DE2829982C2

DE2829982C2 -

Info

Publication number: DE2829982C2
Application number: DE2829982A
Authority: DE
Inventors: R. Mark New Fairfield Conn. Us Havira
Original assignee: Societe de Prospection Electrique Schlumberger SA
Current assignee: Services Petroliers Schlumberger SA
Priority date: 1977-07-11
Filing date: 1978-07-07
Publication date: 1987-10-15
Also published as: NO157197B; IT1096934B; NO157197C; GB2059064B; GB2059064A; IT7825401A0; BR7804364A; EG13406A; MX144838A; AU529513B2; AU3745078A; MY8500174A; NL7806810A; NO782193L; FR2400613A1; CA1129066A; NL187089C; GB2002902B; GB2002902A; MY8500194A

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und Vorrichtungen zum Bestimmen der Qualität der Verbindung einer hinter die Verrohrung eines Erdbohrlochs eingebrachten Zementierung bzw. zum Bestimmen der Wandstärke der eingebrachten Verrohrung mit den im Oberbegriff der Patentansprüche 1, 14, 40 bzw. 49 genanten Merkmalen.

Beim Bohrlochausbau wird eine Verrohrung in das Bohrloch eingebracht und Zement in den Ringraum zwischen der Verrohrung und dem Bohrloch 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 Fluide unter Druck 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. Dieser Ringraum kann so breit sein, daß er eine hydraulische Verbindung 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 typischerweise 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 und der Verrohrung zu führen. Es ist wichtig zu wissen, ob der Zement seine Funktion erfüllt, das heißt, ob die Zement verbindung 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 Mikroringraumes 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 34 01 773 ein Zement untersuchungsverfahren beschrieben, bei dem eine Einrichtung verwendet wird, die einen Schallsender und einen Schallempfänger aufweist, die in Längsrichtung voneinander getrennt angeordnet sind. Das Verrohrungssignal, das durch die Verrohrung läuft, wird verarbeitet, wobei ein nachfolgender Abschnitt, der durch Anwesenheit oder Abwesenheit von Zement hervorgerufen wird, 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 Energie übertragung von dem Verrohrungssignal zu dem Zement durch den Ringraum charakterisieren.

Ein genaueres Verfahren zum Untersuchen des Zementzustandes ist in der US-PS 36 97 937 beschrieben, wobei ein Schallsender-Empfänger mit Nullabstand verwendet wird, um Reflexionskoeffizienten von Reflexionen 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 5-50 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.

In der US-PS 37 32 947 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 verwendet, um die Dicke des Ringraums und des Zements mit der Berechnung abhängig von der Art der Formation als auch von Messungen zu berechnen, die bei verschiedenen Resonanzfrequenzen durch geführt 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 36 97 937 und 37 32 947 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- und 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 31 75 639 ist ein Schallimpulsechoverfahren beschrieben, um den Formationsbereich längs eines Bohrlochs zu untersuchen. Ein Schallimpulsgenerator, der mit einer Frequenz in der Größenordnung von 10 MHz arbeitet, wird benachbart der Wandung eines Bohrlochs angeordnet und erzeugt sehr kurze akustische Impulse, die auf die Formation gerichtet sind. Die verstrichene Zeit während der Erzeugung des ausgesandten Schallimpulses und den reflektierenden 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 Patentschriften wird eine Verarbeitungs einrichtung vorgesehen, mit der die Rücksendeimpulse, die nach dem ausgesandten Impuls auftreten, gleichgerichtet und integriert werden. Das integrierte Signal wird als proportional zu der mittleren Amplitude 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 Absorptions charakteristik 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 Zementverbindungen charakterisiert werden. Ferner wird der Schallwandler nahe der Bohrlochwandung angeordnet, so daß Sekundärausstahlungs interferenzen auftreten können, etwa wenn ein zurückgesandtes Echo von dem Wandler als zweite Ausstrahlung zurück in die Formation reflektiert wird.

In der US-PS 33 40 953 ist ein Formationsuntersuchungs verfahren durch die Verrohrung hindurch mittels Schallwellen beschrieben, wobei die Schallfrequenzen durch die Verrohrungs wandstärke bestimmt werden. Hierbei wird Schallenergie von einem Sender zu einem Paar von entfernt davon angeordneten Empfängern ausgestrahlt. Die Frequenz der Schallenergie wird auf der Basis einer bestimmten Beziehung ausgewählt, die von der Geschwindigkeit der Scherungswelle in der Verrohrung, einer beliebigen dimensionalen Zahl und der Verrohrungswand stärke abhängt. Die vorgeschlagenen Sendefrequenzen betragen 300-460 kHz für eine Wandstärke der Verrohrung von 0,64 cm, während entsprechend niedrigere Frequenzen für dickere Verrohrungen in Frage kommen.

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 Verfahren nicht zum Untersuchen der Zementverbindung durch Analysieren von Reflexionen von radial aufeinanderfolgenden Grenzflächen verwendet.

In der US-PS 38 83 841 wird ebenfalls ein Schallimpuls echoverfahren zum Messen der akustischen Impedanz des Materials längs einer Wandung in einem Bohrloch beschrieben. Der Schall impulswandler ist mit verschiedenen Schallkopplungsschichten zwischen dem bündig montierten Wandler und dem Bohrloch versehen. Hierbei wird ein Schallimpuls vorgeschlagen, dessen Frequenzspektrum im Bereich von etwa 100 kHz bis etwa 5 MHz liegt. Dies ist ein Frequenzbereich, der allgemein der Bandbreite entspricht, die in der US-PS 28 25 044 vorgeschlagen wird, in der eine Ultraschalleinrichtung zur Exploration einer Bohrlochwandung mit Schallwellen bei Frequenzen von 100 kHz bis 10 MHz vorgeschlagen wird.

Die Schallechos, die nach der US-PS 3 883 841 erhalten werden, werden als zweckmäßig 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 Verrohrungswandstärke in der Praxis um 10-20% variieren kann, ist diese Näherung des Extrahierens von auf einanderfolgenden Reflexionen schwierig und problematisch. Ferner bewirken die Schallimpedanzkopplungsschichten eine Dämpfung. Als Ergebnis hiervon wird der potentiele Fehler beim Messen individueller Reflexionen vergrößert, wodurch die Effektivität der Analyse der akustischen Untersuchung reduziert wird.

Bei der vereinfachten Näherung, die im Zusammenhang mit Fig. 15 der US-PS 38 83 841 beschrieben wird, wird vorgeschlagen, die Zementverbindung direkt durch Integrieren des gesamten empfangenen Echosignals zu bestimmen und die resultierende Integration als Funktion der Tiefe aufzuzeigen. Dies umfaßt auch die Stärkenverrohrungsreflexionen, deren Verwendung die signifikanten späteren Reflexionen verwischt und dazu führt, daß Formationsreflexionen mit umfaßt werden.

Ein Frequenzbereich, wie der 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 Frequenzbereiches 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.

Wenn eine Schallimpulsechotechnik zur Untersuchung eines Bohrlochs verwendet wird, ist es wünschenswert, eine adequate Anzahl von Zyklen in den reflektierten Impulsen zu erhalten, bevor eine Sekundärinterferenz 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 Reflexion von dem Wandler zurück zu der Verrohrung Sekundärreflexionen hervorruft, die mit den anfänglichen interessierenden Echosignalen interferieren.

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 Sekundärausstrahlungsinter ferenz 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 hoch frequente Schallwellen können durch die Verrohrungsoberfläche beeinträchtigt werden, deren Rauheit störende Interferenzen hervorrufen können.

Wenn ein Schallimpulserzeuger gemäß der US-PS 38 83 841 in einer Vorrichtung verwendet wird, wie sie in der SU-PS 4 05 095 oder der US-PS 39 74 476 beschrieben ist ermöglicht der vergrößerte Abstand, der in letzterem zwischen dem Wandler und der Verrohrung vorgeschlagen wird, dem Empfang einer größeren Anzahl von Schwingungen. Jedoch dämpfen in einem solchen Fall die Zwischenschichten gemäß der US-PS 38 83 841 zwischen dem Wandler und der Verrohrung die Echosignale beträchtlich, die ohnehin schon mit verringerter Amplitude wegen des vergrößerten Abstandes empfangen werden.

In der US-PS 33 39 666 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 100 kHz, insbesondere zwischen 200 und 400 kHz. Die Reflexionen werden von der in dem Bohrloch befindlichen Einrichtung zur Oberfläche übermittelt, wo alle Reflexionen, die nach einer Zeit von etwa 100 Mikrosekunden nach dem Aussenden und vor dem nächsten folgenden Schallimpuls von dem Wandler gleichgerichtet, integriert und aufgezeichnet werden.

Hier wird der Reflexionsabschnitt charakterisiert, der zum Integrieren und Aufzeichnen als repräsentativ für die akustische Impedanz der Formation ausgewählt wird. In der Praxis treten jedoch beträchtliche Reflexionen 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 Reflexion liefern kann. Formationsreflexionen können leicht durch Sekundäraus strahlungseffekte gestört werden, etwa wenn eine anfängliche Schallreflexion von der Innenwand der Verrohrung eine Sekundär ausstrahlung 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 Schallfeflexionen von Formationen gestreut werden und zum Zeitpunkt, in dem sie den Schallwandler erreichen, ziemlich schwach sein. Wenn der Zementring keine gute Bindung zu der Verrohrung und der Formation besitzt, tritt eine weitere Dämpfung und Streuung der Formationsreflexion auf, wodurch sich eine weitere Schwächung oder ein vollständiger Verlust der Formationsreflexion ergibt.

Ferner wird in dieser Patentschrift die Übertragung der Reflexion durch geeignete Leiter in einem Kabel vorgeschlagen. Techniken zum Übertragen von Hochfrequenzsignalen in der Größenordnung von 500 kHz, wie sie in einem Reflexions signal auftreten, sind an sich bekannt. Kabel für Bohrloch untersuchungen sind jedoch typischerweise auf Signale begrenzt, deren Frequenzen unterhalb von 100 kHz liegen. Daher werden Hochfrequenzsignale, die zu Hin- und Herreflexionen 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 Formationsbereichen hervorgerufen werden, die voneinander durch den Zement isoliert bleiben müssen. Übermäßiger Verschleiß kann aufgrund des Abriebs 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 der Lage ist, die Verrohrung an Ort und Stelle zu inspizieren, um die Anwesenheit und die Stellen und schlechte Verrohrungs bedingungen zu bestimmen.

Ultraschallechoverfahren zum Bestimmen der Dicke von Materialien sind an sich bekannt. So wurde beispielsweise in der US-PS 25 38 114 eine Vorrichtung zum Messen der Dicke eines Materials vorgeschlagen, in dem seine Resonanzfrequenz aufge zeichnet wird, wenn das Material mit Ultraschallenergie bestrahlt wird. In der US-PS 28 48 891 ist ein Verfahren beschrieben, mit dem die Korngröße von Materialien durch Beobachtung der Ultraschallfrequenzrücksendung des Materials gemessen wird. In der US-PS 35 95 069 ist ein System beschrieben, bei dem ein Ultraschallsensor in Resonanz gebracht und die Resonanzfrequenz gemessen wird, um den Wert des Parameters zu bestimmen, für den der Sensor bestimmt wird. Gemäß der US-PS 40 03 244 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 Ober schwingungsresonanzfrequenz einer dünnen Schicht, die zwischen zwei Materialien angeordnet ist, zu umfassen. Ein Spektralprofil von Echos von verschiedenen Schichten wird hergestellt, wie in den Fig. 11 und 12 dieses Aufsatzes dargestellt ist. Wie aus den Breitbandfrequenzspektren von Fig. 12 hervorgeht, 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, mit denen eine Platte, deren Dicke zu messen ist, zu einer Dickenresonanz gebracht werden kann, wobei eine Rückkopplung von Resonanz vibrationen verwendet wird, vgl. US-PS 37 41 334. 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 Resonanz ultraschall während eines zweiten nachfolgenden Intervalls aufgezeichnet wird. Nachdem die Platte aufhört, in Resonanz zu schwingen, wird der vorher gespeicherte Schall abgespielt und verwendet, um Resonanzvibrationen in der Platte zu induzieren, gefolgt von einem nachfolgenden Aufzeichnen des Abklingens des Schalls nach dem zweiten Induzieren. Dieses Verfahren wird wiederholt, um eine hohe Amplitudenresonanz in der Platte zu erzielen und ermöglicht eine Messung der Resonanz frequenz 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 der US-PS 37 41 334 ist in der US-PS 39 14 987 beschrieben, wobei ein doppel seitig 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 Platte erforderlich ist.

