DE3034642C2 - - Google Patents

Description

Technisches Gebiet

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur zer­ störungsfreien Messung der Druckfestigkeit einer Zement- oder Zementschlammprobe, enthaltend

• (a) Ultraschallsendemittel und Ultraschallempfangsmittel, die an die Zement- oder Zementschlammprobe angekoppelt sind zum Hindurchleiten von Ultraschallsignalen durch diese,
• (b) eine Laufzeitmeßeinrichtung zur Messung der Laufzeit des Ultraschallsignals durch die Zement- oder Zement­ schlammprobe und Erzeugung eines Laufzeitsignals.

Zugrundeliegender Stand der Technik

Durch ein Buch von J. und H. Krautkrämer "Werkstoffprüfung mit Ultraschall", 3. Aufl., Springer-Verlag ist es bekannt, daß die Festigkeit von Beton und die Schallgeschwindigkeit einer durch den Beton laufenden Ultraschallwelle in einer eindeutigen Beziehung zueinander stehen. Nach der Literaturstelle sind diese Größen zueinander proportional.

Es wird dort beschrieben, daß bei der Serienfertigung von Betonteilen durch Messung der Schallgeschwindigkeit der Aushärtprozeß verfolgt wird. Dadurch kann der Zeitpunkt genügender Festigkeit bestimmt werden, um die Schalung und (bei Spannbeton) die Vorspannung entfernen zu können oder die Transportfähigkeit zu beurteilen.

In der Bohrlochtechnik ist es üblich, Bohrlöcher zu zementieren. Es wird zu diesem Zweck ein Zementschlamm in den Zwischenraum zwischen einer Verrohrung und der Bohrlochwandung gepumpt. Dieser Zementschlamm härtet dann aus. Das geschieht unter "Bohrlochbedingungen", d. h. im allgemeinen unter einem gegenüber Atmosphärendruck erhöhtem Druck und unter erhöhter Temperatur. Die Zeit, die erforderlich ist, bis der Zementschlamm in einer Öl- oder Gasbohrung abbindet und eine brauchbare Druckfestig­ keit entwickelt, hängt sehr stark von diesen Bohrloch­ bedingungen ab. Diese Bohrlochbedingungen können natürlich von Anwendungsfall zu Anwendungsfall sehr stark schwanken, abhängig von den geologischen Bedingungen am Ort des Bohrloches und der Tiefe, in welcher die Zementierung erfolgt. Die Abbindezeit hängt außerdem von der Art des verwendeten Zementschlammes ab.

Es ist von großer wirtschaftlicher Bedeutung, diese Abbindezeit zu kennen, so daß nach dem Abbinden des Zementschlammes weitere Arbeiten an dem Bohrloch vorgenommen werden können. Erfolgen diese weiteren Arbeiten zu früh, bevor der Zement eine ausreichende Druckfestigkeit erreicht hat, können Schäden an dem Bohrloch auftreten. Werden die weiteren Arbeiten später als nötig in Angriff genommen, geht kostbare Zeit verloren.

Es ist bekannt, die Druckfestigkeit von Zement als Funktion der Zeit dadurch zu bestimmen, daß eine Mehrzahl von Proben des Zements in Form von kleinen Testzylindern oder Würfeln hergestellt wird. Diese Proben werden dann mit einer Materialprüfmaschine nacheinander im Verlauf des Aushärtens zerstörend geprüft. Um die Verhältnisse im Bohrloch zu simulieren, erfolgt das Aushärten bei erhöhten Temperaturen und erhöhtem Druck.

Dieses bekannte Verfahren ist recht umständlich. Es erfordert eine gesonderte Probe für jeden Meßpunkt der Druckfestigkeit-Zeit-Kurve. Das ist aufwendig. Außerdem werden die Meßpunkte mit unterschiedlichen Proben gewonnen, so daß der tatsächlichen Druckfestigkeit-Zeit- Kurve noch die Exemplarstreuung der Proben überlagert ist. Bei den bekannten Verfahren erfolgt zwar die Aushärtung des Zements oder Zementschlamms unter erhöhter Temperatur und erhöhtem Druck, nicht aber die Druckfestigkeits­ messung. Es hat sich gezeigt, daß das Herausnehmen der Proben aus ihrer Umgebung erhöhter Temperatur und erhöhten Druckes zur zerstörenden Prüfung bei Atmosphärendruck und Raumtemperatur die physikalischen Eigenschaften des Zements merklich verändert.

Offenbarung der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zu schaffen, welche es gestattet, den Verlauf der Druckfestigkeit eines bestimmten Zements oder Zementschlammes, wie er für Arbeiten in einem Bohrloch verwendet wird, während des Abbindevorganges unter den im Bohrloch herrschenden Verhältnissen laufend zu verfolgen.

