DE2033721A1 - Method of keeping records in a cased borehole - Google Patents

Method of keeping records in a cased borehole

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DE2033721A1
DE2033721A1 DE19702033721 DE2033721A DE2033721A1 DE 2033721 A1 DE2033721 A1 DE 2033721A1 DE 19702033721 DE19702033721 DE 19702033721 DE 2033721 A DE2033721 A DE 2033721A DE 2033721 A1 DE2033721 A1 DE 2033721A1
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cement
acoustic
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casing
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DE19702033721
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Ralph G Houston Tex Beil (V St A)
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Services Petroliers Schlumberger SA
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Societe de Prospection Electrique Schlumberger SA
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    • G01V1/44Seismology; Seismic or acoustic prospecting or detecting specially adapted for well-logging using generators and receivers in the same well
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    • E21EARTH DRILLING; MINING
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    • E21B47/00Survey of boreholes or wells
    • E21B47/005Monitoring or checking of cementation quality or level

Description

K, SPARING WNIiBMANNSrTKASSB SlK, SPARING WNIiBMANNSrTKASSB Sl

TEtBIOTI 67 22 46TEtBIOTI 67 22 46

Besehreibung zum PatentgeauchDescription for patent also

der Pirmathe pirma

Soei&tl de Prospection Electrique Schlumberger 42, lue Saint-Dominique,
P a r i s
Soei & tl de Prospection Electrique Schlumberger 42, lue Saint-Dominique,
P aris

betreffendconcerning

"Yerfahren, aur Burehfiihrung von Aufzeichnungen in einem"Learned to keep records in one

verrohrten Bohrloch*cased borehole *

Bei eines Bohrlochausbau wird der Verrohrungsstrang oder das Rohr in ein Bohrloch gebracht und Zement wird in den Kingraum zwischen der Verrohrung und dem Bohrloch eingepreßt, und zwar in erster Linie, um öl und Gas abgebende Schichten voneinander und von wassertragenden Schichten zu trennen. Bs ergibt sich daher, daß, wenn die Zementierung nicht ausreicht, um eine Zone von der anderen zu trennen, dann Strömungsmittel unter Druck von einer Zone entweichen und eine nahegelegene, auf andere Art produktiveIn a wellbore construction, the casing string or pipe is placed in a wellbore and cement is placed in the king space between the casing and the borehole, primarily to release oil and gas Layers of each other and of water-bearing layers to separate. It follows, therefore, that if the cementation is insufficient to separate one zone from the other, then pressurized fluid escapes from one zone and a nearby, otherwise productive, one

Q09884/ möQ09884 / poss

033721033721

Zone verseuchen können, Sie Abwanderung, insbesondere von Wasser, erzeugt eine unerwünschte Abtrennung» einer |iroduktiven Zone durch Wasser und kann möglicherweise ein Bohrloch unwirtschaftlich machen· Zone can contaminate you churn, especially from Water, creates an undesirable separation »an | iroductive one Zone through water and can potentially make a borehole uneconomical

ist schwierig, ein genaues Bild der Bedingungen hinter einer Verrohrung zu bekommen, was, mit der gehwierigkeit zusammenhängt, Signale durch die MetallverrQhrungawand hindurch zu schicken» Verschiedene frühere Vorschläge, um die Wirksamkeit der Abtrennung (d.h. der Blockierungs- und der Abdiohteigenschaften) des Zements hinter der Verrohrung KU bestimmen, sind nicht ganz erfolgreich gewesen in bezug auf eine klare Bestimmung des wirksamen Vorhandenseins von Zement in dem Ringraum zwischen der Verrohrung und der Formation. Weiterhin ist es nicht möglich gewesen, verläßlich die Qualität der Zementbindung «wischen der Verrohrung und dem Zement und die Qualität der Zementbindung zwischen dem Zement und der Formation zu messen, wenn Verfahren benutzt werden, wie sie bisher vorgeschlagen worden sind. is difficult to get an accurate picture of the conditions behind a casing, which is related to the difficulty of sending signals through the metal casing wall of the casing KU have not been entirely successful in clearly determining the effective presence of cement in the annulus between the casing and the formation. Furthermore, it has not been possible to reliably measure the quality of the cement bond between the casing and the cement and the quality of the cement bond between the cement and the formation using methods as heretofore suggested.

Das bloße Vorhandensein oder Fehlen von Zement in dem Bingraum zwischen der Verrohrung und der Formation stellt eine wertvolle Information dar, jedoch wird dadurch nicht ein vollständiges Bild der Zementverhältnisse geschaffen. Während nämlich Zement sehr wohl in dem Bingraum vor-* handen sein kann, können doch Kanäle oder unzulängliche Abdichtungen noch eine Strömungsmittelverbindung zwischen benachbarten Formationen erlauben.The mere presence or absence of cement in the bing space between the casing and the formation is valuable information, but it does did not create a complete picture of the cement ratios. While cement is in the bing room in front of * may exist, but canals or inadequate seals can still be a fluid connection between allow neighboring formations.

Die Benutzung der Bezeichnung "Bindung" im Zusammenhang mit der Beziehung des Zements zu der Verrohrung oder der Formation ist etwas vage, da ein Anhaften längs der gesamten Grenzfläche zwischen der Verrohrung und dem Zement oder zwischen dem Zement und der Formation nicht notwendig ist, um eine Strömungsmittelverbindung zwischen angrenzenden porösen Zonen zu verhindern. Alles was für eine BindungThe use of the term "binding" in context with the relationship of the cement to the casing or the formation is somewhat vague as there is adhesion along the entire interface between the casing and the cement or not necessary between the cement and the formation is to prevent fluid communication between adjacent porous zones. Everything for a bond

QQI884/1I2ÖQQI884 / 1I2Ö

erforderlich, ist, ist, daß die Verhältnisse ein Entweichen aller Strömungsmittel verhindern. Nachstehend soll der Hinweis auf "Bindung" bedeuten, daß eine Trennung von Zonen durch Zement ausreicht, um zu verhindern, daß Strömungsmittel von einer Zone zur anderen wandert.What is needed is that the relationships are an escape prevent all fluids. The following is a note to "bond" mean a separation of zones sufficient cement to prevent fluid from migrating from one zone to another.

Verschiedene frühere Verfahren und Geräte, um eine Messung der Qualität der Zementbindung in bezug auf die Verrohrung zu erhalten, sind in den TJS-Patentschriften 3 291 247, 3 291 248 und 3 292 246 offenbart. Die betreffenden Patente sind alle auf den Anmelder der vorliegenden Erfindung übertragen worden. Diese Systeme verwenden im allgemeinen akustische Methoden, bei denen ein akustisches Signal von einem Sender auf einen Empfänger übertragen wird. Die Amplitude des Anfangs-Empfangssignals (dieser Anfangsempfang ist das Verrohrungssignal, da die akustiechen Impulse im allgemeinen schneller in der Verrohrung als in dem umgebenden Zement oder in der Formation sich fortbewegen) beim Empfänger wird gemessen und dient zur Bestimmung der Qualität und der Bindung des Zements mit der Verrohrung« Wenn eine gute Bindung besteht, dann ist zu erwarten, daß das Verrohrungssignal gedämpft ist, da Energie von der Verrohrung in den Zement oder in die umgebende Formation abwandert. Wenn dagegen keine Bindung oder eine schlechte Bindung besteht, dann ist das Verrohrungssignal relativ ungedämpft. Dieses Verfahren ist dann erfolgreich genug, wenn ein guter Kontakt zwischen dem Zement und der Verrohrung besteht. Wenn aber nur ein kleiner Raum oder Ringraum (manchamal Mikroringraum genannt) zwischen der Verrohrung und dem Zement vorhanden ist, dann kann eine solche Messung selbst dann eine schlechte Zementierung anzeigen, wenn die Zementierung voll ausreichend ist. Mit dem Wort ausreichend sei hier gemeint, daß der Mikroringraum, selbst wenn er vorhanden ist, es nicht ermöglicht, daß das Strömungsmittel zwischen benachbarten porösen Formationen kommuniziert. Darüber hinaus können solche falschen Anzeigen einer mäßigen Bindung leicht durch die Art und Weise eintreten, wie die Zementierung durchgeführt worden ist.Various Prior Art Methods and Apparatus to Provide a Measure of the Quality of the Cement Bond in Relation to the Piping to obtain are in the TJS patents 3,291,247, 3,291,248 and 3,292,246 are disclosed. The concerned Patents are all assigned to the assignee of the present invention. These systems generally use acoustic methods in which an acoustic signal is transmitted from a transmitter to a receiver. The amplitude of the initial reception signal (this initial reception is the piping signal, since the acoustic pulses generally move faster in the casing than in the surrounding cement or in the formation) at the receiver is measured and used for determination the quality and bonding of the cement to the casing “If there is a good bond, then it is to be expected that the casing signal is attenuated as energy is drawn from the Casing migrates into the cement or into the surrounding formation. If, on the other hand, there is no bond or a bad one If there is a binding, the piping signal is relatively undamped. This procedure is then successful enough when there is good contact between the cement and the casing. But if only a small space or annulus (sometimes called a micro-annulus) between the pipework and the cement is present, such a measurement may indicate poor cementation even if the Cementation is fully sufficient. The word sufficient here means that the micro-annulus, even if it is present, it does not allow the fluid to communicate between adjacent porous formations. In addition, such false indications of moderate attachment can easily occur by the way how the cementation was done.

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Bei einem direkten Zementiervefahren wird Zement den Ringraum aufwärts um das Gehäuse eingepreßt, und zwar mit einem relativ hohen Druck, der auf die Innenseite der Verrohrung ausgeübt wird. Dieser Druck hat das Bestreben, die Verrohrung auszuweiten. Der Druck wird in der Verrohrung aufrecht erhalten, während der Zement abbindet, und wenn der Zement abgebunden hat, dann wird der Druck entlastet* Nach Entlastung von dem Druck kann sich die Verrohrung zusammenziehen und bildet daher einen Mikroringraum zwischen dem abgebundenen Zement und der Verrohrung.With a direct cementing process, cement becomes pressed the annulus upward around the housing, with a relatively high pressure exerted on the inside of the Piping is exercised. This pressure tends to expand the piping. The pressure is in the piping maintained while the cement sets, and when the cement has set then the pressure is relieved * When the pressure is relieved, the tubing can contract to form a micro-annulus between the set cement and the casing.

Eine mehr verfeinerte Technik zur Bestimmung der Qualität des Zements in dem Ringraum zwischen der Verrohrung und den Formationen ist in der amerikanischen Patentschrift 3 401 773 offenbart unter der Überschrift "Verfahren und Einrichtung für Zementuntersuchung in verrohrten Bohrlöchern", und auch das betreffende Patent ist auf den Anmelder der vorliegenden Patentanmeldung übertragen worden. Bei diesem Verfahren wird die Amplitude eines reflektierten Anfangsverrohrungssignals bei ihrer Ankunft aufgezeichnet und zusätzlich die gesamte Energie eines ausgewählten späteren Teils des akustischen Signals durch Integration erhalten, wodurch ein zweiter Anhaltspunkt für die Qualität der Zementbindung gewonnen wird. Selbst beim Fehlen eineβ schwachen Verrohrungsanfangssignals kann der zusätzliche Schritt, die gesamte erhaltene Energie durch Integration eines späteren Teils des Signals auszuwerten, zum Feststellen des Vorhandenseins von Zement in dem Ringraum zwischen der Verrohrung und der Formation herangezogen werden. Einzelheiten der diesbeeügliehen Verfahren können auch der ÜS-Patentsohrift Nr. 3 401 772 entnommen werden, die die Überschrift trägt "Verfahren eur Untersuchung von verrohrten Bohrlöchern".A more sophisticated technique for determining the quality of the cement in the annulus between the casing and the formations is disclosed in U.S. Patent 3,401,773 under the heading "Method and Apparatus for Cement Inspection in Cased Boreholes", and also the patent in question is assigned to the assignee of the present patent application. In this procedure, the amplitude of a reflected initial casing signal upon arrival recorded and in addition the total energy of a selected one later part of the acoustic signal obtained by integration, providing a second clue for the quality of the cement bond is obtained. Even in the absence of a weak piping start signal, the additional step of evaluating the entire energy received by integrating a later part of the signal, is used to determine the presence of cement in the annulus between the casing and the formation will. Details of the procedures involved can be found here can also be taken from the ÜS patent pen No. 3 401 772, which is entitled "Procedure of your investigation of cased boreholes ".

Während die vorstehend beschriebenen Verfahren und Einrichtungen «war bu sehr nützlichen Informationen führen,While the procedures and facilities described above «was bu very useful information guide,

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so ist es doch erwünscht, genauer die Qualität der Zementbindung zu untersuchen. Beispielsweise kann der Energieinhalt der akustischen Untersuchungssignale, die beim Empfänger ankommen, auch von anderen Faktoren abhängen als von der Zementbindung mit der Verrohrung oder der Integrität der Zementsäule (manchmal Zementqualität genannt). Faktoren, welche die akustische Energie beeinflussen können, sind: die iOrmationshärtej die Exzentrizität des akustischen UnterBuchungswerkzeugsf die Eigenschaften des Materials, aus welchem die Son% zur akustischen Untersuchung hergestellt ist; die Art der Verrohrung und der Durchmesser des Bohrlochs und der Verrohrung, sowohl als auch die Gestaltung der Verrohrung.so it is desirable to examine more closely the quality of the cement bond. For example, the energy content the acoustic examination signals that arrive at the receiver also depend on factors other than the cement bond with the casing or the integrity of the cement column (sometimes called cement grade). Factors which can influence the acoustic energy are: the iOrmationshhartj the eccentricity of the acoustic Under Booking Toolf the properties of the material, from which the Son% for acoustic examination is made; the type of piping and the diameter of the Borehole and casing, as well as the design the piping.

