Physikalische Parameter des Bohrlochfluids (Spülung)

Temperatur T

Vertikaler Temperaturverlauf: Vertikaler Temperaturgradient: (Geothermischer Gradient) - Terrestrischer Wärmefluss (z - Komponente der

Wärmestromdichte),

- Spezifische Wärmeleitfähigkeit, physikalischer Gesteinskennwert,

Temperatur-Tiefen-Funktion:

Geothermische Tiefenstufe:

[ ]°C ( )T f z=

[ ]°C/mzT q

Tz λ

∆= =

∆

2mW / mq

[ ]W / m °Cλ ⋅

0 0( ) zq

T z T T Tλ

= + = + 0 0T z→ =

3 3.5°C /100mzT = ° −

Quarz 7 … 8 Magmatite 2 … 5

Wasser 0.5 … 0.6 Sandstein 2 … 6

Öl 0.15 Kalkstein 1 … 5

Gase 0.03 Sand 0.5 … 2.5

Stahl 46

FG-Gneis 2.6 … 2.7 Zement 0.3

Mittlere Werte der spezifischen Wärmeleitfähigkeit [ ]W / m °Cλ ⋅

Abhängigkeiten der gemessenen Bohrlochtemperatur T

Temperaturanstieg mit der Tiefe (Geothermische Tiefenstufe) infolge q und λ,

Wirkung eintretender, abfließender und zirkulierender Wässer,

Exotherme Vorgänge (Abbinden von Zement, chemische Vorgänge in Deponien),

Radiogene Wärmeproduktion, Gehalt der Gesteine an radioaktiven Nukliden (U, Th, K-40),

Störung des natürlichen Temperaturfeldes durch die Bohrarbeiten.

Durchführung von Bohrlochtemperaturmessungen

Beginn des Messprogramms in einer Bohrung,

Abwärtsmessung: Minimale Störung des natürlichen Temperaturregimes durch Verwirbelung und Vermischung,

Kombination mit elektrischen Leitfähigkeitsmessungen der Spülung,

Absolute Genauigkeit: 1 °C, Empfindlichkeit (Auflösung): 0.01 ... 0.1°C,

Thermische Trägheit: Angleichzeit des Sensors an die Umgebungs- Temperatur, Fahrgeschwindigkeit: < 5 m/min.

Einsatzgebiete

Thermalwassererkundung,

Detektion von Wasserzutritten und -abflüssen, Detektion von Ölzuflüssen in Fördersonden,

Detektion von Gaszutritten, Temperaturabnahme durch Druckentlastung bei Eintritt in die Bohrung,

Lithologie: Unterschiedliche Wärmeleitfähigkeiten λ der Gesteine,

Zementkopfbestimmung: Exothermer Vorgang, Messung ca. 10 ... 15h nach Zementation,

Temperaturkorrekturen (elektrische Messungen).

-10 0 10 20 30 40 50 60 70t in min

0

2

4

6

8

10

12

14

GW

in m

Grundwasserspiegelabsenkung in Bohrg. FG-4

t0 t1 t2

Zufluss = Abfluss

6.34m

Spezifische elektrische Leitfähigkeit

Messung der spezifischen elektrischen Leitfähigkeit der Spülung

bzw. des spezifischen elektrischen Spülungswiderstandes (mud resistivity)

[ ][ ]

10m

mS/cmm

m

Rσ

Ω ⋅ =

[ ]mS/cm ( )m f zσ =

σ

11 0.02 ( 25 )

gemcomp

gemC T C

σσ

−=

+ ° − °

TCDS - Sonde (Robertson Geologging): user function für die Referenztemperatur T = 25°C.

Die spezifische elektrische Leitfähigkeit / Widerstand der Spülung sind abhängig von der Zusammensetzung des Bohrlochfluids:

Art und Konzentration der gelösten Salze – z.B. ppm NaCl,

Konzentration der Schwebstoffe (Tonpartikel),

Temperatur T .

Zur Vergleichbarkeit der stofflichen Spülungseigenschaften:

Korrektur auf eine Referenztemperatur (T = 25°C).

Einsatzgebiete

Spülungskorrektur von elektrischen Formationswiderstandsmessungen (Vierelektroden-Anordnungen, fokussierende Anordnungen),

Bestimmung des spezifischen Widerstandes des Formationswasser aus Eigenpotentialmessungen:

Beurteilung der Salinität und Güte von Wässern (Hydrologie)

Trinkwasser: Mineralisierte Formationswässer: Lokalisierung von Wasserzuflüssen,

Kontaminationen.

WR( ; )SP m WU f R R=

50 mTWR > Ω ⋅

1 mWR < Ω ⋅

2 4 6 8 10T in °C

48

46

44

42

40

38

36

34

32

30

28

26

24

22

20

18

16

14

12

10

8

6

4

2

0

z in

m

9.8 9.85 9.9 9.95

T in °C

0.264 0.272 0.28σm in mS/cm

48

46

44

42

40

38

36

34

32

30

28

26

24

22

20

18

16

14

12

10

8

6

4

2

0

35.5 36.5 37.5

Rm in (ohmm)

Temperatur-Leitfähigkeitssonde TCDS Bhrg: FREIBERG 3

3 4 5 6 7Cal in inch

48

46

44

42

40

38

36

34

32

30

28

26

24

22

20

18

16

14

12

10

8

6

4

2

0

GW

T-Jahresgang z = 13.5 m

0.4 °C/100m

?

