DE3511917A1

DE3511917A1 - Akustische durchmesser-vermessungsvorrichtung

Info

Publication number: DE3511917A1
Application number: DE19853511917
Authority: DE
Inventors: James R. Spring Tex. Birchak; Paul F. Rodney
Original assignee: NL Industries Inc
Current assignee: NL Industries Inc
Priority date: 1984-03-30
Filing date: 1985-04-01
Publication date: 1985-10-10
Also published as: GB8504673D0; GB2156984B; JPS60219580A; NO851153L; FR2562152A1; GB2156984A; US4665511A; AU4046685A; NL8500951A; BR8501428A

Description

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Beschreibung

Die Erfindung betrifft eine akustische Vermessungsvorrichtung zum reflektiven Messen innerhalb eines Bohrloches und insbesondere ein Meßinstrument zur Erfassung des Bohrlochdurchmessers während des Bohrens unter Verwendung von Schallimpulsen, die innerhalb eines Bohrloches übertragen werden.

Es wird seit langem von der ölfördernden Industrie anerkannt, daß das Sammeln von Bohrlochdaten während des Bohrvorgangs von größtem Wert ist. Derartige Information verbessert den Wirkungsgrad während des Bohrvorgangs durch Gewinnung von kritischen, die Bedingungen im Bereich des Bohrlochbodens betreffenden Daten. Beispielsweise ist es wünschenswert, daß eine fortlaufende Aufzeichnung der Bohrlochabmessungen ermittelt wird, so daß Veränderungen des Bohrlochdurchmessers als Funktion der Bohrlochtiefe zur Analyse in Verbindung mit dem Betrieb von Ölquellen u. dgl. aufgezeichnet werden können.

Akustische Quellenvermessung wixd auch in geophysikalischen und seismologischen Bereichen angewandt, um Vermessungsdaten über die unterschiedlichen Formationen zu gewinnen, die vom Bohrloch durchsetzt werden. Insbesondere ermöglichen akustische Geschwindigkeitsmessungen wertvolle Information über die Gesteinssorten und deren Porosität im Umgebungsbereich des Bohrloches. Der am häufigsten vermessene akustische Parameter auf dem Gebiet der Quellenvermessung war die Geschwindigkeit von Kompressionswellen. Die Geschwindigkeit von Scherungswellen sowie akustische Impedanzmessungen

haben sich ebenfalls als wertvoll bei der Ermittlung der Gesteinsformations-Characteristika und der Flüssigkeit enthaltenden Umgebung herausgestellt.

Eine Vielzahl von akustischen Vermessungssystemen für Bohrlochmessungen ist in . der Technik bekannt. Einer der sehr kritisch zu wertenden Meßparameter derartiger akustischer Vermessungssysteme ist die Schallgeschwindigkeit in der Flüssigkeit, durch die der Schallimpuls übertragen wird. Ein hoher Auflösungsgrad bei der Interpretation von Impulsdaten wird nur dann erreicht, wenn eine genaue Kenntnis der Schallgeschwindigkeit in dem Meßmedium vorliegt. Darüber hinaus ist ein hoher Auflösungsgrad für die genaue Identifizierung unterschiedlicher Schichtformationen sowie anderer kritischer Bohrlochparameter notwendig. Viele bekannte Versuche zur Schaffung genau arbeitender akustischer Meßinstrumente sind auf schwierige Probleme betreffend die Verhältnisse im Bohrlochbodenbereich gestoßen. Beispielsweise erfordert der Bohr-

?fi Vorgang den Fluß von Bohrschlamm unter hohem Druck, der durch eine Zentralbohrung im Bohrgestänge nach unten gepumpt wird, durch Öffnungen im Bohrmeißel nach außen tritt und durch einen ringförmigen Spalt zur Erdoberfläche zurückkehrt, der zwischen dem Bohrgestänge und den Bohrlochseitenwandungen gebildet wird. Der Bohrschlamm entfernt vom Meißel abgetragene Erdabschnitte u. dgl. und kann über die Gesteinsformation selbst eine Menge Informationen liefern. Ein solches Flüssigkeitssystem enthält große Unterschiede betreffend die Bohr- 0 schlammdichte und den Bohrschlammcharacter sowohl entlang der Bohrlochachse als auch in einer Richtung quer zum Bohrlochringbereich. Beispielsweise wirkt sich in der Bohrflüssigkeit eingeschlossenes Gas direkt auf die

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Schallgeschwindigkeit in der Flüssigkeit aus, die Anwesenheit von Gas variiert sowohl lageabhängig als auch abhängig vom·Druck innerhalb des Bohrloches.

Ein Verfahren nach dem Stand der Technik zur Ermittlung der Schallgeschwindigkeit beinhaltet das Sammeln von Bohrschlamm an der oberen Bohrlochmündung zum Zwecke der Vermessung. Indessen, eine derartige Messung ist nicht geeignet, die sich ändernden Bedingungen des BohrSchlammes im Bohrlochbodenbereich widerzuspiegeln, wo die akustischen Messungen tatsächlich durchgeführt werden. Bohrloch-Schallimpuls-Daten werden i. d. R. durch sog. akustische Übertrager erzeugt, die innerhalb der Seitenwandungen einer Bauteilgruppe angeordnet sind, die über einem arbeitenden Bohrmeißel innerhalb des Bohrloches befestigt ist. Die Schallimpulse werden von der Bauteilgruppe zu den Seitenwandungen des Bohrloches durch die Bohrflüssigkeit übertragen und die Reflektionszeit der Impulse meßtechnisch erfaßt. Die Anwesenheit von Gas- oder Gesteinsabschnitten innerhalb der Flüssigkeit sowie Bohrlochdrücke und Turbulenzen haben demzufolge einen direkten Einfluß auf die Schallgeschwindigkeit und die Reflektivitätsmessungen.
Allein, . der bequemste Ort zur Messung der Schallgeschwindigkeit befindet sich im Bereich der Bohrlochmündung j._n dem passiven Bolirlcch-Flüssigkeitssaimiler, wo die dynamischen turbulenten Bohrlochbedingungen nicht vorliegen. Zusätzlich läßt man den Bohrschlamm sich setzen und/o.der führt ihn durch eine Entgasungseinheit vor seiner Sammlung und Wiederverwendung, wenn er aus dem Bohrloch zurückgekommen ist. Dieser Schritt verändert auf drastische Weise die Schallgeschwindigkeitsparameter des Bohrschlamms gegenüber seinem begasten und