Die Erkenntnis dieser Schwierigkeiten und einiger analoger Ergebnisse der verschiedenen vorveröffentliohten Vorschläge haben zur Entwicklung des Verfahrens und der Einrichtung der vorliegenden Erfindung geführt, mit Hilfe welcher eine direkte Aufzeichnung mit genauen Anhaltspunkten über die Wirksamkeit der Zementschicht in dem Bereich eines Bohrlochs möglich wird. Die Ergebnisse werden durch Verwendung eines quantitativen theoretischen Modells des Zementproblems erhalten, verbunden mit der Analyse der theoretischen Ergebnisse und unter Vergleich dieser Ergebnisse mit akustischen Untersuchungen, die von Bohrungen in der betreffenden Branche erhalten worden sind.Recognizing these difficulties and some analogous results of the various previously published Have suggestions for the development of the process and the Device of the present invention performed with the help which is a direct record with precise clues becomes possible through the effectiveness of the cement layer in the area of a borehole. The results are through use obtained a quantitative theoretical model of the cement problem, combined with the analysis of the theoretical Results and comparing these results with acoustic investigations carried out by drilling in the concerned Branch have been preserved.

Demgemäß führt die Erfindung zu einem Verfahren und einer Einrichtung zur Bestimmung der Wirksamkeit des Zementes in einem verrohrten Bohrloch. Accordingly, the invention provides a method and apparatus for determining the effectiveness of cement in a cased borehole.

Ein weiteres Ziel der Erfindung liegt in einem Verfahren und einer Vorrichtung aur Zementauswertung in einem verrohrten Bohrloch, bei welchem die Wirksamkeit des Zementes durch Auewertung der Reflektionekoeffizienten abgeleitet wird, die mit Radialverfahren oder Resonanzen im System Sonde-Bohrloch-Vtrrohrung-Ringraum-PoriBation einhergehen·Another object of the invention is a method and a device for cement evaluation in one cased borehole in which the effectiveness of the cement derived by evaluating the reflection coefficients that with radial processes or resonances in the system Probe-borehole-casing-annulus-poriBation

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Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung liegt im Verfahren und in Vorrichtungen zur Auswertung von Zement, welches verbesserte Ergebnisse durch die Untersuchung von Reflektionskoeffizienten ergibt, bei der eine Strahlungsenergieübertragung von akustischer Energie von einem verrohrten Bohrlooh in die Formation, die das Bohrloch umgibt, stattfindet, sowie durch Überprüfung dieser Reflektionskoeffizienten in einer Mehrzahl von relativ breiten Frequenzbändern über das Spektrum der akustischen Energie, welche verwendet worden ist, um das System zu erregen.Another object of the present invention is the method and devices for evaluating cement, which gives improved results by studying reflection coefficients in which radiant energy transfer of acoustic energy from a cased Bohrlooh into the formation surrounding the borehole, and by checking these reflection coefficients in a plurality of relatively broad frequency bands across the spectrum of acoustic energy, which has been used to excite the system.

Kurz gesagt, ist gemäß den Zielen der vorliegenden Erfindung ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Unter-Buchung verrohrter Bohrlöcher vorgesehen, bei welchem eine direkte Aufzeichnung der Zementbeschaffenheit stattfindet. Nach der vorliegenden Erfindung wird die Übertragung von akustischer Energie in dem System Sonde-Bohrloch-Verrohrung-Ringraum-Formation herangezogen, um die Zementbeschaffenheit in dem Ringraum zwischen dem Gehäuse und der Formation zu untersuchen. Dies wird ermöglicht durch die Verwendung einer neuartigen Untersuchungseinrichtung und eines Verfahrens einschließlich der Verwendung von einer Mehrzahl von relativ breiten Bandpaßfiltern, durch welche hindurch der Teil der akustischen Energie in breiten Frequenzbändern passiert, welcher von besonderem Wert für die Bestimmung der Zementbeschaffenheit ist. Im einzelnen wird ein besonderer Parameter, der Reflektionskoeffizient, der mit der radialen Übertragung von Energie in die Formation einhergeht, in drei relativ breiten Frequenzbändern untersuoht. Unter einer Vielzahl von Bohrloohbeschaffenheiten ist die Höhe dee Reflektionskoeffizienten in wenigstens zwei von den drei Frequenzbändern ein Zeichen für die Zementbeschaffenheit in dem Ringraum zwischen der Verrohrung und der Formation. Ea wird «ine Einrichtung vorgesehen, um den relativen Reflelctionekoeffizienten in jedem der drei auegewählten Frequenzbänder su untersuchen und VergleicheBriefly, in accordance with the objectives of the present invention is a method and apparatus for underbooking cased boreholes provided, in which a direct recording of the cement quality takes place. In accordance with the present invention, the transmission of acoustic energy in the probe-borehole-casing-annulus-formation system is achieved used to determine the cement quality in the annulus between the casing and the formation to investigate. This is made possible by using a novel examination device and a method including the use of a plurality of relatively wide band pass filters through which that part of the acoustic energy happens in broad frequency bands which is of particular value for the determination the nature of the cement. The individual becomes a special one Parameter, the reflection coefficient associated with the radial transfer of energy into the formation is associated with three relatively broad frequency bands below. Among a variety of Bohrlooh textures is that Height of the reflection coefficient in at least two of the three frequency bands a sign of the quality of the cement in the annulus between the tubing and the formation. A facility is provided for the relative reflection coefficients in each of the three selected Examine frequency bands and make comparisons

009884/1020009884/1020

zwischen den Reflektionskoeffizienten in diesen Bändern anzustellen, um die Zementbesohaffenheit auszuwerten.between the reflection coefficients in these bands, to evaluate the cement consistency.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben.Embodiments of the invention are shown in the drawings and are described in more detail below.

Es zeigen:Show it:

Fig.l eine schematische dreidimensionale Ansicht der zylindrischen Ausbildung eines Systems Sonde-Bohrloch-Verrohrung;Fig.l is a schematic three-dimensional view the cylindrical configuration of a probe-borehole-casing system;

Fig.2 eine schematische Querschnittsansicht, dieFig.2 is a schematic cross-sectional view showing

die einzelnen Lagen dieses Systems darstellt;represents the individual layers of this system;

Pig.3 ein typisches Reflektionskoeffizientenspektrum;Pig.3 a typical reflection coefficient spectrum;

Fig.4 ein Reflektionskoeffizientenspektrum, aus welchem sich die Veränderungen des Reflektionskoeffizienten ergeben je nachdem, ob Zement oder kein Zement in dem Ringraum vorhanden ist;4 shows a reflection coefficient spectrum, from which the changes in the reflection coefficient result depending on whether cement or no cement is present in the annulus is;

Fig.5 Mehrfaehreflektionskoeffizientenspektra für größere Ringräume als diejenigen gemäß Fig.4;Fig. 5 Multiple reflection coefficient spectra for larger annular spaces than those according to Figure 4;

Fig.6 ein Ausführungebeispiel eines Untersuohungs-6 shows an exemplary embodiment of an examination

systems, welches die Grundlagen der vorliegenden Erfindung verwendet, und zwar in Gestalt eines Blookdiagramms;systems, which covers the basics of the present Invention used, in the form of a blook diagram;

Fig.7 ein Blookdiagramm des Zementauswertungsoomputere nach der vorliegenden Erfindung;7 shows a block diagram of the cement evaluation computer according to the present invention;

flg.8 die FreoLueniabhängigkeit eines typischen akustischen Untereuchungswandlers;flg.8 the FreoLueni dependence of a typical acoustic search transducer;

00 988A/ 1 62000 988A / 1 620

Pig. 9 ein Blockdiagramm desf ZLementauswertungs-Pig. 9 is a block diagram of the cement evaluation

stroinkreiBes des Zementauswertungscomputers der vorliegenden Erfindung;fuel consumption of the cement evaluation computer of the present invention;

Fig.10 ein Blockdiagramm, welches ein System zeigt, "bei welchem ein Allzweckdigitalcomputer verwendet wird, um das Verfahren nach der vorliegenden Erfindung durchzuführen;Fig. 10 is a block diagram showing a system "which uses a general purpose digital computer to perform the method of the present To carry out the invention;

Fig.11 ein Flußdiagramm, welches ein Unterprogramm eines Digitalcomputers zur Durchführung der Logistik der Zementuntersuchung zeigt.Fig. 11 is a flow chart showing a subroutine of a digital computer for performing the Shows logistics of the cement inspection.

Das Verfahren und die Vorrichtung zur direkten Auf-' zeichnung der Zementauswertung nach der vorliegenden Erfindung basiert auf dem Konzept der Untersuchung gewisser Parameter, die mit den charakteristischen Frequenzen oder Radialverfahren oder Resonanzen eines Systems Bohrloch-Verrohrung-Ringraum-Formation einhergehen. Das Verfahren und die Vorrichtung der vorliegenden Erfindung sind daraufgerichtet, die Eigenschaften des Zement® in einem Bohrlooh zu bestimmen, und ewar durch die direkte Aufzeichnung von dem, was man als die Reflektionsk^effizientenkurven des Systems bezeichnen kann, und zwar ^M einer Mehrzahl von Frequenzregionen von relativ breiter Bandbreite, die in dem akustischen Energiespektrum ausgewählt sind, welches zur Erregung des Systeme verwendet wird«The method and the device for direct ' drawing of the cement evaluation according to the present invention is based on the concept of the investigation of certain Parameters related to the characteristic frequencies or radial methods or resonances of a well-casing-annulus-formation system accompanied. The method and apparatus of the present invention are directed to To determine the properties of the Cement® in a Bohrlooh, and ewar through the direct recording of what is called the reflection coefficient curves of Systems, namely ^ M of a plurality of Frequency regions of relatively wide bandwidth selected in the acoustic energy spectrum, which is used to excite the system "

Bei Verwendung dea Zylinder-Koordinatensysteme, das in Fig.l dargestellt ist mit den Zylinderkoordigaten r„ θ und ζ kann die Verschiebung von Teilchen aus verschiedenen Stoffen in dem System, wenn es durch, akustisch!' Energie erregt-wird, durch""tfie Funktionen Ur, U@ und XJ dargestellt werden. Wenn der Fall der Bylindrieohen*Symmetrie in Betraoht gezogen wird, in welchem die Bewegung gleich ist in allen Θ und die z**Abhängigk@it vernachlässigtWhen using the cylinder coordinate system, which is shown in Fig.l with the cylinder coordinates r " θ and ζ, the displacement of particles from different substances in the system, if it is by" acoustic! " Energy is excited-is represented by the functions U r , U @ and XJ. If the case of cylindrical symmetry is taken into account, in which the motion is the same in all Θ and the z ** dependence is neglected

0 0 9884/18200 0 9884/1820

werden kann (dies ist gültig in der Nähe der charakteristischen Frequenzen oder Art und Weisen des Systems) und nur die yon r abhängige Bewegung beachtet werden muß. Diese Art von Bewegung kann in der Art einer skalaren Potentialfunktion ψ geschrieben werden, definiert durch(this is valid in the vicinity of the characteristic frequencies or modes of the system) and only the motion dependent on r needs to be considered. This type of motion can be written in the manner of a scalar potential function ψ defined by

Die Wellengleichung für die r abhängige Bewegung ist dannThe wave equation for the r dependent motion is then

. ' .ΙΑ . ' .ΙΑ

wobei G dann die Geschwindigkeit der Druckwellen in dem System ist. Diese Gleichung ist von wohlbekannten physikalischen Prinzipien hergeleitet und ist zum Beispiel zu finden in der Literatursteile Elastic Waves in Layered Kedia« by Ewing, Jardetsky and Press, veröffentlicht durch McGraw Hill Company of New York, 1957 Edition.where G is then the velocity of the pressure waves in the system. This equation is derived from well known physical principles and can be found, for example, in the Elastic Waves in Layered Media, by Ewing, Jardetsky and Press, published by McGraw Hill Company of New York, 1957 edition.

Die skalare Potentialfunktion φ ist natürlioh zeitabhängig sowohl als auch abhängig von r, d.h. φ = φ (r,t). Jedoch kann die Zeitabhängigkeit wie diejenige einer Wanderwelle angenommen werden,(d.h. φ (r,t) « P (r) e ) wobei CJ= 2 TTt die Kreisfrequenz der Wellenbewegung von der Frequenz f darstellt. Unter Verwendung dieser Beziehung kann die Gleichung (1) in die Form gebracht werdenThe scalar potential function φ is naturally time-dependent as well as dependent on r, ie φ = φ (r, t). However, the time dependency can be assumed as that of a traveling wave, (ie φ (r, t) «P (r) e) where CJ = 2 TTt represents the angular frequency of the wave movement from the frequency f. Using this relationship, equation (1) can be put into the form

Cu2" F. _ ?' F ■ ■<■ ^F (ολ Cu 2 " F. _ ? ' F ■ ■ <■ ^ F (ο λ

Gleichung (2) wird ale eine Form der Beseel'sohen Gleichung erkannt, welche eine allgemeine Lösung hat, die in der Form geaehr!eben werden kann*Equation (2) is detected equation ale a form of Beseel'sohen having a general solution that can be in the form gea ore! Just *

F (r) - A nj1^ (kr) + B xj2) (kr)F (r) - A nj 1 ^ (kr) + B xj 2 ) (kr)

-10 --10 -

00 98 8Λ/16 2000 98 8Λ / 16 20

Dabei ist k = Q) /C die Wellennummer der r Wellen. Hq ' ' (kr) und H0 * ' (kr) werden Henkel1seile Punktionen der ersten und zweiten Art nullter Ordnung genannt. Die Koeffizienten A und B können als die komplexen Amplituden von eingehenden bezw. ausgehenden Wellen gedacht werden, wobei die Α-Koeffizienten die Amplituden der eingehenden Wellen und die B-Koeffizienten die Amplituden der ausgehenden Wellen sind.Here k = Q) / C is the wave number of the r waves. Hq '' (kr) and H 0 * ' (kr) are called Henkel 1 rope punctures of the first and second kind of the zeroth order. The coefficients A and B can be respectively the complex amplitudes of incoming. outgoing waves, where the Α-coefficients are the amplitudes of the incoming waves and the B-coefficients are the amplitudes of the outgoing waves.