Wenn eine Schallimpulsechotechnik 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. 4 der vorliegenden Anmeldung dargestellt und zeigt, daß eine verläßliche Frequenzbestimmung von Maximalwert zu Maximalwert bestenfalls schwierig und meistens undurchführbar ist. Ferner ist eine Bohrlochverrohrung im Schnitt kreisförmig, wodurch Schallinterferenzen von Reflexionen von Oberflächenungleich mäßigkeiten und dergleichen erzeugt werden, wodurch die Schall rücksendung weiter gestört wird.

Zusätzlich ist die Zeit, die für die Untersuchung der Wandstärke eines derartigen schmalen Verrohrungssegmentes verfügbar ist begrenzt, wenn eine ausgedehnte Untersuchung der Verrohrung in vernünftiger Zeit vorgenommen werden soll. Daher ist die Zeit, die benötigt wird, um eine akustische Rückkopplungsuntersuchung gemäß der US-PSen 37 41 334 und 39 14 987 durchzuführen, in der Praxis für Bohrlöcher nicht annehmbar.

In dem Aufsatz von E.P. Papadakik und K.A. Fowler in "The Journal of the Acoustical Society of America", Band 50, 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 ausgeblendet und eine Frequenzanalyse mit einem Spektrums analysator vorgenommen. Ein automatisches Verfahren zum Ableiten der Wandstärke des dünnen Materials wird nicht beschrieben.

Schließlich ist noch auf die US-PS 34 01 772 hinzuweisen. Sie beschreibt eine Technik zum Bestimmen des Zementierungszustandes zwischen Verrohrung und Formation, bei der ein akustischer Impuls an einem ersten Punkt längs des Bohrlochs erzeugt und die einen zweiten Punkt erreichende akustische Energie in ein elektrisches Signal umgesetzt wird. Das Signal wird gefiltert, um niederfrequente Komponenten zu entfernen, und der Anfangsteil des Signals bleibt unberücksichtigt, weil er direkte Kompressions- und Scherwellenübertragung zwischen den Punkten enthält. Der verbleibende Rest des Signals ist hauptsächlich repräsentativ für die Reverberationsenergie in der Flüssigkeitssäule. Es wird integriert und liefert so ein Maß für den Energieinhalt, der unterschiedlich ist, je nach dem Vorhandensein oder Fehlen harten Zements rings um die Verrohrung zwischen den beiden Punkten.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, Verfahren bzw. Vorrichtungen nach den Oberbegriffen der Patentansprüche 1, 14, 40 bzw. 49 zu schaffen, die eine Rücksendung der gewünschten Schallwellen mit einem Minimun an Dämpfungs- und Reflexionsquellen erlauben, und deren Signalverarbeitung zu einer genauen Beurteilung der Qualität der Zementierung bzw. genauen Bestimmung der Wandstärke der Verrohrung führt.

Diese Aufgabe wird entsprechend den kennzeichnenden Teilen der Ansprüche 1, 14, 40 bzw. 49 gelöst.

Hierdurch wird ein Verfahren geschaffen zum Bestimmen der Qualität der Verbindung einer hinter die Verrohrung eines Erdbohrlochs eingebrachten Zementierung mittels akustischer Impulse, bei dem ein Reflexionssignal erzeugt wird, das von einem bei einer akustischen Untersuchung der Verrohrung verwendeten, auf ein ausgewähltes radiales Segment der Verrohrung gerichteten Impuls abgeleitet und aus Schallwellen mit Frequenzen ausgewählt wird, mittels derer eine wandstärkenabhängige Resonanz zwischen den beiden Verrohrungswänden angeregt wird, das dadurch gekennzeichnet ist, daß eine von der Energie in einem Abschnitt des Reflexionssignals abhängende Größe bestimmt wird, der im wesentlichen den akustischen Hin- und Herreflexionen zwischen den beiden Verrohrungswänden in dem Radialsegment entspricht, und ein für diese Größe indikatives Signal erzeugt wird, das die Qualität der Verbindung der Zementierung hinter dem Radialsegment der Verrohrung wiedergibt.

Ferner ist die Erfindung gerichtet auf eine Vorrichtung zum Bestimmen der Qualität der Verbindung einer hinter der Verrohrung eines Erdbohrlochs eingebrachten Zementierung mittels akustischer Impulse, mit Einrichtungen zur akustischen Untersuchung der Verrohrung mittels eines auf ein ausgewähltes radiales Segment der Verrohrung gerichteten Impulses, die Einrichtungen zum Bestimmen der Energie des Impulses und zum Erfassen eines entsprechenden von der Zementierung reflektierten Signals umfassen, die dadurch gekennzeichnet ist, daß zusätzliche Einrichtungen zum Auswählen eines Abschnitts aus dem Reflexionssignal vorgesehen sind, der im wesentlichen repräsentativ ist für akustische Hin- und Herreflexionen zwischen den beiden Wänden der Verrohrung im Bereich des Radialsegments, sowie Einrichtungen zum Bestimmen der Impulsenergie dieser Reflexionen.

Die Erfindung ist weiterhin gerichtet auf ein Verfahren zum Bestimmen der Wandstärke einer in einem Erdbohrloch einzementierten Verrohrung mittels akustischer Impulse, bei dem ein Reflexionssignal erzeugt wird, das von einem bei einer akustischen Untersuchung der Verrohrung verwendeten, auf ein ausgewähltes Radialsegment der Verrohrung gerichteten Impuls abgeleitet und aus Schallwellen mit Frequenzen gebildet wird, mittels derer eine wandstärkenabhängige Resonanz zwischen den beiden Verrohrungswänden angeregt wird, das dadurch gekennzeichnet ist, daß ein Signal entsprechend dem Frequenzspektrum eines Abschnitts von Hin- und Herreflexionen des Reflexionssignals erzeugt wird, der im wesentlichen repräsentativ für die akustischen Hin- und Herreflexionen zwischen den Verrohrungswänden des Radialsegments ist, und daß jeweils die Frequenz von Komponenten in dem Spektralsignal bestimmt wird, die zu einem Maximalwert des Frequenzspektrums beitragen und ein Wandstärkensignal liefern, das repräsentativ ist bezüglich der gemessenen Frequenz und indikativ für die Verrohrungswandstärke im Radialsegment.

Die Erfindung ist ferner auf eine Vorrichtung zum Bestimmen der Wandstärke einer in einem Erdbohrloch einzementierten Verrohrung mittels akustischer Impulse gerichtet, die Einrichtungen zur akustischen Untersuchung der Verrohrung mittels eines auf ein ausgewähltes radiales Segment der Verrohrung gerichteten Impulses, der aus Schallwellen mit Frequenzen gebildet ist, mittels derer eine wandstärkenabhängige Resonanz zwischen den beiden Verrohrungswänden anregbar ist, und Einrichtungen zum Erfassen eines entsprechenden Reflexionssignals aufweist, die dadurch gekennzeichnet ist, daß zusätzliche Einrichtungen zum Auswählen eines Abschnitts von Hin- und Herreflexionen aus dem Reflexionssignal, der im wesentlichen repräsentativ ist für die akustischen Hin- und Herreflexionen zwischen den beiden Verrohrungswänden, mit Einrichtungen zum Erzeugen eines Spektrumsignals, das repräsentativ für das Frequenzspektrum des Abschnitts der Hin- und Herreflexionen ist, und mit Einrichtungen zum Bestimmen der Frequenz von Komponenten in dem Sprektrumsignal, die zu einem Maximalwert des Frequenzsprektrums beitragen und ein Wandstärkensignal liefern, das repräsentativ ist für die Wandstärke der Verrohrung im Bereich des Radialsegments.

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.

Fig. 1 ist eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zum Bestimmen der Qualität der Verbindung einer hinter die Verrohrung eines Erdbohrlochs eingebrachten Zementierung und/oder der Wandstärke einer in einem Erdbohrloch einzementierten Verrohrung.

Fig. 2 ist eine Wellenformdarstellung 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 beispielhafte Wellenformen, die für Schallreflexionen 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 Bohrlochuntersuchung gemäß der Erfindung bevorzugt wird.

Fig. 6A-6C zeigen beispielhaft Spektren von Schallreflexionen, 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 Beurteilung der Zementverbindung gemäß der Erfindung.

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

Fig. 10 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. 10 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 Fig. 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 Verbindung einer hinter die Verrohrung eines Erdbohrlochs eingebrachten Zementierung und der Wandstärke einer in einem Erdbohrloch einzementierten Verrohrung.

Fig. 18 zeigt ein Blockdiagramm eines Teils einer Einrichtung zum Bestimmen der Wandstärke einer in einem Erdbohrloch einzementierten Verrohrung.

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

Ausführungsform der Figuren 1 bis 5

In den Fig. 1 bis 3 ist eine Einrichtung 10 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 20 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 20 und für ihre Meßergebnisse zwischen einem Signalprozessor 21 in der Einrichtung 20 und einer überirdischen Einrichtung zum Steuern und Verarbeiten von Signalen 22 übertragen werden. Ein Tiefensignal, das für die Tiefe der Einrichtung 20 in dem Bohrloch 14 repräsentativ ist, wird von einem üblichen (nicht dargestellten) Tiefenmonitor, der mit dem Kabel gekoppelt ist, mit dem die Einrichtung 20 längs der Verrohrung 12 bewegt wird, gekoppelt ist, über eine Leitung 24 geliefert.

Die zylindrische Verrohrung 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 Bohrloch unregelmäßig 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 28 ein Mikroring raum 30, µa, der hydraulisch sicher ist, vorhanden ist. Im Bereich 32 ist der Ringraum 30 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 Bereichen 26 und 30 werden als gute Verbindungen betrachtet, während die Zustände in den Bereichen 32 und 34 als schlecht angezeigt werden müssen.

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 Bohrlochfluidabschnitte gesättigt, so daß eine akustische Untersuchung des nicht korrodierten Metalls unter den schuppigen Bereichen noch durchgeführt werden kann.

Die Einrichtung 20 liegt innen in der Verrohrung 12 an, die normalerweise mit Wasser oder einer Mischung aus Wasser und Schlamm gefüllt ist. Die Einrichtung 20 wird zentral in der Verrohrung 12 durch geeignete, nicht dargestellte, an sich bekannte Einrichtungen gehalten. Die Einrichtung 20 wird 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 10 eine Kompensation für Kippungen erhalten, d. h. solche Zustände, in denen die Einrichtung 20 einen Winkel mit der Achse der Verrohrung 12 bildet.

Die Einrichtung 20 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 zu einem akustischen Reflektor 38 und dann durch ein Fenster 40 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 40 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 mit einem Minimum an Dämpfung und Reflexionsquellen hindurchlaufen können. Das Fenster 40 kann aus Polyurethan hergestellt werden, das eine Schallgeschwindigkeit von etwa 1700 m/sec und eine Dichte von 1,1 g/cm³ besitzt. Dieses Material zeigt eine ähnliche Schallimpedanz wir ein Fluid, das in dem Raum zwischen dem Wandler 36, dem Reflektor 38 und dem Fenster 40 angeordnet ist, um den Druck auf das Fenster 40 auszugleichen.

Das Fluid, mit dem der Raum in der Einrichtung 20 zwischen dem Wandler 36 und dem Fenster 40 geführt ist, ist vorzugs weise in bezug auf eine geringe oder minimale Dämpfung und eine Schallimpedanz ausgewählt, die nicht zu sehr von derjenigen des Bohrlochfluids in dem interessierenden Frequenzbereich abweicht. Eine geeignete Flüssigkeit ist beispielsweise Äthylenglykol.

Das Fenster 40 ist um einen Winkel R 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, Sekundär ausstrahlungen, wie 43.1, in eine Richtung abzulenken, die vom Fenster erzeugte Interferenzen vermeidet. Geeignete ringförmige schallabsorbierende Flächen, etwa Schallschirme 45, können innerhalb der Einrichtung 20 verwendet werden, um Schallreflektionen 43.2 von der Innenwand des Fensters 40 einzufangen und zu absorbieren. Die Größe des Winkels R kann in der Größenordnung von 20° bis 30" liegen, wie in der US-PS 35 04 758 vorgeschlagen wurde.

Obwohl die Neigung des Fensters 40 in einer Richtung relativ zu dem Weg des einfallenden Strahls gemessen liegen könnte, wie in den US-PSen 35 04 758 und 35 04 759 gezeigt ist, ist die bevorzugte Orientierung, wie in Fig. 1 dargestellt, derart, daß die Verwendung eines größeren Reflektors 38 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 Reflektoren entsprechend den vorgenannten US-PSen vergrößert werden, sind die internen Reflexionen 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 Verrohrung 12 gerichtet ist, zu fokussieren oder zu erhalten, als auch eine beträchtliche Schallrücksendung zu dem Wandler 36 zu bewirken.