turbulenten Zustand im Bohrloch und führt somit zu Ungenauigkeiten bei der Interpretation der Bohrloch-Schal 1-Reflektivitatsmessungen.

Eine Methode nach dem Stand der Technik zur Überwindung der Probleme betreffend die ungenaue Datensammlung bei während des Bohrvorgangs gemessenen Verhältnissen ist die Aufzeichnung von akustischen Bohrlochmessungen mittels eines kabelbetriebenen Vermessungsgerätes. Solche Geräte werden nach Entfernung des Bohrgestänges aus dem Bohrloch verwendet, wobei sich der Bohrschlamm in einem gesetzten Zustand befindet. Eine derartige Bedingung führt selbst zu einer homogeneren zusammensetzung, die Anwesenheit von Schlammkuchen und Turbulenzen in Verbindung mit nicht-homogenen Bereichen wird i. w. eliminiert. Ein solches akustisches Durchmesser-Vermessungsgerät wird in dem US-Patent Nr. 3,835,953 (Summers) vorgestellt, in welchem ein mit einem Kabel ausgestattetes Meßwerkzeug zur Einbringung in ein Bohrloch vorgesehen ist. Eine Übertragereinheit 0 erzeugt sich wiederholende Schallimpulse, während das Übertragersystem um 360° um die eigene Achse gedreht wird, um die Wandungen des Bohrloches abzutasten. Eine Abtastrate zwischen einer und zehn Umdrehungen/Sekunde kann durch das Werkzeug selbst vollzogen werden, das i.

w. in der Mitte des Bohrloches zentriert ist. Die Schallenergiereflexe von der Bohrlochwandung stammen dann von einem schmalen, zentralisierten Bereich, wobei das System in der Lage ist, die Eigenschaften der Bohrlochwandung sehr genau zu definieren. Derartige Information ist aus einleuchtenden Gründen bei der Analyse der Bohrloch-Gestaltung nützlich. Ein wesentlicher Nachteil liegt allerdings darin, daß es für den Einsatz des mit einem Kabel ausgestatteten Meßgerätes notwendig

ist, das Bohrgestänge aus dem Bohrloch zu ziehen. Dies ist sowohl zeitaufwendig als auch teuer. Zwar erfassen die mit einem Meßkabel durchgeführten akustischen Parameter-Meßtechniken die Schallgeschwindigkeit an einem 5 Ort im Bohrlochbodenbereich , jedoch unterscheidet sich der akustische Weg, über den die Geschwindigkeitsmessungen gemacht werden, vom Weg, über den der Parameter meßtechnisch erfaßt wird. Beispielsweise wird eine akustische Durchmesservermessung, die über einen Bohrlochringbereich durchgeführt wird und sich auf Schallgeschwindigkeitsdaten stützt, die in einer Richtung parallel zur Bohrlochachse gemessen werden, wegen der Nicht-Linearität der Flußzusammensetzung und der Flußdichten über das Bohrloch nicht exakt sein.

Es wäre deswegen von Vorteil, die Probleme beim Stand der Technik durch Schaffung detaillierter akustischer Durchmesser-Information eines Bohrloches bei einem Meßverfahren zu schaffen, daß während des Bohrvorganges arbeitet. Dies gibt dem Bohrpersonal eine sofortige

Rückmeldung bezüglich der Qualität des gerade ausgebohrten Bohrloches und kann zur Ableitung von "in situ"-Spannungen herangezogen werden. Das Verfahren und die Vorrichtung nach der vorliegenden Erfindung sehen ein derartiges System unter Verwendung einer Reihe von akustischen Übertragern vor, die sowohl lateral als auch longitudinal an einer Bauteilgruppe des Bohrgestänges angeordnet sind und während des Bohrvorganges meßtechnisch arbeiten. Die akustischen Übertrager messen ferner die Schallgeschwindigkeit der Bohrflüssigkeit gleichzeitig mit der Distanzmessung, und zwar am selben Ort im Bohrloch wie die gerade gewünschte Distanzmessung und entlang eines Abschnittes desselben akustischen Weges wie die Distanzmessung. Dies führt zu

akustischen Reflektivitätsdaten auf Basis einer Schallgeschwindigkeitsmessung und einer Distanzmessung, die mit einem gemeinsamen Schallimpuls erzeugt werden. Auf diese Weise ist die Genauigkeit der erfaßten Daten sehr viel höher und zuverlässiger als bei den herkömmlichen Verfahrensweisen nach dem Stand der Technik.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren sowie ein Gerät zur Durchführung von Schallmessungen innerhalb eines Bohrloches anzugeben, das während eines laufenden Bohrvorganges eingesetzt werden kann und genaue Meßdaten liefert. Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale der nebengeordneten Verfahrens- und Vorrichtungsansprüche gelöst.