Wenn man sich die Definition der Verschiebung TJ. bei den Bedingungen der Potentialfunktion 0 klarmacht (die zeitabhängige Exponentialfunktion kann weggelassen werden, da sie nur ein Phasenfaktor ist, der keinen Einfluß auf die Amplitude der r-Wellen hat), kann die Verschiebung wie folgt geschrieben werden:If you look at the definition of displacement TJ. under the conditions of the potential function 0 (the time-dependent exponential function can be omitted, since it is only a phase factor that has no influence on the amplitude of the r-waves), the shift can be written as follows:

Ur - |#- » - IcAH1C1) (kr) - kBH^^ikr) (3)U r - | # - »- IcAH 1 C 1 ) (kr) - kBH ^^ ikr) (3)

wobei H1' ' (kr) und H1' ' (kr) Hankel-ίunktionen der ersten und zweiten Art und erster Ordnung sind, wobei wieder k » ui /σ die Wellennummer darstellt.where H 1 "(kr) and H 1 " (kr) are Hankel functions of the first and second kind and of the first order, where again k »ui / σ represents the wave number.

Die radiale Spannung (welche gleich dem Druck in dem Medium ist, wenn das Medium ein Strömungemittel ist) kann ferner in den Lösungsbedingungen der Gleichung (1) geschrieben werden. Die Spannung ist definiert alsThe radial tension (which is equal to the pressure in the Medium is if the medium is a fluid) can also be written in the solution conditions of equation (1). The tension is defined as

r,. u ^ > ££. ♦ 4 ff (4) r,. u ^> ££. ♦ 4 ff (4)

wobei Ji und^ die Lame»sehen Konstanten sind, welch· die elastischen Eigenschaften ein·· isotopisohen Körper· bestimmen. Diese stehen in Beziehung zu den Druck- 0* und Soher- C-, Well engesohwindigkei ten in «inern Körper durchwhere Ji and ^ die Lame »see are constants which determine the elastic properties of an isotopic body. These are related to the pressure and Soher C, wave tightness in the internal body

- 11 -- 11 -

00 9884/162000 9884/1620

wobei ^ die Dichte des Materials ist. Unter Ausnutzung dieser Beziehung kann die Spannung geschrieben werden alswhere ^ is the density of the material. Taking advantage this relationship can be written as the tension

AL(l2/<Hi(1)(kr) - ^ A L ( l 2 / < H i (1) (kr) - ^

H0 (2)(kr)] (7)H 0 (2) (kr)] (7)

Die allgemeine Lösung (Gleichung 2 ) oben ist in jeder der verschiedenen Schichten valide. Diese Lösung muß nun an den Fall eines besonderen Problems von Interesse angepaßt werden, wie das Zementauswertungeproblem. Die· erfolgt, indem man die Rand- oder Grenzflächenbedingungen des Problems heranzieht, um die komplexen Koeffizienten A und B zu bestimmen. The general solution (equation 2) above is in each of the different layers are valid. This solution must now be adapted to the case of a particular problem of interest like the cement evaluation problem. The · is done by considering the boundary or interface conditions of the problem is used to determine the complex coefficients A and B.

Wie Fig.2 zeigt, spielen die fünf Lagen 1-5 bei dem Zementauswertungsproblem eine Rolle. Während die allgemeine Lösung für jede Lage gültig ist, sind die Koeffizienten A und B in jeder Lage verschieden, was nachstehend durch An und B für die entsprechenden Lagen ausgedrückt wird. Im allgemeinen gilt, daß wenn "n" die Anzahl der Lagen darstellt, daß dann zwei η-Koeffizienten bei Heranziehung der Grenzflächenbedingungen bestimmt werden müssen. Zwei Grenzfläohenbedingungen, welche angewendet werden können, sind ιAs Figure 2 shows, the five layers 1-5 play a role in the cement evaluation problem. While the general solution is valid for each layer, the coefficients A and B are different in each layer, which is expressed below by A n and B for the respective layers. In general, if "n" represents the number of layers, then two η coefficients must be determined using the interface conditions. Two boundary conditions that can be used are ι

(1) die Verschiebung Ur erfolgt fortlaufend an den Grenzflächen zwischen den Lagen, d.h. u"pl « U^, ü r2"Btir3 uew·*(1) the shift U r takes place continuously at the interfaces between the layers, ie u " pl « U ^, ü r 2 " Bti r3 uew · *

(2) di· normale Spannung tTr ist kontinuierlich an den Grenzflächen zwischen jeder der Lagen, d.h. tTrl "Έ"(2) the normal stress tT r is continuous at the interfaces between each of the layers, ie tT rl "Έ"

~12"009884/1620~ 12 "009884/1620

Da n-1 Grenzflächen zwischen η-Lagen von Material vorhanden sind, liefern diese beiden Grenzflächenbedingungen 2 (n-1) = 2n-2 Gleichungen in den 2n unbekannten Koeffizienten An und B . Da zwei weitere Grenzflächenbedingungen in das System eingeführt werden müssen, um eine komplette Lösung zu finden, werden diese auf nachfolgende Art und Weise eingeführt.Since there are n-1 interfaces between η-layers of material, these two interface conditions yield 2 (n-1) = 2n-2 equations in the 2n unknown coefficients A n and B. Since two more interface conditions have to be introduced into the system in order to find a complete solution, they are introduced in the following way.

In der äußeren Lage (der Formation) ist keine weitere äußere Grenzfläche, um Wellen zu reflektieren, vorhanden. Daher muß der Koeffizient A-, für die äußere Lage gleich Null sein (d.h. da die Α-Koeffizienten als die Amplituden der eingehenden Wellen gedacht sein mögen). Ferner ist es innerhalb der Sonde (Lage 5) unmöglich, eingehende von ausgehenden Wellen am Ursprung des Koordinatensystems zu unterscheiden, da, wenn die Wellen durch den Anfangspunkt gehen, sie von eingehenden Wellen in ausgehende Wellen umgewandelt werden, d.h. daß A,- gleich sein muß Bc. Diese beiden Extra-Grenzflächenbedingungen liefern die nötigen 2n-Gleichungen, die zur Ermittlung der 2n unbekannten komplexen Koeffizienten A und B erforderlich sind.In the outer layer (the formation) there is no further outer boundary surface to reflect waves. Therefore the coefficient A- must be the same for the outer layer Be zero (i.e. since the Α-coefficients may be thought of as the amplitudes of the incoming waves). Furthermore it is within the probe (position 5) impossible to distinguish incoming from outgoing waves at the origin of the coordinate system, because when the waves go through the starting point, they are converted from incoming waves to outgoing waves i.e. that A, - must be equal to Bc. These two extra interface conditions provide the necessary 2n equations for determining the 2n unknown complex coefficients A and B are required.

Um endlich die Lösung der 2n-Gleiohungen für die Koeffizienten A und B zu vervollständigen,, muß ein® Berechnung der akustischen Energiequelle, die zur Erregung dee Strömungemittels Anwendung findet, erfolgen· Dies wird durch dae akustische Signal dargestellt, welches von der Sonde kommt und eine Frequeneabhängigkeit haben kann, vergleichbar mit derjenigen der typischen akustisehen .■Direktauf ζ ei ohnungs wandler. Diese Quellenfunktion kann ©ine Yer» Schiebefunktion sein, welche ssu der (Ireiizflächenbedixigung zur Verschiebung im Sondensohlammabeohnitt iiinirageftigt werden kann (d.h. Lage 4-5 der Fig.2), Eb ergibt sioh eine Funktion der FormIn order to finally complete the solution of the 2n equations for the coefficients A and B, a calculation must be made the acoustic energy source that dee to excite If the fluid is used, this is indicated by the acoustic signal emitted by the A probe comes and can have a frequency dependency, comparable to that of the typical acoustic vision ζ a clueless converter. This source function can © ine Yer » Be sliding function, which ssu the (Ireiizflächenbedixigung must be set up for displacement in the probe base can (i.e. position 4-5 of Fig. 2), Eb results in a Function of form

- 13 -- 13 -

009884/1820009884/1820

\ -2 «χ ( OLy1 - 6 U? ) \ -2 «χ ( OLy 1 - 6 U?)

s ( ) = -τ— τ—--> TTh Υ1000 s () = -τ— τ —--> TTh Υ1000

in welcher&Ί und öl« einstellbare Konstanten sind. Wenn 0^1= VlQ/jf und 3^2 * 120 , dann ergibt sich eine Quellenfunktion, deren Spitze bei >9 19KC liegt mit einer halben Breite von etwa 13 KC, die typisch für akustische Untersuchungswandler ist, wie sie heute benutzt werden.in which & Ί and oil «are adjustable constants. If 0 ^ 1 = VlQ / jf and 3 ^ 2 * 120, the result is a source function whose peak is> 9 19KC with half the width of about 13 KC, which is typical for acoustic transducers used today.

Mit diesen Grenzflächenbedingungen können 2n simultane Gleichungen für die Koeffizienten A und B gelöst werden, und viele Eigenschaften des Systems, welche von Interesse sein mögen, können beobachtet werden. Zum Beispiel wurde gefunden, daß bei einer Größe das Verhältnis A,/B, als von besonderem Interesse zur Auswertung der Zementbeschaffenheit in dem Ringraum zwischen dem Gehäuse und der Formation ist. Diese Größe stellt das Verhältnis der Amplituden von eingehenden zu ausgehenden Wellen in dem Schlamm innerhalb der Verrohrung dar. Solch eine Größe ist der Messung zugänglich und kann als ein Reflektionskoeffizient gedacht werden, welcher anzeigt, wieviel akustische Energie in der radialen Richtung von dem System in die Formation entweicht.With these boundary conditions, 2n can be simultaneous Equations for coefficients A and B solved and many properties of the system which may be of interest can be observed. For example it was found that for one size the ratio A, / B, as of particular interest for evaluating the quality of the cement is in the annulus between the housing and the formation. This quantity represents the ratio of the amplitudes from incoming to outgoing waves in the mud within the casing. Such a magnitude is the Measurement accessible and can be thought of as a reflection coefficient, which indicates how much acoustic energy escapes in the radial direction from the system into the formation.

Fig.3 zeigt eine repräsentative Reflektionskoeffizientenkurve. Der Reflektionskoeffizient Q ist in Abhängigkeit von der Frequenz für Werte aufgetragen, die in der Tabelle I angegeben sind. Ein Wert des Reflektionskoeffizienten in der Nähe von 1 ist ein Anzeichen dafür, daß sehr wenig Energie in radialer Richtung in die Formation entweicht. Niedrige Werte sind Anzeichen dafür, daß mehr Energie in die Formation bei einer besonderen Frequenz entweicht. Das erste Minimum 131 der Fig«3 ist eine Folge einer Übertragungsre-■onanz im Sy«tem Verrohrung-Ringraum bei etwa 9 khz. Das zweit« Minimum 132 iet ein« Folg« «iner Übertragungeresonanz dee Ringraumβ selber bei etwa 27 khe. Diese Frequenz 3 shows a representative reflection coefficient curve. The reflection coefficient Q is plotted as a function of the frequency for values given in Table I. A coefficient of reflection value close to 1 is an indication that very little energy is escaping radially into the formation. Low values indicate that more energy is escaping into the formation at a particular frequency. The first minimum 131 in FIG. 3 is a consequence of a transmission resonance in the piping-annulus system at approximately 9 kHz. The second " minimum" 132 is a "consequence" in the transmission resonance of the annulus itself at about 27 khe. This frequency

- U- 009884/1620- U- 009884/1620

entspricht einer Wellenlänge, weiche gleich dem Zweifachen der Ringraumweite ist.corresponds to a wavelength that is equal to twice that is the annulus width.

Tabelle ITable I.

Verrohrungsaußendurchmesser 194 mm · (7 5/8 inches) Verrohrungsdurchmesser 8 mm ( »32 inches)Outside piping diameter 194 mm (7 5/8 inches) piping diameter 8 mm (»32 inches)

Bohrlochdurohmesser 254' mm ( 10 inches)Borehole diameter 254 'mm (10 inches)

Formationsdrucklaufzeit 334^8βο/ΐπ (100yu SEC/FT) unzementierter (strömungsmittelgefüllter) RingraumFormation pressure run time 334 ^ 8βο / ΐπ (100yu SEC / FT) uncemented (fluid-filled) annulus

Andere Minima, wie z.B. das mit 133 Gekennzeichnete, erscheinen bei Harmonischen der letztgenannten Frequenzen für die Wellenlänge Z£/η η s 1, 2, 3 usw., wobei £ die Ringraumweite darstellt. Ein angenäherter Ausdruck für diese Frequenzen istOther minima, such as that marked with 133, appear at harmonics of the last-mentioned frequencies for the wavelength Z £ / η η s 1, 2, 3, etc., where £ represents the annulus width. An approximate expression for these frequencies is

■p nc „no■ p nc "no

ι = η β JL, £, ——ι = η β JL, £, ——

wobei C die Geschwindigkeit des Schalls (unter Druck) in dem Ringraum ist. Es ergibt sich daher, daß, wenn, das Ringraummaterial geändert wird (z.B. Zement oder kein Zement) die Frequenzen der Reflektionskoeffizientenmlnima entsprechend geändert werden.where C is the velocity of the sound (under pressure) in the annulus. It follows, therefore, that if that Annular material is changed (e.g. cement or no cement) the frequencies of the reflection coefficient mlnima be changed accordingly.

Das Diagramm der Fig.4 zeigt klar diese Stelle. Die Diagramme stehen für Bohrloohdurchmesser nach Tabelle II für unzementierte Ringräume und zementierte Ringräume, und zwar begrenzt sowohl durch harte als auch durch weiche Formationen.The diagram of Figure 4 clearly shows this point. The diagrams stand for hole diameters according to Table II for uncemented annulus and cemented annulus, limited by both hard and soft Formations.

