DE1583837C - Bohrlochmeßverfahren und akustische Bohrlochmeß Wandleremheit - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Bohrlochmeßverfahren, bei dem gerichtete akustische Wellen unter gleichzeitiger Erzeugung einer Mehrzahl akustischer Signale von einer Sonde ausgesandt und nach Durchtritt der angrenzenden Formation an anderen Stellen vermittels Empfangsvorrichtungen wieder empfangen werden, sowie eine akustische Bohrlochmeß-Wandlereinheit für das Erzeugen oder Empfangen eines ausgerichteten akustischen Signals mit jeder gewünschten Raumorientierung zur Durchführung des Verfahrens.

Aus der deutschen Patentanmeldung D 5758 ist es bekannt, Sender und Empfänger in dem gleichen Bohrloch anzuordnen. Auch aus der USA.-Patentschrift 2 156 052 ist ein Bohrlochmeßgerät bekannt.

Abgesehen von der Anordnung der vorgesehenen Detektoren, wirkt sich auch der fehlende direkte Kontakt zwischen Meßgerät und Bohrlochwandung bei diesen bekannten Geräten nachteilig auf die Meßergebnisse aus. Dies ist insbesondere auf die unterschiedlichen Geschwindigkeiten in den jeweiligen Ausbreitungsmedien zurückzuführen. Die Nachteile der bisherigen Verfahren zu überwinden, ist die Aufgabe der Erfindung.

Gelöst wird diese Aufgabe erfindungsgemäß dadurch, daß die einzelnen Signale jeweils durch einen Kraftvektor mit definierbarer Richtungsorientierung direkt auf die Bohrlochwand, im gleichen Abstand über deren Umfang verteilt, von einer ersten Ebene senkrecht zur Bohrlochachse ausgesandt und in einer zweiten Ebene senkrecht zur Bohrlochachse direkt an der Bohrlochwand, im gleichen Abstand über deren Umfang verteilt, empfangen werden.

Mit Hilfe dieses Verfahrens ist es möglich, die störenden Ausbreitungsarten zu unterdrücken und gleichzeitig die Übungen zu betonen.

Auf diese Weise kann die empfangene Wellenform wesentlich leichter und genauer identifiziert werden, als dies bislang möglich war.

Durch die direkte punktförmige Übertragung der Signale auf die Bohrlochwandung werden die beispielsweise durch die Bohrlochfiüssigkeit nachteiligen Signalausbreitungen unterdrückt.

Nach einem weiteren Merkmal, unter Verwendung transversaler akustischer Signale, welche tangential zum Bohrloch ausgesendet werden, liegen die die erzeugten Signale wiedergebenden Kraftvektoren in der ersten Ebene, und jeder derselben liegt tangential zu den Wänden des Bohrloches in der gleichen Drehrichtung vor.

Bei Verwendung transversaler akustischer Signale, die zueinander parallel in einer Ebene senkrecht zur Bohrlochachse ausgesendet werden, liegen die die erzeugten Signale wiedergebenden Kraftvektoren in der ersten Ebene und sind insgesamt in der gleichen linearen Richtung orientiert.

Bei Verwendung transversaler und longitudinaler Signale, welche radial bzw. parallel der Bohrlochachse ausgesendet werden, liegen die die erzeugten Signale wiedergebenden Kraftvektoren in der ersten libcnc vor, und jeder derselben ist nach außen senkrecht zu den Wänden des Bohrloches gerichtet.

Hei Verwendung longitudinaler Signale, welche parallel der Bohrlochachse ausgesendet werden, liegen die die erzeugten Signale wiedergebenden Kraftvektoren senkrecht zu der ersten Ebene und weisen die gleiche lineare Richtung auf.

Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung werden die ausgesandten Signale in den gleichen ausgeprägten Orientierungsrichtungen empfangen, die die erzeugten Signale kennzeichnen.

Die Orientierung der Polarität einer Reihe akustischer Signale kann nacheinander verändert werden. Das Bohrlochmeßwerkzeug wird für eine kontinuierliche Messung jeder der Richtungsorientierungen der akustischen Signale durch ein Bohrloch bewegt, und die Orientierungen der akustischen Signale

ίο werden mit ausreichender Schnelligkeit verändert.

