Messungen in Kavernen mit eingebauter Rohrtour - SOCON Sonar ...

SOCON Sonar Control Kavernenvermessung GmbH. GiesenHartmut von TryllerGiesen Dezember 1998INFOBLATTEchometrischeHohlraumvermessungendurch die Wandung derVerrohrungEchometrische Hohlraumvermessungen durch die Wandung der VerrohrungHartmut von Tryller, SOCON Sonar Control Kavernenvermessung GmbH. Giesen Dezember 1998

Im folgenden werden die bislang aufgezeigten Effekte im einzelnen behandelt:äußere Rohrtour(Wandstärke „X“)innere Rohrtour(Wandstärke „Y“)Jede Rohrtour beeinflusst aufgrund ihrer Materialeigenschaften die Wellenlänge des ausgesandtenSonarsignals. Die Schallgeschwindigkeit in Stahl ist in der Größenordnung von5000 m/s angesiedelt, das heißt, sie liegt im Vergleich zum Medium in der Kaverne, um denFaktor 2,7 bis ca. 5 höher. Bei unterschiedlichen Stahlqualitäten sind aber die zugehörigenWellenlängen verschieden. Dies ist zunächst von untergeordneter Bedeutung, daunterschiedliche Wellenlängen und Schalllaufzeiten aufgrund der Wanddicke der Rohre aufdas Messergebnis keinen erwähnenswerten Einfluss haben.Aber:• jede Änderung der Wellenlänge dämpft die Signalenergie und reduziert dieReichweite,• jede Rohrtour und damit jede Wandstärke erfordert eine Optimierung und Anpassungder ausgesandten Sendefrequenz. Das heißt, je größer der Unterschied derWandstärken ist, desto größer ist die Dämpfung und desto bedeutsamer werden dienachfolgend beschriebenen Effekte!Längsschwingungder inneren RohrtourLängsschwingungder äußeren RohrtourDickenschwingungder jeweiligen RohrtourWird oder kann ein Sonarsignal nicht optimal an die Rohrtouren angepasst werden, tretenVerluste in den Rohrtouren auf, die die Schwingungsneigung als Längs- und/oderDickenschwingung verstärken.Diese Schwingungsneigung führt zu folgenden Effekten:• Die Rohre „klingeln" und machen eine Erfassung im Nahbereich, aufgrund von scheinbarenSignalantworten mit überlagerten echten Antworten, unmöglich. Auch eine Korrelation oderStapelung kann diesen Effekt, da es sich um stehende Wellen handelt, nicht unterdrücken.• Alle Verluste innerhalb der Rohrtour führen zu einer Dämpfung und damit zu einer Reduzierungder Reichweite.• Die Dickenschwingungen der Rohrtouren können zusätzlich omnidirektionale Abstrahlungendes Sonarsignals hervorrufen, so dass Antworten aus nicht angestrahlten Richtungen auftretenkönnen.• Die Längsschwingungen können zusätzlich zu den echten Signalantworten Reflexionen vonober- oder unterhalb liegenden Muffen verursachen. Dies führt dazu, dass sogar eine Muffeoder, was häufig vorkommt, das Rohrende als Sendestrahler wirken und Antworten einblenden,die echte Antwort überlagern oder sogar verdecken können. Diese Effekte können, wennsie auf stehenden Wellen beruhen, nur anhand von Echogramme und ggf. Verfahren derSonde oder Mehrfachaufnahme des Messschnittes mit verschiedenen Anpassungen (sehrhäufig) erkannt und minimiert werden. In jedem Fall ist eine Korrelation der Signaleunerlässlich.Echometrische Hohlraumvermessungen durch die Wandung der VerrohrungHartmut von Tryller, SOCON Sonar Control Kavernenvermessung GmbH. Giesen Dezember 1998

