DE2829982A1 - Verfahren und vorrichtung zum akustischen untersuchen einer verrohrung und einer verrohrungszementverbindung in einem bohrloch - Google Patents

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Besch reibung
zum Patentgesuch

der Firma Societe de Prospection Electrique Schlumberger, 42, rue Saint Dominique, Paris/Frankreich

betreffend:

"Verfahren und Vorrichtung zum akustischen Untersuchen einer Verrohrung und einer Verrohrungszementverbindung in einem Bohrloch"

Die Erfindung betrifft Verfahren und Vorrichtungen zum akustischen Untersucheneines Bohrlochs, insbesondere unter Verwendung einer Schallimpulsechotechnik zum Untersuchen der Qualität der Zementverbindung zu der Verrohrung und der Dicke der Verrohrung in dem Bohrloch.

Beim Bohrlochausbau wird eine Verrohrung in das Bohrloch eingebracht und Zement in den Ringraum zwischen der Verrohrung und dem Bohrlodh gedrückt, hauptsächlich um öl-und gasproduzierende Bereiche voneinander und von wasserführenden Schichten zu trennen.

Wenn es dem Zement nicht gelingt, die Trennung eines Bereichs vom anderen herzustellen, können Fluids unter Druck

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von einem Bereich in einen benachbarten wandern und auf diese Weise einen benachbarten, anderweitig produktiven Bereich verseuchen. Insbesondere erzeugt das Eindringen von Wasser unerwünschte Beeinträchtigungen einer Produktionszone und kann ein Bohrloch unwirtschaftlich machen.

Fehler bezüglich der Zementverbindung können in vielfältiger Art auftreten. Beispielsweise kann aus dem einen oder anderen Grunde der Zement hinter dem Verrohrungssegment, wo er sein sollte, vollständig fehlen. Dies würde ein großer Fehler bezüglich der Zementverbindung sein, der zu einer schnellen Kontaminierung zwischen Bereichen führen würde, die voneinander getrennt bleiben sollen.

Ferner kann es vorkommen, daß der Zement hinter der Verrohrung vorhanden ist, daß jedoch ein schmaler zementfreier Ringraum zwischen der Verrohrung und dem Zement existiert.

Verbindung, Dieser Ringraum kann so breit sein, daß er eine hydraulische / zwischen Zonen ermöglicht, die zu unerwünschter Kontaminierung führt.

Ein derartiger Ringraum kann jedoch auch so schmal sein, daß er die Funktion des Zementes hinsichtlich der hydraulischen Sicherheit wirksam erhält. Ein derartiger akzeptabler schmaler Ringraum kann sich durch die Art und Weise ergeben, wie der Zement eingeführt wurde. Beispielsweise wird der Zement typsicherweise unter sehr hohem Druck eingeführt, wie er etwa unter Verwendung eines schweren Schlamms erzeugt wird, um den Zementpfropfen abwärts und in den Ringraum um die Verrohrung zu befördern. Der resultierende Druck innerhalb der Verrohrung bewirkt eine leichte Expansion der Verrohrung und eine nachfolgende Kontraktion, wenn der schwere Schlamm entfernt wird. Die Größenordnung der Kontraktion hängt von dem Druck und der Verrohrungswandstärke ab und neigt dazu, zu einer leichten Trennung, einem Ringraum zwischen dem Zement

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und der Verrohrung zu führen. Es ist wichtig zu wissen, ob der Zement seine Funktion erfüllt, daß heißt ob die Zementverbindung hydraulisch sicher ist.

Verfahren wurden vorgeschlagen, um die Qualität der Zementverbindung zu bestimmen. In diesem Zusammenhang wird unter dem Wort "Verbindung" sowohl der Fall verstanden, daß der Zement tatsächlich an der Verrohrung haftet, als auch der Fall, in dem keine Haftung vorhanden ist, wobei jedoch ein schmaler Mikroringraum vorhanden ist, der so schmal ist, daß er eine Fluidverbindung zwischen den durch Zement getrennten Bereichen verhindert. Unter einer "guten Verbindung" wird daher eine Trennung der Zonen durch den Zement verstanden, wobei ein Flüssigkeitsübertritt zwischen den Zonen sogar bei Anwesenheit eines Mikroringraums verhindert wird. Es ist daher wünschenswert, bei der untersuchung des Zementes derartige Mikroringräume als gute Zementverbindungen zu identifizieren, während Ringräume, die die Zonen nicht hydraulisch trennen können, als unsicher oder schlechte Verbindungen erkannt werden.

Das Problem der Untersuchung des Zementes hinter einer dicken Verrohrung mit einer Einrichtung, die sich innerhalb der Verrohrung befindet, führte zu verschiedenen Verfahren zum Untersuchen des Zementes unter Verwendung von Schallenergie .

Beispielsweise wird in der US-PS 3 4o1 773 ein Zementuntersuchungsverfahren beschrieben, bei dem eine Einrichtung verwendet wird, die einen Schallsender und einem Schallempfänger aufweist, die in Längsrichtung voneinandergetrennt angeordnet sind. Das Verrohrungssignal, das durch die Verrohrung läuft, wird verarbeitet, wobei ein nachfolgender Abschnitt, der durch Anwesenheit oder Abwesenheit von Zement hervorgerufen wird,

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abgeschnitten wird. Der abgeschnittene Abschnitt wird integriert, um eine Messung seiner Energie als Anzeige der Abwesenheit oder Anwesenheit von Zement hinter der Verrohrung zu liefern. Obwohl ein derartiges Verfahren eine zweckmäßige Information über Zementfehler hinter der Verrohrung liefert, ist die Beurteilung der Qualität der Zementverbindung nicht genügend genau, da die Messung Zementzustände über einen relativ großen Abstand zwischen dem Sender und Empfängern ermitteln und keine Untersuchung in Umfangsrichtung liefern, d.h. Informationen bezüglich des Zustandes der Verbindung an verschiedenen Punkten am Umfang der Verrohrung. Ferner kann dieses Verfahren einen hydraulisch sicheren Ringraum als defekte Zementverbindung wegen einer nicht adequaten Energieübertragung von dem Verrohrungssignal zu dem Zement durch den Ringraum charakterisieren.

Ein genaueres Verfahren zum untersuchen des Zementzustandes ist in der US-PS 3 69 7 937 beschrieben, wobei ein Schallsender-Empfänger mit Nullabstand verwendet wird, um Refelektionskoeffizienten von Reflektionen zu messen, die durch Materialdiskontinuitäten erzeugt werden. Zementzustände in verrohrten Bohrlöchern werden untersucht durch Vergleichen der relativen Amplitude und Phase von reflektierter Schallenergie, die auf paarweise angeordnete akustische Wandler mit einer Vielzahl von Frequenzen auftrifft. Für die Schalluntersuchung werden insbesondere Schallfrequenzen im Bereich von 5 - 5o KHz angegeben. Bei derartigen Schallfrequenzen variieren die Reflektionskoeffizienten (das Amplitudenverhältnis von einfallenden Wellen zu austretenden Wellen in dem Schlamm innerhalb der Verrohrung) als Funktion davon, ob ein mit Zement gefüllter oder nicht mit Zement gefüllter Ringraum vorhanden ist, sowie mit der Breite des Ringraums und der Härte der Formation.

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In der US-PS 3 732 947 wird eine Schallimpulstechnik zur Zementverbindungsuntersuchung beschrieben, wobei die Dämpfung von Schallsignalen, die von den Materialdiskontinuitäten reflektiert werden, bei radialen Resonanzfrequenzen gemessen, werden, ohne daß eine Untersuchung in Umfangsrichtung stattfindet. Die gemessenen Dämpfungskonstanten werden dann verwendei} um die Dicke des Ringraums den Zement mit der Berechnung abhängig von der Art der Formation als auch von Messungen zu berechnen, die bei verschiedenen Resonanzfrequenzen durchgeführt wurden. Dieses Verfahren benötigt niedrige Frequenzen, wobei eine Kompensation für Formationseigenschaften von einer anderen Bohrlochuntersuchung erforderlich ist. Ferner wird eine Information bezüglich der Wandstärke des Zementrings benötigt, um eine Bewertung des Ringraums zwischen dem Zement und der Verrohrung ableiten zu können.

Wenn die Zementuntersuchungen mit Schallwellen von niedriger Frequenz entsprechend den US-PSen 3 697 937 und 3 732 9 47 vorgenommen werden, werden sogenannte radiale oder reifenartige Resonanzen beobachtet. Eine Resonanz umfaßt das System aus Verrohrung und Ringraum, eine zweite höhere Resonanz tritt für den Zementring selbst auf. Die Verwendung solcher Resonanzen zum Feststellen der Ab- oder Anwesenheit von Zement in dem Ringraum um die Verrohrung ist nicht einfach, um die Zementverbindungsqualität bei der Anwesenheit von schmalen Ringräumen zwischen der Verrohrung und dem Zement zu beurteilen.

In der US-PS 3 175 639 ist ein Schallimpulsechoverfahren beschrieben, um den Formationsbereich längseines Bohrlochs zu untersuchen. Ein Schallimpulsgenerator, der mit einer Bequenz in der Größenordnung von 1o MHz arbeitet, wird benachbart der Wandung eines Bohrlochs angeordnet und erzeugt sehr kurze

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akustische Impulse, die auf die Formation gerichtet sind. Die verstrichene Zeit während der Erzeugung des ausgesandten Schallimpulses und den reflektierten Impulsen wird ebenso wie die Amplitude der empfangenen Impulse gemessen. Die Messungen werden dann verwendet, um die akustische Impedanz der Formation zu bestimmen.

Gemäß dieser Patentschrift wird eine Verarbeitungseinrichtung vorgesehen, mit der die Rücksendeimpulse, die nach dem ausgesandten Impuls auftreten, gleichgerichtet und integriert werden. Das integrierte Signal wird als proportional zu der mittleren Ampfelitude des Rücklaufimpulses aufgezeichnet. Das integrierte Signal wird dazu verwendet, die akustische Impedanz der Formation längs des Bohrlochs unter Verwendung einer Messung der Dicke des Bohrlochschlammkuchens, einer Kenntnis der Amplitude des Sendeimpulses, der Absorptionscharakteristik des Bohrschlamms und der akustischen Impedanz des Schlammkuchens abzuleiten.

Die Schallimpulsechotechnik dieser Patentschrift eignet sich selbst nicht zur Untersuchung der Qualität von Zementverbindungen. Die verwendete Frequenz ist zu hoch, hierbei würden alle Mikroringräume als schlechte Zementvabindungen charakterisiert werden. Ferner wird der Schallwandler nahe der Bohrlochwandung angeordnet, so daß Sekundärausstrahlungsintaferenzen auftreten können, etwa wenn ein zurückgesandtes Echo von dem Wandler als zweite Ausstrahlung zurück in die Formation reflektiert wird.

In der US-PS 3 34o 953 ist ein Formationsuntersuchlängsverfahren durch die Verrohrung hindurch mittels Schallwellen beschrieben, wobei die Schallfrequenzen durch die Verrohrungswandstärke bestimmt werden. Hierbei wird Schallenergie von einem Sender zu einem Paar von entfernt davon angeordneten

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Empfängern ausgestrahlt. Die Frequenz der Schallenenergie wird auf der Basis einer bestimmten Beziehung ausgewählt,die von der Geschwindigkeit der Scherungswelle in der Verrohrung, einer beliebigen dimensionslosen Zahl und der Verrohrungswandstärke abhängt. Die vorgeschlagenen Sendefrequenzen betragen 3oo - 46o kHz für eine Wandstärke der Verrohrung von o,64 cm, während entsprechend niedrigere Frequenzen für dickere Verrohrungen infragekommen.

Dieses Verfahren arbeitet nicht bezüglich eines speziellen isolierten Verrohrungssegmentes, sondern aufgrund der Anordnung von Sender und Empfänger mit Abstand zueinander längs des Bohrlochs wird ein Mittelwert über den vorgesehenen Abstand geliefert. Außerdem wird dieses Verfahrennicht zum Untersuchen der Zementverbindung durch Analysieren von Reflektionen von radial aufeinanderfolgenden Grenzflächen verwendet.

In der US-PS 3 883 841 wird ebenfalls ein Schallimpulsechoverfahren zum Massen der akustischen Impedanz des Materials längs einer Wandung in einem Bohrloch beschrieben. Der Schallimpulswandler ist mit verschiedenen Schallkopplungsschichten zwischen dem bündig montierten Wandler und dem Bohrloch versehen. Hierbei wird ein Schallimpuls vorgeschlagen, dessen Frequenzspektrum im Bereich von etwa 1oo kHz bis etwa 5 MHz liegt. Dies ist ein Frequenzbereich, der allgemein der Bandbreite entspricht, die in der US-PS 2 825 o44 vorgeschlagen wird, in der eine Ultraschalleinrichtung zur Exploration einer Bohrlochwandung mit Schallwellen bei Frequenzen von 1oo KHz bis 1o MHz vorgeschlagen wird.

Die Schallechos, die nach der US-PS 3 883 841 erhalten werden, werden als zweckmäig zur Beurteilung der Zementverbindung angegeben. Es wird ausgeführt, daß zum Messen der akustischen Impedanz des Materials in Kontakt mit der Verrohrung

zwei aufeinanderfolgende Extremwerte von empfangenen Impulsen extrahiert werden müssen, wobei ihr Verhältnis gebildet wird, um in einer Rechenschaltung die akustische Impedanz abzuleiten. Da eine Verrohrungswandsstärke in der Praxis um To - 2o % variieren kann, ist diese Näherung des Extrahierens von aufeinanderfolgenden Reflektionen schwierig und problematisch. Ferner bewirken die Schallimpedanzkopplungsschichten eine Dämpfung. Als Ergebnis hiervon wird der potentielle Fehler beim Messen individueller Reflektionen vergrößert, wodurch die Effektivität der Analyse der akustischen Untersuchung reduziert wird.

Bei einer vereinfachten Näherung, die im Zusammenhang mit Fig. 15 der US-PS 3 883 841 beschrieben wird, wird vorgeschlagen, die Zementverbindung direkt durch Integrieren des gesamten empfangenen Echosignals zu bestimmen und die resultierende Integration als Funktion der Tiefe aufzuzeichen. Dies umfaßt auch die Stärkenverrohrungsreflektionen, deren Verwendung die signifikanteren späteren Reflationen verwischt und dazu führt, daß Formationsreflektionen mitumfaßt werden.

Ein Frequenzbereich, wie er in dieser Patentschrift vorgeschlagen wird, umfaßt am unteren Ende Frequenzen, die dazu führen können, daß reifenartige Resonanzen in Verrohrung und Ringraum mit den begleitenden Empfindlichkeiten erzeugt werden (was die Beurteilung der Zementverbindung bei Anwesenheit von schmalen Ringräumen schwierig macht. Am oberen Ende des Frequenzbereichs werden die Ringräume zwischen Verrohrung und Zement lückenlos als schlechte Zementverbindungen interpretiert, auch wenn die Zementverbindung hydraulisch sicher sein sollte. Ferner scheint der Abstand zwischen dem Wandler und der Verrohrung als schmaler Ringraum, wodurch die Beurteilung der Zementverbindung verwischt wird.

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Wenn eine Schallimpusechotechnik zur Untersuchung eines Bohrlochs verwendet wird, ist es wünschenswert, eine adequate Anzahl von Zyklen in den reflektierten Impulsen zu erhalten, bevor eine Sekundärintaferenz beobachtet wird. Wenn ein Schallimpulswandler gemäß dieser Patentschrift bündig an der Innenwand einer Verrohrung angeordnet wird, tritt das erste Echo sehr bald auf, wobei seine Refelektion von dem Wandler zurück zu der Verrohrung Sekundärreflektionen hervorruft, die mit den anfänglichen interessierenden Echosignalen interfereren.

Man kann spezielle akustische Kopplungsschichten zwischen dem Wandler und der Verrohrung anordnen, wie in dieser Patentschrift vorgeschlagen wird. Hierdurch werden jedoch die Echosignale in ihrer Amplitude reduziert. Weiter reduziert die Nähe des Wandlers zu den Materialgrenzflächen die Anzahl von Echosignalen mit verwendbaren Amplituden, bevor die Sekundärausstrahlungsinterferenz eintritt. Obwohl die Verwendung hoher Frequenzen, wie etwa von 1-5 MHz, die Verwendung von schärferen und kürzer dauernden Ausstrahlungsimpulsen ermöglicht, sind diese Frequenzen nicht dazu geeignet, schmale Ringräume zwischen Verrohrung und Zement festzustellen. Derartig hochfrequenete Schallwellen können durch die Verrohrungsoberfläche beeinträchtigt werden, deren Rauheit störende Interferenzen hervorrufen können.

Wenn ein Schallimpuls-erzeuger gemäß der US-PS 3 883 in einer Vorrichtung verwendet wird, wie sie in der SU-PS 4o5o95 oder der US-PS 3 974 476 beschrieben ist, ermöglicht der vergrößerte Abstand, der in letzterem zwischen dem Wandler und der Verrohrung vorgeschlagen wird, den Empfang einer größeren Anzahl von Schwingungen. Jedoch dämpfen in einem solchen Fall

ch
die Zwischensxchten gemäß der US-PS 3 883 841 zwischen dem Wandler und der Verrohrung die Echosignale beträchtlich, die ohnehin schon mit verringerter Amplitude wegen des vergrößerten

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Abstandes empfangen werden.

In der üS-PS 3 339 666 ist ein Schallimpulsechoverfahren für ein verrohrtes Bohrloch beschrieben, bei dem eine Schallfrequenz verwendet wird, bei der die Verrohrung transparent erscheint. Der vorgeschlagene Schallfrequenzbereich liegt etwa bei 1oo KHz, insbesondere zwischen 2oo und 4oo KHz. Die Reflektionen werden von der in dem Bohrloch befindlichen Einrichtung zur Oberfläche übermittelt, wo alle Reflektionen, die nach einer Zeit von etwa 1oo Mikrosekunden nach dem Aussenden und vor dem nächsten folgenden Schallimpuls von dem Wandler gleichgerichtet, integriert und aufgezeichnet werden.

Hier wird der Reflektionsabschnitt charakterisiert, der zum Integrieren und Aufzeichnen als repräsentativ für die akustische Impedanz der Formation ausgewählt wird. In der Praxis treten jedoch beträchtliche Reflektionen von der Formation bei der Resonanzfrequenz der Verrohrungswandstärke in bestimmten Situationen auf, etwa wenn der Zement sowohl bezüglich der Verrohrung als auch der Formation gut gebunden ist, und wenn die Formation selbst eine starke Reflektion liefern kann. Formationsreflektionen können leicht durch Sekundärausstrahlungseffekte gestört werden, etwa wenn eine anfängliche Schallereflektion von der Innenwand der Verrohrung eine Sekundärausstrahlung bewirkt, wenn sie teilweise von der Oberfläche des Wandlers reflektiert wird.

Wenn die Bohrlochwandung rauh ist oder Krater oder Ausnehmungen aufweist, was häufig auftritt, können die Schallreflektionen von Formationen gestreut werden und zum Zeitpunkt, in dem sie den Schallwandler erreichen, zieimlich schwach son. Wenn der Zementring keine gute Bindung zu der Verrohrung und der Formation besitzt, tritt eine weitere Dämpfung und Streuung der Formationsreflektion auf, wodurch sich eine weitere

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Schwächung oder ein vollständiger Verlust der Formationsreflektion ergibt.

Ferner wird in dieser Patentschrift die Übertragung der Reflektion durch geeignete Leiter in einem Kabel vorgeschlagen. Techniken zum Übertragen von Hochfrequenzsignalen in der Größenordnung von 5oo KHz, wie sie in einem Reflektionssignal auftreten, sind an sich bekannt. Kabel für Bohrlochuntersuchungen sind jedoch typischerweise auf Signale begrenzt, während Frequenzen unterhalb von lom KHz liegen. Daher werden Hochfrequenzsignale, die zu Hin- und Herreflektionen zwischen der Innen- und Außenwandung der Verrohrung führen, durch das Kabel stark gedämpft.