Die Bohrlochmeß-Wandlereinheit ist durch die folgenden Merkmale gekennzeichnet: einen Befestigungsblock und drei Wandlerelemente, die starr an dem Befestigungsblock längs gemeinsamer senkrechter Achsen befestigt sind, deren gemeinsamer Schnittpunkt an einer Stelle an der Oberfläche des Blocks liegt.

Die Merkmale der Erfindung, insbesondere die weiteren Merkmale der Wandlereinheit, sollen an Hand der Zeichnungen näher erläutert werden. Dabei zeigt

Fig. 1 den Wandlereinheitenträger in einem mit Flüssigkeit gefüllten Bohrloch,

F i g. 2 eine perspektivische Ansicht einer einzelnen Wandlereinheit, und

F i g. 3 A bis 3D zeigen Kraftvektorendiagramme für vier der möglichen erfindungsgemäßen Arbeitsarten.
Unter Bezugnahme auf die Zeichnungen zeigt die Fig. 1 den Wandlereinheitenträger 10, bestehend aus einem langen zylinderförmigen Gehäuse 12, das mittels eines Kabels 14 in einem Bohrloch 16 aufgehängt ist, das mit Bohrschlamm oder Flüssigkeit 18 gefüllt ist. Das Kabel 14 trägt sowohl den Träger 10 als auch die erforderlichen elektrischen Drähte für die Verbindung.

Eine Mehrzahl von Wandlereinheiten 20 sind über Halterungsarme 22 schwenkbar an dem Gehäuse 12 angeordnet, wobei die Einheiten in direkte Berührung mit den Wänden des Bohrloches 16 durch Federn im Inneren des Gehäuses (nicht gezeigt) gedrückt werden. Jede der Wandlereinheiten kommt mit der Bohrlochwand lediglich an einer Stelle über einen starren Kontaktknopf 24 in Berührung.

Es ist beabsichtigt, daß der untere Ring der Wandlereinheiten als ein Sender und die zwei oberen Ringe als Empfänger verwendet werden. Wenn auch nur drei Wandlereinheiten an jeder Ringhöhe oder Ebene in der F i g. 1 sichtbar sind, versteht es sich doch, daß vier derartige Einheiten tatsächlich vorliegen, die insgesamt im gleichen Abstandsverhältnis mit 90° um den Umfang des Gehäuses 12 verteilt vorliegen. Bei einer Vorrichtung dieser Art sind verschiedene Arbeitsarten möglich. Bei einer Arbeitsart kann die Zeitspanne aufgezeichnet werden, die zwischen Sendung und Empfang eines Signals vergeht, so daß bei bekannter Entfernung zwischen den Ringen die Geschwindigkeit leicht zu bestimmen ist. Bei einer anderen Arbeitsweise kann die Zeitspanne gemessen werden, die ein übertragenes Signal braucht, um die Entfernung zwischen den zwei Empfängcrringcn zu überbrücken, oder, wenn das Signal ein kontinuierliches Signal ist, kann die Phasendifferenz zwischen den zwei Empfängerringen festgestellt werden. Es ist möglich, die Geschwindigkeit eines akustischen Signals zu bestimmen unter Anwenden irgendeiner dieser Arbeitsweisen, und die eigentliche in Anwendung kommende Arbeitsweise

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ist für die erfindungsgemäßen Zwecke nicht von elemente in den Senderwandlern kombiniert, wo-

