DE3106345A1

DE3106345A1 - Verfahren und vorrichtung zur messung der schallfortpflanzungseigenschaften von erdformationen

Info

Publication number: DE3106345A1
Application number: DE19813106345
Authority: DE
Inventors: A. J. 77080 Houston Texas Mallett
Original assignee: Halliburton Co
Current assignee: Halliburton Co
Priority date: 1980-03-13
Filing date: 1981-02-20
Publication date: 1982-02-25
Also published as: NL8100250A; CA1161151A; NO810399L; IT8120040A0; BR8101360A; IT1138970B; AU6824081A; AU540781B2; GB2071847A

Description

(ρ.

PATENTANWÄLTE DipL-Phys. JÜRGEN WEISSE . Dipl-Chem. Dr. RUDOLF WOLGAST

BÖKENBUSCH41 · 0 562OVELBERTII-LANGENBERg Postfach 110386 · Telefon: (02127) 4019 · Telex: 8516895

Patentanmeldung

Halliburton Company, Duncan, Oklahoma, USA

Verfahren und Vorrichtung zur Messung der Schallfortpflanzungseigenschaften von Erdformationen

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Messung der Schallfortpflanzungseigenschaften von Erdformationen nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 sowie eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens.

Die akustische Bohrlochvermessung ist zu einer wichtigen Methode zur Bestimmung der physikalischen Eigenschaften von Erdformationen in der Nähe eines Bohrlochs geworden. Die Messung der Geschwindigkeit der akustischen Kompressionswellen oder der Laufzeit zwischen einem Sender und einem Empfänger in einem Bohrloch kann physikalische Eigenschaften der Erdformationen aufzeigen, die Anzeichen

für die Fähigkeit dieser Formationen, öl oder Gas zu produzieren, darstellen. Beispielsweise liefert eine Messung der Laufzeit oder der Geschwindigkeit der Kompressionswelle ein direktes Anzeichen für die Porosität der Formation in der Nähe des Bohrlochs. Solche akustischen Geschwindigkeits- oder Laufzeitmessungen sind daher praktisch Standard für alle neuen Bohrlöcher, die gebohrt werden.

Es sind Bohrlochvermessungstechniken bekannt, die mit akustischen Impulsen arbeiten, um die Laufzeit oder Geschwindigkeit von Schallwellen in der Erdformationen in der Nähe eines Bohrloches zu messen. Solche bekannten Verfahren verwenden üblicherweise impulsgetriebene Schallsender. Ein Schallsender wird impulsartig angestoßen, und die Zeitspanne, die der durch den Schallsender erzeugte Schallwellenimpuls benötigt, um sich von dem Sender durch die Erdformationen in der Nähe des Bohrlochs und zurück zu einem Schallempfänger fortzupflanzen, der im Abstand von dem Sender angeordnet ist, wird gemessen. Durch geeignete Kombination der Messungen der Laufzeit von Schallwellen an verschiedenen Schallempfängern, die in unterschiedlichen Abständen entweder von einem einzigen oder von mehrexen Schallsendern angeordnet sind, kann dann die Laufzeit der Schallwelle c oder die Fortpflanzungsgeschwindigkeit der Kompressionswelle in der Erdformation bestimmt werden. Es sind auch ziemlich komplizierte Schhemata und geometrische Betrachtungen entwickelt worden, um den Einfluß des Bohrloches und der Bohrlochflüssigkeiten auf die Messung der Laufzeit zu eliminieren.

In den letzten Jahren ist der Wunsch aufgetreten, die Laufzeiten anderer Schallfortpflanzungsarten als nur der Kompressionswellen zu messen. Beispielsweise werden in ι der US-PS 4 131 875 Techniken zur Messung der sogenannten "late arrival" - oder Stonly-Wellen beschrieben. Die

US-PS 3 354 983 beschreibt Techniken zur Messung der Geschwindigkeiten akustischer Scherwellen. Bei allen diesen Techniken wird durch den Sender ein Schallimpuls erzeugt, und es wird der Signalverlauf des akustischen Signals an einem oder mehreren Empfängern analysiert, um die Geschwindigkeit von Kompressions-, Scher- oder Stonly-Wellen in der Nähe des Bohrlochs zu bestimmen.

