DE102004063219A1

DE102004063219A1 - Schallwandler zur Verwendung an einem Rohrteil und Verfahren zum Anbringen eines Schallwandlers an einem Rohrteil

Info

Publication number: DE102004063219A1
Application number: DE102004063219A
Authority: DE
Inventors: Fernando Sugar Land Garcia-Osuna; Jean Pierre Richmond Masson
Original assignee: Schlumberger Technology BV
Current assignee: Schlumberger Technology BV
Priority date: 2004-01-08
Filing date: 2004-12-29
Publication date: 2005-08-04
Also published as: US7460435B2; MXPA05000316A; JP2005210738A; NO338174B1; CA2491558C; FR2866775A1; NO20045647L; CA2491558A1; JP4879494B2; NO20045647D0; US20050152219A1; FR2866775B1; GB2410331B; JP2012016059A; GB0500135D0; GB2410331A

Abstract

Schallwandler zur Verwendung an einem Rohrteil (13) mit einem gewölbten Element (35) und mehreren Schallwandlerelementen (30), die am gewölbten Element (35) unter Bildung von Reihen angeordnet sind, wobei das gewölbte Element (35) zum Zuführen einer Spannung an die Schallwandlerelemente (30) mit Leitern (37) versehen ist, wobei das gewölbte Element (35) und die Schallwandlerelemente (30) mit einem Dichtmaterial (40) bedeckt sind und wobei das bedeckte Element (35) keine Flüssigkeiten umfaßt.

Description

Die Erfindung betrifft einen Schallwandler zur Verwendung an einem Rohrteil und ein Verfahren zum Anbringen eines Schallwandlers an einem Rohrteil nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bzw. 21.
In der Öl- und Gasindustrie werden unterirdische Formationen üblicherweise durch Instrumente zur Datenerfassung im Bohrloch sondiert, um die Eigenschaften der Formationen zu bestimmen. Unter diesen liestrumenten liefern Schallwerkzeuge wertvolle Informationen betreffend die unterirdischen akustischen Eigenschaften, die verwendbar sind, um Bilder zu erzeugen oder verwandte Eigenschaften für die Formationen abzuleiten.
Akustische Wellen sind periodisch schwingende Störungen, die aus akustischer Energie stammen, die sich durch ein Medium, beispielsweise eine unterirdischen Formation, ausbreitet. Akustische Wellen werden üblicherweise durch ihre Frequenz, Amplitude und Ausbreitungsgeschwindigkeit gekennzeichnet. Die für Formationen interessierenden akustischen Eigenschaften können die Druckwellengeschwindigkeit, die Scherwellengeschwindigkeit, Bohrlochmoden und die Formationsträgheit umfassen. Zudem können akustische Bilder verwendet werden, um Zustände einer Bohrlochwand und anderer geologischer Eigenschaften entfernt von der Bohrlochwand darzustellen. Diese akustischen Messungen finden Anwendungen in seismischen Korrelationen, in der Petrophysik, bei der Gesteinsmechanik und auf anderen Gebieten.
Aufnahmen akustischer Eigenschaften als Funktion der Tiefe sind als akustische Logs bekannt. Aus akustischen Logs erhaltene Informationen sind in einer Vielzahl von Anwendungen verwendbar, beispielsweise bei der Bohrloch-Bohrloch-Korrelation von Daten, bei einer Bestimmung der Porosität, einer Bestimmung mechanischer oder elastischer Gesteinsparameter, um Hinweise in bezug auf die Lithologie zu erhalten, bei der Erfassung von Formationszonen mit Überdruck, bei der Umsetzung seismischer Zeitmarken in Tiefenmarken basierend auf der gemessenen Schallgeschwindigkeit in der Formation und dergleichen.
Das Aufnehmen akustischer Logs von Formationen, das hier auch als Schall-Logging oder -Datenerfassung bezeichnet wird, umfaßt das Absenken eines akustischen Logging-Instruments in ein Bohrloch, das die Formation durchquert. Das Logging-Instrument umfaßt üblicherweise wenigstens eine Schallquelle, d.h. einen Sender, zum Aussenden von Schallenergie in unterirdische Formationen und wenigstens einen Schallsensor, d.h. einen Empfänger, zum Empfangen von Schallenergie. Der Sender wird periodisch betätigt, um Impulse von Schallenergie in das Bohrloch auszusenden, die sich durch das Bohrloch und in die Formation ausbreiten. Nachdem sie sich durch das Bohrloch und die Formation ausgebreitet hat, gelangt ein Teil der Schallenergie an die Empfänger, wo sie erfaßt wird. Verschiedene Attribute der erfaßten Schallenergie werden anschließend mit Eigenschaften der interessierenden unterirdischen Formation oder des Instruments oder eines Werkzeugs in Bezug gebracht.

Das in 1 dargestellte übliche Schallwerkzeug 10 ist in einem Bohrloch 12 angeordnet, das eine Formation 20 durchquert. Das Bohrloch 12 ist üblicher weise mit einer Bohrflüssigkeit 14, beispielsweise Bohrschlamm, gefüllt, die während des Bohrens des Bohrlochs verwendet wird. Das Schallwerkzeug 10 ist üblicherweise in einem rohrtörmigen Träger, der hier als Rohrteil 13 bezeichnet wird, ausgeführt. Das Rohrteil 13 kann eine Schwerstange sein und umfaßt in diesem Fall einen inneren Durchgang 13A, damit die Bohrflüssigkeit 14 einen Schlammotor und/oder eine Bohrkrone am Boden eines nicht dargestellten Bohrstrangs auf bekannte Weise erreichen kann. Das Schallwerkzeug 10 umfaßt wenigstens eine Schallquelle 16 und mehrere Schallempfänger 18, die am Rohrteil 13 angeordnet sind. Die Schallempfänger 18 sind entlang der Längsachse des Schallwerkzeugs 10 um einen Abstand h voneinander beabstandet. Der der Schallquelle 16 nächste Schallempfänger 18 ist davon axial um einen Abstand a beabstandet. Das Schallwerkzeug 10 umfaßt ferner wenigstens ein konventionelles Computermodul 21 mit Mikroprozessoren, Speicher und Software, um auf bekannte Weise Wellenformsignaldaten zu verarbeiten. Das wenigstens eine Computermodul 21 kann im Schallwerkzeug 10, an der Erdoberfläche oder wie in 1 dargestellt zwischen beiden angeordnet sein. In 1 dargestellt sind ferner Schallwellen 22, die sich im Bohrloch ausbreiten. Übliche Schallwerkzeuge zur Verwendung in einem Bohrloch sind in US 5 852 587 , US 4 543 648 , US 5 510 582 , US 4 594 691 , US 5 594 706 , US 6 082 484 , US 6 631 327 , US 6 474 439 , US 6 494 288 , US 5 796 677 , US 5 309 404 , US 5 521 882 , US 5 753 812 , US RE34 975 und US 6 466 513 beschrieben.

