BR112019008240B1

BR112019008240B1 - Aparelho e método para medições de técnica de acustoelasticidade dinâmica em pressões subsuperficiais simuladas

Info

Publication number: BR112019008240B1
Application number: BR112019008240-9A
Authority: BR
Inventors: Peter M. Roberts; Harvey E. Goodman; Marcel C. Remillieux
Original assignee: Triad National Security, Llc; Chevron U.S.A. Inc
Priority date: 2016-10-24
Filing date: 2017-03-26
Publication date: 2023-03-07
Also published as: EP3529587B1; EP3529587A1; WO2018080582A1; US20190339183A1; CA3041465A1; AU2017352105B2; CA3041465C; BR112019008240A2; EP3529587A4; US10983036B2; AU2017352105A1

Abstract

Trata-se da descrição de um aparelho (10) e um método para realizar medições de elasticidade não lineares com o uso da técnica de acustoelasticidade dinâmica (DAET) em condições subsuperficiais simuladas no laboratório. O estado da técnica atual para medir parâmetros de elasticidade não lineares com o uso da DAET é limitado a condições de pressão ambiente na bancada. A presente invenção permite medições de parâmetro não linear em condições (44), (50) de pressões de poro de fluido interno de amostra (52) e de estresse de confinamento externas controladas.

Description

REFERÊNCIA CRUZADA A PEDIDO RELACIONADO

[0001] O presente pedido reivindica o benefício do Pedido de Patente Provisório dos Estados Unidos n° 62/411.730 para “Pore-Pressure & Stress Controlled Nonlinear Acoustics & Elasticity Measurement Experimental Aparatus Using Dynamic Acousto Elasticity Technique Method At Simulated Subsurface Pressure Conditions” de Peter M. Roberts et al., que foi depositado em 24 de outubro de 2016, e do Pedido de Patente Provisório dos Estados Unidos n° 62/411.717 para “Time-Reversed Nonlinear Acoustic Downhole Pore Pressure Measurements” de Harvey E. Goodman et al., que foi depositado em 24 de outubro de 2016, cujo os conteúdos integrais dos Pedidos de Patente são especificamente incorporados a título de referência no presente documento para tudo que os mesmos revelam e ensinam.

DECLARAÇÃO A RESPEITO DOS DIREITOS FEDERAIS

[0002] Esta invenção foi feita com suporte do governo sob o contrato de n° DE- AC52-06NA25396 outorgado pelo Departamento de Energia dos EUA. O governo detém certos direitos sobre a invenção.

ANTECEDENTES DA INVENÇÃO

[0003] As pressões de poro são as pressões de fluido nos espaços de poro em formações porosas. O conhecimento de pressão de poro em uma formação é valioso para planejar operações de perfuração e para análises geoquímicas e geológicas. O gradiente de pressão de poro é usado na perfuração para determinar o peso de lama, que é selecionado com base no gradiente de pressão de poro, na estabilidade de furo de poço e no gradiente de fratura antes de colocar e cimentar um revestimento. O fluido de perfuração é, então, aplicado sob forma de pressão de lama para sustentar as paredes de furo de poço para impedir o influxo e o colapso de furo de poço durante a perfuração. As análises geológicas incluem a estimativa de reserva inicial e a identificação de contato de fluido.

[0004] Atualmente, a caracterização de pressão de poro de formação é limitada para direcionar o contato de sonda de formação em um furo aberto ou através de teste de fluxo a partir de perfurações após um furo de poço ter sido revestido ou cimentado. Adicionalmente, a pressão de poro é medida diretamente através do teste de produção de poço com isolamento de obturador de furo aberto. Para perfilagem de pressão de poro com tempo de giro curto, os riscos de perda de montagem de sonda de linha de arame, a escassez de medições no furo aberto e os custos associados ao tempo de sondagem resultam em uma grande escassez de dados precisos de pressão de poro.

SUMÁRIO DA INVENÇÃO

[0005] Para alcançar os propósitos de modalidades da presente invenção, conforme incorporados e descritos amplamente no presente documento, o aparelho para medições de técnica de acustoelasticidade dinâmica em pressões subsuperficiais simuladas em uma amostra de rocha cilíndrica alongada porosa que tem uma superfície externa, uma primeira face, uma segunda face oposta, um comprimento não estressado, um eixo geométrico e um raio, aqui inclui: uma luva metálica fina que tem uma superfície externa para envolver a superfície externa da amostra de rocha e formar um invólucro impermeável a fluido no mesmo, em a primeira face e a segunda face da amostra de rocha permanecem descobertas; um vaso de pressão que define um volume para receber a amostra de rocha, em que o volume é preenchido com óleo, o vaso de pressão tem um primeiro flange e um segundo flange oposto separados por uma seção que tem um interior cilíndrico; uma primeira bomba para fornecer uma pressão ao óleo, através da qual uma força radial escolhida é aplicada à dita luva metálica; em que um primeiro plugue de distribuição de pressão tem uma primeira extremidade em contato físico com a segunda face da amostra de rocha, uma segunda extremidade oposta, e um canal através do primeiro plugue de distribuição entre a primeira extremidade e a segunda extremidade do mesmo; um primeiro pistão em contato com a segunda extremidade do primeiro plugue de distribuição de pressão, em que o primeiro pistão tem uma abertura vazada de canal no canal no primeiro plugue de distribuição; uma segunda bomba para mover o primeiro pistão contra a segunda extremidade do primeiro plugue de distribuição de pressão, através da qual um força axial selecionada é aplicada à segunda face da amostra de rocha; uma terceira bomba para aplicar uma pressão escolhida de fluido à segunda face da amostra de rocha através do canal no pistão e através do canal no primeiro plugue de distribuição de pressão; uma segundo plugue de distribuição de pressão que tem uma primeira extremidade em contato físico com a primeira face da amostra de rocha, uma segunda extremidade oposta, uma superfície exterior, e pelo menos um canal entre a primeira extremidade e a superfície exterior, para permitir que o fluido flua através da primeira face da dita amostra de rocha; uma mola de disco disposta entre a segunda extremidade do segundo plugue de distribuição de pressão e o primeiro flange para aplicar um força de restauração de contrapeso à força axial selecionada aplicada pela segunda bomba à segunda face da amostra de rocha; um atuador eletromecânico para introduzir excitação de baixa frequência e alta amplitude (HALF) na segunda extremidade do segundo plugue de distribuição de pressão, através do qual a excitação HALF axial que tem uma frequência escolhida e amplitude selecionada é introduzida na primeira face da amostra de rocha; um primeiro gerador de forma de onda para fornecer excitação elétrica para o atuador eletromecânico; um controle de pré-carga fixado ao primeiro flange para ajustar a pressão de pré-carga no atuador a partir da força axial selecionada; um transdutor linear de deslocamento variável disposto no primeiro flange para medir o deslocamento da segunda extremidade do segundo plugue de distribuição de pressão; pelo menos um transdutor de transmissão fixado à superfície externa da luva metálica fina para gerar pulsos de excitação radial de alta frequência e baixa amplitude (LAHF) na amostra de rocha; um gerador de forma de onda para fornecer excitação elétrica a pelo menos um transdutor de transmissão, através do qual os pulsos de excitação LAHF são gerados por pelo menos um transdutor de transmissão; pelo menos um transdutor de recebimento fixado à superfície externa da luva metálica fina no lado oposto da mesma a partir do pelo menos um transdutor de transmissão para receber a LAHF e gerar uma tensão a partir do mesmo; e um processador de sinal para receber a tensão de pelo menos um transdutor de recebimento.