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und ein Gerät zur Durchführung akustischer (Schall)-Messungen innerhalb eines Bohrloches. Insbesondere umfaßt ein Aspekt der vorliegenden Erfindung eine akustische Durchmesser-Vermessungsvorrichtung für eine Messung während des Bohrvorgangs innerhalb eines Bohrloches 0 unter Verwendung zumindest eines Schallübertragers, der innerhalb eines Abschnittes eines Bohrgestänges angeordnet ist. Der Schallübertrager ist zur Erzeugung akustischer Impulse und zur Reflektion dieses Impulses von der Bohrlochseitenwandung vorgesehen, um die Schall-Laufzeit zu erfassen, die der Schallimpuls zur Rückkehr benötigt. Ein zweiter Schallempfänger ist in Längsrichtung des Gestänges in ausgewählter Entfernung vom ersten Übertrager angebracht, um einen Teil des durch den Übertrager erzeugten Schallimpulses aufzuneh-0 men. Der durch den zweiten Empfänger abgetastete Impuls gibt Aufschluß über die Schallgeschwindigkeit der Bohr-

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lochflüssigkeit, durch die sich der Impuls fortpflanzte, da der Abstand zwischen dem zweiten Empfänger und dem Übertrager bekannt ist.

Ein zweiter Aspekt der Erfindung umfaßt ein Gerät zur Vermessung der Reflektivität der Bohrlochseitenwandungen durch Übertragung einer Reihe von Schallimpulsen und Aufnahme der von den Wandungen reflektierten Schallenergie in zeitlicher Abhängigkeit der Impulsübertragung, die vom Bohrlochdurchmesser abhängt. Das Gerät weist ein Gehäuse auf, das zur Befestigung innerhalb eines Bohrgestänges geeignet ist, um die Schallmessungen während des Bohrvorganges durchzuführen. Innerhalb des Gehäuses sind Mittel vorgesehen, um Schallimpulse, die gegen die Bohrlochseitenwände ausgesandt und von diesen reflektiert werden, zu erzeugen und zu empfangen. Ein zweiter Empfänger ist in Längsrichtung mit Abstand vom impulserzeugenden Bauteil angeordnet, um den von dem Übertrager erzeugten Impuls aufzunehmen, der von den Bohrlochseitenwandungen reflektiert wird. Weiterhin sind datenverarbeitende Baugruppen zur Aufbereitung der Empfängerdaten innerhalb des Bohrloches zusammen mit Baugruppen vorgesehen, welche die Daten zur Bohrlochmündung übertragen. Ferner sind Vergleicher vorgesehen, die zum Vergleich der Schallimpuls-Laufzeitdaten geeignet sind, um die Zeitdifferenz zwischen dem Empfang des Schallimpulses durch den ersten bzw. zweiten Empfänger zu bestimmen. Sodann werden Entfernungen innerhalb des Bohrloches als Funktion der Schallenergie-Laufzeit berechnet.

Als weiteren Aspekt umfaßt die Erfindung das vorbeschriebene Meßgerät, wobei dessen Gehäuse zusätzlich ein darin befestigtes Neigungsmeßgerät zur Erzeugung

von Daten bezüglich der Bohrlochrichtung aufnimmt. Ferner ist ein zweiter Schallübertrager innerhalb des Gehäuses unter azimutalem Winkelabstand vom ersten Übertrager angeordnet, um einen Schallimpuls gleichzeitig mit der ersten Übertragungsvorrichtung zu erzeugen und zu empfangen. Weiterhin sind Schaltmittel vorgesehen, um die Mehrzahl von Übertragern in vorherbestimmter wiederholender Reihenfolge in Betrieb zu setzen. Ein anderer Aspekt der Erfindung umfaßt Baugruppen zur Erzeugung der Schallimpulse unter unterschiedlich ausgewählten Frequenzen und Impulsbreiten.

Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft schließlich ein Verfahren zur Vermessung eines Abstandes innerhalb eines Bohrloches durch die Aussendung von Schallenergie von einem Gehäuse aus, das als Abschnitt eines Bohrgestänges ausgebildet ist. Das Verfahren umfaßt als Verfahrensschritte das Vorsehen einer ersten schallimpulserzeugenden und -aufnehmenden Vorrichtung, die innerhalb des Gehäuses angeordnet ist, sowie das Vorsehen einer zweiten schallimpulsaufnehmenden Vorrichtung, die in Längsrichtung von den ersten schallaufnehmenden Baugruppen entfernt angeordnet ist. Ein Schallimpuls wird durch die impulserzeugende Vorrichtung abgegeben und von der Seitenwandung des Bohrloches reflektiert.

Ein erster Teil des Schallimpulses wird durch den ersten Schallempfänger, ein zweiter Teil des Schallimpulses durch den in 'Längsrichtung angeordneten zweiten Schallempfänger aufgenommen. Die Zeitabschnitte der Impulslaufzeit zwischen der impulserzeugenden Bau-0 gruppe, der Bohrlochwandung und dem ersten Schallempfänger einerseits und zwischen der impulserzeugenden Vorrichtung, der Bohrlochwandung und dem zweiten Schallempfänger andererseits werden gemessen. Der Ab-

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stand zwischen den impulserzeugenden Mitteln und der Bohrlochwandung wird als Funktion der Impulslaufzeiten und Entfernung zwischen dem ersten und zweiten Schallempfänger berechnet.

Die Erfindung ist anhand vorteilhafter Ausführungsbeispiele in den Figuren der Zeichnung näher erläutert. Diese zeigen:

Fig. 1 eine schematische Seitendarstellung - teilweise im Schnitt - eines Bohrloch-Bohrvorganges zur Verdeutlichung des Einsatzes der akustischen Durchmesser-Vermessungsvorrichtung nach den Grundsätzen der vorliegenden Erfindung;

Fig. 2 eine schematische Draufsicht auf die Vorrichtung nach der vorliegenden Erfindung zur Darstellung eines Paares von akustischen Senderempfängern zur Abgabe von von den Seitenwandungen eines Bohrloches reflektierten Schallimpulsen;

Fig. 3 eine schematische Seitenansicht einer Ausführungsform der akustischen Durchmesser-Vermessungsvorrichtung, die in Übereinstimmung mit den Grundsätzen der Erfindung konstruktiv ausgebildet ist.

