NO134852B - - Google Patents

Description

Oppfinnelsen angår et apparat for å bestemme plastisk viskositet og flytegrense for boreslam under boring ved hjelp av minst to rotasjonsviskosimetre som kontinuerlig forsynes med en strøm av boreslam fra samme kilde, og detektering av skjærspenningen av boreslammet ved valgte rotasjonshastigheter,

samt utledning av et elektrisk signal i samsvar med skjærspenningen, idet de respektive valgte omdreiningshastigheter fra de to viskosimetre under drift er forskjellige.

Ved boring etter olje og gass er de mest viktige fak-torer å overvåke egenskapene for boreslammet. Blant mange anvendelser av boreslam er følgende: Anvendelse som smøre-middel for borkronen. For å bringe borematerialet opp til overflaten, for å tilveiebringe en slamkake på vanngjennomtrenge-lige veggseksjoner, for å tilveiebringe tilstrekkelig trykk for å hindre utblåsing. Slammet er en blanding av væske, vanligvis vann, og tilleggsstoffer som er ønskelig for riktig overvåkning av borehullet. Tilleggsstoffene omfatter faste stoffer som kan suspenderes i væsken. Som følge av slammets karakter følger dets egenskaper lovene for plastisk strømning. Karakteristiske egenskaper ved boreslammet er dets øyensynlige viskositet, plastiske viskositet og flytegrensen. I vanlig praksis bestemmes disse egenskaper av den som borer fra tid til annen under boringen ved at det'tas prøver av slammet og disse prøver måles i et viskosimeter eller en Marsh-trakt.

Et viskosimeter som er typisk for dette formål er et Fann-viskosimeter.

Et Fann-viskosimeter omfatter en prøvekopp for

slammet ved en roterende hylse som er anordnet i koppen og et rotasjonslegeme som er anordnet inne i- hylsen. Ved inn-

byrdes dimensjonering av bestanddelene og et bestemt om-dreiningstall kan det utledes- forholdsverdier for øyensynlig

viskositet, plastisk viskositet og flytegrensen av boreslam ved kalibrering av en skala som er festet på rotasjonslegemet. Por å bestemme egenskapene av bores 1amprøver er det nødvendig med ca. 10-25 minutter mens boringen fortsetter. En del av denne tid går med til målinger med forskjellige omdreiningshastigheter og rutinen som følges for de thixotropiske verdier nødvendiggjør at væsken i prøven bibeholdes tilstrekkelig lenge til at de thixotropiske krefter når likevekt .

Nødvendigheten av måling og teknikk for målingen som ovenfor angitt er behandlet i detalj i kapittel 2 og 6 i boken "Composition and Properties of Oil Well Drilling Fluids" av Walter F. Rogers (Gulf Publishing Co. 1963). Som angitt der oppnås viskosimetermålinger for slamprøver en omdreiningshastighet på 300 og 600 omdreininger pr. min. for et Fann-viskosimeter. Den plastiske viskositet ^up' i cP er lik differansen ved målingene med 600 og 300 omdreininger pr. min. slik at:

Flytegrensen Y er lik måleresultatet for plastisk viskositet ved 300 omdreininger pr. minutt minus den 'plastiske viskositet, eller:

Sluttelig er den øyensynlige viskositet ,u "lik halvparten av måleresultatet ved 600 omdreininger pr. min., eller:

Mens det hittil er foreslått å bestemme skjærspenningen av et fluidum som bryter sammen ved samtidig måling av skjærspenningen ved to forskjellige viskosimeterhastigheter, har man ikke hatt noen muligheter for å utlede reologiske parametere for slammet direkte og kontinuerlig under boring.

Ved boring er dybden av boret kjent og den tid slammet har for å nå bunnen av borehullet og vende tilbake igjen kan beregnes. Boreslammet vil ved tilbakevending til overflaten føre med seg borematerialet. Også gass eller hydrokarboner kan føres med slamstrømmen og derved påvirke vekten av slammet.