Übliche Schallwerkzeuge sind mit Schallwandlern wie etwa piezoelektrischen Elementen ausgestattet. Im allgemeinen setzt ein Schallwandler Energie zwischen der elektrischen und der akustischen Form um und kann so ausgestaltet sein, daß er als Quelle oder als Sensor wirkt. Schallwandler sind üblicherweise wie in 1 dargestellt am Rohrteil eines Logging-Instruments montiert. Übliche Schallquellen und Schallsensoren, die in Rohrteilen für Bohrlöcher verwendet werden, sind in US 6 466 513 , US 5 852 587 , US 5 886 303 , US 5 796 677 , US 5 469 736 und US 6 084 826 beschrieben. Übliche Schallwerkzeuge vom Typ Datenerfassen-Beim-Bohren (Logging-while-drilling, LWD) weisen omnidirektionale Sender auf, d.h. Monopolquellen, vgl. US 5 796 677 und US 5 852 262 .

Übliche drahtleitungsbasierte Schallwerkzeuge verwenden jedoch unabhängige Schallquellen, um die Schallmoden des Bohrlochs anzuregen, vgl. beispielsweise US 5 852 587 , US 6 102 152 und US 6 474 439 . In großen Bohrlöchern und unter Bedingungen langsamer Gesteinsformationen kann es schwierig sein, mit Schallwerkzeugen, die reine Monopole verwenden, Scherwellenmessungen durchzuführen. Unter diesen Bedingungen ist es erforderlich, verschiedene Arten von Logging-Instrumenten zu verwenden, die Schallquellen umfassen, die gleichzeitig oder unabhängig die Schallmoden des Bohrlochs anregen. US 6 614 360 und US 6 084 826 beschreiben Rohrteile zur Verwendung in einem Bohrloch, die mit Schallwandlern versehen sind. Ein Nachteil dieser bekannten Schallwandler besteht in der Verwendung einer Ölkompensation in der Anordnung, die die Konstruktion kompliziert gestaltet und die Zuverlässigkeit nachteilig beeinflußt.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Schallwandler zur Verwendung an einem Rohrteil und ein Verfahren zum Anbringen eines Schallwandlers an einem Rohrteil nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bzw. 21 zu schaffen, die insbesondere für Anwendungen mit in unterirdischen Formationen einzubringenden Rohrteilen verbessert sind.

Diese Aufgabe wird entsprechend den Merkmalen der Ansprüche 1 bzw. 21 gelöst.

Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind der nachfolgenden Beschreibung und den Unteransprüchen zu entnehmen.