Kl

Ro

Gnkl

Gnfrisoliertes

Metall-gehäuse

TCDS-Sonde

1 - Thermistor R = R(T) linear: 0 ... 100°C

Spülung

1

2

2 - Leitfähigkeitszelle drei Kohlenstoffringe I ∼ σ (Bohrlochflüssigkeit)

dU

pH-Wert des Bohrlochfluids

PHTM-Sonde (Robertson Geologging)

Messgrössen: pH-Wert und Temperatur,

Sensor: Glaskolben mit einer Ag/AgCl-Referenzelektrode,

Standard-pH-Wert-Skala: 0 … 14,

Lineares Messergebnis zum pH-Wert der umgebenden Flüssigkeit,

Kalibrierung: handelsübliche Standard-pH-Wert-Lösungen.

Anwendung: Beurteilung der Wasserqualität im Bohrloch (Zuflüsse, Kontaminationen).

( )( )

77

1 25

gemcomp

gem

pHpH

K T

−= +

+ −

Korrektur des pH-Wertes auf die Referenztemperatur T = 25 °C:

NERNST-Gleichung (Robertson Geologging, user function):

Sondenfaktor K = 0.0043915 (1/°C).

pH-Wert 7,basisch>

Druck und Dichte des Bohrlochfluids

Einsatz in Produktionsbohrungen zur Lagerstättenüberwachung (monitoring).

Messung der Spülungsdichte mittels Drucksensoren

Messgerät: Gradiomanometer, 2 Drucksensoren ( ), Messgröße: Druckgradient

Statischer Zustand:

Fluiddichteprofil:

Dynamischer Zustand: Reibungskorrektur.

0.6mL∆ =

( )Lp

f zL

p∆

= =∆

FlL dp z∆ = ∆

( )Fld f z=

Fld

(1 )Fl w w wÖld w d w d= − +

; 1FlÖlw w

wÖlÖl

d dw w

dw

d

−= = −

−

, wÖlw w - Volumenanteile Öl bzw. Wasser im Fluid.

Fluidzusammensetzung der Zuflüssein Perforationsbereichen

Zweiphasenfluid (Öl + Wasser)produzierende Bohrung:

L

p1

p2

z2

z1

L

pL(z1)

dFl(z)

p1

p2

z0 dFL(z) = dpL / dz

dFl

Bohrlochfluid dFl

z0

Q

D

γ0

γ1

Öl + Wasser

Gamma-Gamma-Messung

Spülungsdruckmessung

Drucksensor

Kalibrierung: dFl = f (I(γ1))

Messung der Spülungsdichte

pL(z2)

4000 4500 5000

I(γ1) in (cps)

0.8

0.85

0.9

0.95

1

1.05

dF

l in g

/cm

³

Wasser

Gemisch

Öl

L

Fluiddichtebestimmung mit der Gamma-Gamma-Methode nach dem Durchstrahlungsprinzip (Fluid-Density-Log)

Kalibrierung: Messung der Reststrahlung für die Quelle-Detektor-Anordnung mit dem Spacing L (Abstand QD) an Fluiden mit bekannter Dichte.

Kapazitive Messung der Fluidzusammensetzung

Dielektrizitätszahl Wasser:

Dielektrizitätszahl Öl, Gas:

1370 1 1Quelle Fluid Detektor ( () ): Flf dICs γγ γ → =→ → → →

81wε =

1.0Gasε =2.0 2.4;Ölε = −

Produktionskontrollmessung (Schlumberger) GR – nat. Gammastrahlung (api), CCL – Casing collar locator, Caliper: x-, y- Richtung (inch), Cable speed (ft/h), Water holdup – Wasseranteil im

Steigrohr (azimutal), Mixture density – Dichte des

Flüssigkeits-Gas-Gemisches (g/cm³), Gradiometer – Dichtekurve des

Gradiometers (g/cm³), Water holdup – Wasseranteil im

Steigrohr, Volumenanteil. Rohrinspektion: Mehrfingerkaliber, CCL – elektromagnetische

Wanddickenmessung der Verrohrung nach dem Induktionsprinzip, Nachweis von Futterrohrmuffen.

CCL

Fluidbewegungen in Bohrungen und Brunnen

Flowmetermessungen

Bewertung und Nutzung von Reservoiren (KW-Stoffe, Wasser), Umweltprobleme (Ausbreitung von Kontaminationen).

Messung

Vertikale Fluidströmung V [m/min] in einer Bohrung,

Stationär (diskrete Punkte) bei unbewegter Sonde V = f (t), Kontinuierlich bei bewegter Sonde V = f (z), Einfluss der Relativbewegung Sonde – Spülung, Kalibrierung (Kennlinie).