Ved kontinuerlig prøvetaking av slammet kan forskjellige egenskaper utledes kontinuerlig og det kan sørges for indi-' kering av slamegenskapene .såvel som avvikelser som skyldes gass eller hydrokarboner som.er kommet inn i slamstrømmen.

Hensikten med oppfinnelsen er å tilveiebringe et apparat for kontinuerlig prøvetaking og registrering av bore-slamegenskaper under boringen.

Dette oppnås ifølge oppfinnelsen ved at hvert viskosimeter har en prøvekopp med en sylindrisk del og en traktformet konisk bunndel, en perforert skillevegg for å fordele boreslamstrømmen ved overkant av bunndelen som er forsynt med et ledelegeme i form av en avkortet kjegle som med sin minste flate vender mot en åpning i bunndelens nederste parti og i flukt med denne, en innretning for kombinering av signalene, omfattende en første motstand som er forbundet over utgangen fra viskosimetret med minst omdreiningshastighet, en andre og en tredje motstand av samme verdi som er forbundet i serie over utgangen fra viskosimeteret med størst omdreiningshastighet, idet den første motstand har en verdi som er to ganger verdien av den andre eller tredje motstand, og en innretning som utleder et første elektrisk signal som er proporsjonalt med spenningsforskjellen i utgangen fra de to viskosimetre, og representerer plastisk viskositet.

Apparat ifølge oppfinnelsen gjør bruk av to Fann-viskosimetere som drives synkront med hylseomdreiningstall på 300 og 600 omdreininger pr. minutt. Utgangssignalet fra dette viskosimeteret tilføres et elektrisk nettverk for å oppnå en samtidig indikering av øyensynlig viskositet, plastisk viskositet og flytegrense for en opptegningsinnretning med flere skriveorganer, samt forholdet mellom plastisk viskositet og flytegrensen. Prøvetakningen skjer kontinuerlig ved at en slamprøve kontinuerlig tilføres koppene i et strømningssystem som omfatter en forholdsvis sugefri skruepumpe med liten kapasitet. Det som renner over koppene returneres til prøven. Koppene har tilstrekkelig størrelse til å tillate tilstrekkelig sirkulasjon og allikevel ikke større enn å tillate at slammet blir stillestående. Den roterende hylse har en utspart del for å tillate fritt overløp og utmatning av prøvedeler av slammet. En Bingham modell for forhåndsbestemmelse av strøm-ningskarakteristikkene,for'slam er basert på et lineært forhold mellom skjærspenningen og skjærforholdet med en bestemt skjærspenning ved skjærforholdet 0. Ifølge oppfinnelsen anvendes en slik Bingham modell.

For analyse av slamegenskapene anvendes også en kjent' energimodell. Denne modell angir også en bestemt skjærspenning ved et skjærforhold 0 men det er her ikke noe lineært forhold mellom skjærspenningen og skjærforholdet.- Dette ulineære forhold er imidlertid jevnt og kan forhåndsbestemmes og når det anvendes viskosiraetere med en omdreiningshastighet på 50, 100, 200, 300 og 600 omdreininger pr. minutt kan forholdet bestemmes innenfor rimelige grenser på samme måte som for Bingham modellen.

Ytterligere trekk ved oppfinnelsen vil fremgå av

kravene 2-5.

Oppfinnelsen skal nedenfor forklares nærmere under henvisning til tegningene. Fig. 1 viser skjematisk et apparat ifølge oppfinnelsen. Fig. 2 viser skjematisk og mere detaljert en del av

apparatet på fig. 1.

Fig. 3 viser et tverrsnitt av en del av apparatet

ifølge oppfinnelsen.