Die Erfindung wird nachstehend unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren näher beschrieben.
1 zeigt schematisch ein bekanntes Schallwerkzeug zur Verwindung in einem Bohrloch.
2A zeigt schematisch einen üblichen Schallwandler.
2B zeigt schematisch einen üblichen Schallwandler vom 1–3-Piezokomposit-Typ.
3A zeigt schematisch einen Schallwandler, der erfindungsgemäß mit Material mit schwerer Masse belastet ist.
3B zeigt schematisch einen Schallwandler vom 1–3-Piezokomposit-Typ, der erfindungsgemäß mit Material mit schwerer Masse belastet ist.
4 ist eine 2-D-Projektion eines gewölbten Elements, das erfindungsgemäß mit einem Schallwandler versehen ist.
5 ist ein Schnitt durch einen gewölbten Schallwandler gemäß der Erfindung.
6 zeigt schematisch zwei gewölbte Schallwandler gemäß der Erfindung.
7 zeigt schematisch zwei gewölbte Schallwandler, die erfindungsgemäß an einem Rohrteil montiert sind.
8 ist ein Schnitt durch die am Rohrteil angeordneten Schallwandler der 7.
9 ist eine Draufsicht auf vier gewölbte Elemente, die Quadranten einer zylindrischen Drehfläche an einem Rohrteil gemäß der Erfindung bilden.
10 ist eine 2-D-Projektion eines gewölbten Elements, das mit elektrisch isolierten Sätzen von Schallwandlern gemäß der Erfindung versehen ist.
11 zeigt schematisch zwei gewölbte Elemente, die den in 10 gezeigten ähnlich sind.
12 ist eine 2-D-Projektion eines gewölbten Elements, das mit elektrisch isolierten Sätzen von Schallwandlern versehen ist, die für eine Phasen-Feld-Anregung/einen Phasen-Feld-Signal-Empfang gemäß der Erfindung angeordnet sind.
13 ist eine Draufsicht auf ein metallisches, gewölbtes Element gemäß der Erfindung.
14 zeigt schematisch ein Elektronikmodul für einen Schallwandler sowie Multiplexermodule gemäß der Erfindung.
15 zeigt schematisch abgeschirmte gewölbte Schallwandler, die gemäß der Erfindung an einem Rohrteil montiert sind.
16 ist eine Draufsicht auf einen gewölbten Schallwandler mit mehreren Elementen, der erfindungsgemäß an einem Rohrteil mit angepaßten Abschirmungen angeordnet ist.
17 zeigt schematisch ein Rohrteil, das mit gewölbten Schallwandlern und schützenden Abschirmungen gemäß der Erfindung versehen ist.
18 zeigt schematisch eine Bohrlocheinrichtung mit einem gewölbten Schallwandler gemäß der Erfindung.
Die erfindungsgemäßen Schallwandler können in mehreren Konfigurationen implementiert werden und verschiedene Durchmesser aufweisen, um in jedes Rohrteil zu passen. Ausführungsformen der Erfindung ermöglichen es, die Schallmoden des Bohrlochs unter Verwendung einer einzigen Schallwandlereinheit über einen breiten Frequenzbereich mit verbesserter Reinheit der Modenanregung anzuregen. Das Design des Schallwandlers basiert dabei auf Elementen, die in einer halbkreisförmigen oder gewölbten Konfiguration ausgeführt sind.
2A zeigt ein erfindungsgemäßes Schallwandlerelement 30. Das dargestellte Schallwandlerelement 30 kann ein ein- oder mehrschichtiges (gestapeltes) Schallwandlerelement sein, um die Schallabstrahlung und den Schallausgangsdruckpegel zu verbessern. Geeignete Schallwandlerelemente 30 sind beispielsweise piezoelektronische Vorrichtungen, PT-Vorrichtungen (Blei-Titan), PZT-Vorrichtungen (Blei-Zirkonat-Titan), Vorrichtungen vom 1–3-Piezokomposit-Typ und/oder andere geeignete Materialien. Das Schallwandlerelement 30 ist vorzugsweise im Dickenmodus polarisiert. Wenn eine positive Spannung an eine ebene Oberfläche des Schallwandlerelements 30 und eine negative Spannung an die entgegengesetzte ebene Oberfläche angelegt werden, entspannt sich das Schallwandlerelement 30 und zieht sich zusammen, wobei Schallenergie ausgesendet wird. 2B zeigt ein typisches Schallwandlerelement 30 vom 1–3-Piezokomposit-Typ gemäß der Erfindung.
3A zeigt eine Ausführungsform eines einzelnen rechteckigen piezoelektrischen Schallwandlerelements 30, das an einer Seite mit einem Material 32 schwerer Masse belastet ist. Durch Anordnen des Materials 32 an der Rückseite des Schallwandlerelements 30 ergibt sich eine verbesserte Richtgenauigkeit für Schall und eine verbesserte Schallabstrahlung in eine gewünschte Richtung, wenn das Schallwandlerelement 30 als Schallquelle implementiert ist. 3B zeigt eine Ausführungsform eines einzelnen rechteckigen Schallwandlerelements 30 vom 1-3-Piezokomposit-Typ, das an einer Seite mit einem Material 32 schwerer Masse belastet ist.
4 zeigt mehrere einzelne Schallwandlerelemente 30, die an einem gewölbten Element 35 angeordnet sind. Obgleich das gewölbte Element 35 zum Zwecke der Illustration als projizierte zweidimensionale oder ebene Fläche dargestellt ist, ist es gewölbt, da es im Querschnitt eine Wölbung aufweist. Mit dem Begriff "gewölbtes Element" ist hier beispielsweise auch ein Sektor, ein Quadrant oder eine halbkreisförmige Oberfläche eines Umfangs, ein Halbzylinder, ein gewölbter Viertelsektor oder dergleichen bezeichnet. Der Begriff "gewölbtes Element" kann ferner eine beliebige Anzahl gewölbter Abschnitte umfassen, die einen Halbzylinder umfassen oder bilden, wenn sie aneinandergesetzt sind. Das gewölbte Element 35 ist aus einem nichtleitenden Material gebildet. Geeignete Materialien sind beispielsweise Glasfaser, Gummikomponenten, synthetische Harze, PEEK^TM und/oder beliebige andere geeignete nichtleitende Materialien.