Dies soll auf möglichst einfache Weise geschehen.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß

• (c) zur Simulation des Abbindevorganges eines zum Zementieren eines Bohrloches benutzten Zements oder Zementschlammes ein Autoklav vorgesehen ist, in welchem die Ultraschallsendemittel und Ultraschallempfangsmittel zur Ankopplung an eine in den Autoklaven einsetzbare Zement- oder Zementschlammprobe angeordnet sind und durch welchen die Zement- oder Zementschlammprobe kontrolliertem Druck und kontrollierter Temperatur aussetzbar ist, die den Bedingungen in einem Bohrloch entsprechen,
• (d) das Laufzeitsignal der Laufzeitmeßeinrichtung auf eine Signalverarbeitungseinrichtung aufgeschaltet ist, in welcher die bekannte Beziehung zwischen Laufzeit und Druckfestigkeit gespeichert ist und welche ein Druck­ festigkeitssignal liefert, das die Druckfestigkeit der Zement- oder Zementschlammprobe unter Bohrloch­ bedingungen darstellt, und
• (e) eine Registriervorrichtung vorgesehen ist, durch welche die Druckfestigkeitssignale als Funktion der Zeit aufzeichenbar sind, so daß eine Aufzeichnung erhalten wird, welche dem zeitlichen Verlauf der Druckfestigkeit einer Zement- oder Zementschlamm­ probe in einem Bohrloch entspricht.

Nach der Erfindung wird also die Druckfestigkeit über die Schallgeschwindigkeit für Ultraschall bestimmt. Die Ultra­ schallsendemittel und die Ultraschallempfangsmittel sind in einem Autoklaven angeordnet, in welchem die im Bohrloch herrschenden Verhältnisse nachgebildet werden können. Es kann dann an einer einzigen Probe des im Bohrloch verwendeten Zements oder Zementschlamms der Verlauf der Druckfestigkeit mit der Zeit während des Abbindevorganges mittels einer Registriervorrichtung unmittelbar laufend verfolgt werden. Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist relativ handlich und leicht zu bedienen.

Es hat sich als zweckmäßig erwiesen, wenn die Ultraschallsendemittel mit einer Ultraschallfrequenz von 100 Kilohertz bis 1 Megahertz arbeiten, vorzugsweise mit einer Frequenz von 400 Kilohertz. Diese Frequenz ist tief genug, um ein auffangbares Signal durch unverfestigten Zementschlamm zu übertragen. Die Wellenlänge ist nämlich lang genug, um eine unzulässig starke Streuung an festen Teilchen des Zementschlammes zu verhindern. Andererseits ist die Frequenz hoch genug, um eine hinreichende Genauigkeit der Laufzeitmessung zu gewährleisten.

Zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung sind nachstehend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 ist ein schematisches Blockdiagramm und zeigt einen einzelnen Kanal bei einer ersten Ausführungsform einer Vorrichtung zur zerstörungsfreien Messung der Druckfestigkeit.

Fig. 2 ist eine schematische Darstellung eines Signalverlaufs und zeigt das empfangene akustische Signal, das durch eine Zementprobe hindurchgeschickt wurde.

Fig. 3 ist eine graphische Darstellung und zeigt eine verallgemeinerte Beziehung zwischen der Druckfestigkeit von Zementproben und der Laufzeit eines Ultraschallsignals durch diese Zementproben hindurch.

Fig. 4 ist eine graphische Darstellung und zeigt als Funktion der Zeit ein typisches Ergebnis der Druckfestigkeit einer Zementprobe und der Laufzeit eines Ultraschallsignals durch die Zementprobe hindurch.

Fig. 5 ist eine graphische Darstellung und zeigt den Verlauf der Laufzeit eines Ultraschallsignals durch eine Zementprobe als Funktion der Aushärtezeit des Zements.

Fig. 6 ist eine perspektivische Darstellung und zeigt den räumlichen Aufbau einer Vorrichtung zur zerstörungsfreien Messung der Druckfestigkeit einer Zementprobe unter den im Bohrloch herrschenden Bedingungen.

Fig. 7 ist ein schematisches Blockdiagramm und zeigt einen einzelnen Kanal bei einer anderen Ausführungsform einer Vorrichtung zur zerstörungsfreien Messung der Druckfestigkeit.

Fig. 8 ist eine schematische Darstellung eines Signalverlaufs und zeigt das empfangene akustische Signal in Verbindung mit der Zeitgatteranordnung der Ausführungsform von Fig. 7.

Bevorzugte Ausführungen der Erfindung

Die zerstörungsfreie Prüfvorrichtung beruht auf einer Messung der Laufzeit eines Ultraschallsignals durch eine Probe von Zement oder Zementschlamm, deren Eigenschaften zu messen sind. Es wurde eine genaue verallgemeinerte Beziehung zwischen der Druckfestigkeit von Zementproben und der Laufzeit von Ultraschallsignalen durch diese Zementproben festgestellt. Die hier beschriebene Vorrichtung benutzt eine Technik zur genauen Messung der Änderung der Laufzeit durch eine zylindrische Zementprobe von etwa 50 mm Höhe während eines bestimmten Zeitraums, wodurch eine Aufzeichnung des Zeitverlaufs der Druckfestigkeit erhalten wird.

