Mud Pulse Telemetry: MWD-Daten mittels Drucktransmitter übertragen

Mud Pulse Telemetry: MWD-Daten mittels Drucktransmitter übertragen

Bei der hydraulischen Datenübertragung braucht es empfindliche Drucksensoren, die gleichzeitig sehr hohen Drücken standhalten. Dies trifft besonders auf den Einsatz in Measurement While Drilling (MWD)-Anwendungen zu.

Im Rahmen von Measurement While Drilling (MWD)-Anwendungen werden Daten während Bohrungen erhoben. Besonders bei Offshore-Richtbohrungen ist MWD eine Standard-Anwendung geworden. Die Echtzeit-Datenerhebung ist essenziell, damit der Bediener des Bohrers diesen in die anvisierte Zone steuern kann. Zu diesem Zweck werden verschiedene Sensoren am Bohrkopf montiert, die Aufschluss über die Bohrumgebung in Echtzeit geben sollen. Dabei kommen Neigungs-, Temperatur-, Ultraschall- und auch Strahlungssensoren zum Einsatz. Diese verschiedenen Sensoren sind physisch oder digital miteinander verbunden und an einer Logikeinheit angeschlossen, die die Informationen in binäre Ziffern umwandelt. Diese Daten aus dem Bohrloch werden über Mud Pulse Telemetry („Schlammimpulstelemetrie“) an die Oberfläche übermittelt. Abgesehen von der Überwachung und Steuerung des Bohrvorgangs werden sie für weitere Aspekte genutzt, darunter:

  • Informationen zum Zustand der Bohrkrone
  • Protokollierung der geologischen Beschaffenheit der penetrierten Erdschichten
  • Erstellung von Leistungsstatistiken zur Identifizierung möglicher Verbesserungen
  • Risikoanalyse für zukünftige Bohrungen

Bei Mud Pulse Telemetry handelt es sich um ein binäres Kodierungsübertragungssystem, das mit Flüssigkeiten verwendet wird. Dies wird durch ein Ventil erreicht, dass den Druck des Bohrschlamms innerhalb des Bohrstrangs variiert und somit die Aufzeichnungen der am Bohrkopf montierten Sensorik in Druckimpulse umwandelt. Über den Bohrschlamm gelangen diese Pulsationen an die Oberfläche. Die Druckimpulse werden an der Oberfläche von einem Drucktransmitter gemessen und in ein elektrisches Signal umgewandelt. Dieses Signal wird an ein Lesegerät übermittelt und digitalisiert. Mittels Computern können die übermittelten Informationen rekonstruiert werden.

STS stellt Anwendern in der Offshore-Richtbohrung analoge Drucktransmitter zur Verfügung, die bei der Mud Pulse Telemetry eingesetzt werden. Die Anforderungen an die eingesetzte Sensorik sind hoch: Sie müssen extrem empfindlich sein, um bereits kleinste Druckunterschiede sicher zu registrieren. Zur gleichen Zeit müssen die Sensoren Drücken von bis zu 1.000 bar standhalten. Denn es sind bei sehr tiefen Bohrungen sehr hohe Drücke nötig, um den Bohrkopf anzutreiben. Auch die zur Mud Pulse Telemetry an der Oberfläche verwendeten Drucktransmitter sind diesen Kräften ausgesetzt.

Abbildung 1: Analoger Drucktransmitter für den Mud Pulse Telemetry Einsatz

Abgesehen von der hohen Empfindlichkeit sind auch sehr schnelle Reaktionszeiten gefragt, um eine gute Datenkommunikation in Echtzeit zu gewährleisten. Darüber hinaus sollte das Messinstrument möglichst rauscharm sein, um verfälschte Messergebnisse weitestgehend auszuschliessen. Besonders die Schlammpumpen verursachen in Bohranwendungen das meiste Signalrauschen. Auch der Antrieb des Bohrers ist eine Störquelle. Aus diesem Grund sind analoge Sensoren mit einem 4 mA … 20 mA Ausgangssignal die beste Lösung für die Mud Pulse Telemetry.

EMV Störfestigkeit von analogen und digitalen Drucktransmittern

EMV Störfestigkeit von analogen und digitalen Drucktransmittern

Die Anwendung entscheidet: Zwar leben wir heute im Zeitalter der Digitalisierung, das beutetet aber nicht, dass „digital“ immer die beste Lösung ist. Das gilt auch für Druckmessumformer.

Analoge Drucktransmitter sind schon seit über 150 Jahren bekannt und entstanden infolge der industriellen Revolution. Sie haben über eine lange Zeit beinah unverändert überstanden. Durch moderne Produktionsverfahren sind über die Zeit stabilere, genauere und kleinere analoge Drucktransmitter entstanden. Auch das Aufkommen digitaler Druckmesstechnik in der zweiten Hälfte des vergangenen Jahrhunderts konnte die analogen Verwandten nicht verdrängen. Das hat auch gute Gründe: Denn digitale Drucktransmitter sind nicht für jede Anwendung geeignet.