Fig. 4 viser et snitt langs linjen IV-IV på fig. 3. Fig. 5 viser et elektrisk koplingsskjema for apparatet ifølge oppfinnelsen. Eksempler på fig. 1 viser et borehull 10 som- strekker seg gjennom jordformasjoner av forskjellig art og dannes ved hjelp av et borhode 11.. Borhodet 11 er anordnet i den nedre ende av en borstamme 13 som består av deler av rør som er - koplet med hverandre. Den øvre del av borehullet 10 er forsynt med hus 14 som er støpt på plass. I den øvre del av borehullet 10 strekker borstammen seg gjennom en åpning i huset 14 og et borhode er anordnet over en slamreturledning 15-Slamreturledningen 15 er koplet med huset 14 for å lede retur-slammet til en rystmekanisme 23 og til en opptaksbeholder 24.

Over huset lH er anordnet en drivinnretning som er vist skjematisk med 16. Drivinnretningen 16 tjener til å rotere borstammen og borkronen i borehullet. Borstammen er i

den øvre ende forbundet med dreieledd 17 som er opphengt i

en krok 18 i en ikke vist blokk. Blokken og kroken bærer borstammen på vanlig måte. En reguleringsinnretning 19 kan være forbundet med kroken 18 ved hjelp av en kopling 20

slik at dybden av borehullet eller lengden av borstammen kan bestemmes hurtig. Et innløpsrør 21 for slammet er koplet til borhodet 17 fra en slampumpe 22 slik at slam kan pumpes gjennom borstammen 13 til borkronen 11 og returnere via det ringformede rom mellom borehullveggen og borstammen til slamreturledningen 15. Slamreturledningen 15 er koplet med en rysteinnretning 2 3 som fjerner borematerialet fra slammet og fører slammet tilbake til opptaksbeholderen 24. Slampumpen 22 kan tilføre slam fra opptaksbeholderen 24.

Som vist i fig. 1 er det anordnet et prøvetaknings-rør 25 som er koplet med slamreturledningen 15 og fører til en toveisventil 26. Et annet prøvetakningsrør 27 som er koplet med innløpet for pumpen 22 er også forbundet med ventilen 26. Uavhengig av stedet for ventilen 26 kan enten røret 25 eller 27 koples til en prøvetakningspumpe 28. Slam-prøven fra røret 25 representerer slamforhold etter retur fra borehullet mens prøvetakningsrøret 27 representerer slamforhold ved inngangen til borehullet.

Pumpen 2 8 leverer en langsom strøm av slam til et rør 29 som er delt i to grener 29a og 29b som er forbundet med hver sin prøvekopp 30 resp. 40.

Tilførselshastigheten av slam må være tilpasset størrelsen av koppen slik at det oppnås tilnærmet likevekt av de thixotropiske krefter. Rørsystemet leverer en prøve fra den samme kilde til begge koppene samtidig.

Koppene 30 og 40 er like i utførelse og er anordnet i en beholder 50 som har en returledning 51 til opptaksbeholderen 24. Koppene 30 og 40 er en del av Fann-viskosimeterne som er forbundet med en registreringsanordning 52. Registrer-ingsanordningen 52 har en film eller et bånd 53 som drives som funksjon av tiden og kontinuerlig mottar viskositetinformasjoner fra viskosimeterne. Hvis ønskelig kan anordningen 52 drives som funksjon av dybden av borehullet eller som en kombinasjon av tiden og dybden. En sammenligning av disse funksjoner av boringen og prøvene kan utføres etter ønske av den som utfører målingene. Som det skal forklares nærmere nedenfor er forholdet mellom viskosimeterne slik at øyensynlig viskositet, plastisk viskositet, flytegrense og forholdet mellom plastisk viskositet og flytegrensen for slammet måles kontinuerlig og registreres som funksjon .av boringen.