Die Laufzeit eines Ultraschallsignals über eine Strecke von 50 mm in einer Zementprobe kann während der frühen Stadien der Entwicklung der Druckfestigkeit zwischen 30 und 40 Mikrosekunden betragen und sinkt auf etwa 10 bis 12 Mikrosekunden während der letzten Stadien der Entwicklung der Druckfestigkeit ab. Die Messung der Laufzeit des Ultraschallsignals durch die Zementprobe macht es notwendig, während der Anfangsstadien der Entwicklung der Druckfestigkeit schwache Signale aufzufangen. Die Vorrichtung versucht die Ankunft des ersten empfangenen Peaks der die Probe durchsetzten Ultraschallwelle mit einer Genauigkeit von plus oder minus 30° zu messen. Eine Auflösung von 1% bei einer Laufzeit von 30 Mikrosekunden erfordert somit das Auffangen des erhaltenen Ultraschall­ impulses mit einer Genauigkeit von etwa plus oder minus 0,3 Mikrosekunden. Übersetzt man dies in einen zulässigen Auffangfehler von etwa plus oder minus 30° des ersten wahren Peaks der ankommenden Welle, dann entsprechen 0,3 Mikrosekunden die Verwendung einer Frequenz des Ultraschallsignals von etwa 277 Kilohertz. Um Zeitfehler der Bauteile und der Zeitsynchronisierung zu berück­ sichtigen, benutzt die Vorrichtung eine geringfügig höhere Ultraschallfrequenz von ungefähr 400 Kilohertz. Es hat sich gezeigt, daß diese Frequenz eine hinreichende Durchlässigkeit des Ultraschallsignals ergibt, um ein zuverlässiges Auffangen zu ermöglichen und eine ausreichende Zeitauflösung der Ankunft des ersten Peaks während der frühen Stadien der Entwicklung der Druckfestigkeit.

Weiterhin verträgt sich eine solche Frequenz mit der Messung der anfänglichen Abbindezeit eines Zementschlamms. Zu diesem Zweck muß die gewählte Frequenz niedrig genug sein, um ein auffangbares Signal durch unverfestigten Schlamm zu übertragen. Die Wellenlänge muß lang genug sein, um eine unzulässig starke Streuung an festen Teilchen des Schlamms zu verhindern, andererseits muß die Frequenz hoch genug sein, um die erforderliche Genauigkeit der Laufzeitmessungen zu ermöglichen.

In Fig. 6 sind die Bauteile einer Vorrichtung zur zerstörungsfreien Messung der Druckfestigkeit von Zementproben unter den im Bohrloch herrschenden Bedingungen schematisch-perspektivisch dargestellt. Mit 61 ist ein einen Rechner enthaltendes Steuergerät bezeichnet. Das Steuergerät ist mit einem einzigen Autoklaven 63 verbunden. Das Steuergerät kann mit bis zu acht solchen Autoklaven gleichzeitig und parallel arbeiten. Mit dem Steuergerät 61 ist auch ein digitaler Kurvenschreiber 62 verbunden. Das Steuergerät ist mit einem Tastenfeld 68 zum Eingeben von Daten und Steuerfunktionen in das System versehen.

Das Steuergerät weist sieben Digitalanzeigen 69, 70, 71, 72, 73, 74 und 75 auf. Die Digitalanzeige 69 ist eine digitale Anzeige der anfänglichen Abbindezeit einer bestimmten Zementprobe. Die Digitalanzeige 70 ist eine digitale Anzeige der Zeit, die zum Einreichen eines ersten willkürlich programmierbaren Wertes der Druckfestigkeit erforderlich ist. Dieser Wert wird als "Druckfestigkeit 1" bezeichnet. In ähnlicher Weise liefert die Digitalanzeige 71 die Zeit, die erforderlich ist, um einen zweiten willkürlich programmierbaren Wert der Druckfestigkeit zu erreichen. Dieser Wert wird als "Druckfestigkeit 2" bezeichnet. Die Digitalanzeige 72 zeigt den Wert der Druckfestigkeit 1 an. Die Digitalanzeige 74 zeigt den Wert der Druckfestigkeit 2 an. Diese programmierbaren Werte der zu erreichenden Druckfestigkeiten sind die Druckfestig­ keiten, auf die sich die Zeitanzeigen der Digitalanzeigen 70 und 71 beziehen. Die Digitalanzeige 73 zeigt den laufenden Mittelwert der Druckfestigkeit einer Zementprobe an. Schließlich zeigt die Digitalanzeige 75 den Wert der Ultrall-Laufzeit, der ständig für eine bestimmte Zementprobe gemessen wird. Die zu irgendeiner vorgegebenen Zeit angezeigten numerischen Werte beziehen sich auf einen bestimmten, ausgewählten Kanal des Systems.

Eine Anzeige 77 zeigt an, welcher der acht möglichen Kanäle, die mit dem Steuergerät 61 verbunden werden können, jeweils angeschaltet ist. Die Wahl eines bestimmten Kanals für die Anzeige wird durch Dateneingabe an dem Tastenfeld 68 erreicht.

