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tm - Technisches Messen

Plattform für Methoden, Systeme und Anwendungen der Messtechnik

[TM - Technical Measurement: A Platform for Methods, Systems, and Applications of Measurement Technology
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Editor-in-Chief: Puente León, Fernando / Zagar, Bernhard


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2196-7113
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Volume 86, Issue 2

Issues

Evaluierung der Sicherheit von Tiefbrunnen durch Ultraschallmessungen

Ultrasonic integrity evaluation of underground wells

Christoph Klieber
  • Corresponding author
  • Schlumberger Oilfield Services, Clamart, Frankreich
  • current address: Honeywell Process Solutions, Steinern Str. 19-21, 55252 Mainz-Kastel, Deutschland
  • Email
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/ Thilo M. Brill
Published Online: 2018-11-29 | DOI: https://doi.org/10.1515/teme-2018-0070

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.

Schlagwörter: Zementevaluierung; Tiefbrunnen; Ultraschallmessungen; Lambmoden; Puls-Echo-Verfahren; NDT

Keywords: Cement evaluation; underground wells; ultrasonic measurements; Lamb waves; pulse-echo technology; NDE

Literatur

  • 1.

    Postler, D. P. (1997). Pressure Integrity Test Interpretation, presented at the SPE/IADC Drilling Conference, Amsterdam, Netherlands, March, SPE/IADC 37589, pp. 169–183.Google Scholar

  • 2.

    E. Hurtig, J. Schrötter, S. Grosswig, K. Kühn, B. Harjes, W. Wieferig, and R. P. Orell (1993). Borehole Temperature Measurements Using Distributed Fibre Optic Sensing, Scientific Drilling 3, 283–286.Google Scholar

  • 3.

    R. M. McKinley, F. M. Bower, and R. C. Rumble (1973). The Structure and Interpretation of Noise From Flow Behind Cemented Casing, Journal of Petroleum Technology 25, 329–338, .CrossrefGoogle Scholar

  • 4.

    C. Klieber und Thilo M. Brill (2018). Schallbasierte Messungen bei Tiefbohrungen: Bestimmung elastischer und struktureller Materialeigenschafen von Gesteinen, Akustik Journal 03.Google Scholar

  • 5.

    C. Schlumberger (1935). Procédé et Appareillage pour la Reconnaissance de Terrains Traversés par un Sondage. République Française Patent 786,863,17. Juni 1935.

  • 6.

    A. J. Hayman, R. Hutin, and P. V. Wright (1991). High-resolution cementation and corrosion imaging by ultrasound, 32nd Annual Symposium, Beitrag KK. Society of Petrophysicists and Well Log Analysts.Google Scholar

  • 7.

    K. J. Goodwin (August 1989). Guidelines for Ultrasonic Cement-Sheath Evaluation, Society of Petroleum Engineers, 19538-PA S, 280–284.Google Scholar

  • 8.

    G. H. Pardue, R. L.Morris, L. H. Gollwitzer, and J. H. Moran (1963). Cement bond log–A study of cement and casing variables, J. Pet. Technol. 5, 545–555, .CrossrefGoogle Scholar

  • 9.

    M. G. Schmidt (1989). The Micro CBL—A Second Generation Radial Cement Evaluation Instrument, 30th Annual Symposium, Beitrag Z. Society of Petrophysicists and Well Log Analysts.Google Scholar

  • 10.

    L. N. Tello, T. J. Blankinship, G. T. Alford, and B. E. Dennis (1995). New Efficient Method for Radial Cement Bond Evaluation, Canadian Well Logging Soc. J. 20, 60–69.Google Scholar

  • 11.

    C. J. Randall and F. E. Stanke (1998). Mathematical model for internal ultrasonic inspection of cylindrically layered structures, The Journal of the Acoustical Society of America 83, 1295, .CrossrefGoogle Scholar

  • 12.

    C. Klieber and M. Lemarenko (2016). A calibration-free inversion algorithm for evaluating cement quality behind highly contrasting steel pipe, IEEE International Ultrasonics Symposium, Tours, France, 19–21 September 2016, ULTSYM.2016.7728565.Google Scholar

  • 13.

    C. Klieber, T. Brill, M. Lemarenko, and S. Catheline (2017). Effect of microannulus on ultrasonic pulse-echo resonance and flexural Lamb-wave cement-evaluation measurements, Proceedings of Meetings on Acoustics 30, 065014.Google Scholar

  • 14.

    J. Jutten and A. Hayman (1993). Microannulus effect on cementation logs: Experiments and case histories, Society of Petroleum Engineers, Artikel 25377.Google Scholar

  • 15.

    H. Lamb, (1917). On waves in an elastic plate, Proc. R. Soc. London Ser. A 93(648), 114–128, .CrossrefGoogle Scholar

  • 16.

    Zeroug, S., and Froelich, B. (2003). Ultrasonic leaky-Lamb wave imaging through a highly contrasting layer, IEEE Ultrasonic Symposium, pp. 794–798.Google Scholar

  • 17.

    Froelich, B. (2008). Multimode evaluation of cement behind steel pipe, J. Acoust. Soc. Am. 123, 3648, .CrossrefGoogle Scholar

  • 18.

    C. Klieber, S. Catheline, Y. Vincensini, T. M. Brill, and F. Mege (2015). Visualization of Leaky Ultrasonic Lamb Wave Experiments in Multilayer Structures, International Congress on Ultrasonics, Metz, France, Physics Procedia 70, pp. 314–317.Google Scholar

  • 19.

    C. Klieber, and T. Brill (2017). Mapping of ultrasonic Lamb-wave field in elastic, layered structures using laser probes, Proceedings of Meetings on Acoustics 30, 065013.Google Scholar

  • 20.

    van Kuijk, R., Zeroug, S., Froelich, B., Allouche, M., Bose, S., Miller, D., Le Calvez, J.-L., and Schoepf, V. (2005). A novel ultrasonic cased-hole imager for enhanced cement evaluation, International Petroleum Technology Conference, paper 10546.Google Scholar

  • 21.

    S. Thierry, C. Klieber, M. Lemarenko, T. M. Brill, J.-L. Le Calvez, F. Mege, T. Barrou, and K. Constable (2017). Ultrasonic Cement Logging: Expanding the Operating Envelope and Efficiency, SPWLA 58th Annual Logging Symposium, Oklahoma City, Oklahoma, USA, June 17–21, SPWLA-2017-WWWW.Google Scholar

About the article

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.

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.


Received: 2018-10-04

Accepted: 2018-11-02

Published Online: 2018-11-29

Published in Print: 2019-02-25


Citation Information: tm - Technisches Messen, Volume 86, Issue 2, Pages 104–118, ISSN (Online) 2196-7113, ISSN (Print) 0171-8096, DOI: https://doi.org/10.1515/teme-2018-0070.

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