Tabelle IITable II

Verrohrungaaußendurchmesaer 152,4 mm (6 inches)Outer piping diameter 152.4 mm (6 inches)

Verrohrungadioke 6,35 mm («25 inohea)Piping 6.35 mm («25 inohea)

Bohrloohdurohmeaaer 203 mm ( θ inohea)Bohrloohdurohmeaaer 203 mm (θ inohea)

Format!onsdruoklaufmeit (wtioh) 334y«a«o/a (100/i S&O/Jf) Format! Onsdruoklaufmeit (wtioh) 334y «a« o / a (100 / i S & O / Jf)

Foraationadruoklauf«alt (hart) 167 ju-aeo/m ( 50 u SBO/FT)Foraationadruoklauf "old (hard) 167 ju-aeo / m (50 u SBO / FT)

009884/1020009884/1020

Die Diagramme der Fig.4 zeigen, daß die Reflektionskoeffizientenkurven große Unterschiede zwischen zementierten und nicht zementierten Verrohrungen aufweisen, und zwar insbesondere in dem Frequenzbereich gerade oberhalb des ersten Minimums der Kurven. Es wurde gefunden, daß diese Differenzen unabhängig von dem Abstand zwischen dem akustischen Geber und Empfänger auf der Sonde erscheinen, und zwar über einen weiten Bereich von kleinen Ringraum-(Mikroringraum-) Größen zwischen der Verrohrung und dem Zement. Eine quantitative Messung dieser Differenzen kann durchgeführt werden und stellt einen genauen Anhaltspunkt für die Zementbeschaffenheit in dem Hingraum dar. Es ist beabsichtigt, das Verfahren und die Einrichtung, wie sie soeben besprochen wurden, zu einer solchen Messung heranzuziehen. The diagrams of FIG. 4 show that the reflection coefficient curves have large differences between cemented and non-cemented casing, namely especially in the frequency range just above the first minimum of the curves. It was found that this Differences regardless of the distance between the acoustic Transmitters and receivers appear on the probe over a wide range of small annulus (micro-annulus) Sizes between the casing and the cement. A quantitative measurement of these differences can be and provides an accurate indication of the quality of the cement in the hanging space. It is intends to use the method and equipment just discussed for such measurement.

Wenn der ganze Frequenzbereich oberhalb des ersten Minimums in der Reflektionskoeffizientenkurve verwendet wird, um die Reflektionekoeffizientenminima zu prüfen, dann sind jedoch die Ergebnisse nicht verläßlich. Dies ist eine Folge des zusätzlichen Effektes, der in Fig.5 dargestellt wird. Das Diagramm von Fig.5 entspricht den in !Tabelle 3 gegebenen Parametern.If the whole frequency range above the first minimum in the reflection coefficient curve is used is used to check the reflection coefficient minima, however, the results are not reliable. this is a consequence of the additional effect shown in Fig.5 is pictured. The diagram of Fig. 5 corresponds to that in ! Table 3 given parameters.

Tabelle IIITable III

Äußerer Verrohrungsdurchmesser 152 mm ( 6 inohes)6 inohes outer tubing diameter

Verrohrungsdicke 6,35 mm (.25 inches)Piping Thickness 6.35mm (.25 inches)

Bohrloohdurchmesser 229 mm (9 inches)Hole diameter 229 mm (9 inches)

Formationsdruoklaufeeit (hart) 167ytcsec/m ('5Op. SEC/FT)Formation pressure run time (hard) 167ytcsec / m ('5Op.SEC / FT)

" (weich) 334yusec/m (100 p. SEC/FT)"(soft) 334yusec / m (100 p. SEC / FT)

Diese Diagramme stellen die Wirkung von größeren Ringraumweiten auf die Reflektlonekoeffizientenkurven für zementierte und unzementierte Verhältnisse dar. Wie eioh aus diesenThese diagrams illustrate the effect of larger annulus sizes on the reflectance coefficient curves for cemented ones and uncemented conditions. As eioh from these

009884/1620"009884/1620 "

20337*1-20337 * 1-

Kurven ergibt, wird "bei größeren Ringraumweiten das zweite Minimum für die unzementierte Verrohrung nach unten in der Frequenz verschoben (d.h. Minimum 151 und 152 der Pig.5), und im allgemeinen würde das zur Erzeugung anormaler Ergebnisse im Frequenzbereich von 20 bis 25 khz fuhren, d.h. die Beobachtung der Größe der Reflektionskoeffizientenminima in diesem Bereich würde zu Ergebnissen führen, die im Gegensatz zum allgemeinen Trend liegen. Das Nichtvorhandensein von Zement führt zu niedrigeren Reflektionskoeffizienten als das Vorhandensein von Zement. Für noch größere Ringraumweiten als diejenigen von Verrohrungen, wie sie in Fig.5 dargestellt sind, können dritte und höhere Minima in den niedrigen Frequenzbereich eingeführt werden und weiterhin die Ergebnisse stören, die von den Diagrammen, wie dasjenige von Fig.4,zu erwarten sind. Da die Ringraumweiten nicht bei allen Verrohrungen von üblichen Bohrlöchern genau bekannt sind (im allgemeinen ist die Ringraumbreite an einer Stelle nicht bekannt, es sei denn, ein Kaliber wird eingeführt, bevor die Verrohrung gesetzt wird, und selbst dann kann der Zementierungsvorgang den Bohrlochdurchmesser ändern zufolge von Auswaschungen oder dergleichen), müssen einige Mittel vorgesehen sein, um den Zement in dem Ringraum zu messen, welcher von der Ringraumweite unabhängig ist.Curves, "becomes the second for larger annulus widths Minimum for the uncemented casing shifted down in frequency (i.e. minimum 151 and 152 of Pig. 5), and in general this would lead to the production of abnormal results in the frequency range of 20-25 khz, i.e. the observation of the size of the reflection coefficient minima in this area would lead to results that im Are contrary to the general trend. The absence of cement leads to lower reflection coefficients than the presence of cement. For even larger annulus sizes than those of tubing such as those in 5, third and higher minima can be introduced into the low frequency range and continue to do so interfere with the results expected from graphs such as that of Figure 4. Since the annulus widths are not exactly known for all casings of conventional boreholes (in general, the annulus width is on not known to a point unless a caliber is introduced before the casing is placed, and by yourself then the cementing process can change the borehole diameter due to washouts or the like) some means may be provided to measure the cement in the annulus, which is independent of the annulus width.

Solche Mittel werden erfindungsgemäß vorgesehen durch Verwendung von drei relativ breiten Bandpaßfiltern, die derart gewählt sind, daß sie den Frequenzbereich oberhalb des ersten Minimums überdecken. Die Filterpaßbänder sind derart gewählt, daß unter einem gegebenen Satz von Bedingungen nur eines der Filterbänder ernsthaft durch die oben beschriebene Anomalie gestört wird. Es geben daher wenigstens zwei der drei Filter eine korrekte Aufzeichnung des allgemeinen Zementierungstrende. Bei einer 125 mm Verrohrung können sum Beispiel solche Filter derart gewählt werden, daß ihre Mittelfrequenzen bei 12,5 khz, 20 khz, 35 khz liegenSuch means are provided according to the invention by Use of three relatively wide bandpass filters chosen to cover the frequency range above of the first minimum. The filter passbands are chosen so that under a given set of conditions only one of the filter bands is seriously disturbed by the anomaly described above. So there are at least two of the three filters provide a correct record of the general cementing trend. With 125 mm piping For example, such filters can be selected in such a way that their center frequencies are 12.5 kHz, 20 kHz, 35 kHz

■ ■■■.- 17 -■ ■■■ .- 17 -

009884/1620009884/1620

und daß die Paßbandbreiten 5 khz, 10 kHz bezw. 20 khz betragen. Die Paßbandbreite wird dabei definiert durch das FrequenzIntervall zwischen zwei symmetrischen Halbamplitudenpunkten an jeder Seite des zentralen Maximums in der Filterkurve. Sie genaue Gestalt der Filterkurve ist nicht von großer Bedeutung.and that the pass band widths 5 kHz, 10 kHz respectively. 20 kHz. The pass bandwidth is defined by the frequency interval between two symmetrical half-amplitude points on either side of the central maximum in the filter curve. The exact shape of the filter curve is not of great importance.

Wenn die Mittelfrequenz und die Bandbreite der drei Filter entsprechend gewählt ist, dann würden bei jedem Satz von Bedingungen außerhalb der Verrohrung die Ausgänge von zwei der drei Filter in der Kombination einen relativ niedrigen Wert annehmen, wenn dort eine gute Zementierung vorliegen würde, während zumindest ein Filterausgang relativ niedrig wäre, wenn dort eine schlechte Zementierung vorliegen würde.If the center frequency and the bandwidth of the three filters are chosen accordingly, then each set would from conditions outside the piping the outputs from two of the three filters in the combination have a relatively low level Assume value if there would be a good cementation there, while at least one filter output is relative would be low if there was poor cementation there.

Es wurde herausgefunden, daß die Mittelfrequenzen von einem solchen Satz von drei optimal angeordneten Filtern sieh bei verschiedenen Verrohrungsgrößen verändern. In dem in Fig.6 dargestellten Ausführungsbeispiel wird eine 152 mm Verrohrung verwendet mit den Mittelfrequenzen der Filter, wie zuvor angegeben. Im allgemeinen würden die Filtermittelfrequenzen bei größerem Verrohrungsdurchmesser niedriger sein. Eine empirisch gefundene Relation zwischen der niedrigsten Mittelfrequenz und dem Verrohrungs-Außendurchmesser ergibt sich zuIt has been found that the center frequencies of Such a set of three optimally placed filters will vary with different tubing sizes. By doing The embodiment shown in Figure 6 is a 152 mm Piping used with the center frequencies of the filters, as previously stated. In general, the larger the tubing diameter, the lower the filter media frequencies be. An empirically found relation between the lowest center frequency and the casing outside diameter arises to

f ( kHB) = 50 χ + 4.5 (9)f (kH B ) = 50 χ + 4.5 (9)

durchmesserdiameter

Dies legt die niedrigste Mittelfrequenz fest, und die anderen iiltermittelfrequenzen und Bandbreiten können dann entsprechend festgelegt werden.This sets the lowest center frequency, and the others Filter mean frequencies and bandwidths can then be determined accordingly.

Bei einer Untersuchung von Bohrlöchern mit akustischen Untereuohungevorrichtungen üblicher Ausbildung ist ei unglücklicherweise nicht «öglich, den Reflektionekoeffizionttn direkt zu meeeen. Dies kann jedoch mit Hilfe einesWhen examining boreholes with acoustic Submission devices of usual training is ei Unfortunately, it is not possible to use the reflection coefficient directly to meeeen. However, this can be done with the help of a

.18 m ÖÖ9Ö84/162Q. 18 m ÖÖ9Ö84 / 162Q

Untersuchungswerkzeuges durchgeführt werden, welches für diesen Zweck direkt entwickelt wurde. Jedoch wurde gefunden, daß die Verfahren der vorliegenden Erfindung unter Benutzung von akustischen Bohrlochuntersuchungswerkzeugen üblicher Bauart in der nachfolgenden Weise Anwendung finden können.Investigation tool, which for this purpose was developed directly. However, it has been found that the methods of the present invention under Utilization of acoustic logging tools of conventional design find application in the following manner can.

Der Bereich unter der Reflektionskoeffizientenkurve innerhalb einer Filterbandbreite ist angenähert proportional dem akustischen Druckpegel, welcher in dem Filterband gemessen würde. Unter Bezugnahme auf die Gleichung (7) folgt dieseB Ergebnis, da die radiale Zugfunktion UT, (Druck) in Abhängigkeit von dem Reflektionskoeffizienten Q geschrieben werden kann alsThe area under the reflection coefficient curve within a filter bandwidth is approximately proportional to the acoustic pressure level which would be measured in the filter band. Referring to equation (7), this B result follows since the radial tension function UT, (pressure) as a function of the reflection coefficient Q can be written as

\ cQ + d \ cQ + d

wobei a, b, e und d komplexe Ausdrücke darstellen, die die Hankel-Funktionen einschließen. In Gleichung (10) ist der Begriff cQ praktisch wesentlich geringer in bezug auf seine Höhe als die komplexe Funktion d, Wenn dies der Fall ist, kann man sagen, daß die Funktion *C etwa eine lineare Funktion von Q ist (d.h.^ ist direkt proportional Q bei der hier durchgeführten Annäherung). Daher ist die radiale Spannung (der Druck) über den Bandpaß eines Filters integriert in einer guten Annäherung äquivalent dem Bereich unter der Seflektionskoeffizientenkurve in dem FilterpiiB-bereioh. Dies ermöglicht eine nützliche direkte Aufzeichnung der Zementbesohaflnheit mit der Dreifil%ermethode unter Verwendung von Aufseichnungswerkseugen üblicher Bauart, da der Druck, der auf die Oberfläche eines akustischen Empfangswandlera aufprallt, in tin ihm proportionale« elektrisches Signal umgewandelt wird. Sb ergibt sich natürlich für diejenigen, die Fachleute sind, daß eine direkte AufBelohnung der Heflektionekoeffiiienten SeIbBt mit Hilfe einen Untersuchung β werkzeuge» durchgeführt werden könnt·, wae *u einen ihn!lohen Ergebnis führen würde, ohne daß ein· aathematieohe Annäherung erforderlioh wäre.where a, b, e, and d represent complex expressions involving the Hankel functions. In equation (10), the term cQ is practically much less in height than the complex function d. If so, the function * C can be said to be roughly a linear function of Q (i.e. ^ is direct proportional Q in the approximation carried out here). Therefore, the radial stress (pressure) integrated across the bandpass filter of a filter is equivalent to a good approximation equivalent to the area under the reflection coefficient curve in the filter area. This enables a useful direct recording of the cement occupancy using the three-fold method using conventional recording devices, since the pressure impinging on the surface of an acoustic receiving transducer is converted into an electrical signal proportional to it. It follows, of course, for those skilled in the art that a direct reward for the yeast function coefficient can be carried out with the aid of an investigation, if it would lead to a poor result without the need for an mathematical approximation.