Die Neigung des Fensters 40 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 D₂ vom Reflektor 38 unterschieden werden. Wenn wie in Fig. 1 dargestellt, die Senkrechte 41′ zwischen dem Weg D₂ 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 D₂ und einem getrennten Schallempfänger liegt, wie er entsprechend der SU-PS 4 05 095 verwendet wird.

Im Falle einer Fensteranordnung entsprechend den US-PSen 35 04 758 oder 35 04 759 kann der Neigungswinkel oder der Auftreff winkel als negativ ausgelegt werden, da die Senkrechte auf 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 Reflexionen, wir 43.2, auf den Wandler 36 gerichtet werden; daher sollte der Neigungs winkel positiv und genügend groß sein. Jedoch sollte der Neigungs winkel nicht so groß sein, daß Reflexionen, wie 43.2, entweder nicht absorbiert oder durch die Schallschirme 45 abgefahren 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 30 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 Laufzeit für einen akustischen Impuls) zu der Verrohrung 12 genügend lang ist, um eine Inter ferenzisolierung von Sekundärübertragungen zu ermöglichen, die hervorgerufen werden, die starke Schallreflexion der Verrohrung 12 wieder teilweise 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 Wandlers 36 allgemein in einem axialen Abstand D₁ vom Reflektor 38 erhalten, der seinerseits in einem Abstand D₂ von der Verrohrung 12 entfernt ist.

Der Gesamtabstand D = D₁ + D₂ 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, ein gefangen zwischen der Innen- und Außenwand 13 bzw. 13′ der Verrohrung 12 hervorgerufen werden, empfangen werden können. Der Gesamtabstand D ist daher genügend lang, um solche Schallrück sendungen 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 20 und durch die Flüssigkeit innerhalb der Einrichtung 20 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 20, die nicht konzentrisch bezüglich der Mittelachse 47 der Verrohrung 12 sind, beeinflußt. Ungeachtet des Vorhandenseins von Einrichtungen zum Zentrieren kann eine Verschiebung der Einrichtung 20, die als Exzentrizitäts abstand e zwischen der Verrohrungsachse 47 und der Achse 49 der Einrichtung 20 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 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 50 von Fig. 2 entspricht und etwa ein Frequenzspektrum 52 gemäß Fig. 3 besitzt, liegt der Gesamtabstand D₁ 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 Schall rücksendungen zu empfangen, die wesentlich zu einer genauen Beurteilung der Qualität der Zementverbindung bei Anwesenheit eines schmalen Verrohrungszementringes beitragen. Der Gesamt abstand D sollte groß genug sein, um zu ermöglichen, daß der Teil der Schallrücksendungen, der einer schlechten Zementverbindung zuzuordnen ist, frei von Interferenzen empfangen wird.

Die Schallrücksendungen umfassen Schallreflexionen als Ergebnis der Wechselwirkung des ursprünglichen akustischen Impulses mit verschiedenen Medien. Eine erste Reflexion tritt an der Grenzfläche zwischen dem Wasser oder Schlamm innerhalb der Verrohrung 12 und der Innenwand 13 der Verrohrung 12 auf. Diese erste Reflexion ist praktisch durchweg die gleiche, die sich mit der Schlammkonsistenz, dem Zustand der Innenwand, der Verrohrung 12 und den Neigungen der Einrichtung 20 ändert. Weitere Schallrücksendungen treten als Funktion aufeinanderfolgenden Medien, als auch als Ableitung des Nachhalls oder Rückstrahlungen innerhalb der Verrohrung 12 auf.

Nach der ersten Reflexion an der Verrohrung 12 wird der in die Verrohrung 12 eingedrungene Teil des Schalls inner halb der Wandungen 13, 13′ hin- und herreflektiert und bei jeder Reflexion tritt Energie aus. Die auf diese Weise verlorene Energie hängt von den Reflexionskoeffizienten R ₀ (Reflexionskoeffizient zwischen der Flüssigkeit innerhalb der Verrohrung 12 und der Verrohrung 12 selbst) und r₁ (der Reflexionskoeffizient 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 Herreflexionen innerhalb der Wandungen 13, 13′ stattfinden, ist eine Funktion von der Dicke der Verrohrung 12. Da eine Verrohrung mit größerer Dicke dazu neigt, länger dauernde Hin- und Herreflexionen zu bewirken, sollte der Gesamtabstand D zwischen der Verrohrung und dem Wandler 36 entsprechend vergrößert werden.

Wenn ein Fenster 40, das senkrecht zur Ausbreitungs richtung des Schallimpulses angeordnet ist, wie es durch die gestrichelte Linie 42 in Fig. 1 angedeutet ist, verwendet wird, erzeugen die Verrohrungsreflexion und andere akustische Rücksendungen Reflexionen an der Grenzfläche zwischen dem Fenster 42 und dem Schlamm innerhalb der Verrohrung 12. Derartige Reflexionen erscheinen als sekundäre Ausstrahlungen, die zu der Verrohrung zurücklaufen, um eine zweite Verrohrungsreflexion mit anschließenden Hin- und Herreflexionen 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 Reflexionen, die von sekundären Rückstrahlungen stammen, mit einer wesentlichen Reflexion von der Formation, wodurch sich ein insgesamt irrtümlicher Eindruck einer schlechten Verbindung ergibt.

Ein weiteres Kriterium zum Bestimmen eines geeigneten Abstandes der 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 abklingen. Es kann gezeigt werden, daß die Anzahl N _r der Hin- und Herreflexionen in der Stahlverrohrung 12 in einem derartigen Bereich durch folgende Beziehung gegeben ist:

in der x der prozentuale Anteil ist.

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

in der L die Dicke der Verrohrung 12, C₀ die Geschwindigkeit des Schalls in dem Material innerhalb der Verrohrung, hauptsächlich Wasser und C₁ 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 aufgeführten Werte für die Materialien verwendet werden

Tabelle 1

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

r₀= 0.937 r _1G= -.731 (für eine gute Verbindung) r _1B= -.937 (für eine schlechte Verbindung)

Der Abstand D₃ von der Verrohrung zum Empfänger kann aus dem obigen Konstanten und den Zeiteinstellungszwangs bedingungen bestimmt werden. Wenn beispielsweise die Hin- und Herreflexionen in der Verrohrung auf etwa 5% ihres ursprünglichen Wertes abklingen sollen, kann der Abstand D₃ von etwa 3,1 bis 7,6 cm für einen normal vorhandenen Bereich der Dicke L der Verrohrung 12 von etwa 0,51-1,65 cm variieren. Durch Milderung der Anforderung an den gültigen Wert für das Abklingen der Hin- und Herreflexionen 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 D₃ darstellen. Da die größte Dicke der Verrohrung vorzugsweise berücksichtigt wird, wird der Abstand von dem Wandler 36 entweder zum Fenster 40 oder 42 derart gewählt, daß sich keine sekundären Transmissionsinterferenzen in dem interessierenden Zeitintervall ergeben. Der Abstand D₃ wird, falls verwendbar, derart gewählt, daß Sekundärreflexionen, die auf das Fenster zurückzuführen sind, keine Signalinterferenz hervorrufen. Wenn die Einrichtung 20 ein Fenster wie das Fenster 40 aufweist, braucht man Sekundärreflexionen von einem derartigen Fenster bei der Wahl des Abstandes von Wandler zur Verrohrung nicht länger 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 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 Dickenresonanz einfällt. Schallenergie wird in die Verrohrung überführt und in gesteigertem Maß hin- und herreflektiert, wobei die Dauer und Größe der Hin- und Herreflexionen stark abhängig von der Materialschicht benachbart der äußeren Oberfläche der Verrohrung 12 ist. Diese Empfindlichkeit sollte jedoch hydraulisch sichere Mikroräume, 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 eingefangener Energie kann als Ergebnis des Austretens betrachtet werden, das 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

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

In der Praxis stellt ein Ringraum zwischen Verrohrung und Zement gleich oder kleiner als 0,127 mm eine gute Zement verbindung dar und vermeidet daher hydraulische Verbindungen zwischen Bereichen, die voneinander getrennt bleiben sollen. Wenn Ringräume mit einer größeren Breite auftreten, sollten diese als schlechte Zementverbindungen betrachtet werden. Solange ein Ringraum von geringerer Stärke als etwa ¹/₃₀ einer Wellenlänge einer Schallwelle, die sich in Wasser fortpflanzt ist, ist dieser Ringraum tatsächlich für eine Schallwelle dieser Wellenlänge transparent. Daher sollte ausgedrückt in Ringräumen zwischen Verrohrung und Zement das Frequenzspektrum des Schallimpulses derart ausgewählt sein, daß

wobei C₀ die Schallgeschwindigkeit in Wasser und µa _t die Dicke des Ringraumes 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 300-600 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 Grund frequenz oder ihrer zweiten harmonischen Oberschwingung für die stärkeren Verrohrungen angeregt werden kann.

Innerhalb eines derartigen Frequenzspektrums wird die Dauer der Hin- und Herreflexion 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 Herreflexionen (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 50 von Fig. 2 stellt einen stark gedämpften Schallimpuls einer Dauer in der Größenordnung von etwa 8 Mikrosekunden dar. Das Frequenzspektrum des Impulses 50 ist in Fig. 3 mit einer Frequenzamplitudenkurve 52 gezeigt, die eine 6 db Bandbreite (halbe Stärke) zeigt, die sich von etwa 275 kHz bis etwa 625 kHz mit einem Maximum bei etwa 425 kHz zeigt. Dicke Verrohrungen, die eine Einfangschwingung 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 50 mit dem Frequenz spektrum 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 an gepaßten Impedanz hinterlegt ist, so daß ein akustischer Impuls mit der Resonanzfrequenz der Scheibe gebildet wird. Das Hinterlegungsmaterial besitzt eine Impedanz, die derart ausgebildet ist, daß sie der des Kristalls gleichkommt, während es den Schallimpuls stark dämpft, um Reflexionen 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 Impedanz des Kristalls und der erwarteten Impedanz der Bohrlochflüssigkeit ist. Eine derartige vordere Beschichtung besitzt eine Dicke von einer ¼ 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. Beispiels weise kann ein Impuls verwendet werden, der eine Anstiegszeit von etwa 10-100 Nanosekunden und eine Abfallzeit von 0,5 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 100 Impulsen pro Sekunde liegt. Bei einer derartigen Impulsrate kann ein Umfangsbereich um die Verrohrung 12 abgetastet werden, wenn die Einrichtung 20 längs der Verrohrung 12 aufwärts bewegt wird, während der Reflektor 38 und ein zugeordnetes Fenster 40 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 von 300 kHz. Fig. 5 zeigt eine annehmbare empfangene Amplituden- Empfangscharakteristik 55, wenn der Wandler 36 mit einem Impuls steuersignal von etwa 2 Mikrosekunden angeregt und auf eine Wasser-Luft-Grenzfläche gerichtet wird, die sich von dem Wandler in einem Abstand entsprechend etwa 100 Mikrosekunden der Doppelwegschallwellenlaufzeit T₁ 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, 57.2 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 50 db unter der Höhe A₁ des Maximums 57 sein und eine Dauer T₃ von weniger als etwa 30 Mikrosekunden besitzen. Der Geräuschpegel A₃, der dem Zeitintervall T₃ folgt, sollte vorzugsweise wenigstens 60 db unter dem Pegel A₁ der Maxima 57 sein.

Die Steuerungen und Schaltkreise, die notwendig sind, um den Wandler zu betätigen, können von einer oberirdischen Einrichtung oder einem geeigneten Taktgeber in der Einrichtung 20 stimmen. In jedem Fall werden sich wiederholende Synchoni sierungsimpulse auf einer Leitung 54 von Fig. 1 erzeugt, um einen Impulsformer 56 zu aktivieren, der geeignete Impulse erzeugt, die über eine Leitung 58 zum Wandler 36 gegeben werden, während gleichzeitig der Eingang 60 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 Reflektors 38 hilft beim Kompensieren von Änderungen in der Ausrichtung des akustischen Impulses auf die senkrechte Ebene zu der Verrohrungswandung. Der Reflektor 38 kann eine flache Oberfläche mit einem Winkel α von etwa 45° bezüglich der Schallenergie vom Wandler 36 oder eine geringfügig konkave oder konvexe Oberfläche aufweisen.

