University, Diss., 2005--Bonn.

Techn. Hochsch., Diss., 2000--Aachen.

Zur in situ Messung von Richtung und Geschwindigkeit des Grundwasserstromes in nur einer Bohrung wurde ein Mikroflowmeter auf der Basis der kontinuierlich thermischen Anregung entwickelt. Das Messprinzip beruht auf der Deformation des Temperaturfeldes, das sich in Abhängigkeit vom antreibenden Gradienten des Grundwasserstromes mehr oder weniger stark unsymmetrisch als Wärmefahne im Messbereich der Sonde abbildet. Von Interesse sind dabei horizontale Fluidbewegungen mit sehr geringen Fließgeschwindigkeiten. Zur Realisierung der Aufgabenstellung werden sowohl eine Modellierung des Wärmetransports als auch Versuche zur Simulation von Strömungsvorgängen und Testmessungen im Gelände durchgeführt. Als Ergebnis der Abhandlung verschiedener numerischer Randwertprobleme erweist sich die Temperaturabhängigkeit der Fluiddichte als eine nicht zu vernachlässigende Einflussgröße, die in Form einer nach oben gerichteten Auftriebsströmung den Wärmetransport maßgebend bestimmt. Infolge der Überlagerung von freier und erzwungener Konvektion wird eine Mitführung von Wärme mit der Grundwasserbewegung gehemmt und die Ausbildung einer in Strömungsrichtung weisenden Wärmefahne drastisch eingeschränkt. Laborversuche bestätigen die am numerischen Modell gewonnenen Ergebnisse.

Thesis (doctoral)--Frei Universität Berlin, 2005. / "September 2005"--P. [2] of cover. Added thesis t.p. Vita. Includes bibliographical references. Also available via the World Wide Web.

Zur in situ Messung von Richtung und Geschwindigkeit des Grundwasserstromes in nur einer Bohrung wurde ein Mikroflowmeter auf der Basis der kontinuierlich thermischen Anregung entwickelt. Das Messprinzip beruht auf der Deformation des Temperaturfeldes, das sich in Abhängigkeit vom antreibenden Gradienten des Grundwasserstromes mehr oder weniger stark unsymmetrisch als Wärmefahne im Messbereich der Sonde abbildet. Von Interesse sind dabei horizontale Fluidbewegungen mit sehr geringen Fließgeschwindigkeiten. Zur Realisierung der Aufgabenstellung werden sowohl eine Modellierung des Wärmetransports als auch Versuche zur Simulation von Strömungsvorgängen und Testmessungen im Gelände durchgeführt. Als Ergebnis der Abhandlung verschiedener numerischer Randwertprobleme erweist sich die Temperaturabhängigkeit der Fluiddichte als eine nicht zu vernachlässigende Einflussgröße, die in Form einer nach oben gerichteten Auftriebsströmung den Wärmetransport maßgebend bestimmt. Infolge der Überlagerung von freier und erzwungener Konvektion wird eine Mitführung von Wärme mit der Grundwasserbewegung gehemmt und die Ausbildung einer in Strömungsrichtung weisenden Wärmefahne drastisch eingeschränkt. Laborversuche bestätigen die am numerischen Modell gewonnenen Ergebnisse.

Basierend auf einer Analyse der spezifischen Merkmale der Drucksondierung (DS) und der radiometrischen Kombinationsdrucksondierung (KDS) sowie einer Dimensionsanalyse wurde ein Verfahren zur Aufstellung materialspezifischer Korrelationsbeziehungen zwischen den Messgrößen der Drucksondierung und den bei der KDS gewonnenen bodenphysikalischen Parametern Porenanteil, Dichte und Feinkornanteil entwickelt, wodurch die Effizienz von Drucksondierungen signifikant erhöht werden konnte. Es wird anhand geostatistischer Untersuchungen gezeigt, wie der für flächendeckende Untersuchungen erforderliche Mindestabstand zwischen Sondieransatzpunkten bestimmt werden kann. Möglichkeiten der Darstellung flächendeckender bzw. räumlicher Parameterverteilungen sowie statistische Tests zur Übertragbarkeit der Ergebnisse werden diskutiert. Abschließend wird die praktische Umsetzung der Ergebnisse am Beispiel von Standsicherheitsuntersuchungen für die Uferböschung eines Tagebaurestsees dargestellt.