Bei Bohrlochuntersuchungen ist es wichtig. Informationen über den derzeitigen Zustand der Verrohrung zu erhalten. Die installierte Verrohrung kann verschiedene Korrosionen aufgrund von chemisch aktiven, korrodierenden Lösungen, elektrolytischer Korrosion aufgrund von Erdströmen oder Kontakt zwischen nicht ähnlichen Metallen unterworfen sein. Die Korrosion der Außenseite der Verrohrung kann durch eine hochgradig unerwünschte hydraulische Verbindung zwischen Formationsbeia.chen hervorgerufen werden, die voneinander durch den Zement isoliert bleiben müssen, übermäßiger Verschleiß kann aufgrund des Abtriebs durch hindurchströmendes Fluid auftreten. Die Bohrlochverrohrung kann daher über einen Zeitraum hinweg durch übermäßig dünne und geschwächte Bereiche beeinträchtigt werden. Derartige Beeinträchtigungen können ein Zusammenbrechen der schützenden Verrohrung und u.U. einen Verlust des Bohrlochs herbeiführen, wenn sich Lecks in der Verrohrung entwickeln, die zu einer unkontrollierten Bewegung von Fluids in dem Bohrloch und benachbarten Formationen führen. Es ist aber schwierig oder unmöglich, die Verrohrung zur Inspektion aus dem Bohrloch zu entfernen. Es ist daher besonders zweckmäßig, wenn man in

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der Lage ist, die Verrohrung an Ort und Stelle zu inspizieren, um die Anwesenheit und die Stellen und schlechten Verrohrungsbedingungen zu bestimmen.

Ultraschallechoverfahren zum Bestimmen der Dicke von Materialien sind an sich bekannt. So wurde beispielsweise in der US-PS 2 538 114 eine Vorrichtung zum Messen der Dicke eines Materials vorgeschlagen, in dem seine Resonanzfrequenz aufgezeichnet wird, wenn das Material mit Ultraschallenergie bey strahlt wird. In der US-PS 2 848 891 ist ein Verfahren beschrieben, mit dem die Korngröße von Materialien durch Beobachtung der Ultraschallfrequenzrücksendung des Materials gemessen wird. In der US-PS 3 595 o69 ist ein System beschrieben, bei dem ein Ultraschallsensor in Resonanz gebracht und die Resonanzfrequenz gjnessen wird, um den Wert des Parameters zu bestimmen, für den der Sensor bestimmt wird. Gemäß der US-PS 4 oo3 244 wird die Dicke eines Materials durch Verwendung einer Impulsechotechnik gemessen.

Verschiedene Frequenzbereiche wurden zum Schalluntersuchen zum Bestimmen der Dicke von Materialien verwendet. Beispielsweise wird in dem Aufsatz von J.L. Rose und P.A. Meyer "Ultrasonic Signal Processing Concepts for Measuring the Thickness of Thin Layers", veröffentlicht in "Materials Evaluatin", Seite 249, Dezember 1974, eine Frequenzanalyse zum Bestimmen der Dicke einer dünnen Schicht beschrieben. Ein Eingangsschallimpuls wird hierbei mit genügender Bandbreite verwendet, um die Grundschwingungs- oder harmonische Oberschwingungsresonanzfrequenz einer dünnen Schicht, die zwischen zwei Materialien angeordnet ist, zu umfassen. Ein Spektralprofil von Echos von verschiedenen Scheichten wird hergestellt, wie in den Figuren 11 und 12 dieses Aufsatzes dargestellt ist. Wie aus den Breitbandfrequenzspektren von Fig. 12 hervorgeht.

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treten Minima in dem Frequenzspektrum bei den Frequenzen auf, die eine bestimmte Beziehung zur Dicke des zu messenden Materials besitzen. Die mittlere Frequenz solcher Minima wird jedoch üblicherweise nicht gemessen, insbesondere wenn das Frequenzspektrum eines Echos verschiedene Minima zeigt.

Akustische Verfahren wurden beschrieben, mitdsnen eine Platte, deren Dicke zu messen ist, zu einer Dickenresonanz gebracht werden kann, wobei eine Rückkopplung von Resonanzvibrationen verwendet wird, vgl. US-PS 3 741 334. Hier wird eine besondere Ultraschalltechnik zum Bestimmen der Wandstärke einer Platte durch Messen ihrer Wandstärkenresonanz beschrieben. Die Resonanz wird in der Platte induziert, indem die Platte zunächst einer Geräuschquelle während eines ersten Intervalls ausgesetzt und das Abklingen von freiem Resonanzultraschall während eines zweiten nachfolgenden Intervalls aufgezeichnet wird. Nachdem die Platte aufhört, in Resonanz zu schwingen, wird öler vorher gespeicherte Schall abgespielt und verwendet, um Resonanζvibrationen in der Platte zu induzieren, gefolgt von einem nachfolgenden Aufzeichnen des Abklingens des Schalls nach dem zwieiten Induzieren. Dieses Verfahren wird wiederholt, um eine hohe Amplitudenresonanz in der Platte zu erzielen und ermöglicht eine Messung der Resonanzfrequenz der Platte und daher der Dicke der Platte. Die Frequenz wird durch Zählen der Amplitudenmaximalwerte der abklingenden Resonanzvibrationen während eines bestimmten Zeitintervalls oder durch Bestimmen der Zeit gemessen, die benötigt wird, um eine bestimmte Anzahl von Maximalwerten zu zählen. Eine Verbesserung bezüglich des US-PS 3 741 334 ist in der US-PS 3 914 9 87 beschrieben, wobei ein doppelseitig gerichteter Zähler und eine Verzögerung verwendet werden, wobei jedoch die Bestimmung der Resonanzfrequenz noch das Zählen der individuellen Maximalwerte in den abklingenden Vibrationen von der in Resonanz befindlichen

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Platte erforderlich ist.

Wenn eine Schallxmpulsechotechnik verwendet wird, um die Wandstärke einer Verrohrung zu bestimmen, die in einem Bohrloch einzementiert ist, besitzen die Schallrücksendungen eine komplexe Form. Eine Wellenform, die für eine derartige Schallrücksendung repräsentativ ist, ist in Fig. der vorliegenden Anmeldung dargestellt und zeigt, daß eine verläßliche Frequenzbetmmung von Maximalwert zu Maximalwert bestenfalls schwierig und meistens undurchführbar ist. Ferner ist eine Bohrlochverrohrung im Schnitt kreisförmig, wodurch Schallinterferenzen von Reflektionen von Oberflächenüngleichmäßigkeiten und dergleichen erzeugt werden, wodurch die Schallrücksendung weiter gestört wird.

Zusätzlich ist die Zeit, die für die Untersuchung der Wandstärke eines derartigen schmalen Verrohrungssegmentes verfügbar ist, begenzt, wenn eine ausgedehnte Untersuchung der Verrohrung in vernünftiger Zeit vorgenommen werden soll. Daher ist die Zeit, die benötigt wird, um eine akustische Rückkopplungsuntersuchung gemäß den US-PSen 3 741 334 und 3 914 987 durchzuführen, in der Praxis für Bohrlöchernicht annehmbar.

In dem Aufsatz von E.P. Papadakik und K.A. Fowler in "The Journal of the Acoustical Society of America", Band 5o, Nr. 3 (Teil 1), Seite 729 "Broad-Band Transducers, Radiation Field and Selected Applications", wird eine impulsinduzierte Resonanztechnik zum Bestimmen der Wandstärke eines dünnen Materials beschrieben. Hierbei wird ein selektiver Zeitbereich bei den durch das dünne Material reflektierten Impulse ausgesandfeblendet und eine Frequenzanalyse nLt einem Spektrumsanalysator vorgenommen. Ein automatisches Verfahren zum Ableiten der Wandstärke des dünnen Materials wird nicht beschrieben.

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Ein Aspekt der Erfindung ist auf ein Verfahren zum Bestimmen von Eigenschaften einer Verrohrung gerichtet, die in einem Bohrloch einzementiert ist, das eine Erdformation durchdringt, wobei ein Reflektionssignal verwendet wird, das von einer akustischen Untersuchung der Verrohrung mit einem Schallimpuls erhalten wird, der auf ein Radialsegment der Verrohrung gerichtet ist und aus Schallwellen mit Frequenzen gebildet wird, die ausgewählt sind, um eine Wandäärkenresonanz innerhalb der Verrohrungswände anzuregen, das dadurch gekennzeichnet ist, daß die Energie in einem Abschnitt des Reflektionssignals, der Hin- und Herreflektionen zwischen den Verrohrungswandungen entspricht, bestimmt und ein Signal erzeugt wird, das die Qualität der Zementverbindung hinter dem Radialsegment der Verrohrung charakterisiert.

Ferner ist die Erfindung auf eine Vorrichtung zum Bestimmen der Qualität der Verbindung zwischen Zement und einer Verrohrung gerichtet, die in einem Bohrloch einzementiert ist, das eine Erdformation durchdringt, wobei ein Reflektionssignal verwendet wird, das von einer Schalluntersuchung der Verrohrung mit einem Schallimpuls erhalten wird, der auf ein Radialsegment der Verrohrung gerichtet und aus Schallwellen mit Frequenzen gebildet wird,die ausgewählt sind, um eine Wandstarkenresonanz innerhalb der Verrohrungswandungen anzuregen, wobei Mittel zum Auswählen eines Abschnittes von dem Reflektionssignal vorgesehen sind, wobei der Abschnitt für akustische Hin- und Herreflektionen zwischen den Verrohrungswandungen in dem Radialsegment im wesentlichen charakteristisch ist, während Mittel zum Bestimmen der Energie in dem ausgewählten Abschnitt der Hin- und Herreflektionen und zum Erzeugen eines Signals vorgesehen sind, das die Qualität der Zementverbindung hinter dem Radialsegment der Verrohrung charakterisiert.

Die Erfindung ist weiterhin auf ein Verfahren zum Bestimmen der Wandstärke einer Verrohrung gerichtet, die in einem

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Bohrloch einzementiert ist, wobei ein Reflektionssignal verwendet wird, das von einer akustischen untersuchung der Verrohrung mit einem Schallimpuls stammt, der auf ein Radialsegment der Verrohrung gerichtet und aus Schallwellen mit Frequenzen gebildet wird, die ausgewählt sind, um eine Wandstärkenresonanz innerhalb der Verrohrungswände anzuregen, das dadurch gekennzeichnet wird, daß ein Spektrumssignal erzeugt wird, das repräsentativ für das Frequenzspektrum eines Abschnittes des Reflektionssignals ist, das im wesentlichen den Hin- und Herreflektionen zwischen den Varohrungswandungen in dem Radialsegment entspricht und das die Frequenz der Komponenten in dem Spektrumssignals betimmt werden, diezu einem Maximalwert hiervon beitragen und ein Wandstärkensignal liefern, das für die gemessene Frequenz repräsentativ und für die Wandstärke des Radialsegmentes indikativ ist.

Die Erfindung ist ferner auf eine entsprechende Vorrichtung gerichtet, die durch Mittel zum Auswählen eines Abschnitts aus dem Reflektionssignal, der im wesentlichen für die akustischen Hin- und Herreflektionen zwischen den Verrohrungswandungen repräsentativ ist, Mittel zum Erzeugen eines Spektrumssignals, das für das Frequenzspektrum des Abschnittes der Hin- und Herreflektionen repräsentativ ist, und Mittel zum Bestimmen der Frequenz der Komponenten in dem Spektrumssignal charakteristiert ist, die zu einem Maximalwert hiervon beitragen und ein Wandstärkensignal erzeugen, das repräsentativ für die Wandstärke ist.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung und den Ansprüchen.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der in den beigefügten Abbildungen dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert.

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Fig. 1 ist eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Untersuchung der Qualität der Zementverbindung und/oder der Wandstärke der Verrohrung gemäß der Erfindung,

Fig. 2 ist eine Wellenformdarsteilung eines bevorzugten Schallimpulses, der mit der Vorrichtung von Fig. 1 erzeugt wird,

Fig. 3 ist eine Darstellung des Frequenzspektrums der Schallwelle von Fig. 2,

Fig. 4A, 4B und 4C zeigen beispielhaft Wellenformen, die für Schallreflektionen repräsentativ sind, die bei einer Impulsechountersuchung entsprechend der Erfindung erhalten werden,

Fig. 5 ist eine Amplitudenrücksendungskurve, die für die Spezifizierung der Leistungsanforderungen an einen Wandler zweckmäßig ist, der zur Verwendung bei einer akustischen Bohrlochuntei?- suchung gemäß der Erfindung bevorzugt wird,

Fig. 6A-6C zeigen beispielhaft Spektren von Schallreflektionen, die mit einer Schalluntersuchungsvorrichtung gemäß der Erfindung erhalten werden,

Fig. 7 zeigt ein Blockdiagramm einer Signalverarbeitungseinrichtung zur Beurteilung der Zementverbindung gemäß der Erfindung,

Fig. 8 zeigt ein Blockdiagramm einer anderen Ausführungsform einer Signalverarbeitungseinrichtung zur

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Beurteilung der Zemeitsferbindung gemäß der Erfindung,

Fig. 9 zeigt eine schematische Darstellung einer weiteren Untersuchungseinrichtung für die Zementverbindung gemäß der Erfindung,

Fig. 1o zeigt ein Blockdiagramm eines Signalprozessors zur Verwendung bei einer Einrichtung gemäß Fig. 9,

Fig. 11 zeigt ein Steuerungsdiagramm für Signale, die von dem Signalprozessor von Fig. 1o erzeugt werden,

Fig. 12 und 13 zeigen Draufsichten, teilweise im Schnitt, von Wandlern zur Verwendung in einer Einrichtung gemäß Fig. 9,

Fig. 14 zeigt teilweise in Seitenansicht eine Einrichtung zur akustischen Untersuchung mit Wandlern gemäß den Figuren 12 und 13,

Fig. 15 zeigt schematisch eine Einrichtung zum Bestimmen der Wandstärke einer Verrohrung gemäß der Erfindung,

Fig. 16 zeigt eine Amplitudenaufzeichnung von verschiedenen Spektren, die mit der Einrichtung von Fig. 15 erhalten werden,

Fig. 17 ist ein Blockdiagramm einer Signalverarbeitungseinrichtung zum Bestimmen der Qualität der Zementvabindung und der Verrohrungswandstärke gemäß der Erfindung,

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Pig. 18 zeigt ein Blockdiagrainm eines Teils einer Einrichtung zum Bestimmen der Verrohrungswandstärke gemäß der Erfindung,

Fig. 19 zeigt im Schnitt eine Einrichtung zur akustische! Untersuchung eines Bohrlochs unter Verwendung eins routierenden Reflektors zum Abtasten des Bohrlochs.

Ausführungsform der Figuren 1 bis 5

In den Figuren 1 bis 3 ist eine Einrichtung 1o zum akustischen Untersuchen der Qualität der Zementverbindung einer Verrohrung 12 und dem umgebenden Zementring 14 in einem Bohrloch 16, das in einer Erdformation 18 angeordnet ist, dargestellt. Eine Einrichtung 2o zum Erzeugen eines akustischen Impulses ist mit Hilfe eines (nicht dargestellten) Kabels in die Verrohrung hinabgelassen, wobei das Kabel Signalleitungen aufweist, längs derer Signale zum Steuern der Einrichtung 2o und für ihre Meßergebnisse zwischen einem Signalprozessor 21 in der Einrichtung 2o und einer überirdischen Einrichtung zum Steuern und Verarbeiten von Signalen 22 übertragen werden. Ein Tiefensignal, das für die Tiefe der Einrichtung 2o in dem Bohrloch 14 repräsentativ ist, wird von einem üblichen (nicht dargestellten) Tiefenmonitor, der mit dem Kabel gekoppelt ist, mit dem die Einrichtung 2o längs der Verrohrung 12 bewegt wird, gekoppelt ist, über eine Leitung 24 geliefert.

Die zylindrische Varohrung 12 ist ebenso wie der diese umgebende Zementring 14 im Teilschnitt gezeigt. Die Form des Bohrlochs ist gleichmäßig, und die Verrohrung ist entsprechend mit äquidistantem Abstand von der Bohrlochwandung dargestellt. In der Praxis ist jedoch das BotrLroch umregel-

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mäßig mit Klüften und Spalten. Dementsprechend kann der Zementring 14 in seiner Stärke und der Abstand zwischen der Verrohrung 12 und der Formation 18 variieren.

Der Zement 14 ist in verschiedenen häufig anzutreffenden Verbindungszuständen dargestellt. Im Bereich 26 haftet der Zustand an der Verrohrung 12, während bei 2 8 ein Mikroringraum 3o, ua, der hydraulisch sicher ist, vorhanden ist. Im Beiä-ch 32 ist der Ringraum 3o zu einer solchen Tiefe vergrößert, daß eine Vertikalbereichstrennung nicht mehr erzielbar ist, während im Bereich 34 der Zement vollständig fehlt. Die zementfreien Bereiche bei 28, 32 und 34 sind normalerweise mit Wasser oder mit Wasser und Bohrschlamm gefüllt. Die dargestellten Zustände treten nicht notwendigerweise auf, sie sind nur beispielshaft aufgeführt. Die Zustände in den BeiaLchen und 3o werden als gute Verbindungen betrachtet, während die Zustände in den Bereichen 32 und 34 als schlecht angezeigt werden nüssen.

Die Verrohrung 12 ist ferner mit äußeren korrodierten Abschnitten 33.1, 33.2 und einem inneren korrodierten Abschnitt 33.3 dargestellt, in denen die Wandstärke verringert ist. Derartige Korrosionen können in anderen Bereichen auftreten und insbesondere nachteilig sein, wenn eine solche in einem Bereich auftrifft, der zu einer hydraulischen Verbindung zwischen Bereichen führt, die voneinander isoliert bleiben müssen. Die dargestellten korrodierten Abschnitte 33.1 bis 33.3 können als tatsächliche Lücken erscheinen oder als schuppige Abschnitte auftreten, die ein rauhes Oberflächenaussehen besitzen und sich sogar teilweise von dem korrodierten Metall abtrennen. Diese schuppigen Bereiche werden durch die BohrlochfMdabschnitte gesättigt, so daß eine akustische untersuchung des nicht korrodierten Metalls unter den schuppigen Bereichen noch durchgeführt werden kann.

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Die Einrichtung 2o liegt innen in der Verrohrung 12 an, die normalerweise mit Wasser oder einer Mischung aus Wasser und Schlamm gefüllt ist. Die Einrichtung 2o wird zentral in der Verrohrung 12 durch geeignete, nicht dargestellte, an sich bekannte Einrichtungen gehalten. Erfindungsgemäß wird die Einrichtung 2o vorzugsweise parallel zur Wandung der Verrohrung 12 gehalten, obwohl sie auch relativ zur Mittelachse der Verrohrung 12 versetzt sein kann. Wie ferner im Zusammenhang mit Fig. 1 erläutert wird, wird mit der Einrichtung 1o eine Kompensation für Kippungen erhalten, d.h. solche Zustände, in denen die Einrichtung 2o einen Winkel mit der Achse der Verrohrung 12 bildet.

Die Einrichtung 2o besitzt ferner einen Wandler 36, der als Sender und Empfänger dient . Unter Umständen können hierfür aber auch getrennte Einrichtungen verwendet werden. Der Wandler 36 ist derart angeordnet, daß dieser ein akustisches Signal zueinem akustischen Reflektor 38 zu dinn durch ein Fenster 4o auf ein ausgewähltes Radialsegment der Verrohrung 12 schickt. Der akustische Impuls wird teilweise durch die Verrohrung 12 hindurchgehen und teilweise von der Verrohrung 12 absorbiert, wobei in dem Radialsegment bei der Dickenresonanz der Verrohrung Nachhallungen auftreten.

Unter dem Ausdruck "Radialsegment", wie er hier benutzt wird, wird das Segment der Verrohrung verstanden, das sich zwischen ihren Wänden erstreckt und einen gegebenen Radius umgibt, der sich allgemein senkrecht zur Wandung der Verrohrung von der Mitte der Verrohrung erstreckt.