Wenn der Schallimpuls 50 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 Reflektor 38 zurückgeführt und erzeugt ein elektrisches Signal, das an den Eingang 60 des Verstärkers 62 angelegt wird. Die Energie, die in die Verrohrung 12 eingedrungen ist, wird hin- und herreflektiert, wodurch wiederum weitere Schallrücksendungen zum Wandler 36 hervorgerufen werden. Der resultierende empfangene Ausgang vom Wandler 36 kann das Aussehen haben, wie es als Reflexions signalwellenformen 64, 66 und 68 in den Fig. 4A, 4B, und 4C dargestellt ist.

Das anfängliche Segment 70 jeder Reflexionssignalwellenform stellt eine starke anfängliche Verrohrungsreflexion dar, deren Dauer in der Größenordnung von etwa 5 Mikrosekunden liegt. Der übrige Teil 72 ist als Hin- und Herreflexionsabschnitt gekennzeichnet, indem dieser eine große Anzahl von Schwingungs perioden darstellt, die für die akustischen Hin- und Herreflexionen 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 verschiedenen großen Ringräumen 30 um die Verrohrung 12 herum erhalten wurden.

Außer für den anfänglichen Abschnitt 70 entsprechend der Verrohrungsreflexion besitzen die Reflexionssignale 64, 66, 68 keine stark aussagekräftige Form, wobei die Extremwerte genau definiert und extrahierbar sind. Aus diesem Grunde ist die bekannte Technik zum Vergleichen von benachbarten Extremwerten schwierig durchzuführen, um die Abklingzeit konstanten für die Wellenformen zu ermitteln.

Statt dessen reagiert der Signalverarbeitungsteil 21 der Einrichtung 10 auf jedes Reflexionssignal durch Trennen des Abschnittes 72 von dem Abschnitt 70 und nachfolgendes Integrieren des Abschnittes 72 über eine bestimmte Zeitspanne, um die enthaltene Energie zu bestimmen.

Bei der Ausführungsform von Fig. 1 werden die Reflexionssignale von dem Wandler 36 in einem Verstärker 62 verstärkt, dessen Ausgang auf einen Zweiweggleichrichter 76 gegeben wird, um ein Gleichstromsignal zu erzeugen, das für die Amplitude der empfangenen Schallwelle repräsentativ ist und über eine Leitung 78 auf ein Filter 80 gegeben wird, um dort gefiltert zu werden und um in der 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 Schwellwert detektor 84 gegeben, der die nachfolgende Signalverarbeitung durch Feststellen des Beginns des Abschnitts 70 der anfänglichen Verrohrungsreflexion 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.

Der Ausgang des Schwellwertdetektors 84 auf der Leitung 88 wird verwendet, um einen Steuerimpuls am Ausgang 90 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 Abschnitt 70 der anfänglichen Verrohrungsreflexion gehört, durch einen Verstärker 94 als ein Verrohrungsreflexions signal ausgeblendet wird.

Die Dauer des Steuerimpulses auf dem Ausgang 90 ist wählbar, so daß der gesamte Verrohrungsreflexionsabschnitt 70 in dem Fall gewählt werden kann, in dem seine Dauer veränderlich ist. Die Gleichstromform des Wellenreflexions signals wird auf einen Integrator oder Spitzenamplituden detektor 96 gegeben, um ein Signal entsprechend de 60286 00070 552 001000280000000200012000285916017500040 0002002829982 00004 60167r Amplitude der Verrohrungsreflexion 70 in der Leitung 98 zu erzeugen. Dieses Verrohrungsamplitudensignal wird etwa in einem Kastenspeicher 100 gespeichert, der durch einen geeigneten Impuls von dem Schaltkreis 92 über eine Leitung 102 am Ende des Impulses der Leitung 90 betätigt wird.

Der Ausgang 88 des Schwellwertdetektors 84 wird ebenfalls auf eine Auswahlschaltung 103 für den Hin- und Herreflexions abschnitt gegeben, die einen Verzögerungskreis 104 umfaßt, der einen Steuerimpuls für einen impulserzeugenden Schaltkreis 106 nach einiger Zeit erzeugt, nachdem die anfängliche Verrohrungsreflexion 70 beendet ist. Der Schaltkreis 106 erzeugt einen Abschnittsselektionsimpuls auf der Leitung 108, der zu Beginn des Abschnittes 72 beginnt und eine Dauer aufweist, die ausreicht, um die gesamte Einhüllform des Abschnitts 72 (siehe Fig. 4) durch einen ausfilternden Verstärker 110 zu einem Integrator 112 zu geben. Der Abschnitts selektionsimpuls der Leitung 108 beginnt nach der anfänglichen Verrohrungsreflexion und endet, nachdem die gewünschte Anzahl von interessierenden Schallrücksendungen empfangen wurde, jedoch bevor eine sekundäre Transmissionsinterferenz auftritt. Ein typischer Impuls beginnt etwa 6 Mikrosekunden, nachdem die anfängliche Verrohrungsreflexion festgestellt wurde, und erstreckt sich über einen Zeitraum von etwa 40 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 108 bestimmt wird. Am Ende dieses letztgenannten Impulses aktiviert ein Signal in der Leitung 114 von dem Schaltkreis 106 einen Tastspeicher 116, um ein Signal entsprechend der Energie in dem Abschnitt 72 zu speichern.

Die Ausgänge der Tastspeicher 100, 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 Verrohrungsreflexion 70 indikativ ist, um ein normalisiertes Energieverbindungssignal auf der Ausgangsleitung 120 zu erzeugen. Dieses normalisierte Energiesignal auf der Leitung 120 kann zur Erdoberfläche übermittelt werden, um die Reflexionsenergie 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 126 gegeben werden, das von einem Schaltkreis 128 stammt und repräsentativ für den Schwellwert zwischen guten und schlechten Zementverbindungen ist. Der Ausgang 130 von dem Komparator 124 zeigt die An- oder Abwesenheit einer guten Zementverbindung an und kann ebenfalls auf dem Schreiben 122 als Funktion der Tiefe aufgezeichnet werden.

Durch die Signalverarbeitung wird das Signal auf der Leitung 120 betreffend die Zementverbindung weniger empfindlich hinsichtlich Kippungen der Einrichtung 20 und Dämpfung 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 Verrohrungsreflexion als Eichung für Schrägstellungen der Einrichtung 20 und Schlammkonditionen liefert das Signal auf der Leitung 120 eine sichere Anzeige der Qualität der Zementverbindung.

In bestimmten Fällen kann die Notwendigkeit bestehen, ein Signal betreffend die Signalverbindung zu erhalten, das nicht normiert wurde oder zu einem späteren Zeitpunkt normiert werden sollte. In einem Fall wie diesem ist der Ausgang 117 des Tastspeichers 116 das Zementverbindungssignal, das zur Erdoberfläche zum Aufnehmen etwa durch ein Bandgerät oder den Schreiber 122 oder in einem Speicher eines signalverarbeitenden Geräts 130 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 Tastenspeicher 100, 116 und Integratoren 96, 112 gegeben. Das Rückstellen der Tastspeicher 110, 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 Signals, repräsentativ für die akustischen Hin- und Herreflexionsrücksendung 72, wird mit einem Impuls, erzeugt auf der Leitung 8, erhalten, indem ein Abschnitts wellenkreis 132 verwendet wird. Dieser Abschnittswellenkreis 132 steuert die Länge der Verzögerung 104 und die Breite des Steuerimpulses von dem Impulsgeber 106. Wie vorstehend im Zusammenhang mit den Fig. 4A-4C ausgeführt wurde, wird der Abschnitt 72 derart ausgewählt, daß die Verrohrungsreflexion 70 wirksam ausgeschlossen ist.

Dieses Ausschließen kann vorzugsweise durch den Signalprozessor 21 erzielt werden, da dieser durch das Feststellen der starken Verrohrungsreflexion 70 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 Zementverbindung. 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 Reflexionskoeffizienten für r₀ und r₁ für gute und schlechte Zementverbindungen verglichen wird, tritt ein Integrationsverhältnis von etwa 3,8 bis 1 zwischen schlechten und guten 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 0,25 mm noch als gute Zementverbindung anzunehmen. In diesem Falle kann das Frequenzspektrum 52 des Schallimpulses 50 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 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 0,22 cm) als gut. In der Praxis jedoch ist das Auftreten eines derartig großen Ringraums unwahrscheinlich, und andere konventionelle Techniken zum Untersuchen der Zement qualität können verwendet werden, um derartig große Ringräume als schlechte Zementverbindungen zu identifizieren.

Fig. 6A-6C und 7

Fig. 6A-6C zeigen die Wirksamkeit der Einrichtung 10, wenn ein Frequenzspektrum von den beobachteten gesamten Schall rücksendungen hergestellt wird, wie sie in den Fig. 4A-4C dargestellt sind. Die Spektren 140 der Fig. 6A-6C stellen entsprechend eine schlechte Verbindung mit einem großen Ringraum, eine dazwischenliegende Verbindungssituation mit einem Ringraum von 0,12 mm und eine gute Zementverbindung dar. Die Spektren 140 konnten, als sie ursprünglich erhalten wurden, in ihrer absoluten Größe aufgrund der Reflexionsänderungen in der Exzentrizität e der Einrichtung 20 und der Kopplung der Schallenergie zum Zement 14 hinter der Verrohrung 12 variieren. Daher ist für eine gute Zementverbindung die absolute Amplitude der Schallrücksendungen kleiner als 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 140 in den Fig. 6A-6C mit allgemein gleichen Amplituden dargestellt, so daß ihre Minima 142 durch visuellen Vergleich miteinander bewertet werden können. Die Signifikanz der Minima 142 sollte im Licht des Gesamt energiespektrums des Reflexionssignals bestimmt werden.

Die scharfen Minima 142 der Spektren 140 sind um die Dickenresonanz der Verrohrung 12, von der die Reflexionen kommen, zentriert. In den Spektren 140 treten die Minima 142 bei 0,5 MHz (500 kHz) für eine 0,584 cm dicke Verrohrung auf und gleichen der Wirkung eines Trennfilters mit enger Bandbreite. Im Falle einer schlechten Verbindung, etwa im Falle des Spektrums 140.1 von Fig. 6A ist das Minimum 142.1 tief und zeigt an, daß eine relativ große Energiemenge bei der Dickenresonanz innerhalb der Verrohrungswände 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 Minimum 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 150 zur Bewertung der Zementverbindung, wobei die Schärfe der Minima 142 in den Spektren 140 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 Verrohrungsdickenresonanzfrequenz 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 bezüglich seines Frequenzbandes genügend breit sein, um den Frequenzbereich der Minima 142 für die erwarteten Toleranzänderungen in der Verrohrungsdicke zu überlappen.

Im allgemeinen reicht ein Filter 152 mit einer Durchlaßbreite von etwa 10-15% der mittleren Frequenz, obwohl ein schmalerer Durchlaßbereich von etwa 5% eine Minimumsamplitudenanzeige auf der Leitung 156 liefern kann. Es kann sowohl ein Digital- als auch ein Analogfilter 152 verwendet werden.

Das Filter 154 ist vorzugsweise derart abgestimmt, daß ein getrennter, nicht überlappender 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. 1 beschriebene Technik der Bestimmung des Minimums verwendet werden kann. Das Minimumamplitudensignal auf der Leitung 156 wird dann durch Dividieren dieses Signals durch das Bezugssignal auf der Leitung 158 mit einem Dividierschaltkreis 160 normiert. Ein normiertes Minimalwertsignal ist dann auf dem Ausgang 162 des Dividierschaltkreises 160 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 erzeugt, das aus aufeinanderfolgenden numerischen Werten gebildet wird, die repräsentativ für die Amplitude des Reflexionssignals sind. Der Wandler 172 kann eine bestimmte Zeit nach der Erzeugung eines Schallimpulses deaktiviert werden.

Der Wandler 172 ist in der Einrichtung 10 dem Bohrloch angeordnet und kann mit sehr hoher Geschwindigkeit arbeiten und ist mit einer genügenden Speicherkapazität versehen, um die Zahlen anfänglich zu speichern und dann mit einer geringeren Geschwindigkeit zu einem überirdischen Signalprozessor 174 zu übermitteln. Das letztere könnte gegebenenfalls auch in der Einrichtung 10 angeordnet sein, jedoch hängt dies von der Art der Operationen ab, die dieser Signalprozessor 174 durchführen muß.

