Improvement of Non-Destructive Triaxial Strength Measurements

Die mechanische Widerstandsfähigkeit von Bohrlochzement ist ein wichtiger Bestandteil in der Gewährleistung der Bohrlochintegrität. Allerdings ist diese im Bohrloch fast unmöglich, weshalb die Festigkeit nur an der Oberfläche, vor dem Pumpen oder durch Simulationen im Labor ermittelt werden kann. Daher würde die Echtzeitüberwachung der Zementfestigkeit die Sicherheit und Integrität des Bohrlochs erheblich verbessern. Diese Arbeit hat zum Ziel, die Korrelation zwischen dynamischen und statischen Festigkeitsmessungen zu verbessern, indem eine präzise Methodik erarbeitet wurde und mehrere Testverfahren durchgeführt wurden. Im Verlauf der Arbeit wurden verschiedene Zwischenziele gesetzt, wie die Installation einer triaxialen Testvorrichtung mit integrierter Aufzeichnung des triaxialen Begrenzungsdrucks, die Anpassung des Vorbereitungsverfahrens für Zementproben an die vorhandene Laborausrüstung oder die Programmierung eines Kombinationsalgorithmus. Das Hauptziel war jedoch, eine empirische Beziehung zwischen der triaxialen Druckfestigkeit, der Ultraschallgeschwindigkeit und dem Begrenzungsdruck zu finden, um diese zu quantifizieren. Daher wurden verschiedene Zementkompositionen ausgewählt und mit Ultraschall- und triaxialen Tests analysiert. Insgesamt wurden sechs verschiedene Zusammensetzungen untersucht. Diese umfassten einen klassischen Zement der Klasse G (16 ppg), einen Bentonit-zement (12 ppg), ein Zementgemisch mit hohlen Glaskugeln (12 ppg) und zwei Epoxid-Zement-Mischungen (13,6 ppg) mit variierenden rheologischen Parametern sowie ein Epoxid-Gemisch (12,9 ppg) mit sehr fein gekörntem Zement. Alle Proben wurden in zylindrische Proben von ein mall zwei Zoll gegossen und unter atmosphärischen Bedingungen ausgehärtet. Anschließend wurden sie einer Ultraschall-Puls-Geschwindigkeitsanalyse mit piezoelektrischen Sensoren unterzogen und unter triaxialen Bedingungen axial destruktiv getestet. Für unterschiedliche Begrenzungsdrücke wurden die Proben teilweise mit elektrischen Dehnungsmessstreifen ausgestattet, um detaillierte Informationen über das Deformationsverhalten im Bereich von Micrometern zu erhalten. Schließlich wurden alle erfassten Daten mit einem MATLAB-Algorithmus zusammengefasst, was zu einer Tabelle mit allen wichtigen Eigenschaften der verschiedenen Zementsorten führte. Der Rahmen dieser Arbeit wurden wesentliche dynamische sowie statische Parameter erfasst. Darunter die Poisson-Zahl, das Elastizitätsmodul, die akustische Ankunftszeit, die triaxiale Druckfestigkeit, den Begrenzungsdruck sowie deren Deformationsverhalten und Dehnungsaufzeichnungen von etwa 180 verschiedenen Zementproben für sechs verschiedene Zementmischungen. Diese Sammlung an Daten dient als Basis für eine Datenbank und kann leicht auf die Inklusion weiterer Parameter aus Permeabilitätstests oder chemischer Belastung von Proben durch beispielsweise CO2 erweitert werden. Dafür müssen nur geringfügige Änderungen im Kombinationsalgorithmus vorgenommen werden. Zusätzlich wurde in dieser Arbeit ein Modell erstellt, welches mittel maschinellem Lernen fähig ist mit Hilfe von Eingabeparametern wie dem Begrenzungsdruck, der Probenlänge, der akustischen Geschwindigkeit sowie der Zementsorte die elastische triaxiale Belastungsgrenze vorherzusagen. Die Ergebnisse des Kombinationsalgorithmus wurden weiters interpretiert und Erkenntnisse der unterschiedlichen Zementzusammensetzungen gewonnen. Insgesamt bietet diese Forschung einen datengestützten Ansatz zur Bestimmung der triaxialen Druckfestigkeit unter Verwendung des Umgebungsdrucks und der Ultraschall-Laufzeit. Dies ermöglicht die Gewährleistung der strukturellen Integrität von Bohrlochzementen und damit der Bohrlochintegrität.