Die zu untersuchenden Zementproben sind in dem Autoklaven 63 untergebracht. Der Autoklav 63 weist ein Druckgefäß 64 auf, welches die zu untersuchende Zementprobe und die (nicht dargestellten) Ultraschallsendemittel und Ultraschallempfangsmittel in Form von Ultraschallwandlern enthält, während der Untersuchung an die Zementprobe akustisch angekoppelt sind. Die Zementprobe wird in das Druckgefäß 64 eingesetzt. Das Druckgefäß 64 wird dann in eine Öffnung 64 a auf der Oberseite des Autoklaven 63 eingesetzt und mit einer Druckleitung 64 b verbunden. Ein Manometer 67 an der Vorderseite des Autoklaven 63 überwacht den Druck, der auf die Probe in dem Druckgefäß 64 wirkt. Die Anstiegsrate der Temperatur der Probe in dem Druckgefäß 64 wird durch eine Steuerung 66 an der Vorderseite des Autoklaven 66 mit einem Einstell­ transformator gesteuert. Dieser Einstelltransformator steuert den Strom durch eine (nicht dargestellte) Heizwicklung. Die an dem Druckgefäß 64 des Autoklaven 63 selbst gemessene Temperatur wird durch einen Temperatur­ regler 65, der ebenfalls an der Vorderseite des Autoklaven 63 sitzt, geregelt und angezeigt. Der Druck zum Unterdrucksetzen des Druckgefäßes 64 wird über einen äußeren Anschluß 67 a an der Vorderseite des Autoklaven 63 zugeführt.

Eine zu untersuchende Zement- oder Zementschlammprobe wird in das Druckgefäß 64 eingesetzt und mit den Ultraschall­ sendemitteln und Ultraschallempfangsmitteln verbunden. Das Druckgefäß 63 wird in die Öffnung 64 a des Autoklaven eingesetzt. Die Temperatur der Probe wird durch den Temperaturregler 65 geregelt. Dann wird eine konti­ nuierliche Druckfestigkeitsmessung der Zement- oder Zementschlammprobe unter den im Bohrloch herrschenden am Autoklaven entsprechend eingestellten Bedingungen durchgeführt.

Die Ergebnisse der Prüfung einer bestimmten Probe werden mittels des digitalen Kurvenschreibers 62 aufgezeichnet. Zum Aufzeichnen der Druckfestigkeits- und Laufzeitkurven als Funktion der Zeit dient ein beweglicher, elektro­ mechanischer Schreibkopf 76, der von dem Steuergerät 61 angetrieben wird.

Fig. 4 zeigt im einzelnen einen typischen Schrieb der Laufzeit und der Druckfestigkeit als Probe einer Funktion der Zeit. Man erkennt aus Fig. 4, daß bei einem Absinken der Laufzeit eines akustischen Signals in der Probe als Funktion der Zeit die Druckfestigkeit der Probe ansteigt. Bis zu acht solcher Schriebe von einer entsprechenden Anzahl von Autoklaven könnten durch die acht getrennten Kanäle der Vorrichtung aufgezeichnet werden.

In Fig. 3 ist eine empirisch erhaltene graphische Darstellung dargestellt, welche die Beziehung zwischen der Druckfestigkeit von Zementproben als Funktion der Laufzeit eines Ultraschallsignals veranschaulicht. Die durch die Datenpunkte von Fig. 3 gezogene Kurve kann durch eine mathematische Gleichung dargestellt werden, die in dem Rechner der Steuervorrichtung 61 gespeichert ist. Die graphische Darstellung von Fig. 3 stellt die Ergebnisse von Druckfestigkeitsmessungen dar, die an vielen Proben von Zementen verschiedener Dichte und verschiedener chemischer Zusammensetzung durchgeführt wurden, wie sie im Ölfeldbetrieb verwendet werden. Die verallgemeinerte graphische Beziehung von Fig. 3 ist zwar hinreichend genau für die Anwendung beim Zentrieren in Ölfeldern. Wenn genauere Ergebnisse gewünscht werden, kann jedoch eine solche Eichkurve auch für eine ganz bestimmte Art von Zement aufgenommen und statt dessen verwendet werden. Wenn somit eine graphische Beziehung wie die von Fig. 3 einmal ermittelt worden ist, dann kann die Laufzeit eines Ultraschallsignals in einer Zementprobe genau gemessen und diese Laufzeit einer Druckfestigkeit des Zements zugeordnet werden, wenn sich die Laufzeit während des Abbindevorganges verändert.

Fig. 5 veranschaulicht eine Technik zur Bestimmung der anfänglichen Abbindezeit mit einer Zementierung. Die untersuchte Zementprobe wird in den Druckbehälter 64 von Fig. 6 in Schlammform eingebracht. Die anfängliche Abbindezeit des Zementschlamms ist definiert als die Zeit, bei welcher der Schlamm sich bis zu einem Punkt von ungefähr 35 Newton pro Quadratzentimeter Druckfestigkeit verhärtet hat. Die graphische Darstellung von Fig. 5 zeigt die Charakteristiken von zwei verschiedenen Arten von Zement, die typisch für die Anwendung in Ölbohrungen sind. Die in Fig. 5 dargestellten Zementproben sind bei verschiedenen Temperaturen gemessen. Die horizontale, gestrichelte Linie bei einem Wert von etwa 6 Mikrosekunden pro Zentimeter Laufzeit stellt nach der graphischen Beziehung von Fig. 3 einen Wert von ungefähr 35 Newton pro Quadratzentimeter dar. Aus der Darstellung von Fig. 5 ist ersichtlich, daß der eine der beiden untersuchten Zemente diesen Wert nach einer Abbindezeit von etwa 3 Stunden 50 Minuten vom Beginn des Tests an erreicht. Der andere untersuchte Zement in der graphischen Darstellung von Fig. 5 erreicht diesen Druckfestigkeitswert erst etwa 10 Stunden und 15 Minuten nach Beginn des Tests. Diese anfängliche Abbindezeit wird in der Digitalanzeige 69 an der Vorderseite des Steuergerätes 61 von Fig. 6 angezeigt.