Ablagerungen an den RohrwandungenAblagerungen an der Rohrwandung wirken sich aufgrund der geringen Schallhärte, der extrem geringenSchallgeschwindigkeit und somit großen Wellenlänge konträr zur Wellenlänge im Stahl aus. Sie erhöhenextrem die Dämpfung und machen oftmals eine Vermessung unmöglich!Der Sendeburst, als Paket von hochfrequenten Schwingungen, das vom Ultraschallwandlerausgesandt wird, muss in seiner Gestaltung, Anschwing- undSonarsendeburstAusschwingverhalten sowie in der Wellenlänge an die Situation anpassbar, das bedeutetprogrammierbar, ausgeführt werden. Da nur eine begrenzte Auswahl von Ultraschallkeramiken am Marktverfügbar sind, ergeben sich für eine Optimierung Grenzen. Durch eigene Schallwandlerentwicklungenund der austauschbaren Mehrfachmessköpfe, kann ein weites Spektrum, notfalls durch zusätzlicheMessfahrten, abgedeckt werden. Es bleiben jedoch Grenzen, speziell wenn das Medium in der Kavernein der Wellenlänge und Schallimpedanz extrem von den Eigenschaften für Stahl abweicht. Dies giltbesonders für Rohöl, verflüssigte Gase (LNG) und ganz besonders für Erdgas, in dem eine Vermessungdurch Rohrtouren hindurch nahezu unmöglich ist.Beeinflussungund Veränderung der Wellenlängeje nach Medium- und Materialeigenschaftenfür das Sende- und Empfangssignal !!Mit jeder Änderung der Wellenlänge, bzw. derSchallgeschwindigkeit, dass heißt mit jeder Änderungdes zu durchschallenden Mediums erfolgteine Beeinflussung. Zusätzlich führen Änderungendes zu durchschallenden Mediums zu Änderungender Schallimpedanz und damit zu einer nichtunbeträchtlichen Dämpfung des Signals. Dies gilt fürdas abgestrahlte Messsignal ebenso wie für dieEmpfangsantwort.Analysiert man einmal vereinfacht die Wellenlängenänderungen eines Signals durch nur eine Rohrtour,ergibt sich folgendes Bild der Wellenlängenänderung:...auf dem Hinweg -Wandler Sole Rohrwand Sole...und auf dem Rückweg des Signals.Wandler Sole Rohrwand SoleBeispiel:Keramik-Sole-Rohrwand-SoleKeramik-Sole-Rohrwand-ÖlEchometrische Hohlraumvermessungen durch die Wandung der VerrohrungHartmut von Tryller, SOCON Sonar Control Kavernenvermessung GmbH. Giesen Dezember 1998

Weicht die ausgesandte Strahlrichtung durch Neigung von der Horizontalen ab, führt jede Änderung derWellenlänge zu einer Refraktion. Der unter einem Winkel ausgesandte Sonarstrahl wird an jederGrenzfläche abgelenkt und trifft unter einem anderen Winkel an der Kavernenwand auf. In der Explorationsseismikwird dieser Effekt zur Aufspürung von Lagerstätten genutzt. In der Entfernungsmesstechnikstellt er ein Übel mit verheerenden Folgen dar, die nur durch Korrekturrechnungen kompensiert werdenkönnen. In bestimmten Fällen werden geneigte Messungen in Rohrtouren unter Einbeziehung einerKorrekturrechnung zur Vermessung von Kavernendecke, z. B. in Ölspeicherkavernen, durchgeführt. DerÖffnungswinkel eines Ultraschallsignals wird, wie an anderer Stelle beschrieben, neben der Fläche derSignalquelle, wesentlich durch die Wellenlänge bestimmt. Durch die Lage der Signalquelle zur Rohrtour,deren Radius und Wandstärke wird der Öffnungswinkel ungewünscht erweitert.Verfahrenstechnische und bautechnische Maßnahmen, die wir hier nicht näher beschreiben möchten,führen zu einer Minimierung dieser Nachteile.Die beiden nebenstehenden Beispiele zeigendie unterschiedliche Größe des Öffnungswinkelsder Ultraschallkeule für verschiedeneMedien.Darstellung des Öffnungswinkelsfür Sole-Rohr-SoleDarstellung des Öffnungswinkelsfür Sole-Rohr-ÖlSonarempfangsantwortDie Empfangsantwort des von der Kavernenwandzurückreflektierten Sendeburstsbeinhaltet neben den eigentlichenAntworten von der Kavernenwand oftmalszusätzliche Signale. Es handelt sichdabei zumeist um Signale, die von demSchwingverhalten der Rohre, der zurStrahlausbreitungsrichtung gegenüberliegendenKavernenwand, den Muffenund von Reflexionen der Rohrtour alsSendequelle herrühren. Durch Aufzeichnungaller Signalantworten unddurch Signalkorrelationen kann in denmeisten Fällen die Kavernenwand bestimmtwerden.Einblendung der Gegenseite mit kurzenRadien!Rohrschallbereich: Antworten, die vondiesem Bereich überdeckt werden,können nicht erfasst werden.Einblendung der Gegenseite mit Radienaus einer großen Entfernung bei einerovaler Kavernenform!Echogrammsektion durch eine Verrohrung aufgenommenEchometrische Hohlraumvermessungendurch die Wandung der VerrohrungHartmut von Tryller, SOCON Sonar Control Kavernenvermessung GmbH. Giesen Dezember 1998