Die Art des Fensters 4o kann variieren, vorzugsweise ist es aus einem solchen Material hergestellt und derart relativ zur Ausbreitungsrichtung der akustischen Impulse von dem Transmitter 36 geneigt, daß die akustischen Rücksendungen

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mit einem Minimum an Dämpfung und Reflektionsquellen hindurchlaufen können. Das Fenster 4o kann aus Polyurethan hergestellt werden, das beispielsweise von Emmerson-Cummings Company als CPC-41 verkauft wird, da s eine Schallgeschwindigkeit von etwa 17oo m/sec und eine Dichte von 1,1 g/cm besitzt. Dieses Material zeigt eine ähnliche Schallimpedanz wie ein Fluid, das in dem Raum zwischen dem Wandler 36, dem Reflektor 38 und dem Fenster 4o angeordnet ist, um den Druck auf das Fenster 4o auszugleichen.

Das Fluid, mit dem der Raum in der Einrichtung 2o zwischen dem Wandler 36 und dem Fenster 4o geführt ist, ist vorzugsweise in bezug auf eine geringe oder minimale Dämpfung und eine Schallimpedanz ausgewählt, die nicht zu sehr von derjenigen des Bohrlochfluxds in dem interessierenden Frequenzbereich abweicht. Eine geeignete Flüssigkeit ist beispielsweise Äthylenglykol.

Das Fenster 4o ist um einen Winkel θ geneigt, der als der Winkel der Ausbreitungsrichtung des anfänglichen akustischen Impulses von dem Wandler 36 und der Senkrechten 41 auf den Fensteroberflächenbereich, auf den der akustische Impuls auftrifft, definiert ist. Diese Neigung dient dazu, Sekundärausstrahlungen, wie 43.1, in eine Richtung abzulenken, die vom Fenster erzeugte Interferenzen vermeidet. Geeignete ringförmige schallabsorbierende Flächen, etwa Schallschirme 45, können innerhalb der Einrichtung 2o verwendet werden, um Schallreflektionen 43.2 von der Innenwand des Fensters 4o einzufangen und zu absorbieren. Die Größe des Winkels θ kann in der Größenordnung von 2o b:
3 5o4 75 8 vorgeschlagen wurde.

in der Größenordnung von 2o bis 3o" liegen, wie in der US-PS

Obwohl die Neigung des Fensters 4o in einer Richtung relativ zu dem Weg des einfallenden Strahls gemessen liegen

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könnte, wie in den üS-PSen 3 5o4 758 und 3 5o4 759 gezeigt ist, ist die bevorzugte Orientierung, wie in Fig. 1 dargestellt, derart, daß die Verwendung eines größeren Reflektors ermöglicht wird.

Die Größe des Reflektors 38 ist insofern wichtig, da die Reflektorfläche das Fokussieren der Schallenergie auf die Verrohrung 12 und das Einfangen eines ausreichenden Teils der akustischen Rücksendung ermöglicht, um ein verbessertes Verhältnis von Signal zum Rauschen zu erzielen.

Wenn die Refektoren entsprechend den vorgenannten US-PSen vergrößert werden, sind die internen Reflektionen von ihren Fenstern dazu geeignet, durch die Reflektoren aufgenommen und zu dem Empfänger/Sender in Interferenz mit den gewünschten akustischen Rücksendungen von der Verrohrung 12 zurückgesendet zu werden. Wenn jedoch eine Fensterneigung verwendet wird, wie sie in Fig. 1 dargestellt ist, kann ein großer Reflektor 38 verwendet werden, der wirksame Abmessungen besitzt, die ausreichen, um sowohl die Strahlform der akustischen Energie, die auf die Vsrohrung 12 gerichtet ist, zu fokussieren oder zu erhalten, als auch eine beträchtliche Schallrücksendung zu dem Wandler zu bewirken.

Die Neigung des Fensters 4o kann klar von derjenigen der beiden genannten US-Patente in bezug auf die Orientierung der nach innen gerichteten Senkrechten 41' des Fensters relativ zu dem Auftreffpunkt des akustischen Strahls längs seines Wegs Dy vom Reflektor 38 unterschieden werden. Wenn, wie in Fig. 1 dargestellt, die Senkrechte 41 ^T zwischen dem Weg Du und dem Schallempfängerteil des Wandlers 36 liegt, kann der Neigungswinkel und ebenfalls der Auftreffwinkel als positiv betrachtet werden. Dieser Winkel würde ebenfalls positiv sein, wenn die Innensenkrechte 41' zwischen dem Weg D und einem getrennten

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Schallempfänger liegt, wie er entsprechend der SU-PS 4o5 o95 verwendet wird.

Im Falle einer Fensteranordnung entsprechend den US-PSen 3 5o4 758 oder 3 5o4 759 kann der Neigungswinkel oder der Auftreffwinkel als negativ ausgelegt werden, da die Senkrechteauf die Innenseite des Fensters sich auf der anderen Seite des Weges des akustischen Strahls befindet und von dem Empfänger-Wandler weg zeigt.

Mit einer Fensterneigung entsprechend Fig. 1 ist darauf zu achten, daß vermieden wird, daß Reflektionen, wie 43.2, auf den Wandler 36 gerichtet werden? daher sollte der Neigungswinkel positiv und genügend groß sein. Jedoch sollte der Neigungswinkel nicht so groß sein, daß Reflektionen, wie 43.2, entweder nicht absorbiert oder durch die Schallschirme 45 abgefangen werden.

Ein Teil des akustischen Impulses verläuft durch die Verrohrung 12 und wird dann wieder teilweise durch die nächste Grenzfläche reflektiert, die im Bereich 26 das Zementmaterial ist, während sie in den Bereichen 28, 32 der Ringraum 3o und im Bereich 34 die Mischung aus Wasser und Schlamm ist.

Bei der in Fig. 1 dargestellten Ausführungsform ist der akustische Wandler 36 wahlweise derart angeordnet, daß sein effektiver Abstand (die LaufsLt für einen akustischen Impuls) zu der Verrohrung 12 genügend lang ist, um eine Interferenzisolierting von Sekundärübertragungen zu ermöglichen, die hervorgerufen, werden, die starkeSbhallreflektion der Verrohrung 12 wiederteilweise entweder durch das Fenster oder den Wandler 36 zurück zur Verrohrung 12 reflektiert wird, so daß neue Rückstrahlungen und sekundäre Schallrücksendungen erzeugt werden. Ein gewünschter Gesamtabstand D wird durch Anordnen des

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Wandlers 36 allgemein in einem axialen Abstand D₁ vom Reflektor 38 erhalten, der seine
der Verrohrung 12 entfernt ist.

flektor 38 erhalten, der seinerseits in einem Abstand D- von

Der Gesamtabstand D=D- + D„ zwischen dem Wandler 36 und der Verrohrung 12 ist ferner genügend groß gewählt, so daß die gewünschten Schallrücksendungen einschließlich derjenigen, die zu Rückstrahlungen gehören, die durch Rückstrahlungen, eingefangen zwischen der Innen- und Außenwand 13 bzw.13¹ der Verrohrung 12 hervorgerufen werden, empfangen werden können. Der Gesamtabstand D ist daher genügend lang, um solche Schallrücksendungen vor ihrem Abklingen auf einen geringen Wert als Ergebnis der Ableitung in umgebendes Medium zu umfassen. Andererseits wird der Gesamtabstand D genügend klein gehalten, um eine nachteilige Dämpfung durch den Schlamm außerhalb der Einrichtung 2o und durch die Flüssigkeit innerhalb der Einrichtung 2o zu vermeiden.

Zusätzlich zu diesen Abstandsbetrachtungen wurde gefunden, daß der Abstand D₁ zwischen dem Wandler 36 und dem Reflektor 38 die Empfindlichkeit des Systems bezüglich Stellungen der Einrichtung 2o, die nicht konzentrisch bezüglich der Mittelachse 47 der Verrohrung 12 sind, beeinflußt. Ungeachtet des Vorhandenseins von Einrichtungen zum Zentrieren kann eine Verschiebung der Einrichtung 2o, die als Exzentrizitätsabstand e zwischen der Verrohrungsachse 47 und der Achse 49 der Ehrichtung 2o gezeigt ist, aufgrund einer Anzahl von Bedingungen innerhalb der Verrohrung 12 auftreten. Der Abstand D₁ wird aus diesem Grunde gewählt, um einen maximalen Betrag auf die Exzentrizität e zu tolerieren.

Der optimale Wert für den Abstand D₁ hängt ferner von solchen Faktoren, wie den Effektiven Abmessungen der Fläche 37 des Wandlers 36 oder deren Durchmesser im Falle eines scheiben-

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ll

förmigen Wandlers 36 ab. Für einen scheibenförmigen Wandler, der einen Durchmesser in der Größenordnung von etwa 2,54 cm aufweist, um einen Impuls zu erzeugen, der dem Impuls 5ο von Fig. 2 entspricht und etwa ein Frequenzspektrum 52 gemäß Fig. 3 besitzt, liegt der Gesamtabstand D im allgemeinen in der Größenordnung zwischen etwa 5,1 - 7,6 cm. Eine Basis zur Auswahl des Gesamtabstandes D besteht daher darin, eine ausreichende Zeit sicherzustellen, um alle diejenigen Schallrücksendungen zu empfangen, die wesentlich zu einer genauen Beurteilung der Qualität der Zementverbindung bei Anwesenheit eines schmalen Verrohrungszementringes beitragen. Der Gesamtabstand D sollte groß genug sein, um zu ermöglichen, daß der Teil der Schallrücksendungen, der einer schlechten Zement-~ verbindung zuzuordnen ist, frei von Interferenzen empfangen wird.

Die Schallrücksendungen umfassen Schallreflektionen als Ergebnis der Wechselwirkung des ursprünglichen akustischen Impulses mit verschiedenen Medien. Eine erste Reflektion tritt an der Grenzfläche zwischen dem Wasser oder Schlamm innerhalb der Verrohrung 12 und der Innenwand 13 der Verrohrung 12 auf.. Diese erste Reflektion ist praktisch durchweg die gleiche, die sich mit der Schlammkonsistenz, dem Zustand der Innenwand, der Verrohrung 12 und den Neigungen der Einrichtung 2o ändert. Weitere Schallrücksendungen treten als Funktion aufeinanderfolgenden Medien, als auch als Ableitung des Nachhalls oder Rückstrahlungen innerhalb der Verrohrung 12 auf.

Nach der ersten Reflektion an der Verrohrung 12 wird der in die Verrohrung 12 eingedrungene Teil des Schalls innerhalb der Wandungen 13, 13' hin- und herreflektiert und bei jeder Reflektion tritt Energie aus. Die auf diese Weise verlorene Energie hängt von den Reflektionskoeffizienten R (Reflektionskoeffizient zwischen der Flüssigkeit innerhalb

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Copy ψ

der Verrohrung 12 und der Verrohrung 12 selbst) und r.. (der Reflektionskoeffizient zwischen der Verrohrung 12 und der nächsten Schicht, die wie im Bereich 26 Zement oder wie im Bereich 32 Wasser sein kann) ab. Die Dauer, während der wesentliche Hin- und Herreflektionen innerhalb der Wandungen 13, 13' stattfinden, ist eine Funktion von der Dicke der Verrohrung 12. Da eine Verrohrung mit größerer Dicke dazu neigt, langer dauernde Hin- und Herreflektionen zu bewirken, sollte der Gesamtabstand D zwischen der Verrohrung und dem Wandler 36 entsprechend vergrößert werden.

Wenn ein Fenster 4o, das senkrecht zur Ausbreitungsrichtung des Schallimpulses angeordnet ist, wie es durch die gestrichelte Linie 42 in Fig. 1 angedeutet ist, verwendet wird, erzeugen die Verrohrungsiörlektion und andere akustische Rücksendungen Reflektionen an der Grenzfläche zwischen dem Fenster 42 und dem Schlamm innerhalb der Verrohrung 12. Derartige Reflektionen erscheinen al« sekundäre Ausstrahlungen, die zu der Verrohrung zurücklaufen, um eine zweite Verrohrungsreflektion mit anschließenden Hin- und Herreflektionen in der Verrohrung 12 und damit ebenfalls sekundäre Schallrücksendungen zu erzeugen. Diese sekundären Schallrücksendungen Stören die Zementbeurteilung, insbesondere im Falle einer guten Zementverbindung, wenn die Formation ebenfalls eine glatte Oberfläche besitzt. In diesem Falle mischen sich Reflektionen, die von sekundären Rückstrahlungen stammen, mit einer wesentlichen Rilektion von der Formation, wodurch sich ein insgesamt irrtümlicher Eindruck einer Schlechten Verbindung ergibt.

Ein weiteres Kriterium zum Be±immen eines geeigneten Abstandes von Verrohrung 12 zum Empfänger kann das Auswählen eines Abstandes D₃ zwischen einem Fenster 42 und der Verrohrung 12 umfassen, so daß sekundäre Schallrücksendungen unter einen vorgewählten Prozentsatz ihres anfänglichen Wertes

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abklingen. Es kann gezeigt werden, daß die Anzahl N der Hin- und Herreflektionen in der Stahlverrohrung 12 in einem derartigen Bereich durch folgende Beziehung gegeben ist:

N = In (x)

in (|_νι|)
in der χ der prozentuale Anteil ist,

Ferner kann gezeigt werden, daß der Abstand D₃ durch folgende Beziehung gegeben wird:

^Cl

in der L die Dicke der Verrohrung 12, C die Geschwindigkeit des Schalls in dem Material innerhalb der Verrohrung, hauptsächlich Wasser und C, die Geschwindigkeit des Schalls in der Verrohrung selbst, nämlich in dem Stahl, ist.

Als numerisches Beispiel zum Erzielen eines annehmbaren Gesamtabstandes zwischen Verrohrung und Empfänger können die in der nachfolgenden Tabelle 1 aufgeführte Werte für die Materialien verwendet werden:

Tabelle 1 Akustische Impedanz Dichte Schallgeschwindigkeit

	Z	in	O	g/cm	see
Wasser	Z	1 =	1.	1o5
Stahl	Z		4.	1ob
Zement	ISl	7.	χ 1o5
.5 χ
,6 χ
.7

	in	g/cm	3	C in	ft/sec
f	y	1		Co =	492o
	1	= 7.	8	C1 =	19,416
ρ	2	- 1.	96	C2 =	12,ooo

wobei Z₀ = Z im Falle eines schlechten Verbindung ist. 2 O

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Verwendet man diese Konstanten, können die Werte für die Reflektionskoeffizienten bestimmt werden:

r = o.937
ο

r,_G = -.731 (für eine gute Verbindung) r,_ß = -.9 37 (für eine schlechte Verbindung)

Der Abstand D₃ von der Verrohrung zum Empfänger kann aus dem obigen Konstanten und den Zeiteinstellungszwangsbedhgungen bestimmt werden. Wenn beispielsweise die Hin- und. Herreflektionen in der Verrohrung auf etwa 5% ihres ursprünglichen Wertes abklingen sollen, kann der Abstand D-, von etwa 3,1 bis 7,6 cm für einen normal vorhandenen Bereich der Dicke L der Verrohrung 12 von etwa o,51 - 1,65 cm variieren. Durch Milderung der Anforderung an den gültigen Wert für das Abklingen der Hin- und Herreflektionen in der Verrohrung kann der Abstand zwischen dem Sender und der Verrohrung verringert werden, obwohl etwa 2,54 cm wahrscheinlich den untersten möglichen Wert für D_ darstellen. Da die größte Dicke der Verrohrung vorzugsweise berücksichtigt wird, wird der Abstand von dem Wandler 36 entweder zum Fenster 4o oder 42 derart gewählt, daß sich keine sekundären Transmissionsinterferenzen in dem interessernden Zeitintervall ergeben. Der Abstand D₃ wird, falls verwendbar, derart gewählt, daß Sekundärreflektionen, die auf das Fenster zurückzuführen sind, keine Signalinterferenz hervorrufen. Wenn die Einrichtung 2o ein Fenster wie das Fenster 4o aufweist, braucht man Sekundärreflektionen von einem derartigen Fenster bei der Wahl des Abstandes von Wandler zu Verrohrung nichtlänger in Betracht zu ziehen.

Bei der Wahl des Wandlers 36 wird vorzugsweise ein Scheibenwandler gewählt, der ein Verhältnis von Durchmesser zu Wellenlänge größer als 1 aufweist. In der Praxis wurde gefunden, daß ein Scheibenwandler mit einem Durchmesser von

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,,,.,- copy ff

etwa 2,54 cm zweckmäßig ist. Der Sendeimpuls besitzt eine solche Länge und Frequenz, daß er ein ausgewähltes radiales Segment der Verrohrung anregt, worauf der Impuls in eine Dickenresonsanz einfällt. Schallenergie wird in die Verrohrung überführt und in gesteigertem Maß hin- und herreflektiert, wobei die Dauer und Größe der Hin- und Herreflektionen stark abhängig von der Materialschicht benachbart der äußeren Oberfläche der Verrohrung 12 ist. Diese Empfindlichkeit sollte jedoch hydraulisch sichere Mikroringräume, wie etwa im Bereich 28, nicht umfassen.

Bei der Auswahl des Frequenzspektrums des Schallimpulses von dem Wandler 36 wird eine erste Basis durch die Dickenresonanzgrundfrequenz der Verrohrung 12 bestimmt. Diese Resonanz ermöglicht ein Einfangen, wobei eine vermehrte Schallenergie in der Verrohrung eingefangen wird. Die anschließende Reduktion in der Verrohrung eingefangenen Energie kann als Ergebnis des Austretens betrachtet werden, daß dem Grad der akustischen Kopplung zu den benachbarten Medien zuschreibbar ist. Das Frequenzspektrum des Schallimpulses sollte vorzugsweise entweder die Grundschwingung oder eine höhere harmonische Oberschwingung hiervon umfassen. Mathematisch ausgedrückt, wird die Anregungsfrequenz des Schallimpulses gegeben durch

f = N ^C1

° 2L

wobei C₁ die Druckgeschwindigkeit der Verrohrung und L die Verrohrungsdicke, gemessen senkrecht zur Wand der Verrohrung und N eine ganze Zahl ist.

Eine obere Grenze für das FrequenzSpektrum des Schallimpulses wird durch praktische Betrachtungen, etwa die Rauheit der Verrohrung, die Korngröße des Stahls der Verrohrung und

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die Schlammdämpfung gesetzt. Weiterhin muß der hydraulisch sichere Mikroringraum transparent erscheinen.

In der Praxis stellt ein Rxngraum zwischen Verrohrung und Zement gleich oder kleiner als o,127 mm eine gute Zementverbindung dar und vermeidet daher hydraulische Verbindungen zwischen Bereiche, die voneinander getrennt bleiben sollen. Wenn Ringräume mit einer größeren Breite auftreten, sollten diese als sichlechte Zementverbindungen betrachtet werden. ScLange ein Rxngraum von geringerer Stärke als etwa 1/3o einer Wellenlänge einer Schallwelle, die sich in Wasser fortpflanzt ist, ist dieser Rxngraum tatsächlich für eine Schallwelle dieser Wellenlänge transparent. Daher sollte ausgedrückt in Ringräumen zwischen Verrohrung und Zement das Frequenzspektrum des Schallimpulses derart ausgewählt sein, daß

χ 3o

wobei C die Schallgeschwindigkeit in Wasser und pa. die Dicke des Ringraums ist.

In der Praxis werden Verrohrungsstärken L normalerweise im Bereich von etwa 5,08 bis 16.51 mm verwendet. Daher kann bei einer effektiven Frequenz von etwa 3oo - 600 KHz für den Schallimpuls die Verrohrung 12 in einer einfachen Methode angeregt werden, die nicht bezüglich hydraulisch sicherer Mikroringräume empfindlich ist. Dieses Frequenzspektrum wird daher ausgewählt, daß die Einfangmethode entweder mit der Grundfrequenz oder ihrer zweiten harmonischen Oberschwingung für die stärkeren Verrohrungen angeregt werden kann.

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Innerhalb eines derartigen Frequenzspektrums wird die Dauer der Hin- und Herreflektion innerhalb des Stahls der Verrohrung sowohl in bezug auf gute als auch auf schlechte Mikroringräume empfindlich ansprechen. Bei einem annehmbaren Mikroringraum klingen die Hin- und Herreflektionen (und das in diesem Zusammenhang beobachtete Austreten von Energie) schneller als bei einem übermäßig großen Mikroringraum ab.

