über die Temperaturregelung 65 und 66 geregelt. Dann wird eine Mehrzahl von bis zu acht solchen Autoklaven mit dem Steuerrechner 61 verbunden, welcher die kontinuierliche Prüfung der Zement- oder Zementschlaitimproben durchführt.
Die Ergebnisse der Prüfung einer bestimmten Probe können mittels eines digitalen Kurvenschreibers 62 wie in Fig. 6 dargestellt, aufgezeichnet werden. Zum Aufzeichnen der Druckfestigkeit-und Laufzeitkurven als Funktion der Zeit kann ein beweglicher, elektromechanischer Schreibkopf 76 benutzt werden, der von dem Steuerrechner 61 angetrieben wird, wenn eine Prüfung in einem bestimmten Probenkanal durchgeführt wird. Fig. 4 zeigt im einzelnen einen typischen Schrieb der Laufzeit und der Druckfestigkeit einer Probe als Funktion der Zeit, der ähnlich dem in Fig. 6 auf dem digitalen Kurvenschreiber 62 dargestellten Schrieb ist. Man erkennt beispielsweise aus Fig. 4, daß bei einem Absinken der Laufzeit eines akustischen Signals in der Probe als Funktion der Zeit die Druckfestigkeit der Probe ansteigt. Bis zu acht solcher Schriebe könnten für die acht getrennten Kanäle der Meßvorrichtung aufgezeichnet werden.
In Fig. 3 ist eine empirisch erhaltene graphische Darstellung dargestellt, welche die Beziehung zwischen der
Druckfestigkeit von Zementproben als Funktion der Laufon
■ zeit eines Ultraschallsignals veranschaulicht. Die durch die Datenpunkte von Fig. 3 gezogene Kurve kann durch eine mathematische Gleichung dargestellt werden, die dem Steuerrechner der Vorrichtung zugänglich ist. Die graphische Darstellung von Fig. 3 stellt die Ergebnisse
von Druckfestigkeitsmessungen dar, die an vielen Proben von Zementen verschiedener Dichte und verschiedener
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chemischer Zusammensetzung durchgeführt wird, wie sie im ölfeidbetrieb verwendet werden. Obwohl die verallgemeinerte graphische Beziehung von Fig. 3 hinreichend genau ist für die Anwendung beim Zementieren in ölfeidern, kann, wenn genauere Ergebnisse gewünscht werden, eine solche Eichkurve auch für eine bestimmte Art von Zement hergestellt und stattdessen verwendet werden. Wenn man somit eine graphische Beziehung wie die von Fig. 3 ermittelt, dann kann, wenn die Laufzeit eines Ultraschall-'" signals in einer Zementprobe genau gemessen wird, diese Laufzeit einer Druckfestigkeit des Zements zugeordnet werden, wenn sich die Laufzeit während des Härtungsprozesses verändert.
'5 Fig. 5 veranschaulicht eine Technik zur Bestimmung der anfänglichen Abbindezeit einer Zementierung. Die analysierte Zementprobe wird in den Druckbehälter 64 von Fig. 6 in Schlammform eingebracht. Die anfängliche Abbindezeit des Zementschlamms ist definiert als die
*v Zeit, bei welcher der Schlamm sich bis zu einem Punkt von ungefähr 35 Newton pro Quadratzentimeter Druckfestigkeit verhärtet hat. Die graphische Darstellung von Fig. 5 zeigt die Charakteristiken von zwei verschiedenen Arten von Zement, die typisch für die An-25
Wendung in Ölbohrungen sind. Die in Fig. 5 dargestellten Zementproben sind bei verschiedenen Temperaturen gemessen. Die horizontale, getrichelte Linie bei einem Wert von etwa 6 Mikrosekunden pro Zentimeter Laufzeit stellt nach der graphischen Beziehung von Fig. 3 einen Wert von ungefähr 35 Newton pro Quadratzentimeter dar. Aus der Darstellung von Fig. 5 ist ersichtlich, daß der eine der beiden untersuchten Zemente diesen Wert nach einer Abbindezeit von etwa 3 Stunden 50 Minuten vom Beginn des Tests an erreicht. Der andere untersuchte Zement in der graphischen Darstellung von Fig. 5 erreicht diesen Druckfestigkeitswert erst etwa 10 Stunden und 15 Minuten nach Beginn des Tests. In beiden Fällen ergibt
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sich jedoch die anfängliche Abbindezeit, die in der Digitalanzeige an der Vorderseite des Steuerrechners 61 von Fig. 6 angezeigt werden 'cann, wenn der Zementschlamm eine Druckfestigkeit von ungefähr 3 5 Newton pro Quadratzentimeter erreicht hat. Nach bekannten Techniken wäre eine Messung· des Wertes der anfänglichen Abbindezeit unter kontrollierten Temperatur- und Druckbedingungen nicht möglich gewesen. Durch Anwendung der vorliegenden Vorrichtung sind solche Messungen relativ leicht zu erhalten.