Bohrlochintegrität ist unerlässlich für die erfolgreiche und nachhaltige Produktion und Injektion von Fluiden aus Reservoirgesteinen, wie beispielsweise bei der Nutzung von Kohlenwasserstoffen, Geothermie oder Standorten für geologische Speicherung. Um die Integrität einer Bohrung über seine Lebenszeit zu gewährleisten, ist vor allem eine erfolgreiche primäre Komplettierung nötig. Besonders die Zementation der Rohre stellt dabei ein großes Risiko dar, weil durch die natürlichen Gegebenheiten im Bohrloch viele Faktoren Einfluss auf die Zusammensetzung und Verteilung der Zementsuspension haben. Diese Studie untersucht das Monitoring-potenzial von faseroptischer ortsverteilter Dehnungsmessung DSS (distributed strain sensing). Ergänzend zu faseroptischer ortsverteilten Temperaturmessung DTS (distributed temperature sensing), welche seit mehr als zwei Jahrzehnten in der Industrie Anwendung findet, kann jeder Ort einer Glasfaser zusätzlich Informationen über den mechanischen Spannungszustand geben. Experimentelle und analytische Arbeiten wurden durchgeführt, um die Auswirkung von Laständerungen auf einer Faser zu quantifizieren. Desweiteren wurde der Einfluss komplexer mehrschichtiger Bohrlochkabel auf Dehnungsmessergebnisse untersucht. Ein faseroptisches Messkabel wurde im Zuge dieser Arbeit im Ringraum entlang der Produktionsrohrtour einer Bohrung installiert. Die gemessenen Geländedaten zeigen Ergebnisse aus zwei Arbeitsschritten der Fertigstellung der Bohrung - der Filterverkiesung und der Zementation. Aufgrund der Dichtedifferenz von Kies und Bohrspülung wurde am Kabel ein Dehnungseffekt gemessen. Die Teufe, in welcher der Dehnungseffekt auftritt, korreliert mit Wireline Gamma-Gamma-Dichtedaten, welche im gleichen Zeitfenster gemessen wurden. Die anschliessende Kompaktion des Kieskopfes wurde durch das Glasfaserkabel in Form einer zunehmenden mechanischen Belastung erfasst. Während der anschliessenden Zementation der Rohrtour wurde ein Dehnungseffekt in der Mischzone von Flüssigkeiten mit unterschiedlichen rheologischen Eigenschaften gemessen. Anhand eines Experiments konnte bestätigt werden, dass fluidrheologische Parameter (wie die Fluidviskosität) mit einem faseroptischen Messkabel quantifiziert werden können. Hierfür werden Fluidscherspannungen gemessen, welche durch das Fliessen von Fluiden an der Kabeloberfläche hervorgerufen werden (amtliches Zeichen zur Patentanmeldung: EP 19171265.2). DSS-Messungen erweiten das Verständnis von Fluidverdrängungsvorgängen in Bohrlöchern und ermöglichen eine Beurteilung von Komplettierungsvorgängen in Echtzeit. / Borehole integrity is fundamental for the successful and sustainable utilization of hydrocarbons, geothermal energy and sites for geological storage. The success of the primary well completion is necessary to ensure the integrity of a well over its lifetime. In particular, the casing cementation represents a great risk because many factors have an influence on the composition and distribution of the cement suspension due to the natural conditions in the borehole. This study investigates the monitoring potential of fiber-optic distributed strain sensing (DSS) using a measurement cable which is installed in the annulus of a well. Similar to distributed temperature sensing (DTS), which is used for temperature monitoring in industry applications for more than two decades, fibers additionally convey information about their mechanical stress state. Laboratory as well as analytical work was performed to quantify the effect of load changes on a fiber. In addition, the influence of complex multilayered downhole cable on the strain response is examined. The presented field data shows results from two stages of the well completion - the gravel packing and the cementation. Due to the difference in density of gravel and drilling fluid, a deformation is measured on the cable. The depth at which the stretching effect occurs correlates with wire-line gamma-gamma density data measured in the same time window. The subsequent compaction of the gravel head, which was not revealed by the logging measurement, was detected by the fiber optic cable in the form of an increasing mechanical load on the cable. During cement pumping, fluid shear stresses create a measurable load on the cable, especially in the mixing zone of liquids with dfferent rheological properties. Based on this observation, an experiment was designed and conducted which aims at measuring fluid rheological parameters such as fluid viscosity. For this purpose, the fluid shear stresses acting on the fiber optic sensing cable in the flow path are measured (patent application number: EP 19171265.2). DSS measurements extend the understanding of fluid displacements in wellbores and allow an assessment of well completion process in real time.