Der akustische Transmitterimpuls wird daher mit Eigenschaften geformt, wie sie in den Fig. 2 und 3 dargestellt sind. Der Transmitterimpuls 5o von Fig. 2 stellt einen stark gedämpften Schallimpuls einer Dauer in der Größenordnung von etwa 8 Mikrosekunden dar. Das Frequenzspektrum des Impulses 5o ist in Fig. 3 mit einer Frequenzamplitudenkurven 52 gezeigt, die eine 6 db Bandbreite (halbe Stärke) zeigte diesich von etwa 275 KHz bis etwa 625 KHz mit einem Maximum bei etwa 425 KHz zeigt. Dicke Verrohrungen, die eine Einfangschwinung unter 275 KHz besitzen, werden in Resonanz primär mit einer höheren harmonischen Oberschwingung, etwa der zweiten, gebracht, die mit einer bestimmten Amplitude in der Bandbreite des Spektrums 52 auftritt.

Der Wandler 36 kann aus einer Vielzahl von bekannten Materialien hergestellt werden, um Impulse 5o mit dem Frequenzspektrum 52 zu erzeugen. Beispielsweise kann ein elektrisches Signal, das diese Eigenschaften aufweist, gebildet und verstärkt werden, um einen geeigneten piezoelektrischen Wandler 36 anzutreiben, der als Sender und Empfänger arbeiten kann.

Bevorzugt wird der Wandler 36 aus einem piezoelektrischen scheibenförmigen Kristall gebildet, der mit einer kritisch angepaßten Impedanz hinterlegt ist, so daß ein akustischer Impuls mit der Resonanzfrequenz der Scheibe gebildet wird. Das Hxnterlegungsmaterxal besitzt eine Impedanz, die derart ausge-

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bildet ist, daß sie der des Kristalls gleichkommt, während es den Schallimpuls stark dämpft, um Reflektieren von rückwärts zu vermeiden. Bei einigen Anwendungen kann eine vordere Schutzschicht verwendet werden, die integral auf die Vorderseite des Wandlers 36 aufgebracht ist. Eine derartige vordere Beschichtung besteht vorzugsweise aus einem Material mit niedriger Dämpfung, das eine akustische Impedanz hat, die etwa das geometrische Mittel zwischen der Impedanz des Kristalls und der erwarteten Impedanz der Bohrlochflüssigkext ist. Eine derartige vordere Beschichtung besitzt eine Dicke von einer 1/4 Wellenlänge, gemessen im Zement der Resonanzfrequenz des Kristalls.

Da die Scheibe kritisch angepaßt ist, besitzt der ausgehende Schallimpuls eine weite Frequenzbandbreite. Die Anregung eines^ derartigen Wandlers 36 kann dann mit einem elektrischen Impuls sehr kurzer Dauer erzielt werden. Beispielsweise kann ein Impuls verwendet werden, der eine Anstiegszeit von etwa 1o - 1oo Nanosekunden und eine Abfallzeit von o,5 bis etwa 5 Mikrosekunden besitzt.

Beim Senden kann der Wandler 36 in sich wiederholender Weise mit einer Impulsrate betätigt werden, die beispielsweise in der Größenordnung von 1oo Impulsen pro Sekunde liegt. Bei einer derartigen Impulsrate kann ein Umfangsbereich um die Varohrung 12 abgetastet werden, wenn die Einrichtung 2o längs der Verrohrung 12 aufwärts bewegt wird, während der Reflektor 38 und ein zugeordnetes Fenster 4o drehbar angeordnet sind, um in Richtung des Pfeiles 53 hierbei gedreht zu werden.

Fig. 5 definiert die Verhaltenskriterien eines geeigneten Wandlers 36. Der Wandler 36 besitzt eine mittlere Schallfrequenz von etwa 425 KHz mit einer 6 db Bandbreite

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von 3oo KHz. Fig. 5 zeigt eine annehmbare empfangene Amplituden-Empfangscharakteristik 55, wenn der Wandler 36 mit einem Impulssteuersignal von etwa 2 Mikrosekunden angeregt und auf eine Wasser-Luft-Grenzfläche gerichtet wird, die sich von dem Wandler in einem Abstand entsprechend etwa 1oo Mikrosekunden der Doppelwegschallwellenlaufzeit T* befindet. Das Ausgangssignal von dem Wandler 36 als Ergebnis des Echos von der Grenzfläche sollte vorzugsweise das dargestellte Aussehen haben, wobei das erste Echo, das aus den drei Hauptmaxima 57.1, 572 und 57.3 gebildet wird, von einer Gesamtdauer T₂ sein sollte, die nicht größer als etwa 6 Mikrosekunden ist. Die für A2 des Geräusches unmittelbar nach dem ersten Echo sollte etwa 5o db unter der Höhe A₁ des Maximums 5 7 sein und eine Dauer T, von weniger als etwa 3o Mikrosekunden besitzen. Der Geräuschpegel A,, der dem Zeitintervall T_ folgt, sollte vorzugsweise wenigstens 60 db unter dem Pegel A₁ der Maxima 5 7 sein.

Die Steuerungen und Schaltkreise, die notwendig sind, um den Wandler zu bestätigen, können von einer oberirdischen Einrichtung oder einem gpeigneten Taktgeber in der Einrichtung 2ο stimmen. In jedem Falle werden sich wiederholende Synchronisierungsimpulse auf eher Leitung 54 von Fig. 1 erzeugt, um einen Impulsformer 56 zu aktivieren, der geeigneten Impulse erzeugt, die über eine Leitung 58 zum Wandler 36 gegeben werden, während gleichzeitig der Eingang6b des Verstärkers 62 mit einer Signalleitung 62 geschützt wird.

Der Wandler 36 antwortet auf den Impuls von dem Schaltkreis 56 mit einem Schallimpuls des in den Fig. 2 und 3 gezeigten Typs. Der Schallimpuls wird auf den Reflektor 38 gerichtet, der dazu dient, die Schallenergie auf die Wandung der Verrohrung 12 zu richten. Die Wirkung des Refelktors 38 hilft beim Kompensieren von Änderungen in der Ausrichtung des

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akustischen Impulses auf die senkrechte Ebene zu der Verrohrungswandung. Der Reflektor 38 kann eine flache Oberfläche mit einem Winkel CL. von etwa 45 bezüglich der Schallenergie vom Wandler 36 oder eine geringfügig konkave oder konvexe Oberfläche aufweisen.

Wenn der Schallimpuls 5o auf die Verrohrung 12 auftrifft, wird etwas von der Energie reflektiert und etwas dringt in die Verrohrung 12 ein. Die reflektierte Energie wird zu dem Wandler 36 über den Rilektor 38 zurückgeführt und erzeugt ein elektrisches Signal, das an den Eingang des Verstärkers 62 angelegt wird. Die Energie, die in die Verrohrung 12 eingedrungen ist, wird hin- und herreflektiert, wodurch wiederum weitere Schallrücksendungen zum Wandler hervorgerufen werden. Der resultierende empfangene Ausgang vom Wandler 36 kann das Aussehen haben, wie es als Reflektionssignalwellenformen 64, 66 und 68 in den Fig. 4A, 4B und 4C dargestellt ist.

Das anfängliche Segment 7o jeder Reflektionssignalwellenform stellt eine starke anfängliche Verrohrungsreflektion dar, deren Dauer in der Größenordnung von etwa 5 Mikrosekunden lieget. Der übrige Teil 72 ist als Hin- und Herreflektionsabschnitt gekennzeichnet, indem dieser eine große Anzahl von Schwingungsperioden darstellt, die für die akustischen Hin- und Herreflektionen repräsentativ sind, deren Größe mit der Zeit abnimmt. Die Abklingzeit variiert als Funktion der Art der Zementverbindung, wie aus den Wellenformen 64, 66, 68 ersichtlich ist, die mit entsprechend verschieden großen Ringräumen 3o um die Verrohrung 12 herum erhalten wurden.

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Außer für den anfänglichen Abschnitt 7o entsprechend der Verrohrungsreflektion besitzen die Reflektionssignale 64, 66, 68 keine stark ausagekräftige Form, wobei der Extremwerte genau definiert und exfcchierbar sind. Aus diesem Grunde ist eine bekannte Technik, wie sie etwa in dem US-PS von Norel et al beschrieben ist, zum Vergleichen von benachbarten Extremwerten schwierig durchzuführen, um die Abklingzeitkonstanten für die Wellenformen zu ermitteln.

Stattdessen reagiert der Signa.verarbeitungsteil 21 der Ehrichtung 1o auf jedes Reflektionssignal durch Trennen des Abschnittes 72 von dem Abschnitt 7o und nachfolgendes Integrieren des Abschnittes 72 über eine bestimmte Zeitspanne, um die enthaltene Energie zu bestimmen.

Beider Ausführungs form von Fig. 1 werden die Reflektionssignale von demWandler 36 in einem Verstärker 62 verstärkt, dessen Ausgang auf einen Zwexweglgeichrichter 76 gegeben wird, um ein Gleichstrorasignal zu erzeugen, das für die Amplitude der empfangenen Schallwelle repräsentativ ist und über eine Leitung 78 auf ein Filter 8o gegeben wird, um dort gefiltert zu werden und um aer Leitung 82 ein Signal zu erzeugen, das für die Einhüllende der Wellenformen von dem Wandler 36 repräsentativ ist.

Das Einhüllsignal der Leitung 82 wird auf einen Schwellwertdetektor 84 gegeben, der die nachfolgende Signalverarbeitung durch Feststellen des Beginns des Abschnittes 7o der anfänglichen Veirohrungsreflektion beginnt (siehe Fig. 4) . Die Amplitude, bei der der Schwelldetektor 84 arbeitet, kann durch eine wählbare Einstellung über eine Leitung 86 verändert und automatisch eingestellt werden.

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Der Ausgang des Schwellwertdetektors 84 auf der Leitung 88 wird verwendet, um einen Steuerimpuls am Ausgang 9o eines impulserzeugenden Schaltkreises 92 zu erzeugen. Der Steuerimpuls von dem Schaltkreis 92 besitzt eine solche Dauer, daß der Einhüllabschnitt auf der Leitung 82, der zu dem Abschnitt7o der anfänglichen Verjohrungsreflektion gehört, durch einen Verstärker 94 als ein Verrohrungsreflektionssignal ausgeblendet wird.

Die Dauer des Steuerimpulses auf dem Ausgang 9o ist wählbar, so daß der gesamte Verrohrungsreflektionsabschnxtt 7o in dem Fall gewählt werden kann, in dem seine Dauer veränderlich ist. Die Gleichstromform des Wellenreflektionssignals wird auf einen Integrator oder Spitzenamplitudendetektor 96 gegeben, um ein Signal entsprechend der Amplitude der Verrohrungsreflektion 7o in der Leitung 9 8 zu erzeugen. Dieses Verrohrungsamplitudensignal wird etwa in einem Kastenspeicher 1oo gespeichert, der durch einen geeigneten Impuls von dem Schaltkreis 92 über eine Leitung 1o2 am Ende des Impulses der Leitung 9o betätigt wird.

Der Ausgang 88 des Schwellwertdetektors 84 wird ebenfalls auf eine Auswahlschaltung 1o3 für den Hin-und Herreflektionsabschnxtt gegeben, die einen Verzögerungskreis 1o4 umfaßt, der einen Steuerimpuls für einen impulserzeugenden Schaltkreis 1o6 nach einer Zeit erzeugt, nachdem die anfängliche Verrohrungsreflektion 7o beendet ist. Der Schaltkreis 1o6 erzeugt einen Abschnittsselektionsimpuls auf der Leitung 1o8, der zu Beginn des Abschnittes 72 beginnt und eine Dauer aufweist, die ausreicht, um die gesamte Einhüllform des Abschnittes 72 (siehe Fig. 4) durch einen ausfilternden Verstärker 11o zu einem Integrator 112 zu geben. Der Abschnittsselektionsimpuls der Leitung 1o8 beginnt nach der anfänglichen Verrohrungsreflektion und endet, nachdem die gewünschte

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Anzahl von interessierenden Schallrücksendungen empfangen wurde, jedoch bevor eine sekundäre Transmissionsinterferenz auftritt. Ein typischer Impuls beginnt etwa 6 Mikrosekunden, nachdem die anfängliche Verrohrungsreflektion festgestellt wurde, und erstreckt sich über einen Zeitraum von etwa 4o Mikrosekunden, nachdem ein Schallimpuls, wie er etwa in den Fig. 2 und 3 dargestellt, ausgesendet wurde, wobei ein Abstand D in der Größenordnung von etwa 7,6 cm liegt.

Der Integrator 112 integriert die Einhüllende während eines bestimmten Zeitraumes, der durch den Impuls der Leitung 1o8 bestimmt wird. Am Ende dieses letztgenannten Impulses aktiviert ein Signal in der Leitung 114 von dem Schaltkreis 1o6 einen Tastspeicher 116, um ein Signal entsprechend der Energie in dem Abschnitt 72 zu speichern.

Die Ausgänge der Tastspeicher 1oo, 116 werden auf eine Kombinierschaltung in Form eines Dividierers 118 gegeben, der einen Quotienten bildet durch Dividieren des Signals, das repräsentativ für die Energie in dem Abschnitt 72, durch das formierende Signal, das für die Amplitude der Verrohrungsreflektion 7o indikativ ist, um ein normalisiertes Energieverbindungssignal auf der Ausgangsleitung 12o zu erzeugen. Dieses normalisierte Energiesignal auf der Leitung 12ο^ζητ Erdoberfläche übermittelt werden, um die Reflektionsenergie als Funktion der Tiefe mit einem Schreiber 122 aufzuzeichnen. Das normalisierte Energiesignal kann ferner auf einen Komparator 124 zum Vergleichen mit einem Vergleichssignal auf Leitung gegeben werden, das von einem Schaltkreis 128 stammtund repräsentativ für den Schwellwert zwischen guten und schlechten Zementverbindungen ist. Der Ausgang 13o von dem Komparator 124 zeigt die An- oderAbwesenheit einer guten Zementverbindung an und kann ebenfalls auf dem Schreiben 122 als Funktion der Tiefe aufgezeichnet werden.

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Durch die Signalverarbeitung wird das Signal auf der Leitung 12o betreffend die Zementverbindung weniger empfindlich hinsichtlich Kippungen der Einrichtung 2o und iSnpfung in dem Fluid, wobei die Schallenergie an der Verrohrung 12 längs einer Ebene gerichtet ist, die relativ zur Achse der Verrohrung 12 schräggestellt ist. Wenn ein derartiger Fall eintritt, werden die Schallrücksendungen bezüglich der Amplitude reduziert und können als gute Zementverbindungen interpretiert werden, wenn tatsächlich die Zementverbindung schlecht sein kann. Durch Verwendung der Amplitude der anfänglichen Verrohrungsreflektion als Eichung für Schrägstellungen der Einrichtung 2o und Schlammkonditionen liefert das Signal auf der Leitung 12o eine sichere Anzeige der Qualität der Zementverbindung.

In bestimmten Fällen kann die Notwendigkeit bestehen, ein Signal betieffend die Signalverbindung zu erhalten, das nicht normiert wurde oderzu einem späteren Zeitpunkt normiert werden sollte. In einem Fall wie diesem ist der Ausgang 117 des Tastspeichers 116 das Zementverbindungsignal, das zur Erdoberfläche zum Aufnehmen etwa durch ein Bandgerät oder den Schreiber 122 oder in einem Speicher eines signalverarbeitenden Geräts 13o nach seiner Umwandlung in Digitalform übermittelt werden kann. Nachdem ein Zementverbindungssignal erzeugt wurde und ein neuer Synchronisierungsimpuls auf der Leitung 54 erscheint, wird dieser Synchronisierungsimpuls auf verschiedene Rückstelleingänge der Tastspeicher 1oo, 116 und Integratoren 96, 112 gegeben. Das Rückstellen der Tastspeicher 11o, 116 kann für einen glatteren Ausgang bis zu einem solchen Zeitpunkt verzögert werden, in dem die Ausgänge der Integratoren 96, 112 zum Abtasten fertig sind.

Die Auswahl eines Signal, repräsentativ für die akustischen Hin- und Herreflektionarucksendung 72, wird mit einem

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Impuls, erzeugt auf der Leitung 8, erhalten, indem ein Abschnittswellenkreis 132 verwendet wird. Dieser Abschnittswellenkreis 132 steuert die Länge der Verzögerung 1o4 und die Breite des Steuerimpulses von dem Impulsgeber 1o6. Wie vorstehend im Zusammenhang mit den Fig. 4A - 4C ausgeführt wurde, wird der Abschnitt 72 derart ausgewählt, daß die Verrohrungsreflektion 7o wirksam ausgeschlossen ist.

Dieses Ausschließen kann vorzugsweise durch den Signalprozessor 21 erzielt werden, da dieser durch das Feststellen der starken Verrohrungsreflektion 7o aktiviert wird, die durch den Schwellenwertdetektor 84 angezeigt wird. Die resultierende Integration der verbleibenden Einhüllenden liefert eine scharfe Trennung zwischen einem Signal für eine gute und einem solchen für eine schlechte Zementvabindung. Beispielsweise wird die Integration des Abschnittes 72.1 der Wellenform 64 von Fig. 4A größer als die Integration des Abschnittes 72.3 der Wellenform 68 von Fig. 4C sein, und zwar um einen Faktor von etwa 3. Wenn der Bereich der Einhüllenden für ein Beispiel gemäß Tabelle 1 mit dem resultierenden Reflektionskoeffizxenten für r und r.. für gute und schlechte Zementverbindungen verglichen wird, tritt ein Integrationsverhältnxs von etwa 3,8 bis 1 zwischen schlechten und giten Signalen auf. Daher wird ein extrem scharfer Kontrast zwischen guten und schlechten Zementverbindungen erhalten, selbst wenn ein dichter Schlamm innerhalb der Verrohrung 12 vorhanden ist.

Bei bestimmten Zementtypen kann es wünschenswert sein, einen Mikroringraum einer Dicke in der Größenordnung von ο ,25 mm noch als gute Zementverbindung anzunehmen. In diesem Falle kann das Frequenzspektrum 52 des Schallimpulses 5o eingestellt werden, um den Zement zu untersuchen. Beispielsweise kann man zwei Arten von Schallimpulsen mit verschiedenem Frequenzspektrum verwenden, einen mit der Grundfrequenz und den anderen mit einer

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harmonischen Oberschwingung. Wenn die Ergebnisse von diesen Impulsen nicht die gleiche Ablesung abliefern, kann geschlossen werden, daß ein hydraulisch sicherer Mikroringraum vorhanden ist.

Theoretisch erscheint eine Verbindung für einen Mikroringraum mit einer Dicke in der Größenordnung einer halben Wellenlänge (etwa o,22 cm) als gut. In der Praxis jedoch ist das Auftreten eines derartig großen Ringraums unwahrscheinlich, und andere konventionelle Techniken zum Untersuchen der Zementqualität können verwendet werden, um derartig große Ringräume als schlechte Zementverbindungen zu identifizieren.

Figuren 6A-6C und 7

Fig. 6A-6C zeigen die Wirksamkeit der Einrichtung 1o, wenn ein Frequenzspektrum von den beobachteten gesamten Schallrücksendungen hergestellt wird, wie sie in den Figuren 4A - 4C dargestellt sind. Die Spektren 14o der Figuren 6A-6C stellen entsprechend eine schlechte Verbindung mit einem großen Ringraum, eine dazwischenliegende Verbindungssituation mit einem Ringraum von o,12 mm und eine gute Zementverbindung dar. Die Spektren 14o konnten, als sie ursprünglich erhalten wurden, in ihrer absoluten Größe aufgrund der Reflektionsänderungen in der Exzentrizität e der Einrichtung 2o und der Kopplung der Schallenergie zum Zement 14 hinter der Verrohrung 12 variieren. Daher ist für eine gute Zementverbindung die abso-

a.ls lute Amplitude der Schallrücksendungen kleiner für eine schlechte Zementverbindung. Die relative Größe der Minima 142 ist jedoch tiefer für eine schlechte Zementverbindung und höher für eine gute Zementverbindung. Aus Bequemlichkeit sind die Spektren 14o in den Figuren 6A-6C mit allgemein gleichen Amplituden dargestellt, so daß ihre Minima 142 durch visuellen Vergleich miteinander bewertet werden können.