In Fig. 1 ist eine Vorrichtung für einen einzigen Kanal zur Messung der Laufzeit eines Ultraschallsignals durch eine Zementprobe und zur Anzeige der erhaltenen Messung der Druckfestigkeit schematisch in Blockdiagrammform dargestellt. Fig. 2 zeigt schematisch einen typischen Spannungsverlauf an dem als Ultraschallempfangsmittel dienenden Ultraschallwandler als Funktion der Zeit.

In Fig. 1 ist der Teil der Vorrichtung, der in dem Autoklaven 63 enthalten ist, auf der linken Seite der vertikalen gestrichelten Linie dargestellt. Der Teil der Vorrichtung, der in dem Steuergerät sitzt, liegt rechts von der vertikalen gestrichelten Linie. Eine Zementprobe 15, deren Druckfestigkeit als Funktion der Zeit untersucht werden soll, ist akustisch mit einem als Ultraschall­ sendemittel dienenden Ultraschallwandler 14 und mit einem als Ultraschallempfangsmittel dienenden Ultraschallwandler 16 in dem Autoklaven gekoppelt. Diese Ultraschallwandler 14 und 16 enthalten piezoelektrische Kristalle mit einer mittleren Arbeitsfrequenz von 400 Kilohertz. Ein Drucksteuersystem 17 und ein Temperatursteuersystem 18 üblicher Art wirken auf die Probe 15 und halten diese während der gesamten Prüfung auf einer vorgegebenen Temperatur und einem vorgegebenen Druck. Wenn der Ultraschallwandler 14 angestoßen wird, wird ein Signal durch die Zementprobe 15 hindurchgeleitet und von dem Ultraschallwandler 16 empfangen. Von dem Ultraschall­ wandler 16 wird ein Signal entsprechend dem in Fig. 2 dargestellten Signalverlauf einem Eingang eines Komparators 19 zugeführt. Dem anderen Eingang des Komparators 19 wird eine Referenzspannung von dem Steuergerät 61 zugeführt. Die dem Komparator 19 zugeführte Referenzspannung wird in digitaler Form von einem Referenzspannungsprogramm 28 geliefert und über einen Digital-Analog-Wandler 21 vor der Zuführung zu dem Komparator 19 in analoge Form umgesetzt. Die dem Komparator 19 zugeführte Referenzspannung bestimmt die Signalschwelle für die Feststellung der Signalankunft an dem als Empfänger dienenden Ultraschallwandler 16 von dem als Sender dienenden Ultraschallwandler 14 bestimmt, nachdem das Signal durch die Probe des zu untersuchenden Zements hindurchgelaufen ist.

In dem Steuergerät 61 liefert ein Oszillator 11 von 90 Megahertz Signale an einen Synchronisationsimpulsgenerator 12, an einen Zähler 22 und ein Meßprogramm 24, welches die Laufzeit mißt und diese in Druckfestigkeit der Zementprobe umsetzt. Der Synchronisationsimpulsgenerator 12, der eine Frequenzteilerkette od. dgl. enthalten kann, liefert Synchronisationssignale an den Zähler 22 und über ein Gatter 29 an einen im Autoklaven 63 angeordneten Impulsgeber 13. Eingangsbefehle des Benutzers werden über ein Tastenfeld 26 und ein Steuerprogramm 27 der generell mit 25 bezeichneten Anzeigeordnung sowie dem Meßprogramm 24 zugeführt. Diese Eingangsbefehle enthalten Eingangs­ informationen hinsichtlich der Werte der "Druckfestigkeit 1" und "Druckfestigkeit 2", der beiden programmierbaren Werte der Druckfestigkeit, deren Erreichen zur Anzeige einer Zeit an der Digitalanzeige 70 bzw. 71 führt, wie im Zusammenhang mit Fig. 6 erörtert wurde.

Der Rechner des Steuergerätes ist so programmiert, daß er eine zyklische Umschaltung von einem Kanal zum nächsten bewirkt und Messungen der Laufzeit des Ultraschallsignals durch die Zementprobe in jedem Kanal durchführt. Ein vollständiger Zyklus durch alle Kanäle wird einmal alle 10 Sekunden durchgeführt. Die neu gemessene Laufzeit in jedem Kanal wird nach der digitalen Filterung während jedes Zyklus des Rechners mit vorhergehenden Werten gemittelt.