In Pig.6 ist die vorliegende Erfindung im Zusammenhang mit einem akustischen Bohrlochuntersuchungswerkzeug üblicher Bauart dargestellt, wie z.B. einem akustischen Laufzeitaufzeichnungswerkzeug, welches den Bohrlocheffekt kompensiert. Einzelheiten der Betriebsweise des akustischen Aufzeichnungswerkzeugs, das in Fig.6 dargestellt ist, finden sich in der bereits zitierten US-Patentschrift Nr. 3 304 537. Dieses Werkzeug hat eine Mehrzahl von akustischen Sendern und im Abstand angeordneten Empfängern und kann zur akustischen Laufzeitaufzeichnung über einen Bereich des Bohrloches Anwendung finden, wo die Bohrlocheffekte kompensiert werden dadurch, daß eine Mehrzahl von Messungen der akustischen Laufzeit zwischen jedem Sender und einer Mehrzahl von Empfängern durchgeführt wird und dann diese akustischen Laufzeitmessungen kombiniert werden, um eine Durchschnitten) es sung über ein festes Intervall des Bohrloches zu erhalten.In Pig.6 the present invention is related shown with an acoustic well logging tool of the usual type, such as an acoustic one Runtime recording tool that compensates for the borehole effect. Details of the operation of the acoustic The recording tool shown in Figure 6 can be found in the previously cited U.S. Patent No. 3,304,537. This tool has a plurality of acoustic transmitters and spaced receivers and can be used for acoustic runtime recording over an area of the borehole application where the borehole effects are compensated for by taking a plurality of measurements of the acoustic transit time between each transmitter and a plurality of receivers is performed and Then these acoustic transit time measurements are combined to averages the solution over a fixed interval To get borehole.

Obgleich die Herleitung der Prinzipien der vorliegenden Erfindung auf der Annahme der nur radialen Ausbreitung der akustischen Energie basiert, wurde gefunden, daß die vorliegende Erfindung mit Werkzeugen durchgeführt werden kann, die in Pig.6 dargestellt sind, und zwar als Folge der Tatsache, daß beachtliche akustische Energie sich axial längs des Bohrloches ausbreitet. Weiterhin ist diese Energie, die auf einen Empfänger in einem axialen Abstand von wenigen cm von dem akustischen Sender oder Mikrofon ausgeht, gleichfalle proportional dem radialen Reflektionskoeffizienten, wie «uvor beschrieben. Die wirkliche Relation entspricht etwa der Gleichung (10), ist jedoch von beachtlich größerer Komplexität und schließt Integrale über die Wellenzahlen von konischen Wellen, die sich in dem Bohrloch auebreiten, ein. Zufolge der extremen mathematischen Schwierigkeit einer genaueren Analyse dieser Probleme wird dieser Punkt nicht weiter verfolgt.Although the derivation of the principles of the present invention is based on the assumption of only radial expansion Based on acoustic energy, it has been found that the present invention can be carried out with tools can, which are shown in Pig.6, as a result of The fact that considerable acoustic energy propagates axially along the borehole. Furthermore, this energy is which emanates from a receiver at an axial distance of a few cm from the acoustic transmitter or microphone, equal proportional to the radial reflection coefficient, as described above. The real relation corresponds roughly to equation (10), but is of of considerably greater complexity and includes integrals over the wave numbers of conical waves that are in to widen the borehole. As a result of the extreme mathematical difficulty of a more detailed analysis of these Problems will not be pursued further on this point.

OMINALOMINAL

- 20 - ■■; '■,,■·- 20 - ■■; '■ ,, ■ ·

Experimentelle Ergebniese haben die Genauigkeit der Annahme einer angenäherten Proportionalität zwischen dem Reflektionskoeffizienten und dem akustischen Druck eines Empfängers bei einem mäßigen Abstand vom Sender bestätigt. Daher ist, obgleich in dem idealisierten Fall die Energie sich nur radial ausbreitet, in der Praxis eine solche Ausbreitung der Energie axial längs des Bohrloches gegeben, wodurch die Prinzipien der vorliegenden Erfindung anzuwenden sind, und zwar mit Werkzeugen wie diejenigen, die in Fig.6 dargestellt sind. Es ergibt sich natürlich" für den Fachmann, daß andere übliche akustische Untersuchungswerkzeuge, die auf einem anderen Prinzip beruhen als dasjenige der Bohrlochkompensation verwendet werden können, um die vorliegende Erfindung zu praktizieren. Zum Zwecke der Kürze wird die Praxis der Methoden der vorliegenden Erfindung mit einem bohrlocheffektkompensierenden Werkzeug offenbart, aber es versteht sich, daß die vorliegende Erfindung nicht durch die Benutzung eines solchen Werkzeuges beschränkt ist.Experimental results have the accuracy of assumption an approximate proportionality between the reflection coefficient and the acoustic pressure of a receiver Confirmed at a moderate distance from the transmitter. Hence, although in the idealized case the energy is only radially spreads, in practice such a spread of energy is given axially along the borehole, whereby the principles of the present invention are to be applied with tools such as those illustrated in FIG are. It will, of course, be apparent "to those skilled in the art that other common acoustic exploration tools include the are based on a different principle than that of borehole compensation can be used to practice the present invention. For the sake of brevity this will be discloses the practice of the methods of the present invention with a well effect compensating tool; but it should be understood that the present invention is not limited by the use of such a tool.

Die Gesamtanordnung eines Bohrlochuntersuchungssystems unter Benutzung der Prinzipien der vorliegenden Erfindung ist in !ig.6 in Blockform dargestellt«. Ein langgestrecktes Untersuchungswerkzeug 20 ist in einem verrohrten Bohrloch aufgehängt und ist mit den üblichen Zentriereinriohtungen in der Nähe seines oberen und unteren Endes versehen, wodurch das Werkzeug so wirkungsvoll wie möglich zentriert in dem Bohrloch 22 gehalten wird. Das Bohrloch 22 ist mit dem üblichen Bohrschlamm oder dem Strömungsmittel 24 gefüllt.The overall arrangement of a well logging system using the principles of the present invention is shown in block form in Fig. 6. A long one Survey tool 20 is suspended in a cased borehole and is provided with the usual centering equipment near its top and bottom, thereby centering the tool as effectively as possible is held in the borehole 22. The borehole 22 is filled with the usual drilling mud or fluid 24.

Das Werkzeug 20 hängt in dem Bohrloch mittels des armierten Kabels 26„ welches sich von dem oberen. Ende des Werkzeugs bis zur Erdoberfläche hin erstreckt* Das Kabel wird auf eine Winde 28 aufgespult, die schem&tisch dargestellt ist. Die Winde ist bekannter Bauart, und der Betrieb derselben dient zum Heben und Senken des Werkseuges durch das Bohrloch hindurch. Das Kabel 26 kann eine Mehrzahl von Leitungen erhalten, um Wege für elektrische Signale sswischenThe tool 20 hangs in the borehole by means of the armored cable 26 "which extends from the upper. end of Tool extends to the surface of the earth * The cable is wound onto a winch 28, which is shown schematically. The winch is of well-known design, and the operation the same is used to raise and lower the Werkseuges through the borehole. The cable 26 may contain a plurality of lines to swipe paths for electrical signals

„21- OüUGüA/1620"21- OüUGüA / 1620

der Oberflächeneinrichtung und den unten im Bohrloch befindlichen Einrichtungsteilen herzustellen und auch um elektrische Energie von einer Energiequelle an der Erdoberfläche bis zu der Einrichtung unten im Bohrloch zu schicken.the surface facility and those downhole To manufacture equipment and also to obtain electrical energy from an energy source on the earth's surface to send to the facility down the hole.

Das Werkzeug 20 selbst ist in zwei Teile geteilt. Der obere Teil 2OA nimmt die elektrische Einrichtung auf, die durch das Werkzeug getragen wird, während der untere Teil 2OB zur Halterung der'akustischen Sender und Empfänger dient. Obgleich es nicht in der Zeichnung dargestellt ist, versteht es sich für den Fachmann, daß der Teil 20B des Gehäuses derart ausgeführt werden kann, daß eine direkte Übertragung von akustischer Energie dort hindurch von den Sendern zu den Empfängern entweder unterdrückt wird bis zu einem vernachlässigbaren Wert oder verschoben wird in bezug auf die Laufzeit durch die Formationen, so daß dadurch die Messungen nicht gestört werden. Verschiedene Arten von Gehäusekonstruktionen, wie z.B. die Offen-Werk-Konstruktion, sind Stand der Technik für diesen Zweck.The tool 20 itself is divided into two parts. Of the upper part 20A houses the electrical equipment carried by the tool, while the lower part 2OB for holding the acoustic transmitter and receiver serves. Although not shown in the drawing, it will be understood by those skilled in the art that portion 20B of the Housing can be designed so that a direct transmission of acoustic energy there through from the Transmitting to the receivers is either suppressed to a negligible value or shifted in with respect to the transit time through the formations, so that the measurements are not disturbed by it. Different types of housing constructions, such as the open-work construction, are state of the art for this purpose.

Die an der Oberfläche angeordnete Einrichtung des Systems ist im allgemeinen in Form eines Blockschaltbildes oberhalb der gestrichelten Linien in Fig.6 dargestellt. Die Hauptbezugsfrequenz für die Gesamtoperation des Untersuchungssystems stammt von einer 60 hz Stromquelle, welche von einem üblichen Versorgungsnetz oder von einem besonderen Generator erzeugt werden kann. Vorzugsweise wird die EnSrgie von ihrer Quelle an der Oberfläche zur Oberfiäoheneinrichtung und durch geeignete Leitungen in dem Kabel 26 zur Einrichtung unten im Bohrloch geleitet. Aus Daretellungsgründen sind drei getrennte 60 hz Eingangsleitungen 30a, 30b und 30c in Flg.6 dargestellt. Wie sich aus der nachfolgenden Beschreibung ergibt, liefert die 60 hz Stromquelle die Betriebsenergie für die elektronische Einrichtung sowie auch eine Bezugofrequenz.The surface facility of the system is generally in block diagram form shown above the dashed lines in Figure 6. the Main reference frequency for the overall operation of the examination system comes from a 60 hz power source, which is from a normal supply network or from a special one Generator can be generated. Preferably the energy from their source on the surface to the Oberfiäoheneinrichtung and passed through suitable conduits in the cable 26 to downhole installation. For reasons of presentation are three separate 60hz input lines 30a, 30b and 30c shown in Fig. 6. As can be seen from the description below results, the 60 hz power source supplies the operating energy for the electronic device as well as a Reference frequency.

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Hauptzeltsteuerimpulse zur Synchronisierung der verschiedenen Komponenten des Systems werden mit Hilfe eines Impulsfolgestromkreises 32 erzeugt. Dieser Kreis erzeugt einen Zug von scharfen Impulsen, deren Frequenz ein integrales Untervielfaches der 60 hz Bezugsfrequenz ist. Daher kann zum Beispiel die Wiederholungsfrequenz der Zeitsteuerimpulse, die durch den Kreis 32 erzeugt werden, variiert werden von 1/9 bis l/2 der 60 hz Bezugsfrequenz. Natürlich können auch andere Frequenzen oder Verhältnisse, wenn gewünscht, erzeugt werden. Zwischen jedem Paar von aufeinanderfolgenden Impulsen, die durch den Impulsfolgestromkreis 32 erzeugt werden, kann eine individuelle Messung, z.B. eine Sender-zu-Empfänger-Laufzeitmessung oder eine ZementauewertungsaufZeichnungsmessung angestellt werden. Die gewählte Impulsfrequenz wird daher von der besonderen Art der Formationen, die man erwartet, abhängen. Eine Zeitsteuerimpulsfrequenz, die als geeignet für einen weiten Anwendungsbereich gefunden wurde, ist 20 Impulse pro Sekunde, bei welcher ein Abstand zwischen aufeinanderfolgenden Steuerimpulsen von 50 Millisekunden vorgesehen wird.Main tent control pulses for synchronizing the various components of the system are made with the help of a Pulse train circuit 32 generated. This circle creates a train of sharp pulses whose frequency is an integral Is a sub-multiple of the 60 Hz reference frequency. Therefore, for example, the repetition frequency of the timing pulses, generated by the circuit 32 can be varied from 1/9 to 1/2 of the 60 Hz reference frequency. Naturally other frequencies or ratios can be generated if desired. Between every pair of successive pulses passed through the pulse train circuit 32 can be generated, an individual measurement, e.g. a transmitter-to-receiver transit time measurement or a cement thaw evaluation recording measurement can be made. The pulse frequency chosen will therefore depend on the particular type of formations expected. One Timing pulse frequency, which has been found suitable for a wide range of applications, is 20 pulses each Second at which an interval of 50 milliseconds is provided between successive control pulses.

Die Zeitsteuerimpulse, die in dem Impulsfolgestromkreis 32 erzeugt werden, werden über eine Leitung 33 direkt einem Steuersignalgenerator 34 zugeführt. Die Steuerimpulse dienen ferner zum Synchronisierbetrieb eines Auswahlprogrammplaners 36, dessen Ausgang an den Steuersignalgenerator 34 angeschlossen ist.The timing pulses that are generated in the pulse train circuit 32 are via a line 33 directly a control signal generator 34 is supplied. The control pulses also serve to synchronize a selection program planner 36, the output of which is connected to the control signal generator 34.