Wichtigkeit. durch die Kräfte betont oder verstärkt werden, die

Die Fig. 2 zeigt eine perspektivische Ansicht in der gleichen Richtung wie die erzeugten Kräfte einer einzigen Wandlereinheit, die in der Lage ist, orientiert sind. Anders ausgedrückt, es wird die einen Kraftvektor zu erzeugen oder festzustellen, der 5 gleiche relative Signalbewertung sowohl in den in irgendeiner gegebenen Richtung orientiert ist. Im Sender- als auch Empfängerwandlern angewandt, wesentlichen weist jede Wandlereinheit drei elektro- wodurch die letzteren stärker auf die Kräfte anmechanische Wandlerelemente 26, 28 und 30 auf, sprechen, die durch die Senderwandler ausgebildet die längs gemeinsamer senkrechter oder rechtwink- werden, wobei sich eine gewisse Löschung von liger Achsen orientiert und fest an einem metallischen io Signalen ergibt, die sich in den Empfängerelerhenten, Befestigungsblock 32 befestigt sind. Die Achsen bedingt durch äußere oder Störarten der Energieschneiden einander an dem Kontaktknopf 24. Die oder Kraftfortpflanzung, ergeben haben können. Im Wandlerelemente können piezoelektrische Zylinder Gegensatz zu dem, was zu erwarten wäre, wurde nun aus Bariumtitanat einer magnetischen Spule und gefunden, daß die oben beschriebene Arbeitsweise Kernanordnung sein, und jede derselben trägt vor- 15 unabhängig davon wirksam ist, ob das Bohrloch umzugsweise ein Kappenteil 34, das als ein Trägheits- mantelt oder nicht ummantelt ist. Wenn auch zu ergewicht oder als Reaktionsmasse wirkt. Die elek- warten wäre, daß die Signale sich in der Umtrischen Verbindungen mit jeder der Wandler- mantelung oder dem Gehäuse schneller fortpflanzen elemente sind aus Gründen der deutlicheren Dar- als in der Erdformation und an dem Empfängerring stellung nicht gezeigt. Der Befestigungsblock 32 liegt 20 oder der Ebene ankommen, bevor die Signale anin Form einer dreiflächigen Pyramide vor, wie man kommen, die sich durch die Erdformation bewegen, sie durch Abschneiden der Ecke eines Würfels er- wurde doch gefunden, daß derartige Gehäuse- oder halten kann. Die den Kontaktknopf 24 tragende Ummantelungssignale nur vernachlässigbare Stärke Oberfläche stellt somit ein gleichseitiges Dreieck dar, besitzen oder praktisch alle Signale praktisch durch und die anderen drei Oberflächen sind rechtwinklige 35 das Gestein hindurch übertragen werden. Diese gleichschenklige Dreiecke. Die gesamte Wandler- Arbeitsweise ist ebenfalls wirksam, um schlecht mit einheit nach der F i g. 2 findet sich im Inneren jeder Zement versehene Ummantelungen oder Gehäuse der Wandlereinheiten nach der Fig. 1, die ebenfalls festzustellen, da in diesem Fall die akustischen so gezeigt sind, daß sie Gehäuse oder Behälter auf- Signale von der Erdformation entkoppelt werden weisen, durch die die Kontaktknöpfe 24 vorstehen. 30 und nur die Signale an dem Empfänger festgestellt

Unter Bezugnahme auf die Arbeitsweise der in werden, die sich durch das Gehäuse oder die Umden F i g. 1 und 2 gezeigten Meßvorrichtung sei an- mantelung hindurch verpflanzen,
genommen, daß die Schergeschwindigkeit der F i g. 3 B zeigt eine weitere Kraftvektororientierung, akustischen Signale in den das Bohrloch 15 um- die zum Messen der Schergeschwindigkeit angewandt gebenden Erdformationen zu messen sei. Durch ent- 35 werden kann. Bei allen diesen in der gleichen Richsprechende Erregung der Sendewandler des unteren tung wirkenden Kräften besteht die Neigung darin, Rings können die resultierenden Kräfte, welche auf das Gestein um das Bohrloch in der Scherweise zu die Bohrlochwand durch die Kontaktknöpfe über- beanspruchen. Auch hier sind die Wandlerelemente tragen werden, waagerecht und tangential zu dem in den Empfängereinheiten in der gleichen Weise Bohrloch orientiert werden, wie es die F i g. 3 A 40 wie die Elemente in den entsprechenden Senderzeigt. Dies bedeutet, daß durch gleichzeitiges Pul- einheiten verbunden, um so im wesentlichen gegensieren jedes der Wandlerelemente 26, 28 und 30 in über Kraftvektoren empfindlich zu sein, die in der jeder der Sendewandlereinheiten vermittels Signalen Senderebene erzeugt werden. Durch Messen der ausgewählter größerer Polarität der durch jede Schergeschwindigkeit unter Anwendung der Kraft-Wandlereinheit erzeugte Punktkraftvektor genau -ge- 45 vcktororientierungen sowohl nach der F i g. 3 A als steuert werden kann und in jedem Fall eine Form auch F i g. 3 B zum Vergleichen der Ergebnisse erangenommen wird, wie sie in der Fig. 3 A gezeigt gibt sich eine gute Überprüfung bezüglich der Geist. Die relative Signalabgleichung zwischen den nauigkeit, die bei den Messungen erzielt werden Wandlerelementen, wie sie unter Ausbilden der- kann.