Die mit Schallimpulsen arbeitende Technik beruht darauf, daß die Ankunft von Schallwellen an einem Empfänger durch deren Amplitude festgestellt wird. Solche Techniken sind Fehlern ausgesetzt, die durch statistisch verteilte Geräusche hervorgerufen werden, wie sie auftreten, wenn das Bohrlochvermessungsgerät durch das Bohrloch bewegt wird. Solche Geräusche können dadurch hervorgerufen werden, daß das Gerätegehäuse oder an dem Gerätegehäuse angebrachte Zentrierglieder an der Wand des Bohrlochs entlangkratzen, wenn das Gerät durch dieses hindurchbewegt wird.

Außerdem hängen die mit Schallimpulsen arbeitenden Techniken, die gepulst angesteuerte Schallsender zur Messung von Scherwellen .oder Stonly-Wellen verwenden, von einer komplizierten Interpretation des Signalverlaufs der. ankommenden Welle am Empfänger ab. Solche Interpretationen beruhen im allgemeinen auf theoretischen Rechnungen, die mit vereinfachten mathematischen Modellen der Erdformationen in der Nähe des Bohrloches durchgeführt wurden. Wenn das vereinfachte mathematische Modell sich als fehlerhaft erweist, dann kann die Interpretation des an dem Empfänger ankommenden SignalVerlaufs fehlerhaft sein. Die Beziehung dieses SignalVerlaufs zu komplizierten, tatsächlichen Geometrien und Bedingungen, als sie in dem Modell berücksichtigt sind, können zu falschen

Interpretationen des Signalverlaufs des ankommenden Schallsignals führen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde ein Verfahren zur Messung der Laufzeit verschiedener Komponenten von Schallwellen (Kompressions- oder Primärwellen, Scherwellen, Rayleigh-oder Pseudo-Rayleigh-, direkten (Flüssigkeits-) Wellen, Dehnungs-, Stonly-Wellen) in Erdformationen in der Nähe eines Bohrlochs zu schaffen, das nicht auf einer theoretischen Interpretation eines ankommenden Schallimpuls-Signalverlaufs auf Grund eines Modells beruht.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die im Kennzeichen des Patentanspruchs 1 angegebenen Verfahrensschritte gelöst.

Durch die Erfindung wird eine direkte Messung der Laufzeit verschiedener Komponenten von Schallwellen von einem Sender zu einem Empfänger in Erdformationen in der Nähe eines Bohrlochs ermöglicht.

Weitere Ausgestaltungen des Erfindungsgemäßen Verfahrens sind Gegenstand der Unteransprüche 2 bis 6. Eine Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens ist Gegenstand des Patentanspruchs 7. Ausgestaltungen dieser Einrichtung sind Gegenstand der Unteransprüche 8 bis 16.

Nach der Erfindung wird ein Gerät zur Vermessung eines . Bohrlochs mit einem Schallsender und wenigstens einem Schallempfänger vorgesehen, der in Längsrichtung gegenüber dem Schallsender versetzt ist. Gegebenenfalls können mehrere Sender und Empfänger benutzt werden. Das Ausgangssignal des Schallsenders wird wiederholt in einem vorgegebenen Frequenzbereich frequenzmoduliert. Der frequenzmodulierte Ausgang des Senders pflanzt sich in den verschiedenen Schallfortpflanzungsarten durch die Erdformationen und das Bohrloch hindurch fort und wird an dem im Abstand von dem Schallsender angeordneten Empfänger aufgefangen. Es wird zu Beginn jedes der sich wiederholenden Zyklen der Frequenzmodulation des Senders

in seinem vorgegebenen Frequenzbereich ein Synchronisationssignal erzeugt. Das Synchronisationssignal und das vom Empfänger erhaltene Signal werden über Leitungen des Bohrlochvermessungskabels zur Erdoberfläche übertragen. An der Erdoberfläche wird das erhaltene Signal aus der analogen in digitale Form umgesetzt und in einem Speicher gespeichert. Das Frequenzmodulationssignal des Senders wird in digitaler Form in einem an der Erdoberfläche angeordneten Frequenzmodulationssignal-Speicher gespeichert.