[0006] Em um outro aspecto de modalidades da presente invenção e de acordo com seus propósitos, o método para medir as propriedades de acustoelasticidade dinâmica de uma amostra de rocha cilíndrica alongada porosa que tem uma superfície externa, uma primeira face, uma segunda face oposta, um comprimento não estressado, um eixo geométrico e um raio, em pressões subsuperficiais simuladas, aqui inclui: exercer uma pressão radial escolhida na superfície externa de um luva metálica fina que tem uma superfície externa para envolver a superfície externa da amostra de rocha e formar um invólucro impermeável ao fluido na mesma, em que a primeira face e a segunda face da amostra de rocha permanecem descobertas; exercer a força axial selecionada sobre a segunda face da amostra de rocha; aplicar uma pressão escolhida de fluido à segunda face da amostra de rocha; aplicar uma força de restauração de contrapeso à força axial selecionada à primeira face da amostra de rocha; introduzir a excitação de baixa frequência e alta amplitude (HALF) na primeira face da amostra de rocha; medir o deslocamento da primeira face da amostra de rocha; gerar pulsos de excitação radial de alta frequência e baixa amplitude (LAHF) na amostra de rocha; receber os pulsos de LAHF gerados na amostra de rocha e produzir uma tensão a partir dos mesmos; e receber a tensão produzida, através da qual as propriedades de acustoelasticidade dinâmica da amostra de rocha são determinadas.

[0007] Os benefícios e vantagens das modalidades da presente invenção incluem, mas não se limitam a, fornecer um aparelho e método para medir parâmetros não lineares em pressões de poro de fluido interno de amostra controlada e condições externas de estresse de confinamento, que serão fundamentais no desenvolvimento da capacidade de medição de técnica de acustoelasticidade dinâmica de ferramentas de fundo de poço para caracterização de pressão de poro de fluido de formação rochosa confiável em ambientes de furo aberto e revestidos sem contato de formação direto.

BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS

[0008] Os desenhos anexos, que são incorporados e foram uma parte do relatório descritivo, ilustram as modalidades da presente invenção e, em conjunto com a descrição, servem para explicar os princípios da invenção. Nos desenhos:

[0009] A Figura 1A é uma representação esquemática da vista lateral de uma modalidade do aparelho de pressão de poro controlada e de estresse de confinamento para medições elásticas e acústicas não lineares com o uso da técnica de acustoelasticidade dinâmica, enquanto a Figura 1B é uma vista de extremidade de uma amostra de núcleo encamisado com uma folha metálica fina envolvida em torno da circunferência cilíndrica do núcleo com a costura a ser vedada com uma solda.

[0010] A Figura 2A é uma representação esquemática de uma vista lateral expandida do lado direito do aparelho mostrado na Figura 1A do presente documento, enquanto a Figura 2B é uma representação esquemática de uma vista lateral expandida lado esquerdo do aparelho mostrado na Figura 1A no presente documento.

[0011] A Figura 3A é uma representação esquemática de uma vista de topo da mola de disco, enquanto a Figura 3B é uma representação esquemática de uma vista lateral da mesma.

[0012] A Figura 4 é uma representação esquemática de uma vista lateral expandida da localização da mola de disco e do plugue de distribuição flutuante no primeiro flange.

[0013] A Figura 5A mostra uma forma de onda de baixa frequência e alta amplitude típica da tensão axial induzida na amostra de núcleo pelo atuador eletromecânico, a Figura 5B ilustra medições repetidas de alterações de tempo de voo para pulsos de alta frequência e baixa amplitude gerados pelo transdutor de transmissão na amostra de núcleo e recebidos pelo transdutor de recebimento, e a Figura 5C é uma combinação das Figuras 5A e 5B, em que a alteração relativo de tempo de voo, Δt/t0, de alta frequência e baixa amplitude é plotada como uma função da tensão axial de baixa frequência e alta amplitude.