Das abgetastete Digitalreflexionssignal 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 Reflexionswerte A _c auszuwählen, die für die Verrohrungsreflexion 70 (vgl. Fig. 4) repräsentativ sind. Das Verfahren kann ähnlich zu demjenigen sein, das in analoger Form in Fig. 1 dargestellt ist. Daher können die Reflexionswerte abgetastet werden, um den ersten Wert festzustellen, der eine vorbestimmte Schwelle überschreitet, wobei dieser erste Wert die Ankunftszeit der Verrohrungsreflexion wird. Eine bestimmte Anzahl von Werten, die diesem ersten Wert folgen, wird dann als repräsentativ für die Verrohrungsreflexion 70 (vgl. Fig. 4) ausgewählt.

Eine bestimmte Anzahl von Reflexionswerten A _r, die den Verrohrungsreflexionswerten A _c folgen, werden bei 180 als repräsentativ für den Abschnitt 72 in dem Reflexionssignal ausgewählt (siehe Fig. 4).

Die Integration der Werte für die Hin- und Herreflexionen wird durch das Aufsummieren der Absolutwerte der Werte bei 182 vorgenommen. Dieses Aufsummieren kann durchgeführt werden, wenn die Werte für die Hin- und Herreflexion bei 180 ausgewählt werden. Jedoch ist der Klarheit wegen das Aufsummieren als getrennter Schritt angedeutet. Die integrierte Summe E _R wird gespeichert.

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

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

Fig. 9, 10 und 11

Fig. 8 zeigt eine weitere Ausführungsform zur Untersuchung der Qualität der Zementverbindung. Eine Einrichtung 210, die an einem Kabel 211 hängt, ist mit einer Vielzahl von Wandlern 36 versehen, die am Umfang der Einrichtung 210 verteilt angeordnet sind, um eine genügend genaue Zementverbindungs bewertung 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. 10 und 11 betreffen einen Signalprozessor 215 für eine Einrichtung 210 gemäß Fig. 9. Der Signalprozessor 215 wird im Zusammenhang mit einer Einrichtung 210 mit acht Wandlern 36 beschrieben, jedoch kann auch eine größere Anzahl von Wandlern in Betracht gezogen werden. Der Signalprozessor 215 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 210 stammen.

Die Taktimpulse 216 werden über einen Verzögerungskreis 218 auf einen Wandlerselektor 220 und einen Transmitter impulsmultiplexer 222 gegeben. Der Wandlerselektor 220 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 Impulsgeber 226 zu zünden, die mit den Wandlern 36 gekoppelt sind.

Die Wandler 36 dienen ebenfalls als Empfänger und erzeugen Signale auf den Ausgangsleitungen 228 zum Verstärken im Vorverstärker 230, die mit jedem Wandler 36 verbunden sind. Der Ausgang der Verstärker 230 ist mit einem Empfängermultiplexer 232 verbunden, der durch die wandleridentifizierenden Signale auf der Leitung 224 von dem Wandlerselektor 220 gesteuert wird. Zusätzlich wird eine Abschnittswahlschaltung 234 mit jedem Wandlerzünden aktiviert, um Steuersignale 236, vergleiche Fig. 11, auf einer Ausgangsleitung 238 zu erzeugen, damit der Multiplexer 232 den gewünschten Abschnitt aus den Wandlerausgängen auswählen kann, während die anfänglichen Transmitterabschnitte unterdrückt oder ausgeblendet werden. Der Ausgang 240 des Multiplexers 232 besitzt eine Form, wie sie bei 244 in Fig. 11 dargestellt ist. Ein geringes Rausch signal 242 erscheint vor dem Reflexionssignal 244, das das in den Fig. 4A-4C dargestellte allgemeine Aussehen aufweist.

Die Reflexionen auf der Ausgangsleitung 240 werden durch zwei Verstärker mit veränderlichem Verstärkungsfaktor (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 Schlammdämpfungs effekte zu berücksichtigen, oder von einer automatischen Verstärkungssteuerung im Bohrloch.

Beim zweiten Verstärker 248 wird die Verstärkung automatisch in der Einrichtung 210 gesteuert, um die Dezentrierung der Einrichtung 210 zu berücksichtigen, die weiter unten aus geführt wird.

Der Ausgang 250 von dem Verstärker 248 wird in einer Schaltung 76.1 gleichgerichtet und einer Schaltung zum Feststellen der Verrohrungsreflexion gegeben, die aus einem vorgesteuerten Verstärker 94, einem Integrator 96 und einem Tastspeicher 100, wie in Fig. 1, besteht.

Der Ausgang auf einer Leitung 250 von dem Verstärker 248 wird ferner durch einen Verstärker 252 um einen genügenden Betrag verstärkt, um die angenäherte Differenz in der Signalamplitude zwischen der Verrohrungsreflexion und den akustischen Rücksendungen der nachfolgenden Hin- und Herreflexionen zu kompensieren. Eine annehmbare Kompensation kann ein Verstärkungs faktor von etwa 20 db für den Verstärker 252 sein. Die interessierenden Reflexionen werden dann auf einen Zweiweggleich richter 76.2 zum nachfolgenden Integrieren mit den im Zusammenhang mit Fig. 1 beschriebenen Einrichtungen gegeben.

Eine Steuerung der Verstärker 94, 110 wird entsprechend Fig. 1 durch einen Schwellenwertdetektor 84 vorgenommen, der mit dem Ausgang des Zweiweggleichrichters 76.1 auf der Leitung 78 verbunden ist. Ein Bezugsschwellenwert wird über eine Leitung 86 als Ergebnis einer ähnlichen vorherigen Zement verbindungsuntersuchung mit einem bestimmten Wandler abgeleitet, wie nachstehend erläutert wird.

Der Ausgang 88 des Schwellwertdetektors 84 wird auf den eingestellten Eingang eines Verriegelungsschaltkreises 256 gegeben. Letzterer 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 der Leitung 86 feststellt, wird auf den Verriegelungsschaltkreis 256 ein Signal gegeben, der danach bezüglich Ansprechen auf weitere Eingänge von dem Schwellwertdetektor 84 gesperrt wird, bis die Schaltung 256 durch einen Impuls über die Leitung 214 zurückgestellt wird. Der Ausgang auf der Leitung 260 zeigt das Aussehen des Impulses 262 (Fig. 11) mit einem aktiven Zustand mit dem Auftreten der großen Verrohrungsreflexion.

Die Integrationszeiten T₁ und T₂ (siehe ebenfalls Fig. 11) für Signale entsprechend der Verrohrungsreflexion und der Hin- und Herreflexionen werden durch Impulsgeber 92 bzw. 106 gegeben, deren Ausgänge 90, 108 zum Ansteuern der Verstärker 94, 110 verwendet werden. Die Dauer und das Auftreten der Integrationsperioden T₁ und T₂ sind etwa 8 Mikrosekunden für die Verrohrungsreflexion bzw. etwa 30 Mikrosekunden für die Hin- und Herreflexionen.

Die nachfolgende Integration des Verrohrungsreflexions signals durch den Integrator 96 und des Hin- und Herreflexions abschnittes durch den Integrator 112 wird am Ende der Impulse T₁ und T₂ beendet, wenn der Ausgang von den Verstärkern 94, 110 auf Null zurückgeht. Die Integrationsausgänge werden am Ende des Impulses T₂ abgetastet und zum weiteren Verarbeiten 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 eines 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 271 im Zeitpunkt der Taktimpulse 214 zurückgesetzt.

Wie vorstehend ausgeführt wurde, wird die Verstärkungs steuerung des Verstärkers 248 durch Abtasten des Maximalwertes der Verrohrungsreflexion auf der Leitung 78 mit einem Maximal wertdetektor 270 automatisiert. Der Maximalwert wird dann in einen Digitalwert durch einen Analog-Digital-Wandler 272 konvertiert und dieser Wert in einem Speicher 274 an einer Stelle angeordnet, die dem Wandler 36 zugeordnet ist, von dem die Reflexion erhalten wurde. Beim nächsten Mal, wenn dieser Wandler 36 in Tätigkeit gesetzt wird, liefert der Wandler selektor 220 ein geeignetes Adressensignal für eine Einlese- Auslese-Schaltung 275, um den vorher gespeicherten Maximalwert auf eine Verstärkungssteuerung 276 und eine Schaltung 278 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 Schwellwertbezugswert 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 210, wenn diese sich längs der Verrohrung bewegt. Gemäß Fig. 10 wird ein Zeitgeber 280 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 eine Verrohrungsreflexion durch den Schwellwertdetektor 84 durch ein Signal auf der Leitung 260 angezeigt wird. Die gemessenen Zeitintervalle für verschiedene Wandler 36 sollten die gleichen sein, wobei irgendwelche Unterschiede der exzentrischen Position der Einrichtung 210 zuzuordnen sind. Der Ausgang des Zeitgebers 280 kann aufgezeichnet oder aufgenommen und geeignet verarbeitet werden, um die Exzentrizität der Einrichtung 210 zu messen und zu lokalisieren.

Die vertikale Auflösung der Einrichtung 210 ist eine Funktion der Wiederholungsrate, mit der die Wandler 36 in Tätigkeit gesetzt werden und aufnehmbare Verrohrungsreflexionen und Hin- und Herreflexionen erzeugen. Eine Wiederholungsrate von 100 pro Sekunde kann verwendet werden, um eine Auflösung von jeweils 0,25 cm zu erzielen, wenn die Einrichtung 2 b 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 210 und setzt einen Signalprozessor 215 in die Lage, die Höhendifferenzen der Wandler 36 abzugleichen.

Fig. 12 bis 14

In den Fig. 12 bis 14 ist eine Schallenergiequelle und Detektor 300 zur vielfachen Verwendung bei einer Einrichtung 210 gemäß Fig. 9 dargestellt. Der Sender/Empfänger 300 ist radial an einem zylindrischen Gehäuse 302 mit einer Klammer 304 befestigt, die eine mittlere Öffnung 306 besitzt, um einen zylindrischen oder Scheibenwandler 36 aufzunehmen. Die Klammer 304 erstreckt sich von der abstrahlenden Fläche 37 des Wandlers 36 mit einer leicht sich nach außen erweiternden Öffnungs wandung 308.

Die Klammer 304 kann direkt an dem Gehäuse 302 befestigt sein, wie in Fig. 12 gezeigt ist, oder über einen Abstandshalter 310, 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 Sekundär transmissionen mit den interessierenden Reflexionen interferieren, darf der Abstand D nicht zu klein sein. Wenn anderer seits 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. Beispiels weise verursacht ein schwerer und dichter Schlamm eine unerwünscht hohe Dämpfung. Bei der Wahl eines akzeptablen Abstandes D ist es daher notwendig, auch eine obere Schlamm dichtengrenze 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 8-10 db/ 2,54 cm sein.

Bei diesen generellen Beschränkungen kann ein annehmbarer Abstand D in der Größenordnung von etwa 2,54 bis etwa 5,08 cm für die meisten Verbohrungen sein.

Die beschriebene Anordnung der Einrichtung 20 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 Schlammflüssigkeit zu reduzieren. Jedoch sollte darauf geachtet werden, daß der Reflektor 38 in genügendem Abstand von der Wand der Verrohrung 12 bleibt.

Fig. 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 Herreflexionen zwischen den Verrohrungswandungen 13, 13′ repräsentativ ist. Wenn ein Schallimpuls, etwa ein Schallimpuls 50, auf die Verrohrung 12 gerichtet wird, wird ein wesentlicher Anteil der Schallenergie bei der Resonanzfrequenz innerhalb der Verrohrungswandungen eingefangen.

Der Abschnitt 72 besitzt hervortretende Komponenten in einem Frequenzbereich 320 (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 Amplitude der Schallrücksendungen in dem Frequenzbereich 320. Die tat sächliche Amplitude der akustischen Hin- und Herreflexionen in dem Frequenzbereich 320 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.

Dies ist in den aufgezeichneten Spektren von Fig. 16 mit den Kurven 322 und 324 dargestellt, die entsprechend das Frequenzspektrum eines Frequenzabschnittes 320 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 Zementverbindung 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′ einge fangen, 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 Bereich mit guter Verbindung auftritt, kann die Verrohrung 12 als schlecht verbunden erscheinen. Daher ist es vorteilhaft, in der Lage zu sein, eine Verrohrungsstärkenmessung 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 Frequenz spektrum des Abschnittes der Hin- und Herreflexionen 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.

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 50 (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, 330 der Spektren 322, 324. Die Frequenzunterschiede zwischen den Maxima 328, 330 können einer Änderung der Wandstärke L der Verrohrung 12 zugeordnet werden. Durch Bestimmen der Frequenz der Maximalwerte, die vorwiegend von den Schallrücksendungen von den Hin- und Herreflexionen zwischen den Verrohrungswandungen stammen, kann eine Anzeige bezüglich der Verrohrungwandstärke erhalten werden.