Ί0 Nach Beendigung des Frequenzmodulationszyklus des Senders und Empfang, Digitalisieren und Speichern des empfangenen Signals während einer vorgegebenen Zeitspanne wird eine Kreuzkorrelation des Frequenzmodulationssignals des Senders mit dem empfangenen Signal vorgenommen. Wegen

■)5 des charakteristischen Frequenzmodulationsmusters, daß dem Sendersignal erteilt wird, werden durch die Kreuzkorrelation Anzeigen für die Ankunft der verschiedenen Schallfortpflanzungsarten am Empfänger erhalten. Die Zeitdifferenzen zwischen dem Synchronisationsimpuls und der Ankunft der verschiedenen Schallfortpflanzungsarten am Empfänger kann dann als Laufzeit der verschiedenen Schallfortpflanzungsarten interpretiert werden. Diese Signale können dann als Funktion der Tiefe im Bohrloch aufgezeichnet werden, wenn-das Bohrlochvermessungsgerät durch das Bohrloch bewegt wird. Der gesamte Vorgang der Frequenzmodulation, der Aussendung und des Empfangs der so modulierten Schallwelle wird wiederholt während solch einer Bewegung des Geräts im Bohrloch durchgeführt.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist nachstehend unter Bezugnahme auf die zugehörigen Zeichnungen näher erläutert:

Fig. 1 ist ein Blockdiagramm und zeigt schematisch eine Einrichtung zur Bohrlochver

messung.

\ Fig. 2 ist ein schematisches Diagramm und zeigt

einen Schallwellenverlauf, wie er von einem gepulsten Schallsender nach dem Stand der Technik an einem im Abstand davon angeordneten Empfänger aufgefangen

wird.

Fig. 3 ist eine grafische Darstellung und

zeigt einen typischen Signalverlauf mit Frequenzmodulation, wie er auf den Wandler

des Schallsenders geschaltet wird.

Fig. 4 ist eine grafische Darstellung und zeigt ein frequenzmoduliertes Signal, wie es auf den Schallsender aufgeschaltet wird, ein

Signal, welches an dem Schallempfänger ankommt und. das Ergebnis einer Kreuzkorrelation zwischen dem frequenzmodulierten Sendersignal und dem Empfängersignal.

Fig. 5 zeigt schematisch das Ergebnis einer Bohrlochvermessung, nämlich die Schallgeschwindigkeit der Kompressionswelle und den Korrelator-Ausgang als Funktion der Tiefe im Bohrloch, woraus die Ankunft der Kom

pressionswellen und der Scherwellen ersichtlich ist.

Figur 1 zeigt eine Einrichtung zur Erzeugung und zum Empfangen von Schallsignalen und zum Vermessen eines Bohrlochs.. Ein Bohrloch 10 durchdringt Erdformationen 15 und ist mit einer Bohrlochflüssigkeit 12 gefüllt. Eine Bohrlochvermessungssonde 11 ist über ein Vermessungskabel 13 im Bohrloch aufgehängt. Das Vermessungskabel 13 läuft über eine Umlenkrolle 14 in das Bohrloch 10. Die Umlenkrolle 14 ist elektrisch und mechanisch mit einem Bohrlochvermessungsschreiber 28 üblicher Bauart verbunden,