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Die Signifikanz der Minima 142 sollte im Licht des Gesamtenergiespektrums des Reflektionssignals bestimmt werden.

Die scharfen Minima 142 der Spektren 14o sind um die Dickenresonanz der Verrohrung 12, von der die Reflektionen kommen, zentriert. In den Spektren 14o treten die Minima bei o,5 MHz (5oo KHZ) für eine o,584 cm dicke Verrohrung auf und gleichen der Wirkung eines Trennfilters mit enger Bandbreite. Im Falle einer schlechten Verbindung, etwa im Falle des Spektrums 14o.1 von Fig. 6A ist das Minimum 142.1 tief und zeigt an, daß eine relativ große Energiemenge bei der Dickenresonanz innerhalb der Verrohrungwände 13, 13' eingefangen wurde.

'Die Verbesserung der Zementverbindung ist bei dem Spektrum 142.2 augenscheinlich, da dort eine entsprechend kleinere Energiemenge innerhalb der Verrohrungswandungen 13, 13' eingefangen wurde. Daher ist das Minimum 142.2 in Fig. 6B weniger tief im Vergleich zu dem Miniumum 142.1 von Fig. 6A, während das Minimum 142.3 in Fig. 6C das kleinste für eine gute Zementverbindung ist.

Fig. 7 zeigt eine Ausführungsform 15o zur Bewertung der Zement Verbindung, wobei die Scharärfe der Minima 142 in den Spektren 14o der Fig. 6A-6C verwendet wird. Der Ausgang 63 des Verstärkers 62 in der Schaltung 21 wird auf zwei Bandpaßfilter 152 und 154 gegeben. Der Filter 152 ist ein Bandpaßfilter, der auf eine Varohrungsdickenresonanzfrequenz der Verrohrung 12, die untersucht wird, abgestimmt ist. Der Durchlaßbereich des Filters 152 ist vorzugsweise eng mit scharfen ansteigenden und abfallenden Bereichen. Der Filter 152 sollte jedoch bezüglichseines Frequenzbandes genügend breit sein, um den Frequenzbereich der Minima 142 für die erwarteten Toleranzänderungen in der Verrohrungsdicke zu überlappen.

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Im allgemeinen reicht ein Filter 152 mit einer Durchlaßbreite von etwa 1o - 15% der mittleren Frequenz, obwohl ein schmalerer Durchlaßbereich von etwa 5% eine Minimumsamplitudenanzeige auf der Leitung 156 liefern kann. Es kann sowohl ein Digitalais auch ein Analogfilter 152 verwendet werden.

Das Filter 154 ist vorzugsweise derart abgestimmt, daß ein getrennter, nicht überlappendes Abschnitt des Spektrums des Signals auf der Leitung 63 ein Bezugssignal auf der Leitung 158 liefert, das für die Amplitude des Spektrums des Signals auf der Leitung 63 indikativ ist. Andere Einrichtungen können verwendet werden, um ein derartiges Bezugssignal abzuleiten, so daß die im Zusammenhang mit der Ausführungsform von Fig. beschriebene Technik der Bestimmung des Minimums verwendet werden kann. Das Miniumamplitudensignal auf der Leitung 156 wird dann durch Dividieren dieses Signals durch das Bezugssignal auf der Leitung 158 mit einem Dividierschaltkreis 16o normiert. Ein normiertes Minimalwertsignal ist dann auf dem Ausgang 162 des Dividierschaltkeises 16o verfügbar, um eine Anzeige der Qualität der Zementverbindung zum Aufzeichnen oder Aufnehmen zu liefern.

Fig. 8

Fig. 8 zeigt eine weitere Ausführungsform zum Bestimmen der Zementverbindung. Der Ausgang von dem Wandler 36 auf der Leitung 63 von dem Verstärker 62 (siehe Fig. 1) wird auf einen Hochleistungsanalogdigitalwandler 172 gegeben, der eine bestimmte Zeit nach einem Schaltimpuls in Tätigkeit gesetzt wird. Hierdurch wird ein digitalisiertes Reflektionssignal ersugt, das aus aufeinanderfolgenden numerischen Werten gebildet wird, die repräsentativ für die Amplitude des Reflektionssignals sind. Der Wandler 172 kann eine bestimmte Zeit nach der Erzeugung eines Schallimpulses deaktiviert werden.

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Der Wandler 172 ist in der Einrichtung 1o dem Bohrloch angeordnet und kann mit sehr hoher Geschwindigkeit arbeiten und ist miteiner genügenden Speicherkapazität versehen, um die Zahlen anfänglich zu speichern und dann mit einer geringeren Geschwindigkeit zu einem überirdischen Signalprozessor 174 zu übermitteln. Der letztere könnte gegebenenfäls auch in der Einrichtung 1o angeordnet sein, jedoch hängt dies von der Art der Operationen ab, die dieser Signalprozessor 174 durchführen muß.

Das abgetastete Digitalrefletionssignal wird in einen Speicher 176 gegeben, der ein Festkörperspeicher oder ein magnetischer Speicher ist. Der Speicher 176 kann ein integraler Teil des Prozessors 174 zum unmittelbaren Verarbeiten der Werte oder eine periphere Einrichtung sein, die zu einem späteren Zeitpunkt nach dem Ausmessen des Bohrlochs 16 zugänglich wird.

Der Signalprozessor 174 kann programmiert werden, um bei 178 diejenigen Reflektionswerte A auszuwählen, die für

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die Verrohrungsreflektbn 7o (vgl. Fig. 4) repräsentativ sind. Das Verfahren kann ähnlich zu demjenigen sein, das in analoger Form in Fig. 1 dargestellt ist. Daher können die Reflektionswerte abgetastet werden, um den ersten Wert festzustellen, der eine vorbestimmte Schwelle überschreitet, wobei dieser erste Wert die Ankunftszeit der Verrohrungsreflektion wird. Eine bestimmte Anzahl von Werten, die diesem ersten Wert folgen, wird dann als repräsentativ für die Verrohrungsreflektion 7o (vgl. Fig. 4) ausgewählt.

Eine bestimmte Anzahl von Reflektionswerten A , die den Verrohrungsreflektionswerten A folgen, werdenbei 18o als repräsentativ für den Abschnitt 72 in dem Reflektionssignal ausgewählt (siehe Fig. 4).

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Die Integration der Werte für die Hin- und Herreflätionen wird durch Aufsummieren der Absolutwerte der Werte bei 182 vorgenommen. Dieses Aufsummieren kann durchgeführt warden, wenn die Werte für die Hin- und Herreflektion bei 18o ausgewählt werden. Jedoch ist der Klarheit wegen das Aufsummieren als getrennter Schritt angedeutet. Die integrierte Summe E wird gespeichert.

Die Integration der Verrohrungsreflektionswerte A wird bei 184 durchgeführt, indem die Absolutwerte aufsummiert und das Ergebnis E gespeichert wird.

Ein normierter Wert CB, der für die Qualität der Zementverbindung repräsentativ ist, kann bei 186 durch Dividieren des Integrators E durch das Integral E erhalten werden. Der Wert CB kann in 188 in einem Speicher gespeichert oder aufgezeichnet werden.

Figuren 9, 1 ο und 11

Fig. 8 zeigt eine weitere Ausführungsform zur Untersuchung der Qualität der Zementverbindung. Eine Einrichtung 21o, die an einem Kabel 211 hängt, ist mit einer Vielzahl von Wandlern 36 versehen, die am Umfang der Einrichtung 21o verteilt angeordnet sind, um eine genügend genaue Zementverbxndungsbewertung in Umfangsrichtung zu liefern. Die Wandler 36 sind axial mit Abstand zueinander angeordnet, um eine große Anzahl aufzunehmen. So können acht Wandler 36 vorgesehen werden, die in Umfangsrichtung mit einem Abstand von 45° angeordnet sind. Der axiale Abstand ist angepaßt an die Größe der Wandler 36 ausgewählt.

Fig. 1o und 11 betreffen einen Signalprozessor 215 für eine Einrichtung 21o gemäß Fig. 9. Der Signalprozessor 215 wird im Zusammenhang mit einer Einrichtung 21 ο mit acht Wandlern

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36 beschrieben, jedoch kann auch eine größere Anzahl von Wandlern in Betracht gezogen werden. Der Signalprozessor besitzt einen einstellbaren Taktgeber 212, an dessen Ausgang 214 Impulse 216 (siehe Fig. 11) in einer vorgewählten Rate erscheinen, um die Auflösung der Zementverbindungsuntersuchung zu bestimmen. Der Takt kann von einer überirdischen Einrichtung oder von einem geeigneten Oszillator in der Einrichtung 21o stammen.

Die Taktimpulse 216 werden über einen Verzögerungskreis 218 auf eiien Wandlerselektor 22o und einen Transmitterimpulsmultiplexer 222 gegeben. Der Wandlerselektor 22o liefert ein diskretes Ausgangssteuersignal auf der Leitung 224, um jeden einzelnen Wandler 36 aufeinanderfolgend zu identifizieren. Daher ist der Multiplexer 222 in der Lage, aufeinanderfolgend Impüfegeber 226 zu zünden, die mit den Wandlern 36 gekoppelt sind.

Die Wandler 36 dienen ebenfalls als Empfänger und erzeugen Signale auf den Ausgangleitungen 228 zum Verstärken im Vorverstärker 2 3o, die mit jedem Wandler 36 verbunden sind. Der Ausgang der Verstärker 23o ist mit einem Empfängermultiplexer 232 verbunden, der durch die wandleridentifeierenden Signale auf der Leitung 224 von dem Wandlerselektor 22o gesteuert wird. Zusätzlich wird eine Abschnittsauswahlschaltung 234 mit jedem Wandlerzünden aktiviert, um Steuersignale 236, vergleiche Fig. 11, auf einer Ausgangsleitung 238 zu erzeugen, damit der Multiplexer 2 32 den gewünschten Abschnitt aus den Wandlerausgängen auswählen kann, während die anfänglichen Transmitterabschnitte unterdrückt oder ausgeblendet werden. Der Ausgang 24o des Multiplexers 232 besitzt eine Form, wie sie bei 244 in Fig. 11 dargestellt ist. Ein geringes Rauschsignal 242 erscheint vor dem Reflektionssignal 244, das das in den Fig. 4A-4C dargestellte allgemeine Aussehen aufweist.

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Die Reflektionen auf der Ausgangsleitung 24o werden durch zwei Verstärker mit veränderlichem Verstäfcungsfaktor (VGA.) 246, 248 verstärkt. Bei dem Verstärker 246 wird die Verstärkung durch ein Signal auf der Leitung 249 gesteuert, das entweder von der Erdoberfläche stammt, um Schlammdämpfungseffekte zu berücksichtigen, oder von einer automatischen Verstärkungssteuerung im Bohrloch.

Beim zweiten Verstärker 248 wird die Verstärkung automatisch in der Einrichtung 21o gesteuert, um die Dezentrierung der Einrichtung 21o zu berücksichtigen, wie weiter unten ausgeführt wird.

Der Ausgang 25o von dem Verstärker 248 wird in einer Schaltung 76.1 gleichgerichtet und einer Schaltung zum Feststellen der Verrohrungsreflektion gegeben, die aus einem vorgesteuerten Verstärker 94, einem Integrator 96 und einem Tastspeicher 1oo, wie in Fig. 1, besteht.

Der Ausgang auf einer Leitung 25o von dem Verstärker 248 wird ferner durch einen Verstärker 252 um einen genügenden Betrag verstärkt, um die angenäherte Differenz in der Signalamplitude zwischen der Verrohrungsreflektion und den akustischen Rücksendungen der nachfolgenden Hin- und Herreflektionen zu kompensieren. Eine annehmbare Kompensation kann ein Verstärkungsfaktor von etwa 2o db für den Verstärker 252 sein. Die interessierenden Reflektionen werden kann auf einen Zweiweggleichrichter 76.2 zum nachfolgenden Integrieren mit den im Zusammenhang mit Fig. 1 beschriebenen Einrichtungen gegeben.

Eine Steuerung der Verstärker 94, 11o wird entsprechend Fig. 1 durch einen Schwellenwertdetektor 84 vorgenommen, der mit dem Ausgang des Zweiweggleichrichters 76.1 auf der Lei-

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tung 78 verbunden ist. Ein Bezugsschwellwert wird über eine Leitung 86 als Ergebnis einer ähnlichen vorherigen Zementverbindungsuntersuchung mit einem bestimmten Wandler abgeleitet, wie nachstehend erläutert wird.

wird Der Ausgang 88 des Schwellwertdetektors 84/auf den

eingestellten Eingang eines Verriegungsschaltkreises 256 gegeben. Letztere besitzt einen Rückstelleingang 258, der mit der Leitung 214 für die Taktimpulse verbunden ist (vor der Verzögerung durch die Schaltung 218) . Wenn der Schwellwertdetektor 84 auf der Leitung 78 ein Signal größer als der Vergleichswert auf

el der Leitung 86 feststellt, wird auf den Verriegungsschaltkreis 256 ein Signal gegeben, der danach bezüglich Ansprechen auf weitere Eingänge von dem Schwellwertdetektor 84 gesperrt wird, bis die Schaltung 256 dirch einen Impuls über die Leitung 214 zurückgestellt wird- Der Ausgang auf der Leitung 26o zeigt das Aussehen des Impulses 262 (Fig. 11) mit einem aktiven Zustand mit demAuftreten der großen Verrohrungsreflektion.

Die Integrationszeiten T₁ und Τ« (siehe ebenfalls Fig. 11)für Signale entsprechend der Verrohrungsreflektion und der Hin- und Herreflektionenwerden durch Impulsgeber 92 bzw. 1o6 gegeben, deren Ausgänge 9o, 1o8 zum Ansteuern der Verstärker 94, Ho verwendet werden. Die Dauer und das Auftreten der Integrationsperioden T₁ und T_? sind etwa 8 Mikrosekunden für die Verrohrungsreflektion bzw. etwa 3o Mikrosekunden für die Hin- und HerrefLektionen.

Die nachfolgende Integration des Verrohrungsreflationssignals durch den Integrator 96 und des Hin- und Herreflektionsabschnittes durch den Integrator 112 wird am Ende der Impulse T- und T_ beendet, wenn der Ausgang von den Verstärkern 94, 11ο auf Null zurückgeht. Die Integratorausgänge werden am Ende des Impulses T₂ abgetastet und zum weiteren Verarbeiten

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mit einem geeigneten Multiplexer 266 zum Übermitteln der Werte zu einer Einrichtung auf der Erdoberfläche zur Verfügung gestellt. Die Übertragung der Informationen kann unter Verwendung ehes Analog-Digital-Wandlers 267 und einer geeigneten Fernmeßeinrichtung 269 für die Kabelüberwachung 24 vorgenommen werden. Die Integratoren 96, 112 werden durch Impulse auf der Leitung 219 und der Tastspeicher durch Impulse auf der Leitung 214 von der Übertragungslogik 2 71 im Zeitpunkt der Taktimpulse 214 zurückgesetzt.

Wie vorstehend ausgeführt wurde, wird die Verstärkungssteuerung cfes Verstärkers 248 durch Abtasten des Maximalwertes der Verrohrungsreflektion auf der Leitung 78 mit einem Maximalwertdetektor 2 7o automatisiert. Der Maximalwert wird dann in einen Digitalwert durch einen Analog-Digital-Wandler 272 konvertiert und dieser Wert in einem Speicher 2 74 an einer Stelle angeordnet, die dem Wandler 36 zugeordnet ist, von dem die Reflektion erhalten wurde. Beim nächsten Mal, wenn dieser Wandler 36 in Tätigkeit gesetzt wird, liefert der Wandlerselektor 22o ein geeigneter Adressensignal für eine Einlese-Auslese-Schaltung 2 75, um den vorher gespeicherten Maximalwert auf eine Verstärkungssteuerung 2 76 und eine Schaltung 2 78 zum Erzeugen eines Schwellwertbezugssignals zu geben.

Zur Verstärkungssteuerung wird der digitale Extremwert in ein Analogsignal konvertiert und eine geeignete Vorspannung angelegt, um die Verstärkung des Verstärkers 248 zu steuern. In ähnlicher Weise wird der Schwe1Iwertbezugswert auf der Leitung 86 für jeden Wandler 36' auf der geeigneten Höhe gehalten.

Das verwendete Verfahren zum Untersuchen der Zementverbindung ermöglicht vorteilhafterweise eine genaue Messung der Exzentrizität der Einrichtung 21o, wenn diese sich längs der Verrohrung bewegt. Gemäß Fig. 1o wird ein Zeitgeber 28o

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verwendet, der jedesmal, wenn ein Wandler 36 anfänglich gezündet wird, in Gang gesetzt wird. Der Zeitgeber 280 wird entaktiviert, um ein gemessenes Zeitintervall zu speichern, wenn eiie Verrohrungsreflektion durch den Schwellwertdetektor 84 durch ein Signal auf der Leitung 26o angezeigt wird. Die gemessenen Zeitintervalle für verschiedene Wandler 36 sollten die gleichen sein, wobei i-rgendwelche unterschiede der exzentrischen Position der Einrichtung 21o zuzuordnen sind. Der Ausgang des Zeitgebers 280 kann aufgezeichnet ο der aufgenommen und geeignet verarbeitet werden, um die Exzentrizität der Einrichtung 21o zu messen und zu lokalisieren.

Die vertikale Auflösung der Einrichtung 21 ο ist eine Funktion der Wiederholungsrate, mit der die Wandler 36 in Tätigkeit gesetzt werden und aufnehmbare Verrohrungsreflektbnen und Hin- und Herreflektionen erzeugen. Eine Wiederholungsaate von I00 pro Sekunde kann verwendet werden, um eine Auflösung von jeweils o,25 cm zu erzielen, wenn die Einrichtung 2b mit einer Geschwindigkeit von etwa 24,5 cm/sec längs der Verrohrung bewegt wird. Ein Signal auf der Leitung 213 (siehe Fig. 9) ist repräsentativ für die Tiefe der Einrichtung 21o und setzt einen Signalprozessor 215 in die Lage, die Höhendifferenzen der Wandler 36 abzugleichen.

Figuren 12 bis 14

In den Fig. 12 bis 14 ist eine Schallenergiequelle und Detektor 3oo zur vielfachen Verwendung bei einer Einrichtung 2I0 gemäß Fig. 9 dargestellt. Der Sender/Empfänger 3oo ist radial an einem zylindrischen Gehäuse 3o2 mit einer Klammer 3o4 befestigt, die eine mittlere öffnung 3o6 besitzt, um einen zylindrischen oder Scheibenwandler 36 aufzunehmen. Die Klammer 3o4 erstreckt sich von der abstrahlenden Fläche 37 des Wandlers 36 mit einer leicht sich nach außen erweiternden Öffnungs-

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wandung 3o8.

Die Klammer 3o4 kann direkt an dem Gehäuse 3o2 befestigt sein, wie in Fig. 12 gezeigt ist, oder über einen Abstandshalter 31o, vgl. Fig. 13. Gemäß Fig. 12 kann der Abstand D zwischen Wandler 36 und Verrohrung 12 engere Verrohrungen, etwa von 14 cm Durchmesser ab, berücksichtigen. Die Anordnung von Fig.13 ist dagegen für größere Verrohrungsdurchmesser geeignet.

Die radiale Orientierung der Wandler 36 umfaßt vorzugsweise kein Fenster oder zwischengeschaltete Materialien. Weiterhin wird der Abstand D zwischen der Fläche 37 und der Verrohrung 12 so klein wie möglich gehalten.

Da ein zu kleiner Abstand D dazu führt, daß Sekundärtransmissionen mit den interessierenden Reflektionen interferieren, darf der Abstand D nicht zu klein sein. Wenn andererseits der Abstand D zu groß ist, können Schlammdämpfungseffekte zu groß sein. Daher kann ein Kompromißabstand D, basierend auf den erwarteten Dämpfungen, ausgewählt werden. Die Dämpfungen können von der Art des verwendeten Schlamms abhängen. Beispielsweise verursacht ein schwerer und dichter Schlamm eine unerwünscht hohe Dämpfung. Bei der Wahl eines akzeptablen Abstandes D ist es daher notwendig, auch eine obere Schlammdichten grenze zu spezifizieren. Mit einer derartigen oberen Grenze kann die maximale Dämpfung etwa 4-5 db/2,54 cm im Gegensatz zu einer starken Schlammdämpfung von etwa 8 - 1o db/ 2,54cm sein.