Basierend auf einer Analyse der spezifischen Merkmale der Drucksondierung (DS) und der radiometrischen Kombinationsdrucksondierung (KDS) sowie einer Dimensionsanalyse wurde ein Verfahren zur Aufstellung materialspezifischer Korrelationsbeziehungen zwischen den Messgrößen der Drucksondierung und den bei der KDS gewonnenen bodenphysikalischen Parametern Porenanteil, Dichte und Feinkornanteil entwickelt, wodurch die Effizienz von Drucksondierungen signifikant erhöht werden konnte. Es wird anhand geostatistischer Untersuchungen gezeigt, wie der für flächendeckende Untersuchungen erforderliche Mindestabstand zwischen Sondieransatzpunkten bestimmt werden kann. Möglichkeiten der Darstellung flächendeckender bzw. räumlicher Parameterverteilungen sowie statistische Tests zur Übertragbarkeit der Ergebnisse werden diskutiert. Abschließend wird die praktische Umsetzung der Ergebnisse am Beispiel von Standsicherheitsuntersuchungen für die Uferböschung eines Tagebaurestsees dargestellt.

In the continuous search for Hydrocarbon and Geothermal resources in the earth, wells are drilled for various purposes. Wildcat, Appraisal, Production and Injection wells are drilled for proper field development and operation. Based on the purpose and plan for the wells, trajectory and targets are defined. During drilling, continuous monitoring of trajectory, rock and fluid characteristics are required to achieve defined objectives. Measurement while Drilling (MWD) and Logging while Drilling (MWD) systems are included as part of the Bottom Hole Assembly (BHA) to perform continuous measurement and transmission of downhole data to the surface. Measured data are converted to binary form and transferred to the surface for further processing and interpretation. Several methods of data transfer are possible albeit with various pros and cons. Currently, the most widely used method of transfer still remains the Mud Pulse Telemetry (MPT) system which makes use of the mud (drilling fluid) within the system for transmission of data. The major focus of this research was to further expand the envelope in the research towards increasing data transmission rates using the mud siren, a form of mud pulse telemetry. This research includes practical investigations which was conducted within the unique Flow Loop Laboratory at the Institute of Drilling and Fluid Mining, TU Bergakademie Freiberg. Within the research, minor adjustments were made to the flow loop facility to align with realities expected on the Rig. Effects of the changes made were evaluated and presented. The pulser section of the flow loop was also redesigned and new mud sirens manufactured to allow for the practical investigation in series and parallel. The major concept for increasing data transmission rate investigated in this research is the Multifrequency Mud Siren transmission in series and parallel. Following up with previous research, simulation of the flop loop scenario using ANSYS CFX was done to allow for numerical evaluation of the multifrequency transmission concept. Simulation runs were performed with various scenarios both in series and parallel, results