Unter Bezugnahme auf Fig. 1 ist ein Bohrturm 11 gezeigt, der über einem Bohrloch 12 steht. Eine erste Ausführungsform der akustischen Durchmesser-Vermessungsvorrichtung, die nach den Grundsätzen der vorliegenden Erfindung ausgebildet ist, ist in einer Bauteilgruppe 14 angeordnet, die in ein Bohrgestänge 18 eingebaut ist und sich in dem Bohrloch 12 befindet. Das

Meßsystem 10 ist zur fortlaufenden Messung der Schallgeschwindigkeit und Entfernung innerhalb eines ringförmigen Bereiches 16 vorgesehen, der durch die Bauteilgruppe 14 und die Bohrlochseitenwandungen 20 begrenzt wird. Ein Bohrmeißel 22 ist am unteren Ende des Bohrgestänges 18 befestigt und schneidet das Bohrloch 12 durch die Erdformationen 24. Bohrschlamm 26 wird von einer Speichergrube 27 im Bereich des oberen Bohrlochendes 28 durch einen axialen Durchlaß im Inneren des Bohrgestänges 18 nach unten gepumpt, tritt durch Öffnungen im Bohrmeißel 22 aus und gelangt zur Oberfläche durch den ringförmigen Bereich 16 nach oben zurück. Ein metallisches Gehäuse 29 ist am oberen Ende des Bohrloches 12 über dem Bohrmeißel 22 angeordnet, um die Unversehrtheit des oberen Abschnittes des Bohrloches 12 zu gewährleisten.

Weiterhin wird aus Fig. 1 deutlich, daß der Ringbereich 16 zwischen dem Bohrgestänge 18, der Bauteilgruppe 14 und den Seitenwandungen 2 0 des Bohrloches 12 den Rückflußv.-eg für den Bohr schlamm bildet. Der Schlamm wird von der Speichergrube 26 im Bereich der oberen Bohrlnrhöffnung 28 durch ein Pumpsystem 30 umgepumpt. Der Schlamm geht dabei durch eine Schlamm-Versorgungsleitunq 31, die an den zentralen Durchlaß angekoppelt ist, der sich durch die gesamte Länge des Bohrgestänges 18 erstreckt. Der Bohrschlamm wird auf diese Weise entlang des Bohrgestänges nach unten gepreßt und tritt in das Bohrloch durch die Öffnungen im Bohrmeißel zu dessen Kühlung und Schmierung aus und befördert die Gesteinsbrocken, die während des Bohrvorganges anfallen, zurück zur Oberfläche. Eine Flüssigkeits-Ausgangsleitung ist an den ringförmigen Durchgangsbereich 16 am oberen Ende des Bohrloches angeschlossen, um den Schlammrückfluß

aus dem Bohrloch 12 zur Schlammgrube 26 zu fördern, wie das in Fig. 1 dargestellt ist. Der Bohrschlamm wird typischerweise durch unterschiedliche nicht dargestellte Geräte einer Behandlung unterzogen, beispielsweise durch Entgasungseinheiten ; _und Zirkulationstanks geführt, um eine vorbestimmte Schlammviskosität und Konsistenz aufrechtzuerhalten. Es ist klar, daß Messungen der Schallgeschwindigkeit im Bohrschlamm am oder innerhalb der Schlammgrube 2 6 deswegen durch die behandelten und ruhigen Schlammverhältnisse beeinflußt würden.

Die Lage der akustischen Durchmesser-Vermessungsvorrichtung 10 in der Bauteilgruppe 14 in Bezug auf die Bohrlochseitenwandungen 20 kann sich während der Rotation ändern. Das Bohrgestänge wird zur Übertragung der Schneidbewegung auf den Bohrmeißel 20 gedreht, während dieser Drehung schabt das Bohrgestänge 18 oftmals an den Wandungen des Bohrloches 12. Ein derartiges Schaben oder Reiben führt zu Fehlausrichtungen und nicht-zentrLerter Lage des Meßwerksystems 10 bezug auf
die Bohrlochwandungen 20. Die Distanz-Messung mit der Vorrichtung 10 durch Anwendung von Schallimpulsen, die von den Bohrlochseitenwandungen 20 zurückgeworfen werden, muß demzufolge extrem genau sein, um Datenreihen zu erhalten, die sehr genau die Größe und Gestalt des Bohrloches darstellen. Diese Meßgenauigkeit muß auch im Hinblick auf die Anwesenheit von Gaseinschlüssen, Gesteinsbrocken und nicht-homogenen Durchflußbedingungen aufrechterhalten werden, die für die meisten Bohrvorgänge typisch sind. Darüber hinaus müssen die Abmessungen von nicht-gleichförmigen Bohrlochdurchmessern

ebenso wie die Veränderungen der Schallreflektivität meßtechnisch erfaßt werden, die für unterschiedliche Gesteins- oder Erdformationen aussagekräftig sind.

Das Verfahren und die Vorrichtung nach der vorliegenden Erfindung sehen ein System vor, das Daten genauer und verläßlicher Natur liefert, die auch bezüglich der
Bohrlochform und -größe unter Verwendung eines Schallimpulses sowohl für die Ermittlung der Schallgeschwindigkeit in der turbulenten Strömung der nicht-homogenen Bohrflüssigkeit im Bohrlochringbereich als auch zur Ermittlung des Abstandes zwischen der Bauteilgruppe 10 und der Bohrlochwandung 20 aussagekräftig sind. Auf diese Weise verwenden alle Entfernungsmessungen die aktuelle Schallgeschwindigkeit des flüssigen Mediums, durch das hindurch die Distanzmessung durchgeführt wird.