Zu Beginn jedes Meßzyklus wird für einen vorgegebenen Kanal ein Rauschpegel für diesen Kanal auf folgender Weise festgestellt: Das Meßprogramm 24 kommandiert über ein Referenzspannungsprogramm 28 eine Folge von Referenz­ spannungen. Der Impulsgeber 13 wird über das Gatter 29 während dieser Folge abgeschaltet. Diese Referenz­ spannungen beginnen bei einem hohen Wert und werden schrittweise vermindert, bis eine Rausch-Schwellenspannung erreicht ist, wie sie in Fig. 2 dargestellt ist. In diesem Punkt stellt der Komparator 19 ein den Wert der Referenzspannung überschreitendes elektrisches Rauschen im System fest. Das liefert die Rausch-Schwellenspannung. Der Komparator gibt dann einen Ausgangsimpuls auf den Impulsgenerator 20. Der Impulsgenerator 20 erzeugt dadurch einen Signalimpuls, der auf ein Steuerprogramm 21 gegeben wird. Wenn so der Rauschpegel festgestellt ist, schaltet das Steuerprogramm 27 das Gatter 29 durch, so daß dem Impulserzeuger Synchronisationsimpulse von dem Synchronisationsimpulsgenerator 12 zugeführt werden. Beim nächsten Zyklus kann der Synchronimpulsgenerator 12 dem Impulsgeber 13 in dem Autoklaven 63 ein Signal zuführen. Der Impulserzeuger 13 stößt den Ultraschallwandler 14 mit einem Spannungsimpuls an. Dieser Spannungsimpuls erzeugt Ultraschallenergie an dem Ultraschallwandler 14. Die Ultraschallenergie läuft durch die Probe 15 zu dem Ultraschallwandler 16. Gleichzeitig mit der Signalgabe an den Impulserzeuger 13 wird ein Rückstell-Start-Impuls auf den Zähler 22 gegeben. Dieser Startimpuls schaltet den Zähler 22 ein, so daß dieser die 20 Megahertz-Taktsignale von dem Taktoszillator 11 zu zählen beginnt. Nach dem Anstoßen des Impulserzeugers 13 bilden das Steuerprogramm 27 und das Meßprogramm 24 zusammen ein Kriterium für das Auffangen eines Ultraschallsignals. Es wird ein Spannungsniveau festgelegt, dessen Überschreitung als Auffangen eines Ultraschallsignals gewertet wird. Zu diesem Zweck wird der dem Rauschpegel entsprechenden Referenzspannung, wie sie vorher bestimmt wurde, ein vorgegebenes Signal hinzuaddiert. Dadurch wird die Referenzspannung unter Berücksichtigung des Rauschpegels festgelegt. Wenn das Ultraschallsignal von dem Ultraschallwandler 14 den als Empfänger dienenden Ultraschallwandler 16 erreicht, wird ein Spannungsverlauf ähnlich dem von Fig. 2 erzeugt. Die erste ankommende Welle erreicht den Komparator 19. Wenn der Spannungswert des Ultraschallwandlers 16 die von dem Referenzspannungs­ programm 28 über den Digital-Analog-Wandler 21 zugeführte Schwellenspannung überschreitet, erzeugt der Komparator 21 ein Ausgangssignal. Das Ausgangssignal des Komparators 19 wird dem Impulsgenerator 20 zugeführt, der dem Zähler 22 in dem Rechner des Steuergerätes 61 einen Stop-Impuls zuführt. Der Stop-Impuls hält den Zähler 22 auf einem Wert an, welcher der Zeit entspricht, die seit Anstoßen des Ultraschallwandlers 14 abgelaufen ist. Der Zähler 22 enthält somit eine Binärzahl, welche die Laufzeit der akustischen Welle durch die Zementprobe 15 darstellt. Diese Binärzahl wird in ein T-Register 23 übertragen und steht dadurch dem Meßprogramm 24 zur Verfügung.

Das Meßprogramm 24 führt eine logische Filterung der Laufzeit durch, um sicherzustellen, daß es sich um einen brauchbaren Wert handelt. Zu diesem Zweck wird der gemessene Wert mit der vorher bei vorhergehenden Meßzyklen bestimmten Laufzeit verglichen. Das Meßprogramm 24 setzt dann unter Verwendung der die graphische Beziehung von Fig. 3 darstellenden Gleichung die Laufzeit in die augenblickliche Druckfestigkeit der untersuchten Zementprobe um. Dieser Wert wird dann in das Anzeigesystem 25 eingegeben. Das Anzeigesystem 25 bildet einen laufenden Mittelwert der letzten Messungen der Laufzeit. Dieser Mittelwert wird über die Digitalanzeige 73 an der Frontplatte des Steuergeräts angezeigt und wird auch dem digitalen Kurvenschreiber 62 zugeführt.

In die Fig. 7 ist eine abgewandelte Vorrichtung der vorliegenden Art als Blockdiagramm ähnlich Fig. 1 dargestellt. Fig. 8 zeigt schematisch einen typischen Spannungsverlauf des als Sender und Empfänger dienenden Ultraschallwandlers von Fig. 7 als Funktion der Zeit.