Überlappung und Verschleifung des Nahbereiches nach einem Sprung der Kavernenwand zu größerenRadien.Die Auswertemethode, nur die ersten odergrößten Signalantworten zu verwenden, würdehier zu einer völlig falschen Kavernenformführen!Im folgenden Beispiel einer durch dieVerrohrung erfassten Horizontalschnittebenewurde der Fernbereich der ovalen Ausdehnungüber weite Bereiche von den Antworten derRückseite überdeckt.Die Ursache hierfür ist eine nicht optimierteAnpassung der Wellenlänge. Abhilfe schafftnur eine Anpassung der Wellenlänge anmöglichst alle Gegebenheiten und wenn diesnicht möglich ist, eine Mehrfachaufnahmedieser Messtiefe mit Wellenlängen, die für diejeweiligen Gegebenheiten besser wirken.Diese Praxis wird von SOCON in derVermessung durch die Verrohrung häufigangewandt. Aus diesem Grund sind die Messköpfemit zwei Schallwandler-Systemenausgestattet und können zudem einfachausgetauscht werden.Die Daten aus mehreren Messwertaufnahmenkönnen mit Hilfe der Softwarezusammengefasst werden. Dies gilt fürHorizontalschnitte, die mit unterschiedlichenWellenlängen erfasst wurden ebenso wie fürSektoren, die zur Klärung von speziellenFragestellungen zusätzlich aufgenommenwurden.Echometrische Hohlraumvermessungen durch die Wandung der VerrohrungHartmut von Tryller, SOCON Sonar Control Kavernenvermessung GmbH. Giesen Dezember 1998

Die hintere Signalfront wird durch Reflexionenaus der nächst folgenden Messtiefeverursacht. Erst die Auswertung der Echogrammeund eine Korrelation über mehrereTiefen erlaubt eine weitgehend eindeutigeund überprüfbare Aussage.Im unteren Teil dieses Beispiels ist die Abdeckungbzw. Überdeckung des Nahbereichesdurch Rohrschall deutlich erkennbar.Die Ursachen für Rohrschallanteile begründensich zum einen in den Materialeigenschaftender Rohre und zum anderen - dasist hier der Fall - in der hohen Sendeenergie,die nötig war, um unter den an diesemPunkt vorherrschenden Bedingungen einverwertbares Ergebnis zu erhalten.Das nebenstehende Beispiel zeigt einenAusschnitt aus einem Wandbereich undkönnte auf den ersten Blick die Aussagezulassen „wie hätten Sie´s denn gern“!Auf den zweiten Blick und unter Zuhilfenahmealler Daten und Echogrammewird das Ergebnis eindeutig. Signale ausdem Nahbereich der Kaverne (in der Mitteder Abbildung) werden, aufgrund deshohen energetischen Anteils und des inRohren größeren Öffnungswinkels, überdie eigentlichen Richtungen hinaus eingeblendet.Echometrische Hohlraumvermessungen durch die Wandung der VerrohrungHartmut von Tryller, SOCON Sonar Control Kavernenvermessung GmbH. Giesen Dezember 1998

