En bildeserie av en ultralydpuls i vann som treffer en stålplate. I figuren lengst til høyre kan man se en svak refleksjon av en partikkel som befinner seg under stålet.
En bildeserie av en ultralydpuls i vann som treffer en stålplate. I figuren lengst til høyre kan man se en svak refleksjon av en partikkel som befinner seg under stålet.

Ultralyd – i jakten på oljebrønner som lekker

Hva har strømningen i blodårer og en lekkende oljebrønn til felles? I begge tilfeller kan vi oppdage og måle væskestrømmen med ultralyd!

Publisert

Mens tankene våre fort blir dratt mot sykehuset og svarthvitt-bilder av et foster når vi hører ordet ultralyd, brukes ultralyd også til svært mye annet. Dette gjelder både andre bruksområder på sykehuset og, som vi vil se på her, anvendelser i helt andre omgivelser, fra matproduksjon i store produksjonshaller til dypt nede i oljebrønnene.

Ultralyd og dopplereffekten

Ultralyd

  • Ultralyd er lydbølger med veldig raske svingninger, raskere enn et menneske-øre klarer å oppfatte.
  • Ved å bruke et lydhode til å sende og motta ultralydbølger, kan man utføre bl.a. avbildning og strømningsmåling.
  • I medisinsk ultralyd reflekteres lydbølgene inne i kroppen, slik at man kan lage et bilde av hva som foregår, f.eks. ved avbildning av et foster eller et hjerte for å oppdage hjerteinfarkt.
  • I industriell bruk kan ultralyd brukes til f.eks. å se etter sprekker i metall eller til å måle strømning i rør, for å oppdage om en flyvinge trenger reparasjon eller for å måle væskestrøm i matproduksjon.

Dopplereffekten

  • For å utnytte dopplereffekten sendes en serie lydpulser ut fra et lydhode med høy repetisjonsfrekvens. Ved å se på signalene som kommer tilbake til lydhodet kan man observere hastigheten til små partikler i væsken, og dermed få et bilde av strømningen.
  • Dette kan brukes til f.eks. å oppdage forkalkninger i blodårer eller feil på et hjerte.

For hva om vi kunne se nye oljereservoarer eller få bilder av skjøtene i en oljebrønn på samme måte som når man drar på sykehuset og får bilder av hva som skjer inne i kroppen?

Disse oppgavene kan også løses med lyd. Enten med lyd med veldig sakte svingninger når man skal se dypt og langt innenfor seismikken, eller med lyd med veldig raske svingninger, ultralyd, når små detaljer skal studeres. På grunn av de kompliserte materialene lyden skal sendes gjennom, byr disse oppgavene på noen ekstra utfordringer som må løses.

I de neste avsnittene skal vi se på hvordan vi i Centre for Innovative Ultrasound Solutions (CIUS) bruker ultralyd for å studere hva som skjer i en oljebrønn, der små sprekker i stålrørene eller små lekkasjer fra reservoarene kan få store konsekvenser. Store konsekvenser for de som arbeider med produksjonen på plattformen, men også ikke minst for miljøet som kan stå ovenfor store forurensningsutfordringer dersom en ulykke skulle oppstå.

Ultralyd i oljebrønner

Langt fra sykehuset, stikkende dypt inn i jordas overflate, finner man oljebrønnene. Også her, ved svært høye temperaturer og ved knusende trykk, brukes ultralyd. Min kollega Erlend Magnus Viggen skrev tidligere et blogginnlegg om å bruke ultralyd til å sjekke helsen til en oljebrønn, hvor han beskriver noen metoder der ultralyd benyttes i oljebrønner. Mens disse metodene ser på oljebrønner hvor ting er i ro, vil vi i dette blogginnlegget ta for oss enda en metode for å kunne sjekke helsen til en oljebrønn ved bruk av ultralyd, nemlig ved å anvende dopplerteknikkene som kjent fra det medisinske miljøet til å lete etter lekkasjer.

Før olje kan produseres må man klargjøre en brønn. Kort forklart gjøres dette ved å bore et hull ned til reservoaret hvor oljen ligger lagret, før stålrør som settes sammen føres ned i brønnen. Hensikten til disse rørene er å pumpe oljen kontrollert opp til overflaten, uten at olje har mulighet til å forlate reservoaret for å ende opp i omgivelsene rundt. Med den hensikten at all olje skal strømme kontrollert gjennom rørene, tettes rommet i borehullet mellom steinen man har boret igjennom og rørene, med sement. Men selv om dette hulrommet er fylt med sement, kan det i noen tilfeller oppstå feil med sementen, feil som gjør at dette sementlaget ikke tilfredsstiller kravene som er satt for å sørge for at oljeproduksjonen kan foregå på en trygg og forsvarlig måte.

For å sjekke om sementen er godt nok plassert må den derfor inspiseres, for eksempel ved bruk av metoder som baserer seg på ultralyd. Dette gjøres ved å senke et lydhode ned i rørene i brønnen for å se hva som befinner seg på utsiden, en prosess som kan sees illustrert i noen forenklede skisser under.

En forenklet skisse av en oljebrønn. I bilde 3 og 4 kan ulike sprekker og hulrom i sementen observeres.
En forenklet skisse av en oljebrønn. I bilde 3 og 4 kan ulike sprekker og hulrom i sementen observeres.

Hvordan måle om olje lekker på utsiden av røret?

For å oppdage om sprekkene i sementen fører til at olje siver ut av reservoaret, på utsiden av røret, har vi i CIUS valgt å angripe denne utfordringen ved å bruke velkjente teknikker fra medisinsk ultralyd. Mens man i kroppen ser etter ønsket blodstrøm i kroppens nettverk av blodårer, vil vi lete etter små uønskede kanaler hvor olje kan sive ut. Siden lydbølgene i denne anvendelsen må sendes gjennom stål, dukker det opp en rekke ulike utfordringer, blant annet ved at signalet blir veldig svakt når det skal gå frem og tilbake gjennom stålet, en utfordring vi må adressere når vi ønsker å se på hva som foregår på utsiden av et stålrør. I figuren øverst på denne siden kan man se at de hvite linjene som representerer ultralyden blir mye svakere lengst til høyre, der ultralyden har gått igjennom stålet en gang. Denne utfordringen dukker opp på tilsvarende måte når lyden skal gå tilbake igjen.

Gjennom å samarbeide med mine kolleger i CIUS som har kompetanse innen blodstrømningmåling ved bruk av dopplerteknikker, har vi videreutviklet metoden til å fungere gjennom stål. Dette har vi gjort ved å fokusere ultralydbølgene vi sender mot et ønsket punkt slik at vi får et kraftigere signal. I et laboppsett har vi med disse metodene klart å bruke ultralyd til å oppdage strømmende vann ved å måle gjennom en stålplate. Dette har blitt gjort både ved vanlige medisinske dopplermetoder og ved å bruke våre metoder, hvor signalet blir betydelig sterkere når metodene blir tilpasset for sending gjennom stål. Dette forbedrer våre muligheter for å oppdage strømningen, som gjør metoden bedre egnet for måling i en brønn.

I tiden fremover vil metoden videreutvikles og testes for enda bedre resultater. Resultatene blir i disse dager skrevet om til en artikkel for publisering i et tidsskrift, så om du følger med vil det komme flere og mer detaljerte resultater om dette fremover!