Evaluierung der Sicherheit von Tiefbrunnen durch Ultraschallmessungen
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Christoph Klieber
Dr. Christoph Klieber ist Experte für optische und akustische Sensoren und deren messtechnischen Anwendung zur Charakterisierung von Materialien und Überwachung von Prozessen. Bis 2017 forschte er als Physiker und Laborleiter am Schlumberger Riboud Technology Center bei Paris und seit 2018 ist er bei Honeywell in Mainz-Kastell tätig.
and
Thilo M. Brill
Dr. Thilo M. Brill ist als Physiker am Schlumberger Riboud Technology Center bei Paris tätig. Seine Hauptarbeitsgebiete sind gegenwärtig die Entwicklung von Ultraschallinstrumenten für Messungen während des Bohrvorgangs (Logging While Drilling), sowie von Messungen zu Bestimmung des Bohrlochzustandes und der Zementqualität.
Zusammenfassung
In der Öl- und Gasproduktion wird nach der Bohrung ein Stahlrohr, genannt Futterrohr, in das mehrere Kilometer tiefe Bohrloch eingeführt und der Ringraum zwischen Rohr und Gestein, genannt Annulus, mit Zement verfüllt. Die vollständige Füllung des Ringraums mit Zement bewirkt eine hydraulische Isolation der verschiedenen Produktionszonen: jegliche Flüssigkeits- oder Gasbewegung außerhalb des Futterrohres wird unterbunden, um mögliche Verschmutzung von Grundwasserschichten und Unfälle zu verhindern. Um die korrekte Füllung des Ringraums zu überprüfen, wird der Zement im Annulus nach Aushärtung in-situ durch akustische Messungen vermessen. Solche zerstörungsfreien Messungen müssen unter harschen Bedingungen (Sensortechnik und Elektronik arbeiten bei Drücken bis zu 2000 bar und Temperaturen bis zu 200°C) von der Innenseite des Futterrohres ausgeführt werden. Diese Messung soll mögliche Kanäle erkennen, die zu unerwünschten Flüssigkeits- oder Gasbewegungen außerhalb des Futterrohres führen können. Die genauesten Messungen basieren auf Ultraschalltechniken, die entweder den Abklang der natürlichen Resonanz des Futterrohres ausnutzen oder die Eigenschaften der niedrigsten symmetrischen und antisymmetrischen Schwingungsformen von Lambwellen im Futterrohr basieren. Das Gesamtvolumen aller Zementevaluierungsmessungen in der Öl- und Gasindustrie beläuft sich pro Jahr auf mehrere Milliarden Euro.
Abstract
During the construction of oil and gas wells, a steel tube, called casing, is inserted into the several kilometer deep borehole and the annular space is filled with cement. The complete filling of this annulus with cement ensures hydraulic isolation of the different production zones and is crucial to prevent any liquid or gas flow outside the casing and thus to avoid pollution of ground water bearing layers and accidents. Therefore, the quality of the cement in the annulus after curing is evaluated by acoustic means. Such NDE measurements are executed in harsh environments (sensors and electronics work at pressures up to 2000 bar and temperatures up to 200°C) from the inside of the casing. These measurements identify possible channels in the annulus. The most precise measurements use ultrasonic modes that either examine the resonance decay of the reverberation of the steel casing or analyze the characteristics of the lowest order symmetric and antisymmetric Lamb-modes.
About the authors
Dr. Christoph Klieber ist Experte für optische und akustische Sensoren und deren messtechnischen Anwendung zur Charakterisierung von Materialien und Überwachung von Prozessen. Bis 2017 forschte er als Physiker und Laborleiter am Schlumberger Riboud Technology Center bei Paris und seit 2018 ist er bei Honeywell in Mainz-Kastell tätig.
Dr. Thilo M. Brill ist als Physiker am Schlumberger Riboud Technology Center bei Paris tätig. Seine Hauptarbeitsgebiete sind gegenwärtig die Entwicklung von Ultraschallinstrumenten für Messungen während des Bohrvorgangs (Logging While Drilling), sowie von Messungen zu Bestimmung des Bohrlochzustandes und der Zementqualität.
Danksagung
Die Autoren bedanken sich bei Professor Bernd Henning für die Organisation des Workshops „Schallfeldbasierte Messverfahren – vom Transducer bis zur praktischen Anwendung“ im Juli 2017 im Kloster Drübeck und die daraus resultierende Einladung zur Erstellung dieses Artikels.
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© 2019 Walter de Gruyter GmbH, Berlin/Boston
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