Unter Bezugnahme auf Fig. 2 wird eine vergrößerte schematische Draufsicht einer Auführungsform der akustischen Durchmesser-Vermessungsvorrichtung 10 gezeigt, die 0 nach den Grundlagen der vorliegenden Erfindung konstruktiv ausgebildet ist. Die Vorrichtung 10 weist erste und zweite Senderempfänger 40 und 4 2 auf, die innerhalb der Seitenwände der Bauteilgruppe 14 untergebracht sind. Ein dabei verwendeter akustischer Senderempfänger besteht aus einem einzelnen akustischen Sender und einem einzelnen akustischen Empfänger, die im allgeneinen innerhalb derselben Baugruppe untergebracht sind. Gerichtete Schallenergiebündel 43 und 44 sind ausgehend von den akustischen Senderempfängern 40 und 42 dargestellt. Ein Schallimpuls 45 läuft innerhalb des Bündels 43 ausgehend vom Senderempfänger 40 weg.Auf ähnliche Weise ist ein Schallimpuls 47 dargestellt, der innerhalb des

ist. Senderempfänger 40 und 42 sind entlang einer gemeinsamen azimutalen Ebene an der Bauteilgruppe 14 befestigt. Eine dritte akustische Meßvorrichtung 50 ist an der Bauteilgruppe 14 unter Einhaltung eines bestimmten Längsabstandes "d" zum Senderempfänger 40 befestigt. Die akustische Meßvorrichtung 50 kann entweder ein Senderempfänger einfach ein zweiter akustischer Empfänger 50 zur Erfassung der Schallimpulse 45 sein, die vom Senderempfänger 40 abgestrahlt werden.

Ferner ist aus Fig. 3 ersichtlich, daß ein vom Senderempfänger 40 abgestrahlter Schalliirpuls 45 auf die Seitenwandung 20 des Bohrloches 12 trifft und davon sowohl in Richtung des ersten Empfängers, der einen Bestandteil des Senderempfängers 40 bildet, als auch zum zweiten Empfänger 50 zurückgeworfen wird. Das Bündel 43 des Schallimpulses 45 ist schematisch mit dem Impuls dargestellt, der die Seitenwandung des Bohrloches 20 an einem Punkt 52 berührt. Der Impuls 45 wird sodann zum Empfänger 50 als reflektierter Impuls 54 zurückgeworfen. Da die Entfernung zwischen dem Senderempfänger 40 und dem Reflektionspunkt 52 geringer als die Entfernung zwischen dem zweiten Empfänger 50 und dem Punkt 52 ist, kommt der Schallimpuls 54 zuerst am Senderempfänger 40 an. Der Unterschied zwischen den Ankunftszeiten, an denen der Impuls 54 beim ersten Empfänger des Senderenpfängers 40 bzw. beim zweiten Empfänger 50 einläuft, ist ein Maß für die Entfernung zwischen dem Senderempfänger 40 und dem Punkt 52 der Bohrlochwandung. Diese Entfernung wird zu einer geometrischen Funktion, da die Entfernung zwisehen dem Senderempfänger 40 und dem . Empfänger 50 bekannt ist.

Bündels 44 vom Senderempfänger 42 abgestrahlt wird. Die Schallimpulse 45 und 47 sind gegen die Seitenwandungen des Bohrloches 20 gerichtet und werden von diesen zu
den Senderempfängern 40 und 42 zurückgeworfen, wo sie durch die Empfänger aufgezeichnet werden/iie in jedem Senderenpfänger enthalten sind. Die Laufzeit, die die Schallimpulse 45 und 47 zur Reflektion und zur Rückkehr zu den Senderempfängern 40 und 42. jeweils benötigen, ist ein Maß für die Entfernung zwischen den Senderempfängern und der Bohr-

lochwandung. Allein, eine Interpretation der Laufzeit-Verzögerungsdaten erfordert eine Bestimmung der Schallgeschwindigkeit im Bohrschlamm 26, der sich innerhalb des Ringbereiches 16 des Bohrloches 12 befindet. Sowohl wegen der nicht-homogenen Beschaffenheit der Bohrschlammflüssigkeitsanordnung als auch wegen der Anwesenheit von Gas und Erdbrocken in der Flüssigkeit ändert sich die Schallgeschwindigkeit innerhalb der Flüssigkeit sowohl zeitlich als auch räumlich. Demzufolge ändert sich auch die Zeit für Hin- und Rücklauf

.i\! der Schallimpulse 45 und 47. Wenn man nun die gleichen Schallimpulse 45 und 47 dazu heranzieht, sowohl die Entfernungsmessungen als auch die Schallgeschwindigkeit des flüssigen Mediums zu messen, durch das die Entfernungsmessung vollzogen wird, dann wird die Entfernungsmessung sowohl von Natur aus genau als auch verläßlich. Darüber hinaus stellen die während des Meßvorganges ermittelten Daten außerdem eine genaue Information der Bohrschlammbeschaffenheit am Ort der Schallgeschwindigkeits-Durchmesserermittlung dar.

In Fig. 3 wird eine vergrößerte schematische Seitenansicht der akustischen Durchmesser-Vermessungsvorrichtung 10 gezeigt, die konstruktiv in Übereinstimmung mit den Grundlagen der vorliegenden Erfindung ausgebildet

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Unter Bezugnahme auf Fig. 3 ist ferner ersichtlich, daß die Entfernung zwischen dem Senderempfänger 40 und dem Empfänger 50 ein konstruktiver Parameter ist. Ein optimaler Abstand ist abhängig von den beim Meßvorgang eine Kolle spielenden Geometrien. Die Verwendung von herkömmlichen geometrischen Funktionen abhängig von den Entfernungen und Zeiten, die hier eine Rolle spielen und die Anwendung von Differenzialgleichungen ermöglichen eine Optimierung der angestrebten meßtechnischen Auflösung. Die Entfernung zwischen dem Meßwertgeber 40
und dem Empfänger 50 wird demzufolge so ausgewählt, daß die erhaltenen Auflösungen sowohl nützlich als auch unter Inbetrachtziehung der Bedingungen im Bohrlochbodenbereich durchführbar sind.