evaluated and analyzed thereafter. A little mention on the amplification theory was also investigated and results shown. For the practical experiments, the pulser section was redesigned to allow investigations both into the series and parallel conditions for multifrequency transmission. Various experimental flow runs were successfully performed, observations recorded, data analyzed using MATLAB and results discussed. In closing, a conceptual design that contributes towards the possible field application of the Multifrequency transmission concept was developed. The Compact Double Multifrequency Siren concept was designed to aid easier adaptation of the Multifrequency transmission concept both in series and parallel.:Table of Contents Declaration ii Abstract iii Acknowledgements v List of Abbreviations vi List of Symbols viii Table of Contents x 1. Introduction 1 2. Literature Review and Fundamentals 5 2.1. Historical perspective 5 2.1.1. Introduction 5 2.1.2. Mud Pulse Telemetry 6 2.1.3. Telemetry drill pipe 7 2.1.4. Electromagnetic telemetry 7 2.1.5. Acoustic Telemetry 8 2.2. Mud Pulse Telemetry devices 9 2.2.1. Positive Pulser 9 2.2.2. Negative Pulser 10 2.2.3. Mud Siren 11 2.2.4. Oscillating Shear Valve 12 2.3. Modulation Techniques for Data Transmission 13 2.3.1. Baseband Transmission 13 2.3.2. Passband Transmission 15 2.4. Signal Transformation and Processing 16 2.4.1. Fourier Transformation 17 2.4.2. Short time Fourier Transformation 17 2.4.3. Continuous Wavelet Transformation 18 2.5. Summary of Previous Research Work on the Flowloop 19 3. Flowloop setup and current changes 21 3.1. Description of Flowloop 21 3.1.1. General overview of Flowloop 21 3.1.2. Pulser Prototypes 25 3.2. Improvement in Flow Loop Set-Up 28 3.2.1. Pump Change Justification 28 3.2.2. Pump replacement 35 3.2.3. Analysis of Pump Replacement 36 4. ANSYS Modelling and Simulation of the Multi Frequency Mud Siren in Series and Parallel 47 4.1. Basics of Numerical simulation with ANSYS CFX 48 4.2. Mesh Generation and Quality 51 4.3. Modelling 53 4.4. CFX-Pre Set-up and Post view 54 4.5. Flow Simulation Results in Series and Parallel 57 5. Laboratory Investigation on the Multi-Frequency Mud Siren Concept 64 5.1. Experiment Background and setup 64 5.2. Laboratory Practical Results and Analysis 68 5.2.1. Series Transmission Test 1: Single Siren vs Double Siren, Same Frequency 69 5.2.2. Series Transmission Test 2: Double Siren, Multi Frequency 72 5.2.3. Series Transmission Test 3: Double Siren, Multi Frequency Data String Transmission 75 5.2.4. Parallel Transmission Test 1: Single Siren vs Double Siren, Same Frequency 79 5.2.5. Parallel transmission test 2: Double siren, multi frequency 82 5.2.6. Parallel transmission test 3: Double siren, multi frequency Data String Transmission 84 6. Discussion on the Multi-Frequency Mud Siren Simulation and Practical Results 89 6.1. Result Discussion 89 6.2. Challenges and Sources of Errors 93 7. Outlook 100 7.1 Future Work (Compact Multifrequency Mud Siren) 100 7.2 Recommendations 106 8. Conclusion 107 9. References 111 10. List of Figures 114 11. List of Tables 120 12. Appendix 121