5 zeigt eine Querschnittsansicht vom seitlichen Ende eines erfindungsgemäßen Schallwandlers. Die Schallwandlerelemente 30 sind im nichtleitenden Material, das das gewölbte Element 35 bildet, eingekapselt oder eingegossen. Das gewölbte Element 35 kann unter Verwendung verschiedener Herstellungstechniken gebildet sein. Beispielsweise umfaßt eine Technik das Ausbilden von Hohlräumen oder Öffnungen im gewölbten Element 35, um die Schallwandlerelemente 30 aufzunehmen, und das Einkapseln der aufgenommenen Schallwandlerelemente 30 mit zusätzlichem Material, um die Anordnung zu vervollständigen. Eine andere Technik umfaßt das Gießen des gewölbten Elements 35 um die Schallwandlerelemente 30 und Leiter 37. Die hier illustrierten Ausführungsformen sind aus Gründen der einfachen Darstellbarkeit im allgemeinen nicht maßstabsgetreu oder mit genauen Abmessungen dargestellt. Beispielsweise können die Materialwände, die das gewölbte Element 35 bilden, in jeder beliebigen Dicke gebildet sein, wobei jedoch dünnere Wände bevorzugt sind, da sie zu einer verbesserten Ausbreitung der Schallenergie führen.
Elektrische Leiter 37 sind in den gewölbten Elementen 35 in Kontakt mit den Oberflächen der Schallwandlerelemente 30 angeordnet, um die Spannungen und Signale zu bzw. von den Elementen wie nachstehend beschrieben zu leiten. Die Leiter 37 erstrecken sich aus den Enden der gewölbten Elemente 35 heraus und enden in freigelegten Leitungen 39. Hierzu kann ein beliebiger Leiter verwendet werden. In einigen Ausführungsformen können Leiter 37 verwendet werden, die ein leitfähiges Material aufweisen, das eine Reihe von Faser- oder Drahtleitern umfassen, die eine Gitterschicht bilden, die über den Schallwandlerelementen 30 angeordnet ist. Leitfähige Materialien, die zum Bilden von Schichten oder Filmen konfiguriert sind, die zum Implementieren der gitterförmigen Leiter 37 geeignet sind, sind auf dem Markt erhältlich. Beispielsweise eignet sich das MARIAN^TM-Produkt, das im Internet unter http://www.marianinc.com erhältlich ist. Einige Ausführungsformen können mit Leitern 37 implementiert sein, die durch chemische Ablagerungsverfahren, Maskierverfahren oder andere Schichtverfahren gebildet sind. Weitere Ausführungsformen der Erfindung können mit Leitern ausgeführt sein, die als ein Streifen ausgebildet sind, der auch als flexibler Schaltkreis bezeichnet wird, vgl. z.B. US 6 351 127 , US 6 690 170 , US 6 667 620 und US 6 380 744 . Ausführungsformen vom Typ mit flexiblem Schaltkreis können mit einem geeigneten Material, beispielsweise Polyimidfilm, Substraten mit dielektrischem Film, Polyesterfilm, gebildet sein, der mit elektrisch-leitfähigen Materialen oder Substanzen imprägniert ist. Techniken zum Herstellen von Streifen zum Bilden biegsamer Filme sind in US 6 208 031 beschrieben.
Die für den Einsatz unter der Erdoberfläche bestimmten Ausführungsformen mit gewölbten Elementen müssen in der Lage sein, den widrigen Bedingungen, die in einem Bohrloch vorherrschen, zu widerstehen. Die gewölbten Elemente 35 können zusammen mit den darin untergebrachten Schallwandlerelementen 30 durch Vergießen oder durch Abdecken der Anordnungen mit einem Dichtmaterial 40, das eine schützende, schalldurchlässige Schutzschicht bildet, geschützt sein. Geeignete Dichtmaterialien umfassen Gummikomponenten oder andere geeignete Harze oder Komponenten. Die gewölbten Elemente 35 können ferner so ausgebildet sein, daß sie die einzelnen Schallwandlerelemente 30 vollständig einkapseln. In Ausführungsformen, bei denen Abstände oder Lücken zwischen den Schallwandlerelementen 30 gelassen werden, kann ein geeignetes nichtleitendes Material 42, beispielsweise Gummi, hinzugefügt werden, um die Lücken zwischen den Schallwandlerelementen 30 aufzufüllen.
6 zeigt zwei einzelne Ausführungsformen eines Schallwandlers. Zwei gewölbte Elemente 35 sind mit ihren Seiten in Querschnittsansicht gezeigt, um die Anordnung der Schallwandlerelemente 30 an den gewölbten Elementen 35 zu illustrieren. Diese Schallquellen-Ausführungsformen sind mit Schallwandlerelementen 30 ausgeführt, die mit einem Material schwerer Masse belastet sind. Andere Ausführungsformen können mit unbelasteten oder einfach gestalteten Schallwandlerelementen 30 ausgeführt sein, wie beispielsweise den in 2 gezeigten. Die in 6 dargestellten Ausführungsformen sind mit zwei Schallwandlerelementen 30 dargestellt, die jeweils in den gewölbten Elementen 35 untergebracht sind. In anderen Ausführungsformen kann eine beliebige Anzahl von Schallwandlerelementen 30 vorgesehen sein, die in den gewölbten Elementen unter Bildung einer beliebigen Anzahl von Reihen oder Spalten je nach Bedarf angeordnet sein können, siehe beispielsweise 4.
Der in 6 dargestellte Schallwandler ist mit Stücken aus Material 32 schwerer Masse implementiert, die benachbart zu den Schallwandlerelementen 30 derart angeordnet sind, daß sie den konkaven Seiten der gewölbten Elemente 35 zugewandt und in den Elementen 35 eingekapselt sind. Jedes Element 35 ist vollständig mit einem Dichtmaterial 40 überzogen, um eine wasserdichte Einheit zu bilden. Die Schallwandlerelemente 30 sind durch die Leiter 37 elektrisch in Reihe geschaltet, die in den gewölbten Elementen 35 in Kontakt mit der Oberfläche der Elemente 35 angeordnet sind, wobei lediglich die Enden 39 freiliegen. In der Ausführungsform mit belasteten Schallwandlerelementen 30 wird ein elektrisch leitendes Material 32 schwerer Masse, beispielsweise Wolfram, verwendet, wenn der Leiter 37 entlang der Außenfläche der belasteten Schallwandler 30 angeordnet ist. Der Leiter 37 kann auch zwischen den Schallwandlerelementen 30 und dem Material 32 angeordnet sein.