In Fig. 1 ist eine Vorrichtung für einen einzigen Kanal zur Messung der Laufzeit eines Ultraschallsignals durch eine Zementprobe und zur Anzeige der erhaltenen Messung '^ der Druckfestigkeit schematisch in Blockdiagrammform dargestellt. Fig. 2 zeigt schematisch einen typischen Spannungsverlauf an dem als Empfänger dienenden Ultraschallwandler als Funktion der Zeit.
^u In Fig. 1 ist der Teil der Vorrichtung, der in dem Autoklaven enthalten ist, auf der linken Seite der vertikalen gestrichelten Linie dargestellt. Der Teil der Vorrichtung, der in dem Steuerrechner sitzt, liegt rechts der vertikalen gestrichelten Linie. Eine Zement-
probe, deren Druckfestigkeits-Charakteristiken als Funktion der Zeit untersucht werden sollen, ist akustisch mit einem als Sender dienenden Ultraschallwandler 14 und mit einem als Empfänger dienenden Ultraschallwandler 16 in dem Autoklaven gekoppelt. Diese Ultraschallwandler
enthalten piezoelektrische Kristalle mit einer mittleren Arbeitsfrequenz von 400 Kilohertz, wie oben erörtert. Ein Drucksteuersystem 17 und ein Temperatursteuersystem üblicher Art wirken auf die Probe und halten diese während der' gesamten Prüfung auf einer vorgegebenen Temperatur und einem vorgegebenen Druck. Wenn der als Sender dienende Ultraschallwandler 14 angestoßen
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wird, wird ein Signal durch eine Zementprobe hindurchgeleitet und von dem als Empfänger dienenden Ultraschallwandler 16 empfangen. Von dem als Empfänger dienenden Ultraschallwandler 16 wird ein Signal entsprechend dem in Fig. 2 dargestellten Signalverlauf einem Eingang eines Komparators 19 zugeführt. Dem entgegengesetzten Eingang des Komparators 19 wird eine Referenzspannung von dem Steuerrechner zugeführt. Die dem Komparator 19 zugeführte Referenzspannung wird in digitaler Form von einem Referenzspannungsprogramm 28 geliefert und über einen Digital-Analog-Wandler 21 vor der Zuführung zu dem Komparator 19 in analoge Form umgesetzt. Das Steuerprogramm, das die Referenzspannung erzeugt, wird unten näher beschrieben werden. Es genügt hier zu sagen, daß die dem Komparator 19 zugeführte Referenzspannung die Signalschwelle für die Feststellung der Signalankunft an dem als Empfänger dienenden Ultraschallwandler 16 von dem als Sender dienenden Ultraschallwandler 14 bestimmt, nachdem das Signal durch die Probe des zu untersuchenden Zements hindurchgelaufen ist.