DESCRIÇÃO DETALHADA DA INVENÇÃO

[0014] As modalidades da presente invenção incluem um aparelho e método para realizar medições de elasticidade não linear (NL) com o uso da técnica de acustoelasticidade dinâmica (DAET) em condições subsuperficiais simuladas no laboratório. O estado da técnica atual para medir os parâmetros de elasticidade NL com o uso da DAET é limitado a condições de pressão ambiente na bancada. A presente invenção permite medições de parâmetro NL em condições controladas de pressões de poro de fluido interno de amostra e de estresse de confinamento externo, que serão fundamentais no desenvolvimento da capacidade de medição de DAET de ferramenta de fundo de poço para caracterização de pressão de poro de fluido de formação rochosa confiável em ambientes de furo aberto e revestidos sem contato de formação direto, conforme descrito no Pedido de Patente dos Estados Unidos n° 62/411.717 identificado acima. A pressão de poro resulta do fluido presente nos espaços de poro de uma amostra de rocha, enquanto o estresse de confinamento resulta de uma força aplicada através de um pistão ou um fluido sob pressão exercida sobre os limites ou superfícies exteriores do volume de rocha.

[0015] A técnica de DAET (Acustoelasticidade Dinâmica) para caracterização de parâmetro de elasticidade não linear perturba a região de medição de formação rochosa selecionada com uma onda acústica de Baixa Frequência e Alta Amplitude (HALF) (de compressão, por exemplo) que induz um campo de tensão que é sondado por uma onda acústica de Alta Frequência e Baixa Amplitude (LAHF). A alteração de onda induzida pela oscilação de campo de tensão de HALF é ligada aos parâmetros elásticos não lineares α, β e δ de acordo com a Eq. 4 do Pedido de Patente Provisório 62/411.717 como Δc(εp)/c0 = 1/2[αAp + β(εp) + δ(εp)2 + A(εp)], onde aAP é um interceptor de CC que depende da amplitude máxima da tensão de bomba, AP, β é o coeficiente de (εp), onde εp é a tensão instantânea, δ é o coeficiente de (εp)2, e A(εp) representa uma função relacionada ao componente histérico de Δc/c0.

[0016] A modulação do tempo de voo (TOF) do pulso de sonda (LAHF) pela tensão acústica imposta (HALF ou bomba) é medida. O período de sinal de bomba é suficientemente longo para permitir que muitos pulsos sejam enviados em diferentes tempos durante a excitação de bomba. Tipicamente, centenas ou milhares de ciclos da bomba de HALF são usados durante uma medição de DAET (~0,5 a 1 s nas frequências de kHz típicas usadas). O pulso de LAHF precisa ser suficientemente curto (ou seja, ter um centro suficientemente alto) para que os pulsos individuais possam ser resolvidos sem interferência um no outro. Adicionalmente, a LAHF deve propagar por uma distância suficientemente curta (relacionada ao comprimento de onda da bomba de HALF) de modo que a tensão possa ser considerada estável durante a propagação de pulso.

[0017] A referência será feita agora em detalhe no presente da invenção, cujos exemplos são ilustrados nos desenhos anexos. Nas Figuras, a estrutura similar será identificada com o uso de caracteres de referência idênticos. Será entendido que as Figuras são apresentadas com o propósito de descrever as modalidades particulares da invenção e não pretendem se limitar à invenção para isso. Voltando agora para a Figura 1A, uma representação esquemática de uma modalidade do aparelho controlado de pressão de poro e de estresse de confinamento, 10, para medições elásticas e acústicas não lineares com o uso da Técnica de Acustoelasticidade Dinâmica. O vaso de pressão triaxial de fluxo atravessante, 12, da presente invenção é mostrado. O vaso de pressão 12 é projetado para manter as amostras de núcleo poroso cilíndrico (amostras de pedra), 14, que tem 2,54 cm (1 pol.) de diâmetro, e até 60 cm (24 pol.) de comprimento, embora outros diâmetros e comprimentos possam ser acomodados com modificações de vaso de pressão 12. Conforme visto na Figura 1B, as amostras de núcleo 14 são encamisadas primeiramente com uma folha metálica fina, 16, envolvidas em torno da circunferência cilíndrica do núcleo 14 com a costura a ser vedada com solda, 18. Embora a folha de cobre tenha sido usada com êxito para esse propósito, outros metais podem ser usados também. As faces de núcleo circulares, 20 (segunda face ou face direita), e, 22 (primeira face ou face esquerda), são deixadas abertas para permitir que fluidos de poro entrem e saiam da amostra. Voltando agora para a Figura 1A, as luvas de borracha, 24, e, 26, são fixadas a cada extremidade do núcleo encamisado 14 para montagem no interior do aparelho. Os plugues de distribuição, 28, e, 30, dispostos em cada extremidade das luvas 24 e 26, respectivamente, acomodam injeção de fluido no interior e extração fora do núcleo por meio de tubos, 32, e 34, respectivamente, perfurados através de cada plugue. O vaso de pressão 12 inclui cilindro externo, 36, flanges de extremidade, 38 (segundo flange), e, 40 (primeiro flange), para fornecer suporte para os componentes e para fornecer volume vedado, 42, o que permite que o óleo hidráulico pressurizado circunde a circunferência do núcleo encamisado metálico 14 vedado.

[0018] A Figura 2A ilustra a pressão de confinamento radial estática que é aplicada ao volume 42 da câmara de pressão 12 com o uso da bomba de pressão, 44. O confinamento axial estático é aplicado separadamente por meio de um cilindro preenchido de óleo, 46, hidraulicamente fixado ao pistão de carga, 48, e vedado com o uso de anéis de vedação em O, 49, com o uso da bomba, 50. O pistão de carga 48 mantém uma pressão axial mecânica constante no plugue de distribuição 28. Esse estresse estático é acoplado mecanicamente a e através da amostra de núcleo 14 e no plugue de distribuição 30. As pressões radial e axial podem estar conectadas também em conjunto para alcançar condições de confinamento hidrostático. As bombas de óleo de pressão constante 44 e 50 são usadas para aplicar os estresses de confinamento à amostra 14. A pressão de confinamento máxima (axial e radial) que pode ser aplicada a uma amostra de núcleo é de 70 MPa (10.000 psi), mas, mais tipicamente, a pressão de confinamento está entre 2.068 KPa (300 psi) e 32.405 KPa (4700 psi). A pressão de poro no interior da amostra é entregue pela terceira bomba de fluido de pressão constante, 52, por meio da tubulação 32 fixada a uma porta de entrada no plugue de distribuição 28. As bombas 44, 50, e 52, são controladas pelo computador, 53.