wie durch die gestrichelte Linie dargestellt ist, so daß Messungen, die von der Bohrlochvermessungssonde 11 i unten im Bohrloch gemacht werden, als Funktion der Tiefe im Bohrloch aufgezeichnet werden können. Die Bohrlochvermessungssonde 11 enthält einen druckmitteldichten Hohlkörper, der so bemessen und ausgebildet ist, daß er durch ein Bohrloch hindurchtreten kann. Innerhalb der Bohrlochvermessungssonde sitzt ein Schallsender 32 und ein Schallempfänger 33. Die Schaltung zum Ansteuern des Schallsenders 32 enthält einen Speicher 29 für das Frequenzmodulationssignal, der von einem Festwertspeicher (ROM) oder dergleichen gebildet sein kann, einen Digital-Analog-Wandler 30 und ein Filter 31. Der Schallempfänger 33 ist in Längsrichtung gegen den Schallsender 32 versetzt angeordnet. Üblicherweise beträgt der Abstand zwischen Schallsender und Schallempfänger 1 bis 4 Meter. Der Schallsender 32 und.der Schallempfänger 33 sind durch schallwiderstandsangepasstes Material wie öl oder (nicht dargestellte) ölgefüllte Balgen od. dergl. akustisch mit dem Bohrloch in bekannter Weise gekoppelt. Der Schallsender und der Schallempfänger können je zwei elektrische Wandler enthalten. Der Schallsender und der Schallempfänger sind so bemessen und angeordnet, daß sie ein lineares oder "flaches" Ansprechverhalten in dem verwendeten Frequenzbereich besitzen.

Obwohl nur ein Schallsender und ein Schallempfänger in der Einrichtung von Figur 1 dargestellt sind, versteht es sich für den Fachmann von selbst, daß die Anzahl der Schallempfänger und ebenso die Anzahl der Schallsender gegebenenfalls variiert werden können. In einem solchen Fall sollten für die verschiedenen Schallsender unterschiedliche Frequenzmodulationsmuster benutzt werden, um die von ihnen ausgesandten Schallwellen gegenüber den Schallwellen der jeweils anderen, in dem Bohrlochvermessungsgerät benutzten Schallsender zu charakterisieren.

Der Frequenzmodulationssignal-Speicher 29 enthält Digitalzahlen, die der Amplitude des Frequenzmodulationsmusters entsprechen und dem Schallsender 32 als Funktion der Zeit in vorgegebenen AbrufIntervallen zugeführt werden. Beispielsweise könnte ein typisches Frequenzmodulationsmuster durch die Gleichung

10 f (t)

= sin [^₁ + ( 2 1) t] t (1)

t=T ^2L

dargestellt sein. Gleichung 1 stellt eine Sinusschwingung dar, deren Frequenz linear von*., im Zeitpunkt T.. bis *₂ bei T- veränderlich ist. Die Amplituten eines solchen Frequenzmodulationsmusters können von einem Rechner als Funktion der Zeit erzeugt werden, und die Ergebnisse können dann in einem Festwertspeicher oder ROM zur anschließenden Verwendung in dem Gerät gespeichert werden.

Digitalsignale von dem Frequenzmodulationssignal-Speicher 29 werden nacheinander ausgelesen und durch einen Digital-Analog-Wandler 30 in-analoge,Signale umgewandelte -Der Ausgang des Digital-Analog-Wandlers 30 wird durch ein Tiefpassfilter 31 gefiltert, um die durch den Digital-Analog-Wandler von einem Signalabruf zum Nächsten hervorgerufenen Stufen zu glätten (das heißt hochfrequente Komponenten zu beseitigen), und die Ausgangsspannungssignale des Filters 31 treiben den Schallsender.

Ein typisches Frequenzmodulationsmuster wie es durch Gleichung 1 dargestellt ist, ist in Figur 3 gezeigt. Zu Beginn eines Frequenzmodulationszyklus wird ein Synchronisationsimpuls erzeugt, der in Figur 4 mit "sync pulse"

bezeichnet ist. Ein frequenzmoduliertes Schallsignal mit einer linear ansteigenden Frequenz, das etwa 0,1 Millisekunden nach dem Synchronisationsimpuls beginnt, ist dargestellt. Die Frequenz des Schallsender-Treibersignals steigt an, bis zu einem Zeitpunkt etwa 5 Millisekunden nach dem Synchronisationsimpuls und erzeugt somit ein frequenzmoduliertes Schallsignal von ungefähr konstanter Amplitude und linear von beispielsweise 2 bis 12 Kilohertz veränderlicher Frequenz, das eine Dauer von ungefähr 4 Millisekunden hat. Es könnten gegebenenfalls auch eine andere Dauer des Signals und andere Frequenzbereiche verwendet werden.