Der Auswahlprogrammplaner 36 kann mit Mitteln, wie z.B. einem von Hand betätigten Schaltarm versehen sein, welcher die Auswahl von irgendeiner von einer Mehrzahl von Meßfolgen für akustische Signallaufzeitmessungen ermöglicht und wahlweise die Auswahl von ZementauswertungsaufZeichnungsmessungen erlaubt. Die Zementauswertungsuntersuchungen können gleichzeitig mit den akustischen Laufzeitmessungen durchgeführt werden. Natürlich wird in einem verrohrten Bohrloch die Laufzeitmessung im allgemeinen nur dieThe selection program planner 36 may be provided with means such as a manually operated switch arm, which enables the selection of any one of a plurality of measurement sequences for acoustic signal propagation time measurements and optionally the selection of cement evaluation recording measurements is allowed. The cement evaluation examinations can can be carried out at the same time as the acoustic runtime measurements. Of course, it is piped in a Borehole the transit time measurement generally only the

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Ankunftslaufzeit in der Verrohrung anzeigen, wenn die Verrohrung praktisch für akustische Ausbreitung fester ist als die umgebende Formation. Dies ist eine nützliche Information, da Verrohrungskragen an der Laufzeitaufzeichnung (dem Laufzeiüßg) angeordnet sein können, und zusätzlich kann die Verrohrungsankunftsamplitude verwendet werden, wie zuvor zur Anzeige der Zementbindung beschrieben. Zwischen jedem' aufeinanderfolgenden Paar von Steuerimpulsen von dem Impulsfolgestromkreis 32 erzeugt der Steuersignalgenerator ein Steuersignal über die Leitung 38 zur Ausrüstung im Bohrloch.Show arrival transit time in the piping when the piping is practically tighter than for acoustic propagation the surrounding formation. This is useful information because piping collar on the running time recording (the running time) and in addition the casing arrival amplitude can be used as before for the display of the cement bond. Between each successive pair of control pulses from the pulse train circuit 32, the control signal generator generates a control signal on line 38 to the downhole equipment.

Elektrische Signale, die den akustischen Messungen entsprechen, die in der Einrichtung in dem Bohrloch gemacht worden sind, werden zur Oberfläche über die Leitung 40 in das Kabel 26 übertragen. Diese Signale werden einem Gleichrichterkreis 42 zugeführt, welcher ein Ausgangssignal erzeugt, das in Relation zur Laufzeitmessung steht und das als Eingang zum Laufzeitcomputer 44 geeignet ist. Zusätzlich kann der Gleichrichterkreis 42 Eingangssignale dem Zementauswertungscomputer 70 zuführen, welcher in einer nachstehend noch zu beschreibenden Weise betrieben wird. Der Gleiohrichterkreis 42 steht in Abhängigkeit von elektrischen Signalen, welche von der Einrichtung unten im Bohrloch über Steuerimplse übertragen werden, ausgehend von dem Impulsfolgestromkreis 32 über ein festes Verzögerungsmittel 46. Das Verzögerungsmittel 46 ist mit der 60 hz Bezugsfrequenzquelle 30B synchronisiert und stellt sicher, daß der Gleichrichterkreis nicht betriebswirksam wird, bevor nicht das erwartete Ankunftssignal aus dem Inneren des Bohrloches kommt. Dies vermindert die Möglichkeit von Irrtümern, die von den Störeignalen herrühren.Electrical signals corresponding to acoustic measurements made in the facility in the borehole are transmitted to the surface via conduit 40 into cable 26. These signals become one Rectifier circuit 42 supplied, which has an output signal generated that is related to the runtime measurement and that is suitable as an input to the runtime computer 44. In addition, the rectifier circuit 42 can input signals to the Feed cement evaluation computer 70, which is operated in a manner to be described below. The rectifier circuit 42 is a function of electrical signals which are received from the device below in the Borehole are transmitted via control pulses, starting from the pulse train circuit 32 via a fixed delay means 46. The delay means 46 is synchronized with the 60 hz reference frequency source 30B and ensures that the rectifier circuit is inoperative before the expected arrival signal from inside the Borehole is coming. This reduces the possibility of errors resulting from the interference signals.

Die Computer 44 und 70 können direkt von dem Programmplaner 36 betrieben werden, und Computer 44 wird ferner konditioniert durch den Ausgang des Und-Kreises 50, welcher von dem gleichzeitigen Ankommen von Signalen von demThe computers 44 and 70 can be operated directly from the program planner 36, and computer 44 also becomes conditioned by the output of the AND circle 50, which of the simultaneous arrival of signals from that

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Verzögerungsmittel 46 und dem Programmplaner 36 abhängig ist. Dies· Instruktionssignale, die dem Computer 44 zugeführt werden, diktieren die besondere arjiithmetrische Folge, welche zur akustischen Laufzeitaufzeichnung hergestellt wird. Es sind Computer 44 und 70 vorgesehen mit zurückgesetzten Informationen zur Vorbereitung des nächsten Rechenzyklus.Delay means 46 and the program planner 36 is dependent. These instruction signals, which are fed to the computer 44, dictate the particular arithmetic sequence, which is produced for acoustic runtime recording. Computers 44 and 70 are provided with reset Information on preparing for the next calculation cycle.

Sie Ausgangseignale der Computer 44 und 70 haben die Gestalt von elektrischen Signalen, welche Anzeigemittel», wie z.B. den Registriergeräten 52 und 71 zugeführt werden. Wie durch die gestrichelte Linie dargestellt, ist das Registrierzuführmittel für die Registriergeräte mechanisch mit der Welle 28 verbunden, so daß es sich damit bewegt, wodurch eine Kurve der akustischen Laufzeitaufzeiohnung und der Zementbeschaffenheitsuntersuchung in bezug auf die Tiefe der Bohrung erhalten wird.The output signals of the computers 44 and 70 have the form of electrical signals, which display means », such as to the recorders 52 and 71. As shown by the dashed line, the registration feed means for the registration devices is mechanical connected to the shaft 28 so that it moves therewith, creating a curve of the acoustic travel time record and the cement consistency survey is obtained with respect to the depth of the well.

Steuersignalimpulee von dem Steuersignalgenerator 23 werden über eine Leitung 38 einem Kabel 26 zum Betrieb der Einrichtung in dem Bohrloch zugeführt, wie es Fig.6 unterhalb der gestrichelten Linien darstellt, welcher in dem oberen Teil 20a des Untersuchungswerkzeuges 20 angeordnet ist. Siese Einrichtung weist ein Wähl- und Steuermittel 54 auf, welches die empfangenen Steuersignalimpulse auswertet und eine spezifische Sender-Empfänger-Kombination wählt, so daS diese während jedes Meßzyklus in Betrieb gesetzt wird. Sie tatsächliche Auswahl wird durch ein Sender- und Empfängerauswahlaittel 56 bewerkstelligt, welches auf Sender-Steuermittel antwortet und das gewUnsohte Sender-Empfänge rp aar in den Stromkreis einlegt.Control signal pulses from the control signal generator 23 are fed via a conduit 38 to a cable 26 for operating the device in the borehole, as shown in FIG. 6 below the dashed lines, which in the upper part 20a of the examination tool 20 is arranged. This device has a selection and control means 54 which evaluates the received control signal pulses and selects a specific transmitter-receiver combination, so that it is put into operation during each measuring cycle. You actual selection is made by a broadcaster and Receiver selection means 56 accomplished, which responds to transmitter control means and places the usual transmitter-receivers rp aar in the circuit.

Sie Steuersignalimpuls· von dea Steuersignalgenerator 34 an der Oberfläche werden gleichfalls einem 8end«rkanal in der im Bohrloch befindlichen Einrichtung zugeführt. Der 8*n4*rkanal 58 ist mit einer 60 hz Bezugsfrequenz 300 synchronisiert und erfüllt tint 4r·ifach· Funktion, lunäohst ist amf d«a Stndtrkanal 58 «in Ausganfslaufiapult vorg·- ••h«m, ua 4·η tender zu aktivieren, d»r duroa 4a· WellmittelYou control signal pulse · from the control signal generator 34 on the surface also become an end channel in the downhole facility. The 8 * n4 * rchannel 58 is synchronized with a 60 Hz reference frequency 300 and fulfills the tint 4r · double · function, lunäohst is amf d «a Stndtrkanal 58« in Ausganfslaufiapult vorg · - •• h «m, among other things to activate 4 · η tender, d» r duroa 4a · corrugating agent

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56 ausgewählt worden ist. Dies erzeugt die akustische Energie zur Auswertung der Zementbesohaffenheit und zur Durchführung der LaufZeitmessungen.56 has been selected. This creates the acoustic energy for the evaluation of the cement composition and for the implementation the runtime measurements.

Der Senderkanal 58 führt ferner ein Blockierungssignal, um einen Teil des Empfängerkanals 60 zu entaktivieren. Der Empfängerkanal 60 weist einen mehrstufigen Verstärker auf mit Ausblendmitteln, um zu verhindern, daß ein Eingangssignal der ersten Stufe seine Ausgangsstufe erreicht. Der Ausgang des Senderkanals 53 liefert ein Blockierungssignal su dem Empfängerkanal 60, welches gerade vor der Erzeugung des Senderausgangsimpulses beginnt und bis zu einem Zeitaugenblick andauert, der gerade vor der frühestmöglichen Ankunft eines Signals von dem ausgewählten Empfänger liegt. Dadurch können Störsignale oder Übersprechungen während dieser Periode nicht durch den Empfängerkanal 60 zur Oberflächenanlage übertragen werden. Die Eingangsstufe des Empfängerkanals 60 ist über das Trennmittel 56 mit dem Trennempfänger gekoppelt. The transmitter channel 58 also carries a blocking signal, to deactivate part of the receiver channel 60. Of the Receiver channel 60 has a multi-stage amplifier with masking means to prevent an input signal the first stage reaches its initial stage. The output of the transmitter channel 53 supplies a blocking signal su the receiver channel 60, which just prior to the generation of the Transmitter output pulse begins and up to a time instant which is just before the earliest possible arrival of a signal from the selected receiver. Through this can cause interference or cross talk during this period not through the receiver channel 60 to the surface facility be transmitted. The input stage of the receiver channel 60 is coupled to the isolating receiver via the isolating means 56.

Der Senderkanal 58 führt ferner ein Senderzündsignal in dem Zeitaugenblick, in dem der Sender mit Impulsen beaufschlagt wird. Dieses Signal ist ein enger Impuls, der in dem Zeitaugenbliok kommt, an dem der Sender gesundet wird. Der Zündsignalimpuls ist an die unblockierte Ausgangsstufe des Senderkanals 60 angekoppelt und wird unmittelbar zur Oberfläche über die Leitung 40 übertragen, wodurch angezeigt wird, daß der Sender zu diesem Zeitaugenblick gesundet worden ist.The transmitter channel 58 also carries a transmitter ignition signal at the instant in which the transmitter receives pulses will. This signal is a tight impulse that comes in the instant the transmitter is healed. The ignition signal pulse is coupled to the unblocked output stage of the transmitter channel 60 and is immediately used Surface transmitted via line 40, thereby indicating becomes that the transmitter has been healed at this moment in time is.

Nachdem die Eingangsatufe des Empfängerkanals 60 geöffnet ist, werden elektrische Signale, die von der Beaufschlagung durch akustische Energie herrühren, von dem gewählten Empfänger abgetastet, verstärkt und durch die Kabelleitung 40 an die Oberfläche übertragene Pur jede Meeeung wird dann der Oberflächentinriohtung, jjowohl·ein MarkierungÄ-iapuli zugeführt, der tine Anzeig·ifüf^die Zeit der Zündung ;. des Senders darstellt und ein elektriauhee Signal, welche»After the input stage of the receiver channel 60 has been opened, electrical signals resulting from the application of acoustic energy are scanned and amplified by the selected receiver and each measurement transmitted to the surface via the cable 40 is then the surface direction, yes, a marking -iapuli supplied, the tine display · ifüf ^ the time of the ignition ; . of the transmitter and an electrical signal, which »

BADORlGtNAL _ .26 - 009*8 84/1 6 20BADORlGtNAL _. 2 6 - 009 * 8 84/1 6 20

der Beaufschlagung mit akustischer Energie bei den zugehörigen Empfänger entspricht« Be versteht sich natürlich, daß der gewählte Empfänger in dem Aufzeichnungswerkzeug die aufprallende akustische Energie in elektrische Signale umwandelt, die eine Wellenform haben, die für solche akustische Energie in der üblichen Weise repräsentativ ist.the application of acoustic energy to the associated receiver corresponds to «Be of course, that the selected receiver in the recording tool converts the impinging acoustic energy into electrical signals which have a waveform representative of such acoustic energy in the usual manner.

Sa die Einzelheiten der Betriebsweise der Einrichtung zur Durchführung von akustischen Laufzeitmessungen der oben erwähnten Patentschrift entnommen werden können, wird dies nachstehend nicht näher ausgeführt werden. Aufmerksamkeit wird gerichtet auf die Betriebsweise dee Zementauswertungscomputers 70, was sich mehr im einzelnen aus den Pig.8 und" 10 ergibt.Sa the details of the operation of the device for performing acoustic time of flight measurements of the above mentioned patent can be found, this will be not detailed below. Attention is drawn to the operation of the cement evaluation computer 70, which can be found in more detail in Pig. 8 and " 10 results.

Wie Fig.7 zeigt, wird das akustische Signal, 1/el ehe s von dem Werkzeug in der Tiefe des Bohrloches herrührt, verstärkt und an die Eingangsseite des Zeitgatters 80 des Zementauswertungsoomputers gelegt. Das Zeitgatter 80 ist, wie zuvor beschrieben, derart beschaffen, daß es durch den Auswahlprogrammplaner betrieben werden kann und ein Signal auswählt, wenn es erwünsoht ist, eine Zementbeschaffenheitsaufzeichnung durchzuführen. Von dem Zeitgatter 80 wird das Signal dem Eingang von drei Bandpaßfiltern 81, 82 und 83 zugeführt. Die Bandpaßfilter 81,^,82. und 83 können übliche L-C-Pilterschaltkreise sein, welche mit der gewünschten Mittelfrequenz und Bandbreite ausgebildet sein können, wie zuvor für eine bestimmte Verrohrungsgrößt beschrieben, Zum Beispiel für eine 152 mm Verrohrung kann das Bandpaßfilter Hr. 1 ein zehn bis 15 khz Piltor sein, während das Bandpaßfilter Nr. 2 eine Bandbreite von 15 bis 25 khz und Bandpaßfilter 3 eine solone von 25 - 45 khs aufweisen können.As Fig.7 shows, the acoustic signal is 1 / el before s originating from the tool at the depth of the wellbore, reinforced and fed to the input side of the timing gate 80 of the cement evaluation computer placed. As previously described, the timing gate 80 is arranged to be used by the selection program planner can be operated and a signal selects a cement texture record if so desired perform. From the timing gate 80 the signal is the input of three bandpass filters 81, 82 and 83 supplied. The band pass filters 81, ^, 82. and 83 can be conventional L-C filter circuits that are compatible with the desired Medium frequency and bandwidth can be designed as described above for a specific piping size, For example, for 152 mm tubing, the band pass filter Mr. 1 be a ten to 15 khz Piltor while that Bandpass filter no. 2 can have a bandwidth of 15 to 25 khz and bandpass filter 3 a solone of 25 - 45 khs.