In dem Steuerrechner liefert ein 20-Megahertz-Taktoszillator 11 Signale an einen Synchronisationsimpulsgenerator 12, an einen Zähler 22 und an das Programm 24, welches die Laufzeit mißt und diese in Druckfestigkeit der Zementprobe umsetzt. Der Synchronisationsimpulsgenerator 12, der eine Frequenzteilerkette o.dgl. enthalten kann, liefert Synchronisationssignale an den Zähler 22 und über ein Gatter 29 an einen im Autokaven
angeordneten Impulsgeber. Eingangsbefehle des Benutzers werden über ein Tastenfeld 26 und das Steuerprogramm der Anzeigeanordnung 25 sowie dem Meßprogramm 24 zugeführt. Diese Eingangsbefehle enthalten Eingangsinformationen hinsichtlich der Werte der Druckfestigkeit
und Druckfestigkeit 2, der beiden programmierbaren Werte der Druckfestigkeit, deren Erreichen zur Anzeige einer Zeit an der Digitalanzeige führt, wie im Zusammenhang mit
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Fig. 6 erörtert wurde. In ähnlicher Weise können Befehle zur Änderung der Anzeigewerte von einem Kanal auf den anderen oder zur Änderung des Status einer Prüfung in einem gegebenen Kanal über das Tastenfeld 26 eingegeben werden.
In Praxis ist der Steuerrechner so programmiert, daß er eine zyklische Umschaltung von einem Kanal zum nächsten bewirkt und Messungen der Laufzeit des Ultraschallsignals durch die Zementprobe in jedem Kanal durchführt. Ein vollständiger Zyklus durch alle Meßkanäle wird einmal alle 10 Sekunden während des Prüfvorganges durchgeführt. Die neu gemessene Laufzeit in jedem Kanal wird nach der digitalen Filterung während jedes Zyklus des Steuerrechners mit vorhergehenden Werten gemittelt. Im Betrieb wird zu Beginn jedes Meßzyklus für einen vorgegebenen . Kanal ein Rauschpegel für diesen Kanal auf folgender Weise festgestellt: Das Meßprogramm 24 kommandiert über das Referenzspannungsprogramm 28 eine Folge von anfäng-
liehen Referenzspannungen. Der Impulsgeber 13 wird über Gatter 29 während dieser Folge abgeschaltet. Diese Referenzspannungen beginnen bei einem hohen Wert und werden schrittweise vermindert, bis eine Rausch-Schwellenspannung, wie in Fig. 2 dargestellt, erreicht ist. In diesem Punkt stellt
der Komparator 19 elektrisches Rauschen in dem System fest, das einen Wert der Referenzspannung überschreitet. Das liefert die Rausch-Schwellenspannung. Wenn dies eintritt, erzeugt der Komparator einen Ausgangsimpuls auf den Impulsgenerator 20, welcher dem Steuerprogramm
des Steuerrechners einen Signalimpuls zuführt. Wenn somit der Rauschpegel festgestellt ist, schaltet das Steuerprogramm 27 das Gatter 29 durch, so daß Synchronisationsimpulse von dem Synchronisationsimpulsgenerator 12 dem Impulserzeuger 13 zugeführt werden. Beim nächsten Zyklus kann der Synkronimpulsgenerator 12 dem Impulsgeber 13 in dem Autoklaven ein Signal zuführen.