[0019] Voltando agora à Figura 2B, permite-se que o plugue de distribuição 30 se mova (ou “flutue”) livremente na direção axial por meio de anéis de deslizamento, 54, e de anéis de vedação em O, 56, montados em torno da sua circunferência externa. Observa-se que as “linhas de fluido”, 34a, e, 34b, na Figura 2B compreendem furos perfurados através do plugue de distribuição flutuante 30. Essas linhas se conectam a canais anulares, 58, usinados no interior da circunferência externa do plugue de distribuição flutuante 30, e localizados entre as vedações de anel de vedação em O 56. Isso permite que fluidos de poro entrem e saiam da amostra e do aparelho livremente, independentemente da orientação circunferencial e do deslocamento lateral do plugue de distribuição flutuante 30. A capacidade do plugue de se mover lateralmente permite que forças dinâmicas externas e deslocamentos sejam aplicados diretamente à amostra de núcleo pelo impulso na sua extremidade externa, 62. Conforme declarado acima, a pressão de poro no interior do núcleo 14 é entregue por uma terceira bomba de fluido de pressão constante 52 ao plugue de distribuição 28. Um exemplo do fluido usado para pressão de poro é de 5 % em peso de KCl dissolvido em água deionizada, embora outras soluções possam ser usadas. Isso é usado para estabilizar as partículas de argila in situ presentes em muitas amostras de núcleo de formação porosa naturais de interesse. Assim como com o sistema de confinamento mecânico estático com base em óleo, as pressões de poro de até 70 MPa (10.000 psi) podem ser alcançadas.

[0020] Durante a operação do aparelho 10, a amostra de núcleo 14 é saturada primeiramente com o fluido de poro pelo puxamento do vácuo através do plugue de distribuição 28, com o plugue de distribuição flutuante 30 fixado a uma bureta graduada cheia de solução de salmoura de saturação (KCl). A bureta e as portas de plugue de distribuição flutuante 34a e 34b estão fechadas inicialmente durante a evacuação de amostra. Quando se alcança vácuo suficiente, o sistema a vácuo é fechado no plugue de distribuição 28 e a bureta é aberta no plugue de distribuição flutuante 30. A salmoura é puxada para o núcleo de amostra pelo vácuo e preenche o espaço de poro conectado. O volume de poro conectado da amostra é medido a partir da alteração de bureta no volume de fluido e é precisamente cerca de ± 1 ml. As portas de fluido 34a e 34b são fechadas pela duração da operação do aparelho 10. A pressão de poro desejada é entregue à amostra a partir da bomba de fluido 52 através do plugue de distribuição 28 conforme descrito acima. Nesse estágio, a amostra 14 está pronta para ser interrogada quanto às propriedades elásticas não lineares com o uso da Técnica de Acustoelasticidade Dinâmica (DAET).

[0021] As medições de DAE exigem numerosas medições e excitações eletromecânicas para interrogar a amostra 14. Essas envolvem diferentes tipos de fonte e dispositivos receptores conectados por fios ao equipamento eletrônico. Os dispositivos que são fixados à amostra se conectam a fios que saem do vaso de pressão através de alimentações elétricas de alta pressão, 63, localizadas no flange de alojamento 40 que circunda o plugue de distribuição flutuante 30. Os aferidores de tensão, 64, colados a ou, de outro modo, em contato físico com a camisa de cobre 16 em torno da amostra (Figura 1B) são usados para monitorar as tensões axial e radial estáticas que resultam da combinação de pressão de poro de fluido e de confinamento mecânico aplicada. Os aferidores de tensão são blocos com elementos condutores embutidos nos mesmos cuja resistência se altera à medida que os mesmos são estirados ou comprimidos. Os mesmos são fixados por fios ao amplificador/condicionador, 66, que converte a alteração de resistência em uma tensão que é proporcional à tensão da amostra de núcleo, e medida com o uso do processador de sinal, 68. Para cada combinação desejada de pressões estáticas aplicadas (radial, axial e de poro), a amostra é excitada mecanicamente por estresse dinâmico (variação de tempo) aplicado ao plugue de distribuição flutuante 30 na direção axial pelo atuador eletromecânico, 70. Os sinais de excitação típicos são ciclos sinusoidais múltiplos com frequências na faixa de 1 Hz a 1000 Hz. Isso pode ser chamado de tensão de excitação de “bomba” de baixa frequência e alta amplitude (HALF). O atuador eletromecânico 70 pode compreender um atuador magnetorrestritivo comercial acionado eletricamente por um gerador de função, 72, e pelo amplificador, 74. O atuador 70 tem a capacidade de gerar força dinâmica tão alta quanto ±900 N (200 lbf) pico a pico (P-P) com um deslocamento máximo de ±70 μm (0,003 pol.) P-P. Dependendo da rocha a ser estudada, tensões axiais dinâmicas tão altas quanto 10-4 podem ser aplicadas com esse sistema.