Bei diesen generellen Beschränkungen kann ein annehmbarer Abstand D in der Größenordnung von etwa 2,54 - etwa 5,o8 cm für die meisten Verrohrungen sein.

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Die beschriebene Anordnung der Enrichtung 2ο mit einem drehbaren Reflektor 38 kann in verschiedener Weise variiert werden. Beispielsweise kann es in einigen Fällen wünschenswert sein, den Reflektor 38 in einem Polster, benachbart der Wand der Verrohrung 12, anzuordnen, um die Dämpfungswirkung einer dichten Sbhlammflüssigkeit zu reduzieren. Jedoch sollte darauf geachtet werden, daß der Reflektor 38 in genügendem Abstand von der Wand der Verrohrung 12 bleibt.

Figuren 15, 16 und 6

Die Verrohrungsdicke wird durch Analysieren des Frequenzspektrums des Abschnittes 72 (siehe Fig. 4A) gemessen, der für die akustischen Rücksendungen von Hin- und Herreflektionen zwischen den Verrohrungswandungen 13, 13^r repräsentativ ist. Wenn ein Schallimpuls, etwa ein Schallimpuls 5o, auf die Verrohrung 12 gerichtet wird, wird ein wesentlicher Anteil der Schallenergie bei der Resonanzfrequenz innerhalb der Verrohrungswandungen e ingefangen.

Der Abschnitt 72 besitzt hervortretende Komponenten in einem Frequenzbereich 32o (siehe Fig. 6A—6C) allgemein in Frequenzübereinstimmung mit den Minima 142. Die Minima 142 nehmen in der Tiefe entsprechend der Abnahme der Qualität der Zementverbindung zu, jedoch steigt die Energiemenge, die zwischen den Verrohrungswandungen eingefangen wird, mit schlechter werdender Verbindung zwischen dem Zement und der Verrohrung. Dementsprechend variiert die tatsächliche Mplitude der Schallrücksendungen in dem Frequenzbereich 32o. Die tatsächliche Amplitude der akustischen Hin- und Herreflektionen in dem Frequenzbereich 32o reduziert sich allgemein in dem Maße, wie die akustische Kopplung zwischen der Verrohrung 12 und dem Zement 14 wirksamer wird, d.h. die Zementverbindung besser wird.

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Dies ist in den aufgezeichneten Spektren von Fig. 16 mit den Kurven 322 und 324 dargestellt, die entsprechend das Frequenzspektrum eines Frequenzabschnittes 32o für eine schlechte Zementverbindung und eine gute Zementverbindung darstellen.

Wenn sich dünne Stellen in der Verrohrung 12, wie bei

33.1 und 33.2 in Fig. 15, entwickeln, beeinträchtigen sie die Bewertung der Zementverbindung. Der Effekt dieser dünnen Stellen auf die Zementvabindung ist nicht leicht vorherzusagen und scheint wahrscheinlich eine Funktion solcher Faktoren, wie Größe und Zementzustände, zu sein. Wenn beispielsweise keine Zementverbindung hinter der dünnen Stelle 33.1 ist, jedoch die Verrohrung dort wesentlich dünner ist, wird weniger Schallenergie innerhalb der Verrohrungswanden 13, 13' eingefangen, als es bei einer normalen Wandstärke der Fall ist, so daß die dünne Stelle 33.1 eine gute Verbindung andeuten kann. Wenn andererseits eine isolierte äußere dünne Stelle

33.2 in einem Bereichmtt guter Verbindung auftritt, kann die Verrohrung 12 als schlecht verbunden erscheinen. Daher ist es vorteilhaft, in der Lage zu sein, eine Verrohrungstärkenmessung mit einer Bewertung der Zementverbindung zu korrelieren, um Unsicherheiten zu eliminieren.

Die Messung der Verrohrungsstärke wird mit einer Vorrichtung 326 nach Fig. 15 vorgenommen, indem ein Frequenzspektrum des Abschnittes der Hin- und Herreflektionen gebildet wird, der über die Leitung 63 von Fig. 1 erhalten wird. Das Frequenzspektrum ist durch ein oder mehrere Extremwerte gekennzeichnet, von denen der größte bei einer Grundfrequenz auftritt, deren Wellenlänge die zweifache Dicke der Verrohrung ist. Andere Maxima treten bei Frequenzen auf, die ein ganzes Vielfaches der Grundfrequenz beinhalten.

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Fig. 16 zeigt verschiedene FrequenzSpektren 322, 324 von verschiedenen Abschnitten 72, ausgewählt von verschiedenen Signalen. Bei der Darstellung der verschiedenen Spektren in Fig. 16 besteht kein Vorsatz, eine Amplitudenbeziehung zwischen dem Spektrum 52 und dem akustischen Impuls 5o (siehe Fig. 2 und 3) und den anderen Spektren 323, 324 vorauszusetzen. Vielmehr ist nur beabsichtigt, eine Frequenzbeziehung zu zeigen, gemäß der die Spektren 322, 324 in der Frequenzbandbreite des auftreffenden Schallimpulses auftreten. In der Praxis sind die absoluten Amplituden der Schallspektren ziemlich klein im Vergleich zu denjenigen der ausgesendeten Impulse.

Von besonderem Interesse ist die relative Frequenzverschiebung zwischen den Maxima 328, 33o der Spektren 322, 324. Die Frequenzunterschiede zwischen den Maxima 328, 33o können einerÄnderung der Wandstärke L der Verrohrung 12 zugeordnet werden. Durch Bestimmen der Frequenz der Maximalwerte, die vorwiegend den Schallrücksendungen von den Hin- und Herreflektionen zwischen den Verrohrungswandungen stammen, kann eine Anzeige bezüglich der Verrohrungswandstärke erhalten werden.

Die Wandstärke L kann aus der Beziehung L=N p-_ erhalten werden, wobei f die Frequenz des Maximums des Spektums, C die Kompressionsgeschwindigkeit in der Verrohrung 12 und N eine ganze Zahl ist, die davon abhängt, ob das gemessene Maximum das dasjenige der Grundfrequenz (N=1) oder einer höheren harmonischen Schwingung ist.

Da das Frequenzspektrum 52 des Schallimpulses eine Bandbreite von etwa 3oo bis 6oo KHz bei Verwendung für eine Verrohrung 12 mit einem Wandstärkenbereich von etwa o,5 - 1,9 cm besitzt, erzeugt die zweite Harmonische (N=2) wohl das größte Maximum in den Spektren für die Hin- und Herreflektionen für Varohrungen mit dickerer Wandstärke, während für Verrohrungen

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mit dünnerer Wandstärke dies für N = 1 gilt. Der Wert für N kann daher vor einer akustischen Untersuchung aus der Kenntnis der Art der in dem Bohrloch verwendeten Verrohrung bestimmt werden.

Beispielsweise ist es bekannt, daß eine installierte Verrohrung eine nominale Wandstärke von o,919 cm aufweist, so daß ihre Gruiröickenresonanz bei etwa 331 KHz für einen Wert von C von 6o96 m/sec auftritt. Beispielsweise wird tatsächlich bei dem Spektrum 322 ein Maximum 328 bei einer Frequenz f ~ ^von etwa 348 KHz gemessen, das einer tatsächlichen Wandstärke der Verrohrung von o,876 cm in einem radialen Abschnitt der Verrohrung entspricht. Das Spektrum 324 besitzt ein Maximum 33o bei einer Frequenz f .. von etwa 3o3 KHz, entsprechend einer tatsächlichen Wandstärke der Verrohrung von 1,oo3 cm. Diese Messungen zeigen die Genauigkeit des Verfahrens beim Bestimmen einer Wandstärkenänderung der Verrohrung von etwa + 7% aufgrund der Herstellungsabweichungen von dem Nominalwert von o,919 cm.

Bei der Einrichtung 326 von Fig. 15 wird die Verrohrungswandstärke durch Auswahl des Abschnittes 72 auf einer Leitung 332 mit einem Selektionskreis 334 ausgewählt, der mit dem Reflektionssignal auf der Leitung 63 gekoppelt ist. Der Selektionskreis 334 verwendet einen Verrohrungsreflektionsdetektor 336 zum Liefern eines Impulses auf dem Ausgang 338, dessen vordere Flanke für den Beginn der Verrohrungsreflektion 70 (vgl. Fig. 4) repräsentativ ist. Der Detektor 336 kann aus einem Schwellwertdetektor 34 mit schneller Ansprechzeit oder gemäß Fig. 1 aus einem Zweiweggleichrichter 76, Filter 8o und Schwellwertdetektor 84 bestehen.

Der Impuls auf der Leitung 338 wird durch eine Verzögerungsschaltung 34o um einen Zeitraum verzögert, der an die Dauer der starken anfänglichen Verrohrungsreflektion 7o ange-

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paßt ist_r um dann einen Impulserzeuger 342 in Gang zu setzen. Letzerer erzeugt einen Selektionsimpuls für den Abschnitt der Hin- und Herreflektion auf der Leitung 344, um ein Analoggatter 346 während einer Dauer entsprechend der Zeit zu steuern, die benötigt wird, um den Teil des Reflektionssignals auszuwählen, der für die Hin- und Herreflektionen innerhalb der Verrohrungswandungen vorwiegend repräsentativ ist.

Ein Spektrumanalysator 384 spricht auf den Abschnitt für die Hin— und Herreflektionen auf einer Leitung 332 an, . um auf einer Leitung 35o ein Signal zu liefern, das repräsentativ für die Amplitude A der Frequenzkomponenten in dem Abschnitt 72 ist, während auf der Leitung 352 ein entsprechendes Frequenzsignal f erscheint, das für die Frequenz der Amplitudenkomponenten auf der Leitung 35o repräsentaitiv ist.

Die Amplituden-und Frequenzsignale auf den Leitungen 35o, 352werden einzeln auf Analog-Digital-Wandler 354, 356 gegeben, die die Digitalsignale, die für die Amplitude A. und die Frequenz f. des Frequenzspektrums des Abschnittes 72 repräsentativ sind, erzeugen und in einen Speicher 358 efaes Signalprozessors 36o speichern.

Der Spektrumanalysator 348 und die Analog-Digital-Wandler 354, 356 werden durch den auf der Leitung 344 von dem Impulsgeber 342 erzeugten Selektionsimpuls für den Abschnitt 72 in Gang gesetzt. Während des letzteren Impulses durchläuft ein Oszillator innerhalb des Spektrumanalysators 348 wiederholt einen Frequenzbereich, um das Amplitudenspektrum auf der Leitung 35o zu erzeugen. Jedesmal, wenn dieser Oszillator durch diesen Frequenzbereich läuft, erzeugt der Spektrumanalysator 348 ein Spektralfeld der Amplituden- und Frequenzsignale A. und F.. Daher wird während der Auswhal eines einzigen Abschnittes 72 eine Vielzahl von Spektralfeldern erzeugt und

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in dem Speicher 358 gespeichert.

Für einen nichtperiodischen Abschnitt 72 kann eine bestimmte Vielzahl von Durchläufen des Oszillators in dem Spektrumanalysator 348 ausreichend sein, um eine Anzeige des Frequenzspektrums zu liefern. Die Analog-Digital-Wandler 354, 356 sind derart, daß eine adequate Zahl von Umwandlungen während jedes Schwingens des Oszillators durchgeführt werden kann.

Wenn die Spektralfelder aus der Frequenz f. und der Amplitude A. gebildet sind, werden die Signale in dem Speicher 358 gespeichert, der Signalprozessor 36o wird dann in Gang gesetzt, um einen Amplitudenmaximalwert A bei 362 zu suchen. Dies wird vorgenommen, indem sämtliche gespeicherten Amplitudenwerte A. untersucht und jeweils mit dem nächsten Amplitudenwert verglichen werden, wobei der größere Amplitudenwert für den nächsten Vergleich beibehalten wird. Durch Erhalten des Frequenzwertes f., der jedem jeweils erhaltenen Amplitudenwert zugeordnet ist, kann die Frequenz f des Wertes A gefunden und beide in 364 gespeichert werden.

In bestimirfen Fällen können verschiedene Maxima in den gespeicherten Spektren aiftreten. Obwohl das größte Maximum verwendet wird, um eine Wandstärkenbestimmung zu erhalten, kann man auch beide Maxima hierzu verwenden, und die Verrohrungswandstärkenmessung, die am nächsten an dem Nominalwert liegt, als zugehörige Messung auswählen.

Die festgestellten Maximalwerte sowohl für die Amplitude A als auch die Frequenz f können etwa aufeinem Schreiben aufgezeichnet werden. Die Frequenz f kann direkt als Anzeige proportional zur Venrohrungswandstärke L aufgezeichnet werden, oder letztere kann auf der Basis der vorstehend beschreiebenen

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berechnet und dann aufgezeichnet werden. Andere !informationen können gleichzeitig auf dem Schreiben 122 aufgezeichnet werden, etwa die Tiefe von der Leitung 24, das Zementverbindungssignal auf der Leitung 12o, der Azimut eines drehbaren Abtastreflektors auf der Leitung 37 zum Identifizieren der Tiefe und der Umfangslage des radialen VerrohrungsSegmentes, dessen Dicke gemessen wurde.

Figur 17

Bei einer alternativen Ausführungsform zum Bestimmen der Verrohrungswandstärke wird gemäß Fig. 17 das gesamte Reflektionssignal der Leitung 63 wie in bezug auf Fig. 8 zur Bewertung der Zementverbindung beschrieben digitalisiert. Das Digitalisieren wird nach Feststellen der Ankunft der Verrohrungsreflektion durch den Detektor 336 begonnen, der im Zusammenhang mit Fig. 15 beschrieben wurde.

Der Ausgangsimpuls auf der Leitung 338 von dem Detektor 336 ist ein Impuls von genügender Dauer, um die Digitalisierung eines gesamten Reflektionssignals, etwa 64 (siehe Fig. 4A) zu ermöglichen. Dieser Impuls setzt eine Schaltung 37o in Gang, die ihrerseits einen Impuls auf einer Leitung mit einer Dauer erzeugt, die allgemein etwa gleich derjenigen des Abschnitts 7o von Fig. 4 ist. Der Impuls auf der Leitung 372 schließt seinerseits einen Analogschaltkreis 374 während dieses Zeitraumes, um den Abschnitt auf einen Analog-Digital-Wandler 172 zu geben. Letzterer digitalisiert den Abschnitt und speichert die Werte in einem geeigneten, nicht dargestellten Speicher.

Wenn der Verrohrungsreflektionsabschnitt 7o vorbei ist, wird der Impuls auf der Leitung 32 inaktiv, wodurch seinerseits eine Schaltung 342 äcti viert wird, um einen Steuerimpuls auf

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einer Leitung 344 zu erzeugen, damit ein Analoggatter 346 einen Abschnitt 72 entsprechend den Hin- und Herreflektionen über eben Verstärker 376 mit einem Verstärkungssteuereingang 374 zu dem Analog-Digitalwandler 172 durchläßt.

Der Verstärker 376 ermöglicht die Verstärkung des normalerweise schwachen Abschnitts 72 für eine genauere Signalverarbeitung. Das digitalisierte Reflektbnssignal kann im Bohrloch verarbeitet oder mit dem Kabel mit einer geeigneten telemetrischen Einrichtung 38o zur Erdoberfläche übermittelt werden.

Ein Signalprozessor 382 ist zum Verarbeiten des digitalisierten Reflektionssignals von dem Analog-Digital-Wandler 172 vorgesehen. Der Signalprozessor 382 liefert eine Verrohrungswandstärkenbestimmung bei 384 und ein Zementverbindungsbewertungssignal CB bei 386.

Die Verrohrungswandstärke wird durch Auswählen der Werte A für die Hin- und Herreflektionen in der Stufe 388 und Erzeugen eines Spektrums hiervon bei 39o mit einer Fourier-Transformation bestimmt. Das Spektrum wird aus den Amplitudenwerten A. und den zugehörigen Prequenzwerten F. gebildet.

Das Spektrum wird dann abgetastet, um den Maximalwert zu suchen. Dies wird vorgenommen, indem bei 392 ein Zähler gleich der Anzahl DN der Werte für die Hin- und Herreflektionen, eine Konstante K = 1 und die Werte für AMAX und FMAX gleich Null gesetzt werden. Bei 394 wird untersucht, ob der Amplitudenwert A für den Wert K größer als AMAX ist. Wenn dies so ist, werden die Werte für AMAX und FMAX gleich A (K) und F (K) bei 392 gesetzt. Die nächsten Werte werden dann untersucht, indem K um einen Schritt erhöht und der Zähler bei 398 um ein£s erniedrigt und bei 4oo abgefragt wird, ob der Zähler gleich Null ist.

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Wenn nicht alle Werte untersucht wurden, ist der Zähler nicht gleich Null, unddie Suche nach einem Maximalwert wird bei 394 v/iederholt. Wenn alle Wate untersucht wurden, können die Maximalwerte AMAX und FMAX bei 394 oder die Verrohrungswandstärke L entsprechend der Formel

L=NC

2 (FMAX)
aufgezeichnet werden.

Eine Zementverbindungsbewertung kann durch den Signalprozessor 382 durchgeführt werden, indem die im Zusammenhang mit Fig. 8 beschriebenen Stufen verwendet werden.

Das Zementverbindungssignal CB variiert entsprechend einer Funktion der Verrohrungswandstärke. Diese Variation kann im wesentlichen von dem Zementverbindungssignal bei 4o2 abgetrennt werden. Dies erfordert das Dividieren des Zementverbindungssignals CB durch ein Verrohrungswandstärkensignal L, wie es bei 4o4 aus der FrequenzmessungHlAX erhalten wurde, wobei die vorstehende VerrohrungswandsSrkenbeziehung verwendet wird.

Diese Normalisierung des Zementverbindungssignals beseitigt Änderungen aufgrund der direktproportionalen Verrohrungswandstärkenänderungen, wobei Verrohrungswandstärkeneffekte zweiter Ordnung vernachläßigt werden, da sie geringer sind. Die Zementverbindung für ein bestimmtes Radialsegment kann daher vorzugsweise in einer Weise abgeschätzt werden, die im wesentlichen unempfindlich bezüglich der Verrohrungswandstärke des gleichen Radialsegmentes ist. Zementverbindungsnormalisierung relativ zur Verrohrungswandstärke kann auch direkt mit einem Zementverbindungssignal durchgeführt werden, wie es bei 182 von Fig. 17 oder auf der Leitung 117 von Fig. 1 vor der Normalisierung durch das Verrohrungsreflektionssignal erhältlich ist. Das

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letztere Signal kann dann dazu verwendet werden, um weiterhin die Zementverbindungsbewertung in der beschriebenen Weise auf den Normalwert zu bringen.

Fig. 18

Fig. 18 zeigt eine alternative Ausführungsform zur Ableitung der Frequenz eines Maximalwertes in dem Spektrum eines Abschnittes 62 von Hin- und Herreflektionen. Die Ausgänge 35o, 352 eines Spektrumanalysators 348 (vergl. Fig. 15) werden auf kontinuierlichen Spuren 41o.1, 41o.2 eines Speichers 412, etwa eines Magnetspeichers oder einer Trommel, aufgezeichnet. Nach dem Aufzeichnen des Ausgangs von dem Analysator 348 für einen Abschnitt 72 wird die Information zur Analyse zu einem zugeordneten Signalprozessor 414 zurückgespielt, um die Amplituden- und Frequenzmaximalwerte A und F festzustellen, zu speichern und aufzuzeichnen.

Die Spektrumanalysatorausgänge 35o und 352 sind über Logikverstärker 416, 418 mit Schreib-und Leseköpfen 42o, 422 gekoppelt, die mit der magnetischen Speicherschaltung 412 zusammenarbeiten. Die Verstärker 416, 418 werden durch den Abschnittauswählimpuls auf der Leitung 344 (siehe Fig. 15) gesteuert. Die Signale für die Amplitude A und die Frequenz F werden auf getrennten, kontinuierlichen Spuren 41o.1, 41o.2 aufgezeichnet, die eine genügende Aufnahmelänge besitzen, um einen gesamten Abschnitt 72 aufnehmen zu können.