7 zeigt einen erfindungsgemäßen Schallwandler. Zwei unabhängige gewölbte Elemente 35 sind in einer Vertiefung angeordnet, die um den Außenumfang eines Rohrteils 13 gebildet ist. US 6 788 065 beschreibt verschiedene Rohrteile, die mit Vertiefungen ausgebildet sind, sowie Abschirmkonfigurationen, die zum Verwirklichen von Ausführungsformen der Erfindung verwendbar sind. Die gewölbten Elemente 35 bilden jeweils eine Hälfte der zylindrischen Umfangsfläche, die das Rohrteil 13 umgibt. Um die Zeichnung nicht zu überladen, sind die Leitungen der gewölbten Elemente 35 nicht dargestellt. Es ist klar, daß die elektrischen Leitungen, beispielsweise die Leitungen 39 aus 6, aus den gewölbten Elementen 35 direkt oder indirekt an eine elektrische Quelle über beliebige bekannte Mittel koppelbar sind. Die beiden unabhängigen gewölbten Elemente 35 sind gegenüber üblichen Quellen aus einer einzigen Einheit in vielerlei Hinsicht vorteilhaft. Insbesondere erleichtern die einzelnen Elemente 35 einen Zusammenbau, eine Fehlersuche, eine Reparatur und einen Austausch des Schallwandlers oder von Teilen davon.
8 zeigt einen Querschnitt durch ein am Rohrteil 13 der 7 angeordnetes Schallwandlerelement 30. Das abgedichtete gewölbte Element 35 ist benachbart zur Außenfläche des Rohrteils 13 angeordnet, wobei die Oberfläche des unbelasteten Schallwandlerelements 30 freiliegt, um Schallenergie in einem breiten Frequenzbereich auszusenden, wenn sie als Schallquelle aktiviert wird. Zusammen tragen das Material 32 und das hochempfindliche Schallwandlerelement 30 dazu bei, Schwingungen im Rohrteil 13 zu verringern und die Richtgenauigkeit für Schall zu verbessern. Die Anordnung des belasteten Elements 30 benachbart zum Rohrteil 30, das üblicherweise metallisch ist, verbessert die Richtgenauigkeit für Schall dadurch, daß ein Teil der Schallenergie von der Oberfläche des Rohrteils 13 wegreflektiert wird, um sich mit der Schallenergie zu mischen, die von der Außenfläche des Schallwandlerelements 30 ausgesendet wird. Diese Dämpfung der Ausbreitung von Schallenergie in Richtung auf das Rohrteil 13 verringert die Anregung sogenannter "Werkzeugmoden", d.h. Schwingungsmoden des Schallwandlers.
In einigen Ausführungsformen sind mehrere gewölbte Elemente um ein Rohrteil herum angeordnet. 9 zeigt eine Draufsicht auf vier einzelne gewölbte Elemente 35, die jeweils einen Quadranten einer zylindrischen Umfangsfläche bilden und um ein Rohrteil 13 herum angeordnet sind. Die Leiter und die Schallwandlerelemente sind nicht in allen Figuren dargestellt, um die Figuren nicht zu überladen.
Die erfindungsgemäßen Schallwandler können ferner elektrisch so konfiguriert sein, daß sie eine separate und zeitgesteuerte Anregung oder einen separaten und zeitgesteuerten Empfang von Untermengen der Schallwandlerelemente an einem beliebigen gewölbten Element liefern. 10 zeigt ein gewölbtes Element 35 in Projektion auf eine zweidimensionale oder ebene Oberfläche, das intern mit einem zusätzlichen Satz von Leitern konfiguriert ist, so daß die Schallwandlerelemente 30 auf der Seite A elektrisch von den Schallwandlerelementen 30 auf der Seite B isoliert sind.
11 zeigt zwei gewölbte Elemente 35, die ähnlich zu den in 10 dargestellten sind und benachbart zueinander angeordnet sind, um eine zylindrische Umfangsfläche zu bilden. Wenn sie als eine Schallquelle an einem Rohrteil für ein Bohrloch ausgestaltet sind, können die Untermengen der Schallwandlerelemente in den beiden gewölbten Elementen 35 separat gemäß einem gewünschten Muster angeregt werden, um die Schallmoden eines Bohrlochs auf gewünschte Weise anzuregen. Die in 11 auf der linken Seite A dargestellten Schallwandlerelemente werden hier gleichzeitig mit einer Polarisation angeregt, während die auf der rechten Seite B angeordneten Schallwandlerelemente gleichzeitig mit einer entgegengesetzten Polarisation angeregt werden, um eine Anregung eines Dipolmodus zu erzeugen. Alternativ hierzu kann die in 9 dargestellte Ausführungsform eines Schallwandlers mit vier gewölbten Quadranten verwendet werden, um die gewünschten Anregungen zu erzeugen. Es ist klar, daß die erfindungsgemäßen Schallwandler mit gewölbten Elementen als Schallquellen verwendbar sind, um Schallmoden im Bohrloch wie Monopole, Dipole, Quadropole und Moden höherer Ordnung zu erzeugen. Die Schallwandler können ferner so ausgestaltet sein, daß sie separate Signale erzeugen, die erfaßter Schallenergie entsprechend einem gewählten Muster oder einer gewählten Zeitabfolge entsprechen.
12 zeigt ein weiteres gewölbtes Element 35, das intern mit zusätzlichen Sätzen von Leitern konfiguriert ist, so daß die Schallwandlerelemente 30 an den Abschnitten A, B und C elektrisch voneinander isoliert sind. Durch Anregen oder Aktivieren der Schallwandlerelemente 30 entsprechend einem gewünschten Muster oder einer gewünschten Zeitabfolge kann ein Phasenfeld mit Schallenergie bzw. Schallsignalen erhalten werden. Beispielsweise kann die in 12 dargestellte Ausführungsform so konfiguriert sein, daß die Teilmenge der Schallwandlerelemente 30 im Abschnitt A zu einer Zeit T1, die Teilmenge der Schallwandlerelemente 30 im Abschnitt B zu einer Zeit T2 und die Teilmenge der Schallwandlerelemente 30 im Abschnitt C zu einer Zeit T3 angeregt oder aktiviert werden. Hierzu können übliche Elektronik- und Prozessormittel mit den Schallwandlerelementen verbunden werden.