Die Wandstärke L kann aus der Beziehung

erhalten werden, wobei f _p die Frequenz des Maximums des Spektrums, 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 300 bis 600 kHz bei Verwendung für eine Verrohrung 12 mit einem Wandstärkenbereich von etwa 0,5-1,9 cm besitzt, erzeugt die zweite Harmonische (N = 2) wohl das größte Maximum in den Spektren für die Hin- und Herreflexionen für Verrohrungen mit dickerer Wandstärke, während für Verrohrungen 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 0,919 cm aufweist, so daß ihre Grunddickenresonanz bei etwa 331 kHz für einen Wert von C von 6096 m/sec auftritt. Beispielsweise wird tatsächlich bei dem Spektrum 322 ein Maximum 328 bei einer Frequenz f _p₂ von etwa 348 kHz gemessen, das einer tatsächlichen Wandstärke der Verrohrung von 0,876 cm in einem radialen Abschnitt der Verrohrung entspricht. Das Spektrum 324 besitzt ein Maximum 330 bei einer Frequenz f _p₁ von etwa 303 kHz, entsprechend einer tatsächlichen Wandstärke der Verrohrung von 1,003 cm. Diese Messungen zeigen die Genauigkeit des Verfahrens beim Bestimmen einer Wandstärkenänderung der Verrohrung von etwa ± 7% aufgrund der Herstellungsabweichungen von dem Nominalwert von 0,919 cm.

Bei der Einrichtung 326 von Fig. 15 wird die Verrohrungs wandstärke durch Auswahl des Abschnittes 72 auf einer Leitung 332 mit einem Selektionskreis 334 ausgewählt, der mit dem Reflexionssignal auf der Leitung 63 gekoppelt ist. Der Selektionskreis 334 verwendet einen Verrohrungsreflexions detektor 336 zum Liefern eines Impulses auf dem Ausgang 338, dessen vordere Flanke für den Beginn der Verrohrungsreflexion 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 80 und Schwellwertdetektor 84 bestehen.

Der Impuls auf der Leitung 338 wird durch eine Verzögerungsschaltung 340 um einen Zeitraum verzögert, der an die Dauer der starken anfänglichen Verrohrungsreflexion 70 angepaßt ist, um dann einen Impulserzeuger 342 in Gang zu setzen. Letzterer erzeugt einen Selektionsimpuls für den Abschnitt der Hin- und Herreflexion auf der Leitung 344, um ein Analog gatter 346 während einer Dauer entsprechend der Zeit zu steuern, die benötigt wird, um den Teil des Reflexionsmaterials auszuwählen, der für die Hin- und Herreflexionen innerhalb der Verrohrungswandungen vorwiegend repräsentativ ist.

Ein Spektrumanalysator 384 spricht auf den Abschnitt für die Hin- und Herreflexionen auf einer Leitung 332 an, um auf einer Leitung 350 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 Ampli tudenkomponenten auf der Leitung 350 repräsentativ ist.

Die Amplituden- und Frequenzsignale auf den Leitungen 350, 352 werden einzeln auf Analog-Digital-Wandler 354, 356 gegeben, die die Digitalsignale, die für die Amplitude A _i und die Frequenz f _i des Frequenzspektrums des Abschnittes 72 repräsentativ sind, erzeugen und in einen Speicher 358 eines Signalprozessors 360 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 350 zu erzeugen. Jedesmal, wenn dieser Oszillator durch diesen Frequenzbereich läuft, erzeugt der Spektrumanalysator 348 ein Spektralfeld der Amplituden- und Frequenzsignale A _i und F _i. Daher wird während der Auswahl eines einzigen Abschnittes 72 eine Vielzahl von Spektralfeldern erzeugt und 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 adäquate Zahl von Umwandlungen während jedes Schwingens des Oszillators durchgeführt werden kann.

Wenn die Spektralfelder aus der Frequenz f _i und der Amplitude A _i gebildet sind, werden die Signale in dem Speicher 358 gespeichert, der Signalprozessor 360 wird dann in Gang gesetzt, um einen Amplitudenmaximalwert A _p bei 362 zu suchen. Dies wird vorgenommen, indem sämtliche gespeicherten Amplituden werte A _i untersucht und jeweils mit dem nächsten Amplituden wert verglichen werden, wobei der größere Amplitudenwert für den nächsten Vergleich beibehalten wird. Durch Erhalten des Frequenzwertes f _i, der jedem jeweils erhaltenen Amplitudenwert zugeordnet ist, kann die Frequenz f _p des Wertes A _p gefunden und beide in 364 gespeichert werden.

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

Die festgestellten Maximalwerte sowohl für die Amplitude A _p als auch die Frequenz f _p können auf einem Schreiben 122 aufgezeichnet werden. Die Frequenz f _p kann direkt als Anzeige proportional zur Verrohrungswandstärke L aufgezeichnet werden, oder letztere kann auf der Basis der vorstehend beschriebenen 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 120, der Azimut eines drehbaren Abtastreflektors auf der Leitung 37 zum Identifizieren der Tiefe und der Umfangslage des radialen Verrohrungssegmentes, dessen Dicke gemessen wurde.

Fig. 17

Bei einer alternativen Ausführungsform zum Bestimmen der Verrohrungswandstärke wird gemäß Fig. 17 das gesamte Reflexionssignal der Leitung 63 wie in bezug auf Fig. 8 zur Bewertung der Zementverbindung beschrieben digitalisiert. Das Digitalisieren wird nach Feststellen der Ankunft der Verrohrungs reflexion 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 Reflexionssignals, etwa 64 (siehe Fig. 4A) zu ermöglichen. Dieser Impuls setzt eine Schaltung 370 in Gang, die ihrerseits einen Impuls auf einer Leitung 372 mit einer Dauer erzeugt, die allgemein etwa gleich derjenigen des Abschnitts 70 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 70 und speichert die Werte in einem geeigneten, nicht dargestellten Speicher.

Wenn der Verrohrungsreflexionsabschnitt 70 vorbei ist, wird der Impuls auf der Leitung 32 inaktiv, wodurch seinerseits eine Schaltung 342 aktiviert wird, um einen Steuerimpuls auf einer Leitung 344 zu erzeugen, damit ein Analoggatter 346 einen Abschnitt 72 entsprechend den Hin- und Herreflexionen über einen 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 Signal verarbeitung. Das digitalisierte Reflexionssignal kann im Bohrloch verarbeitet oder mit dem Kabel mit einer geeigneten telemetrischen Einrichtung 380 zur Erdoberfläche übermittelt werden.

Ein Signalprozessor 382 ist zum Verarbeiten des digitalisierten Reflexionssignals von dem Analog-Digital-Wandler 172 vorgesehen. Der Signalprozessor 382 liefert eine Verrohrungs wandstärkenbestimmung bei 384 und ein Zementverbindungsbewertungs signal CB bei 386.

Die Verrohrungswandstärke wird durch Auswählen der Werte A _R für die Hin- und Herreflexionen in der Stufe 388 und Erzeugen eines Spektrums hiervon bei 390 mit einer Fourier- Transformation bestimmt. Das Spektrum wird aus den Amplituden werten A _i und den zugehörigen Frequenzwerten F _i 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 Herreflexionen, eine Konstante K = 1 und die Werte 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 eins erniedrigt und bei 400 abgefragt wird, ob der Zähler gleich Null ist.

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

aufgezeichnet werden.

Eine Zementverbindungsbewertung kann durch den Signal prozessor 382 durchgeführt werden, in dem 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 402 abgetrennt werden. Dies erfordert das Dividieren des Zementverbindungssignals CB durch ein Verrohrungswandstärkensignal L, wie es bei 404 aus der Frequenzmessung FMAX erhalten wurde, wobei die vorstehende Verrohrungwandstärkenbeziehung verwendet wird.

Diese Normalisierung des Zementverbindungssignals beseitigt Änderungen aufgrund der direktproportionalen Verrohrungswand stärkenänderungen, wobei Verrohrungwandstärkeneffekte zweiter Ordnung vernachlässigt werden, da sie geringer sind. Die Zement verbindung 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 Zementverbindungs signal durchgeführt werden, wie es bei 182 von Fig. 17 oder auf der Leitung 117 von Fig. 1 vor der Normalisierung durch das Verrohrungsreflexionssignal erhältlich ist. Das letztere Signal kann 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 Herreflexionen. Die Ausgänge 350, 352 eines Spektrumanalysators 348 (vergl. Fig. 15) werden auf kontinuierlichen Spuren 410.1, 410,2 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 _p und F _p festzustellen, zu speichern und aufzuzeichnen.

Die Spektrumanalysatorausgänge 350 und 352 sind über Logikverstärker 416, 418 mit Schreib- und Leseköpfen 420, 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 410.1, 410.2 aufgezeichnet, die eine genügende Aufnahmelänge besitzen, um einen gesamten Abschnitt 72 aufnehmen zu können.

Nach der Aufnahme des Abschnittes 72 werden die Logik wiedergabeverstärker 422, 426 durch Entfernen der Abschaltwirkung des Impulses auf der Leitung 344 durch den Inverter 428 angesteuert. Dies ermöglicht dann die Wiedergabe der vorher aufgezeichneten Signale der Amplitude A und der Frequenz f.

Ein Maximalwertdetektor 430 wird verwendet, um den Maximalwert in dem 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 410.1 aufgezeichneten Amplitudensignale gegeben, um die Bestimmung der Frequenz f _p 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 _p des Amplitudenmaximalwertes wird dann gespeichert und auf eine Ausgangsleitung 438 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 Maximalwertfrequenz selektion werden aufeinanderfolgend entsprechend Steuersignalen in einer Leitung 440 von einem Steuerkreis 442 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 410.3 auf dem Magnetspeicher 412 erhalten werden.

Fig. 19

Fig. 19 zeigt eine weitere Ausführungsform für eine Einrichtung 460 zum akustischen Untersuchen der Zementverbindung und der Verrohrung, wobei wie in Fig. 1 ein rotierender Reflektor 38 verwendet wird. Die Einrichtung 460 ist mit einem stationären Wandler 36 und einem Längszylinder 462 versehen, der zentral und drehbar relativ zu der Einrichtung 460 um eine Rotationsachse 464 angeordnet ist, die in dieser Ausführungsform vorzugsweise mit der Mittelachse der Einrichtung 460 übereinstimmt.

Die Einrichtung 460 besitzt ein ringförmiges, akustisch transparentes Fenster 466, das zwischen einem oberen Gehäuse abschnitt 468 und einem unteren Gehäuseabschnitt 470 angeordnet ist. Der Zylinder 462 überbrückt innen das Fenster 466 und steht drehbar mit den oberen und unteren Abschnitten 468, 470 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 474 endet in dem Reflektor 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 480, die an den Abschnitten 468, 470 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 480 an. Die Lager 472 führen sowohl zu einer axialen wie auch radialen Lagerung mit geringer Reibung. Zusätzliche Lager und Flansche können gegebenenfalls verwendet werden.

Der Zylinder 462 besteht aus einer stabilen, starken Konstruktion, um den unteren Abschnitt 470 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 Verwendung einer Zentriereinrichtung unterhalb des sich drehenden Reflektors 38 ermöglicht eine genaue Anordnung der Rotationsachse 464 relativ zu der Verrohrung 12 und dient daher zu einem genauen Einstellen des Reflektors 38 von der Verrohrung 12.

Der akustische Reflektor 38 besitzt einen Reflexionswinkel α einer Größenordnung, die notwendig ist, um eine akustische Verbindung durch die seitlich angeordnete Öffnung 490 in den rohrförmigen Abschnitt 474 zu ermöglichen. Vor der Öffnung 490 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 uner wünschte akustische Reflexionen 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 Wandler 36, Reflektor 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 40 von Fig. 1 beschrieben wurde, oder aus Polysulfon, das eine akustische Geschwindigkeit von etwa 2200 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 Reflexion hindurch.

Um weiter die Wirkung von akustischen Reflexionen von einem Fenster zwischen dem Wandler 36 und der Verrohrung 12 zu reduzieren, ist das Fenster konisch mit einem Neigungswinkel R 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 ist auf 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 498 vorgesehen, der in der Einrichtung 460 montiert ist und eine Ausgangswelle 500 besitzt. Eine Getriebekupplung 502 verbindet die Motorwelle 500 mit dem Zylinder 462.