Die Ausgangssignalβ der Bandpaßfilter 1, 2 und 3 werden in Regelvsrstärksrn 84, 85 und 86 verstärkt. Dies· Verstärker verstärken die Signal· ihrer entsprechenden Bandpaßfilter in verschiedenen Abstufungtn, uaa jedeThe output signals of the bandpass filters 1, 2 and 3 become Reinforced in regulators 84, 85 and 86. This· Amplifiers amplify the signal · their corresponding Bandpass filters in different gradations, including each one

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Vtreerrang, die bei den betreffenden Signal als Folge der akustischen Frequenzabhängigkeit des unteren Bohrloohempfangsübertragers vorliegt, auszugleichen. Die* Kon«ept ergibt «ich noch klarer unter Hinweis auf Pig.8, welche die Auegangefrequenz in Abhängigkeit eines typischen akustischen Aufzeichnungswandlers für einen konstanten Einganges ignalpegel zeigt, der quer zu seinem Frequenzspektrum mit den frequenzabhängigen Bandbreiten von den drei Filtern 81, 82 und 85 gewobbelt wird, die auf dieser Kurve übereinander gelagert sind. Es ergibt sich aus der Fig.8, daS ein solcher Smpfangswandler in dem Frequenzbereich des BandpaJfilters Hr. 2 beachtlich empfindlicher ist und daß er- wniger Empfindlichkeit in dem Frequenzbereich Ton Bandpafifiltern Nr. 1 und 3 aufweist. Wenn es erwünscht ist, den absoluten Pegel des Ausgangesignals des Wandlers zu messen, wie es erwünsoht ist, den akustischen Druck für die Zementauswertungsaufzeichnung zu messen, dann muß eine solche Vorspannung, wie sie durch die Frequenzabhängigkeit des Wandlers eingeführt wird, entfernt werden. Die Entfernung dieser Vorspannung wird durch Regelverstärker 84, 85 und 86 sicher gestellt, welche derart eingestellt werden, dafl sie die Ausgänge ihrer entsprechenden Filter verstärken, und zwar proportional zu der Frequenz, die von den Smpfangswandlern im Werkzeug im Bohrloch abhängt. Dies ist leicht zu bewerkstelligen, da die Frequenz, die von dem akustischen Wandler abhängig ist, wohl bekannt ist, und wenn der Frequenzbereich von Bandpaßfiltern 81, 82 und 83 festgelegt ist, dann kann der Verstärkungsgrad der Verstärker 84, 85 und 86 dementsprechend eingestellt werden. Diesen Vorgang kann man als Normalisierung des Ausgangsder Bandfilter bezeichnen.Vtreerrang for the relevant signal as a result of the acoustic frequency dependence of the lower Bohrlooh receiving transmitter is present to compensate. The * concept is even clearer with reference to Pig.8, which shows the output frequency as a function of a typical acoustic recording transducer for a constant input signal level that is transverse to its frequency spectrum with the frequency-dependent bandwidths from the three filters 81, 82 and 85, which are superimposed on this curve. It follows from FIG. 8 that such a reception transducer in the frequency range of the BandpaJfilters Mr. 2 is considerably more sensitive and that Has less sensitivity in the frequency range Ton Bandpass Filter No. 1 and 3. If it is desired the absolute level of the output signal of the converter measure as it is desired to measure the acoustic pressure for the cement scoring record, then one must such bias as introduced by the frequency dependence of the transducer can be removed. This bias is removed by control amplifiers 84, 85 and 86, which are set to amplify the outputs of their respective filters in proportion to the frequency used by the Smpfangswandlern depends in the tool in the borehole. This is easy to do because of the frequency used by the acoustic transducer is well known, and if the frequency range of band pass filters 81, 82 and 83 is set, the gain of amplifiers 84, 85 and 86 can be adjusted accordingly. This one This process can be referred to as normalizing the output of the bandpass filters.

Nachdem die Ausgangssignale der Bandfilter in dieser Weise normalisiert sin*, werden die Signal· durch die Int·- gratoren 87, ββ bezw. 89 integriert. Dl·· erfolgt, wie zuvor beschrieben, zu &·■ Zweck, dsj «in elektrisch·· SignalAfter the output signals of the band filter in this Normalized sin *, the signals are given by the int grators 87, ββ respectively. 89 integrated. Dl · · occurs as before described, for & · ■ purpose, dsj «in electrical ·· signal

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erzeugt wird, welches annähernd proportional dem Reflektionskoeffizienten in dem Frequenzbereich der Bandpaßfilter 81, 82 und 83 ist. Die Integratoren 87, 88 und 89 können übliche R-O-Integratoren sein, in welchen die Ladung, die auf einem Kondensator während des Integrationsintervalles gespeichert ist, proportional der Fläche unter der Kurve der Signale, in den Bandpaßbreiten der Filter 81, 82 und 83 ist.is generated, which is approximately proportional to the reflection coefficient is in the frequency range of the band pass filters 81, 82 and 83. The integrators 87, 88 and 89 can be common R-O integrators in which the charge that is stored on a capacitor during the integration interval, proportional to the area under the curve of the signals, in the bandwidths of the filters 81, 82 and 83.

Die Ausgangssignale der Integratoren 87» 88 und 89 können direkt aufgezeichnet werden, oder die Signale können wahlweise weiter behandelt werden durch den Stromkreis 90 und in einer einzigen Spur aufgezeichnet werden, die eine Aussage über die Zementverhältnisse oder den Prozent-' satz an Zement in dem Ringraum macht. Der Betrieb des Zementauswertungskreises 90 kann mehr im einzelnen aus der Fig.9 entnommen werden.The output signals of the integrators 87 »88 and 89 can be recorded directly, or the signals can optionally be further processed by the circuit 90 and recorded in a single track, which gives an indication of the cement ratios or the percentage ' set of cement in the annulus. The operation of the cement scoring circuit 90 can be seen in greater detail in FIG Fig. 9 can be taken.

Wie Fig.9 zeigt, weist dieser Stromkreis auf» drei Differentialkomparatoren 101, 102 und 103, ein Mehrfach-Nor-Gatter 104 und drei Signalgatter 105, 106 und 107 und einen den Durchschnitt bildenden Kreis 108. Die Ausgangssignale von dem den Durchschnitt bildenden Kreis 108 xm± sind geglättet und werden dem Registriergerät durch den Glättungskreis 91 der Fig.8 zugeführt. Die Gesamtfunktion des Stromkreises gemäß Fig.10 besteht darin, diejenigen Ausgangssignale von den beiden Integratoren auszuwählen und auszugleichen, die die niedrigsten Ausgangssignalpegel haben. Nachstehend wird unter Bezugnahme auf die Integratoreingangssignale der Integratoren 87, 88 und 89 entsprechend wie A, B und C die Wirkungsweise des Kreises wie folgt beschrieben.As Fig. 9 shows, this circuit comprises three differential comparators 101, 102 and 103, a multiple-nor gate 104 and three signal gates 105, 106 and 107 and an averaging circuit 108. The output signals from the averaging circuit 108 xm ± are smoothed and are fed to the recorder by the smoothing circuit 91 of FIG. The overall function of the circuit according to FIG. 10 is to select and balance those output signals from the two integrators which have the lowest output signal levels. With reference to the integrator inputs of the integrators 87, 88 and 89 corresponding to A, B and C, the operation of the circuit will be described as follows.

Differentialkomparatoren 101, 102 und 103 empfangen jeder alle drei der Eingangssignale A, B und C. Diese Differentialkomparatoren vergleichen jeder die relative Höhe von einem der Eingangssignale mit jedem der anderen beiden Eingangssignale. Jeder Komparator hat zwei Ausgänge. EsDifferential comparators 101, 102 and 103 each receive all three of the input signals A, B and C. These differential comparators each compare the relative magnitude of one of the input signals with each of the other two Input signals. Each comparator has two outputs. It

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entsteht ein Ausgangssignal vom Differentialkomparator zum Beispiel auf der Leitung, die markiert ist A > B, wenn die Höhe des Signals A größer ist als diejenige des Signals B und ferner ein Ausgangsimpuls auf der Leitung, die markiert ist A > C, wenn A größer als C ist. Auf ähnliche Weise vergleichen die Differentialkomparatoren 102 das Signal B mit den "beiden anderen Signalen und der Differentialkomparator 103 vergleicht das Signal C mit den anderen beiden Signalen, wobei jedesmal Ausgangsimpulse auf den Leitungen aufgezeichnet werden, um das Ergebnis dieser Vergleiche anzuzeigen. Wenn die Bedingung, die auf der Ausgangsleitung aufgezeichnet ist, nicht zufriedenstellend ist, dann würde kein Ausgangsimpuls auf dieser Leitung durch den Differentialkomparator erzeugt werden, d.h. wenn A nicht größer als B wäre, würde auf der Leitung A > B kein durch den Differentialkomparator 101 erzeugter Ausgangsimpuls entstehen.an output signal is generated from the differential comparator for example on the line that is marked A > B, if the height of the signal A is greater than that of the Signal B and also an output pulse on the line, which is marked A> C if A is greater than C. The differential comparators compare in a similar manner 102 the signal B with the "two other signals and the differential comparator 103 compares the signal C with the other two signals, each time output pulses recorded on the lines to the result to display these comparisons. When the condition recorded on the output line is unsatisfactory then there would be no output pulse on this line generated by the differential comparator, i.e. if A were not greater than B, it would be on the line A> B no output pulse generated by the differential comparator 101 arise.

Die Ausgangsleitungen der Differentialkomparatoren werden als Eingänge für den Mehrfach-Nor-Gatter-Kreis verwendet. Dieser Kreis wirkt derart, daß er die beiden Filterausgangssignale auswählt, welche niedriger sind als das dritte. Jedes individuelle Nor-Gatter in dem Mehrfach-NOR-Gatter-Kreis 104 hat zwei Eingangsleitungen. Ein Ausgangsimpuls wird nur erzeugt, wenn eine Eingangsspannung an beiden ihrer Eingangsleitungen gleichzeitig vorhanden ist. Wenn daher zum Beispiel die Eingangsleitungen zu dem einen individuellen NOR-Gatter des Mehrfach-NOR-GatterStromkreises die Leitungen sind, die mit A> B und A > 0 markiert sind und.ein Impuls auf beiden dieser Leitungem vorhanden ist, dann wird ein Impuls auf der Mehrfaoh-NQR-Stromkreisausgangsleitung erzeugt» die B + 0 <A gekennzeichnet ist. Auf ähnliche Weise werden alle möglichen Kombinationen von Signalen in das Mehrfaoh-HOR--Ga,tter hin eingeführt, und die Auewahl von. zwei Signalen des niedrigeten Wertes findet statt. Es sei darauf hingewiesen, daß The output lines of the differential comparators are used as inputs to the multiple nor gate circuit. This circuit acts to select the two filter output signals which are lower than the third. Each individual NOR gate in multiple NOR gate circuit 104 has two input lines. An output pulse is only generated if an input voltage is present on both of its input lines at the same time. Therefore, if, for example, the input lines to the one individual NOR gate of the multiple NOR gate circuit are the lines marked A> B and A> 0 and there is a pulse on both of these lines , then a pulse will appear the Mehrfaoh-NQR-Stromkreisausgangsleitung produces » which B + 0 <A is marked . Similarly, all possible combinations of signals in the Mehrfaoh-HOR - Ga introduced toward tter and the Auewahl of. two signals of the lowest value takes place. It should be noted that

009684/1620009684/1620

nur eine von drei Ausgangsleitungen auf dem Mehrfach-NOR-Gatter-Stromkreis 104 einen Ausgangsimpuls zu einer gegebenen Zeit führt, da nur eine der Ausgangskombinationen möglich ist, d.h. ein Signal muß um einen endlichen Betrag kleiner sein als die anderen beiden. Der Ausgang des Mehrfach-NOR-Gatter-Stromkreises wird verwendet, um die drei Signalgatter 105, 106 und 107 zu konditionieren.only one of three output lines on the multiple NOR gate circuit 104 results in an output pulse at a given time, since only one of the output combinations is possible, i.e. one signal must be smaller than the other two by a finite amount. The output of the multiple NOR gate circuit is used to condition the three signal gates 105, 106 and 107.