In Fig. 7 ist ebenfalls der Teil des Meßsystems, der in dem Autoklaven 63 angeordnet ist, links von der vertikalen, gestrichelten Linie dargestellt. Der Teil des Systems im Steuergerät 61 ist rechts von der vertikalen, gestrichelten Linie gezeigt. Eine Zementprobe 87, deren Druckfestigkeit als Funktion der Zeit untersucht werden soll, ist akustisch an einem gleichzeitig als Ultraschallsendemittel und als Ultraschallempfangsmittel dienenden Ultraschallwandler 86 in dem Autoklaven 63 angekoppelt. Auf der gegenüberliegenden Seite der Zementprobe ist mit dieser ein metallisches, reflek­ tierendes Glied 88 gekoppelt. Bei dem Ausführungsbeispiel von Fig. 7 sendet der Ultraschallwandler 86 einen sehr kurzen Stoß von Ultraschallwellen aus, welche von dem Ultraschallwandler 86 aus durch die Zementprobe 87 wandern und von dem Reflektor 88 durch die Zementprobe 87 zurückgeworfen werden. Die reflektierten Ultraschallwellen werden von dem Ultraschallwandler 86 empfangen, der diesmal als Empfänger wirkt. Der Ultraschallwandler 86 enthält einen piezoelektrischen Kristall, der eine mittlere Arbeitsfrequenz von etwa 400 Kilohertz besitzt. Ein Druckregelsystem 85 und ein Temperaturregelsystem 86 üblicher Bauart wirken auf die Zementprobe 87 und halten diese während des gesamten Tests auf einer vorgegebenen Temperatur und einem vorgegebenen Druck.

Wenn der Ultraschallwandler 86 angestoßen wird und ein Ultraschallsignal aussendet, läuft dieses Ultraschall­ signal durch die Zementprobe 87. Nach Reflektion an dem Reflektor 88 kehrt das Ultraschallsignal zu dem Ultraschallwandler 86 zurück. Der Signalverlauf, der analog zu dem von Fig. 1 in Fig. 8 dargestellt ist, wird dann über ein Zeitgatter 89 einem Komparator 90 zugeführt. Einem zweiten Eingang des Komparators 90 wird eine Referenzspannung von dem Steuergerät 61 zugeführt. Die dem Komparator 90 zugeführte Referenzspannung wird in digitaler Form von einem Steuerprogramm 97 und einem Referenzspannungsprogramm 98 in dem Rechner des Steuergerätes 61 erzeugt. Der digitale Ausgang des Referenzspannungsprogramms 98 wird über einen Digital-Analog-Wandler 99 vor dem Aufschalten auf den Komparator 90 in analoge Form umgesetzt. Die Referenz­ spannung wird von dem Referenzspannungsprogramm 98 im wesentlichen in der gleichen Weise bestimmt wie oben unter Bezugnahme auf die Fig. 1 und 2 erörtert wurde.

In dem Steuergerät von Fig. 7 liefert ein Taktoszillator 81 von 20 Megahertz Signale an einen Synchronisations­ impulsgenerator 82, einen Zähler und ein Meßprogramm 94. Das Meßprogramm 94 mißt die Laufzeit des Ultraschall­ signals durch die Zementprobe und setzt diese in eine Druckfestigkeit, die angezeigt wird, um. Der Synchro­ nisationsimpulsgenerator 82 liefert auch Synchronisations­ impulse an den Zähler 92 und an einen Impulserzeuger 83, der in dem Autoklaven 63 angeordnet ist. Zusätzlich liefert der Synchronisationsimpulsgenerator 82 Synchronisationsimpulse an das Referenzspannungsprogramm 98 zur Erzeugung von Gattersignalen, die dem Zeitgatter 89 in dem Autoklaven zugeführt werden. Das Zeitgatter 89 wird benutzt, um eine Störung zu vermeiden, welche durch den Empfang von Störsignalen infolge von in der Schaltung des Autoklaven auftretenden Rauschens oder infolge möglicher Echos des Ultraschallwandlers 86 durch den Sendeimpuls auftreten könnte. Im Betrieb stehen dem Programm 86 die vorangegangenen Mittelwerte der Laufzeit für den Durchgang der Ultraschallsignale durch die Zementprobe 87 zur Verfügung, wie sie durch das Meßprogramm 94 bestimmt worden sind. Das Referenzspannungsprogramm 98 weiß somit die ungefähre zu erwartende Ankunftszeit für die nächste Impulsfolge des Ultraschallwandlers 86, da dieser Wert sich als Funktion der Zeit ziemlich langsam ändert. Nach Empfang des Synchronisationsimpulses von dem Synchronisa­ tionsimpulsgenerator 82 steuert das Referenzspannungs­ programm 98 dann das Zeitgatter 89 nach Maßgabe der letzten Messung der Laufzeit. Das ist im einzelnen in Fig. 8 dargestellt. Das Referenzspannungsprogramm 98 kennt die Laufzeit T, die als Ergebnis des vorangehenden Anstoßens des Ultraschallwandlers 86 gemessen worden war. Bei dem vorliegenden Anstoßen des Ultraschallwandlers 86 wird dann das Zeitgatter 89 so gesteuert, daß es gerade um eine kurze Zeit t vor der erwarteten Ankunft der Ultraschall­ energie öffnet. Das Zeitgatter 89 läßt daher Ultraschall­ signale von dem Ultraschallwandler 86 nur nach Ablauf einer vorgegebenen Zeit nach dem Anstoßen des Ultraschallwandlers 86 durch. Das verhindert, daß Rauschspitzen oder ein Ultraschallecho, wie sie in Fig. 8 dargestellt sind, den Komparator 90 fälschlich anstoßen. Ein solches statistisch verteiltes elektrisches Rauschen oder Echoeffekte vom Anstoßen des als Sender wirkenden Ultraschallwandlers 86 werden von dem Komparator 90 nicht berücksichtigt.

