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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum mechanischen Prüfen von
Gesteinsformationen während
des Bohrens eines Bohrlochs in der Ölindustrie.
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Dieses
Verfahren erstreckt das Potential der normalerweise im Labor zum
Messen der Fortpflanzungsgeschwindigkeit von Ultraschallwellen an
einem Bohrkern verwendeten Technik auf Messungen an Gesteinssplittern,
welche während
des Bohrens die Oberfläche
erreichen.
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Um
Probleme betreffend das Bohren einer Ölquelle (Bohrlochstabilität, Sanderzeugung
oder Bodensenkung, usw.) erfolgreich zu behandeln, ist es wichtig,
in der Lage zu sein, die Gesteinsformationen während des Bohrens mechanisch
zu prüfen.
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Bis
jetzt, wie in dem US-Patent Nr. 3,995,501 berichtet, war dies durch
Ausführen
geomechanischer Tests im Labor an aus dem Bohrloch entnommenen Bohrkernproben
möglich;
unglücklicherweise
hängen
die Ergebnisse dieser Tests von den Zeiten und Kosten der Kernuntersuchungsvorgänge ab,
sowie nur von den Abständen
des Gesteins, aus dem die Kerne entfernt werden.
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Unter
den Messungen, die an den von den Kernen entnommenen Gesteinsproben
ausgeführt
werden, gibt es die Messung der Geschwindigkeit von Druck- und Schub-Ultraschallwellen
unter Verwendung der Impulsgeschwindigkeitstechnik (gemäß dem Standard
ASTM D2845-90), welche die Berechnung der Elastizitätsmodule
ermöglicht,
die im Umfang der linearen Elastizitätstheorie direkt mit der mechanischen
Festigkeit der Gesteinsformationen, aus denen die Kerne gewonnen
werden, zusammenhängen.
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Um
diese Werte für
die gesamte Länge
des Bohrlochs zu haben, werden üblicherweise,
wenn das Bohren einmal beendet worden ist, die Schalllote aufgezeichnet,
wobei dieser Begriff die Bestimmung der Laufzeiten der akustischen
Wellen mittels einer in das Bohrloch selbst abgelassenen Sonde betrifft;
auf diese Weise ist es jedoch nicht möglich, in Echtzeit in die Bohrstrategien
einzugreifen. 4 zeigt den Vergleich zwischen
den Schalllot- und den Druckwellen-Geschwindigkeitsmessungen an
Gesteinssplittern, nachfolgend als „Späne" bezeichnet (Vp-PUC: gepulster Ultraschall
an Spänen).
Die Daten wurden durch die Anmelderin im Juli 1994 an einer Ölquelle
aufgezeichnet.
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Um
die oben beschriebenen Nachteile zu überwinden, hat die Anmelderin
herausgefunden, dass es möglich
ist, die obigen Ziele durch eine Analyse der während des Bohrens erzeugten
und an der Oberfläche eingesammelten
Späne und
anschließendem
Einsetzen der Ergebnisse in ein komplettes Datensammelprogramm auf
dem Gebiet, wie beispielsweise geologisch-petrographische Analysen
der Arbeitsstätte
und Eindruckmessungen, zu erzielen.
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Insbesondere
zeichnet sich das Verfahren der vorliegenden Erfindung darin aus,
dass es Informationen über
die Natur der Gesteinsschichten, die gebohrt werden, in Echtzeit
vorsieht, wodurch einschneidende Eingriffe während des Bohrens ermöglicht werden.
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Außerdem ist
die Kenntnis der Fortpflanzungsgeschwindigkeit der Druck- und Schub-Ultraschallwellen von
besonderer Bedeutung bei der Kalibrierung und dem Vergleich mit
Daten aus Seismikprofil- und Schalllot-Aufzeichnungen, hauptsächlich für Forschungszwecke.
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Die
vorliegende Erfindung betrifft deshalb ein Verfahren zum mechanischen
Prüfen
von Gesteinsproben während
des Bohrens eines Bohrlochs in der Ölindustrie, mit den Schritten
wie in Anspruch 1 definiert.