artiger Kraftvektoren erforderlich ist, läßt sich leicht 50 Das radiale Kraftvektormuster nach der F i g. 3 C feststellen und hängt von der Orientierung jeder der führt sowohl zu Scher- als auch Druckwellen in Wandleranordnungen im Inneren des Gehäuses ab. praktisch der gleichen Weise wie bei einem her-Das tangentiale Kraftmuster nach der F i g. 3 A wirkt kömmlichen Geophon, das in der Mitte des Bohrdergestalt, daß das Bohrloch 15 transversal be- loches aufgehängt und durch Flüssigkeit umgeben ansprucht wird, und erzeugt somit eine Scherwelle, 55 ist. Da die Kräfte direkt auf die Wände des Bohrdie sich durch die Erdformation fortpflanzt. Da das loches beaufschlagt werden und nicht mit der Kraftmuster rein tangential ist und alle Kraftvektoren Flüssigkeit gekoppelt sind, wird der Betrag der in der gleichen relativen Richtung, d. h. in Uhr- durch die Flüssigkeit übertragenen Energie stark verzeigerrichtung, einwirken, werden keine Druckwellen ringert, und die angestrebten Signalmaxima in der erzeugt, und da diese Kräfte direkt auf die Wände 60 festgestellten Wellenform lassen sich leicht identides Bohrloches beaufschlagt und nicht durch die fizieren.

Bohrflüssigkeit übertragen werden, werden keine In der F i g. 3 D liegen die erzeugten Kräfte parstarken, durch die Flüssigkeit bedingten Signale aus- allel zu der Achse des Bohrloches vor, wodurch gebildet. Um weiterhin die Ergebnisse zu verbessern, sich ein starker Longitudinaldruck der Signalwerden die durch die einzelnen Wandlerelemente 65 fortpflanzung ergibt.

■ in den Empfängerwandlereinheiten durch die fest- Diese obigen Arten stellen lediglich vier der vielen

gestellten Kräfte ausgebildeten Signale in der gleichen möglichen Kraftvektororientierungen dar, die man

Weise wie die Erregersignale für die Wandler- erfindungsgemäß realisieren kann. Es versteht sich

weiterhin, daß hier die vier Wandlereinheiten an jedem Sender- und Empfängerring lediglich als Auslülirungsbeispiel gezeigt sind. Bei der praktischen Ausführung kann jede beliebige Anzahl derartiger Einheiten angewandt werden, wenn auch eine gewisse Art einer abgeglichenen Anordnung, d. h. Vorliegen der Einheiten im gleichen Abstandsverhältnis, wahrscheinlich zu den besten Ergebnissen führen dürfte. Die Haupterfordernisse bestehen darin, daß die übertragenen Signale in einer Richtung in ge- ίο steuertcr Weise und nicht in zahlreichen Richtungen ausgerichtet sind, um so eine angestrebte Fortpllanzungsart zu begünstigen, und daß dieselben weiterhin direkt auf die Wände oder das zementierte Gehäuse oder die Umkleidung des Bohrloches gerichtet sind, um hierdurch die unzweckmäßige und zu nachteiliger Beeinflussung führende Energie auszuschalten oder zu unterdrücken, die durch die Flüssigkeit bedingt wird.

Ein weiterer Vorteil des Erfindungsgegenstandes besteht darin, daß es möglich ist, in jeder der oben beschriebenen Arten dadurch zu arbeiten, daß die relative Polarität und Größen der zugeführten elektrischen Energien zu den einzelnen Wandlern eingestellt werden. Man kann somit wahlweise mit einer einzigen Vorrichtung Torsionssignale sowie longitudinal und transversal schwingende Signale ausbilden.

Weiterhin können diese verschiedenen Arten nacheinander durch manuelle oder elektronische Schaltung ausgebildet werden. Bei einer geeigneten Schaltungsart können diese Arbeitsweisen ausreichend schnell so verändert werden, daß eine praktisch kontinuierliche Messung in jeder dieser Arten während eines einzigen Hindurchtrittes des Meßwerkzeuges durch das Bohrloch erfolgt.