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Der Impulserzeuger 13 stößt den als Sender dienenden Ultraschallwandler 14 mit einem Spannungsimpuls an, der Ultraschallenergie an dem als Sender dienenden Ultraschallwandler 14 erzeugt. Die Ultraschallenergie läuft durch die Probe 15 zu dem als Empfänger dienenden Ultraschallwandler 16. Gleichzeitig mit der Signalgabe an den Impulserzeuger 13 wird ein Rückstell-Start-Impuls auf den Zähler 22 gegeben. Dieser Startimpuls schaltet den Zähler 22 ein, so daß dieser die Signale des 20 Megahertz-Taktsignale von dem Taktoszillator 11 zu zählen beginnt. Nach dem Anstoßen des Impulserzeugers 13 bilden das Steuerprogramm 27 und das Meßprogramm 24 zusammen ein Signalauffangkriterium. Es wird ein Signalauffang-Spannungsniveau festgelegt, in dem der dem Komparator 19 zugeführten, dem Rauschpegel entsprechenden Referenzspannung ein vorgegebenes Signal hinzuaddiert wird, um so die Referenzspannung unter Unterdrückung des Rauschpegels festzulegen. Typischerweise ist das Signalzu-Rausch-Verhältnis, das zur Feststellung der Signalankunft erforderlich ist, 15 bis etwa 75 db größer als die Rauschschwelle, die vorher ermittelt worden war. Wenn somit das Ultraschallsignal von dem Ultraschallwandler 14 den als Empfänger dienenden Ultraschallwandler 16 erreicht, wird ein Spannungsverlauf ähnlich dem von Fig. 2 erzeugt. Die erste ankommende Welle erreicht den Komparator 19. Wenn der Spannungswert des als Empfänger dienenden Ultraschallwandlers 16 die von dem Referenzspannungsprogramm 28 über den Digital-Analog-Wandler 21
zugeführte Schwellenspannung überschreitet, erzeugt der on
Komparator 21 ein Ausgangssignal. Das Ausgangssignal des Komparators 19 wird einem Impulsgenerator 20 zugeführt, der dem Zähler 22 in dem Steuerrechner einen Stop-Impuls zuführt. Der Stop-Impuls hält den Zähler 22 auf dem Wert an, welcher der seit Anstoßen des als akustischer Sender wirkenden Ultraschallwandlers abgelaufenen Zeit entspricht. Der Zähler 22 enthält somit
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eine Binärzahl, welche der Laufzeit der akustischen Welle durch die Zementprobe 15 entspricht. Diese Binärzahi wird in ein Δ T-Register 23 übertragen und steht dadurch dem Meßprogramm 24 zur Verfügung. 5
Das Meßprogramm 24 führt die logische Filterung der Laufzeit durch, um sicherzustellen, daß es sich um einen brauchbaren Wert handelt, indem dieser Wert mit der vorher, bei vorhergehenden Meßzyklen bestimmten Laufzeit verglichen wird. Das Meßprogramm 24 setzt dann unter Verwendung der die graphische Beziehung von Fig. 3 darstellenden Gleichung die Laufzeit in die augenblickliche Druckfestigkeit der untersuchten Zementprobe um. Dieser Wert kann dann in das Anzeigesystem 25 eingegeben werden.
Das Anzeigesystem 25 bildet einen laufenden Mittelwert der letzten paar Messungen der Laufzeit. Dieser Mittelwert wird über die Digitalanzeige an der Frontseite des Steuerrechners angezeigt und kann auch dem digitalen Kurvenschreiber zugeführt werden, der oben unter Bezugnähme auf Fig. 6 erläutert wurde.
In die Fig. 7 ist eine andere Anordnung eines Geräts der vorliegenden Art in Blockdiagramm dargestellt. Fig. zeigt schematisch einen typischen Spannungsverlauf des als Sender und Empfänger dienenden Ultraschallwandler von Fig. 7 als Funktion der Zeit.
In Fig. 7 ist ebenfalls der Teil des Meßsystems, der in dem Auoklav angeordnet ist, links von der vertikalen, gestrichelten Linie dargestellt. Der Teil des Systems im Steuerrechner ist rechts von der vertikalen, gestrichelten Linie1 gezeigt. Eine Zementprobe 87, deren Druckfestigkeits-Charakteristiken als Funktion der Zeit untersucht werden sollen, ist akustisch mit einem als
Sender und Empfänger dienenden Ultraschallwandler 86 in dem Autoklaven gekoppelt. Auf der gegenüberliegenden
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Seite der Zementprobe 87 ist mit dieser ein metallisches, reflektierendes Glied 88 gekoppelt. Bei dem Ausführungsbeispiel von Fig. 7 sendet der Ultraschallwandler 86 einen Stoß sehr kurzer Dauer von Ultraschallwellen aus, welche durch die Zementprobe 87 in Richtung von dem Ultraschallwandler weg wandern und von dem Reflektor durch die Zementprobe 87 zurückgeworfen werden. Die reflektierten Ultraschallwellen werden von dem Ultraschallwandler 86 empfangen, der diesmal als Empfänger wirkt. Der Ultraschallwandler 86 kann einen piezoelektrischen Kristall enthalten, der eine mittlere Arbeitsfreguenz von etwa 400 Kilohertz besitzt, wie oben erörtert. Ein Druckregelsystem 85 und ein Temperaturregelsystem 86 üblicher Bauart wirken auf die Zementprobe 87 und halten diese während des gesamten Tests auf einer vorgegebenen Temperatur und einem vorgegebenen Druck.