Som vist på fig. 2 inneholder apparatet to viskosimetere 31 og 4l. Disse viskosimetere er av Fann-typen og omfatter prøvekopper 30 og 40, roterende sylindre 3'4 og 44 ■vog torsjonsrotasjonslegemer 33 og 43. Rotasjonssylinderne 34 og 44 er anbragt inne i koppene og under det øvre nivå 32 resp. 42 av koppene. Drivinnretningen 36 for sylinderen 34 er koplet med et tannhjul 37, og drivdelen 46 for sylinderen 44 er koplet med et tannhjul 47. Tannhjulene 37 og 47 drives av en felles motor 39 ved hjelp av et tannhjul 38. Forholdet mellom tannhjulene 37 og 47 er 2:1, slik at når viskosimeter-sylinderen 32 gjør 600 omdreininger pr. minutt, gjør viskosi-metersylinderen 42 300 omdreininger pr. minutt.

Mellom de roterende sylindre 34 og 44 og drivdelene

36 og 46 er det utsparinger 35 resp. 45 til under nivået 32 resp. 42 for å tillate gjennomstrømning av slam mellom legemet og sylinderen. Slamstrømmen gjennom koppen forløper mellom målesylinderen og rotasjonslegemet. Den geometriske utformning mellom delene 34 og 36 resp. 44 og 46 kan være forskjellig hvilket er klart for fagmannen. Utsparingene må ikke dempe strømmen gjennom måledelen og må være tilstrekkelig over denne slik at den ikke påvirker resultatet av målingene.

Ved bunnen av sylinderen i hver kopp er anordnet en perforert plate 54 som sentralt bærer et ledelegeme 55- Ledelegemet 55 er anordnet ved bunnen av en avskåret kjegle 56

som danner bunnen i prøvekoppen og den smale enden av kjeglen 56 er forbundet med tilførselsrørene 29a resp. 29b som er forbundet med pumpen 28. Koppene 30 og 40 er anordnet i be-holderen 50 slik at det som strømmer ut av hver kopp returneres til slamopptaksbeholderen. Pumpen 28 er koplet med ventilen 26 som kan tilføre slam enten fra slamtilførselen 25 eller fra slamreturen 27.

På fig. 3 og 4 er vist ytre detaljer ved viskosimetere.

Fig. 3 viser koppen 30 med en sylindrisk vegg 58 med en øvre kant 59 og en nedre kant som går over i en avskåret kjegle 56.

I den smale ende av kjeglen er ført inn innløpsrøret 29a. I overgangen mellom sylinderen 58 og kjeglen 56 er anordnet en plate 5^ med perforeringer 60. Sentralt under platen 54 er anordnet en stamme 55 som i den nedre ende bærer et ledelegeme 61 i form av en avkortet kjegle. Ledelegemet 61 er anordnet overfor innløpet 29a og tjener til å spre den inn-kommende strøm av slam og hindre kanaldannelse. Koppen 40 har lignende utformning som koppen 30.

Koppen tilføres kontinuerlig prøver ved hjelp av en forholdsvis sugefri skruepumpe 28 med liten kapasitet. Koppen 30 har tilstrekkelige dimensjoner til å tillate sirkulasjon uten kanalisering eller uten at slammet setter seg fast. Den perforerte plate 54 tillater en mere jevn strøm gjennom måledelen.

Som vist på fig.3 og 4 har den roterende sylinder 34 hel vegg i området av rotasjonslegemet 33 og strekker seg noe over og under dette. Sylinderen 34 er anordnet midtveis mellom den øvre kant 59 og platen 54. Inne i sylinderen 34 er anordnet et sylindrisk konsentrisk rotasjonslegeme 33 som er forbundet med en stamme 62. Over legemet 33 er sylinder-veggen 34 forsynt med utsparinger 35a, 35b og 35c med jevne mellomrom. Den nedre del av utsparingen må befinne seg tilstrekkelig over legemet 33 slik at ikke målingene påvirkes. Kantene av forbindelsesdelene mellom utsparingene kan være avskrådd for å hindre oppbygning av slam.