Claims (13)

Patentansprüche: 40

1. Bohrlochmeßverfahren, bei dem gerichtete akustische Wellen unter gleichzeitiger Erzeugung einer Mehrzahl akustischer Signale von einer Sonde ausgesandt und nach Durchtritt der angrenzenden Formation an anderen Stellen vermittels Empfangsvorrichtungen wieder empfangen werden, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Signale jeweils durch einen Kraftvektor mit definierbarer Richtungsorientierung direkt auf die Bohrlochwand, im gleichen Abstand über deren Umfang verteilt, von einer ersten Ebene senkrecht zur Bohrlochachse ausgesandt und in einer zweiten Ebene senkrecht zur Bohrlochachse direkt an der Bohrlochwand, im gleichen Abstand über deren Umfang verteilt, empfangen werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1 unter Verwendung transversaler akustischer Signale, welche tangential zum Bohrloch ausgesendet werden, dadurch gekennzeichnet, daß die die erzeugten Signale wiedergebenden Kraftvektoren in der ersten Ebene liegen und jeder derselben tangential zu den Wänden des Bohrloches in der gleichen Drehrichtung vorliegt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 unter Verwendung transversaler akustischer Signale, welche zueinander parallel in einer Ebene senkrecht zur Bohrlochachse ausgesendet werden, dadurch gekennzeichnet, daß die die erzeugten Signale wiedergebenden Kraftvektoren in der ersten Ebene liegen und insgesamt in der gleichen linearen Richtung orientiert sind.

4. Verfahren nach Anspruch 1 unter Verwendung transversaler und longitudinaler Signale, welche radial bzw. parallel der Bohrlochachse ausgesendet werden, dadurch gekennzeichnet, daß die die erzeugten Signale wiedergeben-, den Kraftvektoren in der ersten Ebene vorliegen und jeder derselben nach außen senkrecht zu den Wänden des Bohrloches gerichtet ist.

5. Verfahren nach Anspruch 1 unter Verwendung longitudinaler Signale, welche parallel der Bohrlochachse ausgesendet werden, dadurch gekennzeichnet, daß die die erzeugten Signale wiedergebenden Kraftvektoren senkrecht zu der ersten Ebene vorliegen und die gleiche lineare Richtung aufweisen.

6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die ausgesandten Signale in den gleichen ausgeprägten Orientierungsrichtungen empfangen werden, die die erzeugten Signale kennzeichnen.

7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Orientierung der Polarität einer Reihe akustischer Signale nacheinander verändert wird.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Bohrlochmeßwerkzeug für eine kontinuierliche Messung jeder der Richtungsorientierungen der akustischen Signale durch ein Bohrloch bewegt wird und die Orientierungen der akustischen Signale mit ausreichender Schnelligkeit verändert werden.

9. Akustische Bohrlochmeß-Wandlereinheit für das Erzeugen oder Empfangen eines ausgerichteten akustischen Signals mit jeder gewünschten Raumorientierung für das Durchführen des Verfahrens nach den vorangehenden Ansprüchen, gekennzeichnet durch die folgenden Merkmale: einen Befestigungsblock (32) und drei Wandlerelemente (26, 28, 30), die starr an dem Befestigungsblock (32) längs gemeinsamer senkrechter Achsen befestigt sind, deren gemeinsamer Schnittpunkt an einer Stelle (24) an der Oberfläche des Blocks liegt.

10. Akustische Bohrlochmeß-Wandlereinheit nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß Trägheitsgewichte starr an jedem der Wandlerelemente (26, 28, 30) befestigt sind.

11. Akustische Bohrlochmeß-Wandlereinheit nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die folgenden Merkmale vorliegen: Jedes der Wandlerelemente (26, 28, 30) weist eine Achse auf, längs deren akustische Signale erzeugt oder empfangen werden können, die mit einer der gemeinsamen senkrechten Achsen ausgerichtet sind, und der Schwerpunkt jedes der Trägheitsgewichte liegt auf der Achse des zugeordneten Wandlcrelementes (26, 28, 30).

12. Akustische Bohrlochmeß-Wandlereinheit nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß . eine Schaltanordnung vorgesehen ist, mit der eine Reihe unterschiedlich gerichteter akustischer Signale mit unterschiedlichen räumlichen Orientierungen nacheinander erzeugt werden können.

13. Akustische Bohrlochmeß-Wandlereinheit nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß ein Antrieb (14) vorgesehen ist, mittels dessen die akustische Bohrlochmeß-Wandlereinheit durch das Bohrloch bewegt wird, und eine automatische

Schaltanordnung vorliegt, mittels der die Richtung der akustischen Signale in räumlicher Orientierung während der Bewegung der akustischen Bohrlochmeß-Wandlereinheit durch das Bohrloch verändert werden kann.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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