Messprinzipien

Elektromechanische Systeme: Flügelrad- oder Impellerflowmeter Rotationsgeschwindigkeit des Impellers: A (U/min) = f (Anströmgeschwindigkeit V des Fluids),

Messung: kontinuierlich und stationär.

Heat-Pulse-Flowmeter

Impulsförmige Wärmequelle, Temperatursensoren auf der Sondenachse, Messung der zeitlichen und räumlichen Ausbreitung des

punktförmigen Wärmeimpulses,

Messung: stationär.

Tracer-Flowmeter

Markierung des Bohrlochfluids mit einem Tracer, Messung der zeitlichen und räumlichen Ausbreitung der markierten

„Wolke“,

Messung: stationär,

Tracer

Farbtracer, Radioaktive Tracer (Iodine -131, Tage), Neutronenimpuls durch Neutronengenerator

Schlumberger, water flow log WFL).

1/2 8.05T =

Typ D in m/min

ElektromechanischeFlowmeter

0.6 … 300

Heat-Puls-Flowmeter 0.03 … 3

Tracer-Flowmeter 0.001

Ansprechschwelle D für Flowmetertypen (Mindestanströmgeschwindigkeit)

Anwendungen

Lokalisierung von Zu- und Abflüssen, Bestimmung von Zu- und Abflussanteilen bezogen auf die

Gesamtförderung in Pegel- und Produktionsbohrungen, Güte von Filterstrecken in Brunnen und Bohrungen.

Elektromechanische Flowmeter

Kontinuierliche Sondenfahrt in einer offenen Bohrungen

Die Impellergeschwindigkeit A (U/min) ist abhängig von:

Sondenfahrgeschwindigkeit (Kennlinie),

Bohrlochquerschnitt Kalibermessung + Kaliberkorrektur (Korrektur auf einheitlichen

Querschnitt),

Zu- und Abflüssen in der Bohrung.

-10 -9 -8 -7 -6 -5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10Fahrgeschwindigkeit v in m/min

-100

-90

-80

-70

-60

-50

-40

-30

-20

-10

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

Imp

elle

rge

sch

win

dig

keit

A in

U/m

in

Aufwärtsfahrt Abwärtsfahrt

Kalibrierung eines Impellerflowmeters Kennlinie: A = Ev - b E - Epfindlichkeit (Anstieg der Kennlinie)D - Ansprechschwelle, D = b/E

d = 3"; ohne Packer

d = 6"; ohne Packer

d = 6"; mit Packerscheibe(d0 = 10 cm = 4")

D

ohne Packer aufwärts: A = 5.0 v - 7.0; D = 1.45 m/min;abwärts: A = 5.9 v - 8.0: D = 1.40 m/min;mit Packer (d0 = 10 cm):aufwärts: A = 11.4 v - 4.1; D = 0.36 m/min;abwärts: A = 11.9 v - 5.8: D = 0.49 m/min;

v

PackerGummi-manschette

Ohne Kaliber-korrektur

1 - Metallkorb2 - Impeller (Flügelrad)3 - Geberrad Sensor: optisch, magnetisch

z1

z2

Umdr./min

Tiefe z

1

2

3

100%

25%

75%

Impeller-Flowmeter Bestimmung der Zuflussanteile1. natürlicher Lagerstättendruck (KW, artesischer Wasserdruck)2. provozierte Strömung durch Pumpanregung

v

Umdr./min

Tiefe z

Impeller-Flowmeter mit Packermanschette zurUntersuchung von Filterbereichen

Filter1- Packermanschette 1 V1V3

V2

V1, V2 = const

Filterdurchlässigkeit V3

hoch

gering

v

Optische Bohrlochuntersuchungen (Bohrlochfernseher)

Visuelle Begutachtung der Bohrlochwand bei optischer Transparenz des Bohrlochinhaltes

Trockene Bohrlöcher, Klarwasser im Bohrloch oder Brunnen.

Hauptbestandteile einer Bohrlochfernsehausrüstung

Fernsehsonde (Videokamera mit obertägig gesteuertem Zoom und drehbarer Spiegeleinrichtung), Beleuchtungseinrichtung, Kabel mit Tiefenmessung, Obertägige Registriereinheit Steuerung von Kamera und Messfahrt, Echtzeit-Visualisierung (online), Aufzeichnung der Videobilder bzw. Einzelaufnahmen, Digitale Bildspeicherung (Bildbearbeitung und –analyse).

Hydrologische und geotechnische Anwendungen

Pegel- und Brunnenuntersuchungen Position und Zustand von Filterbereichen, Defekte und Korrosion, Detektierung von Kluftzonen und Zuflüssen in Wasserbohrungen (Mineral- und Thermalwässer im Kristallin), Kartierung von Klüften und Gesteinswechsel für ingenieurtechnische

Aufgaben im Flachbohrbereich.

Kombination mit „messenden“ Verfahren

Flowmeter, Elektrische Widerstandsmessungen, Temperatur- und Wasserleitfähigkeitsmessungen.

Trübe Spülung

Akustischer Bohrlochfernseher oder elektrische Scannerverfahren (Formation MicroScanner).