Digitale vs. analoge Drucksensoren: Vergleich

Bei einem analogen Drucksensor wird das Signal als analoges Strom- oder Spannungssignal übertragen. Am gebräuchlichsten ist hierbei das 4 mA … 20 mA Einheitssignal, aber auch 0 … 10 V und seltener 0,5 … 4,5 Vrat können vorkommen. Bei piezoresistiven Drucksensoren wird Druck über die Verformung einer Membran gemessen. Die Verformung der Membran führt zu einer Widerstandsänderung auf den dort eindiffundierten, zu einer Wheatstoneschen Messbrücke verschalteten Widerständen. Diese Widerstandsänderung wird als elektrisches Signal umgewandelt. Die Kompensation von Nullpunkt- oder Spannefehler wird ebenfalls über analoge Schaltungstechnik geleistet.

Digitale Drucksensoren nutzen zur Übermittlung der Messwerte digitale Schnittstellen wie RS-485 mit Modbus. Daher können sie auch als Feldbusmessumformer bezeichnet werden. Das elektrische Signal der Widerstandsänderung wird also im Gegensatz zu analogen Drucksensoren direkt digital gewandelt. Die Kompensation typischer Fehler, dies schliesst auch Temperaturfehler ein, findet durch einen Mikroprozessor statt.

Wann sind analoge Drucksensoren angezeigt?

Aus dieser kurzen Gegenüberstellung wird deutlich, dass digitale Druckmessumformer eine Vielzahl von Vorteilen bieten. Diese sind auch praktischer Natur: So muss das Signal eines analogen Drucksensors erst digitalisiert werden. Soll der Messwert also direkt weiterverarbeitet werden, beispielsweise zur Visualisierung auf einem Display, ist ein digitales Signal von Vorteil. Darüber hinaus führt kein Weg um digitale Drucktransmitter herum, wenn der Druck nicht nur lokal sondern auch aus der Ferne (remote) angezeigt werden soll. Des Weiteren sind digitale Messgeräte wichtig, wenn Druck als Stellgrösse in einer automatisierten Prozesssteuerung fungiert.

Sowohl digitale als auch analoge Drucktransmitter können hochpräzise Ergebnisse liefern. Dennoch sind digitale Druckmessumformer hier leicht im Vorteil, besonders in Anwendungen mit sehr hohen Genauigkeitsanforderungen, da sämtliche Kompensationen rein digital erfolgen. Müssen jedoch dynamische Prozesse gemessen werden, sind Analogsensoren besser geeignet.

Dennoch: Trotz dieser scheinbaren Überlegenheit der digitalen Drucksensoren haben ihre analogen Gegenparts nach wie vor ihre Berechtigung. Einerseits ist die Unterscheidung zwischen analog und digital eine Preisfrage. Wer die Vorteile eines digitalen Messinstruments gar nicht benötigt, sollte letztlich auch keinen Aufpreis dafür zahlen. Doch diese wirtschaftliche Überlegung ist nicht der einzige Grund, warum analoge Geräte in manchen Fällen eine bessere Eignung haben als digitale: Das 4 – 20 mA Einheitssignal, das die meisten analogen Druckmessumformer nutzen, zeichnet sich bei korrekter Anbindung des Kabelschirms durch seine Robustheit gegenüber induktiv eingekoppelter Störung aus.

Induktiv eingekoppelte Störung: Was Anwender beachten sollten  

Analoge Druckmessumformer sind oft die sichere Wahl, wenn sie in einer Umgebung mit hohen, von Magnetfeldern verursachten Spannungsstörungen eingesetzt werden. Deshalb sind digitale Drucktransmitter allerdings nicht gänzlich auszuschliessen. Die Anwendung entscheidet. Darüber hinaus können bei der Installation des Drucktransmitters Vorkehrungen getroffen werden, die Störungen infolge von induktiver Kopplung verhindern oder ausreichend einschränken können.

Nehmen wir hierfür eine Pumpenanwendung als einfaches Beispiel. Bei der Einschaltung der Pumpe kommt es zu einem hohen Stromfluss, durch den ein entsprechend grosses Magnetfeld entsteht. Wird die Anschlussleitung des Drucktransmitters parallel zur Pumpe verlegt, befindet sie sich im Einflussbereich dieses Magnetfelds. Durch die entstehende Spannung kommt es zu Störungen im Drucktransmitter. Die Störungen sind je nach Drucktransmitter unterschiedlich: Bei analogen Geräten kommt es zu einem “Rauschen” in den Messwerten. Sie können also verfälscht werden. Bei digitalen Drucktransmittern kann die Signalübertragung komplett zusammenbrechen.

In diesem Beispiel wäre es also ratsam, die Anschlussleitung nicht parallel zur Pumpanwendung zu verlegen. Das ist natürlich nicht immer möglich. In diesem Fall wäre möglicherweise die Anbindung des Kabelschirms an die Erde angezeigt, um die Störsignale in die Erde abzuleiten (mehr zum Thema Erdung lesen Sie hier).

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