Die vorliegende Erfindung zieht die Verwendung eines einzigen Senders, eines ersten Empfängers 4 0 sowie eines zweiten Empfängers 50 in Betracht, der vom ersten Empfänger 40 mit Längsabstand befestigt ist. Zur Kompensation einer nicht-koaxialen Anordnung der Meßvorrichtung innerhalb des Bohrloches und/oder einer Schaukelbewegung des Bohrgestänges 18, die bei einem Bohrvorgang üblich ist, wird eine Mehrzahl von Senderempfängern 40 und 42 bevorzugt. Bei einer derartigen Konfiguration werden die Senderempfänger gleichzeitig gepulst, wobei Iediglich einer zur Erfassung der Schallgeschwindigkeit in Verbindung mit einem zweiten Empfänger benötigt wird. Allein, falls erwünscht, kann jeder Senderempfänger 40 und 42 mit einem zugehörigen zweiten Empfänger 50 gekoppelt werden, der davon beabstandet angeordnet ist und zur Eigenkalibrierung dient, um Änderungen der Schallgeschwindigkeit in der Bohrlochflüssigkeit bei unterschiedlichen azimutalen Lagen im Bohrlochringbereich zu erfassen. So'lch eine Anordnung

würde Aufschluß über nicht-homogenen Bohrschlammfluß geben, der Fehler in der Entfernungsmessung verursachen könnte. Von wesentlicher Bedeutung ist, daß die Verwendung einer einzelnen Schallwelle 45 sowohl für die Distanzmessung als auch für die Schallgeschwindigkeitsmessung einen hervorzuhebenden Vorteil darstellt, der für jegliche Senderempfänger-Anordnung zu bevorzugen ist.

Beim Betrieb sind die akustischen Senderempfänger 40 und 42
an einer Bohrstange oder einer Bohrlochboden-Bauteilgruppe 14 mit einem in Längsrichtung davon entfernten Referenzempfänger 50 zur "Vororf-Messung der Schallgeschwindigkeit im Bohrschlamm 26 innerhalb des Ringbereiches 16 des Bohrloches 12 angeordnet. "Vorort"-Vermessung unter Verwendung eines gemeinsamen Schallimpulses 45 ist naturgemäß genauer als ein Impulssystem, das gesonderte Impulse zur Schallgeschwindigkeitserfassung und Entfernungsmessung innerhalb des .Bohrloches verwendet. Ein derartiger Betrieb ist nur •mit einer Senderanordnung möglich, die geeignet

2ü ist, den während des Bohrvorganges auftretenden Vibrationen zu widerstehen und eine Anordnung hat, durch die die Reflektionseffekte von Gesteinsbrocken im Bohrschlamm reduziert werden. Aus diesem Grunde sind die kreisförmig verteilten Senderempfänger 40 und 42 sowie die in Längsrichtung davon versetzt angeordnete Referenzempfänger 50 vorzugsweise etwas in die Bauteilgruppe 14

i zurückversetzt, um eine glatte Außenwandung der Bau- j

teilgruppe zu erhalten, wie das in Fig. 2 und 3 darge- j

stellt ist. Die Senderempfänger können auch innerhalb des I Bohrgestänges in ausgewählten Anordnungen angebracht

werden, um interne Reflektion der Schallwellen inner- j

halb des Bohrgestänges zu vermeiden. Eine besonders ausgeformte Senderanordnung wurde gezeigt, um diese
internen Reflektionen zu vermindern.

Es ist aus dem Vorstehenden ersichtlich, daß vorort vorgenommene Durchmesser-Vermessung unter Verwendung des Systems 10 nach der vorliegenden Erfindung lediglich Zeitabstands-Messungen benötigt. Im wesentlichen azimutal verteilt liegende Messungen kann man mitteln, um einen durchschnittlichen Bohrlochdurchmesser zu ermitteln, wenn ein einzelner Sender 40 in Verbindung mit einem Empfänger 50 verwendet wird. Eine zweifache oder dreifache Senderanordnung wird sicherlich sehr viel genauere und ohne weiteres verwendbare Aufschlüsse über die Größe des Bohrloches 12 in Situationen geben, in denen die Bauteilgruppe 14 nicht koaxial innerhalb des Bohrloches liegt.

Mehrfache Senderanordnungen sind von besonderer Bedeutung bei der akustischen Untersuchung der Feinheiten des Bohrlochwandungs-Aufbaus, wobei die von den Formationen entlang der Bohrlochseitenwände reflektierte akustische Energie von der akustischen Anpassung und den Oberflächen-Characteristika der Formation abhängt. Oberflächenrauhigkeit und eine Fehlanpassung einerseits wie auch Formationssplitter und Formationsoberflächen-5 Characteristika schwächen den Schallimpuls ab, wenn auch der zeitliche Rahmen i. w. konstant bleibt. Demzufolge spiegeln die Abschwächungseffekte des Schallimpulses die Reflektivität der Oberfläche wider, von der der Impuls reflektiert wird.