Die Signalgatter 105, 106 und 107 werden verwendet, um den Durchgang der Eingangssignale A, B und C ±n den durchschnittsbildenden Stromkreis 108 zu steuern. Wenn nicht ein Signal auf einem der Sekundäreingänge 109, 110 und 111 der Gatter 105, 106 und 107 vorliegt, dann erlauben die Tore nicht einen Durchgang ihrer Primäreingangssignale A, B und C in den durohschnittsbildenden Stromkreis. Wenn zum Beispiel daher der Mehrfach-NOR-Gatter-Ausgang B + C > A einen Ausgangsimpuls auf sich liegen hat, dann werden die Signalgatter 106 und 107 konditioniert, so daß sie die Signale B und C zu dem durchschnittsbildenden Stromkreis 108 hindurchlassen. Auf ähnliche Weise aktivieren die anderen Mehrfaoh-NOR-Gatter-Ausgänge andere Paare von Signalgattern und erlauben anderen Signalkombinationen den durchschnittsbildenden Stromkreis 108 zu erreichen. Der durchschnittsbildende Stromkreis 108 bildet dann den Durchschnitt von den zwei niedrigsten Signalen, welche an seinem Eingang erscheinen, und dieser Durchschnitt, welcher ein Kennzeichen der Zementbeschaffenheit in dem Ringraum ist, wird dem Aufzeichnungsglättungsstromkreis 91 von Fig.7 zugeführt.Signal gates 105, 106 and 107 are used to control the passage of input signals A, B and C ± n through averaging circuit 108. Unless there is a signal on one of the secondary inputs 109, 110 and 111 of gates 105, 106 and 107, the gates will not allow their primary input signals A, B and C to pass into the thermosetting circuit. Thus, for example, if the multiple NOR gate output B + C> A has an output pulse on it, then signal gates 106 and 107 are conditioned to pass signals B and C to the averaging circuit 108. Similarly, the other multiple NOR gate outputs activate other pairs of signal gates and allow other signal combinations to reach the averaging circuit 108. The averaging circuit 108 then averages the two lowest signals appearing at its input and this average, which is indicative of the cement quality in the annulus, is fed to the record smoothing circuit 91 of FIG.

Ea ergibt sich für den Fachmann, daß die Ausgänge der Integratoren 87, 88 und 89 von Fig.7 auf Magnetband für eine spätere Datenverarbeitung durch einen Allzweok-Digitalcomputer aufgezeichnet werden können, oder wenn ein kleiner Allzweck-Digitaloomputer auf der Bohrlochseite zur Verfügung steht, dann kann er dazu benutzt It will be apparent to those skilled in the art that the outputs of integrators 87, 88 and 89 of Figure 7 can be recorded on magnetic tape for later data processing by an all-purpose digital computer, or if a small general-purpose digital computer is available downhole, then he can use it

"009884/1620"009884/1620

werden, die Signale unmittelbar zu verarbeiten. Ein solches Digital-Verarbeitungsschema ist für die vorliegende Erfindung in Erwägung gezogen worden, und ein schematisches Diagramm, welches einen Teil eines solchen Systems offenbart, zeigt die Fig.10.to process the signals immediately. One such Digital processing scheme has been considered for the present invention, and a schematic diagram, which discloses part of such a system is shown in FIG.

Fig.11 zeigt, wie die Ausgangssignale der Integratoren 87, 88 und 89 in Analog-Digital-Konverter 115, 116 und 117 eintreten. Diese gerade besprochenen Ausgangssignale können direkt von den Integratoren oder von einem Magnetband entnommen werden. Wahlweise kann die rohe akustische Wellenform fön dem im Bohrloch befindlichen Werkzeug auf ein Hagnetband aufgezeichnet und in ein System zurückgespielt werden, wie es Pig.7 darstellt, welches an einer entfernten Stelle betrieben wird, wozu die Integratorausgänge -vorgesehen sind. Wahlweise kann die rohe akustische Wellenform in einem AnalogwDigital-Konverter umgesetzt und einem Allzweck-Digitalcomputer zugeführt werden und durch Fourrier-Analyse in ihre Frequenzbestandteile zerlegt und digital gefiltert werden, um das Äquivalent der Ausgänge der Integratoren 87, 88 und 89 zu erhalten. In jedem Fall mögen die Integratorausgänge in digitale (binäre) Form umgesetzt und in einem Allzweekcomputer 118 verarbeitet werden. Analog-Digitalkonverter 115, 116 und 117 können von jeder Ausbildung gemäß dem Stand der Technik sein. Auf ähnliche Weise können Allzweckcomputer 118 von jeder wohlbekannten Type sein, die derartige Eingangsdaten verarbeiten kann. Fig.11 shows how the output signals of the integrators 87, 88 and 89 in analog-to-digital converters 115, 116 and 117 enter. These output signals just discussed can be taken directly from the integrators or from magnetic tape. Optionally, the raw acoustic Waveform blows to the tool in the borehole a magnetic tape can be recorded and played back into a system, as Pig.7 represents, which is connected to a remote location, for which purpose the integrator outputs are provided. Optionally, the raw acoustic Waveform converted in an analog to digital converter and are fed to a general purpose digital computer and broken down into their frequency components by Fourrier analysis and digitally filtered to obtain the equivalent of the outputs of integrators 87, 88 and 89. In any case The integrator outputs may be converted into digital (binary) form and processed in a general purpose computer 118 will. Analog-to-digital converters 115, 116 and 117 can be of any prior art design. Similarly, general purpose computers 118 can be of any well known type that can process such input data.

Fig.11 zeigt ein FluBdiagramm eines Unterprogramms zur Verarbeitung der Integratorausgangsdaten, die in digitale Form umgewandelt worden sind. Das Subprogramm kann Teil eines Verarbeitungssystems des Computers 118 sein und wird zur Durchführung aufgerufen oder kommt auf eine periodische Basis, wenn immer solche Daten zur Verarbeitung vorliegen. Das Unterprogramm bewerkstelligt grundsätzlich dieselben Rechnungen, die durch den Zementauswertungsstrom-11 shows a flow diagram of a subroutine for processing the integrator output data, which is converted into digital Shape have been transformed. The sub-program can be part of a processing system of the computer 118 and is called to perform or comes on a periodic basis whenever such data is available for processing are present. The subroutine basically accomplishes the same bills generated by the cement evaluation stream

\ 52 JJ0988A/ 16 20 \ 52 JJ0988A / 16 20

kreis der Fig.9 durchgeführt werden. Wenn das Unterprogramm beginnt, dann stehen die digitalen Werte der Integrator-Ausgänge A, B und O zu dessen Verfügung in einer Datenbank 121 eines Allzweck-Computers 118. Das Eingangssignal A wird zunächst mit dem Eingangssignal B im Block 122 geprüft. Wenn A größer ist als B, dann wird A zusammen mit C im Block 123 geprüft. Wenn A größer ist als beide,B und C, dann ist die Ausgangsveränderliche (genannt AVG) gleich (B + C)/2. Wenn A größer ist als B, aber geringer als C, dann ist AVG gleich (A + B) /2. Andererseits wenn A kleiner ist als B, dann wird B mit C im Block 124 verglichen, und wenn B größer ist als A und 0, dann ist AVG gleich (A + C) /2. Andererseits ist C die größte Eingangsvariable und AVG gleich (A +B) /2. Die variable AVG wird dann Ausgang für einen Recorder 119 oder ein anderes Computer-Darstellgerät 120, so wie z.B. ein Oszilloscop oder ein Digitaldrucker durch andere geeignete Computer-Unterprogramme bekannter Art in einem Allzweckcomputer 118.,circle of Fig.9 can be carried out. When the subroutine starts, then the digital values of the integrator outputs A, B and O are available in a database 121 of a general purpose computer 118. The input signal A is first checked against the input signal B in block 122. If A is greater than B, then A is tested along with C in block 123. If A is greater than both B and C, then the output variable (called AVG) is equal to (B + C) / 2. If A is greater than B but less than C, then AVG is equal to (A + B) / 2. On the other hand, if A is less than B then B is compared to C in block 124, and if B is greater than A and 0 then AVG is equal (A + C) / 2. On the other hand, C is the largest input variable and AVG is (A + B) / 2. The variable AVG then becomes the exit for a recorder 119 or other computer display device 120 such as an oscilloscope or a Digital printer by other suitable computer subroutines known in the art in a general purpose computer 118.,

In jedem Fall von Analog- oder Digital-Verarbeitung der Daten ist das letzte Ergebnis eine Ausgangsanzeige, die Bezug hat zur Zementwirksamkeit als Funktion der Tiefe des Bohrloches. Eine solche Anzeige kann zum Beispiel die Form einer Aufzeichnung des Prozentsatzes an Zement in dem Ringraum in Abhängigkeit von der Tiefe sein. Wie zuvor beschrieben, kann die akustische Laufzeitaufzeichnung längsseits dieser Aufzeichnung zusammen mit einer Zementbindungsaufzeichnung dargestellt sein, und zwar basiert auf einer Messung der Amplitude des ersten Toneingangssignalβ, wenn gewünscht. Es ist augenscheinlich, daß eine solche Kombination von Aufzeichnungen sehr viel mehr Informationen über die Zementverhältnisse in dem Ringraum der Bohrloeh-Bedienungsperson liefert, als es bisher möglich war.In either case of analog or digital processing of the data, the final result is an output display, the Has relation to the cement effectiveness as a function of the depth of the borehole. Such a display can, for example, take the form a record of the percentage of cement in the annulus as a function of depth. Like previously described, can have the acoustic run-time record alongside this record along with a cement bond record be shown, based on a measurement of the amplitude of the first audio input signal β, if desired. It is evident that such a combination of records reveals a great deal more information about the cement conditions in the annulus of the borehole operator delivers than was previously possible.

Während ein besonderes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung gezeigt und beschrieben worden ist, ist es offensichtlich, daß Änderungen und AbwandlungenWhile a particular embodiment of the present With the invention shown and described, it is apparent that changes and modifications

_ 33 .009884/1620_ 33 .009884 / 1620

durchgeführt werden können, ohne von dieser Erfindung in einem breiteren Aspekt abzuweichen, und daher ist es das Ziel der nachstehenden Ansprüche, alle derartigen Änderungen und Abwandlungen zu beanspruchen, die in den wirklichen Geist und in das Ziel der Erfindung hineinfallen.can be carried out without being affected by this invention in to deviate from a broader aspect, and hence it is that The aim of the following claims is to claim all such changes and modifications which appear in the real Mind and fall into the goal of the invention.

Im Zusammenhang mit den Prinzipien der vorliegenden Erfindung werden Verfahren und Einrichtungen zur Auswertung der Wirksamkeit des Zementes in verrohrten Bohrlöchern vorgesehen. Es wird akustische Energie verwendet, um das System Bohrloch-Verrohrung-Ringraum-Formation in Schwingungen zu versetzen, und der radiale Energiedurchgang in die Formation wird durch Prüfung der Reflexionskoeffizienten des Systems in einer Mehrzahl von relativ breiten Frequenzband ern bestimmt, die sich über das Spektrum der akustischen Energie erstrecken, die zur Erregung des Systems verwendet wird. Me Spektralanalyse wird durchgeführt, indem elektrische Signale, die für die reflektierte akustische Energie repräsentativ sind, durch eine Mehrzahl von relativ breiten Bandpassfiltern geleitet werden, deren Mittelfrequenzen entsprechend der Gestaltung der auszuwertenden Verrohrung ausgewählt sind. Eine relativ niedrige Höhe des Reflektionskoeffizienten in einer Mehrzahl dieser Filter ist ein Anzeichen für das Vorhandensein einer guten Zementbeschaffenheit. In connection with the principles of the present invention, methods and devices for evaluation the effectiveness of the cement provided in cased boreholes. Acoustic energy is used to do that System of vibrating well-casing-annulus-formation, and the radial passage of energy into the Formation is established by examining the reflection coefficients of the system in a plurality of relatively broad frequency bands These are determined to span the spectrum of acoustic energy used to excite the system will. Me spectrum analysis is performed by adding electrical signals responsible for the reflected acoustic energy are representative are passed through a plurality of relatively wide band pass filters whose center frequencies are selected according to the design of the piping to be evaluated. A relatively low level of the Reflection coefficient in a majority of these filters is an indication of the presence of good cement quality.

34 -34 -

009884/1620009884/1620

Claims (3)

PatentansprücheClaims 1. Verfahren zur Durchführung von Aufzeichnungen in einem verrohrten Bohrloch, um die Wirksamkeit des Zementes festzustellen, der in einem Hingraum zwischen der Verrohrung und der Formation angeordnet ist, wobei eine Komponente von akustischer Energie radial nach außen von dem Bohrloch in die Verrohrung und die umgebenden Formationen übertragen wird und ein reflektierter Teil der übertragenen Energie empfangen wird und ein repräsentatives elektrisches Signal erzeugt wird, gekennzeichnet durch die Verfahrensschritte der Trennung des repräsentativen Signals der empfangenen Energie in Komponenten des akustischen Frequenzspektrums durch Auswahl von wenigstens drei der Komponenten des Frequenzspektrums, die relativ weite Bandbreiten haben und durch Erzeugung von Signalen, die funktionell mit dem akustischen Reflektionskoeffizienten in Beziehung stehen in dem Teil oder in den Teilen des akustischen Frequenzspektrums der gewählten Komponenten.1. Method of keeping records in a cased borehole to determine the effectiveness of the cement determine which is located in an adjoining space between the casing and the formation, wherein a Component of acoustic energy radially outward from the borehole into the casing and the surrounding area Formations is transmitted and a reflected portion of the transmitted energy is received and a representative one electrical signal is generated, characterized by the process steps of separating the representative signal of the received energy in components of the acoustic frequency spectrum Selecting at least three of the components of the frequency spectrum that have relatively wide bandwidths and by generating signals functionally related to the acoustic reflection coefficient are in the part or parts of the acoustic frequency spectrum of the selected components. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein von der Wirksamkeit des Zementes abhängiges Signal erzeugt wird, welches eine funktionelle Beziehung zum Signal des akustischen Reflektionskoeffizienten hat.2. The method according to claim 1, characterized in that a dependent on the effectiveness of the cement Signal is generated indicating a functional relationship to the signal of the acoustic reflection coefficient. 3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß/vÜJn der Wirksamkeit des Zementes abhängige Signal erzeugt wird durch Erzeugung eines repräsentativen Signals aus dem Durchsohnitt von zwei Signalen des Reflektionekoeffieienten, die die kleinste Höhe haben.3. The method according to claim 2, characterized in that / vÜJn the effectiveness of the cement dependent signal is generated by generating a representative signal from the consistency of two signals of the reflection coefficient, which have the smallest height. 009884/1620009884/1620 LeerseiteBlank page
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