Interpretationsgrundlagen für Vermessungen durch die VerrohrungMehrfachreflexionen in einer Signalspur beiRohrmessungen können verschiedene Ursachenhaben. Die Auswertung dieser Signalekann nicht durch automatische Systemeund erst recht nicht durch eine Filterung beider Messwertaufnahme vorgenommenwerden.Zur Auswertung muss der gesamte Datenbestandherangezogen und bei der Interpretationentsprechend behandelt sowie analysiertwerden. Im Gegensatz zu Vermessungen inoffenen Kavernen können Kippmessungennicht oder nur selten in die Auswertung einbezogenwerden. Es bleibt nur eine gewissenhafteAnalyse der Echogramme.Das nebenstehende Bild zeigt typische Signalformen,wie sie sich bei einer Vermessungdurch die Verrohrung darstellen.Im folgenden wird anhand einzelner Teilbereichedes dargestellten Echogrammausschnittserklärt, wie sich die physikalischenZusammenhänge aus den Echogrammspurenableiten lassen.interpretierter Wandverlauf.Andeutung, Vorankündigung der Entfernung in der nächsten Messrichtunghervorgerufen durch den erweiterten ÖffnungswinkelEinblendung der Rückwand (Gegenseitein 180 Grad)1. Treten in einer Spur Signalantwortenmehrfach auf und können die schwächerenSignale aus größerer Entfernung (höhereDämpfung) nicht Sprungfunktionender Nachbartiefen zugeordnet werden, repräsentierendiese Signale, wenn sie sichzudem von Spur zu Spur zeitlich (Entfernung)unterscheiden, die Kavernenwand.Echometrische Hohlraumvermessungen durch die Wandung der VerrohrungHartmut von Tryller, SOCON Sonar Control Kavernenvermessung GmbH. Giesen Dezember 1998

Bei schlechter Signalbündelung kann eine Andeutungder Entfernung in der nächsten Messrichtung,hervorgerufen durch den erweiterten Öffnungswinkel,auftreten. In einem solchen Fall kann nur dieSignalform, die Amplitude und die Umfeldbetrachtungeine Aussage liefern.Zeigen sich Antworten über mehrere Spuren gleichmäßig,so liegen zwei mögliche Ursachen vor:• Verschleifung der Entfernung aus der Nachbarrichtung,wenn diese konstant den gleichenRadius über mehrere Messrichtungen aufweist(Die Wand verstärkt die Reflexionen wie einParabolspiegel).Dieser Effekt tritt besonders bei Messkonstellationenauf, bei denen die Kavernenform imNahbereich oval ist und über einen größerenWinkelbereich gleiche Radien vorliegen sowiewenn im Fernbereich eine gewisse Rauhigkeitbesteht.• Einblendung der Rückwand (Gegenseite in 180Grad).Für den gesamten Ausschnitt ergibtsich nach der Interpretationsomit nebenstehendes Bild:Echometrische Hohlraumvermessungen durch die Wandung der VerrohrungHartmut von Tryller, SOCON Sonar Control Kavernenvermessung GmbH. Giesen Dezember 1998

Grafische Zusammenfassung derEinflüsse bei Vermessungen durchdie Wandung der VerrohrungReflexion von derKavernenrückwand,Rückwandecho durchRohrschwingung.Reflexion entlang der Rohrtourzur nächsten Muffe und zurückmit ca. 5000 m/s.Reflexion von derKavernenwand.Überlagerungen vonRohrschwingungen imNahbereich, verursachtdurch den Sonarimpuls.Reflexion entlang der Rohrtourzur nächsten Muffe und zurückmit ca. 5000 m/s.Reflexion entlang der Rohrtour zumRohrende mit ca. 5000 Meter/sec,vom Rohrende zum Kavernenbodenmit MediumsgeschwindigkeitEchometrische Hohlraumvermessungen durch die Wandung der VerrohrungHartmut von Tryller, SOCON Sonar Control Kavernenvermessung GmbH. Giesen Dezember 1998