[0022] As medições de variações de estresse mecânico dinâmico axial aplicada podem ser obtidas com o uso de uma célula de carga eletromecânica pronta para uso, 76, colocada entre o atuador 70 e o plugue de distribuição flutuante 30. A célula de carga 76 produz uma tensão proporcional à força aplicada pelo atuador, e é medida com o uso de dispositivo de medição de tensão, 78, e processada pelo processador de sinal, 80. O deslocamento axial dinâmico da face de núcleo, 22, é medido com o uso de um Transdutor Linear de Deslocamento Variável (LVDT), 84, que mede o deslocamento da extremidade 62 do plugue de distribuição 30. O LVDT 84 produz uma tensão medida pelo dispositivo de medição de tensão, 86, e processada com o uso do processador de sinal, 88, que é proporcional à posição (deslocamento) de uma haste magnética inserida em uma bobina eletromagnética contida no alojamento de LVDT. A haste é fixada mecanicamente à face 62 do plugue de distribuição flutuante 30, que está em contato mecânico direto com a face de núcleo esquerda 22. Devido à face direita, 20, da amostra de núcleo 14 ser mantida em estresse de confinamento axial constante, o movimento axial do plugue de distribuição 30, conforme medido pelo LVDT 84, é uma medição direta da alteração dinâmica em comprimento da amostra de núcleo 14 causada pela excitação de HALF. A tensão axial dinâmica da amostra de volume (núcleo ou rocha) é obtida pela divisão do deslocamento axial pelo comprimento não estressado original da amostra de núcleo 14. A excitação de HALF é realizada em frequências suficientemente baixas (tipicamente entre 10 Hz e 1000 Hz) que a propagação de onda através de amostra de núcleo 14 não ocorre. A amostra de núcleo 14 se comporta como uma mola única em que a amostra inteira se comprime ou se expande dinamicamente como uma unidade de volume. Portanto, efeitos não lineares que resultam da excitação de HALF podem ser medidos em qualquer localização ao longo do comprimento da amostra de núcleo 14. Devido à amostra de núcleo 14 estar sempre sob compressão estática durante a operação do aparelho 10 devido à aplicação de estresse de confinamento estático, a compressão e “expansão” dinâmicas causadas pela excitação de HALF são relacionadas à compressão de fundo. Em outras palavras, “expansão” significa simplesmente “menos compressão”.

[0023] Para sondar os efeitos não lineares, as medições de tempo de voo através do diâmetro, 92, da amostra são feitas com o uso de transdutores piezoelétricos, 94, e 96, fixados a lados opostos da circunferência de núcleo (Figuras 1A e 1B). Os sinais de “sonda” de alta frequência e baixa amplitude (LAHF) são gerados pelo gerador de pulso, 98, e pelo amplificador, 100, fixados ao transdutor piezoelétrico de fonte 94. O pulso acústico de alta frequência transmitido excita o transdutor receptor 96, que converte a excitação em um sinal de tensão que é amplificado pelo amplificador, 102, e processado e gravado eletronicamente pelo processador de sinal, 104. As medições de LAHF são feitas numerosas vezes durante cada ciclo da excitação de HALF. As frequências típicas são 100 s de kHz (entre 200 kHz e 1,5 MHz), o que torna um pulso de LAHF uma onda acústica propagante. As variações de tempo de voo resultantes são correlacionadas com o histórico de tensão dinâmica da amostra que produz a caracterização de DAET para comportamento não linear por uma faixa ampla de configurações de pressão de poro e de confinamento estático.

[0024] Para permitir que a amostra de núcleo 14 responda a tensões axiais dinâmicas relativamente baixas geradas pelo atuador 70 sem ter superado primeiramente as cargas estáticas muito maiores aplicadas pelos estresses de confinamento radial e axial das bombas 44 e 50, o plugue de distribuição flutuante 30 é repousa sobre a mola de disco, 118, ou seja, disposto entre o plugue de distribuição flutuante 30 e o primeiro flange 40 conforme ilustrado nas Figuras 2A, 3A, 3B e 4. A mola 118 é uma mola comercialmente disponível mostrada em detalhe nas Figuras 3A e 3B. Várias alturas (H) e espessuras (T) estão disponíveis, dependendo da rigidez desejada (constante de mola). Uma representação esquemática de uma vista lateral expandida da mola de disco 118 e do plugue de distribuição 30 é mostrada na Figura 4. Quando uma força axial estática é aplicada a partir do pistão 48, a mesma é transmitida mecanicamente através do plugue de distribuição 28, da amostra de núcleo 14, do plugue de distribuição flutuante 30 e na mola de disco 118. Em resposta, a mola de disco 118 se comprime e aplica uma força de restauração de contrapeso igual e oposta à força axial aplicada. Assim, se uma força axial estática de 454 Kg (1000 libras) for aplicada ao sistema a partir do pistão 48, a mola de disco empurraria de volta com uma força de 454 Kg (1000 libras) sobre o plugue de distribuição 30 para neutralizar aquela força. Uma força adicional de 5 Kg (10 libras), por exemplo, poderia, então, ser aplicada à amostra de núcleo 14 pelo impulso contra o plugue de distribuição flutuante 30 com apenas uma força de 5 Kg (10 libras). Sem a mola de disco 118, isso exigiria uma força de 458 Kg (1010 libras) para alcançar o mesmo resultado. Portanto, a mola de disco 118, permite que as excitações de HALF sejam geradas pela fonte eletromecânica de baixa frequência relativamente fraca 70 por uma faixa ampla de pressões de confinamento muito altas.

[0025] Voltando-se à Figura 2B, um sistema de controle de pré-carga, 106, fixado ao primeiro flange 40 por hastes, 107, para ajustar a pressão de pré-carga no atuador 70 para assegurar que a amplitude de bomba de HALF dinâmica permaneça aproximadamente constante por toda a faixa de pressões de confinamento estático aplicadas, é mostrado. Sem esse controle de pré-carga, a amplitude de saída do atuador 70 diminuiria e “pararia” eventualmente à medida que o estresse de confinamento estático axial aumenta e a mola de disco 118 se comprime. Essa “parada” do atuador 70 é causada pelo sistema combinado composto de pistão de carga 48, de plugue de distribuição 30, de amostra de núcleo 14 e de plugue de distribuição flutuante 30 que se movem para a esquerda à medida que a pressão de confinamento axial é aumentada. A amplitude de HALF não constante, por sua vez, faria com que a resposta não linear medida fosse não confiável. Assim, o sistema de controle de pré-carga compensa automaticamente para as pressões de confinamento estático pela manutenção de uma pressão mecânica constante aplicada ao lado esquerdo do atuador 70. O sistema de pré-carga 106 inclui um pistão hidráulico comercialmente disponível, 108, acionado por bomba de óleo de pressão constante, 110, similar àquelas que entregam as pressões de confinamento axial e radial à amostra. O pistão 108 é fixado à placa de montagem, 112, e ambos são inseridos entre a porca de retenção de atuador, 114, e o atuador 70. A bomba de pressão constante 110 é definida para uma pré-carga desejada pelo computador 53, que é mantida para todas as pressões de poro e de confinamento estático durante as medições, e monitorada com o uso do pistão de carga 76.