Wenn der Ultraschallwandler 86 angestoßen wird, ein Signal auszusenden, läuft das Ultraschallsignal in zwei Richtungen durch die Zementprobe 87. Nach Reflektion an dem Reflektor 88 kehrt das Ultraschallsignal zu dem Ultraschallwandler 86 zurück. Der Signalverlauf, der analog zu dem in Fig. 8 dargestellt ist, wird dann über ein Zeitgatter 89 einem Komparator 90 zugeführt. Einem entgegengesetzten Eingang des Komparators 90 wird eine Referenzspannung von dem Steuerrechner zugeführt. Die dem Komparator 90 zugeführte Referenzspannung wird in digitaler Form von einem Steuerprogramm 97 und einem
Referenzspannungsprogramm 98 in dem Steuerrechner erzeugt.
Der digitale Ausgang des Referenzspannungsprogramms 98 wird über einen Digital-Analog-Wandler 99 vor dem Aufschalten auf den Komparator 90 in analoge Form umgesetzt.
Das Steuerprogramm 97 und das Programm 98 welches die
Zeitgatter- und Referenzspannungen erzeugt, werden unten näher erläutert. Die Referenzspannung wird jedoch von dem
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Programm 98 im allgemeinen in der gleichen Weise bestimmt wie die oben unter Bezugnahme auf die Figuren 1 und 2 erörterte Referenzspannung, so daß diese Referenzspannungserzeugung nicht weiter beschrieben zu werden braucht.
In dem Steuerrechner von Fig. 7 liefert ein 20 Megahertz-Taktoszillator 81 Signale an einen Synchronisationsimpulsgenerator 82, einen Zähler 92 und und Programm 94, welches die Laufzeit des Ultraschallsignals durch die Zementprobe mißt und diese in eine Druckfestigkeit zur Anzeige umsetzt. Der Synchronisationsimpulsgenerator 82, der von einer Frequenzteilerkette o.dgl. gebildet sein kann, liefert auch Synchronisationsimpulse an den Zähler 92 und.an einen Impulserzeuger 83, der in dem Autoklaven angeordnet ist. Zusätzlich liefert der Synchronisationsimpulsgenerator 82 Synchronisationsimpulse an das Programm 98 zur Erzeugung von GatterSignalen, die dem Zeitgatter 89 in dem Autoklaven zugeführt werden. Das Zeitgatter 89 wird benutzt, um eine Störung durch die Ankunft von Störsignalen infolge von in der Schaltung des Autoklaven auftretenden Rauschens oder infolge möglichen Echos des Ultraschallwandlers 86 durch den Sendeimpuls zu vermeiden. Im Betrieb stehen dem Programm 86 die vorangegangenen Mittelwerte der Laufzeit für den Durchgang der Ultraschallsignale durch die Zementprobe 87 zur Verfügung, wie sie durch das Programm 25 bestimmt worden sind. Das Programm 98 weiß somit die ungefähre zu erwartende Ankunftszeit für die nächste Impulsfolge des Ultraschallwandlers 86, da dieser Wert sich als Funktion der Zeit ziemlich langsam ändert. Nach Empfang
des Synchronisationsimpulses von dem Synchronisationsimpulsgenerator 82 steuert das Programm 98 dann das Zeitgatter 89 so, daß es nur nach Ablauf einer vorgegebenen Zeitspanne öffnet, die auf der letzten Messung der Laufzeit beruht. Das ist im einzelnen in Fig. 8 dargestellt. Das Programm 98 weis, daß die vorhergehende Laufzeit Δ T als Ergebnis des vorangehenden Anstoßens
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des Ultraschallwandlers gemessen worden war. Bei dem vorliegenden Anstoßen des Ultraschallwandlers wird dann das Zeitgatter 89 so gesteuert, daß es gerade kurz vor (d.h. δ t vor) der erwarteten Ankunft der Ultraschallenergie öffnet. Somit wird das Zeitgatter 89 so gesteuert, daß es Ultraschallsignale von dem Ultraschall-
wandler 86 nur nach Ablauf einer vorgegebenen Zeit nach dem Anstoßen des Ultraschallwandlers durchläßt. Das verhindert, daß Rauschspitzen oder Ultraschallwandler-Echo, wie sie in Fig. 8 dargestellt sind, den Komparator 90 nach Ankunft des von der gegenüberliegenden Seite der Probe reflektierten Ultraschallsignals fälschlich anstoßen. Somit werden statistisch verteiltes elektrisches Rauschen oder Echoeffekte vom Anstoßen des als Sender wirkenden Ultraschallwandlers 86 nicht von dem Komparator 90 berücksichtigt.