Under målingen anvendes et standard Fann-viskosimeter med en prøvekopp, en roterende sylinder og et rotasjonslegeme som nevnt ovenfor. Motoren roterer med 300 eller 600 omdreininger pr. minutt og kraften som utøves på rotasjonslegemet avleses på en skala. For et gitt eksempel var skalaen kalibrert i cP og angir den plastiske viskositetsverdi ved subtraksjon av målingen ved 300 omdreininger fra målingen ved 600 omdreininger pr. minutt. Flytegrensen bestemmes ved subtraksjon av den plastiske viskositetsverdi fra verdien ved 300 omdreininger pr. minutt. Den øyensynlige viskositet bestemmes ved å ta halvparten av verdien ved 600 omdreininger pr. minutt. Disse målinger kan oppnås samtidig ved apparatet ifølge oppfinnelsen. Målingene kan videre utføres automatisk og kontinuerlig.

Fig. 5 viser resultatet av torsjonsmålingene fra rotasjonslegemet 33 og 34 i viskosimeterne som i form av likestrømssignaler tas fra omformere 70 og 71 for henholdsvis" 600 omdreininger pr. minutt og 300 omdreininger pr. minutt. Spenningen fra omformeren 70 leveres på ledninger 72 og 73 og spenningen fra omformeren 71 tilføres ledninger 74 og 75. Ledningene 73 og 75 er forbundet med hverandre.' Mellom ledningene 72 og 73 er anordnet to motstander 76 og"77 i serie. Mellom ledningene 74 og 75 er anordnet en motstand 78. Mot-standen 78 har samme verdi som summen av motstandene 76 og 77. Verdien av motstandene 76 eller 77 er minst 10 ganger større enn utgangsimpedansen for omformeren. Dette hindrer be-lastningsproblemer i å påvirke spenningsmålingen eller lineæriteten av omformeren.

For å oppnå en verdi for den plastiske viskositet gjøres det bruk av spenningsforskjellen mellom omformerne. Dette kan skje ved at utgangsspenningen på ledningene 72 og 74 tilføres et første galvanometer. Spenningen mellom ledningene 72 og 74 er lik spenningsforskjellen ved 600 omdreininger pr. minutt og 300 omdreininger pr. minutt og denne spenningsfor-skjell er proporsjonal med den plastiske viskositet. Galvanometeret merket Galvo 1 på fig. 5 vil derfor registrere den plastiske viskositet på en opptegningsinnretning.

Da verdiene på motstandene 76 og 77 er den samme og spenningsfallet over de to motstander er lik målingen fra ' viskosimetere med 600 omdreininger pr. minutt, vil disse to motstander frembringe en spenningsdeling og spenningen mellom ledningen 75 fra omformeren 71 og forbindelsespunktet 79 mellom motstandene 76 og 77 vil;være lik halve spenningen ved 600 omdreininger pr. minutt. Som tidligere angitt er halve spenningen ved 600 omdreininger pr. minutt lik den øyensynlige viskositet / ,u a. Ved således å forbinde punktet 79 og de med hverandre forbundne ledninger 73 og 75 med et galvanometer kan man kontinuerlig måle den øyensynlige viskositet ved hjelp av galvanometere som er betegnet Galvo 3 på fig. 5.

Det er kjent at flytegrensen er lik måleresultatet ved 300 omdreininger pr. minutt minus verdien av den plastiske viskositet. Flytegrensen kan derfor bestemmes ved å utlede spenningen mellom punktet 79 og ledningen 74 og doble måle-verdien. Den doblede måleverdi her tilføres så et galvanometer betegnet Galvo 2 på fig. 5.

Målesignalet for plastisk viskositet fra galvanometeret Galvo 1 og målesignalene for flytegrensen fra galvanometeret Galvo 2 tilføres en forholdsdetektor 80 som. utleder forholdet mellom plastisk viskositet og flytegrensen. Dette forholds-signål tilføres et galvanometer betegnet Galvo h på fig. 5-Ved å iaktta forholdet direkte er det mulig å bestemme når flokkulasjon opptrer i systemet. Flokkulasjon, dvs. at partiklene klumper seg sammen, og den relative grad av disper-sjon kan måles kvantitativt.