[0026] Com a descrição geral das modalidades da presente invenção, o EXEMPLO a seguir fornece detalhes adicionais.

EXEMPLO

[0027] A Figura 5A mostra uma forma de onda de HALF típica da tensão axial induzida na amostra de núcleo 14 pelo atuador eletromecânico, 70. O sinal de HALF usado foi de 17 ciclos de uma onda seno de 125-Hz aplicada por aproximadamente 0,15 s. O eixo geométrico vertical é a tensão axial em unidades de microtensão conforme medida pelo LVDT 84 e o eixo geométrico horizontal é o tempo em segundos. Conforme descrito acima, a tensão positiva (compressão) e a tensão negativa (expansão) são relacionadas à tensão axial estática de fundo induzida pela pressão de confinamento. Essa tensão de fundo estática foi subtraída do sinal de tensão de HALF dinâmica na Figura 5A. Essa medição foi obtida por uma pressão de confinamento hidrostática aplicada (em que ambas as pressões radial e axial são idênticas) igual a 17.926 KPa (2600 psi) e uma pressão de poro aplicada igual a 2068 KPa (300 psi). A pressão de compensação de pré-carga foi de 1379 KPa (200 psi).

[0028] A Figura 5B ilustra medições repetidas de alterações de tempo de voo para pulsos de LAHF gerados pelo transdutor 94 na amostra de núcleo 14, e recebidos pelo transdutor 96. As medições são feitas antes, durante e após a excitação de HALF. Devido aos transdutores 94 e 96 serem bem sincronizados, o tempo de percurso desses pulsos entre os transdutores podem ser determinados precisamente. Os tempos de percurso para uma série de pulsos de alta frequência (1 MHz foi empregado) são medidos primeiramente com amostra de núcleo 14 que é dinamicamente inalterada, ou seja, em equilíbrio hidrostático tanto sob a pressão de poro quanto sob a pressão de confinamento que são aplicadas antes de a bomba de HALF ser ativada. Esse tempo de voo inalterado é o tempo de referência, t0. O atuador 70 é, então, ativado e medições do tempo de voo dos pulsos de LAHF são continuadas. Durante a excitação de bomba de HALF, o campo de tensão na amostra oscila dinamicamente entre -ε e +ε em relação à tensão de confinamento de fundo estático. Essa tensão dinâmica induz alterações de módulo elástico na amostra de núcleo devido a efeitos não lineares. As alterações de módulo, por sua vez, são manifestadas como alterações no tempo, t, o que leva um pulso de LAHF a percorrer a partir do transmissor 94 até o receptor 96. Essas alterações de tempo de voo são denotadas como Δt. A Figura 5B mostra que a alteração de tempo de voo em relação ao tempo de referência inalterado, Δt/t0, diminui rapidamente para um valor médio (estado estacionário) de aproximadamente 12x10-4 a 13x10-4 e, então oscila em torno do valor de estado estacionário em resposta a cada ciclo da excitação de HALF.

[0029] A Figura 5C é uma combinação das Figuras 5A e 5B, em que a alteração relativa de tempo de voo de LAHF, Δt/t0, é plotada como uma função da tensão axial de HALF. As informações contidas na Figura 5C são usadas para extrair os parâmetros não lineares da amostra de núcleo 14 conforme descrito acima. Essas medições podem ser repetidas para muitos conjuntos de configurações de pressão de poro e de pressão de confinamento, a fim de extrair os parâmetros não lineares com uma função dessas condições de pressão. Observa-que as medições de apenas 2 dos 17 ciclos de HALF na Figura 5A foram usadas para gerar a Figura 5C, e que o par de resultados tem valores próximos. Isso indica que as medições são repetíveis a partir de um ciclo para o próximo após o estado estacionário ser alcançado na Figura 5B.

[0030] A descrição supracitada da invenção foi apresentada com propósitos de ilustração e descrição e não pretende ser aprofundada ou limitar à invenção à forma precisa revelada, e obviamente muitas modificações e variações são possíveis à luz do ensinamento acima. As modalidades foram escolhidas e descritas a fim de explicar melhor os princípios da invenção e sua aplicação prática para, desse modo, possibilitar que outros versados na técnica utilizem melhor a invenção em várias modalidades e com várias modificações à medida que são adequadas para o uso particular comtemplado. Pretende-se que o escopo seja definido pelas reivindicações anexas à mesma.

