DE3106345A1 - Verfahren und vorrichtung zur messung der schallfortpflanzungseigenschaften von erdformationen - Google Patents
Verfahren und vorrichtung zur messung der schallfortpflanzungseigenschaften von erdformationenInfo
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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)
$xy (τ ) = Z (X ) (Y +χ) (2)
K=N K K
definiert ist. In Gleichung (2) sind Xk und Yk 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
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
30
Claims (16)
- J/PatentansprücheVerfahren 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, daßCa) in dem Bohrloch (10) Schallwellen erzeugt
werden mit einem charakteristischen
Frequenzmodulationsmuster, bei welchem sich - die Frequenz in einem Bereich von eineruntersten Frequenz zur einer höchsten Frequenz ändert,(b) an einer Stelle ;^33) des Bohrlochs (10), die gegenüber derjenigen Stelle (32), an.welcherdie Schallwellen erzeugt werden, in Längsrichtung versetzt ist, Schallwellen aufgefangen werden, die sich durch das Bohrloch (10) und Erdformationen (15) in der Nähedes Bohrlochs (10) fortgepflanzt haben, unddiese 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) hindurchtretenkann,(b) Mittel (32) zum wiederholten Erzeugen von Schallwellen mit einem charakteristischen Frequenzmodulationsmuster, bei welchem sichdie 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 Erdformationen (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.
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