Nach dem Öffnen des Zeitgatters 89 werden die Signale dem Komparator 9O zugeführt und mit der von dem Digital-Analog-Wandler 99 gelieferten Referenzspannung verglichen, die wie oben beschrieben bestimmt wird. Die Ankunft des reflektierten Ultraschallsignals erzeugt einen Ausgangsimpuls des Komparators 90, der dem Impulsgenerator 91 zugeführt ist. Der Impulsgenerator 91 erzeugt dann ein Stoppsignal, welches dem Zähler 92 zugeführt wird. Der Zähler 92 war vorher durch die Erzeugung des Synchronisationsimpulses des Synchronisationsimpulsgenerators 82 gestartet worden und zählt die Ausgangssignale
des 20 Megahertz-Taktoszillators 81. Wenn somit der Zähler on
92 das Stoppsignal von dem Impulsgenerator 91 erhält, enthält der Zähler 92 eine Binärzahl, die in direkter Beziehung mit der Laufzeit des Ultraschallsignals durch die in dem Autoklaven angeordnete Zementprobe 87 steht. Diese Zahl wird in ein AT-Register 93 übertragen und steht daher
dem Meßprogramm 94 zur Verfügung.
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Die Arbeitsweise des Steuerprogramms 97, des Tastenfeldes 96, des Meßprogramms 94 und der Anzeigevorrichtung 95 in Fig. 7 ist ganz analog der Arbeitsweise der entsprechenden Bauteile, die oben mit Bezugnahme auf Fig. 1 erörtert worden sind.
Fig. 7 zeigt somit eine zweite Ausführungsform, die einen einzigen als Sender und Empfänger wirkenden Ultraschallwandler und einen Reflektor benutzt statt eines getrennten Ultraschallwandlers als Senders und einen Ultraschallwandlers als Empfänger. Die Wirkung des Zeitgatters 89 von Fig. 7 kann benutzt werden, um.eine falsche Signalgabe der Auffangschaltung infolge von Rauschvorgängen zu vermeiden, die in der Zeitspanne zwischen dem Anstoßen
'5 des Ultraschallsenders und dem Empfang des reflektierten Signals an dem ebenfalls als Empfänger wirkenden Ultraschallsenders auftreten könnten. Dieses Prinzip ist natürlich ggfs. auch auf das System von Fig. 1 anwendbar.
ζυ Im Betrieb überwacht das System in realer Zeit die Laufzeit eines Ultraschallsignals durch eine Zementprobe während einer Zeitspanne, die bis zu 1000 Stunden oder mehr betragen kann. Somit wird der Zeitverlauf der Druckfestigkeit der Zementprobe unter Bedingungen kontrollierter
erhöhter Temperatur und erhöhten Druckes erhalten, wie sie in einem Bohrloch auftreten. Der Vorgang der Festlegung des Rauschpegels und der Laufzeit durch die Zementprobe wird alle 10 Sekunden in jedem bis zu acht parallelen Autoklaven-Kanäle des vorliegenden Systems wiederholt.
Somit können bis zu acht Zeitverläufe der Entwicklung der Druckfestigkeit in Zementproben erhalten werden.