In anderen Ausführungsformen können metallische gewölbte Elemente vorgesehen sein. 13 zeigt einen Querschnitt auf ein metallisches gewölbtes Element 35 in Draufsicht. Das Element 35 kann aus einem beliebigen geeigneten Metall, beispielsweise Aluminium oder rostfreiem Stahl, gebildet sein. Vorzugsweise wird ein elektrisch leitfähiges Metall verwendet, so daß das Element 35 selbst als Leiter verwendet werden kann, um den Schallwandlerelementen 30 eine Spannung zuzuführen. Die Schallwandlerelemente 30 können mittels eines leitfähigen Klebstoffs am Element 35 befestigt oder einfach an Ort und Stelle durch das Dichtmaterial 40 eingekapselt sein, das zum Abdichten des Schallwandlers verwendet wird. Die Schallwandlerelemente 30 können an einem gewölbten Element 35 mit glatter Oberfläche oder in Hohlräumen oder Aussparungen, die im gewölbten Element 35 ausgebildet sind, angeordnet sein. Zum Abdecken und Abdichten der Schallwandlerelemente 30 kann ein beliebiges geeignetes nichtleitendes Material verwendet werden. Bei einem leitenden gewölbten Element 35 wird eine elektrische Leitung 39 verwendet, um das Element 35 mit einer elektrischen Quelle zu verbinden. Dabei ist wie vorstehend beschrieben ein Leiter 37 über der Außenfläche der Elemente 30 angeordnet, um diese elektrisch parallel zu schalten. Ausführungsformen mit einem nichtleitenden gewölbten Element können einen anderen Leiter verwenden, um wie hier beschrieben den Schallwandlerelementen Spannung zuzuführen. Ein Schallwandler mit einem metallischen gewölbten Element schafft die gewünschte Dämpfung der Schallenergie und verbesserte Richtgenauigkeit für Schall, ohne belastete Elemente 30 zu verwenden. Die metallischen Ausführungsformen können an Rohrteilen auf die gleiche Weise und in den gleichen Konfigurationen angebracht werden, wie sie vorstehend bei den nichtmetallischen Ausführungsformen beschrieben worden sind.
Die gewölbten Elemente können so angeordnet sein, daß sie den Umfang eines Rohrteils 13, wie in 7 und 9 dargestellt, vollständig umgeben, bestimmte Abschnitte oder Sektoren davon umgeben und/oder in azimutalen Sektoren entlang der Längsachse insbesondere versetzt angeordnet sind. Wegen der gewölbten Form können die Schallwandlerelemente an Rohrteilen sowohl mit großem als auch mit kleinem Durchmesser angebracht werden. Im Gegensatz zu üblichen Schallwandlern, beispielsweise denjenigen, die eine Ölkompensation verwenden, gestatten die kompakten und flüssigkeitsfreien Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Schallwandler eine Montage und ein Beibehalten an einem Rohrteil unter Verwendung eines beliebigen bekannten Mittels. Beispielsweise können die Schallwandler insbesondere dann, wenn sie in drahtleitungsgebundenen Instrumenten oder anderen Anwendungen eingesetzt werden, bei denen der Abrieb kein kritischer Faktor ist, einfach mit einer geeigneten Komponente in einen Hohlraum im Rohrteil eingebettet oder vergossen werden, da sie wasserdicht abgedichtet sind.
Das in 14 schematisch dargestellte Elektronikmodul 100 kann mit einem gewölbten Element 35 verbunden werden. Das Elektronikmodul 100 umfaßt eine Vorverstärkerstufe 101, eine Filterstufe 102, eine Stufe 103 für eine Analog-Digital-Umsetzung und eine Leistungsverstärkerstufe 106. Das dargestellte Elektronikmodul 100 ist an einer n:1-Multiplexereinheit 104 angekoppelt, die dazu ausgestaltet ist, n-Signale zur Ausgabe durch die Leitung 105 in einem Kanal umzusetzen. Ein Schalter 108, der an das gewölbte Element 35 angekoppelt ist, schaltet zwischen einer Stellung 1 und einer Stellung 2. In Stellung 1 sind die Schallwandlerelemente 30 durch die Leistungsverstärkerstufe 106 aktiviert und der Schallwandler wirkt als Schallquelle. An die Schallwandlerelemente der Erfindung kann eine Mehrphasenspannung angelegt werden. Wenn der Schalter 108 in Stellung 2 ist, empfängt die Vorverstärkerstufe 101 analoge Schallsignalenergiedaten, die von den Schallwandlerelementen empfangen worden sind, zur Verarbeitung durch das Elektronikmodul 100, um so einen Schallempfänger zu bilden. Ein Elektronikmodul mit kleinen Abmessungen und geringem Leistungsbedarf minimiert den Energieverbrauch und verbessert die Beseitigung von Rauschen, da digitale Signale im Vergleich zu analogen Signalen sauberer sind. Die digitalisierten Signaldaten können zudem frei von unerwünschtem Rauschen für eine weitere Verarbeitung bei Bedarf über weite Entfernungen geleitet werden.
Die Elemente 35 mit Schallwandlerelementen 30 der Erfindung sind für zwei Zwecke geeignet, nämlich als Schallquelle und als Schallsensor, und gestatten Impuls-Echo-Messungen. Es ist bekannt, daß die Messung der Zeit für den Hin- und Rückweg eines Impuls-Echo-Signals, das von der Wand des Bohrlochs reflektiert wird, verwendbar ist, um die Geometrie, beispielsweise den Radius, des Bohrlochs zu bestimmen. Unter Verwendung des Elektronikmoduls 100 können die Schallwandler zwischen Betriebsarten umgeschaltet werden, um die Impuls-Echo-Messungen im Bohrloch zu erhalten. Die gemessenen Schallsignaldaten können unter Verwendung bekannter Techniken verarbeitet werden.