Die Getriebekupplung 502 kann in vielfältiger Weise ausgeführt sein, beispielsweise aus einem Zahnradpaar 504, 506 besteht, wobei letzteres auf einer Welle 508 montiert ist, die in einer Büchse 510 der Klammer 494 drehbar gelagert ist. Ein Kegelantrieb mit zwei Kegelrädern 512, 514 mit einem Winkel von 45° wird verwendet, um die Welle 508 mit dem Zylinder 462 zu verbinden.

Bei einer Einrichtung 460 gemäß Fig. 19 erstreckt sich deren strukturelle Einheit bis unter das ringförmige Fenster 466. Dies liefert eine zusätzliche Festigkeit unterhalb des Fensters und ermöglicht deren relative zentrische Ausrichtung bezüglich der Verrohrung 12 mit einer Zentriereinrichtung. Das Fenster 466 kann genügend kräftig ausgebildet sein, um die von dem Zylinder 462 ausgeübten Drehkräfte aufzunehmen.

Claims

1. Verfahren zum Bestimmen der Qualität der Verbindung einer hinter die Verrohrung eines Erdbohrlochs eingebrachten Zementierung mittels akustischer Impulse, bei dem ein Reflexionssignal erzeugt wird, das von einem bei einer akustischen Untersuchung der Verrohrung verwendeten, auf ein ausgewähltes radiales Segment der Verrohrung gerichteten Impuls abgeleitet und aus Schallwellen mit Frequenzen ausgewählt wird, mittels derer eine wandstärkenabhängige Resonanz zwischen den beiden Verrohrungswänden angeregt wird, dadurch gekennzeichnet, daß eine von der Energie in einem Abschnitt des Reflexionssignals abhängende Größe bestimmt wird, der im wesentlichen den akustischen Hin- und Herreflexionen zwischen den beiden Verrohrungswänden in dem Radialsegment entspricht, und ein für diese Größe indikatives Signal erzeugt wird, das die Qualität der Verbindung der Zementierung hinter dem Radialsegment der Verrohrung wiedergibt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Reflexionssignal in Digitalform in einzelne Werte zerlegt wird, wobei die Absolutwerte der für die Energie der Verrohrungsreflexion repräsentativen Werte aufsummiert und das für die Zementverbindung indikative Signal durch die Summe zur Norminierung 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 Wasserwellenlängen die Größe von hydraulisch festen Mikroringräumen um einen Faktor übersteigt, der ausreicht um diese Mikroringräume als wirksam transparent für den akustischen Impuls zu betrachten, wobei ein Reflexionssignal aufgefangen wird, das repräsentativ für die Schallrücksendungen von verschiedenen Materialschichten im Wege des Schallimpulses ist, und die Verrohrung eines dieser Materialien ist.

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

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

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

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Empfang des Reflexionssignals in einem vorbestimmten Abstand von der Verrohrung durchgeführt wird, wobei das Reflexionssignal im wesentlichen frei von Interferenzen mit Sekundärausstrahlungen erhalten wird.

8. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Schallimpuls innerhalb der Verrohrung erzeugt und auf das radiale Segment der Verrohrung gerichtet gerichtet wird, wobei der Schallimpuls eine Frequenzbandbreite besitzt, durch die eine wandstärkenabhängige Resonanz mit akustischen Hin- und Herreflexionen innerhalb des Radialsegments der Verrohrung anzuregen ist, daß akustische Rücksendungen aufgenommen werden, die der Wechselwirkung des Schallimpulses mit Materialien entlang des Weges des Schallimpulses zuzuordnen sind und ein hierfür indikatives Reflexionssignal erzeugen, daß beim Erzeugen eines für die Zementverbindung indikativen Signals ein vorbestimmtes Frequenzband aus dem Reflexionssignal ausgewählt wird, das verrohrungsrohrstärkenabhängige Resonanzfrequenzen umfaßt, daß ein Signal betreffend die Zementverbindung erzeugt wird, das repräsentativ hierfür ist, um die Qualität der Zementverbindung anzugeben, und daß ein Bezugsfrequenzband aus dem Reflexionssignal ausgewählt und ein hierzu indikatives 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 verrohrungswandstärkenabhängigen Resonanzfrequenz 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 Abschnitts der Hin- und Herreflexion gehören gemessen und ein Wandstärkensignal erzeugt wird, das indikativ für die Verrohrungswandstärke in dem radialen Segment ist.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Wandstärke der Verrohrung effektiv in dem Radialsegment gemessen und ein entsprechendes Wandstärkensignal erzeugt wird, wobei mit dem Wandstärkensignal Änderungen des Signals für die Zementverbindung entfernt 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 Abschnitts des Reflexionssignals entsprechend der Verrohrungsreflexion gemessen und das Signal für die Zementverbindung mit der gemessenen Größe für die Verrohrungsreflexion normiert wird, wobei ein Signal für die Zementverbindung geliefert wird, das die Zementverbindungsqualität im wesentlichen unabhängig von den Bohrlochbedingungen und der Verrohrungswandstärke angibt.

14. Vorrichtung zum Bestimmen der Qualität der Verbindung einer hinter die Verrohrung eines Erdbohrlochs eingebrachten Zementierung mittels akustischer Impulse, mit Einrichtungen zur akustischen Untersuchung der Verrohrung mittels eines auf ein ausgewähltes radiales Segment der Verrohrung gerichteten Impulses, die Einrichtungen zum Bestimmen der Energie des Impulses und zum Erfassen eines entsprechenden von der Zementierung reflektierten Signals umfassen, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich Einrichtungen zum Auswählen eines Abschnitts (72) aus dem Reflexionssignal vorgesehen sind, der im wesentlichen repräsentativ ist für akustische Hin- und Herreflexionen zwischen den beiden Wänden der Verrohrung (13, 13′) im Bereich des Radialsegments, sowie Einrichtungen zum Bestimmen der Impulsenergie dieser Reflexionen.

15. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß mittels der Einrichtungen, die auf das Reflexionssignal ansprechen, eine anfängliche Verrohrungsreflexion von der Verrohrung (12) festzustellen und ein hierfür indikatives Signal zu erzeugen ist, wobei die Einrichtungen zum Bestimmen der Energie Mittel aufweisen, die durch das festgestellte anfängliche Verrohrungsreflexionssignal betätigbar sind und mittels derer aus dem Reflexionssignal jener Abschnitt (72) auszuwählen ist, der im wesentlichen für akustische Hin- und Herreflexionen zwischen den Vorrohrungswandungen (13, 13′) repräsentativ ist.

16. Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtungen zum Erzeugen des Signals für die Zementverbindung ein Mittel zum Erzeugen einer Summe der Absolutwerte von Digitalzahlen für das Reflexionssignal aufweist, die für den Abschnitt (72) der Hin- und Herreflexionen als das Signal für die Zementverbindung repräsentativ sind.

17. Vorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtungen zum Erzeugen des Signals für die Zementverbindung ferner ein Mittel zum Erzeugen der Absolutwerte der Werte für das Reflexionssignal die repräsentativ für die anfängliche Verrohrungsreflexion sind, als Maß für die Größe hiervon umfassen, wobei Mittel zum Erzeugen eines Quotienten zwischen den Summen vorgesehen sind, mittels derer das Signal für die Zementverbindung zu normieren ist.

18. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 15 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zum Erzeugen des Verrohrungsreflexionssignals einen Schwellwertdetektor umfassen, der auf das Reflexionssignal ansprechend ausgebildet ist, wobei zu bestimmen ist, wann das Reflexionssignal eine Schwelle übersteigt, die repräsentativ für die Anwesenheit der anfänglichen Verrohrungsreflexion ist.

19. Vorrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß der Schwellwertdetektor aus Mitteln zum Abtasten von Werten des Reflexionssignals gebildet ist, mittels derer die Lage der anfänglichen Verrohrungsreflexionen festzustellen ist.

20. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß der Schallimpuls mit einer akustischen Wellenfrequenz mit einer Bandbreite erzeugbar ist, mittels der eine Wandstärkenresonanz zwischen der Innen- und Außenwand (13, 13′) der Verrohrung (12) anzuregen ist, wobei die Schallwellenfrequenz derart auswählbar sind, daß Mikroringräume (30), die für gute Zementverbindungen repräsentativ sind, transparent erscheinen und Reflexionen von Ringräumen, die repräsentativ für schlechte Zementverbindungen sind, vergrößert sind.

21. Vorrichtung nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtungen zum Auswählen eines Abschnitts (72) des Reflexionssignals entsprechend Hin- und Herreflexionen Mittel zum Erzeugen eines Auswahlsignals für den Abschnitt (72) umfassen, der zu einem Zeitpunkt entsprechend der Ankunftszeit des Abschnitts (72) des Reflexionssignals beginnt und während einer Zeit fortdauert, die der Dauer des Teils des Reflexionssignals entspricht, der indikativ für eine schlechte Verbindung zwischen der Verrohrung (12) und dem Zement (14) ist, sowie Mittel, die durch das Auswahlsignal steuerbar und mit dem Reflexionssignal zum Auswählen des Abschnittes (72) aus dem Reflexionssignal gekoppelt sind.

22. Vorrichtung nach Anspruch 20 oder 21, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtungen zum Erzeugen des Signals für die Zementverbindung Mittel zum Gleichrichten des ausgewählten Abschnitts (72) und Mittel zum Integrieren des gleichgerichteten vorbestimmten Abschnittes aufweisen, die während der Dauer des Abschnitts (72) des Signals entsprechend den Hin- und Herreflexionen wirksam sind.

23. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 20 bis 22, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtungen zum Erzeugen des Reflexionssignals in der Vorrichtung an einer vorgewählten Stelle in einem vorbestimmten Minimalabstand zwischen der Verrohrung (12) und diesen Mitteln angeordnet sind, wobei ein Reflexionssignal zu erzeugen ist, bei dem der Abschnitt (72) der Hin- und Herreflexionen im wesentlichen frei von Interferenzen von Sekundärausstrahlungen ist.

24. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 20 bis 23, dadurch gekennzeichnet, daß das Reflexionssignal ansprechende Mittel zum Erzeugen eines Verrohrungsreflexionssignals entsprechend einer vorbestimmten Charakteristik der anfänglichen akustischen Verrohrungsreflexion und Mittel zum Normieren des Signals für die Zementverbindung mit dem Verrohrungsreflexionssignal vorgesehen sind.

23. Vorrichtung nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zum Erzeugen des Verrohrungsreflexionssignals Mittel zum Messen der Amplitude des Verrohrungsreflexionssignals umfassen.

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

27. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 20 bis 26, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtungen zum Erzeugen des Verrohrungsreflexionssignals ferner einen Schwellwertdetektor umfassen, der auf das Reflexionssignal zum Feststellen einer vorbestimmten Größe anspricht, die für die Ankunft des anfänglichen akustischen Verrohrungsreflexionssignals indikativ ist, und der ein entsprechendes Steuersignal erzeugt, und daß Mittel vorgesehen sind, die auf das Reflexionssignal und das Steuersignal zum Auswählen des Verrohrungsreflexionssignals ansprechen.

28. Vorrichtung nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, daß der vorbestimmte Abstand zwischen der Verrohrung (12) und den Einrichtungen zum Erzeugen des Reflexionssignals (36) derart groß gewählt ist, daß die Erfassung jener Schallrücksendungen möglich ist, die eine Größe oberhalb eines vorbestimmten Schwellwertes besitzen und im wesentlichen den Abstrahlungen von den Hin- und Herreflexionen 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) erzeugbar sind, wobei ein vorbestimmter Minimalabstand (D) zwischen der Verrohrung (12) und dieser Fläche bestimmbar ist entsprechend folgender Beziehung: wobei L die Dicke der Verrohrung, C₀ die Schallgeschwindigkeit in dem von der Verrohrung (12) eingeschlossenen Material, C₁ die Schallgeschwindigkeit innerhalb des Materials der Verrohrung und N _r eine Anzahl von Hin- und Herreflexionen darstellen, die in der Verrohrung (12) als Ergebnis des Einfangens von Schallenergie aus dem Wandstärkenresonanzen erzeugenden Schallimpuls erzeugt werden, wobei N _r durch folgende Beziehung bestimmt ist: wobei r₀ und r₁ Reflexionskoeffizienten 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, und x die vorbestimmte Schwelle ausgedrückt als Bruchteil der anfänglichen Höhe der Hin- und Herreflexionen darstellt.

30. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß der Schallimpuls mit einer Bandbreite erzeugbar ist, mittels der eine Wandstärkenresonanz zwischen den Innen- und Außenwandungen der Verrohrung mit wesentlich reduzierten Reflexionen von hydraulisch festen Mikroringräumen anzuregen ist, sowie mit einer wesentlich längeren Dauer von Hin- und Herreflexionen in der Verrohrung bei Abwesenheit von Ringräumen, die eine schlechte Zementverbindung darstellen, wobei das Reflexionssignal ansprechende Mittel zum Erzeugen eines Verrohrungsreflexionssignals indikativ für die Dauer einer akustischen Reflexion von der Verrohrung, Mittel zum Erzeugen eines Normierungssignals, repräsentativ für eine bestimmte Eigenschaft in der akustischen Reflexion von der Verrohrung und Mittel zum Kombinieren des Signals betreffend die Zementverbindung mit dem Normierungssignal vorgesehen sind, mittels derer ein normiertes Signal betreffend die Zementverbindung repräsentativ für die Qualität hiervon zu erzeugen ist.

31. Vorrichtung nach Anspruch 14, gekennzeichnet durch Mittel, mit denen von den Reflexionssignal ein Bezugsfrequenzabschnitt extrahierbar und ein Bezugssignal, das hierzu indikativ ist, erzeugbar ist, und Mittel zum Kombinieren des Bezugssignals mit dem Signal betreffend die Zementverbindung vorgesehen sind, wobei ein normiertes Signal zu erzeugen ist, das indikativ für die Qualität der Zementverbindung ist.

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

33. Vorrichtung nach Anspruch 32, dadurch gekennzeichnet, daß das Durchlaßband des Filters eine Bandbreite besitzt, die im wesentlichen weniger als etwa 15% der Frequenz der Wandstärkenresonanz der Verrohrung ist.

34. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 14 bis 33, dadurch gekennzeichnet, daß eine Einrichtung (210) zum Bewegen längs der Verrohrung und eine Vielzahl von akustischen Wandlern (36) vorgesehen sind, die am Umfang der Einrichtung (210) angeordnet und mittels derer die Schallimpulse in radialer Richtung zu der Formation zur Untersuchung der Zementverbindung in Umfangs- und Längsrichtung zu senden sind, wobei die Wandler (36) jeweils einen Schallimpuls liefern, der eine Frequenzbandbreite aufweist, die so ausgewählt ist, daß eine Wandstärkenresonanz zwischen der inneren und äußeren Verrohrungswandung (13, 13′) anzuregen und ein Reflexionssignal in Antwort auf die Schallrücksendungen zu erzeugen ist, das der Wechselwirkung des Schallimpulses mit den verschiedenen Materialien auf dem Wege des Schallimpulses zuzuordnen ist.

35. Vorrichtung nach Anspruch 34, dadurch gekennzeichnet, daß die Wandler (36) in radialem Abstand an der Einrichtung (210) befestigt sind und einen vorbestimmten Abstand zu der Verrohrung aufweisen, wobei Interferenzen von Sekundärausstrahlungen in dem Reflexionssignal zu reduzieren sind.

36. Vorrichtung nach Anspruch 34 oder 35, gekennzeichnet durch Mittel zum Erregen der Wandler (36) und Mittel zum Messen des Zeitraumes zwischen jeder Erregung eines Wandlers und Festellung einer Schallrücksendung, wobei die Position der Wandler relativ zu der Verrohrung zu bestimmen ist.

37. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 34 bis 36, gekennzeichnet durch Mittel zum aufeinanderfolgenden Erregen der Wandler (36), Mittel zum Verstärken der Reflexionssignale von den Wandlern mittels eines gemeinsamen Verstärkers, Mittel zum Erzeugen von Steuersignalen entsprechend der Amplitude der Reflexionssignale von den Wandlern und Mittel zum Einstellen der Verstärkung vom Verstärker mit dem Steuersignal, das jenem Wandler zugeordnet ist, dessen Reflexionssignal verstärkbar ist.

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 Herreflexionen, die zu einem Maximalwert in dem Frequenzbereich des Bereiches (72) beitragen und ein Verrohrungswandstärkensignal erzeugen, das bezüglich der Verrohrungswandstärke im 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 Einrichtungen zum Normieren des Signals für die Zementverbindung mit dem Verrohrungswandstärkensignal zum Ausschalten von Verrohrungswandstärkenänderungen bei der Beurteilung der Qualität der Zementverbindung in dem Radialsegment.

40. Verfahren zum Bestimmen der Wandstärke einer in einem Erdbohrloch einzementierten Verrohrung mittels akustischer Impulse, bei dem ein Reflexionssignal erzeugt wird, das von einem bei einer akustischen Untersuchung der Verrohrung verwendeten, auf ein ausgewähltes Radialsegment der Verrohrung gerichteten Impuls abgeleitet und aus Schallwellen mit Frequenzen gebildet wird, mittels derer eine wandstärkenabhängige Resonanz zwischen den beiden Verrohrungswänden angeregt wird, dadurch gekennzeichnet, daß ein Signal entsprechend dem Frequenzspektrum eines Abschnitts von Hin- und Herreflexionen des des Reflexionssignals erzeugt wird, der im wesentlichen repräsentativ für die akustischen Hin- und Herreflexionen zwischen den Verrohrungswänden des Radialsegments ist, und daß jeweils die Frequenz von Komponenten in dem Spektrumssignal bestimmt wird, die zu einem Maximalwert des Frequenzspektrums beitragen und ein Wandstärkensignal liefern, das repräsentativ ist bezüglich der gemessenen Frequenz und indikativ für die Verrohrungswandstärke im Radialsegment.

41. Verfahren nach Anspruch 40, dadurch gekennzeichnet, daß das Reflexionssignal aus Digitalwerten gebildet wird, wobei ein Spektrumssignal erzeugt wird, das aus Digitalzahlen gebildet wird, die für die Amplituden der zugeordneten Frequenzwerte indikativ sind, und die Amplitudenzahlen bezüglich eines Maximalwertes abgetastet werden und die zugeordnete Frequenz, die dem Maximalwert entspricht, als repräsentativ für die Verrohrungswandstärke ausgewählt wird,

42. Verfahren nach Anspruch 40, dadurch gekennzeichnet, daß der Schallimpuls in einer Frequenzbandbreite verwendet wird, mittels der eine Wandstärkenresonanz der akustischen Hin- und Herreflexionen zwischen den Wänden des Radialsegmentes der Verrohrung angeregt wird, daß jene Schallrücksendungen aufgenommen werden, die von der Wechselwirkung des Schallimpulses mit Materialien im Wege des Schallimpulses herrühren, und ein solches Reflexionssignal erzeugt wird, das indikativ hierfür ist, und daß aus dem Reflexionssignal ein Abschnitt ausgewählt wird, der jene Schallrücksendungen umfaßt, die durch die akustischen Hin- und Herreflexionen zwischen den Wänden der Verrohrung erzeugt werden, wobei das Frequenzspektrum aus dem ausgewählten Teil des Reflexionssignals gebildet wird.

43. Verfahren nach Anspruch 42, dadurch gekennzeichnet, daß beim Bestimmen der Frequenz das Frequenzsprektrum digitalisiert wird, die dabei erhaltenen Digitalwerte abgetastet werden und ein Maximalwert bestimmt wird.

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

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

46. Verfahren nach Anspruch 40, dadurch gekennzeichnet, daß ein stark gedämpfter Schallimpuls zwischen den beiden Wänden der Verrohrung erzeugt wird, wobei der Schallimpuls mit einer Schallfrequenz in einer Bandbreite erzeugt wird, mittels der die Verrohrung zu einer Wandstärkenresonanz mit den akustischen Hin- und Herreflexionen zwischen den Wänden der Verrohrung angeregt wird, daß die Schallrücksendungen von der Wechselwirkung des Schallimpulses mit den Materialien auf dem Weg des Schallimpulses aufgenommen und ein hierfür indikatives Reflexionssignal erzeugt wird, und daß das Reflexionssignal in Digitalwerte umgewandelt und ein Frequenzspektrum von Digitalwerten erzeugt wird, das repräsentativ für die Hin- und Herreflexionen ist, die Digitalwerten folgen, die repräsentativ für eine anfängliche Schallreflexion an der Innenwandung der Verrohrung sind, wobei das Frequenzspektrum aus Amplitudendigitalwerten mit zugeordneten Frequenzwerten besteht.

47. Verfahren nach Anspruch 46, dadurch gekennzeichnet, daß die Absolutwerte der Digitalwerte aufsummiert werden, die repräsentativ für die Hin- und Herreflexionen sind, wobei ein Signal erzeugt wird, 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 Verrohrungsreflexion aufsummiert und ein Quotient zwischen den entsprechenden aufsummierten Werten gebildet wird, wobei ein normiertes Signal für die Zementverbindung geliefert wird.

49. Vorrichtung zum Bestimmen der Wandstärke einer in einem Erdbohrloch einzementierten Verrohrung mittels akustischer Impulse, mit Einrichtungen zur akustischen Untersuchung der Verrohrung mittels eines auf ein ausgewähltes radiales Segment der Verrohrung gerichteten Impulses, der aus Schallwellen mit Frequenzen gebildet ist, mittels derer eine wandstärkenabhängige Resonanz zwischen den beiden Verrohrungswänden anregbar ist, und mit Einrichtungen zum Erfassen eines entsprechenden Reflexionssignals, gekennzeichnet durch zusätzliche Einrichtungen zum Auswählen eines Abschnitts von Hin- und Herreflexionen aus dem Reflexionssignal, der im wesentlichen repräsentativ ist für die akustischen Hin- und Herreflexionen zwischen den beiden Verrohrungswänden, mit Einrichtungen zum Erzeugen eines Spektrumssignals, das repräsentativ für das Frequenzspektrum des Abschnitts der Hin- und Herreflexionen ist, und mit Einrichtungen zum Bestimmen der Frequenz von Komponenten in dem Spektrumssignal, die zu einem Maximalwert des Frequenzspektrums beitragen und ein Wandstärkensignal liefern, das repräsentativ ist für die Wandstärke der Verrohrung im Bereich des Radialsegments.

50. Vorrichtung nach Anspruch 49, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zum Erfassen des Reflexionssignals zur Verarbeitung von Digitalwerten ausgebildet ist und die Einrichtung zum Erzeugen des Spektrums Mittel zum Erzeugen einer Fourier-Transformation von Digitalzahlen entsprechend dem Abschnitt der Hin- und Herreflexionen des Spektrumsignals umfassen.

51. Vorrichtung nach Anspruch 49, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtungen zum Bestimmen des Maximalwertes des Frequenzspektrums 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 Einrichtungen zum Auswählen des Abschnitts der Hin- und Herreflexionen ferner Mittel, die auf das Reflexionssignal zum Bestimmen eines Signals, das repräsentativ für ein anfängliches akustisches Reflexionssignal von der Verrohrung ist, ansprechen, und Mittel aufweisen, die auf das Verrohrungsreflexionssignal zum Auswählen des Abschnitts ansprechen, der der anfänglichen Verrohrungreflexion folgt.

53. Vorrichtung nach Anspruch 49, gekennzeichnet durch Mittel zum Erzeugen eines stark gedämpften Schallimpulses in der Verrohrung, der mit einer Schallwellenfrequenz in einer Bandbreite zu erzeugen ist, mittels der eine Schallresonanz zwischen den Verrohrungswänden mit akustischen Hin- und Herreflexionen anzuregen und ein Reflexionssignal repräsentativ für Schallrücksendungen zu erzeugen ist, die durch den Schallimpuls hervorgerufen sind, und durch Mittel zum Erzeugen von Digitalwerten des Reflexionssignals, wobei die Mittel zum Auswählen des Abschnitts der Hin- und Herreflexionen Mittel zum Auswählen von Digitalwerten entsprechend der Hin- und Herreflexionen aufweisen, die anschließend an Digitalwerten auftreten, die für eine anfängliche Verrohrungsreflexion repräsentativ sind, wobei zusätzliche Einrichtungen zum Erzeugen eines Spektrums der ausgewählten Digitalwerte für die Hin- und Herreflexionen und zum Bilden von Amplitudenwerten mit zugeordneten Frequenzwerten und Mitteln zum Bestimmen eines maximalen Amplitudenwertes und eines zugeordneten Frequenzwertes als Anzeige für die Wandstärke der Verrohrung vorgesehen sind.

54. Vorrichtung nach Anspruch 53, gekennzeichnet durch Mittel zum Aufsummieren der Absolutwerte der ausgewählten Digitalwerte, die für die Hin- und Herreflexionen 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 Verrohrungsreflexion 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 Herreflexionen in der Verrohrungswand als Maß für die Qualität der Verbindung zwischen der Verrohrung und dem Zement sind, und Mittel zum Bilden eines Quotienten zwischen den entsprechenden Summen, die von den Summiermitteln erzeugt sind zur Normierung der Messung der Qualität der Zementverbindung.