Nach der Aufnahme des Abschnittes 72 waden die Logikwiedergabeverstärker 422, 426 durch Entfernen der Abschaltwirkung des Impulses auf der Leitung 344 durch den Inverter 42 8 angesteuert. Dies ermöglicht dann die Wiedergabe der vorher aufgezeichneten Signale der Amplitude A und der Frequenz f.

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Ein Maximalwertdetektor 43o wird verwendet} um den Maximalwert in den Amplitudensignal aufzusuchen, die durch den Verstärker 424 wiedergegeben werden. Der festgestellte Maximalwert wird dann auf einen Komparator 432 zusammen mit einer weiteren Wiedergabe der vorher auf der Spur 41o.1 aufgezeichneten Amplitudensignal gegeben, um die Bestimmung der Frequenz f zu dem Zeitpunkt, zu dem der Maximalwert auftritt, zu ermöglichen.

Wenn der Komparator 432 Gleichheit zwischen seinen Eingängen erkennt, wird ein Impuls auf einer Ausgangsleitung 434 erzeugt, um einen Tastspeicher 436 in Gang zu setzen, um das wiedergegebene Frequenzsignal f vom Verstärker 426 aufzunehmen. Die Frequenz f des Amplitudenmaximalwertes wird dann gespeichert und auf eine Ausgangsleitung 43 8 zum Aufzeichnen und zur Verwendung bei der Anzeige der Wandstärke der Verrohrung 22 in der vorstehend beschriebenen Weise zu verwenden.

Das Aufzeichnen, Maximalwertabtasten und die Maximalwertfre-qquenz^selektion werden aufeinanderfolgend entsprechend Steuersignalen in einer Leitung 44o von einem Steuerkreis durchgeführt. Dieser Steuerkreis 442 wird durch einen Impuls auf der Leitung 344 und anschließend durch die Wiedergabe einer Aufzeichnung von Gleichimpulsen in Gang gesetzt, die von einer Steuerspur 41o.3 auf dem Magnetspeicher 412 erhalten werden.

Fig. 19

Fig. 19 zeigt eine weitere Ausführungsform für eine Einrichtung 46o zum akustischen untersuchung der Zementverbindung und der Verrohrung, wobei wie Fig. 1 ein rotierender

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Reflektion 38 verwendet wird. Die Einrichtring 46o ist mit anem stationären Wandler 36 und einem. Längszylinder 462 versehen, der zentral und drehbar relativ zu der Einrichtung 46o um eine Rotationsachse 464 angeordnet ist, die in dieser Äusführungsform vorzugsweise mit der Mittelachse der Einrichtung 46o übereinstimmt.

Die Einrichtung 46o besitzt ein ringförmiges, akustisch transparentes Fenster 466, das zwischen einem oberen Gehäuseabschnitt 468 und einem unteren Gehäuseabschnitt 47o angeordnet ist. Der Zylinder 462 überbrückt innen das Fenster 466 und steht drehbar mit den oberen und unteren Abschnitten 468, über Lager 472 in Verbindung. Der Zylinder 462 besitzt einen rohrförmigen Abschnitt 474, in den sich der Wandler 36 durch ein offenes Ende 476 erstreckt. Der rohrförmige Abschnitt endet in dem Reflektior 36, von wo der Zylinder 462 vorzugsweise als Vollkörper sich bis zu seinem Ende 476 erstreckt. Der Zylinder 462 ist mit einem Paar von ringförmigen, sich radial erstreckenden Flanschen 478.1 und 478.2 versehen. Die Lager 472 sind mit Hilfe von ringförmigen Büchsen 48o_f die an den Abschnitten 468, 47o mit Schrauben 482 befestigt sind, gegen die Flansche 478 gedrückt. Die Lager 472 liegen in axial offenen ringförmigen Nuten 484, 486 in den Flanschen 478 bzw. den Büchsen 48o an. Die Lager 472 führen sowohl zu einer axialen wie auch radialen Lagerung mit geringer Reibung. Zusätzliche Lager und Flansche können gegebenen-falls verwendet werden.

Der Zylinder 462besteht aus einer stabilen, starken Konstruktion, um den unteren Abschnitt 47o zu verstärken, an dem eine Belastung erzeugende Einrichtung, etwa eine außen angebrachte Zentriereinrichtung (nicht dargestellt), angeordnet werden.kann. Der Zylinder 462 dient daher als starke verstärkte Brücke über das akustische Fenster 466. Die Möglichkeit der

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Verwendung einer Zentriereinrichtung unterhalb des sich drehenden Reflektiors 38 ermöglicht eine genaue Anordnung der Rotatiosachse 464 relativ zu der Verrohrung 12 und dient daher zu einem genauen Einstellen des Reflektors 38 von der Verrohrung 12.

Der akustische Reflektor 3 8 besitzt einen ReflektionswinkielcA-einer Größenordnung, die notwendig ist, um eine akustische Verbindung durch die seitlich angeordnete Öffnung 49o in den rohrförmigen Abschnitt 474 zu ermöglichen. Vor der Öffnung 49ο und angrenzend an die Außenwand des oberen Abschnitts 468 ist das akustische Fenster 466 angeordnet, das aus einem Material mit einer vorbestimmten akustischen Impedanz besteht und eine Form aufweist, die ausgewählt ist, um^uerwünschte akustische Reflektionen zu minimalisieren.

Das akustische Fenster 466 wird aus einem Material gebildet, dessen akustische Impedanz nahe der akustischen Impedanz des Fluids liegt, wie im Zusammenhang mit Fig. 1 beschrieben wurde, die in dem Raum zwischen dem Wanlder 36, Reiflektor 38 und Fenster 466 angeordnet wird. Die akustischen Temperatur- und Druckkoeffizienten, d.h. die Änderung der akustischen Impedanz als Funktion von Temperatur und (Druck sowohl für das Fluid als auch für das Fenster 466 werden so nahe wie praktisch möglich ausgewählt. Das akustische Fenster 466 kann aus einem Material bestehen, wie es in bezug auf das Fenster 4o von Fig. beschrieben wurde, oder aus Polysulfon, einem Material, das von der Firma Union Carbide Corporation unter dem Namen RADEL vertrieben wird und eine akustische Geschwindigkeit von etwa 22oo m/sec besitzt. Wenn der akustische Impuls von dem Wandler 36 zu dem Reflektor 38 gesendet wird, läuft die akustische Energie durch die Grenzfläche 492 zwischen Fluid und Fenster mit einem Minimum an Reflektion hindurch.

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Um weiter die Wirkung von akustischen Rf lektionen von einem Fenster zwischen dem Wandler 36 und der Verrohrung 12 zu reduzieren, ist das Fenster konisch mit einem Neigungswinkel0 relativ zum RefLektor 38 angeordnet, wie im Zusammenhang mit Fig. 1 beschrieben wurde, um die Verwendung eines großen Reflektors 38 zu ermöglichen und Sekundärübertragungen von der Verrohrung 12 weg zu lenken.

Der Wandler 36 von Fig. 19 istauf einer Klammer 494 befestigt, die an der Wand des Abschnittes 468 befestigt ist. Ein elektrisches Kabel 426 verbindet den Wandler 36 mit der Elektronik (nicht dargestellt).

Ein Rotationsantrieb für den Zylinder 462 ist mit Hilfe eines Elektromotors 49 8 vorgeseehen, der in der Einrichtung 46o montiert ist und eine Ausgangswelle 5oo besitzt. Eine Getriebekupplung 5o2 verbindet die Motorwelle 5oo mit dem Zylinder 462.

Die Getriebekupplung 5o2 kann in vielfältiger Weise ausgeführt sein, beispielsweise auseinem Zahnradpaar 5o4, 5o6 besteht, wobei letzteres auf einer Welle 5o8 montiert ist, die in einer Büchse 51 ο der Klammer 49 4 drehbar gelagert ist. Ein Kegelantrieb mit zwei Kegelrädern 512, 514 mit einem Winkel von 45° wird verwendet, um die Welle 5o8 mit dem Zylinder zu verbinden.

Bei einer Einrichtung 46o gemäß Fig. 19 erstreckt sich deren struktuelle Einheit bis unter das ringförmige Fenster 466. Dies liefert eine zusätzliche Festigkeit unterhalb des Fensters und ermöglicht deren relative ^ntrische Ausrichtung bezüglich der Verrohrung 12 mit einer Zentriereinrichtung. Das Fenster kann genügend kräftig ausgebildet sein, um die von dem Zylinder 462 ausgeübten Drehkräfte aufzunehmen.

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Claims (1)

1. Societe de Prospection
   Electrique Schlumberger

   P atentansprüche

   1. Verfahren zum Bestimmen von Eigenschaften einer in einem Bohrloch einzementierten Verrohrung, wobei das Bohrloch durch eine Erdformation hindurchverläuft, aus einem Reflektionssignal, das von einer akustischen Untersuchung der Verrohrung mit einem Schallimpuls stammt, der auf ein radiales Segment der Verrohrung gerichtet ist und von Schallwellen mit Frequenzen gebildet wird, die ausgewählt sind, um eine Wandstärkenresonanζ innerhalb der Verrohrungswände anzuregen, dadurch gekennzeichnet, daß die Energie in einem Abschnitt des Reflektionssignals bestimmt wird, der im wesentlichen den akustischen Hin- und Herreflektionen zwischen den Verrohrungswänden in dem Radialsegment entspricht, und hierzu indikatives Signal erzeugt wird, das die Qualität der Zementverbindung hinter dem Radialsegment der Verrohrung wiedergibt.

   2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Reflektionssignal in Digitalform zerlegt in einzelne Werte verwendet wird, wobei die Absolutwerte der für die Energie der VenDhrungsreflektion repräsentativen Werte aufsummiert und das für die Zementverbindung indikative Signal durch die Summe zur Normierung hiervon dividiert wird.

   3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß akustische Signale mit einer Frequenzbandbreite verwendet werden, die ausgewählt ist, um Schallwellen mit Frequenzen zu erzeugen, deren Wassaroellenlängen die Dicke von hydraulisch sicheren Mikroringräumen um einen Faktor übersteigen, der ausreicht, um diese Mikroringräume als wirksam transparent für

   8O98Ö5/O7ÖS

   copy I

   If

   den akustischen Impuls zu betrachten, während ein Reflektionssignal aufgefangen wird, das repräsentativ für die Schallrücksendungen von verschiedenen Materialschichten im Weg des Schallimpulses ist, wobei die Verrohrung eines dieser Materialien ist.

   4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein Abschnitt des Reflektionssignals, der repräsentativ für die Verrohrungsreflektion ist, ausgewählt wird, ein Signal erzeugt wird, das indikativ für eine vorbestimmte Charakteristik des ausgewählten Verrohrungsegmentes ist, und dieses Signal verwendet wird, um die bestimmte Energie in dem Abschnitt der Hin- und Herreflektionen relfcativ zu der vorbestimmten Charakteristik der Verrohrungsreflektion zu normieren.

   5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß in der Stufe zum Erzeugen eines Signals, das indikativ für eine vorbestimmte Charakteristik des gewählten Verrohrungsegmentes ist, ein Signal erzeugt, das repräsentativ für die Energie in der Verrohrungsreflektion ist.

   6. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Stufe zum Erzeugen eines Signals indikativ für eine vorbestimmte Charakteristik des ausgewählten Verrohrungsegmentes ein Signal erzeugt wird, das repräsentativ füreine Amplitude der Verrohrungsreflektxon ist.

   7. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Empfang des Reflektionssignals m einem vorbestimmten Abstand von der Verrohrung durchgeführt wird, um ein Reflektionssignal im wesentlichen frei von Interferenzen mit Sekundärausstrahlungen zu liefern.

   8. Verfahren nach Anspruch1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Schallimpuls innerhalb der Verrohrung erzeugt und auf ein

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   radiales Segment der Verrohrung gerichtet wird, wobei der Schallimpuls eine FrequenzbandtaEite besitzt, die ausgewählt ist, um eine Wandstärkenresonanz mit akustischen Hin- und Herreflektionen innerhalb des Radialserngmentes der Verrohrung anzuregen,.daß akustische Rücksendungen aufgenommen werden, die der Wechselwirkung des Schallimpulses mit Materialien im Wege des Schallimpulses zuzuordnen sind und ein hierzu indikatives Reflektionssignal erzeugen, das beim Erzeugen eines für die Zementverbindung indikativen Signals ein vorbestimtes Frequenzband aus dem Reflektionssignal ausgewählt wird, wobei das ausgewählte Frequenzband Verrohrungsrohrstärkenresonanzfrequenzen umfaßt, und ein Signal betreffend die Zementverbindung erzeugt, das repräsentativ hierfür ist, um die Qualität der Zementverbindung abzugeben, daß ein Bezugsfrequenzband aus dem Reflektionssignal ausgewählt und ein hierzu indikati^ Bezugssignal erzeugt und das Bezugssignal mit dem Signal für die Zementverbindung zur Normierung hiervon kombiniert wird.

   9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß beim Auswählen eines vorbestimmten Frequenzbandes ein Signalband über einen Frequenzbereich von allgemein weniger als etwa 15 % der Verrohrungswandstärkenresonanzfrequenz ausgewählt wird.

   10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenz von Komponenten, die zu einem Maximalwert in dem Frequenzbereich des Abschnittes der Hin- und Herreflektionen gemessen und ein Wandstärkensignal erzeugt wird, das Indikativ für die Verrohrungswandstärke in dem readialen Segment ist, zur Bewertung der einzementierten Verrohrung und Auflösung der potentiellen Unsicherheiten in der Zementverbindungsbewertung in dem radialen Segment.

   11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 1o, dadurch gekennzeichnet, daß die Wandstärke der Verrorhrung effektiv in

   -A-

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   dem Radialsegment gemssen und ein entsprechendes Wandstärkensignal erzeugt, wobei mit dem Wandstärkensignal Änderungen des Signals für die Zementverbindung entefernt werden, die im wesentlichen auf Verrohrungswandstärkenänderungen beruhen.

   12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß zum Entfernen der Änderungen aufgrund der Verrohrungswandstärkenänderungen das Signal für die Zementverbindungen durch das Wandstärkensignal dividiert wird.

   13. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß beim Erzeugen des Signals für die Zementverbindung die Größe eines Abschnittes des Reflektionssignals entsprechend der Verrürungsreflektion gemessen und das Signal für die Zementverbindung mit'der gemessenen Größe für die Verrohrungsreflektion normiert wird, um ein Signal für die Zementverbindung.zu liefern, das die Zementverbindungsqualität im wesentlichen unabhängig von den Bohrlochbedingungen und der Verrohrungswandstärke angibt.

   14. Vorrichtung zum Bestimmen der Qualität der Verbindung zwischen Zement und einer Verrohrung, die in einem Bohrloch einzementiert ist, das sich durch eine Erdformation erstreckt, mit einem Reflektionssignal, das von einer akustischen Untersuchung der Verrohrung erhalten wird, wobei ein Schallimpuls auf ein Radialsegment der Verrohrung gerichtet wird, der aus Schallwellen mit Frequenzen gebildet wird, die ausgewählt sind, um eine Wandstärkenresonanz innerhalb der Verrohrungswandungen anzuregen, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel vorgesehen sind, um aus dem Reflektionssignal einen Abshnitt (72) auszuwählen, der im wesentlichen repräsentativ für akustische Hin- und Herreflektionen zwischen den Verrohrungswandungen (13, 13') in dem Radialsegment sind, und daß Mittel zum Bestimmen der Energie in dem ausgewählten Segment (73) und zum Ej^ugen eines Signals (14o) für die Zementverbindung vorgesehen sind, um die Qualität der Zement-

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   verbindung hinter dem Radialsegment der Verrohrung (12) anzuzeigen.

   15. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel vorgesehen sind, die auf das Reflektionssignal ansprechen, um eine anfängliche Verrohrungsreflektion von der Verrohrung (12) festzusteleln und ein hierfür indikatives Signal zu erzeugen, wobei die Mittel zum Bestimmen der Energie Mittel aufweisen, die durch das festgestellte anfängliche Verrohrungsreflektionssignal betätigbar sind, um aus dem Reflektionssignal einen Abschnitt (72) auszuwählen, der im wesentlichen für akustische Hin- und Herreflektionen zwischen den Verrohrungswandungen (13, 13¹) repräsentativ ist.

   16. Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß das Reflektionssignal in Digitalform gebracht wird, wobei die Mittel zum Erzeugen des Signals für die Zementverbindung ein Mittel zum Erzeugen einer Summe der Absolutwerte der Digital^czahlen für das Reflektionssignal aufweist, die für denAbschnitt (72) der Hin- und Heridrlektionen als das Signal für die Zementverbindung repräsentativ sind.

   17. Vorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zum Erzeugen des Signals für die Zementverbindung ferner ein Mittel zum Erzeugen der Absolutwerte der Werte für das Reflektionssignal, die repräsentativ für die anfängliche Verrohrungsreflektion sind, als Maß für die Größe hiervon, umfassen, während Mittel zum Erzeugen eines Quotienten zwischen den Summen vorgesehen sind, um das Signal für die Zementverbindung zu normieren.

   18. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 15 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zum Erzeugen des Ver-

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   rohrungsreflektionssignals einen Schwellwertdetektor umfassen, der auf das Reflektionssignals ansprechend ausgebildet ist, um zu bestimmen, wann das Reflektionssignal eine Schwelle übersteigt, die repräsentativ für die Anwesenheit der anfänglichen Verrohrungsreflektion ist.

   19. Vorrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß der Schwellwertdetektor aus Mitteln zum Abtasten von Werten des Reflektionssignals gebildet wird, um die Lage der anfänglichen Verrohrungsreflektionen festzustellen.

   20. Vorrichtung nach Anspruch 14, gekennzeichnet durch Mittel zum Erzeugen eines Schallimpulses im Inneren der Verrohrung (12), der auf ein Radialsegment der Verrohrung (12) und die Formation (18) gerichtet ist, und zum Erzeugen eines Reflektionssignals, das repräsentativ für die Schallrücksendungen von der Wechselwirkung des Schallimpulses mit verschiedenen Materialschichten auf dem Wege des Schallimpulses ist, wobei der Schallimpuls mit einer akustischen Wellenfrequenz mit einer Bandbreite erzeugt wird, die ausgewählt ist, um eine Wandäärkenresonanz zwischen der Innen- und Außenwand (13, 13') der Verrohrung (12) anzuregen, wobei die Schallwellenfrequenzen ferner ausgewählt sind, um Mikroringräume (3o) , die für gute Zementvabindungen repräsentativ sind, als transparent zu betrachten , während Reflektionen von Ringräumen, die repräsaatativ für schichte Zementverbindungen sind, vergrößert werden.

   21. Vorrichtung nach Anspruch 2o, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zum Auswählen eines Abschnittes (72) des Reflektionssignals entsprechend Hin- und Herreflektionen Mittel zum Erzeugen emes Auswahlsignals für den Abschnitt (72) umfassen, der zu einem Zeitpunkt entsprechend der Ankunftszeit des Abschnittes (72) des Reflektionssignals beginnt und während

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   einer Zeit fortdauert, die der Dauer des Teils des Reflektionssignals entspricht, der Indikativ für eine schlechte Verbindung zwischen der Verrohrung (12) und dem Zement (14) ist, sowie Mittel umfaßt, die durch das Auswahlsignal steuerbar und mit dem Reflektionssignal zum Auswählen des Abschnittes (72} aus dem Reflektionssignal gekoppelt sind.

   22. Vorrichtung nach Anspruch 2o oder 21, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zum Erzeugen des Signals für die Zementverbindung Mittel zum Gleichrichten des ausgewählten Abschnittes (72) und Mittel zum Integrieren des gleichgerichteten vorbestimmten Abschnittes aufweisen, die während der Dauer des Abschnittes (72) des Signals entsprechend den Hin- und Herreflektionen wirksam sind.