Claims

1. Aparelho para medições de técnica de acustoelasticidade dinâmica em pressões subsuperficiais simuladas em uma amostra de rocha cilíndrica porosa tendo um eixo geométrico, uma superfície externa formada em um raio a partir do eixo geométrico, uma primeira face em uma extremidade, uma segunda face em uma extremidade oposta da primeira face, e um comprimento não estressado, em que o aparelho é caracterizado pelo fato de que compreende: uma luva de folha metálica configurada para envolver a superfície externa da dita amostra de rocha e formar um invólucro impermeável ao fluido sobre o mesmo, em que a luva de folha metálica é aberta em extremidades opostas para deixar a primeira face e a segunda face da dita amostra de rocha descobertas quando a luva de folha metálica envolve a superfície externa da amostra de rocha; um vaso de pressão que define um volume para receber a dita amostra de rocha no mesmo e para ser preenchido com óleo, em que o dito vaso de pressão tem um primeiro flange em uma extremidade e um segundo flange em uma extremidade oposta do primeiro flange separados por uma seção com um interior cilíndrico ou alongado; uma primeira bomba para prover uma pressão ao óleo para aplicar uma força radial escolhida à luva de folha metálica; um primeiro plugue de distribuição de pressão que tem uma primeira extremidade, uma segunda extremidade oposta à primeira extremidade e um canal através do primeiro plugue de distribuição entre a primeira extremidade e a segunda extremidade do mesmo, a primeira extremidade configurada para entrar em contato físico com a segunda face da amostra de rocha; um primeiro pistão acoplado ao primeiro plugue de distribuição de pressão e manter uma pressão axial mecânica constante no primeiro plugue de distribuição de pressão, em que o primeiro pistão tem um canal vazado aberto para o canal no primeiro plugue de distribuição quando o primeiro pistão está em contato ao primeiro plugue de distribuição; uma segunda bomba para mover o primeiro pistão contra à segunda extremidade do dito primeiro plugue de distribuição de pressão, através da qual uma força axial selecionada é aplicada à segunda face da dita amostra de rocha, em que a primeira bomba e a segunda bomba são usadas para aplicar tensões de confinamento estáticas à dita amostra de rocha; uma terceira bomba para aplicar uma pressão escolhida de fluido para a segunda face da dita amostra de rocha através do canal no dito primeiro plugue de distribuição de pressão; um segundo plugue de distribuição de pressão que tem uma primeira extremidade, uma segunda extremidade oposta à primeira extremidade, uma superfície externa, e um canal através do segundo plugue de distribuição de pressão entre a primeira extremidade e a superfície externa da mesma, a primeira extremidade configurada para estar em contato físico com a primeira face da dita amostra de rocha, o canal do segundo plugue de distribuição de pressão para permitir que o fluido flua através da primeira face da dita amostra de rocha, independentemente da orientação circunferencial e deslocamento lateral do dito segundo plugue de distribuição de pressão; uma mola de disco disposta entre a segunda extremidade do dito segundo plugue de distribuição de pressão e o dito primeiro flange, em que a dita mola de disco é configurada para aplicar uma força de restauração de contrapeso à força axial selecionada aplicada pela dita segunda bomba à segunda face da dita amostra de rocha; um atuador eletromecânico configurado para introduzir excitação de baixa frequência e alta amplitude (HALF) na segunda extremidade do dito segundo plugue de distribuição de pressão, através do qual a excitação HALF axial que tem uma frequência escolhida e amplitude selecionada é introduzida na primeira face da dita amostra de rocha; um primeiro gerador de forma de onda para fornecer excitação elétrica para o dito atuador eletromecânico; um controle de pré-carga fixado ao dito primeiro flange para ajustar a pressão de pré-carga no dito atuador eletromecânico a partir da força axial selecionada; um transdutor linear de deslocamento variável disposto no dito primeiro flange para medir deslocamento axial dinâmico da primeira face da dita amostra de rocha com base no deslocamento da segunda extremidade do dito segundo plugue de distribuição de pressão; pelo menos um transdutor de transmissão ligado a uma superfície externa da luva de folha metálica, em que o pelo menos um transdutor de transmissão é configurado para gerar pulsos de excitação radial de alta frequência e baixa amplitude (LAHF) na dita amostra de rocha; um gerador de forma de onda para fornecer excitação elétrica ao dito pelo menos um transdutor de transmissão, através do qual os pulsos de excitação LAHF são gerados pelo dito pelo menos um transdutor de transmissão; pelo menos um transdutor de recebimento ligado a superfície externa da luva de folha metálica no lado oposto do mesmo do pelo menos um transdutor de transmissão e configurado para receber o LAHF e gerar uma tensão a partir da LAHF recebida; e um processador de sinal configurado para receber a tensão do dito pelo menos um transdutor de recebimento para realizar a medição LAHF.

2. Aparelho, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato que compreende adicionalmente uma célula de carga disposta entre o dito atuador eletromecânico e o dito segundo plugue de distribuição de pressão para medir o estresse mecânico imposto na dita amostra de rocha pelo dito atuador eletromecânico.

3. Aparelho, de acordo com a reivindicação 2, caracterizado pelo fato de que o dito atuador eletromecânico compreende um atuador magnetorrestritivo.

4. Aparelho, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o fluido compreende uma solução de KCl a 5 % em água.

5. Aparelho, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o dito processador de sinal computa o tempo de voo dos pulsos de excitação de alta frequência e baixa amplitude na dita amostra de rocha.

6. Aparelho, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a dita amostra de rocha é mantida sob compressão estática durante as medições de técnica de acustoelasticidade dinâmica.

7. Aparelho, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a segunda face da dita amostra de rocha é mantida em uma força axial constante durante as medições de técnica de acustoelasticidade dinâmica.

8. Aparelho, de acordo com a reivindicação 7, caracterizado pelo fato de que o deslocamento da segunda extremidade do dito segundo plugue de distribuição de pressão medido pelo dito transdutor linear de deslocamento variável é igual ao deslocamento da primeira face da dita amostra de rocha em contato com o mesmo e a tensão axial dinâmica da dita amostra de rocha é obtida a partir da razão do deslocamento da primeira face da amostra de rocha para o comprimento não estressado da dita amostra de rocha.

9. Aparelho, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a força axial aplicada à segunda face da dita amostra de rocha e a força radial aplicada à luva de folha metálica são iguais.