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i *8·
Leerseite

Claims (20)

Patentansprüche
1. Verfahren zur zerstörungsfreien Messung der Druckfestigkeit einer Zement- oder Zementschlammprobe,
'-> dadurch gekennzeichnet, daß
(a) ein Ultraschallsignal durch die Zement- oder Zementschlammprobe geleitet wird und
(b) die Laufzeit des Ultraschallsignals durch die
Zement- oder Zementschlammprobe als Maß für die Druckfestigkeit der letzteren gemessen wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch 25
die folgenden Verfahrensschritte:
(a) Die Zement- oder Zementschlammprobe (15,87) wird auf einer kontrollierten Temperatur und unter kontrolliertem Druck gehalten.
(b) Ein Ultraschallsignal wird durch die Zementoder Zementschlammprobe hindurchgeleitet.
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m Durch
(c) Das Ultraschallsignal wird nach seinem
gang durch die Zement- oder Zementschlammprobe (15,87) aufgefangen, und es wird die für den Durchgang des Signals durch die Zementschlammprobe (15,87) benötigte Laufzeit gemessen.
(d) Aus einer vorgegebenen Beziehung zwischen Laufzeit und Druckfestigkeit wird die Druckfestigkeit der Zement- oder Zementschlammprobe bestimmt.
(e) Die Druckfestigkeit der Zement- oder Zementschlammprobe wird aufgezeichnet.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß
(a) die Verfahrensschritte wiederholt ausgeführt werden und
(b) die Druckfestigkeiten der Zement- oder Zementschlammprobe als Funktion der Zeit aufgezeichnet werden, so daß der zeitliche Verlauf der Druckfestigkeit erhalten wird.
4. Verfahren nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch die folgenden weiteren Verfahrensschritte:
(a) Bei jeder Wiederholung der Druckfestigkeitsmessung wird die gemessene Druckfestigkeit mit
einem willkürlich vorgegebenen Druckfestigkeitswert verglichen.
(b) Es wird der Zeitpunkt bestimmt, in welchem die
Druckfestigkeit diesen willkürlich vorgegebenen Druckfestigkeitswert erreicht.
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(c) Der Zeitpunkt, in welchem die Druckfestigkeit
den vorgegebenen Druckfestigkeitswert erreicht, wird aufgezeichnet.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der vorgegebene Druckfestigkeitswert so gewählt ist, daß er bei im wesentlichen allen Arten von Zement in dem Bereich liegt, in welchem sich bei dem ersten Abbinden der Zementschlammprobe ein relativ steiler Abfall der Laufzeit des Ultraschallsignals ergibt, wobei der Zeitpunkt, in welchem die Druckfestigkeit diesen vorgegebenen Druckfestigkeitswert erreicht, die Abbindezeit darstellt.
6. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Verfahrensschritt des Auffangens des Ultraschallsignals seinerseits die folgenden Verfahrensschritte enthält:
(a) Es wird ein Rauschpegel bestimmt, der für das benutzte Meßsystem charakteristisch ist.
(b) Es wird festgestellt, wann das Ultraschallsignal
diesen Rauschpegel überschreitet. 25
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß aufgrund früherer Messungen der Laufzeit eines Ultraschallsignals durch die Zement- oder Zementschlammprobe ein Zeitbereich festgelegt wird, in
welchem das Ultraschallsignal aufzufangen ist.
8. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine Ultraschallfrequenz im Bereich von
100 Kilohertz bis 1 Megahertz benutzt wird. 35
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9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Ultraschallfrequenz ungefähr 400 Kilohertz beträgt.