Die von dem Schallempfänger 33 aufgefangenen Schallsignale werden durch ein Bandpassfilter 34 gefiltert, um alle Rauschsignale zu entfernen, die weit von dem Band des ursprünglichen frequenzmodulierten Signals entfernt sind. Nach dem Filtern werden die Signale durch einen Verstärker 35 verstärkt und auf ein Telemetriesystem 36 gegeben, welches den aufgefangenen Schallsignalverlauf über Leitungen des Bohrlochvermessungskabels 13 zur Erdoberfläche überträgt. Der Zeitablauf für das frequenzmodulierte Signal des Schallsenders und den Synchronisationsimpuls wird durch das Telemetriesystem 36 gesteuert, welches einen Taktgeber mit -genauer Frequenz,-beispielsweise einen kristallgesteuerten Oszilator, enthält. Der in Figur 3 dargestellte Synchronisationsimpuls wird auf die Erdoberfläche übertragen, so daß die an der Erdoberfläche angeordnete Elektronik jedesmal genau mit dem

Beginn des Frequenzmodulationszyklus des Schallsenders synchronisiert werden kann. Bei einer Dauer des Frequenzmodulationszyklus von 4 Millisekunden und einer Aufzeichnungszeit des Schallempfängers von ungefähr 10 Millisekunden, wie in Figur 4 dargestellt ist, kann der gesam-

*" te Zyklus von Frequenzmodulation des Schallsenders und Auffangen der Signale durch den Schallempfänger, die zur

κ-

Erdoberfläche übertragen werden, mit einer Wiederholungsrate von 10 bis 20 Hertz wiederholt werden. Es ist dem Fachmann verständlich, daß die Dauer des Auffangens der Signale durch den Empfänger und die Übertragung der empfangenen Signale eine Funktion des Abstands zwischen Schallsender und Schallempfänger ist. Bei typischen Abständen in der Größenordnung von 1 bis 1 /2 Metern ist der Ubertragungszyklus für das aufgefangene Signal von 10 Millisekunden, wie er in Figur 4 dargestellt ist, gerade richtig.

An der Erdoberfläche spricht eine Synchronisationsdetektor- und Zeitgeberschaltung 18 auf den Synchronisationsimpuls an und gibt Ausgangssignale auf einen Analog-Digital-Wandler 21, einen Signalspeicher 22, einen Korrelatorspeicher 24 und einen Frequenzmodulationssignal-Speicher 19. Das Empfängersignal von dem Telemetriesystem im Bohrloch wird in einem Verstärker 20 verstärkt und durch den Analog-Digital-Wandler 21 in digitale Form umgesetzt. Der Analog-Digital-Wandler wird zeitgesteuert durch das Signal von der Synchronisationsdetektor- und Zeitgeberschaltung 18. Die digitale Form des aufgefangenen Signals wird dann in einem Signalspeicher 22 gespeichert. Zu geeigneter Zeit, die eine Digitalisierung des-vollständigen Signalverlaufs des Schallsendersignals und dessen Speicherung in dem Signalspeicher 22 gestattet, liefert die Synchronisationsdetektor- und Zeitgeberschaltung 18 einen Ausgangssignalimpuls an den Frequenzmodulationssignal-Speicher 19 und an den Signalspeicher 22,

3D was die Eingabe dieser beiden Signale in digitaler Form in einen Korrelator 23 bewirkt.

Der Korrelator 23 bildet eine Kreuzkorrelation der beiden Eingangssignale, die durch die Gleichung

K=N
$xy (τ ) = Z (X ) (Y +χ) (2)

K=N ^{K K}

definiert ist. In Gleichung (2) sind X_k und Y_k diskrete Funktion in der Zeit. Dementsprechend ist auch die Kreuzkorrelationsfunktion Φ eine diskrete Funktion der Zeit. Wenn X. und Y. je N Punkte enthalten und die Verschleiß bung τ gleich dem Abfrageintervall X, und Y, ist, dann ist die Gesamtzahl der durch den Korrelator 23 gelieferten Punkte 2N1. Die Anzahl der durch die Kreuzkorrelation bei

2 beispielsweise N Punkten gebildeten Produkte ist N .