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Insbesondere
verwendet das Verfahren einen Impulsgenerator, der zum Erzeugen
eines elektrischen Signals notwendig ist, welches den Sender-Messwertaufnehmer
in Abhängigkeit
von der Art des verwendeten Messaufnehmers eine Druck- oder Schub-Ultraschallwelle
erzeugen lässt.
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Besondere
Sorgfalt wurde beim Auswählen
der Verbindungsfluide zwischen den Messwertaufnehmern und den Spänen aufgewendet;
diese Fluide sind durch Viskositätswerte
zwischen 200 und 800 Poises, gemessen mit einem Scher-Geschwindigkeitsgradienten
von 3,1 s–1 (Standard
des American Petroleum Institute 13 B-1) gekennzeichnet.
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Die
durch die Probe gelaufene Ultraschallwelle wird durch den Empfänger-Messwertaufnehmer
in ein elektrisches Signal umgesetzt; das empfangene elektrische
Signal wird dann mittels eines digitalen Oszilloskops sichtbar gemacht,
welches unter Berücksichtigung
der Verzögerung
der Messwertaufnehmer und der Schaltung die Bestimmung der Laufzeit
der Ultraschallstörung
durch die Späne
ermöglicht.
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Wenn
die Dicke der Späne
gemessen wird, ist es somit möglich,
die Fortpflanzungsgeschwindigkeit der Druck- oder Schub-Ultraschallwellen
zu bestimmen.
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Der
Vorteil des Verfahrens der vorliegenden Erfindung liegt in der Erstreckung
des Potentials der im Labor für
Fortpflanzungsmessungen von Ultraschallwellen an einem Kern (zum
Beispiel zylindrische Proben von 2,5 cm Durchmesser und doppelter
Höhe) verwendeten
Impulsgeschwindigkeitstechnik auf Messungen an Gesteinssplittern
mit Maßen
von sogar weniger als 1 cm, die während des Bohrens an die Oberfläche gelangen.
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Diese
Erstreckung des Verfahrens ist aufgrund der Verwendung von besonderen
piezoelektrischen Messwertaufnehmern, der Auswahl der Form von zu
bestimmenden Emissionsimpulsen in Bezug auf die Eigenschaften der
piezoelektrischen Kristalle selbst, der Auswahl der Fortpflanzungsfrequenzen
und der Identifikation der für
die mechanische Verbindung zwischen dem Span und den Messwertaufnehmern
notwendigen Fluide zum Optimieren der Übertragung der Ultraschallwelle
möglich
gemacht.
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Abschließend integriert
und verbessert das vorliegende Verfahren überraschenderweise die bekannten
Anwendungen und stellt eine Einrichtung bereit, welche für Vor-Ort-Messungen am Bohrturm
industriell verwendet werden kann.
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Nur
beispielhaft und ohne irgendwelche Einschränkungen der Erfindung wird
darauf hingewiesen, dass die für
das Verfahren der vorliegenden Erfindung verwendete experimentelle
Ausrüstung
besteht aus:
- – einem Impulsgenerator mit
einer Impulsbreite von 0,1 μs
bis 20 μs
und vorzugsweise von 0,1 μs
bis 2 μs;
- – einem
Paar von piezoelektrischen Messwertaufnehmern, die stark gedämpfte Druck-Ultraschallwellen
mit einer Bandbreite von 100% erzeugen können, oder alternativ einem
Paar von piezoelektrischen Messwertaufnehmern, die stark gedämpfte Schub-Ultraschallwellen
mit einer Bandbreite von 100% erzeugen können;
- – einem
digitalen Oszilloskop mit einer minimalen Auflösung von 10–2 μs.
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Falls
die Dämpfung
der Materialien so hoch ist, dass sie keine Erfassung der Signale
durch das Oszilloskop alleine erlaubt, kann ein Verstärker mit
einer variierenden Verstärkung
benutzt werden.