Som vist på fig. 1 kan opptegningsinnretningen 52 drives av et urverk med mekanisk indikering slik at en film-eller papirstrimmel 53 beveges som funksjon av tiden ved hjelp av urverket med tidsmarkering på strimmelen. Hver av de opptegnede målinger for øyensynlig viskositet, flytegrense og plastisk viskositet tegnes da opp som funksjon av tiden. Fra tid til annen blir apparatet spylt med rent vann uten opp-løsende virkninger på slamsystemet.

Ved drift av apparatet blir opptegningsinnretningen startet slik at en tidsmarkering skjer samtidig med starten. Ikke viste.styreventiler leverer prøve av slammet til pumpen 22 avhengig av innstillingen av ventilen 26. Pumpen tilveie-bringer en strøm av slam til prøvekoppene. Strømmen av slam styres slik at det er tilstrekkelig tid for å oppnå en pålitelig indikering fra omformerne 70 og 71 som automatisk behandles i de elektriske kretser til verdier for øyensynlig viskositet, flytegrense og plastisk viskositet og disse verdier registreres i opptegningsinnretningen kontinuerlig.

Claims (5)

1. Apparat for å bestemme plastisk viskositet og flytegrense for boreslam under boring ved hjelp av minst to rotasjonsviskosimetre som kontinuerlig forsynes med en strøm av boreslam fra samme kilde, og detektering av skjærspenningen av boreslammet ved valgte rotasjonshastigheter, samt utledning av et elektrisk signal i samsvar med skjærspenningen, idet de respektive valgte omdreiningshastigheter fra de to viskosimetre under drift er forskjellige, karakter i,s ert ved at hvert viskosimeter (31, 4l) har en prøvekopp (30,40) med en sylindrisk del (58) og en traktformet konisk bunndel (56), en perforert skillevegg (54) for å fordele boreslamstrømmen ved overkant av bunndelen som er forsynt med et ledelegeme (61) i form av en avkortet kjegle som med sin minste flate vender mot en åpning (29a, 29b) i bunndelens nederste parti og i flukt med denne, en innretning for kombinering av signalene, omfattende en første motstand (78) som er forbundet over utgangen fra viskosimetret med minst omdreiningshastighet, en andre (77) og en tredje (76) motstand av samme verdi som er forbundet i serie over utgangen fra viskosimeteret med størst omdreiningshastighet, idet den første motstand har en verdi som er to ganger verdien av den andre eller tredje motstand, og en innretning som utleder et første elektrisk signal (Galvo 1) som er proporsjonalt med spenningsforskjellen i utgangen fra de to viskosimetre og representerer plastisk viskositet.

2. Apparat ifølge krav 1, karakterisert ved at innretningene for detekteringen omfatter rotasjons-reagerende rotasjonslegemer (33,43) som hvert er omgitt av en ytre roterbar ytre sylinder (34,44) med åpninger (35,45) for gjennomstrømning av slam,

3. Apparat ifølge krav 1 eller 2, karakterisert ved en innretning for å utlede et andre elektrisk signal (Galvo 3) som er proporsjonal med forskjellen mellom det første signal (Galvo 1) og spenningen over den andre (77) eller tredje 17$) motstand og representerer øyensynlige viskositet.

4. Apparat ifølge krav 3, karakterisert ved en innretning for å utlede et tredje elektrisk signal (Galvo 2) som er proporsjonal med forskjellen mellom det andre elektriske signal (Galvo 3) og spenningen over den første motstand (78) og representerer flytegrensen.

5. Apparat ifølge et eller flere av de foregående krav, karakterisert ved en forholdsdetektor (80) som reagerer på det første elektriske signal (Galvo 1) og det tredje elektriske signal (Galvo 2) og leverer et fjerde elektrisk signal (Galvo 4) som representerer flokkulerings-faktoren og eventuelt tilføres en registreringsanordning (52) for registrering som funksjon av borehullets dybde.