   23. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2ö bis 22, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zum Erzeugen des Reflektionssignals in der Vorrichtung an einer vorgewählten Stelle angeordnet sind, um einen vorbestimmten Minimalabstand zwischen der Vorribhrung (12) und diesen Mitteln zu bilden, um ein Reflektionssignal zu erzeugen, bei dem der Abschnitt (72) der Hin- und Herreflektionen im wesentlichen frei von Interferenzen von Sekundärausstrahlungen ist.

   24. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2o bis 23, dadurch gekennzeichnet, daß auf das Reflektionssignal ansprechende Mittel zum Erzeugen eines Verrohrungsreffektionssignals entsprechend einer vorbestimmten Charakteristik der anfänglichen akustischen Verrohrungsreflektion und Mittel zum Normieren des Signals für die Zementverbindung mit dem Verrohrun gsreflektionssignal vorgesehen sind.

   25. Vorrichtung nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zum Erzeugen des Verrohrungsreflektionssignals

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   Mittel zum Messen der Amplitude des Verrohrungsreflektionssignals umfassen.

   26. Vorrichtung nach Anspruch 24 oder 25, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zum Erzeugen des Verrohrungsreflektionssignals Mittel zum Messen der Energie des Verrohrungsreflektionssignals umfassen.

   27. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2o bis 26, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zum Erzeugen des Verrohrungsreflektionssignals ferner einen Schwellwertdetektor, der auf das Reflektionssignal zum Feststellen einer vorbestimmten Größe anspricht, die für die Ankunft des anfänglichen akustischen Verrohrungsreflektionssignals indikativ ist, und der ein entsprechend Steuersignal erzeugt, und Mittel vorgesehen sind, die auf das Reflektionssignal und das Steuersignal zum Auswählen des Verrohrungsreflektionssignals ansprechen.

   28. Vorrichtung nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, daß der vorbestimmte Abstand zwischen der Verrohrung (12) und den Mitteln zum Erzeugen des Reflektionssignals (36) genügend groß gewählt ist, um die Erfassung der Schallrücksendungen zu ermöglichen, die eine Größe oberhalb eines vorbestimmten Schwellwertes besitzen und im wesentlichen den Abstrahlungen von den Hin- und Herreflektionen innerhalb der Verrohrungswandungen (13, 13') als Ergebnis des Schallimpulses zuzuordnen sind.

   29. Vorrichtung nach Anspruch 28, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine Fläche besitzt, mit der Sekundärausstrahlungsinterferenzen durch Reflektieren von Schallenergie zurück zu der Verrohrung (12) erzeugt werden kann, wobei ein vorbestimmter Minimalabstand (D) zwischen derVerrohrung (12) und dieser Fläche bestimmt wird entsprechend folgender Beziehung:

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   D >N L C

   wobei L die Dicke der Verrohrung, C die Schallgeschwindigkeit in dem von der Verrohrung (12) eingeschlossenen Material, C₁ die Schallgeschwindigkeit innerhalb des Materials der Verrohrung und N eine Anzahl von-Hin- und Herreflektionen darstellen, die in der Verrohrung (12) als Ergebnis des Einfangens von Schallenergie aus dem Wandstärkenresonanzen erzeugenden Schallimpuls erzeugt werden, wobei N durch folgende Beziehung bestimmt:

   N = 1n (x)

   wobei r und r., Reflektionskoeffizienten zwischen dem Material., das in der Verrohrung eingeschlossen ist, und der Verrohrung selbst bzw. zwischen der Verrohrung und dem Material benachbart der Außenseite der Verrohrung sind, während χ die vorbestimmte Schwelle ausgedrückt als Bruchteil der anfänglichen Höhe der Hin- und Herreflektionen darstellt.

   3o. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel zum Erzeugen eines Schallimpulses im Inneren der Verrohrung (12) vorgesehen sind, der auf ein radiales Segment der Verrohrung gerichtet ist und ein Reflektionssignal eizeugt, das repräsentativ für dieSchallrücksendungen von verschiedenen Materialshichten auf dem Weg des Schallimpulses ist, wobei der Schallimpuls mit einer Bandbreite erzeugt wird, die ausgwählt ist, um eine Wandstärkenresonanz zwischen den Innen- und Außenw.andungen der Verrohrung mit wesentlich reduzierten Reflektionen von hydraulisch sicheren Mikroringräumen anzuregen, die gute Verbindungen darstellen, sowie mit einer wesentlich längeren Dauer vonHin- und Herreflektionen in der Verrohrung bei Abwesenheit von Ringräumen, die eine schlechte Zementverbindung

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   darstellen, während auf das Reflektionssignal ansprechende Mittel zum Erzeugen eines Verrohrungsreflektionssignals indikativ für die Dauer einer akustischen Reflektion von der Verrohrung, Mittel zum Erzeugen eines Normierungssignals, repräsentativ für eine bestimmte Eigenschaft in der akustischen Reflektion von der Verrohrung und Mittel zum Kombinieren des Signals betreffend die Zementverbindung mit dem Normierungssignal vorgesehen sind, um ein normiertes Signal betreffend die Zementverbindung repräsentativ für die Qualität hiervon zu erzeugen.

   31. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel zum Erzgeugen eines Schallimpulses, der eine Schallwellenfrequenz aufweist, die ausgewählt ist, um die Verrohrung zu Wandstärkenresonanζen mit verstärktem Einfangen von Hin- und Herreflektionen innerhalb der Verrohrung anzuregen und ein Reflektionssignal repräsentativ zu den Schallrücksendungen zu liefern, die von dem Schallimpuls bewirkt werden, Mittel, mit denen von dem i&ilektionssignal ein Bezugsfrequenzabschnitt extrahiert und ein Bezugssignal, das hierzu indikativ ist, erzeugt wird und Mittel zum Kombinieren des Bezugssignals mit dem Signal betreffend die Zementverbindung vorgesehen sind, um ein normiertes Signal zu erzeugen, das indikativ für die Qualität der Zementverbindung ist.

   32. Vorrichtung nach Anspruch 31, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zum Extrahieren eines Bezugsfrequenzabschnittes ein Bandpaßfilter umfassen, dessen Durchlaßbreite mit der Wandstärkenresonanζfrequenz der Verrohrung ausgerichtet ist.

   33. Vorrichtung nach Anspruch 32, dadurch gekennzeichnet, daß das Durchlaßband des Filters eine Bandbreite besitzt, die allgemein weniger als etwa 15% der Frequenz der Wandstärken-

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   resonanz der Verrohrung Ist.

   34. Vorrichtung nach einem der Ansprüche Ϊ4 bis 33, dadurch gekennzeichnet, daß eine Einrichtung (21 o) zum Bewegen längs der Verrohrung und eine Vielzahl von akustischen Wandlern (36) vorgesehen sind, die am Umfang der Einrichtung (21o) angeordnet sind, um Schallimpulse in radialer Richtung zxt der Formation zur Untersuchung der Zementveiblndung in Umfangsund Längsrichtung zu senden, wobei die Wandler (36) jeweils derart geafwählt sind, daß sie einen Schallimpuls liefern, der eine Frequenzbandbreite aufweist, die ausgewählt ist, um eine Wandstärkenresonanz zwischen der inneren und äußeren Verrohrungswandung (13, 13') anzuregen und ein Reflektionssignal in Antwort auf die Schallrücksendungen zu erzeugen, das der Wechselwirkung des Schallimpulses mit den verschiedenen Materialien auf dem Weg des Schallimpulses zuzuordnen ist.

   35. Vorrichtung nach Anspruch 34, dadurch gekennzeichnet, daß die Wandler (36) in radialem Abstand an der Einrichtung (21o) befestigt sind, um einen vorbestimmten Abstand mit der Verrohrung zu bilden, um Interferenzen von Sekundärausstrahlungen in dem Reflektionssignal zu reduzieren.

   36. Vorrichtung nach Anspruch 34 oder 35, gekennzeichnet durch Mittel zum Erregen der Wanlder (36) und Mittel zum Messen des Zeitraumes zwischen jederErregung eines Wandlers und Feststellung einer Schallrüssksendung, wobei die Position der Wandler relativ zu der Verrohrung bestimmt wird.

   37. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 34 bis 36, gekennzeichnet durch Mittel zum .aufeinanderfolgenden Erregen der Wandler (36) , Mittel zum Verstärken der I^lektionssignale von den Wandlern miteinem gemeinsamen Verstärker, Mittel zum

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   Erzeugen von Steuersignalen entsprechend der Amplitude der Reflektionssignale von den Wandlern und Mitteln zum Einstellen der Verstärkung vom Verstärker mit dem Steuersignal, das dem Wandler zugeordnet ist, dessen Reflektionssignal verstärkt wird.

   38. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 14 bis 37, gekennzeichnet durch Mittel zum Bestimmen der Frequenz von Komponenten aus dem Abschnitt (72) der Hin- und Herreflektionen, wobei die Komponenten zu einem Maximalwert in dem Frequenzbereich des Bereiches (72) beitragen und ein Verrohrungswandstärkensignal erzeugen, das bezüglich der Verrohrungswandstärke in diesem Radialsegment für die Untersuchung der einzementierten Verrohrung und der Ausschaltung von potentiellen Unsicherheiten in der Bewertung der Zementverbindung in diesem Radialsegment repräsentativ ist.

   39. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 14 bis 38, gekennzeichnet durch Mittel zum Bestimmen eines Verrohrungswandstärkensignals aus einem Abschnitt (72) der Hin-und Herreflektionen, wobei das Signal für die Wandstärke der Verrohrung in dem Radialsegment repräsentativ ist, und durch Mittel zum Normieren des Signals für die Zementverbindung mit dem Verrohrungswandstärkensignal, um den Effekt von Verrohrungswandstärkenänderungen bei der Beurteilung der Qualität der Zementverbindung in dem Radialsegment im wesentlichen zu eliminieren.

   40. Verfahren zum Bestimmen der Dicke einer Verrohrung, die in einem Bohrloch einzementiert ist, das sich durch eine Erdformation erstreckt, aus einem Reflektionssignal, das von einer akustischen Untersuchung der Verrohrung mit einem Schallimpuls erhalten wird, der auf ein Radialsegment der Verrohrung gerichtet ist und aus Schallwellen mit Frequenzen gebildet wird, die ausgewählt sind, um eine Wandstärkenresonanz innerhalb der

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   Verrohrungswandungen anzuregen, dadurch kennzeichnet, daß ein Spektrumssignal entsprechend dem Frequenzspektrum eines Abschnittes (72) von Hin- und Herreflektionen des Reflektionssignals erzeugt wird, wobei der Abschnitt der Hin- und Herreflektionen im wesentlichen repräsentativ für die akustischen Hin- und Herreflektionen innerhalb der Verrohrungswandungen dieses Radialsegmentes ist, und daß de Frequenz von Komponenten in dem Spektrumssignal bestimmt werden, die zu einem Maxiamalwert hiervon beitragen und ein Wandstärkensignal liefern, das repräsentativ bezüglich der gemessenen Frequenz als auch indikativ für die Verrohrungswandstärke in diesem Radialsegment ist.

   41. Verfahren nach Anspruch 4o, dadurch gekennzeichnet, daß das Reflektionssignal aus Digitalwerten gebildet wird, wobei ein Spektrumssignal erzeugt wird, das aus Digitalzahlen gebildet wird, die für die Amplituden und zugeordneten Frequenzwerte indikativ sind, während die Amp1itudenζahlenhezüglich eines Maximalwertes abgetastet und die zugeordnete Frequenz, die dem Maximalwert entspricht, als repräsentativ für die Varohrungswandstärke ausgewählt wird.

   42. Verfahren nach Anspruch 4o, dadurch gekennzeichnet, daß ein Schallimpuls innerhalb der Verrohrung in einer radialen Richtung zur Formation erzeugt wird, wobei der Schallimpuls eine Frequenzbandbreite aufweist, die ausgewählt ist, um eine Bandstärkenresonanz mit akustischen Hin- und Herreflektionen innerhalb der Wandungen eines RadialSegmentes der Verrohrung anzuregen, daß Schallrücksendungen aufgenommen werden, die von der Wechselwirkung des Schallimpulses mit Materialien im Wege des Schallimpulses herrühren und ein Reflektionssignal, das indikativ hierfür ist, erzeugt wird, und daß aus dem Reflektionssignal ein Abschnitt ausgewählt wird, der Schallrücksendungen umfaßt, die durch akustische Hin- und Herreflektionen innerhalb der Wandungen der Verrohrung erzeugt werden, wobei das

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   Frequenzspektrum aus dem ausgwählten Teil des Reflektionsslgnals gebildet wird.

   43. Verfahren nach Anspruch 42, dadurch gekennzeichnet, daß beim Bestimmen der Frequenz das Frequenzspektrum digitalisiert wird und die dabei erhaltenen Digitalwerte abgetastet werden, um einen Maximalwert zu bestimmen.

   44. Verfahren nach Anspruch 42, dadurch gekennzeichnet, daß beim Bilden des Frequenzspektrums der ausgewählte Abschnitt auf einen Spektrumanalysator gegeben wird, um ein Amplitudensignal zu erzeugen, daß für die Amplitude der Frequenzkomponenten in dem ausgewählten Abschnitt repräsentativ ist, und ein Frequenzsignal erzeugt wird, das für die Frequenz der Komponenten in dem Amplitudensignal repräsentativ ist, die Amplituden- und Frequenzsignale gespeichert und die gespeicherten Signale abgetastet werden, um einen Maximalwert des Amplitudensignals mit seinem zugeordneten Frequenzsignal als Anzeige für die Wandstärke der Verrohrung zu bestimmen.

   45. Verfahren nach Anspruch 42, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Bildung des Frequenzspektrums der ausgewählte Abschnitt digitalisiert und eine Fourier-Bansformation der erhaltenen Digitalwerte des ausgewählten Abschnittes vorgenommen wird.

   46. Verfahren nach Anspruch 4o, dadurch gekennzeichnet, daß ein stark gedämpfter Schallimpuls innerhalb der Verrohrung in einer radialen Richtung auf ein Radialsegment der Verrohrung erzeugt wird, wobei der Schallimpuls mit einer Schallwellenfrequenz in einer Bandbreite erzeugt wird, die ausgewählt ist, um die Verrohrung zu einer Wandstärkenresonanz mit akustischen Hin- und Herreflektionen zwischen den Wandungen der Verrohrung anzuregen, die Schallrücksendungen

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   von der Wechselwirkung des Schallimpulses mit den Materialien auf dem Weg des Schallimpulsesaufgenommen und. einhierfür indikatives Reflektionssignal erzeugt, das RefLektionssignal in Digitalwerte umgewandelt und ein Prequenzspektrum von Digitalwerten erzeugt wird, das repräsentativ für die Hin- und Herreflektionen ist, die Digitalwerten folgen, die repräsentativ für eine anfängliche Schallreflektion an der Innenwandung der Verrohrung sind, wobei das Frequenzspektrum aus Amplitudendigitalwerten mit zugeordneten Frequenzwerten besteht.

   47. Verfahren nach Anspruch 46, dadurch gekennzeichne, daß die Absolutwerte der Digitalwerte aufsummiert werden, die repräsentativ für die Hin- und Herreflektionen sind, um ein Signal zu erzeugen, das für die Qualität der Verbindung zwischen der Verrohrung und dem Zement indikativ ist.

   48. Verfahren nach Anspruch 47, dadurch gekennzeichnet, daß die Absolutwerte der Digitalwerte repräsentativ für die anfängliche Verrohrungsreflektion aufsummiert und ein Quotient zwischen den entsprechenden aufsummierten Werten gebildet wird, um ein normiertes Signal für die Zementverbindung zu liefern.

   49. Vorrichtung zum Bestimmen der Wandsiärke einer in einem Bohrloch einzementierten Verrohrung durch ein Reflektionssignal von einer akustischen Untersuchung der Verrohrung mit einem akustischen Impuls, der auf ein Radialsegment der Verrohrung gerichtet ist und aus Schallwellen mit Frequenzen gebildet wird, die ausgewählt sind, um eine Wandstärkenresonanz innerhalb der Verrohrungswandung anzuregen, gekennzeichnet durch Mittel zum Auswählen eines Abschnittes von Hin- und Herreflektionen aus dem Reflektionssignal, der im wesentlichen repräsentativ für die akustischen Hin- und Herreflektionen zwischen den Verrohrungswandungen ist, Mitteln zum Erzeugen eines Spektrum-

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   signals, das repräsentativ für das Frequenzspektrum des Abschnittes der Hin- und Herreflektionen ist, und Mittel zum Bestimmen der Frequenz von Komponenten in dem Spektrumssignal, die zu einem Maximalwert beitragen, wobei ein Wandstärkensignal· erzeugt wird, das repräaaitativ für die Wandstärke der Verrohrung ist.

   50. Vorrichtung nach Anspruch 49, dadurch gekennzeichnet, daß das Reflektionssignal aus Digitalwerten gebildet wird, während die Mittel zum Erzeugen des Spektrums Mittel zum Erzeugen einer Fourier-Transformation von Digitalzahlen entsprechend dem Abschnitt der Hin- und Herreflektionen des Spektrumsignals umfassen.

   51. Vorrichtung nach Anspruch 49, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zum Bestimmen des Maximalwertes Mittel zum Erzeugen von Digitalwerten des Spektrumsignals mit zugeordneten Frequenzwerten und Mittel zum Abtasten der Spektrumwerte bezüglich eines Maximalwertes und Auswählen der zugeordneten Frequenz als Anzeige für die Wandstärke der Verrohrung umfassen.

   52. Vorrichtung nach Anspruch 51, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zum Auswalzen des Abschnittes ferner Mittel, die auf das Reflektionssignal zum Bestimmen eines Signals, das repräsentativ für ein anfängliches akustisches Reflektionssignal von der Verrohrung ist, ansprechen und Mittel aufeisen, die auf das Verrohrungsreflektionssignal zum Auswählen des Abschnittes ansprechen, der der anfänglichen Varohrungsreflektion folgt.

   53. Vorrichtung nach Anspruch 49, gekennzeichnet durch Mittel zum Erzeugen eines stark gedämpften Schallimpulses in der Verrohrung in einer radialen Richtung zu einem Radialsegment

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   der Verrohrung mit einem Schallimpuls, der mit einer Schallwellenfrequenz in einer Bandbreite erzeugt wird, die ausgewählt is.t, um eine Schallresonanz zwischen den Verrohrungswänden mit akustischen Hin- und Herreflektionen anzuregen und ein Reflkektionssignal repräsentativ für Schallrücksendungen zu erzeugen, die durchden Schallimpuls hervorgerufen werden, und Mitteln zum Erzeugen von Digitalwerten des Reflektionssignals, wobei die Mittel zum Auswählen Mittel zum Auswählen von Digitalwerten entsprechend der Hin-und Herreflektionen, die anschliessend an Digitalwerte auftreten, die für eine anfängliche Verrohrungsreflektion repräsentativ sind, aufweisen, während Mittel zum Erzeugen eines Spektrums der ausgewählten Digitalwerte für die Hin- und Herreflektionen und zum Bilden von Amplitudenwerten mit zugeordneten Frequenzwerten und Mitteln zum Bestimmen eines maximalen Amplitudenwertes und seines zugeordneten Frequenzwertes als Anzeige für die Wandstärke der Verrohrung vorgesehen sind.

   54. Vorrichtung nach Anspruch 53, gekennzeichnet durch Mittel zum Aifsummieren der Absolutwerte der ausgewählten Digitalwerte, die für die Hin- und Herreflektionen repräsentativ sind, als Maß für die Qualität der Verbindung zwischen der Verrohrung und dem Zement.

   55. Vorrichtung nach Anspruch 53, gekennzeichnet durch Mittel zum Auswählen von Werten, die repräsentativ für eine anfängliche akustische Verrohrungsreflektion an der Innenwand der Verrohrung sind, Mittel zum Aufsummieren der Absolutwerte dieser Werte, Mittel zum Aufsummieren der Absolutwerte der ausgewählten Werte, die repräsentativ für die Hin- und Herreflektionen in der Verrohrungswand als Maß für die Qualität der Verbindung zwischen der Verrohrung und dem Zement sind, und Mittel zum Bilden eines Quotiefcen zwischen den entsprechenden Summen,

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   die von den Summiermitteln erzeugt wurden, um die Messung der Qualität der Zementverbindung zu normieren.

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