IQ Der digitale Ausgang des Korrelators 23 wird einem Korrelatorspeicher 24 zugeführt, der ebenfalls Zeitgeberimpulse von der Synchronisationsdetektor- und Zeitgeberschaltung 18 erhält, wie oben beschrieben. Der digitale Ausgang des Korrelatorspeichers wird nach Erhalt eines geeigneten Zeitgeberimpulses von der Synchronisationsdetektor- und Zeitgeberschaltung 18 einem Digital-Analog-Wandler 25 zugeführt, wo er zur Anzeige, wie in Figur 5 dargestellt, weder in Analoge Form überführt wird. Der Ausgang des Digital-Analog-Wandlers 25 wird dann über ein Bandpassfilter 27 gefiltert und dem Schreiber 28 zur Aufzeichnung zugeführt, wie sie in der rechten Hälfte der in Figur 5 dargestellten Bohrlochvermessung als Funktion der Tiefe gezeigt wird.

-Der Ausgang des Korrelatorspeiehers-24-wird auch einem ^: Laufzeitrechner 26 zugeführt, welcher-die Laufzeit von dem Schallsender zu dem Schallempfänger für die Ankunft ausgewählter Wellen am Schallempfänger berechnet, beispielsweise die Laufzeit der Kompressionswelle und die Laufzeit der Scherwelle. Die Laufzeit der Kompressionswelle oder die Laufzeit der Scherwelle wird dann dem Schreiber 28 zur Aufzeichnung als Funktion der Tiefe im Bohrloch zugeführt, die in der linken Hälfte der Bohrlochvermessung von Figur 5 dargestellt ist.

In Figur 4 sind das Frequenzmodulationssignal, das durch die überlagerung der verschiedenen Wellen sich ergebende

Signal des Schallempfängers und die Kreuzkorrelation des Frequenzmodulationssignals und des Signals des Schallempfängers als Funktion der Zeit dargestellt. Man sieht, daß die gebildetet Kreuzkorrelation Spitzen zeigt, die als Ankunft der Kompressionswelle, der Scherwelle, der direkten Welle und der Stonly-Welle gedeutet werden können. Die Laufzeiten für diese verschiedenen Schallfortpflanzungsarten können somit durch den Laufzeitrechner berechnet werden, indem diese Ankunftzeiten mit dem Synchronisationsimpuls verglichen und die Zeitdifferenzen von diesem zu den Ankunftszeiten bestimmt werden.

Die Stromversorgung für den Betrieb der Elektronik im Bohrloch sowie der Elektronik der Erdoberfläche kann von einer an der Erdoberfläche angeordneten Stromversorgung 17 über Leitungen des Bohrlochvermessungskabels erfolgen. In der Sonde 1.1 int Bohrloch können geeignete (nicht dargestellte) Leistungswandler vorgesehen sein, um die Betriebsspannungen für die elektronischen Systeme im Bohrloch in bekannter Weise zu erzeugen.

In Figur 2 ist der Verlauf einer Schallwelle von einem gepulsten Schallsender dargestellt, wie er nach dem Stand der Technik benutzt wird. Der typische Verlauf rder Schallwelle kann durch die Fortpflanzungsgeschwindigkeiten der verschiedenen Schallfortpflanzungsarten im Bohrloch gedeutet werden. So wird die als erste erscheinende Welle als von der Kompressionswelle herrührend gedeutet, die

sich gewöhnlich schneller durch die Erdformationen in der on
^ÖW Nähe des Bohrlochs fortpflanzt. Später treten Spitzen auf, die als die Scherwelle, die Flüssigkeitswelle und die Stonly-Welle der Schallfortpflanzungsarten gedeutet werden können. Je nach dem Abstand zwischen Schallsender und Schallempfänger und dem Grad der Reflektion» die innerhalb des Bohrloches auftritt, können Interferenzen zwischen den verschiedenen Schallfortpflanzungsarten