Es ist bekannt, daß für den Einsatz in Bohrlöchern ausgelegte Rohrteile zusätzlich zu extremen Temperaturen und Drücken unebenen und scheuernden Umgebungen im Bohrloch ausgesetzt sind, wobei die Wahrscheinlichkeit der Beschädigung durch Formationsabschnitte besteht. Die Bedingungen im Bohrloch werden bei zunehmenden Tiefen zunehmend widriger, wodurch die Abnutzung externer oder freiliegender Komponenten verstärkt wird. Zudem werden Dauerbelastungen, beispielsweise das Biegen und Drehen der Rohrteile, beim LWD-Betrieb bei Bohrarbeiten zu einem Problem. Wie in 15 dargestellt, kann daher wenigstens ein Schild 44 am Rohrteil angeordnet werden, um die gewölbten Elemente mit den Schallwandlerelementen abzudecken und zu schützen. Der Schild 44 kann aus Metall, aus Kunststoffkomponenten, beispielsweise PEEK^TM, oder beliebigen anderen geeigneten Materialien gebildet sein. Der Schild kann unter Verwendung von Befestigungsmitteln wie etwa Schrauben oder anderen bekannten Mitteln am Rohrteil befestigt sein. 16 zeigt eine Draufsicht auf eine Vorrichtung für ein Bohrloch, die ein Rohrteil 13 umfaßt, das mit vier gewölbten Elementen 35 entsprechend der Erfindung ausgestattet ist. Das Rohrteil 13 ist ferner mit vier einzelnen Schilden 44A, 44B, 44C und 44D versehen, die die vier gewölbten Elemente abdecken und schützen.
Vorzugsweise sind im Schild 44 Öffnungen, beispielsweise in Form von Löchern oder Schützen, vorgesehen, um den Durchgang von Bohrlochflüssigkeiten im Bereich zwischen dem Schild und einem gewölbten Element 35 zu gestatten. Die in 17 dargestellte Ausführungsform umfaßt vier unabhängige Schilde 44A, 44B, 44C, 44D, die an einem Rohrteil 13 angeordnet sind, um vier gewölbte Elemente 35, wie im Zusammenhang mit 16 beschrieben, zu umgeben. Die Öffnungen 46 können beispielsweise an verschiedenen Stellen an den Schilden 44 angeordnet sein. Der Schild 44A weist zwei Öffnungen 46 auf, die benachbart zum oberen und unteren Rand ausgebildet sind. Der Schild 44B ist mit Öffnungen 46 versehen, die am oberen und unteren Rand ausgebildet sind. Der Schild 44C ist mit einer Öffnung 46 versehen, die in der Mitte ausgebildet ist. Schließlich ist der Schild 44D mit einer halbmondförmigen Öffnung 46 versehen, die am Seitenrand ausgebildet ist. Die gewölbten Elemente sind in 17 nicht dargestellt.
In weiteren Ausführungsformen kann zum Abdecken der gewölbten Elemente nebst Schallwandlerelementen ein einteiliger Schild und/oder öffnungsfreie Schilde vorgesehen sein, vgl. 15. Der Schild oder die Schilde können unter Verwendung eines beliebigen bekannten Mittels am Rohrteil 13 montiert sein. Wie vorstehend erwähnt, können Signal/Energieverbindungen zu den gewölbten Elementen unter Verwendung verschiedener bekannter Techniken ausgeführt sein. Ferner können zusätzliche gewünschte Komponenten, beispielsweise Elektronikkomponenten, Telemetriemittel, Speichermedien und so weiter auf bekannte Weise mit den Ausführungsformen der Erfindung implementiert sein.
Ein Verfahren zum Anbringen eines Schallwandlers an einem Rohrteil umfaßt ein Anordnen eines gewölbtes Elements außen am Rohrteil, wobei das gewölbte Element in bezug auf das Rohrteil unabhängig ausgestaltet ist und mehrere daran angeordnete Schallwandlerelemente umfaßt, die Reihen bilden. Das gewölbte Element ist mit Leitern versehen, um den Schallwandlerelementen eine Spannung zuzuführen, und ist ferner mit einem Dichtmaterial bedeckt, um eine flüssigkeitsfreie Einheit zu bilden.
Ein weiteres Verfahren zum Anbringen eines erfindungsgemäßen Schallwandlers an einem Rohrteil umfaßt ein Anordnen eines metallischen gewölbten Elements außen am Rohrteil, wobei das gewölbte Element in bezug auf das Rohrteil unabhängig ausgebildet ist und wenigstens ein darauf angeordnetes Schallwandlerelement umfaßt. Das metallische gewölbte Element ist mit einem Dichtmaterial bedeckt, um eine flüssigkeitsfreie Einheit zu bilden.
18 zeigt eine weitere Ausführungsform der Erfindung. Ein gewölbtes Element ist in einer Vorrichtung 90 zur Verwendung in einem Bohrloch montiert, die in einem Bohrloch 12 angeordnet ist, das eine Formation durchquert. Das gewölbte Element 35 ist in einer flachen Vertiefung am Rohrteil 13 angeordnet und ein Schild 44 ist wie beschrieben über dem Schallwandler montiert. Das Rohrteil 13 umfaßt ferner eine mehrachsige elektromagnetische Antenne 91 für unterirdische Messungen und Elektronikeinrichtungen 92, 93 mit entsprechenden Schaltungen. Eine Reihe üblicher Schallsensoren 94 ist auf bekannte Weise ebenfalls am Rohrteil 13 befestigt. Das dargestellte Rohrteil 13 ist im Fall eines drahtleitungsbasierten Systems über ein Logging-Kabel 95 und im Fall eines Beim-Bohren-Systems über einen Bohrstrang 95 im Bohrloch 12 gestützt. Bei einer drahtleitungsgebundenen Anwendung wird das Rohrteil 13 im Bohrloch 12 durch eine Winde 97 nach oben und nach unten bewegt, die durch Einrichtungen 98 an der Erdoberfläche gesteuert wird. Das Logging-Kabel oder der Bohrstrang 95 umfassen Leiter 99, die die Elektronikeinrichtungen 92, 93 im Bohrloch mit der Einrichtung 98 an der Erdoberfläche für eine Signal- und Steuerkommunikation verbinden. Alternativ hierzu können diese Signale im Rohrteil 13 verarbeitet oder aufgezeichnet und die verarbeiteten Daten auf bekannte Weise zur Einrichtung 98 an der Erdoberfläche übertragen werden. Alle erfindungsgemäßen Ausführungsformen des Schallwandlers können wie hier beschrieben an üblichen Rohrteilen befestigt werden. Übliche Elektronikeinrichtungen, Verbindungskomponenten und Verbinder können verwendet werden, um die erfindungsgemäßen Schallwandler an Meß- und/oder Kommunikationsvorrichtungen zu implementieren.
Die vorliegende Erfindung ist nicht auf unterirdische Anwendungen mit Rohrteilen beschränkt, sondern kann überall dort Anwendung finden, wo Schallwandler verwendet werden. Der Betrieb der beschriebenen Schallwandler ist nicht auf eine bestimmte Frequenz oder einen bestimmten Frequenzbereich beschränkt. Andere Ausführungsformen können Schallwandlerelemente anderer Formen und Abmessungen neben den rechteckigen Schallwandlerelementen verwenden.