Nach dem Öffnen des Zeitgatters 89 werden die Signale dem Komparator 90 zugeführt und mit der von dem Digital- Analog-Wandler 99 gelieferten Referenzspannung verglichen, die in der oben unter Bezugnahme auf Fig. 1 beschriebenen Weise bestimmt wird. Die Ankunft des reflektierten Ultraschallsignals erzeugt einen Ausgangsimpuls des Komparators 90. Dieser Ausgangsimpuls wird dem Impulsgenerator 91 zugeführt. Der Impulsgenerator 91 erzeugt dann ein Stopsignal, welches dem Zähler 92 zugeführt wird. Der Zähler 92 war vorher durch die Erzeugung des Synchronisationsimpulses des Synchroni­ sationsimpulsgenerators 82 gestartet worden und zählt die Ausgangssignale des Taktoszillators 81. Wenn somit der Zähler 92 das Stoppsignal von dem Impulsgenerator 91 erhält, enthält der Zähler 92 eine Binärzahl, die proportional der Laufzeit des Ultraschallsignals durch die in dem Autoklaven 63 angeordnete Zementprobe 87 ist. Diese Zahl wird in ein T-Register 93 übertragen und steht daher dem Meßprogramm 94 zur Verfügung.

Die Arbeitsweise des Steuerprogramms 97, des Tastenfeldes 96, des Meßprogramms 94 und des Anzeigesystems 95 in Fig. 7 ist ganz analog der Arbeitsweise der entsprechenden Bauteile, die oben mit Bezugnahme auf Fig. 1 beschrieben sind.

Im Betrieb überwacht das System in realer Zeit die Laufzeit eines Ultraschallsignals durch eine Zementprobe während einer Zeitspanne, die bis zu 1000 Stunden oder mehr betragen kann. Somit wird der Zeitverlauf der Druckfestigkeit der Zementprobe unter Bedingungen kontrollierter erhöhter Temperatur und erhöhten Druckes erhalten, wie sie in einem Bohrloch auftreten. Der Vorgang der Festlegung des Rauschpegels und der Laufzeit durch die Zementprobe wird alle 10 Sekunden in jedem der bis zu acht parallelen Autoklaven-Kanäle des vorliegenden Systems wiederholt. Somit können bis zu acht Zeitverläufe der Entwicklung der Druckfestigkeit in Zementproben erhalten werden.

Claims (5)

1. Vorrichtung zur zerstörungsfreien Messung der Druckfestigkeit einer Zement- oder Zementschlamm­ probe, enthaltend

• (a) Ultraschallsendemittel (14; 86) und Ultraschall­ empfangsmittel (16, 86), die an die Zement- oder Zementschlammprobe (15; 87) angekoppelt sind zum Hindurchleiten von Ultraschallsignalen durch diese,
• (b) eine Laufzeitmeßeinrichtung (12, 22; 82, 92) zur Messung der Laufzeit des Ultraschallsignals durch die Zement- oder Zementschlammprobe (15; 87) und Erzeugung eines Laufzeitsignals,

dadurch gekennzeichnet,

• (c) zur Simulation des Abbindevorganges eines zum Zementieren eines Bohrloches benutzten Zements oder Zementschlammes ein Autoklav (64) vorgesehen ist, in welchem die Ultraschallsendemittel und Ultraschallempfangsmittel zur Ankopplung an eine in den Autoklaven einsetzbare Zement- oder Zementschlammprobe angeordnet sind und durch welchen die Zement- oder Zementschlammprobe kontrolliertem Druck und kontrollierter Temperatur aussetzbar ist, die den Bedingungen in einem Bohrloch entsprechen,
• (d) das Laufzeitsignal der Laufzeitmeßeinrichtung (12, 22; 82, 92) auf eine Signalverarbeitungs­ einrichtung (24) aufgeschaltet ist, in welcher die bekannte Beziehung zwischen Laufzeit und Druckfestigkeit gespeichert ist und welche ein Druckfestigkeitssignal liefert, das die Druckfestigkeit der Zement- oder Zementschlamm­ probe (15; 87) unter Bohrlochbedingungen darstellt, und
• (e) eine Registriervorrichtung (62) vorgesehen ist, durch welche die Druckfestigkeitssignale als Funktion der Zeit aufzeichenbar sind, so daß eine Aufzeichnung erhalten wird, welche dem zeitlichen Verlauf der Druckfestigkeit einer Zement- oder Zementschlammprobe in einem Bohrloch entspricht.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch

• (a) Vergleichsmittel durch welche die von der Laufzeitmeßeinrichtung wiederkehrend erhaltenen Laufzeitsignale mit einem vorgegebenen Vergleichs­ signal verglichen werden, und
• (b) Mittel zum Bestimmen und Anzeigen des Zeit­ punktes, in welchem das Laufzeitsignal den Wert des Vergleichssignals erreicht.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ultraschallsendemittel einen Ultraschall­ wandler enthalten, der in einem Frequenzbereich zwischen 100 Kilohertz und 1 Megahertz arbeitet.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Ultraschallwandler bei einer Frequenz von ungefähr 400 Kilohertz arbeitet.