bei den bekannten, mit Schallimpulsen arbeitenden Laufzeitmessungen auftreten. Durch Verwendung eines einzigartigen oder charakteristischen Frequenzmodulation musters und durch Korrelation dieses Signals mit dem gesamten Schallwellenzug, der an dem Schallempfänger aufgefangen wird, können leichter identifizierbare Ausgangsimpülse an dem Korrelator erzeugt werden, wie in Figur 4 dargestellt ist, um die verschiedenen Ankunftszeiten der Schallfortpflanzungsarten besser unterscheiden zu können als bei den bekannten Einrichtungen. Somit werden durch die beschriebene Anordnung verbesserte Messungen der Laufzeit von Kompressions-, Scher-, Stonly-Schallwellen und anderen Schallfortpflanzungsarten ermöglicht, die im Gegensatz zum Stand der Technik eine eindeutige Interpretation gestatten.

Der Schallsender und der Schallempfänger können auf (nicht dargestellten) Andruckarmen angebracht und gegen die Wandung des Bohrlochs angedrückt werden, statt das sie in der Sonde untergebracht sind, wie in Figur 1 dargestellt ist. In ähnlicher Weise könnte ein (nicht dargestellter) Abstützarm verwendet werden, um das Gehäuse der Sonde von Figur 1 gegen eine Wandung des Bohrlochs anzudrücken. Wegen der statistischen Natur der Kreuzkorrela-

tion bei der Ermittlung der aufgefangenen Signale des Schallempfängers wird ein sogenannter "road noise", das heißt Geräusche, die durch die Bewegung des Bohrlochvermessungsgeräts durch das Bohrloch hervorgerufen werden,

gering gehalten.
30

Claims

J/

Patentansprüche

Verfahren zur Messung der Schallfortpflanzungseigenschaften von Erdformationen, die von einem Bohrloch durchsetzt sind, bei welchem Schallwellen an einer Stelle ausgesandt und an einer davon
entfernten Stelle aufgefangen werden, dadurch
gekennzeichnet, daß

Ca) in dem Bohrloch (10) Schallwellen erzeugt
werden mit einem charakteristischen
Frequenzmodulationsmuster, bei welchem sich - die Frequenz in einem Bereich von einer

untersten Frequenz zur einer höchsten Frequenz ändert,

(b) an einer Stelle ;^33) des Bohrlochs (10), die gegenüber derjenigen Stelle (32), an.welcher

die Schallwellen erzeugt werden, in Längsrichtung versetzt ist, Schallwellen aufgefangen werden, die sich durch das Bohrloch (10) und Erdformationen (15) in der Nähe

des Bohrlochs (10) fortgepflanzt haben, und

diese Schallwellen in entsprechende elektrische Signale umgesetzt werden,

(c) diese elektrischen Signale und das charakteristische Frequenzmodulationsmuster miteinander korreliert werden, so daß Korrelations-Ausgangssignale erhalten werden nach Maßgabe der Ankunft der verschiedenen Schall-

] fortpflanzungsarten an der Auffangstelle (33)

nach Durchgang durch die Erdformationen (15) und das Bohrloch (10), und

(d) aus diesen Korrelations-Ausgangssignalen,

Anzeigen der Fortpflanzungsgeschwindigkeiten der verschiedenen Schallfortpflanzungsarten im Bohrloch und in den Erdformationen in der Nähe desselben abgeleitet werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

daß die Verfahrensschritte (a) bis (d) wiederholt in verschiedenen Tiefen des Bohrlochs (10) durchgeführt und die Anzeigen der Fortpflanzungsgeschwindigkeit als Funktion der Bohrlochtiefe aufgezeichnet werden.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Korrelations-Ausgangssignale als Funktion der Bohrlochtiefe aufgezeichnet werden.
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Korrelation der den empfangenen Schallwellen entsprechenden elektrischen Signale und des charakteristischen Frequenzmodulationsmusters digital erfolgt, indem die.JSignale digitalisiert werden und digital eine Kreuzkorrelation der Signale zur Erzeugung digitaler Korrelations-Ausgangssignale gebildet wird.
5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das charakteristische Frequenzmodulationsmuster eine annähernd linear als Funktion der Zeit veränderliche Frequenz liefert.
] 6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenz sich linear von ungefähr zwei Kilohertz bis ungefähr 12 Kilohertz ändert.
7. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch