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Die
ausgewählten
Messwertaufnehmer, welche durch eine sehr hohe Dämpfung und eine extreme Selektivität in der
Polarisierung gekennzeichnet sind, ermöglichen auch Messungen an Spänen mit
extrem verringerten Abmessungen ohne Kanteneffekte, Mehrfachreflexionen,
und insbesondere sind, sofern die Schubwellen betroffen sind, Effekte
aufgrund einer Modenumwandlung praktisch nicht vorhanden, da die
hohe Selektivität
der Messwertaufnehmer gewährleistet,
dass die durch die Schubwellen erzeugte Druckkomponente aufgrund
von während
der Fortpflanzung auftretenden Diskontinuitäten nicht mit der Schubstörung selbst überlappt.
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Abschließend können die
Vorteile des Verfahrens der vorliegenden Erfindung wie folgt zusammengefasst
werden:
- – Messung
der Fortpflanzungsgeschwindigkeit von Druck- und Schub-Ultraschallwellen
durch Späne
und Berechnung sowohl der relativen Laufzeit als auch der Elastizitätsmodule;
- – Gerät, welches
industriell für
Vor-Ort-Messungen am Bohrturm verwendet werden kann;
- – Einfachheit
und Schnelligkeit beim Ausführen
der Tests mit bis zu 10–12
Bestimmungen an Spänen
je Stunde durch einen einzelnen Operator, einschließlich der
Vorbereitungszeiten der Proben, der Messung der Fortpflanzungsgeschwindigkeit
und der Datenverarbeitung;
- – gute
Reproduzierbarkeit der Messung und Fehlen von Maßstabseinflüssen auf homogene Proben von
unterschiedlichen Abmessungen;
- – Abmessungen
der Späne
von sogar weniger als dem Durchmesser der Messwertaufnehmer, was
folglich nicht die Verwendung des Verfahrens der vorliegenden Erfindung
beschränkt;
- – die
Parallelität
der Oberflächen
der Späne
in Kontakt mit den Messwertaufnehmern muss nur sichergestellt werden,
um eine korrekte Messung der Länge
der Proben zu garantieren;
- – das
Verfahren hat sich auch für
Proben, die durch einen mittleren Porenradius von mehr als 50 μm gekennzeichnet
sind, als anwendbar erwiesen;
- – ein
vollständig
neuer Aspekt ist auch die Bestimmung von beiden Fortpflanzungsgeschwindigkeiten
von Ultraschallwellen (Druck und Schub) an Spänen, da sie die mechanische
Prüfung
des Materials im Bereich der linearen Elastizitätstheorie und deshalb die Berechnung
der Elastizitätsmodule
(Young, räumlich, Schermodul,
Poisson) und insbesondere die Anwendung der halbempirischen Modelle
(wie beispielsweise Coates & Denoo
oder Deree & Miller)
zum Bestimmen der mechanischen Gesteinsfestigkeit erlaubt.
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Aufgrund
der extremen Kompaktheit, der geringen Kosten und der Transportfähigkeit
der zum Ausführen
der Tests notwendigen experimentellen Ausrüstung sowie der Möglichkeit
der Verwendung von Spänen mit
extrem verringerten Abmessungen kann dieses Verfahren erfolgreich
direkt vor Ort am Bohrturm verwendet werden und eine Quelle von
Informationen „beim
Bohren" vorsehen.
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Das
folgende experimentelle Beispiel ist wieder beispielhaft und beschränkt die
vorliegende Erfindung in keiner Weise.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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1 ist
ein graphischer Vergleich der Druckwellen-Geschwindigkeitsmessungen,
die gemäß dem Verfahren
der vorliegenden Erfindung für
jede von drei unterschiedlichen Größen von Gesteinssplittern von sechs
unterschiedlichen Gesteinsarten erhalten wurden,
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2 ist
das gleiche wie der graphische Vergleich von 1, außer dass
die Druckwellen-Geschwindigkeiten von nur vier der Gesteinsarten
in einem größeren Wellengeschwindigkeitsmaßstab gezeigt
sind;
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3 ist
ein graphischer Vergleich der Schubwellen-Geschwindigkeitsmessungen,
die gemäß dem Verfahren
der vorliegenden Erfindung für
drei unterschiedliche Größen von
Gesteinssplittern von sechs unterschiedlichen Gesteinsarten erhalten
wurden;
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4 ist
ein graphischer Vergleich der Druckwellen-Geschwindigkeitsmessungen
für Gesteinssplitter, die
an unterschiedlichen Bohrtiefen unter Verwendung sowohl der Impulsgeschwindigkeits-Technik
als auch der Schalllot-Technik erhalten wurden.