This thesis provides a feasibility study on the determination of formation anisotropy parameters from logging-while-drilling (LWD) borehole acoustic measurements. For this reason, the wave propagation in fluid-filled boreholes surrounded by transverse isotropic (TI) formations is investigated in great detail using the finite-difference method. While the focus is put on quadrupole waves, the sensitivities of monopole and flexural waves are evaluated as well. All three wave types are considered with/without the presence of an LWD tool. Moreover, anisotropy-induced mode contaminants are discussed for various TI configurations. In addition, the well-known plane wave Alford rotation has been generalized to cylindrical borehole waves of any order, except for the monopole. This formulation has been extended to allow for non-orthogonal multipole firings, and associated inversion methods have been developed to compute formation shear principal velocities and accompanying polarization directions, utilizing various LWD (cross-) quadrupole measurements.:1 Introduction 1.1 Borehole acoustic configurations 1.2 Wave propagation in a fluid-filled borehole in the absence of a logging tool 1.3 Wave propagation in a fluid-filled borehole in the presence of a logging tool 1.4 Anisotropy 2 Theory 2.1 Stiffness and compliance tensor 2.1.1 Triclinic symmetry 2.1.2 Monoclinic symmetry 2.1.3 Orthotropic symmetry 2.1.4 Transverse isotropic (TI) symmetry 2.1.5 Isotropy 2.2 Reference frames 2.3 Seismic wave equations for a linear elastic, anisotropic medium 2.3.1 Basic equations 2.3.2 Integral transforms 2.3.3 Christoffel equation 2.3.4 Phase slowness surfaces 2.3.5 Group velocity 2.4 Solution in cylindrical coordinates for the borehole geometry 2.4.1 Special case: vertical transverse isotropy (VTI) 2.4.2 General case: triclinic symmetry 3 Finite-difference modeling of wave propagation in anisotropic media 3.1 Finite-difference method 3.2 Spatial finite-difference grids 3.2.1 Standard staggered grid 3.2.2 Lebedev grid 3.3 Heterogeneous media 3.4 Finite-difference properties and grid dispersion 3.5 Initial conditions 3.6 Boundary conditions 3.7 Parallelization 3.8 Finite-difference parameters 4 Wave propagation in fluid-filled boreholes surrounded by TI media 4.1 Vertical transverse isotropy (VTI) 4.1.1 Monopole excitation 4.1.2 Dipole excitation 4.1.3 Quadrupole excitation 4.1.4 Summary 4.2 Horizontal transverse isotropy (HTI) 4.2.1 Monopole excitation 4.2.2 Theory of cross-multipole shear wave splitting 4.2.3 Dipole excitation 4.2.4 Quadrupole excitation 4.2.5 Hexapole waves 4.2.6 Summary 4.3 Tilted transverse isotropy (TTI) 4.3.1 Monopole excitation 4.3.2 Dipole excitation 4.3.3 Quadrupole excitation 4.3.4 Summary 4.4 Anisotropy-induced mode contaminants 4.4.1 Vertical transverse isotropy (VTI) 4.4.2 Horizontal transverse isotropy (HTI) 4.4.3 Tilted transverse isotropy (TTI) 4.4.4 Summary 5 Inversion methods 5.1 Vertical transverse isotropy (VTI) 5.2 Horizontal transverse isotropy (HTI) 5.2.1 Inverse generalized Alford rotation 5.2.2 Inversion method based on dipole excitations 5.2.3 Inversion method based on quadrupole excitations 5.3 Tilted transverse isotropy (TTI) 5.4 Challenges in real measurements 5.4.1 Signal-to-noise ratio (SNR) 5.4.2 Tool eccentricity 6 Conclusions References List of Abbreviations and Symbols List of Figures List of Tables A Integral transforms A.1 Laplace transform A.2 Spatial Fourier transform A.3 Azimuthal Fourier transform A.4 Meijer transform B Stiffness and compliance tensor B.1 Rotation between reference frames B.2 Cylindrical coordinates C Christoffel equation C.1 Cartesian coordinates C.2 Cylindrical coordinates D Processing of borehole acoustic waveform array data D.1 Time-domain methods D.2 Frequency-domain methods D.2.1 Weighted spectral semblance method D.2.2 Modified matrix pencil method