10. Método para medir propriedades de acustoelasticidade dinâmica em pressões de superfícies simuladas de uma amostra de rocha porosa cilíndrica tendo um eixo geométrico, uma superfície externa formada em um raio a partir do eixo geométrico, uma primeira face em uma extremidade, uma segunda face em uma extremidade oposta à primeira face, e um comprimento não estressado, em que o método é caracterizado pelo fato de que compreende: envolver a superfície externa da amostra de rocha com uma luva de folha metálica para formar um invólucro impermeável a fluido sobre o mesmo, em que a primeira face e a segunda face da dita amostra de rocha permanecem descobertas; colocar a dita amostra de rocha em um vaso de pressão, o dito vaso de pressão definindo um volume para receber a dita amostra de rocha e para ser preenchido com óleo, o dito vaso de pressão tendo um primeiro flange em uma extremidade e um segundo flange em uma extremidade oposta ao primeiro flange separado por uma seção tendo um interior cilíndrico ou alongado, em que: um primeiro plugue de distribuição de pressão tendo uma primeira extremidade, uma segunda extremidade oposta à primeira extremidade e um canal através do dito primeiro plugue de distribuição de pressão entre a primeira extremidade e a segunda extremidade do mesmo contata fisicamente a segunda face da dita amostra de rocha; e um segundo plugue de distribuição de pressão tendo uma primeira extremidade, uma segunda extremidade oposta à primeira extremidade, uma superfície externa e um canal através do dito segundo plugue de distribuição de pressão entre a primeira extremidade e a superfície externa do mesmo contata fisicamente a primeira face da dita amostra de rocha, o canal do segundo plugue de distribuição de pressão permitindo que o fluido flua através da primeira face da dita amostra de rocha independentemente da orientação circunferencial e deslocamento lateral do dito segundo plugue de distribuição de pressão; exercer uma pressão radial escolhida sobre a luva de folha metálica usando uma primeira bomba para fornecer uma pressão ao óleo; exercer uma força axial selecionada sobre a segunda face da dita amostra de rocha usando uma segunda bomba para mover um primeiro pistão contra a segunda extremidade do dito primeiro plugue de distribuição de pressão, o dito primeiro pistão entrando em contato com o dito primeiro plugue de distribuição de pressão e mantendo uma pressão de eixo mecânico constante no dito primeiro plugue de distribuição de pressão, o dito primeiro pistão tendo um canal abertura através do mesmo para o canal no dito primeiro plugue de distribuição quando o primeiro pistão está em contato com o dito primeiro plugue de distribuição de pressão, em que a primeira bomba e a segunda bomba são usadas para aplicar tensões de confinamento estático à dita amostra de rocha; aplicar uma pressão escolhida de fluido à segunda face da dita amostra de rocha através do canal no dito pistão e através do canal no dito primeiro plugue de distribuição de pressão usando uma terceira bomba; aplicar uma força de restauração de contrapeso à força axial selecionada à primeira face da dita amostra de rocha usando uma mola de disco disposta entre a segunda extremidade do dito segundo plugue de distribuição de pressão e o dito primeiro flange; introduzir uma excitação de baixa frequência e alta amplitude (HALF) na primeira face da dita amostra de rocha usando um atuador eletromecânico para introduzir a excitação (HALF) na segunda extremidade do dito segundo plugue de distribuição de pressão; medir o deslocamento da primeira face da dita amostra de rocha usando um transdutor de deslocamento variável linear disposto no dito primeiro flange que mede o deslocamento da segunda extremidade do dito segundo plugue de distribuição de pressão; gerar pulsos de excitação radial de alta frequência e baixa amplitude (LAHF) na dita amostra de rocha usando pelo menos um transdutor de transmissão fixado a uma superfície externa da dita luva de folha metálica; receber os pulsos de LAHF gerados na dita amostra de rocha e produzir uma tensão a partir dos mesmos usando pelo menos um transdutor de recepção fixado à superfície externa da dita luva de folha metálica no lado oposto da mesma do dito pelo menos um transdutor de transmissão; e receber, em um processador de sinal, a tensão gerada para executar a medição de LAHF, através da qual as propriedades de acustoelasticidade dinâmica da dita amostra de rocha são determinadas.

11. Método, de acordo com a reivindicação 10, caracterizado pelo fato de que o fluido compreende uma solução de KCl a 5 % em água.

12. Método, de acordo com a reivindicação 10, caracterizado pelo fato de que o tempo de voo dos pulsos de excitação de alta frequência e baixa amplitude na dita amostra de rocha é medido.

13. Método, de acordo com a reivindicação 10, caracterizado pelo fato de que a dita amostra de rocha é mantida sob compressão estática durante as medições de técnica de acustoelasticidade dinâmica.

14. Método, de acordo com a reivindicação 10, caracterizado pelo fato d e que a segunda face da dita amostra de rocha é mantida em uma força axial constante durante as medições de técnica de acustoelasticidade dinâmica.

15. Método, de acordo com a reivindicação 14, caracterizado pelo fato de que a tensão axial dinâmica da dita amostra de rocha é obtida a partir da razão do deslocamento da primeira face da amostra de rocha para o comprimento não estressado da dita amostra de rocha.

16. Método, de acordo com a reivindicação 10, caracterizado pelo fato de que a força axial aplicada à segunda face da dita amostra de rocha e a força radial aplicada à luva de folha metálica são iguais.

17. Método, de acordo com a reivindicação 10, caracterizado pelo fato de que a luva de folha metálica compreende cobre.

18. Método, de acordo com a reivindicação 10, caracterizado pelo fato de que os pulsos de excitação de alta frequência e baixa amplitude compreendem sinais sinusoidais que têm frequências entre 200 kHz e 1,5 MHz.

19. Método, de acordo com a reivindicação 10, caracterizado pelo fato de que a excitação de baixa frequência e alta amplitude compreende sinais sinusoidais que têm frequências entre 1 Hz a 1000 Hz.

20. Método, de acordo com a reivindicação 10, caracterizado pelo fato de que as pressões escolhidas de fluido até 70 MPa (10.000 psi) são aplicadas.

21. Método, de acordo com a reivindicação 10, caracterizado pelo fato de que as pressões axial e radial até 70 MPa (10.000 psi) são aplicadas.