Durch Verwendung eines Winkelposition- oder azimutalen Positionsensors 60, wie er schematisch in Fig. 2 dargestellt ist, können die Ref lektivitätsdaten weiter

verfeinert werden, um eine Periode sich drehender Daten für Analysezwecke zu bestimmen. Die aus einer zweiten Drehperiode gesammelten Daten können dann für eine Weiterverarbeitung in dem Speicher eines nicht gezeigten Mikroprozessorsystems gesammelt und gespeichert werden. Auf diese Weise kann eine Gruppe von Bohrlochdaten verarbeitet werden, während eine zweite Gruppe während eines anderen Drehzyklus aufgenommen wird.

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Es wurde mithin gezeigt, daß eine Senderempfängeranordnung, j

die zur Hochauflösung geeignet ist, nicht nur Erstel- !

lung eines klaren Bildes einer Bohrlochgestaltung, sondern auch für andere Parameter aus dem Bohrlochbo-

" denbereich herangezogen werden kann. Aufgrund der Bohrgestängedrehung werden sich wiederholende Daten er-

" zeugt, die zur Angabe von Änderungen des Bohrloches sowie zur Überwachung der den Durchfluß des Bohrschlammes 26 innerhalb des Ringbereiches 16 bezeichnenden Parameter geeignet sind. Beispielsweise hat die j Anwesenheit von Gas und Erdbrocken innerhalb der Bohr- j flüssigkeit 26 deutliche Auswirkungen auf die Reflek- j tivität der Flüssigkeit, die durch ein geeignetes FiI- j „_n terungssystem ermittelt werden kann. Auf dieselbe Weise I kann die Rauhigkeit des Bohrloches durch Vermessung des j Reflektionsgrades zur selben Zeit, zu der eine "in ; situ"-Geschwindigkeitsmessung vervollständigt wird, i ermittelt werden. j

Das Verfahren und die Vorrichtung nach der vorliegenden

Erfindung liefert zudem sog. MWD-Daten über aktuelle j

Gesteinsformationseigenarten innerhalb des Bohrloches

BAD ORIGINAL

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' zusätzlich zu denen, die oben erläutert wurden. Durch Verwendung relativ hoher Frequenzen (1 - 3 Mhz) von Schallwellen kann das Bedienungspersonal die relativ niederfrequenten mechanischen Störgeräusche ausfiltern, die normalerweise mit einem Bohrvorgang einhergehen. Das Betreiben der Senderempfängeranordnung mit unterschiedlichen Frequenzen erzeugt weiter zusätzliche Daten und dazugehörende Filterungsmöglichkeiten. Beispielsweise ermöglicht die Verwendung von unterschiedlichen Schall-

■0 Impulsbreiten und -raten Information über die Oberflächenrauhigkeit, da die Rauhigkeitsreflektionen von der Größe der Rauhigkeitsteilchen in Bezug auf die Wellenlängen abhängt, weswegen die Verwendung von unterschiedlichen Frequenzen genauere Daten liefert.

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Claims

DIPL. - ING. HANS W. G Il O E N I K G 3511917 PATKJITANWALT Κ/Ν 18-120 NL Industries, Inc. 1230 Avenue of the Americas New York, N.Y. 10020, USA Akustische Durchmesser-Vermessungsvorrichtung Patentansprüche

1. Vorrichtung zur Messung der Reflektivität der Seitenwandungen eines Bohrloches durch Aussendung einer Reihe von Schallimpulsen und Empfang der von den Bohrlochwandungen reflektierten akustischen Energie in zeitlicher Abhängigkeit von der·Impulsaussendung, gekennzeichnet durch:

ein Gehäuse (Bauteilgruppe 14), das innerhalb eines Bohrgestänges (18) angeordnet ist, um die Messung während des Bohrvorganges durchzuführen;
einen ersten Schallimpuls-Senderempfänger (40), der innerhalb des Gehäuses (Bauteilgruppe 14) zur Erzeugung und zum Empfang eines Schallimpulses angeordnet ist, der in Richtung auf die Seitenwandung (20) des Bohrloches (12) abgestrahlt und davon reflektiert wird;

eine Vorrichtung (Empfänger 50) zur Aufnahme der vom ersten Senderempfänger (40) erzeugten und von den Seitenwandungen (20) des Bohrloches (12) reflektierten Schallimpulse, die in Gehäuselängsrichtung in einem bekannten Abstand (d) vom ersten Sendorempfanger (40) entfernt angeordnet ist;

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eine Vergleichsvorrichtung zur Erfassung der Zeitunterschiede zwischen der Ankunft des Schallimpulses am ersten Senderempfänger (40) und dem Empfänger (50), sowie

eine Vorrichtung zur Berechnung des Abstandes zwischen dem ersten Senderempfänger (40) und der Bohrlochwandung (20) aus dem ermittelten Laufzeitunterschied und der bekannten Entfernung (d) zwischen dem Senderempfänger (40) und dem Empfänger (50).

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (Bauteilgruppe 14) ein Neigungsmeßgerät aufweist, das zur Erzeugung von Daten bezüglieh der Bohrlochausrichtung vorgesehen ist.

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3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

daß sie einen Schall-Senderempfänger (42) aufweist,

** der innerhalb des Gehäuses (Bauteilgruppe 14)

gegenüber dem ersten Senderempfänger (40) drehversetzt angeordnet ist und zur Erzeugung und zum Empfang eines Schallimpulses gleichzeitig mit dem ersten Senderempfänger (40) dient.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch Steuereinrichtungen zur Betätigung mehrerer Senderempfänger (40, 42) in einer bestimmten, sich wiederholenden Reihenfolge.

5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sie Mittel zur Erzeugung der Schallimpulse mit ausgewählten Frequenzen und Impulsbreiten aufweist, um Daten über einen Bohrlochbereich mit Schallenergie unterschiedlicher Charakteristika zu erfassen.