Claims

Schallwandler zur Verwendung an einem Rohrteil (13), gekennzeichnet durch ein gewölbtes Element (35) und mehrere Schallwandlerelemente (30), die am gewölbten Element (35) unter Bildung von Reihen angeordnet sind, wobei das gewölbte Element (35) zum Zuführen einer Spannung an die Schallwandlerelemente (30) mit Leitern (37) versehen ist, wobei das gewölbte Element (35) und die Schallwandlerelemente (30) mit einem Dichtmaterial (40) bedeckt sind und wobei das bedeckte gewölbte Element (35) keine Flüssigkeiten umfaßt.
Schallwandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das gewölbte Element (35) für eine Anordnung benachbart zur Außenwand eines Rohrteils (13) ausgestaltet ist.
Schallwandler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schallwandlerelemente (30) zum Aussenden von Schallenergie ausgestaltet sind.
Schallwandler nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Schallwandlerelemente (30) zum Empfangen von Schallenergie ausgestaltet sind.
Schallwandler nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Schallwandlerelemente (30) piezoelektrische Vorrichtungen, Blei-Titan-Vorrichtungen, Blei-Zirkonat-Titan-Vorrichtungen und/oder Vorrichtungen vom 1-3-Piezokomposit-Typ umfassen.
Schallwandler nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Schallwandlerelemente derart am gewölbten Element (35) angeordnet sind, daß sie Schallenergie aus einer konvexen Oberfläche des gewölbten Elements (35) aussenden, wenn sie mit Spannung versorgt werden.
Schallwandler nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Leiter (37) so ausgestaltet sind, daß sie Untermengen der Schallwandlerelemente (30) mit Spannungen verschiedener Polaritäten versorgen.
Schallwandler nach einem der Ansprüche 1 bis 7, gekennzeichnet durch mehrere einzelne gewölbte Elemente (35), die jeweils mehrere daran angeordnete Schallwandlerelemente (30) aufweisen und mit Leitern (37) versehen sind, um den Schallwandlerelementen (30) Spannung zuzuführen, wobei die einzelnen gewölbten Elemente (35) und ihre entsprechenden Schallwandlerelemente (30) mit einem Dichtmaterial (40) bedeckt sind, und wobei die bedeckten gewölbten Elemente (35) keine Flüssigkeiten enthalten.
Schallwandler nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß zwei einzelne gewölbte Elemente (35) vorgesehen sind, die jeweils zum Bilden einer Hälfte einer zylindrischen Umfangsfläche ausgebildet sind.
Schallwandler nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß vier einzelne gewölbte Elemente (35) vorgesehen sind, die jeweils zum Bilden eines Quadranten einer zylindrischen Umfangsfläche ausgebildet sind.
Schallwandler nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß das gewölbte Element (35) derart ausgestaltet ist, daß eine daran angelegte Spannung an eine Untermenge der daran angeordneten Schallwandlerelemente (30) in einer zeitgesteuerten Abfolge anlegbar ist.
Schallwandler zur Verwendung an einem Rohrteil (30), gekennzeichnet durch ein gewölbtes metallisches Element (35) und mehrere akustische Schallwandlerelemente (30), die am metallischen gewölbten Element (35) angeordnet sind, wobei das metallische gewölbte Element (35) zum Liefern einer Spannung an die daran angeordneten Schallwandlerelemente (30) ausgestaltet ist und wobei die Schallwandlerelemente (30) zum Schutz gegen externe Flüssigkeiten bedeckt sind.
Schallwandler nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Schallwandlerelemente (30) piezoelektrische Vorrichtungen, Blei-Titan-Vorrichtungen, Blei-Zirkonat-Titan-Vorrichtungen und/oder Vorrichtungen vom 1-3-Piezokomposit-Typ umfassen.
Schallwandler nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, daß das metallische gewölbte Element (35) für eine Anordnung benachbart zur Außenfläche eines Rohrteils (13) ausgestaltet ist.
Schallwandler nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Schallwandlerelemente (30) zum Aussenden von Schallenergie ausgestaltet sind.
Schallwandler nach einem der Ansprüche 12 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Schallwandlerelemente (30) zum Empfangen von Schallenergie ausgestaltet sind.
Schallwandler nach einem der Ansprüche 12 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß das metallische gewölbte Element (35) elektrisch leitfähig und zum Liefern einer Spannung an die Schallwandlerelemente (30) ausgestaltet ist.
Schallwandler nach einem der Ansprüche 12 bis 17, gekennzeichnet durch mehrere einzelne metallische gewölbte Elemente (35), die jeweils mehrere daran angeordnete Schallwandler (30) aufweisen, wobei jedes metallische gewölbte Element (35) zum Liefern einer Spannung an die daran angeordneten Schallwandlerelemente (30) ausgestaltet ist und wobei die Schallwandlerelemente (30) an jedem gewölbten Element (35) zum Schutz gegen externe Flüssigkeiten bedeckt sind.
Schallwandler nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß zwei unabhängige metallische gewölbte Elemente (35) vorgesehen sind, die jeweils eine Hälfte einer zylindrischen Umfangsfläche bilden.
Schallwandler nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß vier unabhängige metallische gewölbte Elemente (35) vorgesehen sind, die jeweils einen Quadranten einer zylindrischen Umfangsfläche bilden.
Verfahren zum Anbringen eines Schallwandlers an einem Rohrteil (13), gekennzeichnet durch Anordnen eines gewölbten Elements (35) außen am Rohrteil (13), wobei das gewölbte Element (35) in bezug auf das Rohrteil (13) unabhängig ausgebildet ist und mehrere Schallwandlerelemente (30) daran angeordnet sind, die Reihen bilden, wobei das gewölbte Element (35) mit Leitern (37) versehen ist, um den Schallwandlerelementen (30) eine Spannung zuzuführen, und mit einem Dichtmaterial (40) bedeckt ist, das keine Flüssigkeiten enthält.
Verfahren zum Anbringen eines Schallwandlers an einem Rohrteil (13), gekennzeichnet durch Anordnen eines metallischen gewölbten Elements (35) außen am Rohrteil (13), wobei das gewölbte Element (35) in Bezug auf das Rohrteil (13) unabhängig ausgebildet ist und wenigstens ein darauf angeordnetes Schallwandlerelement (30) aufweist, wobei das gewölbte Element (35) mit einem Dichtmaterial (40), das keine Flüssigkeiten enthält, bedeckt ist.