(a) einen druckmitteldichten Hohlkörper (11), der so bemessen und ausgebildet ist, daß

]0 er durch ein Bohrloch (10) hindurchtreten

kann,

(b) Mittel (32) zum wiederholten Erzeugen von Schallwellen mit einem charakteristischen Frequenzmodulationsmuster, bei welchem sich

die Frequenz in einem Bereich von einer untersten Frequenz zu einer höchsten Frequenz ändert,

(c) in Längsrichtung gegen die schallwellenerzeugen den Mittel (32) versetzte Mittel (33) zum Auffangen der Schallwellen, die von den schallwellenerzeugenden Mitteln (32) ausgehen und sich durch das Bohrloch (10) und Erdformationen

(15) in der Nähe des Bohrlochs iorpflanzen,

und zur Erzeugung entsprechender Signale,

(d) Mittel zum Korrelieren des charakteristischen Frequenzmodulationsmusters und der den aufgefangenen Schallwellen entsprechenden Signal,

so daß Korrelations-Ausgangssignale gewonnen werden, welche ein Maß für die Ankunft der verschiedenen Schallfortpflanzungsarten an den schallwellenauffangenden Mitteln (33) nach Durchgang durch das Bohrloch (10) und die Erd

formationen (15) in der Nähe des Bohrlochs liefern, und

(e) Mittel (26), die von den Korrelations-Ausgangssignalen beaufschlagt sind, zur Erzeugung von Meßwerten für die Fortpflanzungsgeschwindigkeit der verschiedenen Schallfortpflanzungsarten.
8. Einrichtung nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch Mittel zum Aufzeichnen der Fortpflanzungsgeschwindigkeit der verschiedenen Schallfortpflanzungsarten als Funktion der Tiefe im Bohrloch.
9. Einrichtung nach Anspruch 8, gekennzeichnet durch Mittel zum Aufzeichnen der Korrelations-Ausgangssignale als Funktion der Tiefe im Bohrloch.
10. Einrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zum.Korrelieren des charakteristischen Frequenzmodulationsmusters und der den aufgefangenen ^Schallwellen entsprechenden Signale

(a) Mittel (29,21) zum Digitalisieren des charakteristischen Frequenzmodulationsmusters und der den aufgefangenen=Schallwellen entsprechenden Signale aufweist sowie

(b) Mittel (23) zur digitalen Bildung einer Kreuzkorrelation der digitalisierten Signale.
11. Einrichtung nach Anspruch 10, gekennzeichnet durch Speichermittel (19,22) zum Speichern des digitalisierten, charakteristischen Frequenzmodulationsmusters und der digitalisierten, den aufgefangenen Schallwellen entsprechenden Signale vor dem Eingeben dieser Signale in die Mittel (23) zur digi-

"" talen Bildung einer Kreuzkorrelation der digitalisierten Signale.

ys-
12. Einrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die schallwellenerzeugenden Mittel (32) und die schallwellenauffangenden Mittel (33) im Abstand von einem bis mehreren Metern voneinander angeordnet sind.
13. Einrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die schallwellenerzeugenden Mittel (32) und die schallwellenauffangenden Mittel (33) in einem Abstand zwischen einem und vier Metern voneinander angeordnet sind.
14. Einrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die schallwellenerzeugenden..Mittel (32) zur Erzeugung von Schallwellen mit einem charakteristischen Frequenzmodulationsmuster eingerichtet sind, das eine annähernd linear als Funktion der Zeit veränderliche Frequenz liefert.
15. Einrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß das charakteristische Frequenzmodulationsmuster eine im wesentlichen linear als Funktion der Zeit zwischen ungefähr zwei Kilohertz und ungefähr zwölf Kilohertz veränderliche Frequenz liefert.
16. Einrichtung nach -Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Dauer des charakteristischen Frequenzmodulationsmusters ungefähr vcher Millisekunden beträgt.