6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Mehrzahl von Senderempfängern (40, 42) innerhalb des Gehäuses (Bauteilgruppe 14) in ringförmig verteilter Anordnung unter Einhaltung eines gegenseitigen Abstandes angeordnet ist und eine Mehrzahl von jeweils zugehörigen Empfängern (z.B. 50) von den Senderempfängern (40, 42) im Abstand in Gehäuselängsrichtung angeordnet sind, um simultan Daten über die Laufzeit eines Schallimpulses abhängig von der Aufnahme des reflektierten Impulses durch den jeweils zugehörigen im Längsabstand vorgesehenen Empfänger (z.B. 50) zu erfassen, wobei die Schallimpulse durch die Senderempfänger (40, 42) erzeugt und empfangen werden.

7. Verfahren zur Messung eines Abstandes innerhalb eines Bohrloches durch die Abstrahlung von Schallenergie von einer Meßvorrichtung, die innerhalb eines in einem Bohrloch befindlichen Bohrgestänges angeordnet ist, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte:

Bereitstellung eines ersten Schallimpuls-Senderempfängers, der in einem Meßgerätegehäuse angeordnet ist;

Vorsehen eines ersten Schallimpulsempfängers in der Nähe des ersten Senders innerhalb des Gehäuses;

Vorsehen eines zweiten Schallimpulsempfängers innerhalb des Gehäuses, der mit bekanntem Abstand vom ersten Empfänger angeordnet ist; Erzeugung eines Schallimpulses mittels des ersten Senders und Abstrahlung des Schallimpulses nach außen;

Reflektion des Schallimpulses von der Bohrlochwandung ;

Empfang eines ersten Teils des Schallimpulses mit dem ersten Schallimpulsempfänger;

Empfang eines zweiten Teils des Schallimpulses mit dem in Längsrichtung beabstandet angeordneten zweiten Schallempfänger;

Messung der Impulslaufzeit zwischen dem Sender der Bohrlochwandung und dem ersten Schallimpulsempfänger sowie zwischen dem Sender der Bohrlochwandung und dem zweiten Schallimpulsempfänger,

-^ sowie

Ermittlung von Abständen innerhalb des Bohrloches entlang des Schallweges als Funktion der gemessenen Zeitabschnitte und des bekannten Abstandes zwischen dem ersten Schallimpulsempfänger und dem zweiten Schallimpulsempfänger.

8. Verfahren nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte:

Vorsehen eines innerhalb des Gehäuses angeordneten Neigungsmeßgerätes, sowie

Erzeugung von Neigungsdaten abhängig von der Bohrlochausrichtung.

9. Verfahren nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte:

Verwendung eines zweiten Schallimpuls-Senders sowie eines daneben liegenden Empfängers innerhalb des Gehäuses, der vom ersten Sender und dem zugehörigen Empfänger azimutal entfernt ist, sowie

Erzeugung und Empfang eines Schallimpulses gleichzeitig mit dem ersten Sender und Empfänger.

10. Verfahren nach Anspruch 9, gekennzeichnet durch die Verwendung von Schaltelementen, die die Mehrzahl von Sendern und zugehörigen Empfängerpaaren in vorbestimmter, sich wiederholender Abfolge an-

steuern.

11. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet,

daß die Schallimpulse mit ausgewählten Frequenzen 5

und Impulsbreiten erzeugt werden, um Daten über einen gemeinsamen Bohrlochbereich mit Schal!energie unterschiedlicher Charakteristika zu erhalten.

12. Verfahren nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch ^ Anbringung einer Mehrzahl von akustischen Senderempfängern innerhalb des Gehäuses unter kreisförmiger (azimutaler) voneinander beabstandeter Anordnung,

die Befestigung einer Mehrzahl von Empfängern, die von den Sendern in Längsrichtung entfernt liegen, sowie

die simultane Erzeugung von Meßdaten über die Laufzeit von Schallimpulsen, die durch den Senderempfänger in bezug auf den Empfang des reflektierten Impulses durch den Senderempfänger und durch den in Längsrichtung beabstandeten Empfänger erzeugt werden.

13. Verfahren zur Vermessung der Geometrie eines Bohrloches durch Reflektion von Schallimpulsen an den Bohrlochseitenwandungen und Messung der Impulslaufzeiten, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte:

Verwendung eines Gehäuses, das zur Befestigung innerhalb eines Bohrgestänges zur Einbringung in das Bohrloch und zur Durchführung der Messung während des Bohrvorganges geeignet ist;
Vorsehen eines ersten Schallimpuls-Senderempfängers innerhalb des Gehäuses zur Erzeugung und zum· Empfang von akustischen Impulsen;

Vorsehen eines Schallimpulsempfängers innerhalb

— faGehäuses, der von dem Schall-Senderempfänger in Gehäuselängsrichtung einen bekannten Abstand einnimmt und zur Erfassung der Reflektion eines von dem Senderempfänger ausgesandten Schallimpulses geeignet ist,

Erzeugung eines Schallimpulses durch den Senderempfänger und Abstrahlung des Schallimpulses nach außen;

Reflektion des Schallimpulses an der Seitenwandung des Bohrloches;

Empfang des Schallimpulses durch den Senderempfänger und Aufzeichnung der Impulslaufzeit;
Empfang des reflektierten Schallimpulses mit dem Schallempfänger und Aufzeichnung der entsprechenden Impulslaufzeit, sowie

Ermittlung der Länge des Schallweges des Senderempfänger-Impulses als Funktion der aufgezeichneten Laufzeiten und der bekannten Entfernung zwischen

dem Senderempfänger und dem Empfänger.
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14.. Verfahren nach Anspruch 13, gekennzeichnet durch Vorsehen eines zweiten Senderempfängers, der vom ersten Senderempfänger im azimutalen Abstand angeordnet ist und zur simultanen Erzeugung eines akustischen Impulses zusammen mit dem ersten Senderempfänger dient.