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BEISPIEL 1
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Um
die Zuverlässigkeit
des Verfahrens und die Abhängigkeit
der Messung von den Abmessungen der Testproben zu überprüfen, wurden
Kerne von sechs unterschiedlichen Gesteinsarten ausgewählt, an
denen die Geschwindigkeit von Druck- und Schubwellen unter Verwendung
des „Impulsgeschwindigkeits-" Verfahrens gemessen
wurden (um als Referenzwert betrachtet zu werden).
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Drei
Späne von
unterschiedlichen Abmessungen wurden durch Zertrümmern aus jedem Kern erzeugt.
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Jeder
Span wurde unter Verwendung einer Diamantschleifscheibe mit zwei
flachen parallelen Seiten geglättet
und die Dicke wurde gemessen (Toleranz 0,01 mm).
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Die
verwendete Ausrüstung
bestand aus dem mit einem Impulsgenerator verbundenen Sender-Messwertaufnehmer,
einer dünnen
Schicht eines Verbindungsfluids (mit einer Viskosität von 420
Poises, gemessen mit einem Schergeschwindigkeitsgradienten von 3,1
s–1),
dem zuvor präparierten
Span, einer weiteren Schicht des Fluids und dem mit dem Oszilloskop
verbundenen Empfäner-Messwertaufnehmer.
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Der
durch den Generator erzeugte elektrische Impuls regt den Sender-Messwertaufnehmer
an, der eine Ultraschallwelle (in Abhängigkeit von dem verwendeten
Messwertaufnehmer Druck oder Schub) durch den Span sendet.
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Der
Empfänger-Messwertaufnehmer
wandelt die akustische Welle in ein elektrisches Signal um, welches
dann auf dem Oszilloskop sichtbar gemacht wird.
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Es
ist deshalb möglich,
unter Berücksichtigung
der Zeitverzögerung
der Messwertaufnehmer und der Schaltung die Laufzeit der Ultraschallwelle
durch den Span zu bestimmen.
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Da
die Dicke des Spans gemessen wird, wird die Fortpflanzungsgeschwindigkeit
der Druck- oder Schub-Ultraschallwellen bestimmt.
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Die
im Labor an von Kernen erzeugten Spänen durchgeführten Vorversuche
zeigten eine gute Reproduzierbarkeit der Messung und das Fehlen
von Maßstabseffekten
für homogene
Proben.
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Insbesondere
zeigt Tabelle 1 die Ergebnisse betreffend die Geschwindigkeitsmessungen
an Druckwellen (Vp) und Schubwellen (Vs), die an den sechs unterschiedlichen
ausgewählten
Gesteinsarten durchgeführt
wurden, wobei für
jede von ihnen angegeben sind: der an einem Kern mit dem „Impulsgeschwindigkeits-" Verfahren gemessene
Referenzwert (Ref.) und drei mit dem Verfahren der vorliegenden
Erfindung an Spänen von
unterschiedlichen Abmessungen (G > 10
mm, M ~ 50 mm, P < 3
mm) durchgeführte
Messungen, um die Maßstabseffekte
zu zeigen, und in 1, 2 und 3 sind
diese Werte graphisch dargestellt.
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Es
wird darauf hingewiesen, dass im Fall von Dolomit die durch die
Geschwindigkeitswerte dargestellten Unterschiede auf dem Vorhandensein
von Bruchstellen basieren, die nur in dem Kern, nicht aber in den Spänen vorhanden
sind.
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