10. Vorrichtung zur zerstörungsfreien Messung der Druckfestigkeit einer Zement- oder Zementschlammprobe zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch
TO (a) Mittel (64) zur Aufnahme einer Zement- oder
Zementschlammprobe (15;87), in denen die Zementoder Zementschlammprobe kontrolliertem Druck und kontrollierter Temperatur aussetzbar ist,
(b) Mittel (14;86) zur Erzeugung eines Ultraschallsignals, die an die Zement- oder Zementschlammprobe (15;87) angekoppelt sind,
(c) Mittel (12,22;82,92) zur Messung der Laufzeit ( Δ T) des Ultraschallsignals durch die Zement
oder Zementschlammprobe (15; 87) und zur Erzeugung eines diese Laufzeit darstellenden Laufzeitsignals,
(d) Mittel (24;94), welche auf das Laufzeitsignal ansprechen und nach einer vorgegebenen Beziehung zwischen Laufzeit und Druckfestigkeit ein Druckfestigkeitssignal liefern, das die Druckfestigkeit der Zement- oder Zementschlamm-
probe (15;87) darstellt, und
(e) Mittel (25,95) zum Anzeigen dieses Druckfestigkeitssignals .
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11. Vorrichtung nach Anspruch. 1, gekennzeichnet durch
(a) eine Steuerung (27), durch welche die ultraschallsignalerzeugenden Mittel (14;86) und die laufzeitmessenden Mittel (12,22;82,92) so
steuerbar sind, daß sie wiederkehrende Messungen der Laufzeit und Druckfestigkeit durchführen, und
'" (b) Aufzeichnungsmittel (62) zum Aufzeichnen der wiederkehrenden Messungen der Druckfestigkeit als Funktion der Zeit, so daß der Zeitablauf der Druckfestigkeit der Zement- oder Zementschlammprobe (15;87) erhalten wird.
12. Vorrichtung nach Anspruch 11, gekennzeichnet durch
(a) Mittel (19;90) zum Vergleichen der wiederkehrenden Laufzeitsignale mit einem vorge-
gebenen Vergleichssignal zur Bestimmung des
Zeitpunkts, in dem das Laufzeitsignal den Wert des Vergleichssignals erreicht und
(b) Mittel zum Aufzeichnen des Zeitpunkts, in
welchem der Wert des Vergleichssignals erreicht
wird.
13. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die laufzeitmessenden Mittel
(a) Mittel zur Bestimmung für das Meßsystem
charakteristischen eines Rauschpegels und
(b) Mittel zum Feststellen des Zeitpunkts enthalten, in welchem ein durch.die Zement- oder Zementschlammprobe geleitetes Ultraschallsignal den Rauschpegel um ein vorgegebenes Maß überschreitet.
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14. Vorrichtung nach Anspruch 13, gekennzeichnet durch Zeitgattermittel (89), welche nach Maßgabe vorhergehender Laufzeitmessungen eingestellt sind, zur Vorgabe eines Auffangzeitintervalls, während welches das Ultraschallsignal aufgefangen wird.
15. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel (14,86) zur Erzeugung eines Ultraschallsignals einen piezoelektrischen Wandler enthalten, der mit der Zement- oder Zementschlammprobe (15;87) gekoppelt ist.
16. Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß der piezoelektrische Wandler in einem Frequenzbereich zwischen 100 Kilohertz und 1 Megahertz arbeitet.
17. Vorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß der piezoelektrische Wandler bei einer Frequenz von ungefähr 400 Kilohertz arbeitet.
18. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 15 bis 17, gekennzeichnet durch einen piezoelektrischen Wandler (16), der mit der Zement- oder Zementschlammprobe (15) auf einer dem ultraschallerzeugenden Wandler (14) gegenüberliegenden Seite zum Auffangen des durch die Zement- oder Zementschlammprobe (15) hindurchlaufenden Ultraschallsignals gekoppelt ist.
19. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 15 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß der piezoelektrische Wandler (85) als mit der Zement- oder Zementschlammprobe (87) gekoppelter Sender-Empfänger-Bauteil ausqebildet ist, welcher Ultraschallsignale sowohl
aussendet als auch auffängt.
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*' 303A6A2
20. Vorrichtung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß auf der dem piezoelektrischen Wandler (86) gegenüberliegenden Seite dir Zement- oder Zementschlammprobe (87) ultraschallreflektierende Mittel (88) vorgesehen sind.
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DE19803034642 1979-10-01 1980-09-13 Verfahren und vorrichtung zur zerstoerungsfreien messung der druckfestigkeit einer zementschlammprobe Granted DE3034642A1 (de)

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